Brevet FR2943741A1 — publié le 20101001

-1- UNITE ET CENTRALE DE CONVERSION DE L'ENERGIE GRAVITATIONNELLE ET DE LA POUSSEE D'ARCHIMEDE EN ENERGIE ELECTRIOUE ET/OU MECANIOUE. DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine des unités et des centrales de conversion de l'énergie gravitationnelle et de la poussée d'Archimède en une énergie électrique ou mécanique, généralement installées en pleine mer ou océan pour produire de l'énergie principalement électrique. L'invention vise plus particulièrement des unités et des centrales dans lesquelles la force gravitationnelle est utilisée pour faire descendre une pluralité de réservoirs remplis d'un fluide et la poussée d'Archimède est utilisée pour faire remonter ces réservoirs, les réservoirs étant reliés entre eux par un élément de transmission. L'élément de transmission transmet alors son énergie cinétique à un organe de conversion permettant de générer l'énergie électrique et/ou mécanique. ART ANTERIEUR De façon générale, il est connu d'utiliser des réservoirs à géométrie variable de façon à modifier leur volume interne et ainsi générer un différentiel entre les forces de gravitation et de poussée d'Archimède s'appliquant respectivement aux différents réservoirs. On entraîne alors en rotation un générateur de courant par l'intermédiaire d'un câble, d'une corde ou d'une chaîne. En effet, tel que décrit dans le document FR-2 830 575, des masses présentes à l'intérieur des réservoirs permettent de modifier la géométrie des réservoirs et donc leur volume interne. Les masses peuvent osciller entre deux positions en fonction de la direction ascendante ou descendante des réservoirs. Ceci permet de générer une augmentation de volume des réservoirs coté ascendant et inversement une diminution du volume interne des réservoirs coté descendant. 2943741 -2- Cependant, une telle unité comporte un nombre important de réservoirs et d'éléments mécaniques mobiles. De telles unités sont donc complexes à fabriquer. Par ailleurs, les masses en mouvement ou le déplacement des portions de réservoir 5 mobiles entre elles peuvent se gripper. Dans ce cas, la modification du volume des réservoirs n'intervient pas et l'ensemble du dispositif peut s'arrêter si un nombre important de masses vient se bloquer à l'intérieur des réservoirs. Ceci nécessiterait alors une intervention sur l'ensemble des réservoirs et imposerait sans doute le démontage total de l'unité de conversion d'énergie. En outre, de telles unités présenteraient un entretien 10 très fastidieux. Ainsi, un objectif de l'invention est de réduire le nombre d'éléments en mouvement et de supprimer d'éventuels organes mécaniques à l'intérieur des réservoirs. 15 EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne donc une unité de conversion de l'énergie gravitationnelle et de la poussée d'Archimède en énergie électrique et/ou mécanique. Une telle unité est donc partiellement immergée dans de l'eau et comporte : • une plateforme flottante sur laquelle sont agencés des premiers moyens de 20 compression d'au moins un fluide ; • au moins deux réservoirs solidarisés entre eux par un élément de transmission ; • un organe de conversion de l'énergie transmise par l'élément de transmission, cet organe étant agencé sur la plateforme flottante ; • une structure immergée solidaire de la plateforme flottante au niveau d'une 25 extrémité supérieure et lestée au niveau d'une extrémité inférieure ; • une roue agencée à proximité de l'extrémité inférieure de la structure immergée et permettant d'assurer un guidage de l'élément de transmission. Selon l'invention, cette unité se caractérisée en ce que chaque réservoir décrit un 30 mouvement de translation vertical de va-et-vient entre, d'une part, une station basse de remplissage d'un réservoir avec le premier fluide, et d'autre part, une station haute de remplissage d'un autre réservoir avec un second fluide, la masse volumique du premier fluide étant inférieure à celle du second fluide. 2943741 -3- L'unité se caractérise également en ce qu'elle comporte : • une première canalisation permettant d'acheminer le premier fluide comprimé par les moyens de compression depuis la plateforme flottante jusqu'à la station basse ; 5 et • une seconde canalisation reliant hydrauliquement les stations de remplissage basse et haute et permettant le transfert du second fluide s'échappant du réservoir situé dans la station basse pour remplir le réservoir positionné au niveau de la station haute, ce second fluide étant évacué du réservoir en injectant le premier fluide 10 sous pression dans le réservoir. Autrement dit, chaque réservoir décrit un mouvement de va-et-vient entre une station basse et une station haute, la station basse permettant de remplir les réservoirs avec le premier fluide et d'évacuer le second fluide simultanément. La station haute permet, 15 quant à elle, de remplir les réservoirs avec le second fluide et d'évacuer le premier fluide. Par ailleurs, les deux réservoirs sont reliés entre eux au moyen d'un élément de transmission qui peut notamment être un câble métallique, une chaîne ou tout autre élément longiligne comportant une résistance à la rupture adaptée. Cet élément de 20 transmission permet d'entraîner en rotation l'organe de conversion selon deux sens de rotation correspondant aux mouvements d'aller et retour des deux réservoirs. En remplissant le volume interne des réservoirs avec des fluides de masses volumiques différentes, il est possible de générer des forces résultantes de norme égale 25 sur les deux réservoirs mais avec des sens opposés. Une telle unité peut être agencée en pleine mer, l'utilisation de lestes positionnées au niveau de la structure immergée garantissant la stabilité de l'unité. 30 De tels réservoirs peuvent notamment être réalisés en fonte ou dans d'autres matériaux métalliques aptes à supporter des pressions importantes, notamment dues à la profondeur d'utilisation. En effet, une telle unité peut être adaptée pour fonctionner à des profondeurs de plusieurs kilomètres. 2943741 -4- Selon un premier mode de réalisation, le premier fluide peut être de l'air et le second fluide de l'eau. Dans ce cas, un compresseur permet de comprimer l'air et est agencé au niveau de la plateforme. 5 L'eau permet alors de chasser l'air contenu dans le réservoir de façon à augmenter la masse globale du réservoir et de son contenu. La force gravitationnelle est alors supérieure à la poussée d'Archimède et la résultante des forces est verticale vers le bas pour permettre la descente du réservoir rempli d'eau. Inversement, l'air sous pression 10 permet de chasser l'eau contenu dans le réservoir de façon à diminuer la masse globale du réservoir et de son contenu. La force gravitationnelle est alors inférieure à la poussée d'Archimède et la résultante des forces est verticale vers le haut pour permettre la monté du réservoir rempli d'air. 15 Selon un second mode de réalisation, le premier fluide peut être de l'air et le second fluide peut être du dioxyde de carbone ou tout autre composant présentant les mêmes propriétés de liquéfaction et de vaporisation. En effet, en remplaçant l'eau par du dioxyde de carbone, il est possible de diminuer la pression de l'air nécessaire pour évacuer le second fluide du réservoir agencé en station basse. 20 En pratique, l'unité peut comporter : • des moyens de détente du second fluide aptes à le faire passer de l'état liquide à l'état gazeux, ces moyens de détente étant agencés au niveau de la station basse avant l'entrée du second fluide dans la seconde canalisation ; 25 • des seconds moyens de compression du second fluide aptes à le faire passer de l'état gazeux à l'état liquide, ces moyens de compression étant agencés au niveau de la plateforme flottante avant l'entrée du second fluide dans le réservoir. De cette manière, il est possible de faire varier la masse volumique du second fluide 30 entre l'instant où il est contenu dans le réservoir à l'état liquide, et l'instant où il sort du réservoir pour remonter dans la seconde canalisation, car il est alors à l'état gazeux. 2943741 -5- Avantageusement, chaque réservoir peut comporter deux vannes de remplissage et deux vannes de vidange permettant respectivement l'introduction de l'un des fluides et l'évacuation de l'autre fluide. De telles vannes de remplissage et de vidange permettent aux fluides de circuler uniquement dans un seul sens. 5 Selon un mode de réalisation particulier, chaque réservoir peut comporter une membrane souple déformable permettant de délimiter deux volumes étanches dans lesquels les fluides sont alternativement agencés lors du déplacement des réservoirs. Ainsi, les deux fluides ne sont pas mélangés entre eux et la membrane souple permet de 10 former une surface de séparation entre les deux fluides lors des phases de remplissage et de vidange. En pratique, chaque réservoir peut comporter un volume extérieur de forme ellipsoïdale. En effet, une telle forme présente à la fois des qualités d'aérodynamisme et 15 de résistance mécanique avantageuse pour supporter les pressions intérieures et extérieures s'exerçant à sa surface. Avantageusement, l'élément de transmission peut être formé par deux tronçons disjoints reliant les deux réservoirs. De cette manière, chaque réservoir est assemblé avec 20 les deux tronçons au niveau de ses extrémités inférieures et supérieures. Selon un mode de réalisation particulier, l'unité peut comporter un dispositif de réglage de la tension de l'élément de transmission, un tel dispositif étant agencé sur la plateforme flottante. Un tel dispositif peut notamment être réalisé au moyen d'un vérin 25 hydraulique, pneumatique ou électrique permettant de garantir une tension constante de l'élément de transmission, notamment lors des phases de ralentissement et d'arrêt des réservoirs dans les stations basse et haute. Ce ralentissement peut notamment être réalisé en utilisant comme convertisseur un 30 générateur de courant freiné par des courants de Foucault et/ou par des vérins amortisseurs en fonction de la vitesse de fonctionnement choisie. Un système de freinage à disques ou à tambours peut également être utilisé pour ralentir et immobiliser les 2943741 -6- réservoirs. Ce système peut alors être agencé directement sur l'axe du générateur ou bien un arbre de transmission entraîné en rotation par l'axe du générateur. En pratique, les faces en regard des deux réservoirs peuvent comporter chacune une 5 couche de revêtement apte à générer un champ magnétique de polarité identique. De cette manière, lors de leur croisement, les réservoirs se repoussent et tout risque de collision entre les deux réservoirs est évité. Avantageusement, la plateforme flottante peut comporter une forme hexagonale. De 10 cette manière, il est possible d'assembler plusieurs unités les unes à côté des autres. Un tel assemblage de plusieurs unités permet de générer alors une centrale de production d'énergie électrique et/ou mécanique. Une telle centrale peut notamment permettre une production continue d'énergie en décalant les phases d'arrêt et les phases 15 de production d'énergie de deux unités juxtaposées. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortit ont bien de la description du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non 20 limitatif, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : • la figure 1 est une vue schématique en coupe de côté selon une première variante d'une unité conforme à l'invention ; • la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un réservoir ; • la figure 3 est une vue schématique en coupe de côté selon une seconde 25 variante d'une unité conforme à l'invention ; • la figure 4 est une vue schématique de dessus d'une centrale formée par l'assemblage de trois unités. MANIERE DE REALISER L'INVENTION 30 Comme déjà évoqué, l'invention concerne une unité de transformation de l'énergie gravitationnelle et de la poussée d'Archimède en énergie électrique et/ou mécanique. Tel que représenté à la figure 1, une telle unité 1 comporte une plateforme flottante 2 sur laquelle est solidarisée une structure immergée 4 permettant de positionner deux stations 2943741 -7- basse S1 et haute S2 au niveau des extrémités inférieure 6 et supérieure 5 de la structure immergée 4. Par ailleurs, deux réservoirs R1, R2 décrivent des mouvements de translation verticale de va-et-vient entre ces deux stations S1, S2. 5 Ces deux réservoirs R1, R2 sont reliés entre eux par un élément de transmission 3 guidé, d'une part, par une roue 7 au niveau de la station basse S1, et d'autre part, par un organe de conversion 17 au niveau de la plateforme flottante 2. L'organe de conversion 17 de l'énergie transmise par l'élément de transmission 3 permet alors de générer du courant électrique ou de générer de l'énergie mécanique, par exemple en 10 entraînant en translation un piston de compresseur. Par ailleurs, un dispositif de réglage de la tension 14 peut être utilisé de façon à garantir une tension constante de l'élément de transmission 3. Un tel dispositif de réglage 14 est également agencé au niveau de la plateforme flottante 2. 15 Par ailleurs, des moyens de compression MC1 positionnés sur la plateforme 2 permettent de comprimer de l'air et une première canalisation Cl permet d'acheminer le fluide Fl qui est de l'air jusqu'à la station basse S1 afin de remplir en air comprimé le réservoir R1 initialement rempli d'eau lors de son arrivée dans la station S1. L'air 20 comprimé chasse ainsi l'eau contenue dans le réservoir R1 et l'évacue par la canalisation C2 permettant d'acheminer le fluide F2 jusqu'à la station haute S2. Un tel fluide F2 est dans cette variante de l'eau et permet de remplacer l'air comprimé dans le réservoir R2 arrivé dans la station haute S2. L'air comprimé chassé retourne alors 25 dans la canalisation Cl et reste donc dans un circuit fermé. De même, l'eau qui est introduite dans le réservoir R2 au niveau de la station haute S2 est comprimée au moyen d'un compresseur MC3 agencé au niveau de la plateforme flottante 2. Tel que représenté à la figure 2, chaque réservoir R1 comporte deux vannes de 30 remplissage et deux vannes de vidange permettant aux deux fluides d'être introduits et de s'échapper de son volume interne. Les vannes situées au niveau de l'extrémité inférieure du réservoir R1 sont utilisées lors de son positionnement dans la station basse S1. 2943741 -8- Ainsi, la vanne de remplissage 7 permet l'introduction d'air à l'intérieur du volume interne du réservoir R1 tandis que la vanne de vidange 28 permet l'extraction de l'eau contenue dans le réservoir R1. De même, la vanne de remplissage 27 permet l'introduction de l'eau lorsque le réservoir R1 se trouve dans la station haute S2 et la 5 vanne de vidange 8 permet d'évacuer l'air contenu dans le réservoir R1. Tel que représenté, le réservoir peut comporter une membrane souple 9 permettant de délimiter deux volumes étanches 10,11 dans lesquels les deux fluides sont contenus sans se mélanger. Par ailleurs, un tel réservoir R1 peut comporter une couche de revêtement 15 apte à générer un champ magnétique de polarité identique à celle de la couche de revêtement du réservoir R2. De cette manière, lorsque les deux réservoirs se croisent, ceux-ci se repoussent l'un de l'autre. Par ailleurs, l'élément de transmission 3 peut être formé par deux tronçons 12,13, chacun rapporté au niveau d'une extrémité inférieure ou supérieure du réservoir. Tel que représenté à la figure 3, selon une autre variante de l'invention, le second 20 fluide F2 peut également être du dioxyde de carbone. Dans ce cas, une fois arrivé dans la station basse S1, la vanne de vidange du réservoir laisse s'échapper le second fluide à l'état liquide. Celui-ci est alors directement détendu grâce à des moyens de détente MD2 agencé dans la station basse S1. Le second fluide F2 remonte ainsi à l'état gazeux à l'intérieur de la seconde canalisation C2, puis est acheminé jusqu'à des moyens de 25 compression MC2 agencés au niveau de la plateforme flottante 2 de façon à augmenter sa pression pour le liquéfier à nouveau et le réintroduire dans le réservoir agencé dans la station haute S2. L'état gazeux du dioxyde de carbone dans la canalisation C2 permet de diminuer la 30 pression d'air nécessaire dans la canalisation Cl, de façon à extraire le dioxyde de carbone contenu dans le réservoir de la station basse S1. 10 15 2943741 -9- Tel que représenté à la figure 4, une centrale de production d'énergie électrique et/ou mécanique peut comporter une pluralité d'unités 1, 21, 31 juxtaposées les unes à côté des autres. Dans ce cas, les plateformes flottantes des différentes unités présentent chacune une forme hexagonale. 5 Il ressort de ce qui précède qu'une unité et une centrale conformes à l'invention présentent de nombreux avantages, et notamment : - elles permettent de supprimer l'utilisation d'éléments mécaniques agencés à l'intérieur des réservoirs ; 10 - elles réduisent les opérations de maintenance puisque les éléments mobiles sont en nombre limité. Revendications1. Unité (1) de conversion de l'énergie gravitationnelle et de la poussé d'Archimède en énergie électrique et/ou mécanique, ladite unité (1) étant partiellement immergée dans de l'eau et comportant : • une plateforme flottante (2) sur laquelle sont agencés des premiers moyens de compression (MC1) d'au moins un fluide (Fl) ; • au moins deux réservoirs (R1, R2) solidarisés entre eux par un élément de transmission (3) ; • un organe de conversion (17) de l'énergie transmise par l'élément de transmission (3), ledit organe (17) étant agencé sur la plateforme flottante (2) ; • une structure immergée (4) solidaire de la plateforme flottante (2) au niveau d'une extrémité supérieure (5) et lestée au niveau d'une extrémité inférieure (6) ; • une roue (7) agencée à proximité de l'extrémité inférieure (6) de ladite structure (4) immergée et permettant d'assurer un guidage de l'élément de transmission (3) ; caractérisée en ce que chaque réservoir (R1, R2) décrit un mouvement de translation alternatif vertical de va-et-vient entre, d'une part, une station basse (Si) de remplissage d'un réservoir (Rl) avec le premier fluide (Fl), et d'autre part, une station haute (S2) de remplissage d'un réservoir (R2) avec un second fluide (F2), la masse volumique du premier fluide (F 1) étant inférieur à celle du second fluide (F2) ; et en ce que ladite unité (1) comporte : • une première canalisation (Cl) permettant d'acheminer le fluide (F l) comprimé par les moyens de compression (MC1) depuis la plateforme flottante (2) jusqu'à la station basse (Sl), et ; • une seconde canalisation (C2) reliant hydrauliquement les stations de remplissage basse (Si) et haute (S2) et permettant le transfert du second fluide (F2) s'échappant du réservoir (Rl) situé dans la station basse (Si) pour remplir le réservoir (R2) positionné au niveau de la station haute (S2), ledit second fluide (F2) étant évacué du réservoir Rl en injectant le premier fluide (F1) sous pression dans le réservoir (R1).. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier fluide (Fl) est de l'air et le second fluide (F2) est de l'eau. 3. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier fluide (Fl) est de l'air et le second fluide (F2) est du dioxyde de carbone. 4. Unité selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte : • des moyens de détente (MD2) du second fluide (F2) aptes à le faire passer de l'état liquide à l'état gazeux, ces moyens de détente (MD2) étant agencés au niveau de la station basse (Si) avant l'entrée du second fluide (F2) dans la seconde canalisation (C2) ; • des seconds moyens de compression (MC2) du second fluide (F2) aptes à le faire passer de l'état gazeux à l'état liquide, ces moyens de compression (MC2) étant agencés au niveau de la plateforme flottante (2) avant l'entrée du second fluide (F2) dans le réservoir (R2). 7. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque réservoir (R1, R2) comporte deux vannes de remplissage (7, 27) et deux vannes de vidange (8, 28) permettant respectivement l'introduction de l'un des fluides (Fl) ou (F2) et l'évacuation de l'autre fluide (F2) ou (Fl). 8. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque réservoir (R1, R2) comporte une membrane souple déformable (9) permettant de délimiter deux volumes étanches (10, 1l) dans lesquels les fluides (Fl) et (F2) sont alternativement agencés lors du déplacement des réservoirs (R1, R2). 9. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque réservoir (R1, R2) comporte un volume extérieur de forme ellipsoïdale. 8. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de transmission (3) est formé par deux fronçons disjoints (12, 13) reliant les deux réservoirs (R1, R2). 2943741 -12- 9. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de réglage (14) de la tension de l'élément de transmission (3), ledit dispositif (14) étant agencé sur la plateforme flottante (2). 5 10. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que les faces en regard des deux réservoirs (R1, R2) comportent chacune une couche de revêtement (15) apte à générer un champ magnétique de polarité identique. 11. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plateforme flottante (2) 10 comporte une forme hexagonale. 12. Centrale (16) de production d'énergie électrique et/ou mécanique, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux unités (1, 21, 31) selon l'une des revendications précédentes.