Brevet FR2970524A1 — publié le 20120720

La présente invention concerne la conception d'une pompe tirant son énergie de fonctionnement de l'énergie de la houle et/ou des marées. Cette invention a pour vocation la collection et la conversion de l'énergie tirée de la houle en mouvement ou en énergie secondaire (énergie cinétique, énergie potentielle...) permettant entre - autres la production d'énergie électrique ou mécanique. La plupart des dispositifs utilisant l'énergie de la houle sont des dispositifs de surface. Le présent système de conversion de l'énergie de la houle est totalement immergé, il utilise la variation de pression induite par la modification de hauteur de la colonne d'eau située au-dessus du dispositif immergé. La figure 1 montre la corrélation entre la hauteur de la colonne d'eau et la pression mesurée à une certaine altitude (profondeur). La houle est ici représentée par une variation sinusoïdale du niveau de la surface de l'eau autour de l'altitude 0, la pression est celle mesurée à l'altitude -10 m pour une pression atmosphérique de 1 bar et une densité de l'eau prise égale à 1. En illustration du mode de collection de l'énergie, est représentée la variation de longueur d'une chambre cylindrique étanche emplie d'air (déformable uniquement en longueur) avec la variation de pression. Une coupe médiane d'un exemple de réalisation du dispositif, objet de ce brevet, est présentée sur la figure 2. Le dispositif est ainsi constitué : - d'une chambre dite de collection chargée de collecter l'énergie des vagues - d'une chambre dite de compression chargée de transférer l'énergie captée par la chambre de collection' à un fluide (liquide ou gazeux) par création de mouvement et /ou par compression . La chambre de collection est ainsi constituée d'une cavité étanche (1), de forme (cylindre, cube, sphère...) et de volume initial Vo adéquats, dont le volume interne peut varier par déformation selon un mode particulier ou par déplacement d'un système de piston mobile (2) de section S. Dans ce dernier cas, l'étanchéité est réalisée par des segments, des joints (3), des systèmes à soufflets déformables, des membranes élastiques ou tout autre système mécanique permettant le déplacement dudit piston sous l'action de la variation de la hauteur de la colonne d'eau tout en maintenant l'étanchéité de l'ensemble chambre - piston. La chambre de collection est remplie d'un gaz compressible (de l'air, de l'azote, de l'argon... par exemple) présentant les propriétés adaptées au rôle qu'il doit assurer. La chambre de compression (4) de forme (cylindre, cube, sphère...) et de volume initial vo adéquats dont le volume interne peut varier par déformation selon un mode particulier ou par déplacement d'un système de piston mobile (5) de section s. Dans ce dernier cas, l'étanchéité est réalisée par des segments, des joints (3), des systèmes à soufflets déformables, des membranes élastiques ou tout autre système mécanique permettant le déplacement dudit piston tout en maintenant l'étanchéité. La partie déformable ou le piston (5) de la chambre de compression est liée de façon souple ou rigide (6) à la partie déformable ou au piston (2) de la chambre de collection. La partie déformable ou le piston (5) de la chambre de compression sont de surfaces inférieures aux surfaces de la partie déformable ou du piston (2) de la chambre de collection. Le rapport entre les surfaces du piston de la chambre de collection S sur le piston de la chambre de compression s donne le rapport entre les variations des pressions régnant dans fluide de la chambre de compression et dans le gaz de la chambre de collection. La chambre de compression est connectée soit à un circuit soit au milieu 1 extérieur : -par une entrée (7) munie d'un système anti-retour (8) permettant l'entrée du fluide à pomper dans la chambre en période d'aspiration -par une sortie (9) munie d'un système anti-retour (8) permettant l'éjection du 5 fluide dans le circuit ou tout système utilisant le fluide pour générer ou accumuler de l'énergie cinétique, potentielle ou pour produire de l'énergie secondaire. Les tuyaux (10) et (11) munis des vannes (12) sont utilisés pour l'injection d'air dans la chambre de collection et l'éjection de l'eau contenue dans cette même chambre. Ces opérations sont réalisées à l'immersion du système, rempli d'eau à cette étape de 10 mise en oeuvre. Lorsque le dispositif est fixé ou lesté sur le fond à sa profondeur d'immersion, de l'air sous pression est injecté par (11) jusqu'à ce que le piston mobile (2) soit à sa position de fonctionnement, l'eau étant chassée par (10) jusqu'à complète vidange de la chambre. Ces opérations de « gonflage » avec évacuation d'eau peuvent être réalisées lors des opérations de maintenance. Avantageusement la surface interne 15 du piston (2) peut présenter un point bas au niveau de du tube (10) pour une complète évacuation du liquide. Il est important de noter que la pression interne de la chambre de collection est à chaque instant très voisine de la pression externe exercée à l'extérieur par l'eau . A titres d'exemples, des variantes possibles de géométries et systèmes 20 d'étanchéité sont présentées sur les figures 3, 4, 5 et 6 où les chambres de collections et de compression sont sphériques, lenticulaires, cylindriques avec soufflets et un exemple de liaison non rigide (articulée) figure 7 illustrant aussi la variante de pompe de compression à double effet. Dans les coupes présentées, les tubes (10) et (11) munis de vannes (12 ) pour l'injection d'air et l'évacuation d'eau en point bas ne sont pas 25 représentés, ils sont solidaires de la partie fixe des systèmes. Dans la figure 3, la surface hémisphérique rigide (2) est mobile grâce à un soufflet ou une membrane déformables (3). La chambre de compression (4) est fermée par une surface rigide (5) mobile grâce à un soufflet ou une membrane déformables (3). La tige (6) rigide assure la liaison entre les surfaces mobiles de la chambre de collection 30 et de la chambre de compression. La chambre de compression est connectée soit à un circuit soit au milieu extérieur : -par une entrée (7) munie d'un système anti-retour (8) permettant l'entrée du fluide à pomper dans la chambre en période d'aspiration -par une sortie (9) munie d'un système anti-retour (8) permettant l'éjection du 35 fluide dans le circuit ou tout système utilisant le fluide pour générer ou accumuler de l'énergie cinétique, potentielle ou pour produire de l'énergie secondaire. Dans la figure 4, la surface rigide (2) est mobile grâce à la forme géométrique lenticulaire de la chambre de collection (1). Avantageusement la partie de la chambre de petit rayon de courbure (3) peut être amincie pour accroître sa déformabilité 40 élastique. La chambre de compression (4) est aussi, dans cet exemple, de forme lenticulaire et déformable selon le même mode que la chambre de collection. La section active de la chambre de compression est s'. La tige (6) rigide assure la liaison entre les surfaces mobiles de la chambre de collection et de la chambre de compression. La 45 chambre de compression est connectée soit à un circuit soit au milieu extérieur : -par une entrée (7) munie d'un système anti-retour (8) permettant l'entrée du fluide à pomper dans la chambre en période d'aspiration -par une sortie (9) munie d'un système anti-retour (8) permettant l'éjection du 1 fluide dans le circuit ou tout système utilisant le fluide pour générer ou accumuler de l'énergie cinétique, potentielle ou pour produire de l'énergie secondaire. Dans le dispositif de la figure 5 la chambre de collection (1) est constituée d'une partie fixe plane (0) et d'une partie mobile plane (2) grâce à un soufflet cylindrique déformable selon sa longueur (3). La chambre de compression est constituée d'une partie mobile (5) grâce à un soufflet cylindrique déformable selon sa longueur (3). Dans le dispositif de la figure 6 le piston de (2) la chambre de collection (1) est est mobile grâce à un soufflet cylindrique déformable selon sa longueur (3). La chambre de compression est constituée d'une partie mobile (5) grâce à un soufflet cylindrique déformable selon sa longueur (3). Le piston de la chambre de collection est guidé par des systèmes à galets (13) (qui peuvent être remplacés par des systèmes à glissière ou des systèmes articulés déformable élastiquement). Ces éléments de guidages doivent être au minimum au nombre de trois répartis à équidistance sur le périmètre de (2). Ils sont liés rigidement à (2) et en contact avec l'intérieur du corps cylindrique de la chambre (1). Le dispositif présenté figure 7 regroupe plusieurs originalités. Les chambres sont cylindriques, les dispositifs d'étanchéité liant les chambres de collection (1) et de compression (4) aux parties mobiles (2) et (5) sont des soufflets déformables verticalement. Le système de pompage est constitué de deux corps de pompe (4) constituant un dispositif à double effet (un corps aspire pendant que l'autre refoule) la liaison mécanique (6) est articulée (liaisons souples 14) par l'intermédiaire d'un levier (15) mobile autour d'un axe fixe (16). La partie mobile (2) est guidée ici par des systèmes à galets (13) (qui peuvent être remplacés par des systèmes à glissière ou des systèmes articulés déformable élastiquement). Ces éléments de guidages doivent être au minimum au nombre de trois répartis à équidistance sur le périmètre de (2). Ils sont liés rigidement à (2) et en contact avec l'intérieur (exemple montré) ou l'extérieur du corps cylindrique de la chambre (1). Comme on peut le noter (figure 8), le dispositif étant actionné par les variations de pression, il peut fonctionner selon une orientation quelconque (partie mobile en haut 30 en bas sur le coté...) Les principes de fonctionnement et de calcul sont donnés ici sur l'exemple simple du dispositif à 2 chambres cylindriques avec pistons plans (figure 2) Soit Vo = S x Lo le volume de la chambre de collection de section active de 35 piston mobile S et de longueur initiale Lo. Soit vo = s x lo le volume de la chambre de compression de section de piston s et de longueur lo. Dans les calculs qui suivent on supposera que les pressions initiales dans la chambre de compression et dans la chambre de collection sont identiques, on supposera que le gaz contenu dans la chambre de collection présente le comportement d'un gaz 40 parfait, de plus nous négligerons les frottements des segments ou les déformations élastiques des membranes ou soufflets d'étanchéité. Le dispositif est immergé à une altitude - h par rapport au niveau initial 0 de la surface libre de l'eau. La pression initiale Po dans la chambre de collection et dans la chambre de compression est alors : 45 Po = Paon + p.g.h Puni Pression à la surface libre de la mer, p masse volumique de l'eau de mer g accélération de la pesanteur, h hauteur initiale d'eau au-dessus du dispositif Supposons que le passage d'une vague fasse passer la surface de l'eau de 1 l'altitude 0 à l'altitude O+Oh. Exemple de calcul de volume comprimé à une pression finale d'utilisation P' Chambre de collection : Conditions initiales : Vo = S x Lo vo = s x lo Po = Pen + p-g.h Conditions finales : Vf=S(Lo-AL) Pression finale dans la chambre de collection Pf et pression d'utilisation à la sortie de la chambre de compression Pu Equation d'équilibre pour la hauteur d'eau finale h+Oh (Po + p.g.Oh).S = Pf.S + Pu.s (on considère la section et le volume de la liaison 10 entre les pistons négligeables) On sait de plus (gaz parfait, conditions isothermes) : Pf. V f = Po .V0 soit Pf. S(Lo-AL) = Po . S.Lo Soit Pf = (P°L° d'où (Po + p.gAh)S - Pu.s = " Lo-AL) (Lo- ) Le déplacement de la partie mobile de la chambre de collection est donc de : AL = Lo(1- P°S (Po + p.g.Qh)S - Pu.$) Le volume pompé à la pression Pu pour l'accroissement de hauteur de la colonne d'eau de 4h est alors de : v, s.4L. Calcul pour une chambre de collection cylindrique de volume 1 m3 et de section 1 m2 et une chambre de compression de section O,01m2, une profondeur d'immersion de -10 m, une hauteur finale de vague de lm et une pression d'utilisation Pu de 5 bars (pression atmosphérique 1 bar, masse volumique de l'eau prise égale à 1000 kg/m3, g=9,8m/s2). AL= 0,024 m = 2,4 cm et vu= 0,00024 m3 = 0,24 litre/ cycle vu est le volume pompé pour un cycle correspondant à un passage de vague. Bien que le volume pompé à pression d'utilisation soit faible pour un dispositif de 1 m3 de volume de chambre de collection on peut soit augmenter le volume des chambres de collection et de compression soit multiplier le nombre de dispositifs puisque ceux ci sont immergés. Pour chaque configuration d'utilisation (profondeur d'immersion, valeur crête-crête des vagues, pression d'utilisation...) un programme d'optimisation permet d'obtenir le rapport de dimensionnement optimal des chambres de collection et de compression. On peut noter la faible course des parties mobiles (2,4 cm pour une immersion à 10m et des vagues d'amplitude crête crête de lm (0 à lm au-dessus de l'altitude 0). Cette course peut atteindre des valeurs de l'ordre de 24 cm pour une profondeur d'immersion de 20 m et une amplitude de vague de 10 m et pour une même pression d'utilisation (v1z 2,41/cycle). Les différents exemples de réalisation du dispositif sont utilisables dans les zones de faibles marées ou lorsque le dispositif est immergé à grande profondeur. En effet pour une profondeur d'immersion de 10 m et une amplitude de marée de 1 m la variation additionnelle de volume (sur la période de marée) de la chambre est de 5% conduisant pour une chambre cylindrique de 1 m de hauteur à une course de la partie mobile de 5 cm à cause de la marée qui vient se superposer aux oscillations dues aux vagues. 15 20 25 30 35 40 45 1 Pour une amplitude de marée de 5m la course additionnelle est de 20 cm. Cette course importante de la partie mobile associée à la marée peut être facilement absorbée dans le cas des dispositifs à chambre cylindrique avec pistons étanchéifiés avec des segments ou des joints (Figure 2) et les dispositifs à soufflets (figures 5, 6) en dimensionnant correctement les chambres (longueur). Par contre dans le cas de systèmes à soufflets , membranes... dont la course maximale peut être limitée (figures 3, 4, 7) il convient : soit d'augmenter la profondeur d'immersion (immersion à marée basse - 50m, marnage 10 m, longueur de chambre de collection lm, amplitude de la 10 course due à la marée 14,3 cm) , soit de diminuer la longueur de la chambre de collection (immersion à marée basse -20 m, marnage 10 m, longueur de chambre de collection 0,25 m, amplitude de course liée à la marée 6,25 cm) , - soit enfin d'équilibrer régulièrement la pression dans la chambre de 15 collection en fonction de la hauteur de marnage. Cela peut être réalisé par des dispositifs à soupape tarées permettant l'entrée ou la sortie d'eau dans la chambre de collection ou l'admission ou la sortie de gaz provenant d'un ballast secondaire. L'énergie extraite de la houle étant la même quelque soit la profondeur 20 d'immersion, augmenter la profondeur d'immersion permet ainsi la réduction de l'impact des marées sur le fonctionnement des dispositifs dépourvus de système d'équilibrage des pressions. Une combinaison de la profondeur d'immersion et des longueurs des chambres de collection et de compression reste une solution optimale et simple sans dispositif 25 d'équilibrage de pression. Compte tenu de l'agressivité chimique de l'eau de mer il convient d'utiliser des matériaux résistant à cet environnement (acier inox, polymères...). Comme cela a déjà été mentionné, les pressions à l'extérieur et à l'intérieur de la chambre de collection restent voisines au cours du fonctionnement autorisant pour sa réalisation l'utilisation 30 de polymères (polyéthylène, polypropylène...) ou de matériaux composites (résine polyester armé fibre de verre, résine époxy armée fibre de verre...) légers et aisément mis en oeuvre. 35 40 45 REVENDICATIONS1 (1) Dispositif de collection et de conversion de l'énergie de la houle, totalement immergé, constitué d'une pompe totalement immergée tirant son énergie de fonctionnement de l'énergie de la houle et/ou des marées ayant pour vocation la collection et la conversion de l'énergie tirée de la houle en mouvement, transport de fluide ou en énergie secondaire (énergie cinétique, énergie potentielle...) permettant, entre - autres, la production d'énergie électrique ou mécanique. Dispositif présenté figure 2 caractérisé en ce qu'il comporte une chambre dite de « collection » (1), étanche, remplie d'un gaz compressible, de forme adaptée et de volume adéquat pouvant varier par déplacement unidirectionnel d'une de ses parties rigide et mobile (2) de section projetée (S) sous l'effet de la variation de pression hydrostatique générée par le passage des vagues en surface, et une chambre dite de pompage ou de compression (4), de forme adaptée et de volume adéquat pouvant varier par déplacement unidirectionnel d'une de ses parties rigide et mobile (5) de section projetée (s), sous l'effet du déplacement de la partie mobile (2) par l'intermédiaire d'une liaison mécanique (6) permettant ainsi le pompage ou la compression par (4) d'un fluide dans un circuit ou un dispositif d'accumulation. (2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les parties rigides et mobiles (2) et (5) des chambres de collection (1) et de pompage ou de compression (4) ont des sections projetées S et s telles que s/S