Brevet FR2966524A1 — publié le 20120427

La présente invention concerne un dispositif pour convertir de l'énergie cinétique de la chute d'un flux de matériau d'un point haut vers un point bas en énergie électrique par l'intermédiaire d'une roue comportant des pales positionnées dans la chute de ce matériau et d'au moins un alternateur couplé à l'axe de la roue. Un tel dispositif peut être utilisé dés lors qu'un matériau est disponible à partir d'un point haut et que ce matériau chute par gravité vers un point bas et ce, quel que soit ce matériau. C'est le cas, par exemple, dans les carrières dans lesquelles des matériaux de différentes granulométries sont acheminés sur des bandes transporteuses inclinées jusqu'à, par exemple, des concasseurs afin de diminuer leur granulométrie, ou encore jusqu'à des zones de stockage lorsque la granulométrie souhaitée d'un matériau est obtenue. Un tel dispositif peut également être utilisé dans des zones de stockage et de chargement/déchargement de matériau telles qu'on en trouve, par exemple, dans des mines, des zones portuaires, des zones de déchargement ou encore dans des zones agricoles (silos,...). Le principe de conversion d'énergie cinétique d'un flux continu en chute libre en énergie électrique est bien connu lorsque ce flux est un fluide. En effet, l'hydroélectricité est une énergie électrique obtenue par conversion de l'énergie hydraulique de différents flux d'eau (fleuves, rivières, chutes d'eau, courants marins ...) en énergie électrique. L'énergie cinétique du courant d'eau entraîne en rotation un axe d'une turbine. Cet axe est couplé au rotor d'un alternateur qui produit alors de l'énergie électrique. Pour cela, une retenue d'eau est créée, la plupart du temps artificiellement, et une (voire plusieurs) turbine est positionnée à un point bas de la chute d'eau de manière à maximiser la hauteur de la chute d'eau et ainsi optimiser le rendement du dispositif de conversion. La puissance électrique maximale produite est donc fonction du débit d'eau maximal, qui est un paramètre du dispositif, et de la hauteur de la chute qui est une donnée constante. L'inventeur a observé qu'un dispositif hydroélectrique ne peut être utilisé sans être adapté lorsque le fluide est remplacé par un flux de matériaux solides pulvérulents à grains de quelques microns à quelques centimètres de diamètre. En effet, en positionnant une roue comportant des pales en bas de la chute d'un tel flux de matériau comme le préconise le principe d'hydroélectricité, on pourrait s'attendre à ce qu'en adaptant la résistance mécanique des pales à la dureté du matériau, on obtienne un dispositif de conversion d'énergie convenable. Toutefois, un tel dispositif ne pourrait pas être utilisé dans une zone de stockage de matériau par tas car le point haut du dispositif serait celui d'une bande transporteuse sur laquelle serait acheminé le flux de matériau et la roue serait positionnée en bas de la chute de manière à maximiser la hauteur de la chute mais en interdisant la formation d'un tas de matériau. De plus, il est connu d'utiliser des moyens, tels que par exemple une goulotte de jetée, pour canaliser et orienter vers les pales de la roue un flux de matériau en chute libre. Toutefois, bien que ces moyens évitent la dispersion du matériau, la trajectoire du flux de matériau peut varier et, dans ce cas, en positionnant de manière fixe la roue dans cette goulotte de jetée, seule une partie du flux de matériau risque de tomber sur la roue. Il s'en suit une perte significative du rendement du dispositif de conversion. Le problème technique de la présente invention est de remédier aux inconvénients suscités de manière à optimiser le rendement du dispositif de conversion d'énergie cinétique en énergie électrique lorsque l'énergie cinétique est issue de la chute d'un flux de matériau qu'il soit pulvérulent, granulaire ou mélangé à un fluide. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif pour convertir de l'énergie cinétique de la chute d'un flux de matériau d'un point haut vers un point bas en énergie électrique par l'intermédiaire d'une roue comportant des pales positionnées dans la chute de ce matériau et d'au moins un alternateur couplé à l'axe de la roue. Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour régler la position de la roue dans l'espace. Selon un mode de réalisation, la position de la roue est réglable selon un seul axe de l'espace. Ainsi, ces moyens de réglage permettent de régler la position verticale de la roue dans la chute du matériau en fonction de la hauteur d'un tas de matériau. Lorsque le tas n'est pas formé, la roue est positionnée au plus bas possible de la chute et au fur et à mesure que la hauteur du tas augmente, la roue est positionnée plus proche du point haut de la chute. La hauteur de la chute est alors maximisée sous la contrainte de l'augmentation du tas et le rendement du dispositif est ainsi optimisé. Dans le cas où le matériau est évacué en continu une fois qu'il a atteint le point bas de la chute, ces moyens de réglage permettent de régler la position de la roue selon cet axe, par exemple horizontalement, de manière à maximiser la quantité de matériau qui tombe sur les pales de la roue. Le rendement du dispositif est alors maximisé. Selon un autre mode de réalisation, la position de la roue est réglable selon plus d'un axe non parallèle entre eux de l'espace. Ainsi, par exemple, la position horizontale de la roue peut être réglée selon un axe horizontal pour qu'un maximum du flux de matériau tombe sur cette roue et selon 5 un axe vertical en fonction de la hauteur d'un tas. Le nombre d'axes de réglages peut être supérieur à deux, par exemple trois voire plus de manière à augmenter la variété de réglage de la position de la roue dans l'espace. Les réglages selon ces axes peuvent être combinés entre eux pour définir une nouvelle position de la roue dans l'espace. 10 Selon un mode de réalisation, les pales sont en une matière qui est choisie selon la granulométrie du matériau. Selon un mode de réalisation, les pales de la roue sont démontables pour faciliter les opérations de maintenance du dispositif. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens pour asservir 15 les moyens pour régler la position de la roue à une quantité mesurée telle que la hauteur d'un tas de matériau se formant au point bas de la chute et/ou la quantité d'énergie électrique produite par l'alternateur. La hauteur d'un tas de matériau peut par exemple être mesurée par une sonde de niveau et la production d'énergie électrique peut être mesurée, par exemple, par un 20 ampèremètre, voltmètre ou encore wattmètre. La présente invention concerne également une bande transporteuse d'un flux de matériau prévue pour amener en continu le flux de matériau vers un point dit haut qui comporte ou est associé à un dispositif tel que décrit ci-dessus. Selon un mode de réalisation, la bande transporteuse est alimentée en énergie 25 électrique et le dispositif comporte de plus des moyens pour que l'énergie électrique issue de l'alternateur alimente ladite bande transporteuse. Ainsi, l'énergie produite par le dispositif permet de limiter la consommation électrique de la bande transporteuse. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, 30 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: La Fig. 1 représente schématiquement le dispositif selon la présente invention, les Fig. 2 et 3 représentent schématiquement des exemples de bande transporteuse associée à un dispositif selon la présente invention, les Figs. 4 et 5 représentent un mode de réalisation pour associer le dispositif à une bande transporteuse, la Fig. 6 représente un autre mode de réalisation pour associer le dispositif à une bande transporteuse, et la Fig. 7 représente un mode de réalisation du montage de pales sur une roue. De manière générale, le dispositif selon la présente invention, qui est illustré à la Fig. 1, comporte une roue R sur laquelle sont montées des pales P, ici au nombre de 8. Le nombre de pales n'est pas essentiel à la présente invention. Toutefois, pour que le dispositif soit efficace, il est préférable d'en utiliser au moins 3 ou 4. Le dispositif comporte également au moins un alternateur A qui est couplé à l'axe de la roue R et des moyens M pour régler la position de la roue dans l'espace. La liaison entre les moyens M et la roue R n'est ici que symbolique pour montrer que les moyens M ont une action sur la position spatiale de la roue. Un matériau est ici stocké dans une trémie T qui comporte une ouverture par laquelle un flux de ce matériau tombe par gravité. Le plan de l'ouverture de la trémie est considéré comme le point haut H de la chute. Le point B est considéré comme le point bas de cette chute. La hauteur maximale de la chute est la distance entre les points H et B. Le flux de matériau peut aussi être amené en continu au point haut H par tout moyen tel qu'un élévateur à godets, une vis sans fin, un jeu de tubulures dans lesquelles le matériau est soufflé, ou encore par une bande transporteuse BT telle qu'illustrée par exemple à la Fig. 2. Une bande transporteuse comporte un tapis entraîné en rotation autour de deux axes dont l'un est à son tour entraîné en rotation par un moteur électrique MO. Le flux de matériau ainsi amené au point haut H de la bande porteuse tombe par gravité jusqu'au point bas B. Le matériau peut également être mélangé à un fluide pour son transport jusqu'au point haut H. Le point bas B est considéré comme étant soit un endroit de stockage en tas du matériau, soit comme étant un endroit où le matériau est évacué en continu. Dans le premier cas, le point bas B est, par exemple, le sol ou encore le fond de la remorque d'un camion de transport ou le fond d'une cale d'un bateau ou d'un wagon de marchandise. Dans le second cas, il peut être au niveau du tapis une autre bande transporteuse BT1 (transfert de bande à bande) telle qu'illustrée à la Fig. 3. Dans ce cas, une goulotte de jetée GJ peut être utilisée pour canaliser le flux de matériau de manière à ce qu'il tombe sur le tapis de la bande transporteuse BTl et la roue est installée soit en sortie soit dans cette goulotte telle que illustrée à la Fig. 3. La roue R est positionnée spatialement pour que ses pales P se trouvent dans la chute du flux de matériau de manière à ce que le matériau entraîné tombe sur ces pales et entraîne en rotation la roue. L'axe de la roue entraîne alors en rotation le rotor de l'alternateur A qui produit de ce fait de l'énergie électrique. L'énergie électrique ainsi produite peut être soit délivrée à un fournisseur d'énergie via son réseau de distribution, soit être utilisée pour recharger des batteries. Selon un mode de réalisation préféré, illustré à la Fig. 3, le dispositif comporte des moyens pour que l'énergie électrique produite par l'alternateur A alimente la bande transporteuse BT, notamment le moteur électrique MO, diminuant ainsi la consommation électrique de la bande transporteuse pour amener le matériau au point haut H. L'homme du métier est à même de mettre en oeuvre de tels moyens à partir d'un câblage électrique approprié qui prévoit, entre autres, l'alimentation du moteur par le réseau électrique lors du démarrage de la bande transporteuse, et la cohabitation entre l'énergie électrique issue du réseau de distribution et celle issue de l'alternateur dès lors que cet alternateur en produit. Selon un mode de réalisation, les pales P sont en une matière qui est choisie selon la granulométrie du matériau. Elles peuvent être en matières plastiques spéciales du type Nytralon (marque déposée) stabilisé pour les granulométries fines, en acier recouvert de caoutchoucs spéciaux du type Limatex (marque déposée) pour les granulométries intermédiaires ou encore en acier de différentes nuances pour les grosses granulométries. Selon un mode de réalisation, les pales P sont démontables pour faciliter les opérations de maintenance du dispositif La Fig. 7 représente schématiquement un mode de réalisation de montage rapide d'une pale P sur la roue R. Un trou oblon est réalisé dans la roue pour pouvoir loger à la fois la pale P et une cale d'appui C. Perpendiculairement à l'axe de la cale, un trou taraudé est réalisé dans la roue R de manière à ce qu'une vis vienne bloquer la cale C sur la pale P. Un aménagement est également réalisé sur la roue en amont de ce trou taraudé pour faciliter le passage de cette vis de blocage. Selon un mode de réalisation, la position de la roue R est réglable selon un seul axe de l'espace. Ainsi, lorsque cet axe est vertical (référencé al sur les Figs.), ces moyens de réglage permettent de régler la position verticale de la roue dans la chute du matériau en fonction de la hauteur d'un tas de matériau. Lorsque le tas n'est pas formé, la roue est positionnée au plus bas de la chute (point bas B) et au fur et à mesure que la hauteur du tas augmente, la roue R est positionnée plus proche du point haut H de la chute. La hauteur de la chute est alors maximisée sous la contrainte de l'augmentation de la hauteur du tas. Dans le cas où le matériau est évacué en continu une fois qu'il a atteint le point bas B de la chute, ces moyens de réglage peuvent permettre de régler la position horizontale selon un axe de l'espace (référencé a2 sur les Figs) de manière à maximiser la quantité de matériau qui tombe sur les pales de la roue. Le rendement du dispositif est alors maximisé même si le flux de matériau n'est pas constant. Selon un autre mode de réalisation, la position de la roue est réglable selon plus d'un axe non parallèle entre eux de l'espace. Ainsi, par exemple, la position horizontale de la roue peut être réglée selon deux axes horizontaux (a2 et a3 de la Fig. 1) ou encore la position de la roue peut être réglée selon un axe vertical (al) en fonction de la hauteur d'un tas et selon un axe horizontal (a2 et/ou a3) pour qu'un maximum du flux de matériau tombe sur cette roue. Le nombre d'axes de réglages peut être supérieur à deux, par exemple 3 voire plus, de manière à augmenter la variété de réglage de la position de la roue dans l'espace, et ces réglages selon ces axes peuvent être combinés entre eux pour définir une nouvelle position de la roue dans l'espace. Selon un mode de réalisation illustré aux Figs. 4 et 5, le dispositif comporte un capteur de niveau S qui détecte si la hauteur d'un tas de matériau est atteinte. Ce capteur de niveau S peut être, par exemple, relié à un système d'alarme pour informer un opérateur qu'il doit régler la hauteur de la roue R dés que le tas de matériau a atteint cette hauteur. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comporte des moyens pour asservir les moyens pour régler la position de la roue à une quantité mesurée telle que la hauteur d'un tas de matériau se formant au point bas B de la chute et/ou à la quantité d'énergie électrique produite par l'alternateur. La hauteur du tas de matériau peut par exemple être mesurée par le capteur de niveau S et la production d'énergie électrique peut être mesurée, par exemple, par un ampèremètre, voltmètre ou encore wattmètre. Ainsi, lorsque la production d'énergie électrique baisse, un opérateur en est 5 informé et peut régler à nouveau la position de la roue dans l'espace jusqu'à ce que la quantité d'énergie produite soit maximale. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens, tels qu'un automate, pour asservir les moyens pour régler la position de la roue à une quantité mesurée qui peut être, la hauteur du tas de matériau ou encore la quantité d'énergie 10 électrique mesurée. Le dispositif peut être associé ou incorporé à tout type de système à partir du moment où ce système comporte une chute d'un flux de matériau tel que par exemple un élévateur à godets, une vis sans fin, un jeu de tubulures dans lesquelles le matériau est soufflé, ou encore par une bande transporteuse. 15 Les Fig. 4 à 6 présentent des exemples de réalisation pour associer le dispositif à une bande transporteuse. Aux Figs. 4 et 5, le dispositif est associé à un moyen pour canaliser et orienter le flux de matériau vers les pales de la roue tel que par exemple un système antipoussiére qui est largement connu de l'exploitation minière ou celui des carrières. Ce 20 système est un conduit formé de cylindres qui coulissent les uns dans les autres sous l'action d'une chaîne de traction. La roue du dispositif est alors montée en bout de ce conduit et le capteur de niveau S est soit monté en bout du système, soit sur le bâti de la bande transporteuse tel qu'illustré à la Fig. 4. 25 Lorsqu'une telle bande transporteuse est utilisée pour le stockage en tas du matériau, le conduit est complètement déplié (Fig. 4) et au fur et à mesure que la hauteur du tas augmente (Fig. 5), le conduit est replié en fonction des indications données par le capteur de niveau S, réglant en continu la hauteur de la roue par rapport à celle du tas. Le capteur de niveau S est prévu pour contrôler si le tas de matériau 30 atteint les pales de la roue et à cet effet sa position spatiale est également asservie au déplacement du conduit en étant, par exemple, solidaire avec lui. A la Fig. 6, le dispositif est monté sur un châssis qui est prévu pour être posé sur un moyen pour canaliser le flux de matériau, telle que une goulotte de jetée GJ. Ce châssis n'est donné ici qu'à titre illustratif et ne limite en rien la présente invention car bien d'autres moyens peuvent être utilisés pour associer le dispositif à une bande transporteuse. Le châssis est ici formé de barres et de glissières en forme de U rainuré. Les 5 barres B I et B2 sont prévues pour être posées sur la partie supérieure de la goulotte de jetée GJ. Les glissières permettent de régler la position spatiale de la roue soit selon un axe vertical via un couple de glissières G1, soit selon un axe horizontal via un couple de glissières G2. 10 I1 est à la portée de l'homme du métier de concevoir un autre couple de glissières pour que la position de la roue soit réglable selon un troisième axe par exemple qui serait parallèle aux axes al et a2. La roue R est solidaire d'un arbre qui est lui-même monté sur des roulements dont les paliers sont fixés sur les glissières G2 via une pièce en forme de L qui est 15 prévue pour coulisser verticalement par guidage le long des glissières G1 lorsqu'une force FI est appliquée. L'ensemble glissières G1, pièce en L et roue R coulisse selon les glissières G2 sous l'action d'une force F2. Les forces Fl et F2 peuvent être appliquées par un opérateur mais, de 20 préférence, par des vérins fixés sur le bâti de la bande transporteuse et contrôlés par électronique tel que par exemple des boutons poussoirs ou un automate. REVENDICATIONS1) Dispositif pour convertir de l'énergie cinétique de la chute d'un flux de matériau d'un point haut (H) vers un point bas (B) en énergie électrique par l'intermédiaire d'une roue (R) comportant des pales (P) positionnées dans la chute du flux de matériau et d'au moins un alternateur couplé à l'axe de la roue, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour régler la position de la roue dans l'espace. 2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la position de la roue (R) est réglable selon un seul axe (al) de l'espace. 3) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la position de la roue (R) est réglable selon plus d'un axe non parallèles entre eux de l'espace. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les pales 15 sont en une matière qui est choisie selon la granulométrie du matériau. 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les pales de la roue sont démontables. 20 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, qui comporte des moyens pour asservir les moyens pour régler la position de la roue à une quantité mesurée. 7) Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la quantité mesurée est la 25 hauteur d'un tas de matériau se formant au point bas de la chute et/ou la quantité d'énergie électrique produite. 8) Dispositif selon la revendication 7, qui comporte un capteur de niveau (S) qui détecte si la hauteur d'un tas de matériau est atteinte. 9) Utilisation de l'énergie électrique produite par au moins un alternateur d'un dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 8 pour alimenter le moteur d'une 30bande transporteuse d'un flux de matériau prévue pour amener en continu ce flux de matériau vers le point haut de ce dispositif.