Brevet FR2968723A1 — publié le 20120615

L'invention se rapporte à une installation de production d'énergie, du type dit "au fil de l'eau", l'énergie étant récupérée de l'écoulement d'un cours d'eau. Elle concerne plus particulièrement une installation du genre comportant au moins une masse flottante assujettie à se déplacer verticalement et alternativement dans un réservoir intégré à un ouvrage de canalisation d'eau édifié au travers d'au moins une partie d'un tel cours d'eau. Dans une telle installation, ladite masse flottante accumule de l'énergie potentielle lorsqu'elle est soulevée par la montée du niveau d'eau dans le réservoir et restitue de l'énergie cinétique correspondante lorsqu'elle redescend en raison de l'évacuation de l'eau accumulée dans ce même réservoir. Cette énergie cinétique peut être transformée, par exemple en électricité, si la masse flottante est mécaniquement couplée à un alternateur. Selon le document US 6 831 373, une installation de production d'énergie comprend deux réservoirs côte à côte renfermant respectivement deux masses flottantes. Des canalisations munies de vannes permettent de remplir et vider les réservoirs. Ces canalisations et vannes n'offrent qu'une section d'écoulement réduite et ne sont pas adaptées à un fonctionnement alternatif rapide de l'installation. L'invention apporte une solution satisfaisante à ce problème. Plus particulièrement concerne une installation de production d'énergie récupérée de l'écoulement d'un cours d'eau, du type comportant au moins une masse flottante assujettie à se déplacer verticalement et alternativement dans un réservoir intégré à un ouvrage de canalisation d'eau édifié au travers d'au moins une partie dudit cours d'eau, caractérisée en ce que ladite masse flottante est reliée à un arbre de transmission et, via un embrayage, à un arbre de récupération d'énergie mécanique, lequel est actionné pendant une course de chute de ladite masse flottante dans ledit réservoir, en ce que ce dernier comporte un sas rempli d'eau à sa partie inférieure, dans lequel ladite masse flottante peut tomber, en ce que ce sas est équipé d'une vanne amont et d'une vanne aval situées respectivement en amont et en aval d'un emplacement de chute de ladite masse flottante et en ce que des moyens de commande sont agencés pour opérer des cycles successifs d'ouverture et de fermeture des vannes amont et aval entraînant la montée de la masse flottante dans le réservoir par élévation du niveau d'eau dans celui-ci et le lâchage de ladite masse flottante avec récupération d'énergie. De préférence, un tel cycle comporte les phases suivantes, la vanne aval étant ouverte et la vanne amont étant fermée, la masse flottante étant retenue en position haute dans le réservoir : - fermeture de la vanne aval - lâchage de ladite masse flottante - ouverture de la vanne amont et remontée de ladite masse flottante - fermeture de la vanne amont - ouverture de la vanne aval. Selon un mode de réalisation actuellement préféré, chaque vanne comporte un groupe de volets parallèles montés pivotants autour d'arbres horizontaux respectifs et comprenant des leviers de manoeuvre respectifs, reliés à un mécanisme d'actionnement commun. Avantageusement, l'installation est en outre caractérisée en ce que ledit mécanisme d'actionnement comprend au moins une tige de traction à laquelle les leviers sont articulés et en ce que cette tige de traction est elle-même couplée à au moins un vérin ou analogue. Selon un mode de réalisation possible, la chute de ladite masse flottante est retardée après ouverture de ladite vanne aval, par exemple en maintenant la masse flottante par un dispositif formant tenaille. De cette façon, l'eau contenue dans le réservoir est évacuée très rapidement, compte tenu de la très grande section d'écoulement libérée en un instant par la vanne aval. La masse flottante redescend pratiquement en chute libre après ouverture de la tenaille. De plus, si la masse flottante est couplée à un alternateur, la force contre-électromotrice développée par celui-ci se traduit par un effort résistant tendant à retenir la masse flottante lâchée dans son réservoir. Avantageusement, l'installation est aussi caractérisée en ce que ledit embrayage est du type comprenant un pignon à couplage rotatif unidirectionnel. Cet embrayage est intercalé entre l'arbre de récupération d'énergie et l'arbre de transmission. Ceci permet un fonctionnement automatique, non commandé spécifiquement, du système d'embrayage entre l'arbre de transmission et l'arbre de récupération d'énergie. Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit sas est creusé en dessous du lit naturel dudit cours d'eau. Ainsi, les vannes sont manoeuvrées à la fermeture en étant immergées, ce qui réduit les efforts de manoeuvre. Eventuellement, une vanne précitée comporte plusieurs groupes de volets parallèles agencés côte à côte. Le mécanisme d'actionnement est commun aux leviers de tous ces groupes. Selon une autre caractéristique avantageuse, l'installation est caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs unités comprenant chacune un réservoir, une masse flottante, un sas et des vannes aval et amont, en ce que ces unités sont agencées côte à côte au travers de ladite au moins une partie dudit cours d'eau et en ce que les masses flottantes de ces unités sont reliées à un arbre de récupération d'énergie mécanique précité, commun. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'une installation de production d'énergie conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en élévation, schématique d'une installation conforme au principe de l'invention ; - la figure 2 est une vue de dessus de cette installation ; - la figure 3 est une vue de détail illustrant l'une des vannes ; - la figure 4 est une vue selon la flèche IV de la figure 3 ; et - les figures 5 et 6 sont des vues semblables à la figure 1, illustrant le fonctionnement. Sur les dessins, on a représenté une installation de production d'énergie 11 installée au fil de l'eau. Cette installation forme un ouvrage de canalisation d'eau édifié au travers d'un cours d'eau 12 ou d'une partie de celui-ci. L'installation comporte ici deux unités 13a, 13b fonctionnant en alternance. Ces deux unités sont adossées, côté amont à un mur 14 formant un petit barrage. Ce dernier est commun pour les deux unités. Chaque unité comporte principalement un réservoir 15, une masse flottante 16 et un sas 19 équipé d'une vanne amont 21 et d'une vanne aval 23. Le sas 19 constitue la partie inférieure du réservoir 15. Il est creusé en dessous du lit naturel 25 du cours d'eau de sorte que les deux vannes sont naturellement immergées, en permanence, comme représenté. Le sas 19 est limité, en amont par la vanne amont 21, en aval par la vanne aval 23, et latéralement par des parois de béton. La partie inférieure de chaque réservoir, constituée par ce sas, est donc remplie d'eau. Le réservoir 15 et la masse flottante 16 sont conformés et dimensionnés pour que ladite masse flottante puisse coulisser dans le réservoir, verticalement, avec un jeu périphérique fonctionnel adéquat. Eventuellement, des galets peuvent être installés le long de la paroi du réservoir (ou de la paroi de la masse flottante) pour assurer un guidage approprié de la masse flottante, notamment lorsqu'elle remonte dans le réservoir pendant une phase de remplissage de ce dernier. Par ailleurs, si la vanne aval 23 s'ouvre pour permettre l'échappement rapide de l'eau accumulé dans le réservoir au-dessus du niveau du sas, la masse flottante 16 peut tomber dans le sas, pratiquement en chute libre. A sa partie supérieure, la masse flottante 16 est reliée par une liaison, ici une liaison souple 25, un arbre de transmission 27 horizontal et un embrayage 29, à un arbre de récupération d'énergie mécanique 31. Plus précisément, la liaison souple 25 comprend, dans cet exemple, plusieurs courroies crantées 35 parallèles, en prise avec des pignons 37 identiques solidaires de l'arbre de transmission 27. Les courroies sont rattachées à un contre poids commun 40 assurant leur tension. On pourrait aussi utiliser des courroies fermées en prise avec des pignons d'un arbre inférieur. Selon une variante, la liaison 25 pourrait être rigide, par pignon et crémaillère. L'embrayage 29 est interposé entre l'arbre de transmission 27 et l'arbre de récupération d'énergie mécanique 31. Ce dernier est interposé entre les deux extrémités des arbres de transmission 27 appartenant aux deux unités 13a, 13b, via les embrayages 29 respectifs. Il comporte de préférence un volant d'inertie 43. Si l'on souhaite transformer en électricité l'énergie cinétique récupérée lors de la chute de chaque masse flottante 16 dans le réservoir 15 correspondant, l'arbre de récupération 31 est couplé à l'arbre mécanique d'un alternateur 45. De plus, chaque vanne 21, 23 (amont ou aval) comporte au moins un groupe de volets 48 parallèles montés pivotants autour d'arbres horizontaux 50 respectifs, installés à différentes hauteurs pour que, lorsque la vanne est fermée, le bord horizontal libre d'un volet vienne au contact de l'arbre 50 du volet supérieur. L'agencement pourrait être inverse. Des joints souples (non représentés pour ne pas surcharger les dessins) peuvent avantageusement être adaptés le long des bords des volets pour améliorer l'étanchéité en position de fermeture. Chaque volet 48 comporte un levier de manoeuvre 52 faisant saillie en son milieu et les extrémités de tous les leviers sont reliés à un mécanisme d'actionnement commun 54. Dans l'exemple représenté, une telle vanne amont ou aval comporte deux groupes G1, G2 de tels volets, disposés dans le même plan, en travers du cours d'eau. Selon l'exemple, les leviers de manoeuvre 52 d'un même groupe sont agencés dans un même plan vertical. Le mécanisme d'actionnement comprend au moins une tige de traction 56 à laquelle de tels leviers 52 sont articulés. Cette tige de traction est elle-même couplée, à son extrémité supérieure à au moins un vérin 59 ou analogue. Dans l'exemple, on prévoit deux vérins 59 pour chaque vanne, installés verticalement sur une plate-forme 60 surmontant le sas 19. Les deux vérins sont espacés suivant une direction parallèle à la vanne (21, sur les figures 3 et 4) et leurs tiges sont connectées à une barre horizontale 62 à laquelle les extrémités de deux tiges de traction 56 sont elles-mêmes connectées. Les tiges de tractions 56 sont celles des deux groupes G1, G2 de volets, formant la vanne 21 (ou 23). Cet agencement simple permet de synchroniser et équilibrer les mouvements et efforts de traction entre les deux groupes de volets constituant une même vanne. De plus, pour chaque vanne 21, 23, on peut avantageusement prévoir que le mécanisme d'actionnement soit complété par un levier de fin de course 65, par exemple en forme de tenaille, actionné par un vérin spécifique 67. La fermeture des volets 48 est ainsi confirmée à la fin d'une course de fermeture opérée par les deux tiges de traction 54 et les vérins 59. En outre, ladite tenaille peut être commandée pour retarder quelque peu la chute de la masse flottante 16 après ouverture de la vanne aval 23 correspondante. L'ouverture de la tenaille est pilotée, par exemple, par un détecteur de niveau d'eau dans le réservoir. Ainsi, l'eau contenue dans le réservoir a le temps de s'échapper au moins en grande partie, au travers de la vanne aval avant que la masse flottante 15 soit libérée. Celle-ci tombe pratiquement en chute libre jusqu'à rencontrer l'eau restant au fond du sas et s'y amortir. Avantageusement, chaque embrayage 29 est du type comprenant un pignon à couplage rotatif unidirectionnel. Autrement dit, par construction, cet embrayage est automatiquement actif lorsque le sens de rotation de l'arbre de transmission 27 correspond à la chute de la masse flottante, ce qui est précisément la course utile pendant laquelle de l'énergie cinétique est restituée à l'arbre de récupération d'énergie 31. Ce dernier tourne toujours dans le même sens et en permanence, grâce au fonctionnement alterné des deux unités et au volant d'inertie 43. Par ailleurs, pour rendre l'installation aussi autonome que possible, on peut disposer des amortisseurs hydropneumatiques 57 ou analogues au fond du sas, actionnés à chaque chute par la masse flottante lorsqu'elle s'enfonce quelque peu dans l'eau résiduelle du sas à la fin de la chute et avant de remonter en situation de flottaison. L'énergie récupérée par ces amortisseurs est exploitée pour recharger un réservoir de fluide sous pression 59 ou analogue, installé sur la plate forme 60. Ce réservoir de fluide sous pression constitue donc un générateur de pression et il est susceptible de fournir l'énergie de manoeuvre nécessaire à l'actionnement des vérins 59 de façon appropriée et synchronisée, par des électrovannes, par exemple, non représentées. Il résulte de la description ci-dessus, que l'installation est équipée de divers moyens de commande (autonomes ou synchronisés) pour piloter la séquence suivante : - ouverture de la vanne amont, vanne aval fermée - remontée de la masse flottante dans le réservoir - fermeture de la vanne amont - ouverture de la vanne aval puis fermeture de celle-ci et chute de la masse flottante entraînant ledit arbre de récupération, et ainsi de suite. Il résulte de la description qui précède que ces moyens de commande comportent notamment : les vérins 59 chargés des ouvertures et fermetures des vannes amont et aval, les leviers de fin de course 65 formant tenailles et leurs vérins spécifiques 67, pour confirmer la fermeture des volets 48 de la vanne 21 ou 23 et retenir momentanément la masse flottante. A titre d'exemple, le fonctionnement peut être le suivant. La vanne aval venant de se refermer on considère par exemple, le moment où la masse flottante vient de tomber dans le sas à la suite d'une phase motrice où l'arbre de transmission 27 a communiqué de l'énergie à l'arbre de récupération 31, via l'embrayage correspondant. C'est la situation illustrée à la figure 5. A ce moment, l'eau est repoussée par l'impact dans l'espace laminaire défini entre la paroi latérale de la masse flottante 16 et celle du réservoir 15, ce qui est favorable à sa remontée quasi immédiate dans ledit réservoir. Pendant cette phase, la vanne amont 21 est fermée. De l'énergie est récupérée par les amortisseurs 57 pour recharger le réservoir de fluide sous pression 59. Le cycle se poursuit par l'ouverture de la vanne amont (figure 6) et la remontée de la masse flottante qui se fera dès que la masse flottante aura atteint le point bas de sa course et sera en état de flottaison. Une opération de fermeture d'une vanne s'opère par l'actionnement des vérins 59 correspondants, suivi, en fin de course par l'actionnement de la tenaille sous la commande du vérin 67, qui vient confirmer et prendre en charge la fermeture. Dès que la fermeture est prise en charge par la tenaille, la pression peut être relâchée dans les vérins 59 pour que ceux-ci n'entravent pas la chute ultérieure de la masse flottante. Des détecteurs (non représentés) pilotent l'arrêt de la montée de la masse flottante par fermeture de la vanne amont 21. Lorsque la masse flottante 16 est en position haute, la vanne aval est ouverte, par relâchement de la tenaille. L'eau est évacuée très rapidement. La tenaille est relâchée dès que la masse flottante n'est plus portée par l'eau et peut retomber dans le sas avec toute sa puissance. REVENDICATIONS1. Installation de production d'énergie récupérée de l'écoulement d'un cours d'eau, du type comportant au moins une masse flottante (16) assujettie à se déplacer verticalement et alternativement dans un réservoir (15) intégré à un ouvrage de canalisation d'eau édifié au travers d'au moins une partie dudit cours d'eau, caractérisée en ce que ladite masse flottante est reliée à un arbre de transmission (27) et, via un embrayage (29), à un arbre de récupération d'énergie mécanique (31) lequel est actionné pendant une course de chute de ladite masse flottante dans ledit réservoir, en ce que ce dernier comporte un sas (19) rempli d'eau à sa partie inférieure, dans lequel ladite masse flottante peut tomber, en ce que ce sas est équipé d'une vanne amont et d'une vanne aval situées respectivement en amont (21) et en aval (23) d'un emplacement de chute de ladite masse flottante et en ce que des moyens de commande sont agencés pour opérer des cycles successifs d'ouverture et de fermeture des vannes amont et aval entraînant la montée de la masse flottante dans le réservoir par élévation du niveau d'eau dans celui-ci et le lâchage de ladite masse flottante avec récupération d'énergie. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un tel cycle comporte les phases suivantes, la vanne aval étant ouverte et la vanne amont étant fermée, la masse flottante étant retenue en position haute dans le réservoir : - fermeture de la vanne aval - lâchage de ladite masse flottante - ouverture de la vanne amont et remontée de ladite masse flottante - fermeture de la vanne amont - ouverture de la vanne aval. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque vanne (21, 23) comporte un groupe de volets (48) parallèles montés pivotants autour d'arbres horizontaux (50) respectifs et comprenant des leviers de manoeuvre (52) respectifs, reliés à un mécanisme d'actionnement commun. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit mécanisme d'actionnement comprend au moins une tige detraction (56) à laquelle les leviers sont articulés et en ce que cette tige de traction est elle-même couplée à au moins un vérin (59) ou analogue. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit mécanisme d'actionnement comprend un levier de fin de course (65), par exemple en forme de tenaille, actionné par un vérin spécifique (67) pour confirmer la fermeture des volets les uns contre les autres, à la fin d'une course de fermeture opérée par la tige de traction (56). 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit embrayage (29) est du type comprenant un pignon à couplage rotatif unidirectionnel. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit sas (19) est creusé en dessous du lit naturel (25) dudit cours d'eau. 8. Installation selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que ledit sas est muni d'amortisseurs (57) reliés à un accumulateur formant générateurs de pression (61) connecté pour fournir une énergie de manoeuvre audit au moins un vérin (59) couplé à ladite tige de traction (56). 9. Installation selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisée en ce qu'une vanne (21, 23) précitée comporte plusieurs groupes (G1, G2) de volets (48) parallèles agencés côte à côte, ledit mécanisme d'actionnement étant commun aux leviers de tous les groupes. 10. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs unités (13a, 13b) comprenant chacune un réservoir, une masse flottante, un sas et des vannes aval et amont, en ce que ces unités sont agencées côte à côte au travers de ladite au moins une partie dudit cours d'eau et en ce que les masses flottantes (16) de ces unités sont reliées à un arbre de récupération d'énergie mécanique précité (31), commun.