Brevet FR2979392A1 — publié le 20130301

La présente invention porte sur un dispositif de conversion directe de l'énergie marine contenue dans une houle directement en énergie électrique utilisable en associant une colonne de fluide marin oscillante avec un ou plusieurs générateurs électromagnétiques élémentaires. De nombreux systèmes sont déjà proposés pour convertir l'énergie de la houle en énergie utilisable, mécanique ou électrique. Dans ces systèmes, la conversion d'énergie est effectuée en deux temps : une première machine transforme l'énergie du fluide en énergie mécanique rotative ou alternative, puis une génératrice électrique transforme cette énergie en énergie électrique. Le plus souvent, dans le cas de la houle, la première conversion se fait en deux temps : l'énergie du fluide marin est d'abord transformée en mouvement mécanique oscillatoire ou alternatif puis, dans un second temps, en mouvement continu au moyen d'un fluide intermédiaire. Parmi ces systèmes, les systèmes houlomoteurs à colonne d'eau oscillante sont les plus utilisés. Plusieurs stations prototypes ont été testées dans le monde, notamment au Japon. La houle incidente met en mouvement oscillatoire l'eau contenue dans une cheminée verticale. L'eau de mer dans cette cheminée met à son tour en oscillation de l'air qui passe alternativement dans un sens et dans l'autre dans une turbine spécifique qui tourne toujours dans le même sens. L'intérêt de passer par de l'air pour actionner la turbine, est que sa compressibilité, jointe à l'inertie propre de la turbine et de la génératrice, permet de lisser en partie les discontinuités de la houle. La présente invention vise à ne pas utiliser de turbine, mais un système de conversion statique fonctionnant sur les principes de la magnéto-hydrodynamique. De tels convertisseurs sont décrits dans les documents suivants : - US-4151423 décrit des générateurs disposés horizontalement sur une structure orientable et réglable en hauteur pour tenir compte des marées ; - US-4110630 décrit une structure flottante qui utilise le mouvement de roulis. Le générateur électrique est basé sur le mouvement alternatif d'un fluide conducteur (du mercure) passant d'un côté à l'autre ; - US-5136173 décrit un générateur suspendu à un flotteur soumis à Faction de la houle. Le mouvement périodique vertical du flotteur impose un mouvement relatif du générateur par rapport à l'eau de mer. Le dispositif impose que le générateur soit immergé ; - US-7166927 décrit un générateur électromagnétique complexe qui utilise un fluide intermédiaire beaucoup plus conducteur que l'eau de mer au droit des électrodes. L'action de la houle fait osciller ce fluide entre deux réservoirs. Cependant, les systèmes qui utilisent les convertisseurs décrits dans ces brevets ne captent l'énergie de la houle que de façon très partielle, à la surface ou à une profondeur donnée, et leur conception, par rapport à la longueur d'onde de la houle, ne permet de capter qu'une fraction de l'énergie transportée par la houle. L'invention propose de combiner un système de colonne d'eau oscillante avec un, ou plusieurs générateurs électromagnétiques. La houle incidente est guidée et avantageusement concentrée par des parois de focalisation, en un mouvement oscillatoire de l'eau dans un conduit, formant de préférence une cheminée verticale. Le choix des dimensions de cette colonne a pour objectif d'amplifier les oscillations, notamment par un phénomène proche de la résonance pour les périodes les plus fréquentes de la houle sur le site d'implantation. Le fluide mis en oscillation traverse un ou plusieurs générateurs électromagnétiques élémentaires situés dans une section de la colonne. Ainsi, la présente invention concerne un système de conversion directe de l'énergie marine contenue dans une houle en énergie électrique, comportant en combinaison : - un conduit de dimensions déterminées pour y maximiser la vitesse de déplacement de l'eau de mer en oscillation compte tenu de la fréquence de la houle, - au moins un générateur électromagnétique placé dans ledit conduit, l'énergie électrique étant produite par le déplacement maximisé de l'eau de mer par rapport à un champ magnétique créé au niveau dudit générateur. L'eau de mer peut être directement le milieu conducteur ou être le moyen de déplacement d'un autre milieu conducteur au droit du champ magnétique, par exemple un noyau en métal feuilleté ou un autre fluide conducteur. Les dimensions du conduit peuvent être déterminées pour que la période des oscillations naturelles de l'eau dans le conduit soit située dans le domaine des périodes dominantes de la houle. Le générateur électrique peut comporter un canal soumis à un champ magnétique perpendiculaire à l'axe du canal, muni d'électrodes pour collecter l'énergie électrique, ledit canal comprenant un convergent et un divergent respectivement en entrée et en sortie. Le canal peut être un canal de section parallélépipédique, de préférence rectangle. Le canal peut être un canal annulaire hélicoïdal soumis à un champ magnétique parallèle à l'axe du générateur et muni d'une électrode axiale et d'une électrode extérieure cylindrique. Le générateur peut comporter un noyau métallique solidaire de moyens de déplacement qui coopèrent avec le déplacement optimisé de l'eau de mer dans le conduit, de façon à ce que ledit noyau se déplace de manière synchrone avec l'eau de mer dans le conduit. Le générateur peut comporter des aimants permanents pour produire ledit champ magnétique. Le générateur peut comporter des bobines solénoïdes réalisées dans un matériau supraconducteur et des moyens de refroidissement à une température inférieure à celle de l'apparition du phénomène de supraconductivité, pour produire ledit champ magnétique. Le système peut être intégré dans une structure côtière ou dans une digue, et comporter une ouverture à sa base dans la direction d'incidence de la houle. Le système peut être intégré dans une structure posée sur le fond marin, et comporter des ouvertures à sa base dans une ou plusieurs directions d'incidence de la houle, et en ce que ladite structure peut comporter au moins un déflecteur d'orientation des déplacements du milieu marin. Le système peut être intégré dans une structure flottante maintenue par un ancrage. Les irrégularités de la houle se traduisent par des variations importantes de l'énergie électrique produite. Ces variations peuvent être écrêtées et lissées, au niveau de l'électronique de conditionnement du générateur, par une charge capacitive et/ou inductive. Un convertisseur électrique transforme ensuite le courant électrique aux spécifications des réseaux (tension, fréquence). L'énergie électrique est transportée à terre par un câble électrique sous-marin raccordé à un réseau. La figure 1 a montre un mode de réalisation de l'invention avec une colonne adossée au rivage ou à une digue de port. Cette disposition est particulièrement adaptée si les houles dominantes se propagent perpendiculairement au rivage ou à la digue. La hauteur de la colonne est H, et la longueur de l'entrée horizontale est S. La base de la colonne 1 est ouverte à la mer pour que l'action de la houle produise un va-et-vient vertical du milieu fluide à l'intérieur de la colonne. L'ouverture de la base peut avantageusement être en forme d'entonnoir pour concentrer les effets de la houle et amplifier l'amplitude des oscillations. Le fluide est ainsi forcé de passer alternativement dans un ensemble 2 de générateurs élémentaires décrits ci-après. Cet ensemble peut être constitué en un seul bloc construit et réglé en usine et installé dans une structure en béton positionnée à demeure le long des côtes. Cette structure peut être aussi un élément de digue de protection d'un port, comme selon la figure lb. Le bloc de générateur peut aussi être inséré dans une colonne en usine et l'ensemble de la colonne munie de ses générateurs mise en place sur une embase. La conversion directe de l'énergie cinétique de l'eau de mer, fluide conducteur, en électricité au moyen d'un générateur magnéto hydrodynamique présente l'avantage que toutes les parties du générateur sont statiques et peuvent être aussi robustes que nécessaire pour résister à l'environnement marin. D'autres aspects sont également intéressants, la maintenance, et/ou l'entretien, sont réduits compte tenu de l'absence de pièces mécaniques en mouvement. Enfin, il n'est pas nécessaire de passer par une transformation intermédiaire en énergie mécanique, source de perte en rendement. Le principe physique du convertisseur de l'invention repose sur les lois de l'électromagnétisme qui impliquent qu'une force électromotrice est produite lorsqu'un conducteur électrique se déplace dans un champ magnétique. On sait, en appliquant les lois de l'électromagnétisme, que la puissance électrique générée est proportionnelle au volume du fluide soumis au champ magnétique, à la conductivité électrique du milieu fluide, et proportionnelle au carré de l'intensité de l'induction magnétique et de la vitesse du fluide. L'intensité du champ d'induction magnétique réalisable dans l'entrefer du générateur est un point particulièrement important. L'utilisation d'aimants permanents limite actuellement ce champ à 1,5 Tesla environ. L'utilisation de bobines d'électro-aimants supraconducteurs permet d'obtenir une intensité plus forte, atteignant 8 Tesla environ, mais on doit mettre en oeuvre le phénomène de supraconductivité pour limiter la consommation d'énergie. Le choix d'un matériau adapté permet d'obtenir actuellement ce phénomène à une température d'environ - 110°C. Les progrès technologiques réalisés ces dernières années sur les aimants permanents et les aimants solénoïdes supraconducteurs, combinés à des dispositifs d'augmentation de la vitesse des particules d'eau par un effet de résonance d'une colonne d'eau oscillante rendent possible la réalisation de convertisseurs directs d'énergie, avec des tailles de systèmes rapportées au kW d'énergie produite au moins équivalentes à celles des systèmes connus. Le générateur magnétohydrodynamique est constitué d'un ensemble 2 de plusieurs générateurs élémentaires 3 disposés côte à côte dans les deux directions transversales comme représenté sur les figures la et lb. L'ensemble 2 est ensuite disposé dans une section de la cheminée d'oscillation. Selon les figures 2a et 2b, chaque générateur élémentaire est constitué d'un canal de largeur réduite 4 muni à chaque extrémité d'un convergent - divergent 5 et 5'. Cette disposition est symétrique du fait que l'écoulement 10 est alternatif et que chaque extrémité est alternativement convergent puis divergent au cours d'une période d'oscillation du milieu fluide. Les figures 2a et 2b décrivent l'arrangement géométrique d'un générateur élémentaire par une coupe longitudinale (section AA figure 2a) et une coupe transversale (section BB - figure 2b). La section AA de la figure 2a montre la succession du conduit convergent, du conduit intermédiaire de section constante exposé au champ magnétique et du conduit divergent. Le convergent et le divergent sont destinés à augmenter la vitesse de l'écoulement dans le conduit intermédiaire tout en réduisant l'entrefer. La section BB de la figure 2b décrit la constitution du générateur élémentaire dans une section au droit du conduit intermédiaire, de section droite parallélépipédique, et de préférence rectangulaire. Les composants suivants sont disposés le long du conduit intermédiaire, dans le cas d'un générateur à base d'électro-aimants de type solénoïde : - paroi extérieure 6 du générateur, - conduit 4 de passage du milieu marin, - bobine solénoïde 7 d'électro-aimant, - électrodes 8, 8' reliées au circuit électrique, - pièce en acier doux 9 de guidage et fermeture du champ magnétique pour réduire les pertes. Le générateur élémentaire 3 comprend en outre, dans le cas de bobines supraconductrices, un système de réfrigération (non représenté) permettant de maintenir les bobines à une température inférieure à la température limite de supraconductivité et les moyens d'isolation thermique. Dans le cas d'utilisation d'aimants permanents, les bobines repère 3 sont remplacées par des aimants permanents. Les dimensions du générateur élémentaire sont, par exemple, une largeur e = 0,15 m et de longueur / 1,00m , une longueur de chaque convergent divergent de 1,00 m avec une largeur de 0,45 m à 0,50 m en extrémité. Ces dimensions sont données à titre d'exemple. La figure 2a montre que les deux faces du canal situées dans des plans parallèles au plan de la section AA sont munies d'électrodes 8 et 8' recevant le courant électrique. En dehors de ces électrodes, les parois du canal 4 sont réalisées en matériau amagnétique et électriquement isolant. La dimension du générateur dans la direction perpendiculaire au plan de la figure peut être comprise entre celle de la largeur (15 cm) et la moitié de la longueur du canal (environ 50 cm avec les dimensions qui précèdent). Le générateur élémentaire selon les figures 2a (coupe AA) et 2b (coupe BB) peut être remplacé par un générateur 20 de forme extérieure parallélépipédique, représenté sur la figure 3a et 3b, et comprenant un espace annulaire 21 muni d'une cloison hélicoïdale isolante 22 délimitant un conduit de forme hélicoïdale 23. Le conduit 23 dans lequel circule le milieu fluide 24 comporte à chaque extrémité une section de transition, non représentée sur la figure 3a, permettant de transformer sans discontinuité, l'écoulement axial en écoulement hélicoïdal. L'hélice est fabriquée en matériau amagnétique et électriquement isolant. Cet arrangement géométrique permet d'allonger la longueur des canaux soumis au champ magnétique et de réduire l'encombrement longitudinal du générateur. Elle permet aussi de faire circuler le fluide 24 à plus grande vitesse dans une section droite du canal comparée à la vitesse du fluide incident en entrée et sortie du générateur. Toutefois, le pas de l'hélice et la longueur totale du générateur sont limités par le niveau des pertes de charge acceptables qui dépendent des caractéristiques de la houle sur le site d'implantation du système de conversion. On obtient de bons résultats en choisissant un canal annulaire de 0,60 m de diamètre externe, de 0,10 m de diamètre interne, et un angle d'inclinaison de l'hélice interne de 19 degrés environ. Ces dimensions sont données à titre d'exemple. Le champ magnétique appliqué est longitudinal. Le courant électrique est radial entre une électrode centrale 25 et une électrode 26 située sur la paroi circulaire externe. Le champ magnétique longitudinal est facilement créé par des bobines 27 dont l'axe est le même que l'axe du canal annulaire et entourant complètement ce canal. Ce type de générateur à canal hélicoïdal est donc de préférence à utiliser en association avec des bobines solénoïdes supraconductrices. La conductivité électrique de l'eau de mer intervient dans la puissance générée. Comme cette conductivité est relativement faible, cela limite sensiblement les performances des générateurs. L'utilisation d'un noyau plongeur 30 dans l'entrefer 31 qui oscille avec le milieu fluide 32 permet d'améliorer de façon importante les performances du générateur. Les figures 4a et 4b illustrent le fonctionnement de ce noyau plongeur. L'ensemble mécanique constituant le noyau plongeur 30 comprend un flotteur 33 et un piston 34 constitué de cuivre feuilleté horizontalement. Les oscillations du fluide 32 produites par la houle dans la colonne 35 déplacent le noyau à l'intérieur de l'entrefer. Le flotteur 33 équilibre une grande partie du poids du noyau plongeur. Pour assurer sa stabilité verticale, une autre partie du poids est équilibrée au moyen d'un flotteur auxiliaire 36 situé au niveau de la surface libre de la mer et rendu solidaire du noyau plongeur au moyen d'une entretoise rigide 37. Il est également possible de positionner le noyau plongeur et son flotteur au niveau de la surface libre. Dans ce cas, il faut placer le flotteur au-dessus du piston en cuivre pour assurer sa stabilité. Les feuillets 38 du piston en cuivre sont reliés à deux collecteurs 39 placés à leurs extrémités situées sur une perpendiculaire à la direction du champ magnétique. Il est possible de relier les différents feuillets en série ou parallèle en fonction de la force électromotrice 40 que l'on souhaite créer. La hauteur h de l'entrefer doit être égale à l'amplitude maximum des oscillations attendues dans la colonne, augmentée de la hauteur du piston, des effets de la marée et des autres phénomènes tendant à faire varier le niveau moyen. Il est toutefois possible d'exercer une correction sur la longueur du barreau ou sur la flottabilité du flotteur pour éliminer ou réduire l'effet des variations lentes de niveau, c'est-à-dire autres que celles résultant de l'action de la houle. Il n'est pas utile d'appliquer un champ magnétique sur toute la hauteur h, mais uniquement sur la zone où le piston plongeur est le plus souvent présent. Il est possible de placer l'ensemble du dispositif mobile (noyau plongeur et flotteur assurant la stabilité) sur un coussin de fluide plus léger que l'eau permettant d'assurer une bonne lubrification. Description de la colonne oscillante : Outre la configuration représentée sur les figures la et lb, applicable à une centrale magnétohydrodynamique adossée à la côte ou à une digue, on peut appliquer l'invention au large, dans des profondeurs d'eau de l'ordre de 40 à 80 m ou un peu plus, ou bien avec un support flottant. La figure 5 illustre un système générateur mis en place au large, à distance des côtes. Il comprend une colonne 50 dans laquelle peut osciller le fluide 51 sous l'influence de la houle qui se propage dans le milieu marin. Cette colonne est solidaire d'une embase 52 en communication avec le milieu marin. L'ensemble est posé sur le fond si les caractéristiques du sol le permettent et les conditions de stabilité sont suffisantes ou bien fixé dans le sol par des pieux ou des caissons de fondation à la manière habituelle des petites plates-formes pétrolières. S'il n'y a pas de direction privilégiée pour la propagation de la houle, l'embase 52 peut être ouverte dans toutes les directions. Dans ce cas, un déflecteur de houle 53 situé dans l'embase, facilite l'écoulement alternatif dans la colonne. Toutefois, la présence de ce déflecteur n'est pas absolument nécessaire et il ne constitue pas un élément indispensable de l'invention, notamment si les dimensions sont telles que la période des oscillations verticales du fluide est en résonance avec les périodes de la houle. L'embase 52 peut être fermée dans certaines directions si la propagation de la houle n'est pas fréquente dans ces directions sur le site d'implantation du dispositif et/ou munie de volets obturateurs actionnés mécaniquement. On sait que les canalisations remplies de liquide comportant des surfaces libres aux extrémités sont soumises à des oscillations naturelles du liquide. Ce phénomène est parfois appelé « oscillations en masse » dans les ouvrages français d'hydraulique. Dans le cas d'un simple conduit tubulaire de section constante ouvert à sa base, plongé verticalement dans un milieu liquide dont le volume est beaucoup plus vaste que le volume interne du tube, permettant ainsi de le considérer comme infini, la période des oscillations naturelles T du liquide est donnée par la formule : T= où H est la hauteur du tubulaire plongé dans le liquide (représenté figure 1 a), n le rapport du périmètre au diamètre du cercle et g l'accélération de la pesanteur. Ainsi, une cheminée verticale immergée d'une dizaine de mètres (H = 10 m), profondeur donnée à titre d'exemple sans que cette dimension soit limitative, conduit à une période des oscillations naturelles de : 7' = 2.7 - =6,35 s. ,8 qui est une période fréquemment rencontrée dans les houles. Dans le cas d'une configuration géométrique comportant une partie horizontale d'entrée immergée de section droite S et de longueur 1 associée à tube vertical de hauteur H et de section droite s, la formule donnant la période des oscillations naturelles devient : T= 'HS +1,5 05 Les outils de simulations sur ordinateur en mécanique des fluides permettent de traiter des cas de formes géométriques de cheminées à colonnes hydrauliques oscillantes beaucoup plus complexes que ceux qui précèdent, comportant par exemple des sections droites de dimensions variables notamment en forme de convergent-divergents, telles qu'envisagées dans la présente description, éventuellement inclinées. Ils permettent aussi de prendre en compte des phénomènes négligés dans les formules précédentes, comme la résistance à l'écoulement dans le dispositif électromagnétique, les pertes de frottements du fluide sur les parois ou les pertes en entrée et sortie du convergent. Pour les houles de période proche de la période des oscillations naturelles, le phénomène de résonance permet d'obtenir des amplitudes d'oscillations dans la cheminée beaucoup plus importantes que celles correspondant aux amplitudes des particules d'eau incidentes et de compenser l'atténuation des effets de la houle avec la profondeur au niveau de la prise d'eau de la cheminée. L'invention peut s'appliquer avec une colonne flottante 60 supportée sur un support flottant 61 (figure 6). Si le support est de dimensions suffisantes, on peut avoir plusieurs colonnes munies de générateurs sur un même support flottant. Le support est maintenu en place sur le site par un système d'ancrage 62 tel que ceux qui sont habituellement utilisés en mer sur les structures pétrolières flottantes. Cette variante est particulièrement intéressante dans les profondeurs d'eau dépassant 60 à 80 m, car les structures fixées au fond peuvent devenir de dimensions très importantes ayant un impact excessif sur le coût de l'ouvrage, donc sur le prix de revient de l'électricité produite. La figure 6 montre un support flottant de type bouée, muni d'un puits central. Ce support dispose de volume de flottaison et de lest permettant d'assurer sa stabilité. Le choix des dimensions du support est de préférence fait pour que ses mouvements verticaux dans la houle (pilonnement) se produisent en opposition de phase avec ceux de la houle à la période la plus intéressante pour récupérer le plus d'énergie, de façon à augmenter les mouvements relatifs du fluide à travers le générateur dans la colonne. Les hommes de métier et architectes navals sont capables de déterminer les dimensions pour obtenir un déplacement de pilonnement imposé. REVENDICATIONS1 Système de conversion directe de l'énergie marine contenue dans une houle en énergie électrique, comportant en combinaison : - un conduit de dimensions déterminées pour y maximiser la vitesse de déplacement de l'eau de mer en oscillation compte tenu de la fréquence de la houle, - au moins un générateur électromagnétique placé dans ledit conduit, l'énergie électrique étant produite par le déplacement maximisé de l'eau de mer par rapport à un 10 champ magnétique créé au niveau dudit générateur. 2 Système selon la revendication 1, dans lequel les dimensions du conduit sont déterminées pour que la période des oscillations naturelles de l'eau dans le conduit soit située dans le domaine des périodes dominantes de la houle. 3 Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le générateur 15 électrique comporte un canal soumis à un champ magnétique perpendiculaire à l'axe du canal, muni d'électrodes pour collecter l'énergie électrique, ledit canal comprenant un convergent et un divergent respectivement en entrée et en sortie. 4 Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit canal est un canal de section parallélépipédique, de préférence rectangle. 20 5 Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit canal est un canal annulaire hélicoïdal soumis à un champ magnétique parallèle à l'axe du générateur et muni d'une électrode axiale et d'une électrode extérieure cylindrique. 6 Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le générateur comporte un noyau métallique solidaire de moyens de déplacement qui coopèrent avec le 25 déplacement optimisé de l'eau de mer dans le conduit, de façon à ce que ledit noyau se déplace de manière synchrone avec l'eau de mer dans le conduit. 7 Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le générateur comporte des aimants permanents pour produire ledit champ magnétique.8 Système selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le générateur comporte des bobines solénoïdes réalisées dans un matériau supraconducteur et des moyens de refroidissement à une température inférieure à celle de l'apparition du phénomène de supraconductivité, pour produire ledit champ magnétique. 9 Système selon l'une des revendications précédentes, intégré dans une structure côtière ou dans une digue, et comportant une ouverture à sa base dans la direction d'incidence de la houle. Système selon l'une des revendications précédentes, intégré dans une structure posée sur le fond marin, et comportant des ouvertures à sa base dans une ou 10 plusieurs directions d'incidence de la houle, et en ce que ladite structure comporte au moins un déflecteur d'orientation des déplacements du milieu marin. 11 Système selon l'une des revendications 1 à 8, intégré dans une structure flottante maintenue par un ancrage.