Brevet FR2983538A1 — publié le 20130607

DESCRIPTION La présente invention concerne un appareil permettant de récupérer l'énergie engendrée par les marées, les courants maritimes, les cours d'eau, les rivières, les fleuves, ou celles fournies par les fluides tels que le vent en version éolienne, ou par la vapeur sous pression produite par les sources géothermiques. L'invention est un appareil qui cumule les fonctions d'hydrolienne et d'éolienne dénommée hydro-éolienne et se compose d'une turbine entraînant une génératrice de courant ou une pompe hydraulique de relevage, et fonctionnant grâce à des pales en rotation. Il existe des potentiels énergétiques inépuisables et de très grande puissance, bien supérieure à toutes les centrales atomiques : les marées, les courants marins, et les rivières. Ces dernières sont utilisables en tout point, sans barrage, en utilisant uniquement le courant d'eau se déplaçant vers l'aval. Il suffit de capter cette énergie renouvelée sans cesse. Quelques modèles existent déjà pour récupérer l'énergie de la houle en mer, des hydroliennes (turbines) ou hélices. D'autres modèles concernent des turbines hydroélectriques, tel que le brevet CA2547748, qui décrit une turbine composée de pales fixées sur un tambour en rotation. Mais, l'inversion du courant provoque l'inversion du sens de rotation de la turbine et nécessite quelquefois une énergie complémentaire pour la mise en rotation de l'appareil (système Darrieus). La présente invention permet de remédier à ces inconvénients en proposant une turbine composée de pales profilées inclinées selon un angle a et fixées sur un tambour en rotation, dont deux déflecteurs à l'entrée et à la sortie du flux canalisent le flux d'eau pour faire tourner le tambour toujours dans le même sens sans avoir la nécessité d'un énergie d'appoint pour la mise en rotation. L'utilisation de cette turbine sera éolienne ou hydraulique. - Dans l'eau : elle sera entièrement immergée, comportera des déflecteurs à l'entrée et à la sortie du flux et pourra être placée perpendiculairement au courant, ce qui n'altère pas ce courant, disponible à nouveau quelques mètres en aval, la multiplication des turbines peut être sans fin. Donc la possible utilisation en série de cette turbine. - Pour utiliser les marées, elle sera placée à une distance suffisante de la plage, pour pouvoir rester complètement immergée en marée basse, signalée par des bouées lumineuses, pour éviter les accrochages (navigation de plaisance 2 983 5 3 8 -2- ou pêche). Cette turbine tournera dans le même sens malgré un flux d'eau dans les deux sens. Un ancrage performant sera nécessaire. - Pour l'utilisation des grands courants marins (disposant d'une énergie phénoménale) : on pourra intégrer des vidanges et remplissage de bassins, 5 genre Arcachon. Les possibilités sont tellement phénoménales, qu'à elles seules elles peuvent supplanter les centrales électriques actuelles, car leurs installations sont à des prix de revient acceptables. - Grâce au vent : elle pourra être placée dans une zone de vents continus, plutôt en hauteur et ne comportera pas de déflecteur. Elle sera disponible à 10 nouveau quelques mètres en aval, la multiplication des turbines peut être sans fin. Donc la possible utilisation en série de cette turbine. Il est possible d'envisager, l'utilisation de cette turbine, en position verticale, dans un flux de vent, par exemple sur un voilier pour assurer une énergie 15 supplémentaire, éventuellement pour remplacer les voiles. Il sera également possible de l'installer sur un immeuble, horizontalement ou verticalement. En mer, la disposition en ligne sera souhaitable pour capter le maximum d' énergie. 20 Le dispositif devra être complété, par sécurité, de bouées flottantes lumineuses visibles en haute et basse mer, et portant un éclairage à éclat de façon à éviter les accrochages avec les bateaux, ou des filets de pécheurs. Ainsi que l'utilisation de réflecteurs radar en surface, et d'un bruiteur sous la surface de l'eau pour les poissons et surtout les sous-marins. 25 Des bornes seront placées sur le rivage pour la récupération du courant électrique et évacuées par des câbles selon les techniques habituelles. Cette construction est très limitée au point de vue mécanique, nécessitant peu d'intervention pour la maintenance. 30 Pour utiliser et installer cette turbine dans les meilleures conditions dans un cours d'eau, dans les zones ou la mise en place de l'ossature de la turbine, permet de recevoir plusieurs turbines côte à côte et éventuellement sur plusieurs niveaux. Cette installation sera répétée, en amont ou en aval à faible distance, le courant se rétablissant très rapidement avec peu de perturbation, en fonction de 35 l'énergie cinétique correspondant à la formule et au théorème de BETZ : P=(DxAxV3xCp)/ 2 P : puissance 2 9 83 53 8 -3- D : densité de la mer (environ 1025 kg/m3) A : surface des pales de la turbine / : vitesse du courant Cp : coefficient de puissance 5 La ou les turbines, étant de grandes dimensions, seront de préférence construites en bordure de fleuve ou ports, de façon à pouvoir être chargées directement sur bateau de haute mer ou sur barges à moins de réaliser l'assemblage des 10 éléments sur site. Selon des modes particuliers de réalisation, - La turbine est comparable à une roue à aubes, avec des pales fixes ou variables selon un angle pré-déterminé, parallèles entre elles et à l'axe de 15 rotation, décrivant une circonférence selon un axe horizontal ; l'ensemble des pales forme un tambour de un à plusieurs mètres de diamètre et d'une longueur de deux à 10/16 mètres éventuellement plus. L'ensemble de pales décrit un cercle de façon qu'en rotation elles forment un cylindre. Cette rotation entraîne l'arbre au centre de ce cylindre, et grâce à un 20 angle a fixe d'inclinaison des pales par rapport aux rayons du tambour, cela provoque la mise en mouvement du tambour du moment qu'on se trouve dans un flux, que ce soit liquide ou gazeux. L'angle a paraît optimal entre 40° et 85° (70° préconisé) (figure 7) pour obtenir le meilleur rendement et récupérer la plus grande puissance du flux. 25 - Les pales auront une forme plan convexe (profil porteur du type aile d'avion) pour des raisons aérodynamiques, et seront fabriquées par extrusion, moulage ou chaudronnées ou autres moyens techniques appropriés. - Les pales pourront être construites de plusieurs façons, soit en faisant appel à la métallurgie (chaudronnerie) avec des matériaux peu oxydant, soit en 30 faisant appel à la plasturgie et éventuellement à l'extrusion, tous les vides intérieurs recevront une injection de mousse, pour éviter la pénétration de l'eau pouvant entraîner un déséquilibre du système ou une corrosion. - Des frettes (internes ou externes) sont installées sur les pales à intervalle plus ou moins régulier afin d'éviter le flambage sous la pression de l'eau : ces 35 frettes sont composées d'une tige d'acier ou d'un câble qui relie les pales entre elles de façon à maintenir l'angle d'attaque, tout en ne perturbant que très peu l'écoulement de l'eau. Eventuellement des rayons (ou câble) tendus à la façon des rayons de bicyclettes pour obtenir une orbitation parfaitement circulaire peuvent être envisagés. Ce montage neutralisera la déformation 2 983 5 3 8 -4- due à la poussée de l'eau et permettra d'avoir des pales plus minces. - Dans le cas d'un flux d'eau à double sens, un déflecteur bas est placé en amont du tambour et un déflecteur haut est placé en aval du tambour. Ces déflecteurs font office de venturies. Les deux déflecteurs sont fixés à un axe 5 de rotation proche du tambour et sont libre de mouvement. Lorsque l'eau appuie sur ces déflecteurs, ils viennent en butée sur une cale. Ainsi quand le flux d'eau vient de gauche, le déflecteur bas dirige ce flux vers le haut du tambour et le déflecteur haut se positionne librement (flotte) à l'horizontal pour laisser passer le flux ; et quand le flux d'eau vient à l'opposé, le 10 déflecteur haut dirige ce flux vers le bas du tambour et le déflecteur bas se positionne librement (flotte) à l'horizontal pour laisser passer le flux ; cela permet de faire tourner le tambour toujours dans le même sens quel que soit le sens du flux d'eau. L'ensemble est positionné dans une ossature, de façon à pouvoir être 15 transporté, et être sur le site assemblé en groupe, à la manière des conteneurs sur les bateaux, côte à côte et éventuellement sur plusieurs niveaux. - Pour les petites installations et plus spécialement en rivière ou fleuve, le socle de l'ossature se présente sous forme de traîneau, avec deux barres parallèles au courant qui empêchent le renversement et fournissent un 20 complément d'ancrage. Le socle de l'ossature ne devra pas être posé directement sur le fond de l'eau mais plutôt sur des poutres formant châssis et assurant l'ancrage : ce dispositif évitera les radiants et certains éléments lourds se déplaçant sur le fond. On peut également prévoir de surélever le tambour dans l'ossature pour laisser passer les éléments lourds. 25 - En rivière ou fleuve, la turbine sera ancrée sur place et également reliée à des câbles immergés et ancrés aux berges, en formant un V de façon à compenser la force du courant ; chaque turbine actionnera une génératrice de courant, le câble électrique étant posé sur le fond de l'eau. En mer, cet ensemble, pourra être immergé pour profiter des marées. 30 Les dessins annexés illustrent l'invention : - La figure '1' représente la turbine de l'hydrolienne vue de bais. - La figure '2' représente l'hydrolienne vue de face. 35 - La figure '3' représente l'hydrolienne avec les pales parallèles vue de coté. - La figure '4' représente une pale vue de profil. - La figure '5' représente les stabilisateurs bas et haut vus de coté. - La figure '6' représente un stabilisateur fixe vu de coté. - La figure '7' représente les angles d'inclinaison des pales. 2 9 83 5 3 8 -5- En référence à ces dessins, Figure 1 : 5 La figure 1 représente la turbine de l'hydrolienne : composée de pales profilées inclinées et fixées sur un tambour en rotation. Figure 2 : La figure 2 montre l'hydrolienne vue de face. 10 Les pales (3) de la turbine, vues de face, sont fixées sur le contour du tambour (13), lui-même en rotation selon un axe central (2). Les pales (3) sont parallèles et fixes ou variables. Les pales (3) et le tambour (13) sont placés dans l'ossature (1) de l'hydrolienne pour permettre la reprise des paliers et support de l'ensemble y compris la 15 génératrice électrique. Une frette (12) est installée sur la pale (3) à intervalle plus ou moins régulier afin d'éviter le flambage des pales (3) sous la pression de l'eau. Ces frettes (12) sont composées d'une tige d'acier qui relie les pales (3) entre elles de façon à maintenir l'angle d'attaque, tout en ne perturbant que très peu l'écoulement de 20 l'eau. Figure 3 : La figure 3 montre l'hydrolienne vue de coté. Les pales (3) de la turbine, vues de coté, sont fixées sur le contour du tambour 25 (13) vu de coté en rotation selon un axe central (2), l'ensemble étant placé dans l'ossature (1) de l'hydrolienne. Dans le cas d'un flux d'eau à double sens : un déflecteur bas (5) est placé en amont du tambour (13) et un déflecteur haut (6) est placé en aval du tambour 30 (13). Ces deux déflecteurs (5)(6) permettent de diriger le flux d'eau respectivement vers le haut ou vers le bas du tambour (13) et canalisent le flux d'eau pour faire tourner le tambour (13) toujours dans le même sens quel que soit le sens du flux d'eau. Les deux déflecteurs (5)(6) sont fixés à un axe de rotation (7)(8) proche du tambour (13) et sont libre de mouvement ; lorsque 35 l'eau appuie sur les déflecteurs (5)(6), ils viennent en butée sur une cale (9)(10). Dans le cas d'un flux d'eau à sens unique : seul un déflecteur bas (5) ou haut (6) sera placé en amont du tambour (13). Ce déflecteur pourra alors être fixe. 2 9 83 5 3 8 -6- Les pales (3) sont inclinées d'un angle a par rapport aux rayons du tambour (13) et sont fixées à droite et à gauche du tambour (13). Les pales (3) sont poussées par le flux liquide ou gazeux, ce qui provoque la mise en mouvement du tambour (13) ; l'angle a paraît optimal entre 60° et 85° (70° préconisé) 5 (figure 7) pour obtenir le meilleur rendement et récupérer la plus grande puissance du flux. Le nombre de pales peut varier de deux à six pales ou plus selon la dimension du tambour et la vitesse du flux. 10 Figure 4 : La figure 4 montre une pale (3) vue de profil, profilée de forme convexe (profil porteur du type d'une aile d'avion). 15 Figure 5 : La figure 5 montre un déflecteur bas (5) placé en amont du tambour (13) et un déflecteur haut (6) placé en aval du tambour (13), dans le cas d'inversion du flux d'eau. Les deux déflecteurs (5)(6) sont fixés à un axe de rotation (7)(8) proche du 20 tambour (13) et viennent en butée sur une cale (9)(10). Figure 6 : La figure 6 montre un déflecteur bas (5) fixe placé en amont du tambour (13) dans le cas d'un flux d'eau à sens unique. 25 La sortie de la rampe du déflecteur fixe pourra éventuellement avoir un béquet (16) plus ou moins cylindrique pour mieux diriger le flux d'eau. Figure 7 : La figure 7 indique des mesures d'angle a d'inclinaison des pales (3) par rapport 30 aux rayons du tambour (13). Ces mesures font apparaître que pour atteindre un très bon rendement et permettre de récupérer une grande puissance du flux d'eau ou d'air, il est préférable d'utiliser un angle a entre 40° et 85°. 35 A titre d'indication : - Les pales pourront être en aluminium pour diminuer le poids des éléments en rotation de la turbine. - La turbine envisagée aura une grande longueur de pales : 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 -7- mètres voir plus. - A condition de disposer d'une profondeur d'eau suffisante, les diamètres des turbines peuvent être assez petits pour permettre d'utiliser de petits cours d'eau ; par exemple : longueur de 2 mètres, diamètre de 1 mètre ; longueur de 3 mètres, diamètre de 1 mètre 50 ; longueur de 4 mètres, diamètre de 2 mètres ; les longueurs de 5, 6, 7, 8 mètres pourront évoluer de 2 mètres à 4 mètres et passer de 4 pales à 5 et éventuellement à 6 pales. - L'angle ct d'inclinaison des pales par rapport aux rayons du tambour paraît donner un très bon rendement et permet de récupérer une grande puissance du 10 flux pour un angle de 70°. L'invention pourra être utilisée par les communes disposant d'un cours d'eau afin d'assurer la fourniture électrique pour l'éclairage public. 15 L'invention est particulièrement destinée à des entreprises, organismes ou collectivités producteurs d'électricité et aux particuliers souhaitant produire leur propre électricité. 20 25 30 35 REVENDICATIONS1) Dispositif permettant de récupérer l'énergie d'un flux liquide ou gazeux, en particulier l'énergie des marées ou du courant des rivières et fleuves sous forme hydraulique ou l'énergie du vent sous forme éolienne caractérisée en ce qu'il est composé d'une turbine entraînant une génératrice de courant ou une pompe hydraulique de relevage, et fonctionnant grâce à des pales (3) profilées fixées sur le contour d'un tambour (13) en rotation selon un axe central (2) et inclinées d'un angle a par rapport aux rayons du tambour, l'ensemble étant placé dans une ossature (1) ; l'utilisation de cette turbine peut se faire en position horizontale ou vertical et fonctionne au démarrage sans avoir recours à une énergie d'appoint pour la mise en rotation. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que, dans le cas d'un flux d'eau à double sens, un déflecteur bas (5) placé en amont du tambour (13) et un déflecteur haut (6) placé en aval du tambour (13) permettent de diriger le flux d'eau respectivement vers le haut ou vers le bas du tambour (13) ; ces deux déflecteurs (5)(6) à l'entrée et à la sortie du flux font office de venturies et canalisent le flux d'eau pour faire tourner le tambour (13) toujours dans le même sens quel que soit le sens du flux d'eau ; les deux déflecteurs (5)(6) sont fixés à un axe de rotation (7)(8) proche du tambour (13) et sont libre de mouvement ; lorsque l'eau appuie sur les déflecteurs (5)(6), ils viennent en butée sur une cale (9)(10) ; dans le cas d'un flux d'eau à sens unique : seul un déflecteur bas (5) ou haut (6) fixe est placé en amont du tambour (13) et la sortie de la rampe du déflecteur fixe pourra éventuellement avoir un béquet (16) plus ou moins cylindrique pour mieux diriger le flux d'eau. 3) Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la turbine et les déflecteurs (5)(6) sont positionnés dans une ossature (1) de façon à pouvoir être transporté et être sur le site assemblé en groupe à la manière des conteneurs sur les bateaux, côte à côte et éventuellement sur plusieurs niveaux. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que les pales (3) de la turbine sont fixées sur le contour du tambour (13) et sont fixes ou variables et parallèles entre elles et à l'axe de rotation (2) ; elles sont inclinées d'un angle a par rapport aux rayons du tambour (13) et sont profilées de forme plan convexe avec un profil porteur du type d'une aile d'avion ; elles sont fixées à droite et à gauche du tambour (13) ; les pales (3) sont poussées par le flux liquide ou gazeux, ce qui provoque la mise en mouvement du tambour (13).-9- 5) Dispositif selon les revendications 1 et 4 caractérisée en ce que l'angle a d'inclinaison des pales (3) est optimal entre 40° et 85° avec une valeur de 70° préconisé pour obtenir le meilleur rendement et récupérer la plus grande puissance du flux ; le nombre de pales peut varier de deux à six pales ou plus selon la dimension du tambour (13) et la vitesse du flux. 6) Dispositif selon la revendication 4 caractérisée en ce que des frettes (12) sont installées sur les pales (3) à intervalle plus ou moins régulier afin d'éviter le flambage des pales (3) sous la pression de l'eau : ces frettes (12) sont composées d'une tige d'acier qui relie les pales (3) entre elles de façon à maintenir l'angle d'attaque, tout en ne perturbant que très peu l'écoulement de l'eau. 7) Dispositif selon les revendications 1 et 3 caractérisée en ce que le socle (11) de l'ossature (1) se présente sous forme de traîneau pour les petites installations en rivière, avec deux barres parallèles au courant qui empêchent le renversement et fournissent un complément d'ancrage ; le socle (11) de l'ossature (1) ne devra pas être posé directement sur le fond de l'eau mais plutôt sur des poutres formant châssis et assurant l'ancrage : ce dispositif évitera les radiants et certains éléments lourds se déplaçant sur le fond ; on peut également prévoir de surélever le tambour (13) dans l'ossature (1) pour éviter cela et laisser passer ces éléments lourds. 30 35