Brevet FR3006012A1 — publié le 20141128

HYDROLIENNE A GENERATRICE ELECTRIQUE INTEGREE La présente invention est relative à une hydrolienne intégrant une génératrice électrique. De façon connue, une hydrolienne est utilisée pour convertir l'énergie cinétique d'une eau en mouvement en énergie électrique. A cet effet, l'hydrolienne comprend une hélice constituée de plusieurs pales immergées dans l'eau en mouvement de façon à être entrainées en rotation par cette eau en mouvement. Parallèlement, l'hydrolienne comprend aussi une génératrice électrique extérieure dont le rotor magnétique ou électromagnétique est relié à l'hélice de l'hydrolienne afin d'être mis en rotation par rapport au stator magnétique de la génératrice. En raison des faibles vitesses de rotation généralement atteintes par une hélice d'hydrolienne, de 10 à 60 tours par minute pour donner un ordre d'idées, dans le cadre d'une installation en rivière ou fluviale, et des vitesses de rotation plus élevées nécessaires pour générer un courant électrique avec une génératrice du marché, et notamment choisie parmi les versions standards de manière à réduire le coût de l'installation, un réducteur mécanique est intercalé entre l'hélice de l'hydrolienne et le rotor de la génératrice pour adapter les vitesses de rotation de ces deux éléments rotatifs l'une à l'autre. Selon un premier inconvénient, ce réducteur mécanique, constitué d'engrenages, induit une perte de rendement due aux frottements entre les différents pignons de démultiplication, pénalisant ainsi la production d'énergie électrique de l'installation. Selon un autre inconvénient, dans la plupart des installations d'hydroliennes, seule l'hélice de l'hydrolienne est immergée tandis que la génératrice électrique et le réducteur de vitesse mécanique sont maintenus hors de l'eau et protégés des projections d'eau. Malgré ces protections, la génératrice électrique et le réducteur de vitesse subissent des dommages et des infiltrations d'eau nuisibles à leur fonctionnement. De plus, l'humidité, et parfois la salinité, de l'air environnant n'est pas favorable au bon fonctionnement de ces machines tournantes électriques et mécaniques. La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur. A cet effet, l'invention a pour objet une hydrolienne dans laquelle les composants du stator et du rotor de la génératrice électrique sont embarqués de manière étanche dans l'embase de l'hélice. Grâce à cette conception, la génératrice électrique est immergeable avec l'hydrolienne et ne nécessite plus d'être maintenue hors d'eau. La présente invention couvre aussi une structure porteuse immergeable équipée d'une telle hydrolienne, ainsi qu'une installation hydrolienne comprenant une telle structure porteuse immergeable et une armoire électrique de gestion de l'hydrolienne et de l'injection de l'électricité produite par la génératrice de l'hydrolienne sur un réseau de distribution électrique. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente une structure porteuse immergée et équipée d'une hydrolienne selon l'invention, la figure 2 représente une vue partiellement découpée d'une structure porteuse hors d'eau et équipée d'une hydrolienne selon l'invention, la figure 3 représente schématiquement les moyens d'immersion et de flottaison d'une structure porteuse d'une hydrolienne selon l'invention, la figure 4 représente une vue en perspective d'une hydrolienne selon l'invention, la figure 5 représente une vue éclatée de la génératrice intégrée d'une hydrolienne selon l'invention, et la figure 6 représente schématiquement une armoire électrique de gestion du fonctionnement d'une hydrolienne selon l'invention, et la figure 7 représente une vue en perspective d'une variante d'une hydrolienne selon l'invention. Comme l'illustre la figure 1, la présente invention est relative à une hydrolienne 10 et à sa structure porteuse 12 immergeable. La structure porteuse 12 est constituée d'une plateforme inférieure 14 et d'une plateforme supérieure 16 reliées par des parois verticales 18. La structure porteuse 12 est maintenue en position dans l'eau E, ou au-dessus du niveau de l'eau NE comme illustré en figure 2, grâce à des pieux 20 auxquels elle est arrimée. En variante, à la place des pieux, la structure porteuse 12 peut être arrimée à un ponton, à des lests ou ancrages sous-marins, à des ancrages sur rive, à des 20 éléments d'infrastructure marine, ou à des piles de pont. De préférence, les parois verticales 18 font office de déflecteurs permettant d'accélérer le flux de l'eau en mouvement EM vers l'hydrolienne 10. A cet effet, les parois verticales 18 sont montées deux à deux de manière à former un goulet 22 se refermant vers l'hydrolienne 10 en amont et en aval de 25 celle-ci. Puis, les pieux 20, ou les autres moyens d'arrimage précités, sont utilisés pour positionner la structure porteuse 12 dans le sens du courant et de façon que les goulets 22 soient sensiblement parallèles à la direction de l'eau en mouvement EM. Avantageusement, l'entrée 24 de chaque goulet 22 est protégée par une grille 26 par exemple formée de différents arceaux 28. Ainsi, les embâcles comme les branches ou les troncs d'arbre ne peuvent pas s'engouffrer dans les goulets 22 et venir endommager l'hydrolienne 10 ou perturber l'accélération du flux d'eau traversant un goulet 22. En vue de l'immersion de la structure porteuse 12, et comme l'illustre schématiquement la figure 3, un ballast 30, intégré à la plateforme inférieure 14, est rempli d'eau à l'aide d'une pompe 32. Alors, la plateforme supérieure 16, prenant la fonction d'un flotteur, peut être positionnée au-dessus du niveau de l'eau NE et ainsi faire office de ponton d'accostage. Grâce à ces précédentes caractéristiques, la structure porteuse 12 est immergeable, mais surtout à immersion contrôlée. A l'inverse, en vue de permettre à la structure porteuse 12 de refaire surface, le ballast 30 est vidé de son eau par de l'air comprimé issu d'un compresseur 34. Alors, la plateforme inférieure 14, prenant la fonction d'un flotteur grâce à un jeu de flotteurs 38 intégrés dans celle-ci, peut être positionnée au-dessus du niveau de l'eau NE. Grâce aux caractéristiques précitées les opérations de maintenance de l'hydrolienne 10, et de la structure porteuse 12 et de ses équipements, sont facilitées par l'accessibilité induite aux différents éléments qui les constituent, et la structure porteuse 12, et par conséquent l'hydrolienne 10, sont de flottaison autonome et tractables depuis un lieu de mise à l'eau vers la position d'exploitation, ou inversement depuis la position d'exploitation vers le lieu de mise à sec, ou pour un simple changement de position d'exploitation. En plus du ballast 30, la plateforme inférieure 14 comprend un lest 36 permettant de rabaisser le centre de carène de la structure 12 afin de la stabiliser, tant lorsqu'elle est immergée ou lorsqu'elle est hors d'eau. Comme l'illustrent les figures 1 et 2, la structure porteuse 12 reçoit l'hydrolienne 10 en son centre entre les goulets 22 formés par les parois verticales 18 et entre les deux plateformes inférieure 14 et supérieure 16. Ainsi, l'hydrolienne 10 est particulièrement bien protégée des embâcles ou 10 d'éventuels chocs avec d'autres structures flottantes ou semi-flottantes. Selon l'invention, l'hydrolienne 10 comprend une hélice 40 et une génératrice électrique 42 intégrée. De préférence, l'hydrolienne 10 est équipée d'une hélice 40, aussi appelée rotor, de type DARRIEUS, ce type d'hélice étant adaptée pour une production 15 d'électricité en rivière ou en fleuve dans un faible courant et donc à faible vitesse de rotation de l'hélice 40, entre 10 et 60 tours par minute pour donner un ordre d'idées. Cette hélice 40 comprend une embase 46 et au moins une pale 44 fixée sur cette embase 46. 20 Selon une caractéristique importante de la présente invention, la génératrice électrique 42 est intégrée dans l'hydrolienne 10, et plus particulièrement dans l'embase 46 de l'hélice 40 de l'hydrolienne. Plus précisément, en vue de cette intégration et comme l'illustre la vue éclatée de l'embase 46 en figure 5, les composants du stator 48 et du rotor 50 de la 25 génératrice électrique 42 sont embarqués de manière étanche dans l'embase 46 de l'hélice 40. Ainsi, la génératrice électrique 42 est immergeable, et elle ne doit pas être maintenue hors d'eau et protégée. Selon une autre caractéristique importante de la présente invention, la génératrice 42 est de type discoïde, c'est-à-dire avec des bobinages positionnés sur un disque et non sur un cylindre. Cette génératrice discoïde est idéale pour la réalisation d'une génératrice à conception « lente » destinée à être utilisée dans une production d'électricité en rivière ou en fleuve dans un faible courant, et donc avec une faible vitesse de rotation de l'hélice 40. En vue d'obtenir une conception discoïde étanche de la génératrice 42, l'embase 46 de hydrolienne 10 prend la forme d'un disque 52 s'étendant autour d'un axe central A46, et les composants du stator 48 et du rotor 50 de la génératrice électrique 42 sont surmoulés respectivement dans des pièces discoïdes 54, 56 et 56' formant ladite embase 46. bans un mode de réalisation préféré, la génératrice 42 comprend un double rotor magnétique 50 constitué d'un rotor magnétique supérieur 58 et d'un rotor magnétique inférieur 60. Pour l'intégration de ce double rotor 50, l'embase 46 comprend une pièce discoïde supérieure 56' dans laquelle est surmoulé le rotor magnétique supérieur 58, une pièce discoïde inférieure 56 dans laquelle est surmoulé le rotor magnétique inférieur 60, et une pièce discoïde intercalaire 54 placée entre les pièces discoïdes supérieure 56' et inférieure 56 et dans laquelle est surmoulé le stator inductif 48. Plus en détails les rotors inférieur 60 et supérieur 58 sont composés d'aimants permanents 62 répartis circulairement autour de l'axe central A46 de l'embase 46 et noyés respectivement dans la matière des pièces discoïdes inférieure 56 et supérieure 56', et - le stator inductif 48 est composé de bobines 64 réparties circulairement autour de l'axe central A46 de l'embase 46 et noyées dans la matière de la pièce discoïde intercalaire 54. Avantageusement, le nombre d'aimants 62 des rotors inférieur 60 et supérieur 58, ainsi que le nombre de bobines 64 du stator inductif 48, sont adaptés en fonction de la vitesse de déplacement de l'eau en mouvement EM dans laquelle l'hydrolienne 10 est immergée, et donc en fonction de la vitesse de rotation V40 pouvant être atteinte par l'hélice 40 de l'hydrolienne 10 sous l'effet de cette eau en mouvement EM. Ainsi, la conception de la génératrice intégrée 42 peut être adaptée aux conditions du site où l'hydrolienne sera exploitée. Les pièces discoïdes 54, 56 et 56' formant ladite embase 46 peuvent être obtenues par un procédé de moulage par injection, avantageux car diminuant le coût de fabrication de ces pièces. Et, la ou les pales 44 de l'hélice 40 peuvent être obtenues par moulage, de préférence à partir d'agro-matériaux composites issus de l'agriculture, ces matériaux offrant non seulement un avantage de diminution du coût de fabrication mais également un avantage de conception écologique. Toujours dans un mode de réalisation préféré de la génératrice 42, les aimants 20 62 des rotors inférieur 60 et supérieur 58, ainsi que les bobines 64 du stator inductif 48 sont noyés respectivement dans des anneaux 66, 68 et 70 en matériau isolant électriquement et sensiblement transparent électromagnétiquement, comme une résine époxy par exemple. Et, ces anneaux 66, 68, 70 sont respectivement rapportés dans des logements 25 annulaires 72 et 74 prévus en périphérie extérieure des pièces discoïdes inférieure 56 et supérieure 56', et sur un épaulement circulaire 76 prévu en périphérie extérieure de la pièce discoïde intercalaire 54. Ce préassemblage des aimants 62 et des bobines 64 dans les anneaux 66,68,70 permet de faciliter l'assemblage de la génératrice 42. Mais surtout, le fait de noyer les aimants 62 et les bobines 64 dans les anneaux 66,68,70 garantit le maintien au sec de ces composants électriques et donc l'immergeabilité de la génératrice 42. Encore dans un mode de réalisation préféré de la génératrice 42, les pièces discoïdes inférieure 56 et supérieure 56' prennent la forme de deux demi-coquilles symétriques et accolées suivant une portée de joint P56 de manière à renfermer la pièce discoïde intercalaire 54. Cette portée de joint P56 se situe de préférence dans le plan de symétrie des pièces discoïdes inférieure 56 et supérieure 56'. bans le mode de réalisation représenté en figure 5, afin d'obtenir le mouvement relatif de rotation nécessaire entre le stator 48 et le rotor 50 pour produire de l'électricité, les pièces discoïdes inférieure 56 et supérieure 56' sont montées en liaison pivot par rapport à un axe 78 solidaire de la pièce discoïde intercalaire 54. Grâce à ce montage en liaison pivot, de préférence réalisé par l'intermédiaire de paliers 80, les pièces discoïdes inférieure 56 et supérieure 56' peuvent être entrai nées en rotation par l'hélice 40 autour de l'axe central A46 de l'embase 46. 20 L'axe 78 est fixe car destiné à être relié fixement à la structure porteuse 12. bans une variante préférée, cet axe fixe 78 se prolonge au travers de l'hélice 40 et il est relié fixement aux deux plateformes supérieure 16 et inférieure 14 de la structure porteuse 12. bans cette variante préférée, l'hydrolienne 10 est donc reliée aux deux 25 plateformes inférieure 14 et supérieure 16. bans une autre variante, l'axe fixe 78, solidaire de la pièce discoïde intercalaire 54, peut être fixé uniquement en partie haute à la plateforme supérieure 16. bans cette autre variante, l'hydrolienne 10 est donc suspendue à la plateforme supérieure 16. Avantageusement, dans la présente invention, la génératrice électrique 42 intégrée est aussi directement entrainée par l'hélice 40, c'est-à-dire sans réducteur mécanique intercalé pour adapter la vitesse de rotation V40 de l'hélice 40 à la vitesse de rotation relative entre le stator 48 et le rotor 50 de la génératrice 42. A cet effet, l'hélice 40 de l'hydrolienne 10 selon la présente invention comprenant au moins une pale 44, la pale 44 est fixée à l'une des pièces discoïdes 10 56 ou 56' dans laquelle sont surmoulés les composants du rotor 50 de la génératrice électrique 42. bans le mode de réalisation préféré et représenté sur les figures, l'hélice 40 comprend trois pales 44, chaque pale 44 de l'hélice 40 s'étendant parallèlement à l'axe central A46 de l'embase 46 depuis la pièce discoïde inférieure 56 dans 15 laquelle est surmoulé le rotor magnétique inférieur 60. Egalement, dans le mode de réalisation préféré et représenté sur les figures, et afin d'augmenter la rigidité globale en torsion-flexion et donc de limiter les déformations axiale et radiale de l'hélice 40, l'hélice 40 comprend un raidisseur central 84 s'étendant aussi parallèlement à l'axe central A46 de l'embase 46 20 depuis la pièce discoïde inférieure 56 dans laquelle est surmoulé le rotor magnétique inférieur 60, les pales 44 comprenant des branches d'extrémités 86 reliées à l'extrémité 88 de ce raidisseur central 84. En variante, et comme illustré en figure 7, dans le cas où il est nécessaire de démarrer l'hydrolienne 10 sans possibilité de connexion de l'installation à un 25 réseau de distribution électrique, le raidisseur 84 est remplacé par un démarreur 110 de type « rotor de SAVONIUS » en partie centrale de l'hélice 40, ce démarreur 110 faisant également office de raidisseur. Bien entendu, la présente invention couvre aussi une structure porteuse 12 immergeable équipée d'une hydrolienne 10 telle qu'elle vient d'être décrite. De préférence, l'hydrolienne 10 est montée sur la structure porteuse 12 immergeable de façon que l'axe central A46 de son embase 46 et la ou les pale(s) 5 44 de l'hélice 40 s'étendent verticalement dans l'eau en mouvement EM lorsque la structure porteuse 12 est immergée. En complément de l'hydrolienne 10 et de sa structure porteuse 12 immergeable, l'invention prévoit aussi une installation hydrolienne comprenant une armoire électrique 92, illustrée schématiquement en figure 6 et reliée à la génératrice 10 42 par un câble adapté 91, pour la gestion de l'hydrolienne 10 et de l'injection de l'électricité produite par la génératrice 42 sur un réseau de distribution électrique 90. Cette armoire électrique 92 comprend deux variateurs de vitesse électriques montés tête bêche : un premier variateur 94 utilisé pour contrôler la génératrice 15 42, comme par exemple son démarrage et son arrêt, et un deuxième variateur 96 utilisé pour assurer la réinjection de l'électricité produite sur le réseau de distribution 90. Le fonctionnement de ces variateurs 94,96 est piloté par un automate de gestion 98 relié à ces variateurs par un bus de communication 100 et un commutateur 20 102. Afin d'assurer une gestion du fonctionnement de l'hydrolienne 10 en fonction de la vitesse de l'eau en mouvement EM dans laquelle elle est immergée, l'automate 98 est relié à un capteur 103 de cette vitesse, de préférence de type Doppler et par exemple fixé à la structure porteuse 12 immergeable. 25 Ainsi, il est possible d'asservir en temps réel la vitesse de rotation du rotor 50 de la génératrice 42 à la vitesse de l'eau en mouvement EM, ce qui permet de faire fonctionner l'hydrolienne 10 à son meilleur point de rendement en permanence. En plus du deuxième variateur 96 utilisé pour assurer la réinjection de l'électricité produite sur le réseau de distribution 90, il est prévu des filtres et des inductances 104 pour rendre l'électricité réinjectée conforme au souhait du distributeur d'électricité. En complément, il peut aussi être prévu que l'automate 98 surveille la température de la génératrice 42. Enfin, l'automate 98 peut être équipé d'un modem 106 afin d'être accessible à distance et/ou de moyens de communication à distance 108 à plus courte portée et par exemple de type radiofréquences. REVENDICATIONS1. Hydrolienne (10) comprenant une hélice (40) et une génératrice électrique (42) intégrée, l'hélice (40) comprenant une embase (46) et au moins une pale (44) fixée sur cette embase (46), l'hydrolienne (10) étant caractérisée en ce que les composants du stator (48) et du rotor (50) de la génératrice électrique (42) sont embarqués de manière étanche dans l'embase (46) de l'hélice (40). 2. Hydrolienne (10) selon la revendication précédente, dans laquelle, l'embase (46) de hydrolienne (10) prenant la forme d'un disque (52) s'étendant autour d'un axe central (A46), les composants du stator (48) et du rotor (50) de la génératrice électrique (42) sont surmoulés respectivement dans des pièces discoïdes (54,56 ,56') formant ladite embase (46). 3. Hydrolienne (10) selon la revendication précédente, dans laquelle, la génératrice (42) comprenant un double rotor magnétique (50) constitué d'un rotor magnétique supérieur (58) et d'un rotor magnétique inférieur (60), l'embase (46) comprend une pièce discoïde supérieure (56') dans laquelle est surmoulé le rotor magnétique supérieur (58), une pièce discoïde inférieure (56) dans laquelle est surmoulé le rotor magnétique inférieur (60), et une pièce discoïde intercalaire (54) placée entre les pièces discoïdes supérieure (56') et inférieure (56) et dans laquelle est surmoulé le stator inductif (48). 4. Hydrolienne (10) selon la revendication précédente, dans laquelle les pièces discoïdes inférieure (56) et supérieure (56') prennent la forme de deux demi-coquilles symétriques et accolées suivant une portée de joint (P56) de manière à renfermer la pièce discoïde intercalaire (54). 5. Hydrolienne (10) selon la revendication précédente, dans laquelle les pièces discoïdes inférieure (56) et supérieure (56') sont montées en liaison pivot par rapport à un axe (78) solidaire de la pièce discoïde intercalaire (54) demanière à pouvoir être entrainées en rotation par l'hélice (40) autour de l'axe central (A46) de l'embase (46). 6. Hydrolienne (10) selon l'une des trois revendications précédentes, dans laquelle les rotors inférieur (60) et supérieur (58) sont composés d'aimants permanents (62) répartis circulairement autour de l'axe central (A46) de l'embase (46) et noyés respectivement dans la matière des pièces discoïdes inférieure (56) et supérieure (56'), et dans laquelle le stator inductif (48) est composé de bobines (64) réparties circulairement autour de l'axe central (A46) de l'embase (46) et noyées dans la matière de la pièce discoïde intercalaire (54). 7. Hydrolienne (10) selon la revendication précédente, dans laquelle les aimants (62) des rotors inférieur (60) et supérieur (58), ainsi que les bobines (64) du stator inductif (48) sont noyés respectivement dans des anneaux (66,68,70) en matériau isolant électriquement et sensiblement transparent électromagnétiquement, ces anneaux (66,68,70) étant respectivement rapportés dans des logements annulaires (72,74) prévus en périphérie extérieure des pièces discoïdes inférieure (56) et supérieure (56') et sur un épaulement circulaire (76) prévu en périphérie extérieure de la pièce discoïde intercalaire (54). 8. Hydrolienne (10) selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle le nombre d'aimants (62) des rotors inférieur (60) et supérieur (58) ainsi que le nombre de bobines (64) du stator inductif (48) sont adaptés en fonction de la vitesse de déplacement de l'eau en mouvement (EM) dans laquelle l'hydrolienne (10) est immergée et donc de la vitesse de rotation (V40) pouvant être atteinte par l'hélice (40) de l'hydrolienne (10) sous l'effet de cette eau en mouvement (EM). 9. Hydrolienne (10) selon l'une des sept revendications précédentes, dans laquelle, l'hélice (40) de l'hydrolienne (10) comprenant au moins une pale (44), lapale (44) est fixée à l'une des pièces discoïdes (56,56') dans laquelle sont surmoulés les composants du rotor (50) de la génératrice électrique (42). 10. Structure porteuse (12) immergeable équipée d'au moins une hydrolienne (10) selon l'une des revendications précédentes. 11. Installation hydrolienne comprenant une structure porteuse (12) immergeable selon la revendication précédente et une armoire électrique (92) de gestion de l'hydrolienne (10) et de l'injection de l'électricité produite par la génératrice (42) de l'hydrolienne (10) sur un réseau de distribution électrique (90).