Brevet FR3031143A1 — publié le 20160701

- 1 - La présente invention concerne une hydrolienne du type Darrieus, bi-rotors à axes de rotation verticaux et régulation centrifuge, munie de pales verticales ou inclinées ou de forme courbe. Etat de la technique antérieure Les hydroliennes à axe de rotation vertical du type Darrieus qui sont passées des stades de projets à ceux de réalisations sont actuellement peu nombreuses. On peut citer cependant les réalisations suivantes les plus connues : - les hydroliennes à quatre pales de « Blue Energy Canada « basées sur le 10 concept « Davis « ; elles sont installées dans des caissons modulaires. - l'hydrolienne tripale du projet « Enermar » basée sur le concept et le brevet de « Kobold Turbine » N° WO 2005024226 Al. Les pales oscillantes peuvent tourner partiellement autour de leurs axes verticaux avec un débattement angulaire libre et non contrôlé de dix degrés. Au niveau du raccordement des 15 pales sur les bras, des masselottes sont implantées en avant des pales. Ce concept devait améliorer le démarrage et augmenter la puissance, mais les essais en mer n'ont montré aucune amélioration du rendement. - l'hydrolienne à trois pales hélicoïdales du concept « Gorlov » qui a fait l'objet du brevet US N° 5642984 ; par comparaison avec les pales verticales, les pales 20 hélicoïdales assurent une meilleure régularité du couple moteur. - les hydroliennes à flux transversal réalisées par la société « Hydroquest » ; les turbines sont superposées et disposent de carénages latéraux. Ces hydroliennes à flux transversal reprennent plusieurs dispositions des brevets suivants : EP 2646680 et EP 2635801. 25 La majorité de ces hydroliennes présente des rendements faibles et des problèmes de fonctionnement, pour plusieurs raisons : - la présence dans l'eau des bras et du tube axial du rotor, ce qui entraîne d'importantes perturbations de l'écoulement avec des tourbillons et traînées parasites. 30 - l'utilisation de profils de pales peu performants. - une trop grande surface des pales par rapport au volume brassé par le rotor. 3031143 2 - l'absence de régulation du fonctionnement et de la puissance. Il convient également de rappeler que le défaut spécifique des hydroliennes et éoliennes du type Darrieus à pales verticales, provient du fait que, dans le cycle d'un tour, le couple moteur varie en fonction de la position des pales par 5 rapport à la direction du flux, avec les effets les plus pénalisants pour les bipales et quadripales. Exposé général de l'invention La présente invention concerne une hydrolienne du type Darrieus , bi-rotors à axes de rotation verticaux et régulation centrifuge, munie de pales verticales ou inclinées ou de forme courbe. L'hydrolienne est suspendue, les rotors étant portés par une structure. L'hydrolienne conforme à l'invention comprend deux ensembles interdépendants : la structure support et les rotors. Les équipements classiques destinés à transformer l'énergie mécanique produite en d'autres énergies utilisables, ne sont pas décrits et ne font pas l'objet de cette invention. La structure support de l'hydrolienne est positionnée sur une plateforme ou sur une barge. Cette structure à géométrie variable réalise pour l'hydrolienne les fonctions de levage, mise en place dans l'eau, tenue de la poussée horizontale, asservissement au niveau de l'eau et support pour les équipements utilisant l'énergie mécanique des rotors. Cette structure, non représentée, dispose de moyens classiques de mouvements, comparables à ceux d'une grue de quai ou d'une pelle de manutention, la différence importante étant la tenue vis-à-vis de la poussée horizontale sur l'hydrolienne. A l'avant de l'hydrolienne par rapport au courant, un tube profilé est installé de façon à protéger partiellement les rotors des objets et débris flottants. Dans une première variante, la structure support de l'hydrolienne est constituée par une passerelle située au dessus d'une rivière ou d'un fleuve ; elle permet par des moyens de levage de monter l'hydrolienne hors de l'eau pour les travaux d'entretien. Cette passerelle permet également l'installation de plusieurs hydroliennes dans les zones où la vitesse du courant se révèle favorable. 3031143 - 3 - Les deux rotors tournent en sens inverse, ils sont reliés mécaniquement par un arbre de transmission et comportent des bras, des pales et des mécanismes de régulation centrifuge : Les bras, situés au dessus de l'eau assurent la tenue des pales tout en 5 permettant leur orientation par rapport au flux. Chaque bras porte, près de son extrémité côté pale, une butée pour tenir la pale dans la position de démarrage, ainsi qu'un support pour un mécanisme de régulation centrifuge. Dans l'axe médian entre les rotors, les bras directement opposés présentent un décalage d'environ trente degrés, de façon à régulariser le couple moteur. 10 Les pales, verticales, inclinées ou de forme courbe, sont tenues à leur partie supérieure, au niveau des bras, par de têtes mobiles en rotation dans le plan horizontal. Le profil de chaque pale est ainsi orientable par rapport à la tangente au cercle de rotation décrit par l'axe des têtes de pales ; les têtes de pales sont toujours situées au-dessus de l'eau. Les pales sont de préférence au 15 nombre de trois par rotor, en effet, il est bien connu que le choix de trois pales pour ce type d'hydrolienne assure le meilleur équilibre du couple moteur dans le cycle de rotation. La position du centre de rotation de la tête de pale est située de telle sorte que la force centrifuge qui s'exerce sur la pale pousse vers l'extérieur du rotor le bord de fuite de la pale. Chaque pale est munie, au 20 niveau de l'axe de la tête, d'un levier d'orientation situé au dessus du bras. Les mécanismes de régulation centrifuge comprennent à la partie supérieure de chaque bras, à proximité de la pale, un actionneur constitué par un ensemble de deux ressorts portés par une tige de commande d'incidence reliée d'un côté au levier d'orientation de pale et de l'autre côté au support 25 situé sur le bras. La tige de commande d'incidence coulisse dans le support du mécanisme de régulation. L'actionneur agit dans le sens inverse de la force centrifuge qui s'exerce sur les pales. Il convient de mentionner que ce type de mécanisme de régulation centrifuge a fait récemment l'objet de ma demande de brevet N° 14/02056 du 11.09.2014 , relatif au « démarrage et régulation 30 de fonctionnement d'une éolienne à axe de rotation vertical de type Darrieus ou d'une hydrolienne du même type » 3031143 - 4 - Dans une seconde variante, les actionneurs à ressorts sont remplacé par des vérins commandés par un équipement électronique prenant en compte la vitesse de rotation des rotors et la vitesse moyenne de l'eau en amont de l'hydrolienne. 5 Fonctionnement Lorsque la vitesse du courant d'eau est insuffisante pour réaliser la mise en rotation des rotors, les pales se trouvent dans la position de démarrage maintenues par les actionneurs sur les butées situées sur les bras ; dans cette position le bord de fuite de chaque pale se situe à l'intérieur du cercle décrit 10 par les axes des têtes de pales lors de la rotation du rotor. Lorsque le courant atteint une vitesse déterminée pour le démarrage et la production d'énergie, la poussée exercée sur les pales réalise la mise en rotation des rotors ; la rotation s'accélère et la force centrifuge entraîne la modification de l'incidence des pales par rapport à la direction du flux. Selon la vitesse du courant, l'incidence des 15 pales se rapproche plus ou moins de la position de rendement optimal où l'axe du profil de pale devient perpendiculaire à l'axe du bras support ; chaque pale est alors dans une position stable tenue par la force centrifuge et celle antagoniste de l'actionneur à ressorts. Lorsque la vitesse du courant dépasse une valeur déterminée, proche du maximum admissible, la vitesse de rotation 20 augmente, la force centrifuge également mais bien plus vite, l'arrière du profil de pale dépasse vers l'extérieur le cercle de rotation des axes des têtes de pales, ce qui entraîne la réduction de la portance et limite l'action propulsive des pales. La puissance maximale de l'hydrolienne est ainsi maintenue sans risque de survitesse. 25 Cette hydrolienne bi-rotors, dont seules les pales sont dans l'eau, permet d'améliorer le rendement, de régulariser le couple moteur et d'assurer une véritable régulation du fonctionnement et de la puissance. Enoncé des figures La figure 1 représente le schéma hors structure de l'hydrolienne bi-rotors en 30 vue de dessus. La figure 2 représente au niveau d'une pale, la vue au dessus du bras support 3031143 - 5 - du mécanisme de régulation centrifuge, ainsi que le débattement angulaire de la pale entre la position nominale N de rendement optimal et les deux positions extrêmes : l'une D correspondant au démarrage et l'autre R correspondant à la réduction maximale des forces hydrodynamiques de rotation. 5 La figure 3 représente la structure support de l'hydrolienne de la première variante, constituée par une passerelle équipée de moyens de levage. Exposé détaillé de l'invention L'hydrolienne bi-rotors à axes de rotation verticaux, conforme à l'invention, comprend deux ensembles interdépendants : la structure support et les rotors. 10 La structure support de l'hydrolienne, positionnée sur une plateforme située à terre ou sur une barge, comporte des moyens de levage, de mise en position dans l'eau, d'asservissement au niveau de l'eau, de tenue de la poussée horizontale s'exerçant sur l'hydrolienne et de support pour les équipements utilisant l'énergie mécanique des rotors. A l'avant de l'hydrolienne par rapport 15 au courant, un tube profilé (1) ou un poteau est installé pour protéger partiellement les rotors des objets flottants. - Dans la première variante, la structure support de l'hydrolienne est constituée par une passerelle (2) située au dessus d'une rivière ou d'un fleuve, elle permet par des moyens de levage (3) de monter l'hydrolienne hors de 20 l'eau. Cette passerelle permet également l'installation de plusieurs hydroliennes. Les deux rotors, reliés par un arbre de transmission, tournent en sens inverse l'un par rapport à l'autre ; ils comportent des bras, des pales et des mécanismes de régulation centrifuge. 25 - Les bras (4) situés au dessus de l'eau assurent la tenue des pales (5) tout en permettant leur orientation par rapport au flux. Chaque bras (4) porte, près de son extrémité côté pale, une butée (6) pour tenir la pale en position de démarrage et un support (7) pour le mécanisme de régulation centrifuge. Par rapport à l'axe défini par les centres des rotors, les bras directement opposés 30 (4a) et (4b) présentent un décalage angulaire d'environ trente degrés, comme représenté dans la figure 1. 303 1 1 4 3 -6- - Les pales (5) verticales ou inclinées ou de forme courbe, sont tenues par les bras (4) au moyen de têtes (8) mobiles en rotation dans le plan horizontal ; ces têtes sont toujours situées au dessus de l'eau. La position du centre de rotation de la tête (8) de pale est choisie de façon que la force centrifuge 5 pousse vers l'extérieur du rotor le bord de fuite de la pale (5). Chaque pale est munie au niveau de l'axe de la tête (8) d'un levier d'orientation (9) situé au dessus du bras. - Les mécanismes de régulation centrifuge sont situés à la partie supérieure des bras (4). Chaque mécanisme comprend un actionneur constitué par un 10 ensemble de deux ressorts (10,11) portés par une tige de commande d'incidence (12) reliée au levier d'orientation (9) et au support (7) fixé au bras. La tige de commande d'incidence (12) coulisse librement dans son support (7). Les deux ressorts présentent des caractéristiques de raideur différentes : le premier de faible raideur (10) agit en tension depuis la position de démarrage 15 de la pale D jusqu' à un angle d'incidence de la pale proche du rendement optimal, position N ; le second ressort (11) de plus forte raideur agit en compression et rajoute une force plus importante en opposition à la force centrifuge. L'ensemble des deux ressorts permet, selon les conditions du courant d'eau, de maintenir une production maximale tout en réduisant 20 l'incidence de la pale lorsque le courant d'eau devient trop fort, jusqu'à la position R. - Dans la seconde variante, les actionneurs à ressorts sont remplacés par des vérins commandés par un équipement électronique prenant en compte la vitesse de rotation des rotors et la vitesse moyenne du courant d'eau en 25 amont de l'hydrolienne. Il doit être entendu que les descriptions qui précèdent sont données à titre d'exemples et qu'elles ne limitent nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les ensembles et équipements décrits par 30 d'autres équivalents. 3031143 7 Applications industrielle La présente invention présente plusieurs avantages importants : l'amélioration 5 du rendement et du démarrage de l'hydrolienne, la simplicité mécanique, la rapidité de réaction de la régulation et le faible coût de réalisation. Cette invention permet de résoudre de façon simple les trois problèmes majeurs des hydroliennes à axe vertical qui sont : la difficulté de démarrage, les faibles rendements, et surtout le manque de régulation du fonctionnement et de la 10 puissance. Cette invention peut s'appliquer aussi bien pour les hydroliennes de petites puissances que pour celles de fortes puissances. REVENDICATIONS1 - Hydrolienne bi-rotors à axes de rotation verticaux, caractérisée en ce qu'elle comporte deux ensembles interdépendants : - une structure support positionnée sur une plateforme à terre ou sur une barge. Cette structure comporte des moyens de levage, de mise en place de l'hydrolienne dans l'eau, d'asservissement au niveau de l'eau et de tenue de la poussée horizontale de l'hydrolienne ; cette structure porte également les équipements utilisant l'énergie mécanique des rotors. Un tube profilé (1) ou un poteau est installé en amont de l'hydrolienne pour protéger les rotors des objets flottants. - deux rotors tournant en sens inverse l'un par rapport à l'autre et reliés par un arbre de transmission ; ils comportent des bras, des pales et des mécanismes de régulation centrifuge. Les bras (4) situés au dessus de l'eau assurent la tenue des pales (5) tout en permettant leur orientation par rapport au flux. Chaque bras (4) porte, près de son extrémité côté pale, une butée (6) et un support (7) pour un mécanisme de régulation centrifuge. Les pales (5), verticales ou inclinées ou de forme courbe, sont tenues par les bras (4) au moyen de têtes (8) mobiles en rotation dans le plan horizontal ; ces têtes sont situées au dessus de l'eau. Le centre de rotation de la tête (8) de pale est positionné de telle façon que la force centrifuge pousse vers l'extérieur du rotor le bord de fuite de la pale (5). Chaque pale est munie au niveau de l'axe de la tête (8) d'un levier d'orientation (9). Les mécanismes de régulation centrifuge sont situés au dessus des bras (4). Chaque mécanisme comprend un actionneur constitué par un ensemble de deux ressorts (10,11) portés par une tige de commande d'incidence (12) reliée au levier d'orientation (9) et au support (7) fixé au bras. La tige de commande d'incidence (12) coulisse dans le support (7). Les deux ressorts (11,12) ont des raideurs différentes, le premier (10) agit en tension sur la pale depuis la position D de démarrage jusqu'à l'angle d'incidence de la pale proche du rendement optimal, position N ; le second ressort (11) de plus forte 303 1 1 4 3 - 9 - raideur, agit en compression et rajoute une force plus importante en opposition à la force centrifuge. L'ensemble des deux ressorts permet de maintenir une production maximale, tout en réduisant l'incidence de la pale lorsque le courant d'eau devient trop fort, jusqu'à la position de pale : R. 5 Ce mécanisme de régulation centrifuge est conforme à celui qui est décrit dans la récente demande de brevet N° 14/02056 du 11.09.2014 . 2 - Hydrolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure support est constituée par une passerelle (2) située au dessus d'une rivière ou d'un fleuve, passerelle permettant par des moyens de levage (3) de monter 10 l'hydrolienne hors de l'eau. 3 - Hydrolienne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les actionneurs à ressorts des mécanismes de régulation centrifuge sont remplacés par des vérins commandés par un équipement électronique prenant en compte la vitesse de rotation des rotors et la vitesse moyenne du courant 15 d'eau en amont de l'hydrolienne.