Brevet FR3036444A1 — publié le 20161125

Hydrolienne basculante à rotor horizontal de type Darrieus. Domaine de l'invention La présente invention concerne les hydroliennes à rotor de type Darrieus, c'est à dire des machines dont les pales tournent autour d'un axe transversal au flux liquide. Plus particulièrement, cette invention concerne les hydroliennes de type Darrieus à axe horizontal, et apporte des solutions spécifiques au problème de l'installation et de la maintenance. État de la technique L'hydrolienne moderne est une machine qui transforme l'énergie cinétique d'un courant d'eau en énergie mécanique puis généralement en énergie électrique. Il existe des hydroliennes à hélice face au courant. Ces machines ont un bon rendement, et peuvent être équipées d'un carénage permettant de canaliser le flux, ce qui améliore encore le rendement. Il existe aussi des machines fonctionnant avec un rotor de type Darrieus, c'est à dire avec des pales tournant autour d'un axe perpendiculaire au flux liquide et qui montrent ainsi successivement toutes leurs 3036444 2 faces au courant à chaque tour. Certaines de ces machines sont à axe vertical, et d'autres à axe horizontal. L'axe vertical à l'avantage de pouvoir s'affranchir de la direction du courant, et de garder la génératrice électrique en dehors de l'eau. La longueur de l'axe est limitée par la profondeur. En revanche, les machines 5 horizontales peuvent comporter plusieurs trains de pales le long d'un même arbre ce qui permet d'augmenter la puissance. Par contre, cela oblige à avoir la génératrice sous l'eau, ce qui complique les opérations d'inspection et de maintenance. Les hydroliennes peuvent être soit flottantes, soit positionnées sur le fond. Les machines flottantes sont plus simples à installer et bénéficient d'un flux de courant 10 plus important (la vitesse du courant diminue à l'approche du fond), et sont moins sujettes aux turbulences engendrées par le relief et les aspérités sous-marines. Leur mobilité permet de les orienter exactement dans le courant. Leur positionnement en surface en fait des obstacles à la navigation, et augmente le risque de collision avec des navires. Les machines fonctionnant au fond présentent moins ce risque, mais leur 15 installation est plus coûteuse à cause de l'utilisation de moyens spécifiques de levage. La mise en place est plus délicate, et ne peut se faire qu'en période de petit coefficient de marée, et le plus souvent, dans la fenêtre restreinte de l'étal. Un problème peut devenir critique s'il pousse à terminer l'installation quand le courant devient fort. Que les machines soient flottantes ou posées, les opérations pour sortir de l'eau les pales (en vue de leur maintenance ou de leur nettoyage) demeurent des interventions complexes, exigeant des navires spéciaux ou des moyens de levage. De plus, les machines proposées sont soit flottantes, soit posées, et ne permettent pas d'exploiter au choix les bénéfices des deux options. L'objet de la présente invention est de proposer une hydrolienne à rotor Darrieus horizontal, qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur, et qui en particulier permette une installation rapide et sûre et dont la mise hors d'eau des pales puisse se faire facilement et sans moyens spéciaux. 3036444 3 Une autre particularité de l'invention est de pouvoir être utilisée au choix comme hydrolienne flottante ou immergée. 5 Présentation de l'invention L'objectif de l'invention est de cumuler les avantages des systèmes précédents tout en s'affranchissant des principaux inconvénients. 10 Pour ce faire, l'invention comprend les éléments suivants : - Un arbre tournant autour d'un axe horizontal, - Des pales montées autour de cet arbre horizontal pour former un rotor de type Darrieus, Des caissons étanches à chaque extrémité du précédent arbre, et dans lesquels 15 se trouvent les génératrices de courant ainsi que l'équipement associé (armoire électrique, frein, réducteur, refroidisseur...), Une structure métallique faite de tubes creux et supportant l'ensemble, - Des flotteurs perpendiculaires à l'axe longitudinal de l'invention, - Des flotteurs longs et souples placés parallèlement à l'axe de l'invention, 20 Un point d'accroche de câble à chaque extrémité de l'invention, Avantageusement, la structure porteuse est étanche et pleine d'air, ce qui fait qu'elle joue un rôle dans la flottabilité de l'invention. Avantageusement, les flotteurs perpendiculaires à l'axe de l'invention on un profil 25 hydrodynamique de façon à limiter la traînée et donc les efforts. Avantageusement, ces flotteurs profilés ont aussi un rôle de ballasts. Ils peuvent être remplis d'eau, ou bien vidés de cette eau. Avantageusement, l'intérieur des tubes de la structure communique et la cavité totale sert de réserve d'air sous pression qui servira à chasser l'eau des ballasts. Cet air sous pression sera utilisé aussi pour gonfler les réservoirs souples. 3036444 4 Avantageusement, les points d'attache des câbles sont pivotants. Avantageusement, chaque caisson est muni d'un tube de service avec des portes étanches permettant d'accéder à l'intérieur, en vue de l'inspection et de la maintenance de l'équipement. 5 Avantageusement, le caisson qui abrite la génératrice abrite aussi un répartiteur permettant de contrôler la quantité d'air envoyée ou retirée des ballasts. Avantageusement, le système de contrôle de remplissage ou de vidange des ballasts tribords ou bâbords permet de renverser de 180° l'invention afin de plonger le rotor dans l'eau pour produire de l'énergie, ou bien de sortir le rotor de l'eau pour des 10 opérations de maintenance et de nettoyage. Ce type de basculement est valable lorsque l'invention est utilisée flottante. Avantageusement, le système de contrôle de remplissage ou de vidange des ballasts avants et arrières permet de poser l'invention sur le fond. 15 Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante et des figures associées. 20 Présentation des figures La figure 1 est une vue générale de face d'un exemple d'hydrolienne conforme à l'invention. La figure 2 est une vue générale de profil d'un exemple d'hydrolienne 25 conforme à l'invention. La figure 3 est une vue agrandie de face d'un secteur de l'invention. La multiplication des secteurs permet d'augmenter la puissance de l'invention. La figure 4 met en évidence le tube de service ainsi que les portes étanches permettant de pénétrer dans le caisson de la génératrice. 3036444 5 Les figures 5 à 8 permettent de visualiser les étapes du processus de retournement de l'invention lorsqu'elle est utilisée flottante. - Les figures 9 à 12 permettent de visualiser les étapes du processus de renversement inverse afin de sortir les pales et la génératrice de l'eau lorsque 5 l'invention est utilisée flottante. - La figure 13 montre l'immersion de l'invention quand cette dernière est utilisée posée sur le fond. - La figure 14 détaille le circuit de remplissage d'air des ballasts. 10 Description détaillée. La description s'appuie sur les références des figures 1 à 3. 15 Le coeur de l'hydrolienne 100 est un arbre 10 tournant autour d'un axe horizontal, et sur lequel sont fixés des ensemble de pales 20 pour former un rotor de type Darrieus. D'après la figure 2, il y a 3 pales espacées décalées de 120° par ensemble. Ce n'est qu'un exemple, et l'invention couvre aussi une configuration à 4 pales à 90°, ou tout autre nombre de pales à décalage angulaire régulier. 20 La figure 1 montre qu'il y a 4 ensembles de pales qui s'alignent le long du rotor. Là aussi, il s'agit d'un exemple. L'invention couvre aussi un alignement d'un nombre plus élevé d'ensemble de pales, voire moins élevé. L'augmentation du nombre d'ensembles de pales permet d'accroître la puissance unitaire de l'invention. Les pales ont une incidence qui peut être fixe ou variable. 25 Des caissons étanches 30 sont situés de part et d'autre du rotor. Ces caissons étanches contiennent le générateur de courant et tout l'équipement lui permettant un fonctionnement optimal (réducteur, armoires électriques, système de refroidissement, frein, etc . ) L'arbre 10 et les caissons 30 sont portés par une structure métallique 40 faite de 30 tubes dont les cavités communiquent entre elles. L'ensemble de la structure peut 3036444 6 résister à une pression intérieure et fait office de réserve d'air comprimé. L'assemblage est maintenu à flot par des flotteurs transversaux, profilés 50. Des flotteurs souples d'appoints 55 sont positionnés sur des bracons longitudinaux. Les flotteurs 50 ont aussi la fonction de ballasts. Ils peuvent être remplis d'eau, ou vidés 5 de cette eau en injectant de l'air comprimé stocké dans les tubes de la structure 40. Le circuit de remplissage est détaillé dans la figure 14. Les vannes de contrôle de remplissage/vidange des flotteurs et le système de distribution sont situés dans les caissons. 10 La figure 4 détaille le tube de service 60. L'accès dans le tube de service se fait par des portes étanches 85, afin de faire l'inspection ou la maintenance de l'équipement qui s'y trouve. La position des portes permet de rendre possible l'accès dans la position verticale haute, ou renversée à 180° de l'invention. Les câbles d'amarrage de l'invention sont accrochés à des pivots 70 situés à chaque 15 extrémité de l'invention. Les câbles électriques de puissance passent aussi par ces pivots. L'hydrolienne 100 est remorquée sur son site de production en position verticale, avec le rotor hors de l'eau. Si le choix se porte pour un fonctionnement en flottaison, 20 le rotor est plongé dans l'eau en renversant de 180° l'invention. Les étapes de cette opération sont les suivantes : les figures 5 à 8 servent de support à cette description : Les flotteurs tribords 50tr sont progressivement remplis (figure 5). La structure se met à gîter. La gîte devient instable et la structure chavire. Les flotteurs tribords 50tr 25 remplis d'eau passent sous les flotteurs bâbords 50ba (figure 6). L'invention poursuit son retournement, les flotteurs tribords 50tr dépassent la verticale sous les flotteurs bâbords 50ba, et l'ensemble atteint une position d'équilibre. Puis de l'air est injecté dans les flotteurs tribords 50tr pour progressivement en chasser l'eau (figure 7). L'invention reprend alors son 30 mouvement de retournement. 3036444 7 - Les flotteurs tribords 50tr sont complètement vidés de leur eau et le retournement de 180° se termine. Le rotor est alors est en position pour fonctionner dans le courant et produire de l'énergie (figure 8). 5 Pour retourner l'invention dans l'autre sens et donc sortir le rotor de l'eau, les étapes à suivre sont les suivantes les figures 9 à 12 servent de support à cette description : Les flotteurs tribords 50tr sont remplis d'eau (figure 9). L'invention pivote, et atteint une position d'équilibre. Les flotteurs souples d'appoints tribords 55tr sont gonflés avec de l'air sous 10 pression. L'invention bascule vers une nouvelle position d'équilibre correspondant à l'effleurement en surface de la génératrice (figure 10). - Les flotteurs souples d'appoints bâbords 55ba sont remplis d'eau, et les flotteurs tribords 50tr sont vidangés (figure 11). Ceci créé un couple de renversement supplémentaire qui permet de sortir le rotor de l'eau. 15 Le retournement inverse est terminé figure 12. Il ne reste plus qu' à complètement vidanger les flotteurs tribords 50tr et les flotteurs souples d'appoints 55ba. L'autre particularité de l'invention est de pouvoir être utilisée soit en flottaison ou 20 soit posée sur le fond. Dans ce dernier cas, l'installation consiste à remplir progressivement les flotteurs 50 et à dégonfler les flotteurs souples 55 en partant d'un coté. L'invention s'incline jusqu'à ce que son coté chargé touche le fond (figure 13). Les autres flotteurs 50 sont à leur tour remplis, tandis que les flotteurs souples 55 sont tous dégonflés les uns à la suite des autres jusqu'au dernier. L'invention se 25 pose sur le fond. Elle est en position de production. Pour sortir l'invention de l'eau, il suffit de reprendre les opérations précédentes, mais en sens inverse, c'est à dire en purgeant les ballasts et en remplissant d'air les flotteurs souples les uns à la suite des autres. 3036444 8 Il est à noter que toutes ces opérations ont été effectuées rapidement et simplement en ouvrant et fermant des vannes. Aucun moyen de levage n'est utilisé. L'invention est conçue à cet effet, et c'est ce qui en fait sa particularité. 5 L'invention se destine à faire baisser le coût de production de l'énergie produite à partir des courants de marée ou celui des rivières, du fait de la simplification de la maintenance et de l'installation. REVENDICATIONS.1) Hydrolienne (100) comprenant : un arbre de rotation (10), des trains de pales (20) fixés sur l'arbre (10), le tout formant un rotor de type Darrieus, un caisson étanche (30) à chaque extrémité du rotor, et qui contient une génératrice et tout l'équipement lui permettant un fonctionnement optimal (frein, réducteur, armoires électriques, équipement de refroidissement.. ), des flotteurs profilés transversaux (50) répartis régulièrement de chaque coté de l'hydrolienne (100) et suivant son axe principal, et qui ont la fonction de ballasts, des flotteurs d'appoints souples longitudinaux (55) répartis régulièrement de part et d'autre de (100), une structure tubulaire étanche (40) sur laquelle sont fixés le rotor, les caissons étanches (30) et les flotteurs (50, 55). un circuit avec des vannes et des répartiteurs permettant d'injecter individuellement de l'air comprimé dans chacun des flotteurs (50) et (55), ou de les vider de l'air qu'ils contiennent dans le but de renverser l'hydrolienne (100) suivant son axe longitudinal, ou bien de poser l'hydrolienne (100) sur le fond, Un axe pivotant (70) à chaque extrémité de l'hydrolienne (100), sur lequel est fixé un câble de fixation de l'invention, et par lequel passe aussi un câble électrique. 2) Hydrolienne (100) selon la revendication (1) caractérisée en ce que la structure (40) : 3036444 10 soit composée de tubes dont les cavités internes sont communicantes, ait aussi la fonction de réserve d'air comprimé, en plus de sa fonction structurelle. 5 3) Hydrolienne (100) selon la revendication (2) caractérisée en ce que l'incidence des pales (20) peut être fixe ou variable afin de produire le meilleur rendement. 4) Hydrolienne (100) selon la revendication (3) caractérisée en ce qu'un tube de 10 service (80) permette l'accès par deux portes étanches (85) à l'intérieur de chacun des caissons (30), que ces derniers soient hors de l'eau, ou sous l'eau lorsque l'invention est en position inversée. 15