Brevet FR3049011A1 — publié le 20170922

-1- Domaine technique La présente invention concerne de façon générale un dispositif de récupération et de transformation de l'énergie des vagues et de la houle apte à autoriser l'entrée et la sortie de flux d'eau liés aux vagues, le dispositif de récupération et de transformation comportant au moins un collecteur d'admission d'un flux d'eau entrant pourvu d'au moins une embouchure d'admission équipée d'un clapet d'admission prévu pour être naturellement ouvert en phase d'admission et fermé en phase d'échappement, un collecteur d'échappement d'un flux d'eau sortant pourvu d'au moins une embouchure d'échappement équipée d'un clapet d'échappement prévu pour être naturellement fermé en phase d'admission et ouvert en phase d'échappement, les collecteurs d'admission et d'échappement étant séparés par au moins une turbine apte à convertir le déplacement de l'eau entre les collecteurs d'admission et d'échappement en énergie électrique ou hydraulique. Technique antérieure La famille des dispositifs houlomoteurs est clairement la moins avancée des énergies marines renouvelables (EMR) : éolien posé et flottant, hydrolienne, énergie thermique des mers. C'est pourtant celle qui dispose du plus fort potentiel avec souvent 65kW par mètre de crête de vague (densité énergétique supérieure à toutes les autres familles) et des sites d'installation illimités (ce qui n'est pas le cas des hydroliennes). Une bonne centaine de projets sont à des degrés d'avancement variés, quatre au moins ont fait l'objet de prototypages : - Le SEAREV, flotteur oscillant qui récupère l'énergie d'un pendule. - PELAMIS, cylindres de quelques dizaines de mètres articulés en quatre tronçons qui récupèrent l'énergie de flexion de l'ensemble. - CETO, ensemble de flotteurs reliés à des treuils sous-marins pour absorber les variations de hauteur de la colonne d'eau. - WAVEROLLER, grand bras articulé au fond de la mer pour absorber les mouvements de vagues ; seul ce système n'occupe pas la surface de la mer. Il semblerait qu'aucune voie n'ait encore pris le dessus sur les autres. Le cahier des charges 30 du système ci-dessous est marqué par l'absence de la surface (gêne visuelle, danger de collision), la prise en compte de périodicités faibles et combinées des vagues, la 3049011 -2- concentration des flux vers un convertisseur d'énergie, la robustesse pour tenue aux pires tempêtes. Cette demande de brevet correspond à une amélioration de l'invention 26928/FR déposée 5 le l' mars 2012 sous le numéro 51 12887 par le même auteur sous le titre : « Dispositif de récupération et de transformation de l'énergie des vagues et des courants marins » avec le concours du cabinet Prugneau&Schaub. La recherche d'antériorité est donc facilitée d'une part par le résultat favorable du premier dépôt, d'autre part par ses effets ultérieurs. Les deux principales améliorations de la présente demande proviennent de la réduction 10 drastique du nombre de pièces mobiles et de l'indépendance de la dimension de la base par rapport à la longueur d'onde. Pour mémoire, la publication FR 2 430 533 exploitait la pression statique des vagues, méthode qui est parasitée par leurs pressions dynamiques. Seules les pressions dynamiques et les effets qu'elles entraînent par viscosité sont ici exploités. 15 Exposé de l'invention Note préliminaire (fig. 2) La houle est une conséquence de l'action du vent sur la mer qui génère des vagues ; par simplification, le terme de « vagues » sera souvent employé pour désigner les deux termes, sauf dans le cas des houles croisées (conséquence de vents de directions différentes, le 20 champ d'action du vent étant largement inférieur à celui de la houle générée). On admet que les particules soumises à l'action des vagues suivent des trajectoires fermées et elliptiques, d'autant plus rectilignes qu'elles sont proches du fond. Les observations au large des côtes océaniques mettent en évidence des périodes dont 95% sont uniformément réparties entre 6 à 14 s, soit des longueurs d'onde entre 60 et 300 m. 25 Les houles superposées de directions et périodicités très différentes sont majoritaires. Les particules d'une vague de 10 m de creux ont des vitesses absolues inférieures à 5 m/s. Le calcul montre que l'immersion de 8 m permet de capter 53% de l'énergie d'un spectre uniforme entre 6 et 14 secondes de période. La présente invention permet aux pressions dynamiques favorables des vagues de se propager à partir de clapets (11), (12) vers au moins un convertisseur d'énergie centralisé et de conjuguer leurs effets pour alimenter régulièrement ce convertisseur. Quelle que soit 3049011 -3- la position du clapet, la supériorité de la célérité de propagation (1500m/s) par rapport à celle des particules liquides et l'envoi vers ce convertisseur de particules animés de cinématiques calibrées en direction et sens permettront de corréler leurs effets bénéfiques. La propagation est rendue possible par la protection offerte par la rigidité des collecteurs 5 (10), (20) vis-à-vis des pressions dynamiques défavorables. Les clapets sont répartis sur une base rigide en cellules indépendantes, nombreuses et petites par rapport à la longueur d'onde des vagues considérées. La prise en compte au cas par cas de la cinématique de chaque particule du flux incident caractérise ces cellules dont les clapets admettent ou dévient ledit flux en fonction du sens et de l'intensité de sa pression dynamique. Le même 10 soin est mis à capter les particules incidentes qu'à aspirer celles dont l'énergie a été extraite. A chaque clapet d'admission (11), (12) correspond un clapet d'échappement (21), (22), apte à exploiter les flux favorables à l'aspiration puis à s'affranchir des autres. L'inertie des clapets est soigneusement minimisée pour s'adapter aux périodes des pressions dynamiques (6-14 s) et surtout à l'arythmie des battements de houles croisées 15 (multi-périodicités). A part le convertisseur, les clapets (11), (12), (21), (22) constituent les seules pièces mécaniques mobiles, la transmission étant laissée aux bons soins du contenu incompressible des collecteurs (10), (20). En plus de disposer d'une faible inertie, ces clapets sont rustiques et à faible coût, par exemple une plaque en polyéthylène guidée par deux bossages qui font office de charnière ; leur flottabilité négative (par exemple par 20 inclusion de billes métalliques dans le polyéthylène) ou positive selon les circonstances suffit à les rappeler en position repos sans l'aide de ressort. Les pressions dynamiques défavorables les appuient en fermeture sur leurs sièges, autorisant des jeux de guidage importants. Qu'elles soient mobiles ou non, toutes les pièces sont robustes et résistent mécaniquement aux rigueurs des violences océanes comme les ouvrages maritimes 25 comparables. Selon le cas, l'invention est installée à proximité du fond (FIG. 3) ou de la surface (FIG.8) pour exploiter respectivement la composante horizontale ou verticale de la vitesse des particules. Un système de cloisons verticales fixes (1), (2) facilite la prise en compte des flux qui ne sont pas directement dans l'alignement des cellules. Le corrélateur de vague 30 permet d'intercepter à très grande échelle les flux entrants sans leur opposer de barrière étanche : les contraintes mécaniques en sont d'autant réduites. Il est notamment fait appel à la viscosité pour que chaque cellule active participe simultanément, par ses deux demi-cellules, à respectivement l'admission et l'échappement de ce flux, supprimant toute contrainte de la longueur d'onde sur la taille du système. La viscosité permet également 3049011 -4- d'élargir les directions efficaces de flux ((26) FIG.3) pouvant être mises à la disposition des cellules. Présentation sommaire des dessins La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de 5 la description détaillée des deux configurations, prises à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrées par les dessins de principe annexés : La figure 1 accompagne l'abrégé. Elle montre les deux configurations, au fond de l'océan et entre deux eaux, et indique que quel que soit le sens du flux (respectivement vers la gauche, la droite ou vers le bas et le haut), les collecteurs sont alimentés dans le même sens 10 (corrélation). La figure 2 illustre la note préliminaire décrivant les mouvements de la colonne d'eau sous les vagues. Cas du corrélateur posé au fond de l'océan : La figure 3 présente la base posée au fond de la mer ; les figures 4 et 5 offrent le détail d'une cellule de la base posée au fond de la mer, l'une avec un flux vers la gauche, l'autre 15 vers la droite. Pour mémoire, le flux change de sens toutes les 3 à 7 secondes et on notera la richesse de l'invention qui prend en compte ces changements fréquents par les simples oscillations de clapets légers et de dimensions raisonnables. Les figures 6 et 7 fournissent un exemple d'assemblage des cellules en y incluant le convertisseur d'énergie. Cas du corrélateur implanté entre deux eaux : 20 La figure 8 présente la base maintenue entre deux eaux ; les figures 9 et 10 offrent le détail d'une cellule de cette base, l'une avec un flux descendant, l'autre avec un flux ascendant. Encore une fois, on notera la richesse de l'invention qui prend en compte les retournements vers le haut et le bas toutes les 3 à 7 secondes par les simples oscillations de clapets légers et de dimensions raisonnables. Les figures 11, 12 et 13 fournissent un exemple 25 d'assemblage des cellules et des collecteurs en y incluant le convertisseur d'énergie. Description des modes de réalisation La figure 3 indique une présentation potentielle du corrélateur posé sur le fond de l'océan, où l'immersion est adaptée à l'exploitation des vagues, par exemple avec un sommet du 3049011 -5- dispositif 8 m sous la surface (efficacité encore importante et protection contre la navigation côtière). Les dimensions longitudinale et latérale de cette base déterminent la puissance disponible. La mise en place peut utiliser un système classique de ballasts et de purges, avec chasses à air comprimé pour retour en surface pour déplacement ou 5 maintenance. Comme l'ensemble est posé au fond de l'eau, la rigidité n'est pas particulièrement critique. Une conception en béton avec des inserts en acier est parfaitement envisageable. Cette base est positionnée en fonction de la direction dominante de houle. Toutefois, les plans verticaux (1) et (2) sur le dessus de la base canalisent les différentes houles qui 10 peuvent, simultanément, se présenter à partir de directions (26) très différentes. Dans un premier temps, on peut retenir qu'un secteur de ±45° est très correctement exploité. Ces plans verticaux assurent également la protection des cellules vis-à-vis des collisions (navires, chaluts, etc), bien que ceux qui possèdent un tel tirant d'eau soient extrêmement rares aussi près du trait de côte. 15 La figure 4 fournit le détail d'une cellule ; le principe d'assemblage des cellules est indiqué figures 3 et 6. Chaque cellule est encadrée par deux cloisons 1 et 2 qui canalisent le flux. Deux orientations sont alors possibles pour ce flux canalisé : vers la gauche de la figure (figure 4) ou vers sa droite (figure 5). Chaque cellule est composée d'un collecteur d'admission (10) et d'un collecteur 20 d'échappement (20). Le collecteur d'admission (10) peut être alimenté par les deux clapets d'admission (11) et (12). Mobiles autour de charnières horizontales supérieures, ces clapets à flottabilité négative sont fermés en l'absence de flux. La charnière est en fait un dispositif sommaire qui assure le basculement de 90° à l'intérieur de la demi-cellule, sans aucun risque de grippage. Des portées non représentées permettent au clapet fermé, aspiré par le 25 flux, d'être étanche. Quand le flux est orienté vers la gauche, le clapet (11) s'ouvre sous l'effet de la pression dynamique, le clapet (12) reste fermé sous l'effet de son poids et de l'aspiration du flux. Quand le flux change d'orientation, le clapet fermé s'ouvre, l'autre se ferme. Le collecteur d'admission (10) se prolonge dessous par un puits (23) puis jusqu'au convertisseur d'énergie centralisé entre les plates-formes (15) et (25). Si la pression à 30 l'intérieur du collecteur d'admission est supérieure à la pression dynamique (cas d'une autre cellule plus virulente car activée par une partie de vague plus énergétique), aucun clapet d'admission n'est ouvert. 3049011 -6- Le fonctionnement du collecteur d'échappement (20) est assez comparable. Il est délimité en haut par les deux clapets d'échappement (21) et (22), mobiles autour de charnières horizontales inférieures, qui permettent un basculement de 90° vers l'extérieur. A flottabilité positive, ces clapets sont fermés en position repos. Un léger dépassement au- 5 dessus de la partie supérieure du collecteur d'échappement permet au flux de les ouvrir facilement. Les charnières des clapets d'échappement sont comparables à celles des clapets d'admission. Le collecteur d'échappement se prolonge à travers une lumière dans la plate-forme (5) entre les plates-formes (5) et (15) jusqu'au convertisseur d'énergie centralisé qui l'alimente. La partie de collecteur entre les plates-formes (5) et (15) est ponctuellement 10 encombrée par les puits d'admission (23), ce qui lui imposera une hauteur supérieure à l'espace entre les plates-formes (15) et (25). Les deux clapets d'échappement peuvent être simultanément ouverts si la pression à l'intérieur du collecteur d'échappement est supérieure à la pression dynamique. Au bilan, le passage de la partie de vague générant la plus forte pression dynamique va 15 ouvrir les clapets (11) ou (12) de la cellule correspondante, cette pression dynamique fermera les clapets (11) et (12) des autres cellules en amont et en aval soumises à des parties de vague moins énergétique. Les cellules latérales (ni en amont, ni en aval en termes de propagation de la vague) disposeront de la même pression dynamique et alimenteront parallèlement le collecteur d'admission. Les clapets d'échappement (21) et 20 (22) ont par contre vocation à toujours être alternativement ouverts, quelle que soit la partie de vague incidente. La figure 5 illustre le fonctionnement dans l'autre sens, c'est-à-dire 3 à 7 secondes plus tard. Les figures 6 et 7 fournissent un exemple d'assemblage des cellules. La dimension des 25 cellules devra faire l'objet d'une étude de coût, parallèle à celle sur la dimension totale des bases. Les clapets d'admission sont à flottabilité négative et à charnière supérieure. Pour réduire leur inertie comme leur coût unitaire, il est possible d'utiliser une flottabilité positive et des charnières inférieures. 30 L'écartement entre les rangées de cellules détermine la surface de friction selon laquelle la vague va entraîner les volumes d'eau entre les cellules par viscosité. Un compromis sera 3049011 -7- recherché. Par ailleurs, les particules n'ayant pratiquement jamais une cinématique rigoureusement horizontale (ellipse aplatie), l'alimentation et l'aspiration des clapets ne présentent pas de problème de masquage. = = 5 La figure 8 montre la configuration du corrélateur (27) maintenu entre deux eaux par des câbles (28). La flottabilité légèrement positive de cette base permet la tension des câbles. Il s'agit toutefois d'un maintien souple, la grande rigidité du dispositif lui permettant de conserver une immersion moyenne malgré des sollicitations verticales très disparates, tel un sous-marin qui conserve sans difficulté particulière l'immersion périscopique dans les 10 pires tempêtes, quelle que soit sa longueur par rapport à la longueur d'onde des vagues. Par rapport à cette immersion moyenne, les vagues provoquent des composantes verticales d'amplitudes considérables qui sont exploitées. Même si la base ne constitue pas un écran étanche aux flux verticaux, il ne faut pas minimiser les efforts auxquelles elle est soumise, à peu près comme un navire de sa taille. La faiblesse d'amplitude des 15 marées à l'écart des côtes limite leurs effets sur l'immersion de la base. La base est bien sûr sujette à des mouvements horizontaux jugés marginaux, qui ne sont pas exploités. La figure 9 fournit le détail d'une cellule, on y retrouve les grands ensembles de la base posée sur le fond. Comme seule la composante verticale est exploitée et que toutes les cellules sont disposées sur une même base horizontale, l'orientation des vagues n'a plus 20 aucune importance. Les cloisons (1) et (2) redressent par ailleurs les flux écartés de la verticale pour optimiser leur prise en compte. Le flux incident se répartit en deux demi-flux : - le premier rencontre les clapets supérieurs d'admission (11) positionnés au-dessus du collecteur d'admission (10) ; si la pression dynamique de ce demi-flux est 25 suffisante, les clapets s'ouvrent et permettent l'alimentation du collecteur d'admission. Dans le cas contraire, ce premier demi-flux rejoint le second. Les clapets supérieurs d'admission (11), à l'intérieur du collecteur, sont à flottabilité positive, ils se ferment en position repos pour garantir une étanchéité acceptable. Le déplacement du fluide à l'intérieur du collecteur (10) participe également à leur 30 fermeture. - Le second demi-flux passe par un venturi positionné entre les collecteurs d'admission (10) et d'échappement (20). L'accélération qu'il y prend augmente son 3049011 -8- aptitude à entraîner par viscosité les particules issues du collecteur d'échappement (20). En outre, les clapets inférieurs d'échappement (22) s'ouvrent dès la mise en place de ce flux grâce à un léger bec de décollement à l'extrémité. Ces clapets inférieurs d'échappement (22), situés dans la partie inférieure du collecteur 5 d'échappement (20), sont à flottabilité positive, ils se ferment en position repos pour garantir une étanchéité acceptable. - Les clapets (12) et (21) sont fermés par leur flottabilité négative. Le flux à l'intérieur du collecteur d'admission (10) participe à la fermeture du clapet (12), le demi-flux qui entre dans le venturi participe à la fermeture du clapet 10 d'échappement (21). Toutes les 3 à 7 secondes, le flux vertical change de sens. La figure 10 montre que le flux montant réagit de manière comparable au flux descendant ci-dessus décrit, à ceci près que les clapets d'admission utilisés sont ceux (12) de la partie inférieure du collecteur d'admission (à flottabilité négative), les clapets d'échappements utilisés sont ceux (21) de 15 la partie supérieure du collecteur d'échappement (également à flottabilité négative). Les clapets (11) et (22) sont fermés par leur flottabilité positive et par respectivement le flux à l'intérieur du collecteur (10) ou le demi-flux qui entre dans le venturi. Les figures 11, 12 et 13 fournissent un exemple d'assemblage des cellules et de raccordement des collecteurs au convertisseur d'énergie. 20 = = Qu'il soit au fond de l'océan ou entre deux eaux, le système met en corrélation les différentes vagues dans la mesure où soit il prend en compte et transmet leurs impulsions, soit il les protège des impulsions néfastes des autres. Trois ordres de grandeur de vitesses ou célérités distincts doivent être considérés : les particules à moins de 5 m/s, la 25 propagation de la vague (vitesse de phase) à quelques dizaines de mètres par seconde, les pressions dynamiques à 1500 m/s (vitesse du son, « coups de béliers »). Non seulement l'intérieur des collecteurs connait des phénomènes orientés dans le même sens, mais il véhicule quasi-instantanément les effets d'une même crête de vague dont les positions successives au-dessus du dispositif ne présentent finalement aucune importance, comme le 30 montrent les différences de vitesse/célérité. Les « coups de béliers » aléatoires et anarchiques ne règnent pas dans ces collecteurs, on y retrouve le mouvement harmonieux de la crête de vague exploitée. Tel est également le cas des particules liquides qui reproduisent avec leur inertie propre des sollicitations que leur incompressibilité propage 3049011 -9- beaucoup plus rapidement. Faut-il évoquer l'analogie avec la propagation du courant électrique et la vitesse effective des électrons ? Invention susceptible d'application industrielle Le corrélateur est l'étage amont qui transforme une hydrolienne en dispositif houlomoteur. 5 Le faible coût des clapets comme des collecteurs permet d'envisager des bases de grandes dimensions. A titre d'exemple non limitatif, avec les 65kW par mètre de crête de vague dans le golfe de Gascogne, une base de 100 m de long récupèrera jusqu'à 6,5 MW sur un seul convertisseur de technologie héritée des hydroliennes. Plus la base sera large, par exemple 30 m, plus la proportion d'énergie extraite sera importante. La puissance extraite 10 se situe exactement dans les ordres de grandeur des hydroliennes, à ceci près que le nombre de sites favorables au corrélateur est considérablement moins limité. Le corrélateur de vagues pourrait cohabiter par ailleurs avec les éoliennes en mer, leurs câblages d'alimentation pourraient d'ailleurs être mutualisés. Une autre fonction pourrait être la protection du trait de côte en amortissant les vagues dévastatrices. 15 REVENDICATIONS1. Corrélateur de vagues caractérisé en ce qu'il comporte des clapets (11), (12), (21), (22), des collecteurs rigides (10), (20) à travers et le long desquels les pressions et dépressions dynamiques des vagues se propagent, et au moins un convertisseur d'énergie centralisé. 2. Corrélateur de vagues selon la revendication 1, caractérisé en ce que les clapets sont tous indépendants. 3. Corrélateur de vagues selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à chaque clapet d'admission (11) ou (12) correspond un clapet d'échappement (21) ou (22). 4. Corrélateur de vagues selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la flottabilité des clapets les rappelle en position repos sur leurs sièges. 5. Corrélateur de vagues selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il ne possède pas de pièce mécanique mobile, mis à part le convertisseur d'énergie et les clapets. 6. Corrélateur de vagues selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des cloisons verticales fixes (1), (2), prenant en compte les différentes directions des flux incidents. 7. Utilisation du corrélateur de vagues selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est positionné, selon l'emploi, au fond ou proche de la surface, pour exploiter respectivement la composante horizontale ou verticale de la vitesse des particules.