Brevet FR3049988A1 — publié le 20171013

L'invention concerne une hydrolienne à surface hydrodynamique oscillant angulairement. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connaît des hydroliennes à surface hydrodyna- mique oscillante, comme l'hydrolienne connue sous le nom de Stingray développée par la société Engineering Business ltd, ou encore l'hydrolienne décrite dans le document W02006093790. Dans ces hydroliennes, La surface hy- drodynamique rigide est montée articulée au bout d'un bras support monté pivotant sur un pylône, les axes d'articulation de la surface hydrodynamique et de pivotement du bras étant soit tous deux horizontaux, soit tous deux. verticaux. L'oscillation angulaire du bras support est provoquée par la modification cyclique de l'incidence de la surface hydrodynamique relativement au flux marin. Pour ce faire, l'hydrolienne est équipée d'un dispositif de variation cyclique de l'incidence de la surface hydrodynamique, pouvant être de type passif (dispositif méca- nique à came par exemple, ou simple effet du courant ma- rin), ou actif (dispositif hydraulique ou électrique asservi à la position angulaire du bras). Dans ces hydroliennes, une partie de l'énergie mécanique générée par la surface hydrodynamique est perdue à faire osciller le bras dans le flux marin. OBJET DE L'INVENTION L'invention vise à proposer un nouveau type d'hydrolienne à surface oscillante plus efficace énergétiquement. PRESENTATION DE L'INVENTION 3049988 2 En vue de la réalisation de ce but, on propose une hydrolienne comportant au moins une surface hydrodynamique soumise à l'action d'un flux marin et' solidaire d'un organe support monté pivotant sur une base selon un 5 axe de pivotement, la surface hydrodynamique étant sou- mise à l'action de moyens de variation cyclique d'une caractéristique hydrodynamique de la surface hydrodynamique telle que son incidence, sa cambrure ou encore son vrillage, de sorte que l'action du flux marin sur la surface 10 hydrodynamique provoque l'oscillation angulaire de l'organe support autour de son axe de pivotement. Selon l'invention, l'axe de pivotement de l'organe support est parallèle à une direction d'écoulement du flux marin. Ainsi, lors du fonctionnement du moteur, la surface 15 hydrodynamique ne reste pas parallèle à elle-même, mais bat angulairement autour de l'axe de pivotement au gré des oscillations de l'organe support. L'organe support se réduit essentiellement à un arbre oscillant autour de l'axe de pivotement, et dont il est très simple 20 d'exploiter les oscillations angulaires pour actionner une pompe ou faire tourner une génératrice. La rotation de l'organe support ne génère aucune traînée hydrodynamique, de sorte que le rendement de l'hydrolienne s'en trouve amélioré. 25 Selon un aspect particulier de l'invention, l'organe support est monté pivotant sur un support articulé sur la base selon un axe d'articulation vertical, la surface hydrodynamique étant disposée pour générer un effort de traînée dans le flux marin tendant à aligner en 30 permanence l'axe de pivotement de l'organe support avec 3049988 3 la direction d'écoulement du flux marin en faisant tourner le support autour de son axe d'articulation. Cette disposition permet de s'accommoder les changements de direction de l'écoulement du flux marin. 5 Selon un premier mode particulier de réalisation, la surface hydrodynamique s'étend pour battre de part et d'autre d'une position verticale. La base peut alors être posée sur le fond marin, et la surface hydrodynamique s'étendre vers la surface. Au contraire, la base peut 10 être flottante, et la surface hydrodynamique s'étendre vers le fond marin. Pour équilibrer les efforts latéraux générés par le battement angulaire de la surface hydrodynamique, on propose selon un deuxième mode particulier de réalisation de 15 l'invention une hydrolienne à deux surfaces hydrodyna- miques disposées de sorte que leurs organes support respectifs oscillent autour d'axes de pivotement parallèles, les surfaces hydrodynamiques étant astreintes à battre de façon symétrique de sorte que les efforts latéraux géné- 20 rés par l'une des surfaces hydrodynamiques soient compen- sés par les efforts latéraux opposés générés par l'autre des surfaces hydrodynamiques. Selon un troisième mode particulier de réalisation de l'invention, l'hydrolienne comporte deux surfaces hy- 25 drodynamiques qui s'étendent de part et d'autre d'un même organe oscillant. Ainsi, les deux surfaces hydrodynamiques subissent des efforts hydrodynamiques qui se compensent, mais créent des moments qui s'ajoutent pour faire osciller l'organe support autour de son axe de pi- 30 votement. 3049988 4 Selon un aspect particulier de l'invention, la surface hydrodynamique est rigide et est articulée sur l'organe support autour d'un axe d'articulation perpendiculaire à l'axe de pivotement, les moyens de variation 5 cyclique modifiant l'incidence de la surface hydrodyna- mique en la faisant tourner autour de l'axe d'articulation. Alternativement, la surface hydrodynamique est deformable, les moyens de variation cyclique agissant sur 10 une extrémité de la surface hydrodynamique de façon cy- clique pour permettre au flux marin d'impartir à la surface hydrodynamique une forme propre à inverser la direction du battement. DESCRIPTION DES FIGURES 15 L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, en référence aux figures des dessins annexés parmi lesquelles : - La figure 1 est une vue en perspective d'une hydro- 20 lienne à une seule surface hydrodynamique selon un pre- mier mode de réalisation de l'invention ; - La figure lA est une vue de face de l'hydrolienne de la figure 1, illustrant les oscillations de la surface hydrodynamique ; 25 - La figure 1B est un schéma illustrant le principe de battement angulaire avec variation cyclique d'incidence de la surface hydrodynamique de l'hydrolienne de la figure 1 ; - La figure IC est une vue de dessous est une vue de 30 dessous montrant l'agencement des butées externes et in- ternes ; 3049988 5 - La figure 1D est une vue en coupe le long de l'axe de pivotement de l'organe support ; - La figure lE est une vue de face du carter recouvrant l'organe support muni de ses deux butées externes ; 5 - La figure 1F est un graphe montrant les variations d'incidence de la surface hydrodynamique en fonction de l'angle de pivotement de l'organe support; - Les figures 1G et 1H sont des figures similaires à la figure lB montrant des variantes de réalisation avec 10 variation cyclique de cambrure ou de vrillage ; - La figure 2 est une vue en perspective d'une hydrolienne à deux surfaces hydrodynamiques selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2A est une vue de face de l'hydrolienne de 15 la figure 2 illustrant les oscillations synchronisées des deux surfaces hydrodynamiques ; - La figure 2B est une vue de face de la liaison de synchronisation entre les organes support des deux surfaces hydrodynamiques ; 20 - La figure 3 est une vue en perspective d'une hydro- lienne à deux surface hydrodynamiques portées par le même organe support, selon un troisième mode particulier de réalisation de l'invention ; - La figure 3A est une vue de face de l'hydrolienne de 25 la figure 3 montrant les oscillations des surfaces hydro- dynamiques ; La figure 4 est une vue en perspective d'une hydro- lienne à surfaces aérodynamiques souples selon un quatrième mode de réalisation particulier de l'invention ; 3049988 6 - Les figures 4A à 4D sont des vues de faces de l'hydrolienne de la figure 4 montrant les étapes du cycle d'oscillation des surfaces hydrodynamiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION 5 PARTICULIERS DE L'INVENTION En référence aux figures 1, lA à 1E, et conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, l'hydrolienne illustrée comporte une base 101 ici destinée à être posée sur le fond marin. Un organe support 102 10 est monté pour pivoter sur la base 101 selon un axe de pivotement X parallèle au flux marin. L'organe support est ici un arbre support 102 monté pivotant qui comporte un manchon 103 sur lequel une surface hydrodynamique rigide 110 est librement articulée selon un axe 15 d'articulation Y perpendiculaire à l'axe de pivotement X. Ici, la surface hydrodynamique 110 est à profil symétrique. De préférence le centre de gravité de la surface hydrodynamique se situe sur son axe d'articulation Y. Elle pourra par exemple être réalisée en matériau com- 20 posite à base de fibres stabilisées par une résine poly- mérisée. Lors du fonctionnement de l'hydrolienne, la surface hydrodynamique 110 bat angulairement entre deux positions angulaires extrêmes illustrées à la figure lA, correspon- 25 dant à deux positions angulaires extrêmes de l'arbre sup- port 102 entre lesquelles celui-ci oscille. Les oscillations angulaires de l'arbre support 102 sont exploitées pour entraîner un générateur ou une pompe. A cet effet, l'arbre support 102 porte ici deux 30 engrenages coniques 104 par l'intermédiaire de roues libres 105 montées en sens inverse l'une de l'autre et 3049988 7 engrenant tous deux avec une roue conique 106 qui entraîne une génératrice électrique 107. Ainsi, quel que soit le sens de rotation de l'arbre support 102, celui-ci entraîne la roue conique 106 toujours dans le même sens. 5 Bien entendu, tout autre dispositif de conversion d'un mouvement de rotation alternatif en un mouvement de rotation unilatéral pourra être utilisé, comme un dispositif à bielle et manivelle. Pour provoquer le battement (repéré par l'angle (p) 10 de la surface hydrodynamique 110, et ainsi provoquer les oscillations angulaires de l'arbre support 102, l'angle d'incidence (angle a) de la surface hydrodynamique 110 relativement au flux marin est contraint à varier cycliquement entre deux angles d'incidence extrêmes, visibles 15 à la figure 1B. Sur cette figure on a représenté les ef- forts hydrodynamiques s'exerçant sur la surface hydrodynamique 110, qui se décomposent en un effort de traînée Fx parallèle à la direction du flux marin, et un effort de portance Fz perpendiculaire à la direction du flux ma- 20 rin, qui est l'effort moteur provoquant le battement de la surface hydrodynamique. Les efforts sont ici appliqués au foyer F de la surface hydrodynamique. Pour entretenir le battement de la surface hydrodynamique 110 et donc l'oscillation de l'arbre support 102, 25 l'hydrolienne est équipée de moyens de variation cyclique de l'incidence propre à relier l'angle d'incidence a à l'angle de battement ç. Les moyens de variation cyclique comportent ici d'une part des butées internes 111 solidaires de la surface hydrodynamique et qui s'étendent 30 pour coopérer avec un doigt 108 solidaire de l'arbre sup- port 102. Les butées internes 111 viennent alternative- 3049988 8 ment en appui sur le doigt 108 pour définir des angles d'incidence extrêmes symétriques de la surface hydrodyna- mique 102 tels que représentés à la figure 1B. Ici, le foyer F de la surface hydrodynamique 110 se trouve légè- 5 rement en avant de l'axe d'articulation Y, relativement à la direction du flux marin, de sorte que les efforts hy- drodynamiques générés par le flux marin tendent à confirmer la surface hydrodynamique 110 dans l'un ou l'autre angle d'incidence extrême. 10 Les moyens de variation cyclique comportent encore des butées externes 109 solidaires de la base qui s'étendent symétriquement de part et d'autre de la surface hydrodynamique 110. Le mouvement de battement est maintenant expliqué 15 en référence à la figure 1B, les termes gauches et droite se référant à cette figure. Supposons que la surface hydrodynamique 110 est calée dans la position d'incidence extrême illustrée à droite, et qu'elle bat en direction de la butée externe 109 de gauche, entraînée par l'effort 20 Fz développé par le flux marin. La surface hydrodynamique 110 vient alors en appui contre la butée externe 109 de gauche, et, continuant sa course de battement, la butée externe 109 provoque la rotation de la surface hydrodynamique 110 autour de son axe d'articulation Y, jusqu'à dé- 25 passer la position neutre. Le flux marin fait alors bas- culer la surface hydrodynamique vers l'angle d'incidence extrême opposé (celui illustré à gauche sur la figure 1B), ce qui inverse l'effort hydrodynamique moteur sur la surface hydrodynamique 110. Celle-ci part alors dans 30 l'autre sens, jusqu'à rencontrer la butée externe 109 de droite, et ainsi de suite, ce qui entretien le mouvement 3049988 de battement de la surface hydrodynamique, et donc d'oscillation de l'arbre support 102 Ce cycle est illustré sur la figure 1F, où l'on distingue l'accostage des butés externes 109, et le bas- 5 culement de la surface hydrodynamique d'un angle d'incidence extrême à l'autre en fin de course de battement. Bien entendu, plutôt que d'utiliser des moyens de variation cyclique à base de butées, la surface hydrody- namique étant librement montée à rotation, on pourra uti- 10 liser tout autre type de moyens de variation cyclique de l'incidence avec l'angle de battement, notamment des moyens qui lient positivement l'incidence avec l'angle de battement (mécanisme à bielles et manivelles, à cames, dispositifs asservis hydrauliques ou électriques...) 15 On pourra également, faire varier non pas l'incidence de la surface hydrodynamique, mais d'autres caractéristiques hydrodynamiques de celle-ci, comme par exemple sa cambrure en contraignant un volet de bord de fuite 112 à se braquer de façon cyclique de part de 20 d'autre de sa position neutre (figure 1G), ou encore son vrillage en provoquant une torsion cyclique de la surface hydrodynamique le long de son envergure (figure 1H). Selon maintenant un deuxième mode particulier de réalisation illustré aux figures 2,2A,2B, l'hydrolienne deux surfaces hydrodynamiques sur deux arbres support 202 qui sont mon- tés pivotants sur une base fixe 201 selon des axes de pivotement X1 et X2 parallèles au flux marin. Ici les oscillations des deux surfaces hydrodynamiques 210 sont 30 synchronisées entre elles pour battre de façon symé- trique. Les moyens de variation cyclique modifient 25 de l'invention 210, articulées comporte 3049988 10 l'angle d'incidence des deux surfaces hydrodynamiques 210 simultanément et de la même quantité. Comme illustré à la figure 2A, les surfaces hydrodynamiques s'éloignent et se rapprochent de concert entre 5 deux positions de battement extrêmes, de sorte que les efforts de portance que subit l'une des surfaces hydrody- namiques sont compensés par des efforts de portance iden- tiques mais de sens contraire subis par l'autre surface hydrodynamique. La base 201 ne subit donc aucun effort 10 latéral. Comme illustré à la figure 2B, la synchronisa- tion des surfaces hydrodynamiques peut .être obtenue en munissant les arbres supports 202 de manetons 203 qui sont reliés par des bielles 204 à un vilebrequin 205 tournant selon un axe X3 parallèle aux axes X1 et X2. 15 Ainsi, non seulement les battements des surfaces hydrody- namiques 202 sont synchronisées, mais ils sont récupérés pour faire tourner le vilebrequin 205 toujours dans le même sens, qui peut dès lors servir à entraîner un générateur ou une pompe. 20 Selon maintenant un troisième mode particulier de réalisation illustré aux figures 3, 3A, l'hydrolienne de l'invention comporte toujours deux surfaces hydrodyna- miques 310, mais cette fois-ci, elles sont montées arti- culées sur un unique organe support 302 et s'étendent sy- 25 métriquement de part et d'autre de celui-ci, leurs axes d'articulation Y étant ici confondus. L'organe support 302 est ici monté pivotant selon un axe de pivotement X parallèle au flux marin non pas directement sur la base fixe 301, mais sur un support 303 monté articulé sur la 3.0 base fixe 301 selon un axe vertical Z, de sorte que l'axe de pivotement X s'oriente de lui-même, sous l'effet de la 3049988 11 traînée hydrodynamique générée par le flux marin sur les surfaces hydrodynamiques 310, parallèlement au flux marin lorsque celui-ci change de direction. Les moyens de variation cyclique modifient l'angle 5 d'incidence des deux surfaces hydrodynamiques 310 simul- tanément et de la même quantité. Comme visible à la fi- gure 3A, les surfaces hydrodynamiques battent de concert entre deux positions extrêmes. Les oscillations de l'arbre support 302 sont ex- 10 ploitées pour générer un mouvement de rotation continue d'une roue ou d'un vilebrequin apte à entraîner un générateur ou une pompe. Selon un quatrième mode de réalisation illustré à la figure 4, l'hydrolienne de l'invention comprend égale- 15 ment deux surfaces hydrodynamiques 410 reliées à un même arbre support 402 monté pivotant sur un support 403 selon un axe de pivotement X. Cependant, ici, contrairement aux autres modes de réalisation, les surfaces hydrodynamiques sont des voiles souples. Elles sont ici de forme triangu- 20 laire, avec une base portée par des vergues 411 encas- trées sur l'arbre support 402 et s'étendant symétriquement de part et d'autre de celui-ci. L'apex des voiles 410 est ici disposé en amont de leur base par référence au sens d'écoulement du flux marin, et relié au support 25 403 par l'intermédiaire d'un manchon 412 monté pivotant sur le support 403 selon l'axe de pivotement X et formant les moyens de variation cyclique. Le manchon 412 est commandé en pivotement entre deux positions angulaires visibles aux figures 4A à 4D, qui illustrent le cycle de 30 battement des voiles 410. 3049988 12 Les termes gauche et droite se rapportent à ce qui est illustré sur ces figures. Dans la position de battement extrême illustrée à la figure 4A où la vergue de gauche est abaissée tandis que la vergue de droite est 5 relevée, le manchon 412 est pivoté dans la position il- lustrée dans laquelle il soulève l'apex de la voile de gauche au-dessus de la vergue de gauche, tandis qu'il baisse l'apex de la voile de droite au-dessous la vergue de droite. Dans cette position, le flux marin s'engouffre 10 dans les voiles et leur impartit une forme propre à faire remonter la vergue de gauche et descendre la vergue de droite, ce qui provoque la rotation de l'arbre support 402 jusqu'à la position illustrée à la figure 4B. Les vergues sont alors arrivées dans la position de battement 15 extrême opposée. Comme illustré à la figure 4C, le man- chon 412 est alors basculé dans son autre position angulaire pour faire passer l'apex de la voile de gauche en dessous de la vergue de gauche, et faire passer l'apex de la voile de droite au-dessus de la vergue de droite. Le 20 flux marin s'engouffre dans les voiles pour leur impartir une forme propre à provoquer la rotation des vergues et donc de l'arbre support 402 dans l'autre sens, jusqu'à la position illustrée à la figure 4D, et ainsi de suite. On obtient donc un battement des voiles qui pro- 25 vogue une oscillation de l'arbre support, qui peut être exploitée pour entraîner un générateur ou une pompe. Les moyens de variation cyclique font appel ici à un manchon rotatif, mais on pourra utiliser tout autre moyen de déformation de la voilure souple propre à per- 30 mettre au flux de s'engouffrer dans celle-ci de façon à lui faire adopter une forme provoquant une inversion de 3049988 13 la direction de battement. Par exemple si le point d'attache de l'apex de la voilure est fixe, le simple dépassement angulaire du point fixe d'attache de l'apex par la vergue lors de son mouvement de battement peut suffire 5 à provoquer cette déformation. Les hydroliennes selon l'invention ne sont pas blessantes pour les animaux marins qui peuvent passer facilement passer entre les surfaces d'un champ d'hydroliennes selon l'invention. Les surfaces hydrodyna- 10 miques sont facilement démontables et remplaçables, ce qui facilite la maintenance des hydroliennes selon l'invention. On pourra bien entendu prévoir tout mécanisme de verrouillage apte à bloquer les surfaces hydrodynamiques 15 en incidence en position neutre, ce qui en empêche tout battement, afin d'immobiliser les surfaces et ainsi éviter tout dommage sur l'hydrolienne en cas de courant marin trop important. L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être 20 décrit, mais englobe au contraire toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications. En particulier, dans les premiers et deuxièmes modes de réalisation de l'invention, on pourra également utiliser des voiles souples en guise de surface hydrody- 25 namique. REVENDICATIONS1. Hydrolienne comportant au moins une surface hydrodynamique (110;210;310;410) soumise à l'action d'un flux marin et montée solidaire d'un organe support 5 (102;202;302;402) monté pivotant sur une base (101;201;301;401) selon un axe de pivotement (X;X1,X2), la surface hydrodynamique étant soumise à l'action de moyens de variation cyclique d'une caractéristique hydrodynamique de la surface hydrodynamique telle que son in- 10 cidence, sa cambrure ou encore son vrillage, de sorte que l'action du flux marin sur la surface hydrodynamique provoque une oscillation angulaire de l'organe support autour de l'axe de pivotement, caractérisé en ce que l'Iaxe de pivotement de l'organe support est parallèle à une di- 15 rection d'écoulement du flux marin. 2. Hydrolienne selon la revendication 1, dans laquelle la surface hydrodynamique est une surface rigide librement articulée sur un manchon (103) de l'organe support définissant un axe d'articulation (Y) de la surface 20 perpendiculaire à l'axe de pivotement (X) de l'organe support. 3. Hydrolienne selon la revendication 2, dans laquelle les moyens de variation cyclique comportent des butées internes (111) pour maintenir la surface hydrody25 namique (110) dans l'un ou l'autre de deux angles d'incidence extrêmes symétriques, et des butées externes (109) pour faire basculer la surface hydrodynamique de l'un à l'autre des angles d'incidence extrêmes quand la surface hydrodynamique arrive en fin de course. 30 4. Hydrolienne selon la revendication 1, compor- tant deux surfaces hydrodynamiques (210,210) associées à 3049988 15 des organes supports respectifs (202,202) montés pivotants selon des axes parallèles (X1,X2), l'hydrolienne comportant des moyens de synchronisation (203,204,205) des surfaces hydrodynamiques de sorte qu'elles battent angulairement de façon symétrique. 5. Hydrolienne selon la revendication 4, dans laquelle les moyens de synchronisation comprennent des manetons (203) solidaires des organes supports (202) et reliés par des bielles (204) à un vilebrequin (205). 6. Hydrolienne selon la revendication 1, compor- tant deux surfaces hydrodynamiques (310;410) associées à un même organe support (302;402), et s'étendant de part et d'autre de celui-ci. 7. Hydrolienne selon la revendication 1, dans la- quelle la surface hydrodynamique (410) est une voile souple. 8. Hydrolienne selon la revendication 7, dans laquelle la voile a une base portée par une vergue (411) solidaire de l'organe support, et un apex disposé en amont de la base par référence à un sens d'écoulement du flux marin. 9. Hydrolienne selon la revendication 8, dans laquelle l'apex est monté sur un manchon (412) pivotant selon l'axe de pivotement (X) de l'organe support 10. Hydrolienne selon la revendication 1, dans la- quelle l'organe support (302 ;402) est monté pivotant sur un support (303,403) lui-même articulé sur la base selon un axe vertical (Z), de sorte que l'axe de pivotement (X) de l'organe support s'oriente de lui-même, sous l'effet d'une traînée hydrodynamique générée par le flux marin sur la ou les surfaces hydrodynamiques, parallèlement au flux marin lorsque celui-ci change de direction.