Brevet FR3054617A1 — publié le 20180202

SYSTÈME DE GÉNÉRATION ET DE STOCKAGE D'ÉNERGIE EN MILIEU MARIN, DÉNOMMÉ NEPTUNIENNE, ET PROCÉDÉS ASSOCIÉS. INTRODUCTION Il existe sur le marché plusieurs solutions de stockage d'énergie, mais peu intègrent sur une même structure production et stockage. L'un des points faibles des solutions du marché concerne le rendement, souvent dégradé, entre le niveau d'énergie produite et celui de celle restituée au déstockage; c'est la cas en particulier pour les stations de transfert d'énergie par pompage (step), ou encore pour les systèmes de stockage d'énergie par air comprimé (caes). La principale raison du meilleur rendement de la solution ici développée par rapport aux solutions présentes sur le marché, est que la source d'énergie (houle, marées, vents, voire courants) participe directement au stockage sans qu'il soit nécessaire de passer par une phase préliminaire de production d'électricité pour alimenter les moyens de stockage; par ailleurs, l'utilisation de masses solides pour alimenter la turbine génératrice de l'accumulateur gravitationnel, évitent les pertes par fuite de pression dans les solutions utilisant des fluides, eau ou air comprimé. Par rapport aux autres solutions présentes sur le marché, dont celles à base de batteries, la solution ici développée présente par ailleurs des avantages en matière de bilan carbone, de pollution, et plus généralement en matière de protection des ressources de la planète, puisque les masses mobiles utilisées dans l'accumulateur gravitationnel peuvent être constituées de déchets pondéreux après broyage et agrégation. ÉTAT DE LA TECHNOLOGIE Peu de dépôts de brevets concernent des moyens combinés de production et de stockage d'énergie d'origine maritime; en revanche plusieurs demandes de brevets ont été déposés concernant l'un ou l'autre desdits moyens. Concernant la transformation de l'énergie des mouvements de la mer et additionnellement à ceux déposés par l'auteur de la présente demande, on peut citer par exemple le document FR 2 932 231 Al présentant un "dispositif pour convertir une énergie de houle en énergie utilisable notamment électrique", ou encore le document WO/2010/ 024741 Al présentant par ailleurs "a wawe-power unit". Pour ce qui est des dispositifs de génération par gravité ou des dispositifs de stockage, l'on peut, parmi les documents présentant des dispositifs de génération par gravité, citer notamment le document anglais WO 2015166235 A2 présentant un "Appareil portable générateur d'énergie électrique", ou encore le document chinois CN 104595131 A présentant un "Dispositif générateur électrique utilisant la puissance obtenue par gravité d'objets roulants", ou un autre document chinois CN 10476397 A présentant un "Dispositif générateur électrique par gravité". Parmi les documents présentant des dispositifs de stockage autres que ceux déposés par l'auteur de la 3054617 2 présente demande, on peut notamment citer le document français WO 2014160522 Al présentant un "Système de stockage d'énergie déployé dans une masse d'eau". En revanche peu de documents combinent génération et stockage, parmi lesquels on peut citer le document chinois CN 204186540 U présentant un "Générateur de puissance par gravité associé à un dispositif de stockage d'énergie". 5 L'ensemble de ces inventions, si elles ont incontestablement fait progresser l'état de la technique, présentent un certain nombre de points faibles, points faibles que l'invention ici présentée a cherché à corriger, notamment au niveau de l'intégration des différents composants et dans la recherche d'un rendement élevé. DESCRIPTION DE L'INVENTION 10 L'invention "Neptunienne" (100) concerne un ensemble de dispositifs permettant de convertir et stocker sous forme d'énergie gravitationnelle potentielle les énergies produites par différentes sources marines (houle, marées, vent, et optionnellement courant et ensoleillement). L'invention "Neptunienne" (100) est constituée d'au moins une structure comportant une partie immergée contenant au moins un accumulateur gravitationnel (400) et surmontée d'une colonne centrale (110) autour 15 de laquelle se déplace au moins un flotteur (300) et au dessus de laquelle est installée une plateforme (200) recevant différents dispositifs dont des aérogénérateurs. L'ensemble de la structure est relié aux fonds marins par des câbles et ancres lestées dans une disposition permettant d'agir sur à flottabilité de ladite structure, la tension desdits câbles étant ajustable par des dispositifs tenseurs à crémaillère (130) libérables de manière à permettre le retrait pour maintenance de la 20 structure et son remplacement par une bouée, et réglables de manière à ce que le positionnement vertical de l'ensemble soit maintenu quasi stable quelque soit le marnage, et réglé de manière à ce que le bas de la colonne centrale reste immergée aux plus fortes marées basses; en effet, la pression d'Archimède additionnelle générée par la montée de l'eau par la houle et/ou les marées ne s'appliquant que pour le volume de la colonne centrale recouverte, cette pression proportionnelle audit volume est relativement 25 faible et de peu d'influence sur le dispositif (130) reliant ladite structure aux fonds marins, de sorte que le déplacement vertical des masses d'eau est totalement absorbé pour la mise en oeuvre des moyens de génération du flotteur (300) par coulissage le long de la colonne centrale (110). L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce qu'est aménagée dans la plateforme supérieure (200) une ouverture (238) permettant l'accès à l'intérieur de la structure pour maintenance, étant précisé 30 que l'accès à l'accumulateur gravitationnel (400) s'effectue en passant à l'intérieur de la colonne centrale (110). L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce qu'elle utilise plusieurs sources d'énergies marines et comporte des dispositifs aptes à les transformer en puissance mécanique comme suit : -une plateforme supérieure (200) sur laquelle sont installés une pluralité de dispositifs à plusieurs niveaux, 35 une partie centrale supérieure constituée d'un aérogénérateur supérieur à axe vertical (210) rétractable, 3054617 3 une partie intermédiaire recevant un aérogénérateur à turbine (220) à la périphérie duquel sont installés des panneaux solaires basculables (250), d'un système (230) constitué notamment d'un régulateur à inertie assurant, à partir d'un certain seuil de vitesse de vent, la rétractation progressive de l'aérogénérateur supérieur (210) à l'intérieur de ladite plateforme, étant précisé que le retrait dudit aérogénérateur supérieur 5 (210) met en oeuvre le dispositif (240) permettant simultanément à ce retrait, le basculement des panneaux solaires articulés dans une position permettant d'obstruer les arrivées d'air alimentant l'aérogénérateur à turbine (220). - un flotteur (300) coulissant le long de la colonne centrale (110) et auquel est fixée au moins une crémaillère (310) dont le déplacement vertical solidaire de celui du flotteur est converti en mouvement 10 rotatif par le système (320). L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce que les puissances fournies par les différents dispositifs installés dans la plateforme supérieure (200) sont renvoyées par des arbres de transmission passant à l'intérieur de la colonne centrale (110), vers les élévateurs installés dans l'accumulateur gravitationnel (400). 15 L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce que l'accumulateur gravitationnel (400) assure le stockage sous forme gravitationnelle de l'énergie produite par déplacement au moyen d'élévateurs de masses mobiles sphériques d'un niveau de stockage inférieur à un niveau de stockage supérieur; et la restitution sous forme électrique de cette énergie par des moyens de génération électrique constitués d'une turbine installée à l'extrémité inférieure de chaque colonne de descente desdites masses mobiles du niveau 20 de stockage supérieur au niveau de stockage inférieur. L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce que la plateforme supérieure (200) reçoit plusieurs dispositifs parmi lesquels l'aérogénérateur supérieur à axe vertical (210) rétractable et des dispositifs de r rétractation (230) et de relevage (240) assurant son positionnement vertical en fonction de la force du vent, comme suit: 25 - ledit aérogénérateur (210) est installé à l'intérieur d'un bâti (211) coulissant verticalement à l'intérieur de la partie centrale de ladite plateforme autour de laquelle est installé l'aérogénérateur à turbine (220); ledit bâti (211) comporte au moins deux pièces (212) de coulissage comportant une crémaillère (212C) dans leur partie inférieure, crémaillère dont la fonctionnalité est de mettre en mouvement rotatif le dispositif (240). - la transmission du mouvement rotatif dudit aérogénérateur (210) est assuré par un arbre composé de 30 deux parties, une partie supérieure (213S) "femelle" puisque partiellement creuse et cannelée dans sa partie inférieure, dans laquelle vient coulisser un arbre inférieur cannelé (2131) "mâle" transmettant le mouvement rotatif dudit aérogénérateur (210) au dispositif (230) à masselottes (234) et aux dispositifs alimentant l'accumulateur gravitationnel (400). - l'arbre supérieur (213S) dudit aérogénérateur (210) est maintenu par des dispositifs à roulements (213) 35 haut et bas fixés au dit bâti (211). 3054617 4 - ledit bâti (211) est maintenu à l'arrêt en position haute par la tension des ressorts à spirale (242) installés dans chacun des dispositifs (240), ladite tension étant transmise par les crémaillères (212C) des pièces de coulissage (212). - l'arbre supérieur (213S) dudit aérogénérateur (210) comporte à son extrémité inférieure une pièce 5 circulaire (213E) assurant le retrait dudit aérogénérateur (210) à l'intérieur de la plateforme par mise en contact avec une pièce similaire (231) du dispositif (230) apte à enclencher la descente dudit aérogénérateur (210). - le retrait dudit aérogénérateur (210) à l'intérieur de la plateforme est consécutif à l'écartement par force centripète des masselottes (234) du dispositif (230) dont la base est maintenue solidaire du fond de la 10 plateforme par un dispositif à roulement (232), écartement assurant simultanément l'extension du ressort (233) en deux parties reliées entre elles par un anneau circulaire laissant passer l'axe inférieur (2311) et l'abaissement de la pièce supérieure (231) venant au contact avec la pièce circulaire (213E), étant précisé que cette mise en contact et le retrait qui s'en suit n'intervient qu'à partir d'une certaine vitesse de rotation de l'arbre inférieur cannelé (2131). Lorsque cette vitesse diminue, ledit aérogénérateur (210) revient à sa 15 position haute initiale par la détente des ressorts à spirale (242) installés dans chacun des dispositifs (240). - Additionnellement à la mise en oeuvre des mouvements verticaux dudit aérogénérateur (210) en fonction de la force du vent, les dispositifs (240) par l'engrenage (244) génèrent un mouvement rotatif et mettent simultanément, par un engrenage à 90° (246), en rotation les axes (252) qui sont reliés les uns aux autres par un système de cardans à croisillon (253), permettant ainsi le basculement des panneaux solaires 20 autour de leur dit axe respectif et l'obstruction des arrivées d'air de l'aérogénérateur à turbine (220). L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce qu'elle comporte un aérogénérateur à turbine (220) installé à l'intérieur de la plateforme supérieure (200), mis en rotation autour de la partie centrale occupée par l'aérogénérateur (210), dont les entrées d'air sont obstructables par le repliement des panneaux solaires (250) et dont les arbres (254) fournissant la puissance collectée sont déportés à sa périphérie de 25 manière à laisser libre la rotation du dispositif à masselottes (230); étant précisé qu'optionnellement des panneaux solaires (256) supplémentaires fixes peuvent être installés sur sa surface supérieure. L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce qu'elle comporte un flotteur (300) coulissant le long de la colonne centrale (110) et auquel est fixée au moins une crémaillère (310) dont le déplacement vertical solidaire de celui du flotteur guidé par la roue-galet de pression (314) met en rotation la roue crantée (312) 30 transmettant un mouvement rotatif va-et-vient au dispositif (320). L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce que ledit dispositif (320) assure la transformation dudit mouvement rotatif va-et-vient en un mouvement rotatif unidirectionnel avec renvoi à 90° vers l'un des élévateurs de l'accumulateur gravitationnel (400); étant précisé que le dispositif présenté ici est une modification/amélioration du dispositif du même auteur "Générateur va-et-vient à réserve d'énergie " 35 enregistré à l' I.N.P.I.sous le n° 14/01727, étant rappelé que ledit dispositif est constitué d'une partie 3054617 5 centrale comportant un mécanisme d'entrainement de systèmes de production électrique placés latéralement de part et d'autre et que chacun des systèmes latéraux est pourvu d'un dispositif de réserve d'énergie qui lui permet de continuer à produire après inversion de phase de montée/descente. Pour être utilisé dans l'invention ici présentée, ledit dispositif est entrainé par l'engrenage (316) transmettant le 5 mouvement rotatif généré à partir du déplacement du flotteur (300) et amélioré en ce que les axes alimentant initialement les générateurs électriques latéraux servent à entrainer un ensemble d'engrenage (322 D et G) permettant d'obtenir un sens de rotation unique, et que la puissance fournie par chaque générateur latéral est "additionnée" par le coupleur (324) sécurisé contre le retour arrière de chaque générateur par des dispositifs anti-retour à cliquet (324 D et G), puis transmise aux élévateurs dédiés de 10 l'accumulateur gravitationnel (400) par un engrenage (326) à 90°. L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce qu'elle comporte dans sa partie immergée un accumulateur gravitationnel (400) alimenté, après démultiplication/réduction par des dispositifs regroupés dans le boitier (470) par les arbres fournissant la puissance générée par chacun des dispositifs installés convertissant en énergie mécanique celles émises par les différentes sources; étant précisé que le 15 dispositif présenté ici reprend plusieurs dispositifs décrits dans la demande même auteur "Accumulateur gravitationnel multicellulaire" enregistré à l' I.N.P.I.sous le n° 16/01046, dont notamment les moyens d'élévation (410) et les moyens de génération (420), étant rappelé que ledit dispositif comporte une structure compacte à l'intérieur de laquelle l'énergie source à stocker est utilisée pour élever des masses sphériques d'un niveau inférieur à un niveau supérieur et à l'intérieur de laquelle l'énergie gravitationnelle 20 desdites masses générée par leur retour au niveau inférieur est à la demande convertie par une turbine en énergie mécanique générant un mouvement rotatif transmis par un arbre apte à entrainer après démultiplication au moins un mécanisme comme un générateur électrique. L'invention "Neptunienne" (100) est caractérisée en ce qu'elle comporte dans sa partie immergée un accumulateur gravitationnel (400) contenant au moins une zone de stockage supérieure (450) et au moins 25 une zone de stockage inférieur (460), des moyens d'élévation par vis hélicoïdale (410) et des moyens de génération par turbinage (420), au moins un générateur électrique (430), au moins un dispositif de pesée (440) des masses mobiles présentes dans la zone de stockage supérieur (450); étant précisé que les différents plateaux constituant cette zone de stockage sont basculables autour d'un axe (451) maintenus à vide par un système de ressort et que les mouvements de bascule consécutifs à l'arrivée sur ces plateaux 30 des masses mobiles sont convertis en énergie électrique par le dispositif (452) mettant en oeuvre un "Générateur va-et-vient à réserve d'énergie" mentionné plus haut. 3054617 6 FIGURES Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente une vue générale en coupe des principaux éléments constituant l'invention. La figure 2 représente des vues en coupe et de dessus partielle des principaux éléments installés dans la 5 plateforme supérieure (200). La figure 3 représente des vues en coupe des principaux éléments constitutifs du système flotteur (300) et des dispositifs générateurs qu'il met en oeuvre. La figure 4 représente des vues en coupe et de dessus partielle des principaux éléments constitutifs de l' accumulateur gravitationnel (400). REVENDICATIONS1- Invention "Neptunienne" (100) caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble de dispositifs permettant de convertir et stocker sous forme d'énergie gravitationnelle potentielle les énergies produites par différentes sources marines (houle, marées, vent, et optionnellement courant et ensoleillement); étant précisé que ladite invention "Neptunienne" (100) est constituée d'au moins une structure comportant une partie immergée contenant au moins un accumulateur gravitationnel (400) et surmontée d'une colonne centrale (110) autour de laquelle se déplace au moins un flotteur (300) et au dessus de laquelle est installée une plateforme (200) recevant différents dispositifs dont des aérogénérateurs. 2- Invention "Neptunienne" (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une plateforme supérieure (200) sur laquelle sont installés une pluralité de dispositifs à plusieurs niveaux, une partie centrale supérieure constituée d'un aérogénérateur supérieur à axe vertical (210) rétractable, une partie intermédiaire constituée d'un aérogénérateur à turbine (220) à la périphérie duquel sont installés des panneaux solaires basculables (250), un système (230) constitué notamment d'un régulateur à inertie assurant, à partir d'un certain seuil de vitesse de vent, la rétractation progressive de l'aérogénérateur supérieur (210) à l'intérieur de ladite plateforme, étant précisé que le retrait dudit aérogénérateur supérieur (210) met en oeuvre le dispositif (240) permettant simultanément à ce retrait, le basculement des panneaux solaires articulés dans une position permettant d'obstruer les arrivées d'air alimentant l'aérogénérateur à turbine (220). 3- Invention "Neptunienne" (100) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plateforme supérieure (200) reçoit un aérogénérateur (210) installé à l'intérieur d'un bâti (211) coulissant verticalement à l'intérieur de la partie centrale de ladite plateforme autour de laquelle est installé l'aérogénérateur à turbine (220); ledit bâti (211) comportant au moins deux pièces (212) de coulissage comportant dans leur partie inférieure une crémaillère (212C) mettant en mouvement rotatif le dispositif (240) maintenant ledit bâti (211) en position haute par la tension des ressorts à spirale (242) inclus dans le dispositif (240); étant précisé que la transmission du mouvement rotatif dudit aérogénérateur (210) est assuré par un arbre composé de deux parties, une partie supérieure (213S) partiellement creuse et cannelée dans sa partie inférieure et comportant à son extrémité inférieure une pièce circulaire (213E), arbre supérieur dans lequel vient coulisser un arbre inférieur cannelé (2131) transmettant le mouvement rotatif dudit aérogénérateur (210) au dispositif (230) à masselottes (234) et aux dispositifs alimentant l'accumulateur gravitationnel (400), et que l'arbre supérieur (213S) dudit aérogénérateur (210) est maintenu par des dispositifs à roulements (213) haut et bas fixés au dit bâti (211). 4- Invention "Neptunienne" (100) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plateforme supérieure (200) reçoit un dispositif de rétractation (230) constitué d'un régulateur à inertie à masselottes (234) maintenue par un ressort (233) en deux parties reliées entre elles par un anneau circulaire laissant passer l'axe inférieur (2311), et dont la partie supérieure comporte une pièce circulaire (231) qui est mise en 3054617 8 contact avec la pièce similaire (213E) de l'arbre supérieur (213S) et assure le retrait dudit aérogénérateur (210) à l'intérieur de la plateforme par la descente de la pièce circulaire (231) consécutive à l'écartement par force centripète des masselottes (234) du dispositif (230) dont la base est maintenue solidaire du fond de la plateforme par un dispositif à roulement (232), et à l'extension simultanée du ressort (233), étant 5 précisé qu'à l'arrêt les pièces (213E) et (231) sont distantes et que leur mise en contact et le retrait qui s'en suit n'intervient qu'à partir d'une certaine vitesse de rotation de l'arbre inférieur cannelé (2131). 5- Invention "Neptunienne" (100) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plateforme supérieure (200) reçoit un dispositif (240) mis en rotation par la crémaillère (212C) et assurant à la fois la compression du ressort à spirale (242) et la transmission par l'engrenage (244) et renvoi à 90° par l'engrenage (246) 10 d'un mouvement rotatif aux axes (252), reliés les uns aux autres par un système de cardans à croisillon (253), le mouvement desdits axes permettant ainsi le basculement des panneaux solaires autour de leur dit axe respectif et l'obstruction des arrivées d'air de I'aérogénérateur à turbine (220). 6- Invention "Neptunienne" (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un aérogénérateur à turbine (220) installé à l'intérieur de la plateforme 15 supérieure (200), mis en rotation autour de la partie centrale occupée par I'aérogénérateur (210), dont les entrées d'air sont obstructables par le repliement des panneaux solaires (250) et dont les arbres (254) fournissant la puissance collectée sont déportés à sa périphérie de manière à laisser libre la rotation du dispositif à masselottes (230); étant précisé qu'optionnellement des panneaux solaires (256) supplémentaires fixes peuvent être installés sur sa surface supérieure. 20 7- Invention "Neptunienne" (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un flotteur (300) coulissant le long de la colonne centrale (110) et auquel est fixée au moins une crémaillère (310) dont le déplacement vertical solidaire de celui du flotteur guidé par la roue-galet de pression (314) met en rotation la roue crantée (312) transmettant un mouvement rotatif va-et-vient au dispositif (320); étant précisé que ledit dispositif (320) assure la transformation dudit mouvement 25 rotatif va-et-vient en un mouvement rotatif unidirectionnel au moyen de l'ensemble d'engrenages (322 D et G) permettant d'obtenir un sens de rotation unique, transmise par le coupleur (324) sécurisé contre le retour arrière de chaque générateur par des dispositifs anti-retour à cliquet (324 D et G), puis transmise aux élévateurs dédiés de l'accumulateur gravitationnel (400) par un engrenage (326) à 90°. 8- Invention "Neptunienne" (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en 30 ce qu'elle comporte dans sa partie immergée un accumulateur gravitationnel (400) alimenté, après démultiplication/réduction par des dispositifs regroupés dans le boitier (470) par les arbres fournissant la puissance générée par chacun des dispositifs installés convertissant en énergie mécanique celles émises par les différentes sources, et que ledit accumulateur gravitationnel (400) est constitué d'au moins une zone de stockage supérieure (450) et au moins une zone de stockage inférieur (460), de moyens 35 d'élévation par vis hélicoïdale (410) et de moyens de génération par turbinage (420), d'au moins un 3054617 9 générateur électrique (430), d'au moins un dispositif de pesée (440) des masses mobiles présentes dans la zone de stockage supérieur (450); étant précisé que les différents plateaux constituant cette zone de stockage sont basculables autour d'un axe (451) maintenus à vide par un système de ressort et que les mouvements de bascule consécutifs à l'arrivée sur ces plateaux des masses mobiles sont convertis en 5 énergie électrique par le dispositif (452) mettant en oeuvre un "Générateur va-et-vient à réserve d'énergie" mentionné plus haut. 9- Invention "Neptunienne" (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ensemble de la structure est relié aux fonds marins par des câbles et ancres lestées par l'intermédiaire d'un système permettant d'agir sur à flottabilité de ladite structure, la tension desdits câbles 10 étant ajustable par des de dispositifs tenseurs à crémaillère (130) libérables.