Brevet FR3068397A1 — publié le 20190104

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ELECTRICITE AVEC UN RENDEMENT AMELIORE, NOTAMMENT A PARTIR D'UNE CHUTE D'EAU MOYENNE HAUTEUR La présente invention concerne un dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré, notamment à partir d'une chute d'eau de moyenne hauteur, ou à partir d'un courant hydraulique en profondeur. On connaît les turbines au cours de l'eau qui sont immergées pour constituer des hydroliennes. De telles hydroliennes fonctionnent avec la force du courant qui entraîne, grâce à une roue à aubes ou turbine, un générateur d'électricité. La production est liée uniquement à la force du courant issue du débit et de la vitesse du flux dudit courant. Pour atteindre des productions significatives, il faut rechercher des sites avec des courants particulièrement puissants. De nombreux autres sites pourraient être choisis comme site de production si le rendement pouvait être amélioré. Il en est de même pour l'exploitation des chutes d'eau. En effet, la hauteur d'eau doit être suffisante pour atteindre des rendements suffisants. Aussi, les grands barrages ou les conduites forcées conduisant l'eau de lacs avec de forts dénivelés sont propices à l'exploitation par des turbines directement sur le flux d'eau. Par contre, une même turbine en pied d'une chute d'eau de moyenne hauteur génère un rendement de production électrique insuffisant pour être rentable économiquement. De fait de très nombreuses chutes d'eau de moyenne hauteur sont inexploitées pour ces raisons alors qu'une augmentation du rendement permettrait une installation sur de très nombreux sites, sans dégradation, sans construction complexe et coûteuse. Une autre contrainte est le fait que le turbinage est limité afin de préserver une partie du débit pour alimenter le cours d'eau. Ce débit minimum biologique consiste à ne pas turbiner 10% de l'eau généralement. Si cette partie pouvait être utilisée, sans contrevenir aux règles 2 législatives et aux règles biologiques, cela représenterait un gain notable de production d'électricité. De plus, le problème souvent soulevé est le transport de l'électricité or une installation de proximité peut être reliée directement au réseau de consommation locale ou à l'alimentation 5 d'une installation spécifique : séchoir, four, machines de production de froid, machines-outils fixes. L'électricité produite, nécessairement en quantité limitée comparé à la production de masse, pourrait être stockée, soit pour faire tampon, soit pour une utilisation différée, la nuit par exemple soit en appoint pour compenser des pics de consommation du réseau électrique 10 public. Le maillage pourrait donc être beaucoup plus fin que le maillage existant, sans perturbation des lieux, sans générer de déchets et sans dégrader l'écosystème donc de façon parfaitement écologique. De plus, dans le cas d'un barrage avec turbine intégrée, il se pose le problème de l'ichtyo 15 compatibilité. En effet, les poissons ne peuvent pas passer dans le sens contraire au courant à travers la turbine, de même pour la descente, même si c'est morphologiquement possible avec le courant et hormis les accidents. Ceci oblige généralement à prévoir une échelle à poissons pour la montaison et la dévalaison des poissons en période de migration. L'impact écologique de ces échelles est important lors 20 de la construction d'une part, inesthétique d'autre part et perdure jusqu'à une éventuelle démolition en cas de non usage. Le dispositif selon la présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un agencement d'un dispositif dont le rendement est amélioré de façon à prévoir, tant économiquement que techniquement, une installation sur des chutes d'eau de moyenne 25 hauteur par exemple. Le dispositif est décrit ci-après en regard des dessins annexés, dessins sur lesquels les différentes figures représentent un mode de réalisation non limitatif : Figure 1 : une vue schématique du dispositif de production d'électricité à rendement amélioré, Figure 2: une vue schématique du dispositif du générateur du dispositif de production d'électricité à rendement amélioré, Figure 3 : une vue de détail d'un mode de réalisation d'un dégrilleur. 3 Sur la figure 1, on a représenté le dispositif selon la présente invention dans son ensemble, installé sur une chute d'eau C de moyenne hauteur. Ce mode de réalisation est illustratif et aucunement limitatif dans son application. La chute d'eau est générée par une retenue mécanique sous forme d'un ouvrage en béton, 5 symboliquement représentée par un barrage B. Le barrage B retient de l'eau d'un cours d'eau et provoque une accumulation d'un gros volume et donc une augmentation de la hauteur H de chute d'eau, au maximum égale à la hauteur dudit barrage. Un déversoir de trop plein évacue l'éventuelle surverse. La pression d'eau à la surface de l'eau de la retenue est à la pression atmosphérique et la 10 pression en pied de barrage est égale à la pression atmosphérique augmentée de la hauteur d'eau. Ainsi, par exemple une hauteur d'eau de 10m augmente la pression de 1 bar. Le barrage possède dans le mode de réalisation retenu, un écoulement E de l'eau formant un courant, par exemple une conduite d'écoulement, munie d'une vanne clapet V afin de maîtriser la hauteur d'eau H et le débit d'écoulement de l'eau issue de la retenue. 15 Le dispositif est positionné sur le fond F du lit naturel du cours d'eau sur lequel est installée la retenue, en amont de ladite retenue. Le dispositif comprend un générateur de courant 10, un ensemble d'accélération 12 par effet Venturi, une prise d'eau 14, une prise d'air 16 et un châssis 18 qui supporte l'ensemble. Ce générateur de courant 10 est représenté en détail sur la figure 2. Ce générateur de courant 20 10 comprend un rotor 10-1, un stator 10-2 avec un entrefer 10-3, ceci de façon connue. Dans le dispositif spécifique de la présente invention l'axe XX' de rotation est vertical. De plus le rotor 10-1 est associé à une turbine 10-4 en forme d'entonnoir inversé, avec un cône 10-5 en partie inférieure et une tête 10-6 en partie supérieure. Le rotor 10-1 est rapporté sur la tête 10-6 de ladite turbine, à la périphérie. Ceci est le mode 25 de réalisation retenu, sans qu'il soit considéré comme limitatif, les agencements de turbine dans un courant étant très variés. En partie inférieure, le cône 10-5 comprend à sa périphérie des aubes 10-51, susceptibles de recevoir un flux d'eau et de faire tourner la turbine qui les porte, au passage dudit flux d'eau. Les accessoires du type paliers lubrifiés à l'eau, guidages, carters de protection de l'ensemble 30 rotor/stator, les moyens de fixation sur le châssis 18 ne sont pas représentés, étant à la portée de l'homme de l'art et dépendant de la configuration du lieu. 4 Le générateur de courant est disposé dans un carter 10-7 en deux parties haute 10-7H et basse 10-7B avec un passage d'écoulement 10-8. Une vanne d'isolement/régulation d'admission V1 assure le pilotage de l'alimentation en eau de la turbine, en obturant plus ou moins le passage délimité par la partie haute 10-7H du carter 5 10-7. Une vanne d'isolement/régulation de fuite V2 assure le pilotage de l'alimentation en eau des moyens d'alimentation des moyens d'accélération par effet Venturi 12, en obturant plus ou moins le passage délimité par la partie basse 10-7B du carter 10-7. Le pilotage des deux vannes permet de régler les débits, comme cela sera expliqué plus avant. 10 L'ensemble d'accélération Venturi 12 comprend deux cônes 12-1 amont et 12-2 aval, relié par leurs sommets, dont l'axe d'orientation YY' est perpendiculaire à l'axe XX' donc sensiblement horizontal. Le cône amont 12-1 est ouvert vers l'amont et accueille le flux d'évacuation de l'eau destiné, par exemple, à être évacué à travers la conduite d'écoulement E, suivant les flèches. 15 Le cône aval 12-2 est ouvert vers l'aval et alimente la conduite d'écoulement E avec le flux d'évacuation après son passage dans le cône amont 12-1 et un flux complémentaire comme cela sera expliqué plus avant. La conduite d'écoulement E débouche à l'extérieur du barrage, au pied, de façon à bénéficier de la hauteur H de chute d'eau. 20 Un point d'aspiration 12-3 est positionné entre les deux cônes amont et aval, au point ou la dépression par effet Venturi est générée. La partie basse 10-7B du carter 10-7 est reliée hydrauliquement à l'ensemble d'accélération au point d'aspiration 12-3. Il est aussi prévu une prise d'eau 14 supérieure. Cette prise d'eau 14 comprend une enceinte 25 périphérique 14-1 qui englobe l'ensemble du générateur de courant 10. Cette enceinte périphérique est surmontée d'une ouverture 14-2 formant prise d'eau et coiffée d'une grille 14-3 de filtration. Cet ensemble crée une hauteur d'eau. Cette grille 14-3, comme représenté sur la figure 3, peut comporter un dégrilleur sous forme d'un couteau racleur 14-4, monté tournant sur un axe afin de racler les parois du dégrilleur. 30 Un moteur non représenté peut entraîner ce couteau racleur. Le dispositif comporte une prise d'air 16 sous forme d'un tube 16-1, par exemple un tube souple, raccordé à un flotteur 16-2 en partie haute de façon que l'extrémité libre 16-3 de ce 5 tube débouche à l'air libre , à la surface de l'eau et soit donc à la pression atmosphérique. L'autre extrémité 16-4 de ce même tube est raccordée à l'enceinte périphérique 14-1, dans sa partie haute. Cette prise d'air est nécessaire pour permettre l'aspiration de l'eau au point d'aspiration. 5 II existe donc une première chambre intérieure Cl définie par l'espace entre l'enceinte périphérique14-1 et le carter 10-7 du générateur de courant 10. Il existe une seconde chambre extérieure CE définie par le volume intérieur du carter 10-7 du générateur de courant. Le châssis 18 est schématiquement représenté sous forme d'une structure métallique 18-1 10 avec des pieds 18-2 reposant sur le fond de la retenue. Ce châssis supporte l'ensemble des éléments constitutifs du dispositif qui vient d'être décrit de façon à constituer un ensemble monolithique. De façon avantageuse, il est prévu des moyens de maintien au sol sous forme d'un ballast 183 et d'un ancrage au sol éventuel, non représenté. Il est aussi possible de prévoir des ballasts 15 dont le remplissage et la vidange sont contrôlés de façon à pouvoir émerger la structure par vidange des ballast et flottage de l'ensemble. Ceci permet un accès rapide et sans moyens de levage. Dans tous les cas, ces ancrages et autres ballasts doivent permettre la sortie de l'ensemble de l'eau pour les opérations de maintenance ou de réparation et des moyens d'accrochage de 20 moyens de levage, non représentés, par exemple des élingues destinées à coopérer avec un crochet de câble de grue, doivent être prévus en cas de problèmes. Le fonctionnement du dispositif selon la présente invention consiste à ouvrir la vanne à clapet V interposée sur la conduite d'écoulement E ce qui provoque de façon naturelle la circulation de l'eau à travers l'ensemble d'accélération Venturi 12 et donc à travers les deux cônes 12-1 25 et 12-2. La circulation crée une dépression au point 12-3 comme cela est bien connu. L'ensemble d'accélération Venturi fonctionnerait aussi en cas de simple clapet d'évacuation en pied de barrage, ce qui génèrerait un courant, celui lié au débit du cours d'eau sur lequel ledit barrage B est interposé. Cette dépression aspire de l'eau à travers la partie basse du carter 10-7 lorsque la vanne 30 d'isolement/régulation de fuite V2 est ouverte. Cette circulation provoque par effet successif une aspiration de l'eau à travers la prise d'eau 14 et donc à travers l'ouverture 14-2 formant prise d'eau, coiffée de sa grille 14-3 de filtration. 6 Cette eau chute dans la partie haute 10-7H du carter 10-7 du haut vers le bas avec le différentiel de pression lié à la dépression et entraîne les aubes 10-51 de la partie conique de la partie en entonnoir de la turbine 10-4. La turbine, mise en rotation, entraîne à son tour le rotor qui lui est associé et produit en regard 5 du stator de l'électricité. La prise d'air 16 assure l'alimentation en air afin de libérer la dépression et la circulation de l'eau qui est aspirée sans contrainte au point 12-3 puisqu'il se produit une mise à l'air libre. L'air aspiré peut aussi être utilisé pour être conduit au moins en partie, vers le générateur de courant pour assurer un éventuel refroidissement de l'ensemble rotor/stator. 10 On note aussi que l'eau est aussi très fortement oxygénée par la surface d'échange importante des bulles et de l'eau, ce qui favorise le développement de la vie aquatique. Il est ainsi possible de produire de l'électricité tout en étant parfaitement ichtyo compatible, en évitant de construire des échelles à poissons, en améliorant le rendement du générateur de courant par création d'une dépression, en ne nécessitant aucune infrastructure de génie 15 civil. Le mode de réalisation décrit prévoit une turbine 10-4 avec une partie conique en entonnoir en partie inférieure et une tête 10-6 en partie supérieure mais l'ensemble peut être inversé sans changer l'invention telle que décrite. La description et l'application ont été décrites en regard d'une chute d'eau qui est la cible 20 privilégiée mais la production d'électricité REVENDICATIONS1. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré, notamment à partir d'une chute d'eau C de moyenne hauteur H, comprenant un courant écoulement E en pied de ladite chute d'eau, comprenant un générateur de courant (10), un ensemble d'accélération (12) par effet Venturi, une prise d'eau (14) disposée au-dessus de l'ensemble d'accélération (12) par effet Venturi, et un châssis (18) qui supporte l'ensemble. 2. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de courant (10) comprend un rotor (101), un stator (10-2) avec un entrefer (10-3) et une turbine (10-4) avec un cône (10-5) et une tête (10-6), le rotor (10-1) étant rapporté sur la tête (10-6) de ladite turbine, à la périphérie. 3. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur de courant (10) est disposé dans un carter (10-7) muni d'une vanne d'isolement/régulation V1 d'alimentation et d'une vanne d'isolement/régulation de fuite V2. 4. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon la revendication 3, caractérisé en ce que le carter (10-7) comprend une partie haute (10-7H) et une partie basse (10-7B). 5. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble d'accélération (12) par effet Venturi comprend un double cône (12-1) amont et (12-2) aval et un point d'aspiration (12-3) situé entre les deux cônes amont et aval, le cône amont (12-1) étant ouvert vers l'amont et le cône aval est ouvert vers l'aval relié à la conduite d'écoulement E. 6. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon la revendication 4 et 5, caractérisé en ce que la partie basse (10-7B) du carter (10-7) est reliée hydrauliquement à l'ensemble d'accélération (12) par effet Venturi, au point d'aspiration (12- 3). 7. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la prise d'eau (14) comprend une enceinte périphérique (14-1) qui englobe l'ensemble du générateur de courant (10), surmontée d'une ouverture (14-2) formant prise d'eau et coiffée d'une grille (14-3) de filtration. 8 8. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon la revendication 7, caractérisé en ce que la grille (10-2) est équipée d'un dégrilleur sous forme d'un couteau racleur (14-4), monté tournant sur un axe afin de racler les parois de ladite grille. 9. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon les 5 revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend une prise d'air (16) sous forme d'un tube (16-1) raccordé à un flotteur (16-2) en partie haute de façon que l'extrémité libre (16-3) de ce tube débouche à l'air libre et l'autre extrémité (16-4) de ce même tube soit raccordée à l'enceinte périphérique (14-1), dans sa partie haute. 10. Dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré selon l'une 10 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des ballasts.