FR3013397A1 - Station de transformation des courants marins en electricite - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une station électrique captant l'intensité des courants de marées, courants marins ou fluviaux grâce à ses turbines contrarotatives ayant une forme spécifique équipées de diffuseurs accroissant considérablement les flux utilisés, caractérisée en ce qu'elle se positionne entre le fond et la surface des mers ou des fleuves, captant le courant le plus intense se trouvant au milieu et en ce qu'elle n'a pas besoin d'être fixée par ancrage traditionnel mais simplement par un poids mort et que du fait de sa structure flottante, elle peut s'installer rapidement sur n'importe quel site par simple remorquage. Cette invention répond efficacement au besoin d'énergies renouvelables, aux problèmes d'installation détériorant les fonds des mers mais aussi aux coûts d'installations et de maintenance que peuvent rencontrer tous les dispositifs installés en mer.

Description

Station de transformation des courants marins en électricité La présente invention, ici exposée, fait la description d'une station d'énergie électrique spécialement adaptée pour être actionnée par le flux des courants d'eau d'intensités variables tels que les courants des marées, et plus généralement tous types de courants marins et fluviaux. L'invention est notamment caractérisée en ce que la station ne se positionne ni au fond de l'eau ni en surface mais à l'endroit choisi entre les deux et possède son propre système d'ancrage par l'utilisation d'un poids mort fait partie de la présente invention. La station est donc en mesure de capter les courants les plus forts qui se situent dans ces zones entre le fond et la surface. Il est connu selon les documents suivants des dispositifs similaires ou technologies voisines faisant état de la technique antérieure. Les inventions rapportées dans le brevet désigné comme D1 sous la référence US 2007/241566 A1, se distinguent clairement de la présente invention par plusieurs points ci-mentionnés : Les structures qui enveloppent les pales (telles qu'indiquées avec le n°5 de la Figure. 12 du D1) sont considérées comme simple structures de support (frames) et sont sans influence sur la production de puissance contrairement aux diffuseurs illustrés dans le n°4 dans la Figure. 11 du présent brevet. Il ne s'agit donc pas de similitudes techniques. Les pales constituant le rotor du brevet D1 sont de forme symétrique (revendication n°20 page 8) et fonctionnent de manière bidirectionnelle, avec un courant d'eau de face et arrière. L'absence d'un vrai diffuseur (large en entré et étroit en sortie) et la forme des pales démontrent que l'invention ne repose pas sur les même technicités. Le type d'ancrage proposé dans le brevet D1 est complètement différent de la présente invention dans la mesure où il ne permet pas au système de s'aligner de manière autonome au courant et se différencie ainsi du système d'ancrage, comme décrit dans le présent brevet, et qui n'a qu'un point unique. Le système proposé par le brevet D1 ne possède pas de treuil qui puisse positionner la station à la profondeur voulue, ce qui la distingue là aussi du présent brevet. Le système proposé par le brevet D1 ne possède pas non plus de plan de queue permettant de stabiliser la station sous les effets du roulis et du tangage, ce qui au contraire est prévu dans le présent brevet. La forme du profil de la pale (indiquée clairement dans la Figure 14 du D1, outre le fait d'être symétrique comme déjà énoncé, présente une forme très spécifique qui est totalement différente de la forme de type aéronautique des pales de la station exposée dans le présent brevet. Les caractéristiques considérées comme inventives rapportées par le brevet D2, dont la référence est US 6 168 373 B1 de 2001 présentent une configuration générale significativement différente à celle de la présente demande de brevet, comme le démontrent les points suivants : Contrairement à la présente invention, les deux turbines latérales ne présentent aucun élément qui puisse développer une poussée vers le haut ; Le système ne possède aucun treuil pour contrôler le choix de position de la profondeur sous la surface de l'eau ; Le système ne dispose d'aucun composant sur la queue afin d'assurer l'alignement et la stabilité de la station en situation de roulis et tangage ; Le système ne présente aucun élément de contrôle actif assurant l'alignement dans la direction du courant comme c'est le cas avec l'aileron de queue sur la station décrite dans la présente invention ; Le système présente un diffuseur N° 260 de la Figure 6 dont la section est constante et non profilée comme sur la présente invention. Cela a pour conséquence une diffusion insuffisante tout en augmentant significativement la résistance et les vibrations causées par le revers dirigé vers le haut (n. 266 de la figure n.6) contrairement à la conception des diffuseurs de la station décrite dans la présente invention.

Les inventions rapportées dans le brevet D3, enregistré sous la référence GB 2 460 309 A de 2009, présentent une configuration générale différente de celle de la présente demande de brevet, comme il sera précisé ci-après : Le système ne possède aucun treuil pour contrôler le choix de position de la profondeur sous la surface de l'eau ; Le système ne présente aucun plan de queue pour stabiliser et aligner la station au courant ; Le système ne présente aucun diffuseur profilé qui participe à l'incrémentation de la puissance produite mais plutôt de simples cavités cylindriques qui semblent avoir une fonction de soutien de la turbine. Le système d'ancrage Figure 7 et 8 est complètement différent de celui proposé par la station décrite dans le présent brevet puisque qu'il n'est pas prévu de rotation quand le courant change de direction. De plus il présente également un flotteur en superficie Figure 8 qui interdit la navigation contrairement à la présente invention. Le système ne présente aucun élément de contrôle actif pour l'alignement au courant comme l'aile de poussée situé sur la queue telle qu'elle est décrite dans la présente invention. Puisque le système ne s'aligne pas sur courant, les pales du rotor doivent être nécessairement symétriques pour pouvoir fonctionner avec la direction du courant qui peut changer de 180 degrés. De fait, la conception de captation des courants et de la production de puissance est donc parfaitement différente du dispositif objet de la présente invention. Les innovations rapportées au brevet D4 enregistré sous la référence US 2 501 696 A en 1950 se distinguent de la présente invention sur de nombreux points et notamment les points suivants : Le système ne présente aucun treuil pour assurer le positionnement sous la surface de l'eau ; Le système ne présente aucun diffuseur profilé qui incrémente la puissance produite ; Le système positionne les rotors des turbines en aval du corps contenant les appareils électroniques de production (c'est-à-dire dos au courant d'eau) et non en amont comme le prévoit l'invention présente. Le système ne présente aucun élément de contrôle actif assurant l'alignement avec le courant comme l'aile de poussée située en queue de la station objet de la présente invention; Les innovations proposées par rapport aux inventions antérieures permettent de répondre aux problèmes techniques posés antérieurement. Le but de la présente invention est de pallier à ces inconvénients et de proposer un dispositif de récupération d'énergie permettant de fournir plus de puissance que les dispositifs de l'art antérieur, tout en minimisant l'investissement financier. Les formes du châssis, du flotteur et des autres composantes du corps de la station sont spécialement conçues et profilées afin de réagir de façon naturelle aux perturbations conjuguées des courants contraires, tangages et roulis. La coque arrière revêt la forme d'un empennage renversé. Tout cela a pour effet d'accroitre l'hydrodynamisme, une diminution des pertes d'énergie du courant et une plus grande portance et stabilité de la station qui sous l'effet de la poussée de flottaison vient contrer le roulis, le tangage et les turbulences. Les changements de direction du courant sont sans importance pour le fonctionnement de la station. Celle-ci a été conçue pour adapter son orientation en fonction des changements de direction des courants. Les pales des turbines sont constamment orientées perpendiculairement au courant d'eau dominant. La bathymétrie du lieu sélectionné importe peu: quelque soit la profondeur, il suffit d'envoyer par le fond un poids mort (bloc d'ancrage) auquel préalablement un câble d'une longueur suffisante aura été amarré par une extrémité. La seconde extrémité est fixée au treuil de la station ; Le site d'installation de la station, choisi pour son courant, rend, par définition, difficile les manoeuvres des plongeurs. La présente invention permet de s'affranchir de l'intervention de plongeur à chacune des phases d'installation, de maintenance et de réparation en cas de panne ; L'installation de la station sur le site sélectionné ne nécessite pas de créer une structure imposante et couteuse ancrée sur le fond marin. La présence des diffuseurs permet la mise en oeuvre du mouvement rotatif des turbines en présence de courants de faible intensité, dès 0,8 m/s, de plus proportionnellement à la dimension choisie des pales, et en fonction de la force du courant, la turbine entubée dans le diffuseur va démultiplier la quantité de l'énergie captée; En situation de maintenance ou en cas de panne de la station nécessitant une réparation ou le remplacement d'un des composants mécaniques ou électroniques, il suffit d'activer le treuil à distance et faire remonter la station à la surface, de détacher la coque flottante des câbles auxquels elle est arrimée, puis de la remorquer vers le quai le plus proche où sont réalisées les opérations de maintenance. Ce procédé rend les interventions plus faciles et donc moins couteuses que dans les cas d'intervention en mer ; En cas de rupture inattendue du câble d'amarrage, la coque remontera d'elle-même à la surface puisqu'elle a une structure flottante. De même, en cas d'avarie soudaine du treuil, il suffit de sectionner le ou les câbles d'amarrage pour laisser la station remonter à la surface ; L'utilisation des connaissances des courants permet de connaître la variation de leur mouvement dans le temps (marées) et leur différence d'intensité en fonction de la profondeur.

La profondeur et l'orientation de la station sont programmables pour tenir compte de ces variables et obtenir ainsi une production d'énergie optimale. La présence des diffuseurs permet la mise en oeuvre du mouvement rotatif des turbines en présence de courants de faible intensité, dès 0,8 m/s, de plus proportionnellement à la dimension choisie des pales, et en fonction de la force du courant, la turbine entubée dans le diffuseur va accroitre la quantité de l'énergie captée. La puissance de conversion de l'énergie cinétique captées des courants d'eau transformée en énergie mécanique, puis électrique produite par les turbines est fortement accrue grâce à l'ajout autour des turbines des diffuseurs, un corps creux, à géométrie et sections conçues ad hoc, fixées au châssis ; les diffuseurs, en augmentant la portance du flux des eaux agissent sur les pales des turbines, outre le fait d'améliorer la récupération d'énergie instantanément, ces diffuseurs permettent de déclencher la rotation des turbines en présence d'un courant d'eau plus faible. Cette innovation est substantielle car elle permet l'utilisation de la station dans tous les lieux possédant un courant minimum de 0,8m/s (soit environ 1,2 noeuds), ce qui correspond à quasiment toutes les mers du globe. Les diffuseurs, que l'on peut également appeler «accélérateurs de fluides », grâce à l'effet de leur portance, augmentent d'une part la masse du fluide dans l'unité de temps, et par ailleurs, augmentent la vitesse du fluide par rapport à sa vitesse originelle avant d'entrer dans le diffuseur. L'augmentation de l'efficacité est proportionnelle à la portance générée par le dit diffuseur. En effet, Si la portance du diffuseur est proportionnelle à la taille de l'aileron impliqué, la forme du diffuseur est un autre facteur qui détermine la capacité de portance du diffuseur (et des lamelles le composant). Par conséquent l'efficacité du mécanisme de diffusion résulte directement de la forme du diffuseur principal et du diffuseur secondaire (lamelles) situés sur l'axe de la turbine. Il est notoirement admis que pour une turbine sans diffuseur, l'efficacité des pales sur le flux de l'eau diminue au fur et à mesure de son éloignement du cercle balayé par les pales. L'effet est contraire dans le cas d'une turbine équipée d'un diffuseur. Les filets d'eau les plus périphériques des pales sont balayés avec plus d'efficacité. La station est équipée d'un système d'autogestion des opérations contrôlables à distance. Ce système est constitué par le fonctionnement en continue et en synergie de 4 différents systèmes électroniques, parfaitement opérationnels sans interventions externes. Ces 4 systèmes sont : système d'autocontrôle de la profondeur, système d'autocontrôle de la position, système d'autocontrôle de la puissance, système d'autocontrôle de la génération électrique et de connexion au réseau. Le système d'autocontrôle de la profondeur est asservi à des commutateurs de pression et divers instruments de mesure log, petit mécanisme de mesure, ADCP, capable de déterminer la profondeur de la station par rapport à la surface de la mer et la vitesse du courant d'eau en amont et en aval de la coque. Le système intervient chaque fois que l'operateur à l'intention de faire émerger ou immerger la station lors des mises en service ou lors des opérations de maintenance. Le système agit par ailleurs de manière autonome et automatiquement pour positionner la station au niveau de la profondeur prédéfinie ou, dans le but de maximiser l'énergie reçue en faisant varier la profondeur de la station selon la zone où sont détectés les courants les plus forts à un moment donné. Le système d'autocontrôle de la position n'est pas activé lorsque la station est immergée dans un fleuve ou dans une zone dans laquelle les courants d'eau sont caractérisés par une direction constante ; Le système d'autocontrôle de la position de la station est utilisé pour les sites où les courants sont soumis à l'influence des marées, généralement avec des changement de direction toutes les 6 ou 9 heures ; dans ce cas le système est asservi à une boussole capable d'intégrer la position de l'axe principale de la station correspondant à l'axe magnétique du lieu ; le système se déclenche quand la vitesse du courant d'eau dominant s'est stabilisée sur une valeur inférieure à 0,5 m/s; dans ce cas les turbines tournent sans entrainer les générateurs (librement sans couple). En corrélation avec l'angle de l'axe principal de la station et indiqué par la boussole, le système enclenche le mouvement d'une seule turbine provocant une rotation de la station jusqu'au point d'orientation correspondant à l'orientation du prochain courant d'eau. Le nombre de tours induit par la turbine est contrôlé par une plateforme inertielle capable d'interpréter la vitesse et l'accélération angulaire subie par la station. Le système d'autocontrôle de la position évite l'enroulement du câble électrique avec la chaîne de sécurité et autour du câble d'amarrage. Le système d'autocontrôle de la puissance intervient seulement quand la vitesse du courant d'eau dominant s'est stabilisée sur des niveaux supérieurs à 0,5 m/s; en condition de génération le système adopte un fonctionnement routinier d'entrainement du couple. Selon le régime de rotation des turbines, le système augmente au fur et à mesure le couple de résistance des générateurs jusqu'au moment où le système relève une légère baisse de vitesse de rotation. Le système est asservi aux capteurs de position des deux générateurs. Le système d'autocontrôle des générateurs électriques et de connexion au réseau est composé de deux convertisseurs électroniques triphasés alterné/continu (redresseur), un état en courant continu de filtrage et d'accouplement et un transformateur électronique triphasé continu/alternatif (convertisseur) piloté à partir du réseau terrestre ; l'énergie électrique produite par les deux générateurs est contrôlée en terme de tension, de phases et fréquences, et est couplée ; L'électricité est ainsi transportée par le biais d'un câble électrique multipolaires prévu à cet effet, jusqu'à la station terrestre de transformation ; le câble électrique court le long du câble d'amarrage grâce à des anneaux. Une fois le système d'ancrage atteint, le câble électrique poursuit son cheminement jusqu'à la station terrestre. Grace à son système d'autogestion à distance complètement autonome, la station est capable de choisir le pré-alignement avec le nouveau courant qui arrive, se placer à la meilleure profondeur, et établir le meilleur rapport du couple dans un but de conversion optimale de l'énergie cinétique. Dans le cas où une avarie devait se produire, la station actionne ses deux générateurs en mode « roue libre » en désolidarisant la rotation des pales de l'arbre et déroule automatiquement le câble du treuil pour remonter à la surface, tout en envoyant à la station de contrôle les données signalant l'anomalie.

Une innovation supplémentaire est représentée par le système d'auto contrôle passif de l'orientation de la station. Ce système est constitué de deux câbles reliés au dispositif d'ancrage situé sur le fond marin assurant l'amarrage de la station. Ce système exclut la rotation de la station au-delà de 360 degrés par rapport à l'orientation initiale du courant, y compris en cas d'anomalie du système principal de contrôle de l'alignement. Cela permet de préserver l'intégrité et la fonctionnalité du câble électrique qui, sans ce dispositif, pourrait se rompre en s'enroulant de nombreuses fois sous l'effet d'une rotation incontrôlée de la station. Le fonctionnement de la présente invention s'appuie sur les mêmes lois que celles applicables aux moulins à vent ou Eoliennes, en particulier pour déterminer la puissance extraite d'un courant, d'un fluide en mouvement, il est possible d'utiliser la formule suivante : P = 1/2 p A V3 Cp Cd KBetz Dans laquelle : P est la puissance obtenue ; p est la densité du fluide ; A est la superficie balayée par les pales de la turbine ; V est la vitesse du courant ; Cp est un coefficient compris entre 0 et 1, qui indique l'efficience de la turbine (en fonction de plusieurs paramètres comme le nombre de pales, de leur forme, de leur niveau de rugosité, des caractéristiques du fond marin qui influence le courant d'eau, etc....) ; Cd est un coefficient supérieur à 1 indiquant l'incrémentation de puissance provoquée par la présence du diffuseur ; Kgetz est le coefficient sans dimension déterminé en 1919 par le physicien allemand Albert Betz, d'une valeur égale à 16/27, qui définit la valeur théorique maximum de l'énergie obtenue par un moulin à vent. Les expériences réalisées à ce jour sur des prototypes de la présente invention, ont permis de confirmer la validité de l'équation susmentionnée en obtenant les valeurs suivantes : Le produit de « Cp x Kbetz » atteint généralement la valeur 0,5; En présence d'un diffuseur conçu selon un certain profil, Cd =2; Le doublement de la vitesse du courant d'eau, accroit de 8 fois la puissance recueillie ; Le doublement de la longueur des pales, accroit par 4 fois la puissance recueillie ; La vitesse du courant minimum nécessaire pour mettre en mouvement la turbine, avec les pales correctement profilées, en d'environ 0,8 m/s (soit environ 1,6 noeuds).

Pour toutes les configurations, les dimensions des pales varient de 2,5 m à 5 m et plus ; « R » traduit la longueur des pales. Les dimensions d'encombrement sont les suivantes : De face 6 - 7 R ; Hauteur 3 - 4 R ; Longueur 6 - 9 R La présente invention peut fonctionner avec des courants d'eau d'une vitesse minimum de 0,8 m/s jusqu'à 4 m/s sans modification structurelle; en fonction de la longueur des pales et de la vitesse du courant d'eau, la puissance électrique en entrée varie de 50 kW à 2 MW et plus. Les caractéristiques techniques propres à la présente invention sont principalement les suivantes : Un corps principal, de forme cylindrique, creux, étanche, accessible par une trappe; le corps principal remplit la fonction d'élément structurel principal et sert à loger le maximum de composants électroniques. Une coque flottante, formée de la fusion du corps principale avec d'autres corps intrinsèquement flottant, placés à la proue et à la poupe du corps principal, de dimension spécifique afin de permettre la flottaison de l'ensemble de la station, y compris en cas d'inondation intérieure et accidentelle du corps principal. La coque revêt une forme spécifique de type squale qui minimise la résistance hydrodynamique ; Deux traverses latérales, aux caractéristiques structurelles spécifiques, reliées symétriquement au corps principal, carénées en forme d'ailes avec des dimensions spécifiques; Deux turbines contrarotatives tournant chacune dans une direction opposée, composées chacune de deux pales ou plus, connectées à deux générateurs électriques assemblés dans les logements prévus à cet effet situés aux extrémités des deux traverses latérales; Deux diffuseurs, montés autour des deux turbines, ayant une forme spécifique permettant de démultiplier la force du flux actif des eaux sur les pales avec l'adjonction de lamelles autour des diffuseurs. Un treuil installé au fond du corps principal de la coque ; le tambour du treuil est monté dans une section inondée ; Un bloc d'ancrage, posé sur le fond marin, ayant une forme et un poids suffisant pour retenir la station, y compris en situation de totale immersion et sous l'effet de la poussée maximum du courant du lieu sélectionné; Un câble d'amarrage, relié au treuil par une extrémité et par l'autre extrémité au bloc d'ancrage ; Un câble électrique permettant de connecter les générateurs électriques au réseau électrique terrestre ; le câble électrique court le long du câble d'ancrage; il est généralement composé de plusieurs polarités pour permettre la circulation de l'énergie dans les deux sens : de la station vers le réseau terrestre et du réseau terrestre vers la station; de plus, dans le coeur du câble électrique se trouve un câble en fibre optique permettant de transmettre une double circulation des données, en voie descendante, les données d'analyse opérationnelle et l'état de fonctionnement de la station, en voie ascendante, les données de commande et de pilotage adressées à la station ; Une chaîne de sécurité qui, en cas de rupture accidentelle du câble d'ancrage, permet à la station de remonter à la surface en restant à proximité de la zone d'installation choisie ; Des traverses en forme d'aile, un empennage renversé et ailettes qui, en présence de forts courants, créent une poussée vers la surface ; cette poussée ajoutée à la poussée de flottaison, évite que la station, objet de la présente invention, soit entrainée vers le fond ; de plus, les profils ailés des traverses s'opposent à d'éventuels déséquilibres causés par des mouvements inattendus de roulis, tangage et embardées ; Une nageoire ventrale antérieure soudée au corps principal, par laquelle est relié le câble d'amarrage ; La station électrique décrite par la présente invention sera connectée à: Une station de collecte des données les rendant disponibles via une connexion Internet permettant d'effectuer des opérations de contrôle et de maintenance à distance; Les éléments composant la station électrique conforme à la présente invention sont assemblés sur un chantier naval facilitant l'opération de mise à l'eau et le remorquage sur le lieu 10 sélectionné. La mise en service se déroule suivant les phases suivantes : Mise à l'eau du bloc d'ancrage qui, grâce à sa propriété de type coque flottante, flotte sur la surface de la mer ; la station et ce bloc sont reliés ensemble par un câble d'ancrage (enroulé autour du treuil de la station), une chaîne de sécurité et un câble électrique; Remorquage du bloc et de la station jusqu'au site 15 choisi en utilisant un remorqueur; le câble électrique est d'une longueur suffisante pour lui permettre de relier la station au réseau électrique terrestre, il se déroule progressivement à partir d'une bobine installée sur le remorqueur; Remplissage partiel avec de l'eau de mer du bloc d'ancrage, jusqu'à un niveau permettant de l'alourdir pour supprimer l'effet de flottaison et l'immerger jusqu'au fond, le bloc emporte avec lui le câble d'ancrage qui, enroulé autour du 20 treuil situé à l'intérieure de la station, se déroule au fur et à mesure de la descente; Une fois posé sur le fond la totalité de l'air présent dans le bloc s'évacue pour laisser l'eau le remplir; Retour du remorqueur au port, connexion du câble électrique au réseau terrestre de transformation qui recevra l'électricité produite par la station; Mise en fonctionnement du treuil qui tend le câble d'amarrage permettant le positionnement de la station à la profondeur choisie; 25 Mise en service de la station et début du cycle de production d'énergie électrique. De façon naturelle et par sa conception, la station flotte sur la surface de l'eau; dès lors que le treuil est actionné, la station est entrainée sous la surface de l'eau ; La forme et les dimensions de la coque, grâce à l'emplacement du treuil à l'intérieure de la nageoire ventrale antérieure permettent d'assurer une position parfaitement horizontale de la station, quelque soit la force 30 des courants ou même l'absence de courant, la coque de la station, sous l'effet des courants, reçoit une poussée vers le bas à une profondeur qui varie en fonction de la vitesse de ces courants, l'axe principale de la station s'oriente de manière parallèle à la direction des courants et les turbines commencent à tourner, transformant une partie de l'énergie cinétique en énergie mécanique; la présence des diffuseurs de flux facilite le début de la rotation des turbines à un 35 faible niveau de vitesse du courant (< 0,8 m/s), et augmente le coefficient de conversion de l'énergie. Les diffuseurs de flux permettent aussi d'augmenter la vitesse de rotation des pales et donc de réduire le rapport entre le nombre de tours des turbines et la taille des générateurs électriques installés en prise directe. Le mouvement des turbines, à rotation contrarotative permet de contrer la poussée naturelle qui s'exerce sur l'ensemble de la structure et les turbines peuvent ainsi fournir de l'énergie au générateur avec une contrainte moindre.

La station électrique est activée par un courant d'eau et comprend des diffuseurs et un système de manoeuvre à distance. Elle peut se présenter selon deux configurations avec l'utilisation d'un ou deux câbles d'amarrage selon le lieu des sites choisis et la nature des courants marins. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit réalisée sur la base des dessins annexés dans lesquels: La figure 1 montre par une vue isométrique l'ensemble du dispositif objet de la présente invention. La figure 2 montre le même dispositif connecté au réseau électrique situé à terre ; La figure 3 illustre les parties que l'on trouve à l'intérieure du corps principal de station ; La figure 4 montre une variante simple de la configuration standard, obtenue par la présence de deux câbles d'amarrage ; La figure 5 illustre l'utilisation d'un double treuil nécessité par la rétention de la station par deux câbles d'amarrage ; La figure 6 montre la position adoptée par la station lorsque qu'elle est retenue par deux câbles d'amarrage et sous l'effet de la poussée exercée par un courant de direction opposée au courant initial ; La figure 7 montre l'emplacement où se trouve le générateur électrique permettant de transformer l'énergie cinétique en électricité ; Les figures 8, 9, 10, 11, 12 et, 13 montrent les vues de face, du dessus et de côté du dispositif objet de la présente invention, dans les deux configurations d'amarrage, avec un, puis deux câbles d'amarrage ; La figure 14 illustre le diffuseur doté du slat (élément composé de lamelle) ; La figure 15 illustre le diffuseur sans le slat, La figure 16 illustre une section du couple stat/diffuseur ce qui permet de rendre compte de leur position respective ; La figure 17 montre l'utilisation d'un anneau d'ancrage fixé à un plot lui-même ancré sur le fond marin en remplacement de l'utilisation d'un poids mort ; Les figures 18 et 19 illustrent les filets d'eau en amont et en aval des turbines dans leur version entubée du diffuseur et sans diffuseur. Les figures 1, 2, 3, 8, 9, et 10 mettent en évidence la présente invention dans sa configuration standard ; tandis que les figures 4, 5, 6, 11, 12, et 13 montrent les parties composant la présente invention dans une configuration différente, avec deux câbles d'amarrage.

En faisant référence tout particulièrement à la Figure 1, la configuration 1 est essentiellement composée des éléments suivants : Une coque flottante (1), de forme similaire à un squale ou torpille pour minimiser la résistance hydrodynamique ; la coque est remplie d'un gaz inerte sous pression, dont la fonction est de s'opposer à la pression externe provoquée par la profondeur d'immersion. Une partie de la coque est un compartiment étanche, où seront logés l'ensemble des instruments d'acquisition des données de contrôle, de télémaintenance, de connexion électrique, les batteries d'alimentation du système de manoeuvre autonome et tout autre élément électrique. Deux traverses latérales (3), possédant des caractéristiques structurelles précises, reliées symétriquement au corps principal, et ayant un profil ailé carénées selon des spécifications propres. Un plan de queue (11) à empennage renversé dont la fonction est de permettre à la fois la stabilité longitudinale, et latérale-directionnelle de la station, et par ailleurs, son orientation longitudinale (par rapport à l'axe de tangage) et latérale-directionnelle. Deux turbines contrarotatives (4) dotées de deux ou plus de pales reliées à deux générateurs électriques, et assemblées symétriquement sur les flancs de la coque flottante. Deux diffuseurs (5), complétés du Slat élément à lamelles, fixés à la structure entourant les turbines. Un câble d'amarrage (8), dont une des extrémités est fixée au système d'ancrage. Un poids mort (7), posé sur le fond marin, d'une forme et d'un poids suffisant pour permettre de retenir la coque une fois immergée sous la surface de l'eau et sous l'effet de la poussée du courant d'intensité maximum sur le site sélectionné. Lorsque cela est possible, le poids mort sera remplacé par un anneau d'amarrage ancré sur le fond marin. Une chaîne de sécurité (10) qui, en cas de rupture soudaine du câble d'amarrage, permet à la station de remonter à la surface sans qu'elle s'éloigne de son lieu d'immersion. Un câble électrique (9) qui permet de connecter les générateurs électriques au réseau d'électricité ; ce câble électrique court le long du câble d'amarrage ; il est généralement composé de plusieurs polarités pour permettre le passage de l'électricité vers la terre, ou en sens inverse, de la terre vers la station ; dans le noyau du câble électrique une fibre optique y est prévue pour le transport bidirectionnel des données de direction, les données de fonctionnement ou de dysfonctionnement de la station. En faisant référence à la Figure 7, la présente invention, dans sa configuration 1, est composée des principaux éléments suivants : Une coque principale flottante (1) ; Les pales (4) ; Les diffuseurs (5) ; Le câble d'ancrage (8) ; Le câble électrique (9) ; La chaîne de sécurité (10) ; Les Slat - éléments à lamelles (11) ; La structure de logement (21) des éléments suivants : L'arbre (22), Les joints de garniture (23), les coussinets (radiaux et de soutien) (24), Le couplage (25), le multiplicateur de tours (26), le générateur d'électricité (27), le câble électrique de puissance (28), le circuit de refroidissement (29), le câble d'encodage (30). La Figure.4 représente une légère variante de la station par rapport à celle représentée dans la Figure1. En effet, la station est ancrée à un poids mort par le biais de deux câbles d'amarrage reliés à deux nageoires ventrales antérieures soudées symétriquement sur les flancs du corps principal. Le système d'amarrage ainsi composé de deux câbles représente un système passif évitant leur entrelacement et remplace le système de contrôle automatique de la position; tous les autres composants restent les mêmes.

En présence d'un courant d'eau de faible intensité (à peine supérieure à 0,2 m/s) la station tourne sur son axe principal suivant la direction du courant dominant ; sous l'effet de la rotation, les deux câbles se croisent et forment un « X » comme l'illustre la Figure.6 ; dès que le courant d'eau diminue d'intensité pour atteindre une valeur inférieure à 0,2 m/s, en raison de la double tension créée par les deux câbles sur les nageoires ventrales antérieures, la station effectue une rotation sur son axe principal en sens inverse, en s'orientant dans la direction originelle. Ce système permet d'éviter l'entrelacement de la chaîne de sécurité avec le câble électrique; ainsi, le système opère de manière passive la même action que celle réalisée par le système de contrôle automatique illustré par le paragraphe précédent; toutefois ce système antientrelacement ne remplace pas la fonction de pré alignement de la station avec un courant d'eau qui serait en formation. Ce système comporte donc la présence de deux câbles avec un double treuil permettant l'enroulement des deux câbles, illustré dans la Figure 5. En faisant tout particulièrement référence à la Figure 4, la configuration 2 est adaptée pour la présence de courants d'eau plus intenses. A part le dispositif de double câble, les composants de la station restent les mêmes que dans la configuration précédente. La présente demande de brevet introduit une dernière innovation pour faciliter l'ancrage de la station au fond et, par voie de conséquence, réduire le coût de l'opération d'ancrage de la station sur le site choisi. L'innovation est caractérisée par l'utilisation d'un bloc d'ancrage auto-submersible tel qu'illustré par la figure 20. Le bloc d'ancrage est constitué d'un corps creux, flottant, de dimension et d'un poids adéquat afin de lui permettre de flotter, d'un tuyau propulsant de l'air pour assurer l'évacuation de l'eau (31) et un tuyau d'aspiration de l'air assurant le remplissage en eau (32), ainsi que 4 pieux (33) assurant la stabilisation de l'ancrage en présence de fonds marins sableux. Ainsi, tel qu'illustré dans les figures 21 - 22 -23 et 24, le bloc d'ancrage est remorqué par voie maritime en même temps que la station. Une fois relié au site d'ancrage prévu, le bloc d'ancrage est partiellement rempli d'eau de mer, jusqu'à un niveau suffisant, permettant de commencer sa descente vers les fonds marins. Le câble d'ancrage, le câble électrique et la chaine de sécurité préalablement fixés au bloc se déroulent au fur et à mesure en accompagnant la descente du dit bloc. Lorsque le bloc d'ancrage atteint le fond marin, il se remplit complètement d'eau de mer et s'alourdit considérablement, ce qui va lui permettre d'ancrer solidement la station dans la zone choisie même en présence de forts courants. Selon les caractéristiques géologiques du fond marin (roche, sable, vase,...) il sera nécessaire ou non de planter autour de la base du bloc d'ancrage, des pieux de formes et de longueurs appropriés permettant ainsi de fixer le bloc pour prévenir tout déplacement par glissement inattendu. Une fois le bloc installé sur le fond marin, le treuil (20) est actionné pour enrouler le câble (8) qui le relie au bloc afin d'entrainer la station vers le fond jusqu'à la profondeur choisie. A noter qu'en présence d'un fond marin idoine, il sera possible de privilégier une solution d'ancrage fixe au moyen d'un anneau vissé dans le plancher marin Figure 17; Le câble d'amarrage (8), le câble électrique (9) et le câble de sécurité (10) seront reliés à l'anneau d'ancrage fixé au fond. La Figure 20 représente le corps d'encrage en forme pyramidale en béton armé qui comprend quatre caissons en acier. Les quatre chambres en acier sont reliées entre elles à leur base et au sommet de la pyramide. Comme l'illustre la Figure 20, les quatre canaux situés à la base sont connectés à un tube servant à pomper l'eau à l'intérieur (31) ; tandis que les quatre canaux au sommet sont connectés à un autre tube servant à évacuer l'air (32). Les actions consistant à ajouter de l'air ou à l'évacuer entraînent automatiquement soit l'évacuation de l'eau, soit le remplissage du bloc en eau de mer. Les applications industrielles d'une telle invention sont multiples et ont l'avantage de représenter un coût de fabrication, installation et maintenance relativement bas par rapport aux hydroliennes traditionnelles. D'un point de vue écologique, ce dispositif crée de l'énergie renouvelable sans détériorer les fonds marins. En outre, il permet de capter un courant assez faible et de fournir de l'énergie bon marché dans les pays émergents possédant des grands fleuves ou le long de leurs côtes lorsqu'il y des marées.

Les principales caractéristiques de l'invention peuvent être synthétisées comme suit : - Station de génération électrique, activée par des courants d'eau en mouvement comme ceux des marées, océans, ou grands fleuves, constituée d'une coque flottante, d'un bloc d'ancrage et relié au réseau électrique terrestre (8) (9), la dite coque flottante est composée d'un corps principal étanche (1), comprenant sur chaque flancs de façon symétrique, une structure en métal et en forme d'ailes (3) portant à son extrémité un logement étanche contenant un générateur d'électricité (27) alimenté par la puissance produite par deux turbines contre-rotatives comprenant deux pâles ou plus chacune (4), la dite coque flottante en forme de fuselage avec un empennage renversé (11) est d'une dimension suffisante afin de permettre la flottaison de toute la machine en minimisant la résistance hydrodynamique, à l'intérieure de la dite coque se trouve un treuil (20), autour duquel s'enroule un câble d'amarrage dont l'extrémité est fixée à un bloc d'ancrage posé au fond (7), ce bloc doit avoir un poids suffisant pour amarrer la coque totalement immergée sous l'eau et soumise à l'intensité maximum des courants du site, si bien que fixée avec un câble d'amarrage unique (8), la machine conserve un équilibre de flottaison parfait grâce aux effets combinés de la résistance du câble d'amarrage et du courant qui agissent sur son centre de gravité en lui permettant de tourner sur son axe en fonction de l'orientation du courant, de plus grâce à sa forme spécifique le dispositif reste aligné horizontalement malgré le tangage et le roulis, autour de chaque turbine un mélangeur de flux (5) est installé, dénommé diffuseur, cette partie en forme de type réacteur d'avion permet d'augmenter le flux du courant vers les pales de la turbine améliorant ainsi la puissance de conversion de l'énergie produite et transformée par les générateurs électriques installés à l'intérieur de la coque étanche, puis acheminée à terre par un câble électrique longeant le câble d'ancrage (9), prolongeant son cheminement sur le fond marin jusqu'au réseau de distribution terrestre. - Station de production d'énergie électrique caractérisée en ce que la coque flottante est composée de trois sections, voir plus, dont la principale est centrale (1), rendue totalement étanche, accessible à l'homme par une trappe (18), permettant de loger les équipements électromécaniques, tandis que les sections périphériques (2), à la proue et à la poupe avec un empennage renversé, agissent comme des flotteurs grâce à la mousse polymériques (19) remplissant ces parties de la coque, permettant ainsi la flottaison du dispositif dans sa totalité, même en cas d'inondation accidentelle de la partie centrale. - Station de production d'énergie électrique activée par des courants d'eau caractérisée en ce que la structure métallique est composée de tiges elliptiques, circulaires, carrées ou de toute autre forme et que sur cette structure se trouvent deux turbines au minimum et chacune est équipée d'un diffuseur (5) et d'un Slat (11), élément à lamelles. - Station de génération électrique, suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'à la base de chaque diffuseur et selon une position précise, un second diffuseur est assemblé sur le premier. Ce second diffuseur est appelé « Slat » (11) (élément à lamelles), il a une dimension inférieure au premier et permet d'augmenter les flux d'eau vers les turbines et d'accroitre la puissance de conversion de l'énergie cinétique ; - Station de production d'électricité caractérisée en ce que le bloc d'ancrage est auto- submersible, du fait de sa structure creuse et remplie d'air, Il a un poids et un volume adéquat pour lui permettre de flotter. Le corps creux du bloc contient quatre compartiments pouvant être remplies d'eau. Lorsque ces compartiments commencent à se remplir d'eau, le bloc s'alourdit suffisamment pour lui permettre de ne plus flotter et couler sous la surface de l'eau. Il est relié par un câble au treuil se trouvant à l'intérieure de la machine, ce qui permet de freiner la vitesse de descente du bloc vers le fond. Une fois positionné au fond, ce bloc se remplit complètement d'eau afin d'atteindre un poids suffisant permettant d'ancrer solidement la machine, même sous l'effet de courants de fortes intensités. - Station de production d'électricité caractérisée en ce que le bloc d'ancrage auto-submersible (7), revêt une forme pyramidale, le rendant stable en phase de descente et composé de matériaux tels que l'acier, le béton armé ou tout autre matériau possédant des caractéristiques similaires aux matériaux précités. - Station de génération électrique caractérisée en ce qu'en solution de substitution au bloc d'ancrage, le câble d'amarrage est fixé à un anneau rotatif (tourniquet) enfilé à un piquet scellé sur le fond marin (sableux ou rocheux), ou encore un ancrage composé d'un point de fixation unique scellé sur le fond marin (Figure 17). - Station de production d'énergie électrique caractérisée en ce que l'intérieure de la coque flottante est équipée d'un système de pilotage automatique permettant de positionner automatiquement la machine à une profondeur optimale déterminée à partir de la collecte de données relatives aux courants aux moyens de capteurs spécifiques tels que ADCP (14) (acoustic doppler current profiler), capteur de pression (15), hélices de mesure de l'intensité du courant, ainsi qu'une série de capteurs logés sur l'extérieur de la coque indiquant le niveau de pression et la vitesse du courant en amont et en aval, l'ensemble de ces données sont transmises à une base de données spécifiques interprétées par un programme informatique développé sur mesure dans le but d'établir, à intervalles réguliers, la profondeur optimale à laquelle la machine doit se situer et d'actionner automatiquement la mise en fonction du treuil interne qui permet de positionner la machine à la profondeur requise. - Station de production d'énergie électrique caractérisée en ce que l'intérieure de la coque flottante est équipée d'un système de contrôle automatique de sa direction /orientation (SAD) aux moyens de capteurs collectant les valeurs émises par la boussole magnétique (16) et la plateforme d'inertie, installées dans le compartiment étanche (17) neutre, suffisamment éloignées de l'influence des composants en métal du dispositif afin d'éviter les erreurs d'indication de la position du dispositif par rapport à l'angle magnétique de la terre, l'ensemble de ces données sont transmises à une base de données et un programme informatique calculant à intervalles réguliers tant l'orientation du dispositif que la direction du courant dominant, le même programme informatique, en situation de courant d'intensité nulle ou faible et selon la vitesse de rotation des turbines, active un signal électromécanique déclenchant la mise en mouvement d'une ou des turbines afin d'orienter la machine dans le sens du courant choisi tout en décroisant le câble électrique avec le câble d'ancrage. Une fois l'orientation appropriée atteinte, le même programme informatique, composé d'une base de données relative aux cycles des courants du site, active un signal électromécanique permettant, aux moyens d'une source d'énergie extérieure (courant électrique provenant de la station terrestre) de déclencher la rotation des turbines quelques secondes avant le moment où le courant atteint un niveau d'intensité suffisant pour mettre en oeuvre la rotation des turbines par cette seule force. La mise en mouvement des turbines par cette source d'électricité externe permet d'atteindre plus rapidement la vitesse de rotation nécessaire à la conversion d'énergie cinétique en énergie électrique. Lorsque la vitesse de rotation des turbines atteint une valeur déterminée, proche de la limite maximale du générateur électrique, un système de frein permet de maintenir cette vitesse sous le seuil maximum. La rotation des turbines est ainsi asservie au système de contrôle automatique, pour permettre la mise en mouvement des turbines en situation de courants faibles et pour contrôler la vitesse de rotation en situation de courants forts.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Station de génération électrique, activée par des courants d'eau en mouvement comme ceux des marées, océans, ou grands fleuves, constituée d'une coque flottante, d'un bloc d'ancrage et relié au réseau électrique terrestre (8) (9), la dite coque flottante est composée d'un corps principal étanche (1), comprenant sur chaque flancs de façon symétrique, une structure en métal et en forme d'ailes (3) portant à son extrémité un logement étanche contenant un générateur d'électricité (27) alimenté par la puissance produite par deux turbines contre-rotatives comprenant deux pâles ou plus chacune (4), la dite coque flottante en forme de fuselage avec un empennage renversé (11) est d'une dimension suffisante afin de permettre la flottaison de toute la machine en minimisant la résistance hydrodynamique, à l'intérieure de la dite coque se trouve un treuil (20), autour duquel s'enroule un câble d'amarrage dont l'extrémité est fixée à un bloc d'ancrage posé au fond (7), ce bloc doit avoir un poids suffisant pour amarrer la coque totalement immergée sous l'eau et soumise à l'intensité maximum des courants du site, si bien que fixée avec un câble d'amarrage unique (8), la machine conserve un équilibre de flottaison parfait grâce aux effets combinés de la résistance du câble d'amarrage et du courant qui agissent sur son centre de gravité en lui permettant de tourner sur son axe en fonction de l'orientation du courant, de plus grâce à sa forme spécifique le dispositif reste aligné horizontalement malgré le tangage et le roulis, autour de chaque turbine un mélangeur de flux (5) est installé, dénommé diffuseur, cette partie en forme de type réacteur d'avion permet d'augmenter le flux du courant vers les pales de la turbine améliorant ainsi la puissance de conversion de l'énergie produite et transformée par les générateurs électriques installés à l'intérieur de la coque étanche, puis acheminée à terre par un câble électrique longeant le câble d'ancrage (9), prolongeant son cheminement sur le fond marin jusqu'au réseau de distribution terrestre.
2. 2. Station de production d'énergie électrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la coque flottante est composée de trois sections, voir plus, dont la principale est centrale (1), rendue totalement étanche, accessible à l'homme par une trappe (18), permettant de loger les équipements électromécaniques, tandis que les sections périphériques (2), à la proue et à la poupe avec un empennage renversé, agissent comme des flotteurs grâce à la mousse polymériques (19) remplissant ces parties de la coque, permettant ainsi la flottaison du dispositif dans sa totalité, même en cas d'inondation accidentelle de la partie centrale.
3. 3. Station de production d'énergie électrique activée par des courants d'eau suivant la revendication 1 caractérisée en ce que la structure métallique est composée de tiges elliptiques, circulaires, carrées ou de toute autre forme et que sur cette structure se trouvent deux turbines au minimum et chacune est équipée d'un diffuseur (5) et d'un Slat (11), élément à lamelles.
4. 4. Station de génération électrique, suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'à la base de chaque diffuseur et selon une position précise, un second diffuseur est assemblé sur le premier. Ce second diffuseur est appelé « Slat » (11) (élément à lamelles), il a une dimension inférieure au premier et permet d'augmenter les flux d'eau vers les turbines et d'accroitre la puissance de conversion de l'énergie cinétique ;
5. 5. Station de production d'électricité suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le bloc d'ancrage est auto-submersible, du fait de sa structure creuse et remplie d'air, Il a un poids et un volume adéquat pour lui permettre de flotter. Le corps creux du bloc contient quatre compartiments pouvant être remplies d'eau. Lorsque ces compartiments commencent à se remplir d'eau, le bloc s'alourdit suffisamment pour lui permettre de ne plus flotter et couler sous la surface de l'eau. Il est relié par un câble au treuil se trouvant à l'intérieure de la machine, ce qui permet de freiner la vitesse de descente du bloc vers le fond. Une fois positionné au fond, ce bloc se remplit complètement d'eau afin d'atteindre un poids suffisant permettant d'ancrer solidement la machine, même sous l'effet de courants de fortes intensités.
6. 6. Station de production d'électricité suivant les revendications 1 et 5, caractérisée en ce que le bloc d'ancrage auto-submersible (7), revêt une forme pyramidale, le rendant stable en phase de descente et composé de matériaux tels que l'acier, le béton armé ou tout autre matériau possédant des caractéristiques similaires aux matériaux précités.
7. 7. Station de génération électrique suivant la revendication 1 caractérisée en ce qu'en solution de substitution au bloc d'ancrage, le câble d'amarrage est fixé à un anneau rotatif (tourniquet) enfilé à un piquet scellé sur le fond marin (sableux ou rocheux), ou encore un ancrage composé d'un point de fixation unique scellé sur le fond marin (Figure 17).
8. 8. Station de production d'énergie électrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'intérieure de la coque flottante est équipée d'un système de pilotage automatique permettant de positionner automatiquement la machine à une profondeur optimale déterminée à partir de la collecte de données relatives aux courants aux moyens de capteurs spécifiques tels que ADCP (14) (acoustic doppler current profiler), capteur de pression (15), hélices de mesure de l'intensité du courant, ainsi qu'une série de capteurs logés sur l'extérieur de la coque indiquant le niveau de pression et la vitesse du courant en amont et en aval, l'ensemble de ces données sont transmises à une base de données spécifiques interprétées par un programme informatique développé sur mesure dans le but d'établir, à intervalles réguliers, la profondeur optimale à laquelle la machine doit se situer et d'actionner automatiquement la mise en fonction du treuil interne qui permet de positionner la machine à la profondeur requise.
9. 9. Station de production d'énergie électrique suivant les revendication 1 et 8, ou selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que l'intérieure de la coque flottante estéquipée d'un système de contrôle automatique de sa direction /orientation (SAD) aux moyens de capteurs collectant les valeurs émises par la boussole magnétique (16) et la plateforme d'inertie, installées dans le compartiment étanche (17) neutre, suffisamment éloignées de l'influence des composants en métal du dispositif afin d'éviter les erreurs d'indication de la position du dispositif par rapport à l'angle magnétique de la terre, l'ensemble de ces données sont transmises à une base de données et un programme informatique calculant à intervalles réguliers tant l'orientation du dispositif que la direction du courant dominant, le même programme informatique, en situation de courant d'intensité nulle ou faible et selon la vitesse de rotation des turbines, active un signal électromécanique déclenchant la mise en mouvement d'une ou des turbines afin d'orienter la machine dans le sens du courant choisi tout en décroisant le câble électrique avec le câble d'ancrage. Une fois l'orientation appropriée atteinte, le même programme informatique, composé d'une base de données relative aux cycles des courants du site, active un signal électromécanique permettant, aux moyens d'une source d'énergie extérieure (courant électrique provenant de la station terrestre) de déclencher la rotation des turbines quelques secondes avant le moment où le courant atteint un niveau d'intensité suffisant pour mettre en oeuvre la rotation des turbines par cette seule force. La mise en mouvement des turbines par cette source d'électricité externe permet d'atteindre plus rapidement la vitesse de rotation nécessaire à la conversion d'énergie cinétique en énergie électrique. Lorsque la vitesse de rotation des turbines atteint une valeur déterminée, proche de la limite maximale du générateur électrique, un système de frein permet de maintenir cette vitesse sous le seuil maximum. La rotation des turbines est ainsi asservie au système de contrôle automatique, pour permettre la mise en mouvement des turbines en situation de courants faibles et pour contrôler la vitesse de rotation en situation de courants forts.
10. 10. Station de production d'énergie électrique suivant la revendication 1 et 5 ou selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que la coque flottante puisse être amarrée au bloc d'ancrage par deux câbles (8) fixés symétriquement sur les flancs de la coque de telle sorte que, en présence de courants de forte intensité, la machine tourne sur elle-même pour s'orienter systématiquement et automatiquement dans le sens du courant, et revient à sa position initiale lorsque l'intensité du courant faiblit sous l'effet de la force de torsion qui s'exerce sur les deux câbles.