FR3140138A1

FR3140138A1 - Centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale

Info

Publication number: FR3140138A1
Application number: FR2209753A
Authority: FR
Inventors: Jacques Ortega
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-03-29

Abstract

Centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale, comportant un organe tournant, adapté à être entrainé en rotation par ledit écoulement de liquide, et un organe de conversion de l’énergie cinétique de l’organe tournant, ainsi que : – une passe de déflexion (8) délimitée par des parois verticales de déflexion (9) s’étendant obliquement de part et d’autre de la direction d’écoulement (5) ; et – une passe centrale d’accélération (10) délimitée par des parois verticales de canalisation (11) s’étendant dans ladite direction d’écoulement (5), et raccordée en aval de la passe de déflexion (8). L’organe tournant comporte de plus : – un module cylindrique flottant (6) muni de pales radiales (7), disposé dans la passe centrale d’accélération (10) ; et – un support de rotation pour le module cylindrique flottant (6), ce support de rotation étant librement mobile verticalement. Figure pour l’abrégé : Fig.3

Description

Centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale

L’invention concerne le domaine de la production d’énergie à partir d’énergies renouvelables, et concerne plus particulièrement la production d’une énergie exploitable, telle que l’énergie électrique, à partir de la conversion d’énergie hydraulique fluviale.

ART ANTÉRIEUR

Il existe une nécessité pour chaque pays de varier son bouquet énergétique en incluant davantage d’énergies renouvelables (ENR) telle que les énergies provenant du soleil, du vent, de la chaleur de la terre, des chutes d’eau, des marées, etc. Ces sources d’énergie considérées comme inépuisables à l’échelle du temps humain n’engendrent pas ou peu de déchets ou d’émissions polluantes. Elles se distinguent des énergies fossiles polluantes et dont les stocks diminuent. Ces énergies renouvelables sont de plus résilientes, notamment en cas de crise.

Il existe de nombreux moyens permettant de convertir des énergies renouvelables, notamment les énergies hydrauliques. Ces moyens sont adaptés à convertir l’énergie relative à l’écoulement d’un liquide dans un chenal suivant une direction d’écoulement, et comportent un organe tournant adapté à être entrainé en rotation par cet écoulement de liquide, ainsi qu’un organe de conversion de l’énergie cinétique de l’organe tournant, tel qu’un alternateur.

Parmi ces moyens, il existe des centrales de conversion d’énergie hydraulique à turbines associées à des barrages, adaptées à convertir l’énergie potentielle de masses d’eau captives dans le barrage. Ces centrales de conversion sont considérées comme fournissant une énergie électrique parmi les plus propres et sures. Cependant, elles requièrent des œuvres de génie civil imposantes et couteuses pour la réalisation des barrages. De plus, la création de grands réservoirs trouble l’écosystème en inondant de vastes étendues de terres, affecte le débit d’eau en aval, perturbe le mouvement des sédiments, en favorisant l’érosion des berges. Par ailleurs, la quantité de ces centrales est limitée par la disponibilité de lieux géographiquement aptes à de telles installations. Dans de nombreux pays, la plupart des lieux exploitables pour de telles centrales hydraulique ont déjà été équipés. Enfin, la disponibilité de telles centrales est limitée par des périodes de remplissage du réservoir créé par le barrage, qui peuvent être conséquentes.

Par ailleurs, par le passé, d’anciens moulins ou moteurs hydrauliques étaient équipés de roues à aubes qui étaient peu intrusifs dans l’écosystème, mais qui présentaient un rendement médiocre.

l’invention a pour but d’améliorer les centrales de conversion d’énergie hydraulique de l’art antérieur.

À cet effet, l’invention vise une centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale, adaptée à convertir l’énergie relative à l’écoulement d’un liquide dans un chenal suivant une direction d’écoulement, cette centrale de conversion comportant un organe tournant, adapté à être entrainé en rotation par ledit écoulement de liquide, et un organe de conversion de l’énergie cinétique de l’organe tournant. Cette centrale de conversion comporte également :
– une passe de déflexion délimitée par des parois verticales de déflexion s’étendant obliquement de part et d’autre de la direction d’écoulement, entre une section d’entrée et une section de sortie, la section de sortie étant d’une largeur inférieure à la largeur de la section d’entrée ;
– une passe centrale d’accélération délimitée par des parois verticales de canalisation s’étendant sensiblement dans ladite direction d’écoulement, la passe centrale d’accélération étant raccordée à la section de sortie de la passe de déflexion, en aval de la passe de déflexion.

De plus, l’organe tournant comporte :
– un module cylindrique flottant muni de pales radiales, disposé dans la passe centrale d’accélération ; et
– un support de rotation pour le module cylindrique flottant, ce support de rotation étant librement mobile verticalement.

Une telle centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale permet de tirer parti de l’écoulement d’un liquide dans un chenal, par exemple un cours d’eau tel qu’une rivière ou un fleuve. La centrale de conversion selon l’invention fait partie des dispositifs de conversion au fil de l’eau et est active en permanence, tant que l’eau s’écoule dans le cours d’eau.

Grâce à une augmentation de la vitesse et du niveau de l’eau procurée par la passe de déflexion, suivie de la création d’un écoulement laminaire à altitude calibrée se formant dans la passe centrale d’accélération, et de l’action du module cylindrique flottant, la centrale de conversion selon l’invention garantit un important rendement en comparaison des systèmes historiques à aubes.

Ce rendement est associé à la haute disponibilité de la centrale, qui produit de l’énergie de jour comme de nuit, dans un très large registre de conditions climatiques, de sorte que la centrale selon l’invention présente une production élevée et continue d’énergie.

La quantité instantanée d’énergie produite par une centrale selon l’invention, sur une portion de cours d’eau, n’est pas comparable à la production d’une centrale de grande envergure selon l’art antérieur. Cependant, ce mode de production d’énergie est plus local et peut être plus largement déployé, avec une très faible empreinte écologique. Un tel de mode de production d’énergie est plus adapté aux défis à venir, avec au final une production conséquente d’énergie compte tenu de la possibilité de la déployer largement sur un territoire.

La centrale de conversion selon l’invention génère une pollution quasiment nulle et son apparence est relativement peu intrusive visuellement dans le paysage. Les moyens nécessaires pour sa construction relèvent du génie civil et de l’électromécanique relativement simple, avec peu de matériaux difficilement sourçables et quasiment pas de matériaux non recyclables.

Aucun barrage, et donc aucune perturbation associée des écosystèmes, n’est nécessaire pour la mise en place de cette centrale de conversion au fil de l’eau. La centrale de conversion selon l’invention assure la continuité écologique du cours d’eau en permettant la libre circulation des poissons, des limons et de tout autre élément circulant dans l’eau du cours d’eau.

De plus, des passes latérales peuvent être prévues pour les poissons, les embarcations fluviales de loisirs telles que kayaks ou autres bateaux, ce qui réduit quasiment à néant l’impact de la centrale de conversion sur l’écoulement normal du cours d’eau.

La centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :

– les parois verticales de déflexion présentent une hauteur croissante en direction de la passe centrale d’accélération ;

– les parois verticales de déflexion présentent une hauteur au niveau de la section de sortie qui est sensiblement égale au triple de leur hauteur au niveau de la section d’entrée ;

– le support de rotation comporte un axe de rotation du module cylindrique flottant ;

– le support de rotation comporte des tirants mobiles verticalement, ledit axe de rotation étant monté sur les tirants ;

– lesdits tirants sont reliés chacun par l’une de leurs extrémités audit axe de rotation, et par l’autre de leurs extrémités à un palier fixe par rapport à la passe centrale d’accélération ;

– la centrale comporte un élément de transmission entre ledit axe de rotation et le palier d’un des tirants ;

– la centrale comporte un dispositif de compensation de la masse du module cylindrique flottant ;

– la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement, la passe de déflexion présente une largeur, à sa section d’entrée, définissant des passes latérales de part et d’autre de la passe de déflexion ;

– le module cylindrique flottant est adapté à prendre une position de levée dans laquelle il est maintenu par le support de rotation à l’extérieur de la passe centrale d’accélération ;

– les parois verticales de déflexion forment avec la direction d’écoulement un angle extérieur compris entre 100º et 160º ;

– la longueur étant définie comme la dimension suivant la direction d’écoulement et la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement, la passe de déflexion présente une longueur sensiblement égale au double de la largeur de la section de sortie de la passe de déflexion ;

– la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement, le rapport de la largeur de la section d’entrée sur la largeur de la section de sortie de la passe de déflexion est compris entre 2 et 8 ;

– la longueur étant définie comme la dimension suivant la direction d’écoulement et la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement, la passe centrale d’accélération présente une longueur sensiblement égale à la largeur de la section de sortie de la passe de déflexion ;

– les pales radiales du module cylindrique flottant présentent une dimension suivant la direction radiale qui est au moins égale à la hauteur des parois verticales de déflexion au niveau de la section d’entrée de la passe de déflexion ;

– la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement, les pales radiales s’étendent sur toute la largeur du module cylindrique flottant ;

– la largeur du module cylindrique flottant est supérieure aux 3/4 de la largeur de la passe centrale d’accélération ;

– le module cylindrique flottant comporte un cylindre central qui présente une flottabilité positive, les pales radiales étant fixées sur la surface du cylindre central, régulièrement sur tout son pourtour, et les pales radiales présentent chacune un profil semi-circulaire dont le rayon de courbure est centré sur un axe formé par la jonction du cylindre central et de la deuxième pale radiale qui précède la pale radiale considérée, suivant le sens de rotation du module cylindrique flottant ;

– le module cylindrique flottant comporte des sous-modules cylindriques flottants identiques, montés sur un même axe de rotation.

PRÉSENTATION DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

– la , la , la , et la sont des vues d’une centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale installée sur un cours d’eau, selon différentes perspectives ;

– la est une vue de détail de la centrale des figures 1 à 4 ;

– la est une vue en coupe longitudinale de la centrale des figures 1 à 4, avec certaines variantes ;

– la est une vue de dessus de la centrale des figures 1 à 4, avec certaines variantes ;

– la illustre le module cylindrique flottant de la centrale ;

– la est une vue schématique illustrant des exemples de pales radiales pour le module cylindrique flottant ;

– la est une vue de côté du module cylindrique flottant, avec un exemple particulier d’agencement des pales radiales ;

– la illustre une variante avec un module cylindrique flottant comportant des sous-modules cylindriques flottants ;

– la est une vue partielle montrant l’agencement du module cylindrique flottant 6 selon une variante.

Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Les figures 1 à 4 illustrent, selon des perspectives différentes, une centrale 1 de conversion d’énergie hydraulique fluviale selon l’invention. Cette centrale 1 est illustrée dans un exemple de mise en place sur un cours d’eau 2 tel qu’une rivière ou un fleuve. Les figures 6 et 7 illustrent cette même centrale respectivement vue de côté en coupe longitudinale, et vue de dessus.

Dans le présent exemple illustratif, le cours d’eau 2 est un cours d’eau de taille moyenne, avec une largeur d’environ 50 m, un débit moyen de l’ordre de 20 m³/s et une vitesse d’écoulement de l’ordre de 1 m/s. Dans le présent exemple, le niveau d’eau moyen du cours d’eau 2 est de l’ordre de 40 centimètres. La centrale 1 est particulièrement avantageuse pour des cours d’eau de faible profondeur et d’écoulement rapide.

Le cours d’eau 2 est ici bordé de berges 3 qui délimitent un chenal 4 (également appelé « lit ») dans lequel l’eau s’écoule selon une direction d’écoulement 5 (illustrée ).

La centrale 1 comporte, de l’amont vers l’aval (c’est-à-dire dans le sens d’écoulement du cours d’eau 2) :
– une passe de déflexion 8 délimitée par des déflecteurs qui sont ici constitués par deux parois verticales de déflexion 9 exerçant une fonction d’entonnoir pour l’eau s’écoulant dans le cours d’eau 2 ;
– une passe centrale d’accélération 10 formant un couloir rectiligne délimité par deux parois verticales de canalisation 11 qui s’étendent sensiblement dans la direction d’écoulement 5 ;
– un organe tournant adapté à être entrainé en rotation par l’écoulement du cours d’eau 2, et comportant ici un module cylindrique flottant 6 muni de pales radiales 7.

La passe de déflexion 8 est formée par deux parois verticales de déflexion 9, fixées dans le fond du chenal 4, et s’étendant obliquement de part et d’autre de la direction d’écoulement 5, en convergeant vers l’aval. L’écartement entre les parois verticales de déflexion 9 diminue donc dans le sens d’écoulement de l’eau. La passe de déflexion 8 forme ainsi un goulet d’étranglement réduisant progressivement la section d’écoulement pour une partie de l’eau du cours d’eau 2. La passe de déflexion 8 comporte une section d’entrée 12 et une section de sortie 13, cette dernière étant inférieure à la section d’entrée d’un facteur prédéterminé qui dépend du cours d’eau.

Dans le présent exemple, les parois verticales de déflexion 9 de la passe de déflexion 8 forment un angle extérieur β avec la direction d’écoulement 5 (et donc avec les parois verticales de canalisation 11 de la passe centrale d’accélération 10) compris entre 100º et 160º. Cet angle β a de plus été déterminé comme optimal à une valeur de 145º.

Dans le sens aval-amont, les parois verticales de déflexion 9 divergent en s’étendant chacune en direction d’une berge 3, jusqu’à une extrémité amont 14 de la paroi. Dans cet exemple, la passe de déflexion 8 présente une largeur, à sa section d’entrée 12, définissant des passes latérales 15 de part et d’autre de la passe de déflexion 8. Ainsi, l’extrémité amont 14 de chaque paroi verticale de déflexion 9 est implantée à une distance prédéterminée de la berge 3 de manière à former une passe latérale 15 entre chaque berge et la paroi verticale de déflexion 9 correspondante. Dans cet exemple, deux passes latérales 15 d’une largeur de l’ordre de 2 m sont ménagées de part et d’autre de la passe de déflexion 8.

Selon une variante illustrée à la , un séparateur 31 prolonge chaque paroi verticale de déflexion 9 au-delà de l’extrémité amont 14. Ces séparateurs 31 sont formés chacun d’une paroi verticale s’étendant suivant la direction d’écoulement, et permettent une séparation franche des flux partant vers les passes latérales 15 et vers la passe de déflexion 8, et permettent de limiter les zones de turbulence. Les séparateurs 31 ont une longueur sensiblement égale à la largeur des passes latérales 15.

Pour tous les éléments ici décrits :
– la longueur est définie comme la dimension suivant la direction d’écoulement 5 ;
– la largeur est définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement 5.

Ainsi, la largeur de la section d’entrée 12 est de l’ordre de 46 mètres dans cet exemple (la largeur de la section d’entrée 12 correspondant ici à l’écartement des deux extrémités amont 14 des parois verticales de déflexion 9). Le rapport entre la section d’entrée 12 et la section de sortie 13 (coefficient de réduction de section) détermine la réduction de la section d’écoulement de l’eau et détermine donc l’accélération que va subir l’écoulement de l’eau. Le rapport de la largeur de la section d’entrée 12 sur la largeur de la section de sortie 13 est avantageusement situé dans une fourchette allant de 2 à 8. Dans le présent exemple, la largeur de la section de sortie 13 est d’environ 12 m, ce qui correspond à un coefficient de réduction de section de l’ordre de 4 pour la passe de déflexion 8, et donc avec l’accélération par effet Venturi correspondante. Un coefficient de réduction de section de l’ordre de 5 est également intéressant, faisant passer l’écoulement du cours d’eau 2 d’une vitesse de l’ordre de 1 m/s à une vitesse de l’ordre de 5 m/s.

La passe centrale d’accélération 10 est raccordée dans la continuité de la section de sortie 13 de la passe de déflexion 8. Les parois verticales de canalisation 11 s’étendent ainsi en continuité des parois verticales de déflexion 9. Cependant, les parois verticales de canalisation 11 sont quant à elles parallèles entre elles et parallèles à la direction d’écoulement 5. L’écartement des parois verticales de canalisation 11 est égal à la largeur de la section de sortie 13 de la passe de déflexion 8.

Le coefficient de réduction de section défini précédemment correspond donc également au rapport de la largeur de la section d’entrée 12 de la passe de déflexion 8 sur la largeur de la passe centrale d’accélération 10.

Les parois verticales de déflexion 9 et les parois verticales de canalisation 11 sont par exemple réalisées en béton, avec des fondations sous forme de pieux scellés dans le sol.

La centrale 1 comporte de plus une plateforme 16 fixée sur les parois verticales de canalisation 11 de la passe centrale d’accélération 10. La plateforme 16 supporte un bâtiment technique 17 (visible sur les figures 1 à 4) qui abrite un organe de conversion de l’énergie cinétique du module cylindrique flottant 6, et supporte les éléments de maintien du module cylindrique flottant 6. Une passerelle 18 d’accès à la plate-forme 16 peut être prévue. La plateforme 16 est fixée sur les parois verticales de canalisation 11 de la passe centrale d’accélération 10, de sorte qu’elle soit située à au moins deux mètres du niveau d’eau maximal que le cours d’eau 2 peut atteindre.

La est une vue partielle de la centrale 1 sans le bâtiment technique 17, et rend visibles l’organe de conversion d’énergie de la centrale 1 ainsi que les moyens de maintien du module cylindrique flottant 6.

Dans le présent exemple, la centrale 1 converti l’énergie mécanique de l’écoulement du cours d’eau en énergie électrique et l’organe de conversion d’énergie est donc une machine électrique 23 adaptée à convertir l’énergie cinétique relative à la rotation du module cylindrique flottant 6, en énergie électrique.

En référence aux figures 1 et 2 et 6, le module cylindrique flottant 6 comporte un cylindre central 19 qui présente une flottabilité positive, et les pales radiales 7 sont fixées sur la surface du cylindre central 19, régulièrement sur tout son pourtour.

Le module cylindrique flottant 6 est associé à un support de rotation qui lui permet à la fois de tourner et de suivre les variations du niveau d’eau. Le support de rotation est librement mobile verticalement entre différentes positions, qui correspondent à différentes positions verticales du module cylindrique flottant 6, permettant à ce dernier diverses altitudes de flottabilité.

Dans le présent exemple, ce support de rotation comporte un axe de rotation 20 constitué d’un ou plusieurs arbres coaxiaux au cylindre central 19, saillant de part et d’autre des faces d’extrémité du cylindre central 19 et participant à une liaison pivot permettant la rotation du module cylindrique flottant 6 sur lui-même, suivant son axe longitudinal. Le support de rotation comporte de plus deux tirants 21, avec lesquels l’axe de rotation 20 est en liaison pivot par tout moyen connu (grâce à des roulements par exemple). Les tirants 21 sont eux-mêmes montés en liaison pivot avec la plate-forme 16.

Plus précisément, l’axe de rotation 20 est monté sur des paliers à l’une des extrémités de chaque tirant 21, tandis que l’autre extrémité de chaque tirant 21 est montée sur un palier 22 fixé sur la plate-forme 16, et donc sur un élément fixe par rapport à la passe centrale d’accélération 10.

Ainsi, le module cylindrique flottant 6 peut flotter librement à la surface de l’eau du cours d’eau 2 toujours selon la même ligne de flottaison. Le mouvement des tirants 21 accompagne les variations du niveau d’eau.

En référence à la vue de dessus de la , le module cylindrique flottant 6 est disposé dans la passe centrale d’accélération 10 avec son axe de rotation 20 qui est orthogonal à la direction d’écoulement 5. Les dimensions du module cylindrique flottant 6 sont choisies pour que ce dernier occupe la quasi-totalité de la largeur disponible dans la passe centrale d’accélération 10, avec cependant l’espace latéral nécessaire pour le positionnement et la manœuvre des tirants 21 de part et d’autre du module cylindrique flottant 6, ainsi que des éléments de transmission de la rotation du module cylindrique flottant 6.

En référence aux figures 5 et 7, le mouvement de rotation du module cylindrique flottant 6 est transmis à la machine électrique 23 grâce à un élément de transmission 33 entre l’axe de rotation 20 et l’axe du palier 22. La transmission de la rotation du module cylindrique flottant 6 est ainsi permise conjointement à la possibilité de mouvement des tirants 21.

Dans le présent exemple, cet élément de transmission 33 comporte une roue dentée coaxiale avec l’axe de rotation 20, solidaire en rotation du module cylindrique flottant 6, ainsi qu’une chaine de transmission engrenant sur un pignon 24 en liaison pivot sur le palier 22.

Dans l’exemple illustré à la , le pignon 24 est couplé à un autre pignon coaxial dont la rotation est transmise à la machine électrique 23 par une chaine secondaire 25.

La centrale 1 comporte de plus un dispositif de compensation de masse 26 qui permet d’augmenter la flottabilité du module cylindrique flottant 6. Dans l’exemple illustré à la , le dispositif de compensation de masse 26 comporte un charriot 34 monté sur une structure 28 qui est fixée sur les parois verticales de canalisation 11 de la passe centrale d’accélération 10. Un câble 29 mouflé relie les tirants 21 à un contrepoids 30 dont la masse est proche, en restant inférieure, à la masse de l’ensemble formé par le module cylindrique flottant 6 et les tirants 21.

La flottabilité du module cylindrique flottant 6 est ainsi calibrée pour que son enfoncement dans l’eau soit peu supérieur aux dimensions des pales radiales 7. Autrement dit, lorsque le module cylindrique flottant 6 flotte à la surface de l’eau, il s’enfonce dans l’eau d’une valeur légèrement supérieure à la dimension radiale des pales radiales 7. De plus, l’inertie s’opposant au changement d’altitude du module cylindrique flottant 6 sous l’effet d’une variation du niveau d’eau est également réduite par le dispositif de compensation de masse 26.

Les figures 1 à 4 illustrent une variante du dispositif de compensation de masse 26, dans laquelle ce dernier comporte simplement un contrepoids 30 et un jeu de poulies le reliant par un câble 29 directement à une structure solidaire des tirants 21.

Le support de rotation du module cylindrique flottant 6 permet de plus d’extraire le module cylindrique flottant 6 de la passe centrale d’accélération 10 en le plaçant en position de levée (voir position schématisée en pointillés sur la ). Dans le présent exemple, le module cylindrique flottant 6 est mis dans cette position de levée par le dispositif de compensation de masse 26 qui, pour assurer cette fonction supplémentaire, comporte par exemple un galet motorisé 27 permettant, en dehors de la compensation de masse, d’exercer une traction sur les tirants 21. Le module cylindrique flottant 6 est ainsi maintenu par le support de rotation à l’extérieur de la passe centrale d’accélération 10, et est donc désactivé dans cette position de levée, ce qui peut être utile par exemple lors d’une crue, ou d’inondations, afin de laisser passer des débris.

La illustre le module cylindrique flottant 6 seul. Le cylindre central 19 est, dans le présent exemple, un cylindre à section circulaire. Ce cylindre central 19 présente une flottabilité positive par tout moyen adapté. Par exemple, le cylindre central 19 peut être constitué d’un tube hermétiquement clos à ses extrémités, en acier ou en matériau composite, ou rempli d’une mousse à pores fermés. En variante, le cylindre central 19 peut être par exemple réalisé dans un matériau plein, de densité inférieure à celle de l’eau. Ainsi, le cylindre central 19 flotte à la surface de l’eau avec un faible tirant d’eau grâce au dispositif de compensation de masse 26.

Les pales radiales 7 du module cylindrique flottant 6 s’étendent radialement à partir du cylindre central 19 d’une valeur qui est dimensionnée en fonction de la profondeur du cours d’eau 2. Grâce à la passe de déflexion 8 et à la passe centrale d’accélération 10, cette valeur est de préférence supérieure à la profondeur moyenne du cours d’eau, comme expliqué plus loin.

Dans l’exemple de la , les pales radiales 7 sont planes et s’étendent chacune strictement selon une direction radiale à partir du cylindre central 19. Cependant, l’expression « pales radiales » désigne ici des pales adaptées à être entrainées par l’écoulement de l’eau, et qui s’étendent globalement dans la direction radiale mais qui peuvent néanmoins former un angle par rapport à cette direction radiale, et qui ne sont pas forcément planes.

La est une vue schématique en coupe partielle du module cylindrique flottant 8 illustrant diverses alternatives pour les pales radiales 7 :
– une pale radiale 7A plane et s’étendant strictement dans la direction radiale ;
– une pale radiale 7B qui est plane mais inclinée d’un angle α par rapport à la direction radiale. L’angle α est de préférence compris entre 0º et 45º ;
– une pale radiale 7C présentant un rayon de courbure d’une valeur comprise entre 2 fois et quatre fois sa dimension dans la direction radiale. Dans le présent exemple, la pale radiale 7C présente une dimension dans la direction radiale de 0,5 m et son rayon de courbure est de 1,16 m.

Les pales radiales 7 s’étendent sur toute la largeur du module cylindrique flottant 6 et présentent de préférence une dimension dans la direction radiale qui est supérieure à la hauteur moyenne du cours d’eau. Dans le présent exemple où la hauteur moyenne du cours d’eau est d’environ 40 cm, les pales radiales sont dimensionnées avec une dimension radiale d’environ 50 cm.

La complète la en illustrant un exemple d’agencement des pales radiales 7 particulièrement avantageux. La illustre le module cylindrique flottant 6 vu de côté avec ses pales radiales 7 vues de profil, comme sur la . Dans cet exemple, les pales radiales 7 ont un profil semi-circulaire dont le rayon de courbure R est centré sur l’axe A qui est un axe formé par la jonction du cylindre central 19 et de la deuxième pale radiale qui précède la pale radiale considérée (en prenant comme référence le sens de rotation du module cylindrique flottant 6).

Par exemple, sur la , le sens de rotation du module cylindrique flottant 6 est noté S et l’on s’intéresse à une pale radiale particulière notée 7X. La pale radiale 7Y est la deuxième pale radiale qui précède cette pale radiale 7X. Autrement dit, la pale radiale 7X a une pale qui la précède, et cette dernière est elle-même précédée par la pale 7Y. Le terme « précède » fait référence au sens de rotation S, et l’expression « pale radiale qui précède » signifie donc « pale radiale qui se trouve avant, en tournant dans le sens opposé au sens de rotation S ».

La pale radiale 7Y présente un profil semi-circulaire, et s’étend suivant une portion de cylindre dont l’axe est l’axe A et dont le rayon est le rayon est noté R. Le rayon R optimal est compris entre 1 m et 2 m. Dans le présent exemple préféré, il vaut 1,16 m. Ces valeurs permettent d’obtenir un profil de pale radiale 7 qui capte au maximum la force de l’écoulement de l’eau, tout en limitant la quantité d’eau soulevée par la pale radiale lorsqu’elle sort de l’eau durant la rotation du module cylindrique flottant 6.

La illustre également un module cylindrique flottant 6 avec un nombre optimal de 16 pales radiales 7.

La illustre un mode de réalisation particulièrement avantageux de la centrale 1 dans laquelle le module cylindrique flottant 6 est constitué de plusieurs sous-modules cylindriques flottants 6A, 6B, 6C qui sont associés pour former l’organe tournant. Selon ce mode de réalisation, les sous-modules cylindriques flottants 6A, 6B, 6C peuvent être fabriqués en grande série, par exemple à partir de cylindres métalliques fermés et étanches de 3 mètres de diamètre et de 1 à 2 mètres de largeur. Ces sous-modules cylindriques flottants 6A, 6B, 6C sont également équipés de pales radiales 7 s’étendant sur toute leur largeur. Dans l’exemple illustré, trois sous-modules cylindriques flottants 6A, 6B, 6C sont associés pour former le module cylindrique flottant 6, étant entendu que autant de sous-modules cylindriques flottants que nécessaires peuvent ainsi être associés pour former un module cylindrique flottant 6 adapté en largeur à un cours d’eau donné.

Ces sous-modules cylindriques flottants 6A, 6B, 6C sont associés de manière modulaire sur un même axe de rotation 20, en prévoyant un nombre de sous-modules cylindriques flottants 6A, 6B, 6C en fonction de la largeur souhaitée pour le module cylindrique flottant 6 complet, compte tenu des dimensions de la passe centrale d’accélération 10 dans laquelle est implanté ce module cylindrique flottant 6 modulaire. Les pales radiales de chaque sous-module cylindrique flottant 6A, 6B, 6C sont alignées pour former des pales s’étendant sur sensiblement toute la largeur du module cylindrique flottant 6 complet.

Que le module cylindrique flottant 6 soit unique ou modulaire, les pales radiales 7 s’étendent ainsi globalement sur toute la largeur du module cylindrique flottant 6, c’est-à-dire que les pales sont opérantes sur toute cette largeur.

De plus, le module cylindrique flottant 6 occupe un maximum de la largeur disponible dans la passe centrale d’accélération 10. L’écoulement d’eau est ainsi canalisé dans la passe centrale d’accélération 10 pour contribuer presque exclusivement à l’entrainement des pales radiales 7, avec peu de latitude pour contourner les pales radiales 7. De préférence, la largeur du module cylindrique flottant 6 est supérieure aux 3/4 de la largeur de la passe centrale d’accélération 10.

Les longueurs L1 et L2 de la passe de déflexion 8 et de la passe centrale d’accélération 10 doivent respecter des proportions permettant l’accélération progressive de la vitesse d’écoulement d’eau dans la passe de déflexion 8, et la formation d’un écoulement laminaire dans la passe centrale d’accélération 10, avant d’atteindre le module cylindrique flottant.

Les valeurs optimales déterminées par l’inventeur pour le dimensionnement de la centrale 1 sont les suivantes :
– la largeur de la section d’entrée 12 de la passe de déflexion 8 est sensiblement égale à la largeur du chenal 4 diminuée de la largeur des passes latérales 15, ces dernières présentant chacune une largeur correspondant à environ 5 % de la largeur du chenal 4 ;
– la largeur de la section de sortie 13 de la passe de déflexion 8 (et donc la largeur de la passe centrale d’accélération 10 qui est sensiblement égale), est égale environ au 1/4 ou au 1/5 de la largeur de la section d’entrée 12 ;
– la longueur L1 de la passe de déflexion 8 (c’est-à-dire la dimension des parois verticales de déflexion 9 projetée sur la direction d’écoulement 5, voir ) est comprise entre 1,5 et 4 fois la largeur de la section de sortie 13. De manière optimale, cette longueur L1 est sensiblement égale au double de la largeur de la section de sortie 13 de la passe de déflexion 8 ;

– la longueur L2 de la passe centrale d’accélération 10 est supérieure ou sensiblement égale à la largeur de la section de sortie 13. De manière optimale, cette longueur L2 est sensiblement égale à la largeur de la section de sortie 13 de la passe de déflexion 8, ce qui permet de garder une centrale compacte, tout en favorisant suffisamment la formation d’un écoulement laminaire à l’approche du module cylindrique flottant 8.

Dans le présent exemple :
– le cours d’eau 2 présente une largeur d’environ 50 m, et les passes latérales 15 ont une largeur d’environ 2 m chacune ;
– la largeur de la section d’entrée 12 de la passe de déflexion 8 est donc de 46 m environ ;
– la largeur de la section de sortie 13 de la passe de déflexion 8 est d’environ 12 m (soit un coefficient de réduction de section de l’ordre de 4) ;
– la largeur de la passe centrale d’accélération 10 est sensiblement égale à la largeur de la section de sortie 13 de la passe de déflexion 8, soit environ 12 m ;
– la longueur L1 de la passe de déflexion 8 est d’environ 24 m ;
– la longueur L2 de la passe centrale d’accélération 10 est d’environ 12 m.

En référence à la , selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, les parois verticales de déflexion 9 de la passe de déflexion 8 ont une hauteur variable, elles présentent en effet une hauteur plus importante au niveau de la section de sortie 13 que de la section d’entrée 12. De préférence, les parois verticales de déflexion 9 présentent une hauteur au niveau de la section de sortie 13 correspondant sensiblement à trois fois leur hauteur au niveau de la section d’entrée 12.

Dans le présent exemple, pour un cours d’eau 2 d’environ 40 centimètres de profondeur moyenne, la hauteur des parois verticales de déflexion 9 au niveau de la section d’entrée 12 est de 0,5 m, et leur hauteur au niveau de la section de sortie 13 est de 1,5 m.

La illustre par ailleurs une caractéristique préférée de l’invention qui procure le meilleur rendement. Sur la , les pales radiales 7 sont formées avec un profil semi-circulaire, comme sur la . En ce qui concerne l’agencement du module cylindrique flottant 6, et en variante par rapport à l’agencement illustré aux figures 1 et 2, le module cylindrique flottant 6 est ici agencé le plus en aval possible à l’intérieur de la passe centrale d’accélération 10, tout en restant dans cette passe centrale d’accélération 10. Plus précisément, le cylindre enveloppant 35 du module cylindrique flottant 6 est tangent au plan passant par les deux rebords aval 36 des parois verticales de canalisation 11 de la passe centrale d’accélération 10. Le cylindre enveloppant 35 est un cylindre théorique, coaxial au cylindre central 19, et tangent à l’extrémité de chaque pale radiale 7.

La centrale 1 fonctionne de la manière indiquée ci-après, en référence à l’ensemble des figures.

Durant l’écoulement du cours d’eau 2, la présence de la passe de déflexion 8 crée une résistance à l’écoulement dès sa section d’entrée 12. Cette résistance provoque un front turbulent 32 à la section d’entrée 12 qui élève le niveau d’eau dans tout l’intérieur de la passe de déflexion 8.

Comme illustré à la , la montée du niveau de l’écoulement est limitée par la hauteur des parois verticales de déflexion 9 de la passe de déflexion 8. Dans le présent exemple, la hauteur de la paroi verticale de déflexion 9 étant variable, la limitation de cette élévation de niveau de l’écoulement d’eau est donc limitée de manière variable :
– à 0,5 m au-dessus du fond du cours d’eau 2, au niveau de la section d’entrée 12 ;
– à 1,5 m au-dessus du fond du cours d’eau 2, au niveau de la section de sortie 13 ;
– à une hauteur intermédiaire entre ces deux extrêmes lorsque le point considéré est entre la section d’entrée 12 et la section de sortie 13.

Au fur et à mesure de sa progression dans la passe de déflexion 8, le fluide subit une accélération par effet Venturi, tandis que sa hauteur peut continuer à augmenter au fur et à mesure de l’augmentation de la hauteur des parois verticales de déflexion 9.

Ainsi, lorsque le débit du cours d’eau est suffisant, une partie de l’écoulement d’eau passe par-dessus les parois verticales de déflexion 9 et limite la masse d’eau à l’intérieur de la passe de déflexion 8, cette sortie d’eau ayant lieu surtout sur la partie amont de la passe de déflexion 8 (du fait de la hauteur réduite des parois verticales de déflexion 9) et ayant de moins en moins lieu en se rapprochant de la section de sortie 13 (du fait de la hauteur allant en augmentant des parois verticales de déflexion 9).

Si, par un exercice de pensée, l’on considère la masse d’eau à l’intérieur de la passe de déflexion 8 de manière statique, à un moment donné de l’écoulement (comme une prise de photo), cette masse d’eau présente un niveau non pas horizontal mais sensiblement oblique qui va en augmentant vers l’aval. Ce conditionnement de la masse d’eau est conjoint à son accélération par effet Venturi.

En variante, les parois verticales de déflexion 9 peuvent cependant avoir une hauteur constante.

Que les parois verticales de déflexion 9 de la passe de déflexion 8 soient de hauteur variable ou non, ces parois verticales de déflexion 9 permettent de prévoir un module cylindrique flottant 6 avec des pales radiales 7 qui sont d’une dimension selon la direction radiale au moins égale, et de préférence supérieure, à la hauteur d’eau du cours d’eau (dans le présent exemple, les pales radiales 7 présentent une dimension radiale de 0,5 m, et le cours d’eau présente un niveau moyen d’environ 0,4 m).

Les pales radiales 7 présentent une dimension suivant la direction radiale qui est au moins égale à la hauteur des parois verticales de déflexion 9 de la passe de déflexion 8 au niveau de sa section d’entrée 12.

En aval de la passe de déflexion 8, l’écoulement se fait dans la passe centrale d’accélération 10 dont la longueur est calibrée à une valeur suffisante pour que les turbulences créées dans la passe de déflexion 8 s’apaisent, et que l’écoulement revienne à un écoulement sensiblement laminaire dont le débit et la vitesse ont été calibrés au préalable par la passe de déflexion 8.

La passe centrale d’accélération 10 est ainsi dénommée, car l’écoulement qui y est canalisé est accéléré par rapport à l’écoulement normal du cours d’eau 2, grâce à l’action de la passe de déflexion 8.

Dans la passe centrale d’accélération 10, le module cylindrique flottant 6 est entrainé en rotation par cet écoulement sensiblement laminaire. La flottabilité du module cylindrique flottant 6 est augmentée par le dispositif de compensation de masse 26 qui permet au module cylindrique flottant 6 de maximiser le captage de la force de l’écoulement, et de limiter sa surface mouillée.

Si la hauteur ou le débit du cours d’eau 2 varient, et notamment s’ils baissent suffisamment pour que le niveau d’eau dans la passe centrale d’accélération 10 soit inférieur à la hauteur des parois verticales de déflexion 9 de la passe de déflexion 8 au niveau de la section de sortie 13, le support de rotation du module cylindrique flottant 6 permettra à ce dernier de rester toujours à la même altitude par rapport au niveau de l’eau.

Optionnellement, une butée basse peut être prévue sur le support de rotation du module cylindrique flottant 6, de sorte à empêcher les pales radiales 7 de toucher le fond du cours d’eau 2 en limitant l’altitude possible du module cylindrique flottant 6. Cette altitude minimale définie par la butée basse correspond de préférence à une altitude ménageant une hauteur d’eau sous les pales radiales 7 correspondant à la hauteur d’eau minimale pour la vie des poissons se trouvant dans le cours d’eau, pour garantir une complète continuité écologique du cours d’eau 2.

La centrale 1 permet ainsi de produire une énergie (dans cet exemple, il s’agit d’énergie électrique) quasiment en continu avec une empreinte environnementale extrêmement faible, et largement inférieure à toutes les solutions actuellement connues de conversion d’énergies renouvelables.

Des variantes de réalisation de la centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale peuvent être envisagées.

Par exemple, le support de rotation du module cylindrique flottant 6 peut être agencé différemment, tout en permettant à la fois la rotation du module cylindrique flottant 6 et son déplacement vertical. Le support de rotation peut par exemple comporter des galets sur lequel repose et roule le module cylindrique flottant 6, ces galets étant librement mobiles verticalement.

Le déplacement vertical du module cylindrique flottant 6 peut également être réalisé par tout moyen mécanique alternatif aux tirants 21, par exemple une glissière verticale.

Le dispositif de compensation de masse 26 peut également être constitué de tout moyen alternatif, par exemple par des ressorts ou vérins à gaz.

Claims

Centrale de conversion d’énergie hydraulique fluviale, adaptée à convertir l’énergie relative à l’écoulement d’un liquide dans un chenal suivant une direction d’écoulement (5), cette centrale de conversion comportant un organe tournant, adapté à être entrainé en rotation par ledit écoulement de liquide, et un organe de conversion de l’énergie cinétique de l’organe tournant, cette centrale de conversion étant caractérisée en ce qu’elle comporte :
– une passe de déflexion (8) délimitée par des parois verticales de déflexion (9) s’étendant obliquement de part et d’autre de la direction d’écoulement (5), entre une section d’entrée (12) et une section de sortie (13), la section de sortie (13) étant d’une largeur inférieure à la largeur de la section d’entrée (12) ;
– une passe centrale d’accélération (10) délimitée par des parois verticales de canalisation (11) s’étendant sensiblement dans ladite direction d’écoulement (5), la passe centrale d’accélération (10) étant raccordée à la section de sortie (13) de la passe de déflexion (8), en aval de la passe de déflexion (8) ;
et en ce que l’organe tournant comporte :
– un module cylindrique flottant (6) muni de pales radiales (7), disposé dans la passe centrale d’accélération (10) ; et
– un support de rotation pour le module cylindrique flottant (6), ce support de rotation étant librement mobile verticalement.
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parois verticales de déflexion (9) présentent une hauteur croissante en direction de la passe centrale d’accélération (10).
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif de compensation (26) de la masse du module cylindrique flottant (6).
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parois verticales de déflexion (9) forment avec la direction d’écoulement (5) un angle extérieur compris entre 100º et 160º.
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, la longueur étant définie comme la dimension suivant la direction d’écoulement (5) et la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement (5), la passe de déflexion (8) présente une longueur (L1) sensiblement égale au double de la largeur de la section de sortie (13) de la passe de déflexion (8).
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement (5), le rapport de la largeur de la section d’entrée (12) sur la largeur de la section de sortie (13) de la passe de déflexion (8) est compris entre 2 et 8.
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, la longueur étant définie comme la dimension suivant la direction d’écoulement (5) et la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement (5), la passe centrale d’accélération (10) présente une longueur (L2) sensiblement égale à la largeur de la section de sortie (13) de la passe de déflexion (8).
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pales radiales (7) du module cylindrique flottant (6) présentent une dimension suivant la direction radiale qui est au moins égale à la hauteur des parois verticales de déflexion (9) au niveau de la section d’entrée (12) de la passe de déflexion (8).
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, la largeur étant définie comme la dimension suivant une direction horizontale et orthogonale à la direction d’écoulement (5), les pales radiales (7) s’étendent sur toute la largeur du module cylindrique flottant (6), et en ce que la largeur du module cylindrique flottant (6) est supérieure aux 3/4 de la largeur de la passe centrale d’accélération (10).
Centrale de conversion selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le module cylindrique flottant (6) comporte un cylindre central (19) qui présente une flottabilité positive, les pales radiales (7) étant fixées sur la surface du cylindre central (19), régulièrement sur tout son pourtour, et en ce que les pales radiales (7) présentent chacune un profil semi-circulaire dont le rayon de courbure (R) est centré sur un axe (A) formé par la jonction du cylindre central (19) et de la deuxième pale radiale qui précède la pale radiale considérée, suivant le sens de rotation du module cylindrique flottant (6).