FR3012179A1 - Centrale hydroelectrique flottante compacte - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une centrale hydroélectrique flottante (5) comprenant un organe de flottaison (6) et au moins une turbomachine (8), l'organe de flottaison comprenant au moins deux flotteurs (16) allongés selon le sens du courant, comprenant chacun une portion immergée (37) et une portion émergée (38) fixée à un pont (32), la turbomachine comprenant un convertisseur électromécanique (10) fixé au pont et une turbine (14) adaptée à entraîner le convertisseur électromécanique, la turbine comprenant des pales (18) motrices situées entre les deux flotteurs et adaptées à entraîner la turbine en rotation autour d'un axe de rotation (A) vertical à 20 degrés près, chaque pale comprenant une partie immergée (19) ayant majoritairement une section horizontale en forme de profil d'aile et une partie émergée (20) fixée à un organe de liaison (22) émergé, de préférence un disque ajouré, relié au convertisseur électromécanique, les pales ayant leur extrémité inférieure libre.

Description

B12262 - DI05825-01 1 CENTRALE HYDROÉLECTRIQUE FLOTTANTE COMPACTE Domaine La présente demande concerne une centrale hydroélectrique. Exposé de l'art antérieur Les mini-centrales hydroélectriques correspondent à des installations qui fournissent une puissance électrique inférieure à 2 MW. Cette puissance est utilisée généralement pour alimenter des sites isolés (quelques habitations, un atelier d'artisan, une grange...) ou pour produire de l'électricité, vendue à plus petite échelle. De telles centrales hydroélectriques sont majoritairement des centrales réalisées au fil de l'eau, appelées également centrales au fil de l'eau, demandant peu de travaux de génie civil et produisant une électricité qui varie avec le débit du cours d'eau. Elles présentent l'avantage d'entraîner un coût de fabrication et d'installation réduit par rapport à une centrale hydroélectrique associée à un barrage, et ne perturbent pas la vie propre du cours d'eau. En particulier, l'intégrité des populations piscicoles est maintenue, la dévalaison des poissons migrateurs est possible et la continuité hydro-biologique du cours d'eau est préservée. Ces centrales hydroélectriques peuvent être placées en bas d'une chute d'eau, exploitant ainsi l'énergie B12262 - DI05825-01 2 potentielle de l'eau, ou dans le lit d'une rivière, voire d'un ruisseau, exploitant ainsi l'énergie cinétique de l'eau. Dans le premier cas, un minimum de fondations et de terrassement est toutefois nécessaire (notamment pour former les appuis de l'arbre de la turbine et la conduite d'entrée d'eau). Dans le second cas, il est envisageable de ne pas réaliser de fondations en optant pour des centrales flottantes. Les centrales hydroélectrique flottantes, qui réalisent, en outre, hors de l'eau la conversion mécano- électrique, renforcent les avantages des centrales au fil de l'eau en ce qui concerne le coût de fabrication et le respect de l'environnement. Les centrales flottantes ont comme avantage supplémentaire une rapidité d'installation et de démontage, ces opérations pouvant être réalisées par une main d'oeuvre non spécialisée à proximité du lieu d'exploitation. Leur ancrage peut, en outre, être similaire à celui utilisé en batellerie. Il a été proposé des centrales hydroélectriques flottantes comportant des roues flottantes à aubes. Les roues peuvent être disposées par paires sur les deux côtés d'une structure qui correspond à la coque d'un navire embarquant un système adapté à réaliser la conversion mécano-électrique hors de l'eau tel que cela est décrit par exemple dans la demande de brevet US 2010/0123316. Les roues peuvent être flanquées de chaque côté et symétriquement par rapport au système de conversion mécano-électrique par une ou plusieurs paires de flotteurs comme cela est décrit, par exemple, dans la demande de brevet JP213340. Dans tous les cas, chaque roue, indépendamment de la structure flottante qui la supporte, comprend une partie émergée dont la hauteur est nettement supérieure à la hauteur de la partie immergée, l'axe de rotation étant hors de l'eau. Pour favoriser l'augmentation de leur rendement, on réserve plutôt les roues à des hauteurs d'eau importantes par rapport à leur diamètre : la hauteur d'immersion d'une roue n'excède en général pas la moitié de la hauteur d'eau disponible.

B12262 - DI05825-01 3 Il a été également été proposé une centrale hydroélectrique flottante comportant une turbine axiale, comme cela est décrit dans la demande de brevet W02006123796 et une turbine Pelton, comme cela est décrit dans la demande de brevet FR2559179. Ces turbines sont maintenues par des structures flottantes dont les dimensions excèdent de plusieurs fois les dimensions des turbines. Ces structures flottantes comportent, à leur extrémité amont, un avaloir destiné à capter une partie du flux d'eau et à canaliser ce flux sur la turbine avant de le rejeter dans le cours d'eau. Il a, en outre, été proposé des centrales hydrauliques flottantes comportant des turbines verticales de type Darrieus à pales droites, maintenues par une plateforme de surface importante munie de deux flotteurs parallèles au courant et partiellement immergés, comme celle décrite dans la demande de brevet W02010006431. Toutefois, pour certaines applications, les centrales hydroélectriques flottantes existantes peuvent avoir un encombrement excessif, que ce soit en hauteur ou en largeur, ce qui n'est pas souhaitable. En effet, une partie émergée encombrante en hauteur peut offrir une prise au vent importante, notamment dans certains sites ouverts, et donc nuire à la stabilité de la centrale. En outre, une partie émergée encombrante peut entraîner des nuisances visuelles. Une partie encombrante en largeur, qu'elle soit émergée ou immergée, empêche la juxtaposition d'un nombre suffisant de machines pour mettre en place des fermes sur les cours d'eau avec un niveau de production électrique suffisant. De plus, un encombrement en hauteur ou en largeur entraîne une perte de maniabilité, qualité indispensable pour une installation dans des lieux difficiles d'accès. Cela peut être le cas notamment pour des centrales hydroélectriques destinées à alimenter des systèmes électroniques dans des lieux difficiles d'accès, par exemple des téléphones dans les refuges en montagne ou des capteurs de mesure via des batteries rechargeables en sites isolés proches d'un cours d'eau.

B12262 - DI05825-01 4 Résumé Un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des centrales hydroélectriques flottantes décrits précédemment.

Un autre objet d'un mode de réalisation est de réduire l'encombrement latéral de la centrale hydroélectrique. Un autre objet d'un mode de réalisation est d'augmenter l'énergie prélevée par unité de largeur du cours d'eau.

Un autre objet d'un mode de réalisation est que le système d'amarrage et les moyens de flottaison de la centrale hydroélectrique flottante assurent une bonne stabilité en roulis, en tangage et en lacet de la centrale hydroélectrique. Un autre objet d'un mode de réalisation est de réduire 15 l'encombrement vertical de la partie émergée de la centrale hydroélectrique. Ainsi, un mode de réalisation prévoit une centrale hydroélectrique flottante comprenant un organe de flottaison et au moins une turbomachine, l'organe de flottaison comprenant au 20 moins deux flotteurs allongés selon le sens du courant, chaque flotteur comprenant une portion immergée et une portion émergée fixée à un pont, la turbomachine comprenant un convertisseur électromécanique fixé au pont et une turbine adaptée à entraîner le convertisseur électromécanique, la turbine comprenant des 25 pales motrices situées entre les deux flotteurs et adaptées à entraîner la turbine en rotation autour d'un axe de rotation vertical à 20 degrés près, chaque pale comprenant une partie immergée ayant majoritairement une section horizontale en forme de profil d'aile et une partie émergée fixée à un organe de 30 liaison émergé, de préférence un disque ajouré, relié au convertisseur électromécanique, les pales ayant leur extrémité inférieure libre. Selon un mode de réalisation, le convertisseur électromécanique est une machine synchrone à entraînement 35 direct.

B12262 - DI05825-01 Selon un mode de réalisation, le convertisseur électromécanique comprend des enroulements et/ou des aimants fixés directement à l'organe de liaison. Selon un mode de réalisation, chaque flotteur a une 5 section horizontale en forme de profil d'aile, les flotteurs étant symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical et formant un diffuseur, l'axe de rotation de la turbomachine étant situé entre le col du diffuseur et un plan joignant les bords de fuite des flotteurs, la distance minimale entre chaque 10 pale et les flotteurs étant comprise entre une et dix épaisseurs maximales de pale. Selon un mode de réalisation, la centrale hydroélectrique flottante comprend deux turbines contrarotatives, situées entre les flotteurs et séparées par une paroi 15 verticale fixée sous le pont. Selon un mode de réalisation, la hauteur de la portion immergée de chaque flotteur est supérieure à la hauteur de la partie immergée de chaque pale. Selon un mode de réalisation, les portions immergées 20 des flotteurs sont reliées par une structure de maintien transverse située à l'aplomb du centre de poussée hydrodynamique des parties mouillées de l'ensemble comprenant la turbine et les flotteurs. Selon un mode de réalisation, la structure de maintien 25 a une section verticale, dans un plan parallèle à un plan de symétrie de l'organe de flottaison, en forme de profil d'aile à portance dirigée vers le haut. Selon un mode de réalisation, la centrale hydroélectrique flottante comprend, en outre, une étrave à 30 guibre et comprend, en amont de la turbine, des lames parallèles entre les flotteurs se raccordant sur l'étrave. Selon un mode de réalisation, le centre de gravité de la centrale hydroélectrique flottante est situé à la verticale du centre de carène de la centrale hydroélectrique flottante et B12262 - DI05825-01 6 en dessous du centre de carène de la centrale hydroélectrique flottante en l'absence de courant. Selon un mode de réalisation, chaque pale est précontrainte.

Selon un mode de réalisation, la centrale hydro- électrique flottante comprend une étrave à l'amont de la turbine et comprend au moins une ligne d'amarrage reliée à un plot émergé dans l'axe de la centrale hydroélectrique flottante ou deux lignes d'amarrage reliées à deux plots émergés de part et d'autre de la centrale hydroélectrique flottante, la ou les lignes d'amarrage étant fixées en un point de l'étrave situé en dessous du centre de poussée hydrodynamique des parties mouillées de l'ensemble comprenant la turbine et les flotteurs, la centrale hydroélectrique flottante comprenant, en outre, un flotteur supplémentaire placé à l'arrière de la turbine et relié à l'organe de flottaison. Selon un mode de réalisation, la centrale hydroélectrique flottante comprend au moins une ligne d'amarrage fixée à une extrémité au fond du cours d'eau, et fixée à l'extrémité opposée en un point appartenant à un plan de symétrie de la structure de maintien transverse, la centrale hydroélectrique flottante comprenant, en outre, un flotteur supplémentaire placé à l'arrière de la turbine et relié à l'organe de flottaison.

Selon un mode de réalisation, sur la majorité de la partie immergée de chaque pale, le profil d'aile de la pale comprend un bord d'attaque arrondi et un bord de fuite effilé et, au niveau du plan de flottaison, les angles d'entrée et de sortie du profil de chaque pale sont égaux à 10 % près.

Selon un mode de réalisation, chaque pale comprend une ailette d'extrémité à son extrémité inférieure orientée vers l'axe de rotation. Selon un mode de réalisation, la majorité de la portion immergée de chaque flotteur comprend un profil d'aile 35 ayant un bord d'attaque arrondi et un bord de fuite effilé, et B12262 - DI05825-01 7 les angles d'entrée et de sortie du profil de chaque flotteur au niveau du plan de flottaison sont égaux à 10 % près. Selon un mode de réalisation, le bord d'attaque de chaque flotteur est décalé vers l'aval au dessus du plan de 5 flottaison par rapport au reste du profil du flotteur. Selon un mode de réalisation, la centrale hydroélectrique flottante comprend un moteur fixé au pont et adapté à propulser la centrale hydroélectrique flottante à la surface de l'eau. 10 Selon un mode de réalisation, la centrale hydro- électrique flottante comprend un dispositif de réduction de la traînée s'exerçant sur la centrale hydroélectrique flottante lors de ses déplacements dans un cours d'eau comprenant des plaques amovibles adaptées à être fixées aux lames de façon à 15 reproduire une carène avant de navire. Selon un mode de réalisation, la centrale hydroélectrique flottante comprend un dispositif de réduction de la traînée s'exerçant sur la centrale lors de ses déplacements dans un cours d'eau comprenant des volets verticaux mobiles chacun en 20 pivotement autour d'un axe vertical et adaptés à être braqués vers l'intérieur de la centrale hydroélectrique flottante pour réduire le maître-couple de la centrale hydroélectrique flottante. Selon un mode de réalisation, la turbomachine est 25 reliée au pont par un système de déblocage/blocage vis à vis du pont de sorte qu'une grue puisse déplacer la turbomachine par rapport au pont, une fois la centrale hydroélectrique flottante arrimée à quai pour une opération de maintenance. Brève description des dessins 30 Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : B12262 - DI05825-01 8 les figures 1, 2 et 3 sont respectivement une vue de face, une vue de dessus et une vue de dessous d'un mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante ; les figures 4 et 5 sont des coupes de deux modes de 5 réalisation du convertisseur mécano-électrique de la centrale hydroélectrique de la figure 1 ; la figure 6 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une pale de la centrale hydroélectrique de la figure 1 ; 10 la figure 7 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un flotteur de la centrale hydroélectrique de la figure 1 ; et les figures 8, 9 et 10 sont des vues en perspective d'autres modes de réalisation d'une centrale hydroélectrique 15 flottante. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Description détaillée Dans la suite de la description, les expressions 20 "sensiblement", "environ" et "approximativement" signifient "à 10 % près". En outre, les adjectifs "inférieur" et "supérieur" sont utilisés par rapport à une direction de référence qui correspond à l'axe de rotation de la turbine de la centrale hydroélectrique et qui est la direction verticale dans la suite 25 de la description. Toutefois, la direction de référence peut être inclinée de plus ou moins 20 degrés par rapport à la direction verticale. De plus, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention seront décrits et représentés sur les figures. 30 Les figures 1, 2 et 3 sont respectivement une vue de face, une vue de dessus et une vue de dessous d'un mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique flottante 5. La centrale hydroélectrique flottante 5 est adaptée à fournir une puissance électrique qui peut varier de 100 W à 35 100 kW.

B12262 - DI05825-01 9 La centrale 5 comprend un organe de flottaison 6 et une turbomachine 8. La turbomachine 8 comprend un convertisseur électromécanique 10 entraîné par une turbine 14. L'organe de flottaison 6 comprend deux flotteurs 16 disposés de part et 5 d'autre de la turbine 14. La turbine 14 comprend N pales motrices 18, où N est un nombre entier qui varie, par exemple, de 2 à 7. A titre d'exemple, trois pales motrices 18 sont représentées sur les figures 1 et 3. De préférence, chaque pale motrice 18 est une pale droite, par exemple orientée 10 verticalement. Chaque pale 18 comprend une partie inférieure 19 immergée dans l'eau et une partie supérieure 20 émergée. L'extrémité supérieure de la partie supérieure 20 de chaque pale motrice 18 est fixée à un organe de liaison 22 ayant la forme d'un disque, de préférence horizontal, éventuellement 15 ajouré. Le disque 22 est fixé à un arbre d'entraînement 24 d'axe A d'un système de conversion mécano-électrique 10. Les pales 18 sont adaptées en entraîner en rotation le disque 22 et l'arbre 24 autour de l'axe A lorsqu'elles sont plongées dans un liquide en mouvement. Les pales 18 sont réparties à équidistance de 20 l'axe de rotation A. L'extrémité inférieure de chaque pale 18 est, de préférence, libre, c'est à dire qu'elle n'est pas fixée à une autre pièce mécanique et est entourée de liquide. Le diamètre extérieur de la turbine 14, c'est-à-dire le diamètre du cylindre d'axe A contenant les pales 18, est compris entre 50 cm 25 et 10 m. La partie supérieure 20 de chaque pale motrice 18, l'organe de liaison 22, l'arbre d'entraînement 24 et le système de convertisseur électromécanique sont situés au-dessus de la ligne de flottaison 30, représentée de façon schématique sur les 30 figures par une ligne double en traits mixtes, et qui correspond à l'intersection de la surface libre de l'eau et de la surface externe des flotteurs 16 et des pales 18. L'organe de liaison 22 et l'arbre d'entraînement 24 sont seulement soumis, de façon avantageuse, à la traînée 35 aérodynamique. Si ces pièces étaient immergées, elles seraient B12262 - DI05825-01 10 soumises à la traînée hydrodynamique qui est nettement supérieure à la traînée aérodynamique. Les pales 18 sont majoritairement immergées en dessous de la ligne de flottaison 30. De préférence, la hauteur H1 de la partie immergée 19 des pales 18 est inférieure à la hauteur H2 de la partie immergée des flotteurs 16. A titre d'exemple, la hauteur H2 est comprise entre 30 cm et 6 m et le rapport entre la hauteur H2 et la hauteur H1 est comprise entre 1,1 et 2. Cela permet de protéger les pales 18 contre des objets présents sur le fond du cours d'eau et permet éventuellement de faire fonctionner la centrale hydroélectrique 5 en la déposant directement sur le lit d'un cours d'eau peu profond ou en autorisant la centrale à se poser sur le fond en cas de basses eaux. En outre, ceci permet d'homogénéiser l'écoulement sur toute la hauteur des pales 18. La distance minimale entre chaque flotteur 16 et les pales 18 est supérieure ou égale à l'épaisseur maximale de la pale 18, de préférence comprise entre 1 et 10 fois l'épaisseur maximale de la pale 18, plus préférentiellement comprise entre 1 et 5 fois l'épaisseur maximale de la pale 18. L'organe de flottaison 6 comprend, en outre, une armature supérieure 32 émergée, jouant le rôle de pont, comprenant une plaque ajourée qui relie la face supérieure des deux flotteurs 16. L'organe de flottaison 6 peut comprendre, en outre, une armature inférieure 34 immergée qui relie les faces inférieures des deux flotteurs 16. En figure 3, on a représenté l'armature inférieure 34 par une traverse qui relie les faces inférieures des flotteurs au niveau des bords avant des flotteurs. L'armature inférieure 34 comprend, en outre, au moins une traverse, non représentée, reliant les parties médianes des faces inférieures des flotteurs 16. Le système de conversion mécano-électrique 10 comprend un carter 36 contenant la génératrice, non visible sur les figures 1 à 3. Le carter 36 est fixé au pont 32. Le carter 36 35 peut avoir une forme de dôme.

B12262 - DI05825-01 11 Chaque flotteur 16 a une forme allongée selon le sens du courant. Chaque flotteur 16 comprend une portion immergée 37 et une portion émergée 38. Chaque flotteur 16 peut correspondre à un élément monobloc ou à des éléments distincts fixés les uns 5 aux autres. Chaque flotteur 16 peut avoir une section horizontale en forme de profil d'aile, comprenant, par exemple, un bord d'attaque arrondi et un bord de fuite effilé. De préférence, l'épaisseur relative du profil est inférieure ou égale à 0,15. De préférence, le rapport entre la hauteur et la 10 corde du flotteur 16, mesurée entre le bord d'attaque et le bord de fuite, est supérieur ou égal à 0,3. Les flotteurs 16 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical médian P. Les deux flotteurs 16, constituent un diffuseur d'axe vertical qui oriente librement la 15 centrale 5 face au courant incident et augmente son rendement. En outre, les flotteurs 16 contribuent à limiter le roulis. Selon un mode de réalisation, l'axe de rotation A de la turbine 14 est placé au col du diffuseur formé par les flotteurs 16. De préférence, le pont 32 est sensiblement horizontal 20 en l'absence de courant ou, autrement dit, l'assiette de la centrale 5 est nulle en l'absence de courant. Cette configuration peut être obtenue grâce à un ballastage approprié, non représenté, au sein des flotteurs 16 conduisant à positionner le centre de gravité G et le centre de carène Co de 25 la centrale 5 sur la même droite verticale. De préférence, les pales 18 sont disposées de façon à présenter une symétrie de rotation d'ordre N autour de l'axe A. Dans le présent mode de réalisation, le disque ajouré 22 a également une symétrie de rotation d'ordre N autour de l'axe A. 30 Il comprend une portion annulaire externe 40 à laquelle sont fixées les pales 18, une portion annulaire interne 42 fixée à l'arbre d'entraînement 24 et des bras 44 reliant la portion annulaire externe 40 à la portion annulaire interne 42. Selon un mode de réalisation, la fixation de chaque 35 pale 18 sur le disque 22 peut se faire avantageusement sous B12262 - DI05825-01 12 contrainte : un tirant, non représenté, logé au creux de la pale 18 peut être préchargé axialement en tension, la pale 18 étant alors compressée. Un tel montage rigide permet de mieux résister aux sollicitations extérieures, notamment de flexion.

Les pales 18 ont une flèche qui peut varier entre -45° et 45°. A titre d'exemple, comme cela est représenté sur les figures 1 et 3, la flèche peut être nulle. Le rendement de conversion mécanique de la turbine est alors maximal. Une flèche positive aide la pale 18 à se débarrasser des débris qui pourraient s'y accrocher à cause de l'écoulement secondaire qui se développe du disque d'entraînement 22 vers l'extrémité libre de la pale 18. Selon un mode de réalisation, un moteur est fixé à l'aval du pont 32, ce moteur étant à demeure ou amovible, et permettant de propulser la centrale hydroélectrique 10 à la surface de l'eau. A titre d'exemple, ce moteur peut être utilisé pour amener la centrale hydroélectrique à la position souhaitée lors de son installation. Selon un mode de réalisation, la centrale 10 peut comprendre des volets verticaux mobiles en pivotement autour d'un axe vertical et susceptibles d'être braqués vers l'intérieur de la centrale pour réduire le maître-couple de la centrale. Ceci permet notamment de réduire la traînée s'exerçant sur la centrale lorsqu'elle est déplacée.

Le carter 36 peut être fixé au pont 32 par un système de déblocage/blocage permettant à une grue de soulever ou de mettre en place la turbomachine, une fois la centrale arrimée à quai pour une maintenance. La centrale hydroélectrique 10 peut comprendre, en 30 outre, au moins un panneau photovoltaïque fixé sur la face supérieure du carter 36. La figure 4 représente un mode de réalisation du système de conversion mécano-électrique 10 comprenant une génératrice 50. La génératrice 50 est, par exemple, à axe 35 vertical à 20° prés. Il s'agit, par exemple, d'une génératrice B12262 - DI05825-01 13 synchrone à entraînement direct et à flux radial. La génératrice 50 comprend un stator cylindrique 52 comportant une paroi inférieure 54 et une paroi supérieure 56 reliées à leur périphérie externe par une paroi latérale externe 58, par 5 exemple par des vis 60. Les parois inférieure 54 et supérieure 56 correspondent à des disques ajourés d'axe A. La paroi latérale 58 peut être une paroi cylindrique de section circulaire. Des enroulements 62 sont disposés sur la face interne de la paroi latérale 58. La paroi inférieure 54 comprend 10 une ouverture 63 pour le passage de l'arbre d'entraînement 24. La paroi inférieure 54 est, en outre, fixée au carter 36. Un rotor 64 est prévu entre les parois inférieure 54 et supérieure 56. Le rotor 64 est solidaire de l'arbre d'entraînement 24. Le rotor 64 comprend une portion centrale 66 15 en forme de disque d'axe A fixée à l'arbre d'entraînement 24 et se prolongeant à sa périphérie extérieure par une portion cylindrique 68 d'axe A à section circulaire. La génératrice 50 est dite discoïde en raison de la structure du rotor. La puissance fournie par le système de conversion 20 mécano-électrique 10 variant de préférence entre 100 W et 100 kW, les dimensions de la génératrice 50 sont adaptées en fonction de la puissance maximale souhaitée. Des aimants permanents, non représentés, sont fixés à la surface extérieure de la portion cylindrique 68. A titre de variante, les aimants 25 permanents peuvent être fixés à la surface interne de la paroi latérale 58 et les enroulements peuvent fixés à la surface extérieure de la portion cylindrique 68. Les enroulements 62 sont disposés en vis-à-vis des aimants permanents. L'étanchéité de la génératrice 50 contre les paquets d'eau est obtenue par 30 des joints à lèvres radiaux 70 placés sur le pourtour de l'arbre moteur 24 entre le disque d'entraînement 22 et la paroi inférieure 54. La génératrice 50 comprend un porte-moyeu 72 auquel est fixée la paroi supérieure 56 du stator 52, par exemple par 35 des vis 74. L'arbre d'entraînement 24 est monté libre en B12262 - DI05825-01 14 rotation autour de l'axe A par rapport au porte-moyeu 72 par l'intermédiaire de roulements 76. Un couvercle 77, prévu au sommet du carter 36, permet d'accéder à la génératrice 50. L'utilisation d'une génératrice discoïde permet de 5 réduire la hauteur du système de conversion mécano-électrique 10, la hauteur du rotor 64, mesurée selon l'axe A, rapportée à son diamètre étant maintenue de préférence entre 0,1 et 0,2. Le mode de réalisation décrit en relation avec la figure 4 a l'avantage d'assurer une étanchéité élevée avec des 10 frottements réduits, en raison du petit diamètre des joints 70. Ceci est favorable pour le démarrage de la centrale 5 avec un courant incident à faible vitesse, par exemple dès 1 m/s. La figure 5 représente un autre mode de réalisation du système de conversion mécano-électrique 10. Dans ce mode de 15 réalisation, le disque d'entraînement 22 sert de rotor 64 et la portion cylindrique 68 est fixée directement à la face supérieure du disque d'entraînement 22. La paroi inférieure 54 du stator 52 n'est alors pas présente. L'étanchéité de la génératrice 50 contre les paquets d'eau est obtenue par des 20 joints axiaux 78 de type V-ring placés entre la paroi latérale externe 58 du stator 52 et la face supérieure du disque d'entraînement 22. Le nombre de pièces et le poids global de la turbomachine du mode de réalisation décrit en relation avec la 25 figure 5 sont avantageusement réduits par rapport au mode de réalisation représenté en figure 4. La puissance mécanique transmissible peut alors être plus élevée. Cette solution est adaptée aux centrales hydroélectriques flottantes munies de turbines de grand diamètre, par exemple supérieur au mètre. 30 Cependant, le disque d'entraînement 22 pour ces turbines de grand diamètre peut être soumis à des déformations nuisant au bon fonctionnement de la génératrice. Pour limiter ces déformations et assurer un raidissement du rotor, des nervures radiales, non représentées, peuvent être aménagées sur la face B12262 - DI05825-01 15 supérieure du disque d'entraînement 22 à l'intérieur de la portion cylindrique 68 et à l'extérieur des joints axiaux 78. Même si, dans les modes de réalisation décrits précédemment en relation avec les figures 4 et 5, la génératrice 5 50 est une machine synchrone à entraînement direct et à flux radial, la génératrice 50 peut être une machine électrique à flux axial. En outre, même si, dans les modes de réalisation décrits précédemment en relation avec les figures 4 et 5, la génératrice 50 est une machine synchrone à simple entrefer, la 10 génératrice 50 peut être une machine électrique à double entrefer. La figure 6 représente, de façon partielle et schématique, un mode de réalisation de la pale 18. Toutes les pales 18 peuvent avoir une structure analogue. En figure 6, 15 seule la partie immergée 19 de la pale 18 a été représentée. La pale 18 peut avoir, au moins sur une partie de la hauteur immergée 19, une section, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation A, ayant la forme d'un profil d'aile 80, par exemple un profil biconvexe symétrique ou dissymétrique, un 20 profil creux, ou un profil à double courbure. De tels profils sont caractérisés par un bord d'attaque 82 arrondi et un bord de fuite 84 effilé. De préférence, le profil 80 est utilisé sur la majeure partie de la hauteur immergée 19 de la pale 18 pour laquelle la pale 18 est soumise à une force de portance, qui est 25 à l'origine du mouvement de la pale 18, et à une force de traînée, appelée force de traînée régulière, qui s'oppose au mouvement de la pale 18. Le mouvement de la pale est schématiquement représenté par des lignes fléchées 85. De préférence, le profil 80 est sensiblement constant sur la 30 majeure partie de la hauteur immergée 19 de la pale 18. La force de traînée de bout de pale et la force de traînée de vague s'ajoutent à la force de traînée régulière. La force de traînée de bout de pale s'exerce à l'extrémité libre inférieure de la pale 18. La force de traînée de vague s'exerce 35 à la frontière entre les parties immergée et émergée de la pale B12262 - DI05825-01 16 18 et dépend de la forme des lignes, appelées lignes d'eau, d'intersection de la surface libre de l'eau d'une part et de l'intrados et de l'extrados de la pale 18 d'autre part. Pour réduire la force de traînée de bout de pale, une 5 ailette d'extrémité 86 (en anglais winglets), orientée vers l'axe de rotation A, peut être fixée au bout de chaque pale motrice 18. L'ailette d'extrémité 86 peut avoir une section, dans un plan parallèle à l'axe de rotation A, ayant la forme d'un profil d'aile 88, par exemple un profil biconvexe 10 symétrique ou dissymétrique, un profil creux, ou un profil à double courbure. Pour réduire la force de traînée de vague, le profil d'aile de la pale est modifié à la frontière entre les parties immergée et émergée de la pale 18. A titre d'exemple, à la 15 frontière entre les parties immergée et émergée, la pale 18 comprend, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation A, un profil laminaire 90. Il peut s'agir d'un profil comprenant un bord d'attaque 92 effilé et un bord de fuite 94 effilé. De préférence, l'angle d'entrée 92 à la flottaison et l'angle de 20 fuite à la flottaison sont sensiblement égaux entre eux et égaux à l'angle de fuite du profil d'aile 90. De préférence, la variation du profil d'aile 80 vers le profil 90 est sensiblement continue. La figure 7 représente un mode de réalisation du 25 flotteur 16. Le flotteur 16 peut avoir, au moins sur une partie de la hauteur immergée 37 du flotteur, une section, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation A, ayant la forme d'un profil d'aile 96, par exemple un profil biconvexe symétrique ou dissymétrique, un profil creux, ou un profil à double courbure. 30 De tels profils sont caractérisés par un bord d'attaque 97 arrondi et un bord de fuite 98 effilé. De préférence, le profil 96 est sensiblement constant sur la majeure partie de la hauteur immergée 37 du flotteur 16. L'intensité de la force de traînée de vague du 35 flotteur 16 et l'ampleur de la vague d'étrave dépendent de la B12262 - DI05825-01 17 forme des lignes d'eau du flotteur 16. La vague d'étrave qui se développe entre les deux flotteurs 16 exerce un effet nocif sur les performances de la turbine 14. Il est donc avantageux que les profils des flotteurs 16 soient adaptés pour minimiser la vague d'étrave. Pour réduire la force de traînée de vague, le profil d'aile du flotteur 16 est modifié à la frontière entre les parties immergée et émergée du flotteur 16. A titre d'exemple, à la frontière entre les parties immergée et émergée du flotteur 16, la pale 18 comprend un profil laminaire 100 dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation A. Il peut s'agir d'un profil comprenant un bord d'attaque 102 effilé et un bord de fuite 104 effilé. L'angle d'entrée à la flottaison et l'angle de fuite à la flottaison peuvent être sensiblement égaux entre eux et égaux à l'angle de fuite du profil d'aile 96. En outre, le bord d'attaque 102 peut être décalé vers l'aval par rapport au reste du profil du flotteur, le bord d'attaque 102 du flotteur formant ainsi une sorte d'encoche juste au-dessus de la ligne de flottaison 30, représentée schématiquement par une ligne double.

La partie immergée 37 en dessous de ce plan joue le rôle d'un bulbe d'étrave dont la fonction est de créer une vague supplémentaire à l'avant du système normal de vagues produit par l'écoulement impactant le nez du flotteur. Cette vague interfère avec la vague d'étrave pour en annuler les effets à une certaine vitesse du courant. La surface libre de l'écoulement au sein du diffuseur se trouve alors tranquillisée et le fonctionnement de la turbine n'est plus perturbé. Lorsque la surface de l'eau est agitée, la présence de l'encoche réduit, en outre, les mouvements de tangage.

La figure 8 représente un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique 110. La centrale hydroélectrique 110 comprend l'ensemble des éléments de la centrale hydroélectrique 5 représentée en figure 1 et comprend, en outre, un système anti-débris 112.

B12262 - DI05825-01 18 Le système anti-débris 112 est placé en amont de la turbine 14. Il peut être composé d'une succession de lames parallèles 114, en forme de 'V", par exemple sensiblement horizontales, éventuellement profilées pour réduire la traînée.

Les lames 114 peuvent s'appuyer sur une étrave centrale 116 inclinée vers l'amont et sur des montants 118 situés dans la zone amont des flotteurs 16. A titre d'exemple, l'enveloppe générale externe de ces lames 114 est une surface sensiblement analogue à la carène avant d'un navire à fond plat. Le demi- angle au sommet sur l'étrave 116 que forment ces lames 114 est avantageusement inférieur à 30°. Ces lames 114 bloquent l'irruption de débris entre les flotteurs 16 et participent également à la régularisation du courant incident en brisant les grosses structures turbulentes. Ce système anti-débris 112 peut être rendu amovible par des charnières 120 fixées sur l'avant du pont 32. De plus, des plaques amovibles, non représentées, peuvent être fixées temporairement aux lames 114 du système anti-débris 112 de façon à matérialiser la carène avant d'un navire, par exemple lors du déplacement de la centrale 110. Ceci permet de réduire la traînée s'exerçant sur la centrale 110 lorsqu'elle est déplacée. A titre de variante, de façon à réduire la traînée s'exerçant sur la centrale lors de ses déplacements, la centrale peut comprendre des volets verticaux mobiles chacun en pivotement autour d'un axe vertical et adaptés à être braqués vers l'intérieur de la centrale pour réduire le maître-couple de la centrale. La figure 9 représente un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique 130. En figure 9, la turbine n'a pas été représentée. La centrale hydroélectrique 130 comprend l'ensemble des éléments de la centrale hydroélectrique 110 représentée en figure 8 et comprend, en outre, un système d'amarrage 132. A titre d'exemple, le système d'amarrage 132 comprend deux lignes d'amarrage 134, 136 qui sont reliées à deux B12262 - DI05825-01 19 plots 138, 140 de part et d'autre de la dite centrale 130. Les lignes d'amarrage 134, 136 peuvent être constituées de câble, chaîne, corde, etc... Les plots 138, 140 peuvent être des pieux fichés dans le lit du cours d'eau ou être fixés sur les rives.

De préférence, chaque plot 138, 140 comprend une portion émergée et une extrémité de chaque ligne d'amarrage 134, 136 est fixée à la portion émergée de l'un des plots 138, 140. L'autre extrémité de chaque ligne d'amarrage 134, 136 est fixée en un point Cm de l'étrave 116 du système anti-débris 112. A titre d'exemple, les deux lignes d'amarrage 134, 140 sont reliées au même point Cm de l'étrave 116. Une seule ligne d'amarrage fixée à un unique pieu et se raccordant aussi sur le point Cm, peut aussi être utilisée. La ligne d'amarrage ou les lignes d'amarrage doivent satisfaire deux contraintes. Tout d'abord, elles doivent avoir une résistance en traction suffisante Fm pour équilibrer à tout moment la résultante F/, des efforts hydrodynamiques de traînée parallèle à la direction du courant, de façon à maintenir la machine en place. La résultante F/, est la somme de la traînée et de la résistance de vague sur la partie mouillée de la turbine 14 et sur les parties mouillées de chaque flotteur 16. La résultante F/1 s'exerce en un point d'application Cp, appelé centre de poussée hydrodynamique défini ici en tenant compte seulement des forces de traînée, qui est situé à l'intersection d'un plan vertical de symétrie de la centrale 130 et d'un plan horizontal situé au niveau de la partie immergée de la centrale 130. Toutefois, le point Cp peut se déplacer lorsque la position de la centrale 130 s'écarte de la position d'assiette nulle. La position du point Cm peut être déterminée pour que la position de la centrale 130 soit proche de la position d'assiette nulle. Ceci permet d'améliorer la stabilité de la centrale 130 suivant son axe de tangage. Il faut pour cela évaluer la somme des moments de toutes les forces dans le plan de tangage qui s'appliquent sur la centrale 130 lorsque celle-ci est éloignée de l'assiette nulle et déterminer si le moment de B12262 - DI05825-01 20 redressement associé au couple (force de gravité, force d'Archimède) compense en toutes occasions un éventuel moment de basculement associé au couple (Fm, FH). De préférence, le point Cm est situé au-dessous du point Cp. En effet, le moment associé au couple (Fm, F//) participe alors au couple de redressement fourni par les organes de flottaison pour le tangage vers l'avant. Même si le moment associé au couple (Fm, FH) permet d'amplifier le tangage vers l'arrière, le moment de redressement (antihoraire) associé au couple (force de gravité, force d'Archimède) peut être accru en introduisant, en aval de la turbine, un flotteur symétrique 142, effilé en largeur, avec un plan médian coïncidant avec le plan médian de l'organe de flottaison 6 et rendu solidaire de ce dernier, par exemple par au moins un bras de liaison 144 issu du pont 32 au-dessus des flotteurs 16 de carénage. La poussée d'Archimède appliquée au flotteur 142 lors d'un tangage arrière croît avec son enfoncement. De plus, le bras de levier du moment de cette poussée peut, en outre, être augmenté en éloignant le flotteur 142 de la turbomachine. Le flotteur 142 permet en toute occasion de limiter le tangage arrière de la centrale hydroélectrique 130 qui est par ailleurs stable en tangage avant avec le positionnement de Cm en dessous de Cp. En outre, le lacet est aussi limité. Un optimum est à rechercher concernant la distance entre les deux plans horizontaux contenant Cm et Cp. Pour que le couple qu'ils induisent soit faible, il faut que cette distance le soit aussi. Mais comme C peut se déplacer aléatoirement, il faut prendre une marge de sécurité. La recherche de la hauteur précise de ce point peut être affinée par des essais expérimentaux en aménageant une succession de points d'attache sur l'étrave 116. Selon un autre mode de réalisation, les lignes d'amarrage 134, 136 peuvent être remplacées par au moins une ligne d'amarrage comprenant une extrémité fixée au fond du cours 35 d'eau et l'extrémité opposée fixée à l'armature inférieure 34 de B12262 - DI05825-01 21 la centrale hydroélectrique. Dans ce cas, la ligne d'amarrage est fixée à la traverse de l'armature inférieure 34 reliant les parties médianes des faces inférieures des flotteurs 16. De préférence, cette traverse est située au niveau d'un plan 5 vertical contenant le centre de poussée hydrodynamique Cp. A titre d'exemple, cette traverse peut avoir une section verticale, dans un plan parallèle à un plan de symétrie de l'organe de flottaison, en forme de profil d'aile, le profil étant défini pour produire une force de portance vers le haut 10 permettant ainsi d'accroître le flux dans un plan vertical impactant la turbine et d'augmenter son rendement. La figure 10 représente un autre mode de réalisation d'une centrale hydroélectrique 150. La centrale hydroélectrique 150 comprend l'ensemble des éléments de la centrale 15 hydroélectrique 5 représentée en figure 1 et comprend, en outre, une turbomachine supplémentaire 8' fixée au pont 32. Les turbomachines 8 et 8' peuvent avoir une structure analogue. Les turbines 14, 14' sont juxtaposées de manière symétrique par rapport au plan de symétrie P de l'organe de flottaison 6. Les 20 pales 18, 18' des turbines 14, 14' tournent dans des sens de rotation opposés et sont séparées par une paroi verticale 152 fixée au pont 32. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de 25 l'art.

Claims (21)

1. REVENDICATIONS1. Centrale hydroélectrique flottante (5) comprenant un organe de flottaison (6) et au moins une turbomachine (8), l'organe de flottaison comprenant au moins deux flotteurs (16) allongés selon le sens du courant, chaque flotteur comprenant une portion immergée (37) et une portion émergée (38) fixée à un pont (32), la turbomachine comprenant un convertisseur électromécanique (10) fixé au pont et une turbine (14) adaptée à entraîner le convertisseur électromécanique, la turbine comprenant des pales (18) motrices situées entre les deux flotteurs et adaptées à entraîner la turbine en rotation autour d'un axe de rotation (A) vertical à 20 degrés près, chaque pale comprenant une partie immergée (19) ayant majoritairement une section horizontale en forme de profil d'aile et une partie émergée (20) fixée à un organe de liaison (22) émergé, de préférence un disque ajouré, relié au convertisseur électromécanique, les pales ayant leur extrémité inférieure libre.
2. 2. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 1, dans laquelle le convertisseur électromécanique (10) est une machine synchrone à entraînement direct.
3. 3. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 2, dans laquelle le convertisseur électromécanique (10) comprend des enroulements et/ou des aimants fixés directement à l'organe de liaison (22).
4. 4. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque flotteur (16) a une section horizontale en forme de profil d'aile, les flotteurs étant symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical et formant un diffuseur, l'axe de rotation (A) de la turbomachine (8) étant situé entre le col du diffuseur et un plan joignant les bords de fuite des flotteurs, la distance minimale entre chaque pale (18) et les flotteurs étant comprise entre une et dix épaisseurs maximales de pale.
5. 5. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant deux turbinesB12262 - DI05825-01 23 contrarotatives (14, 14'), situées entre les flotteurs (16) et séparées par une paroi verticale (152) fixée sous le pont (32).
6. 6. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la hauteur de 5 la portion immergée (37) de chaque flotteur (16) est supérieure à la hauteur de la partie immergée (19) de chaque pale (18).
7. 7. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les portions immergées (37) des flotteurs (16) sont reliées par une structure 10 de maintien transverse située à l'aplomb du centre de poussée hydrodynamique des parties mouillées de l'ensemble comprenant la turbine (14) et les flotteurs (16).
8. 8. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 7, dans laquelle la structure de maintien a une 15 section verticale, dans un plan parallèle à un plan de symétrie de l'organe de flottaison, en forme de profil d'aile à portance dirigée vers le haut.
9. 9. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant, en outre, une 20 étrave (116) à guibre et comprenant, en amont de la turbine (14), des lames (114) parallèles entre les flotteurs (16) se raccordant sur l'étrave.
10. 10. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le centre de 25 gravité de la centrale hydroélectrique flottante est situé à la verticale du centre de carène de la centrale hydroélectrique flottante et en dessous du centre de carène de la centrale hydroélectrique flottante en l'absence de courant.
11. 11. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une 30 quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle chaque pale (18) est précontrainte.
12. 12. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant une étrave (116) à l'amont de la turbine (14) et comprenant au moins une 35 ligne d'amarrage reliée à un plot émergé dans l'axe de laB12262 - DI05825-01 24 centrale hydroélectrique flottante ou deux lignes d'amarrage (134, 136) reliées à deux plots émergés (138, 140) de part et d'autre de la centrale hydroélectrique flottante, la ou les lignes d'amarrage étant fixées en un point de l'étrave situé en dessous du centre de poussée hydrodynamique des parties mouillées de l'ensemble comprenant la turbine (14) et les flotteurs (16), la centrale hydroélectrique flottante comprenant, en outre, un flotteur supplémentaire (142) placé à l'arrière de la turbine et relié à l'organe de flottaison (32).
13. 13. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 7, comprenant au moins une ligne d'amarrage fixée à une extrémité au fond du cours d'eau, et fixée à l'extrémité opposée en un point appartenant à un plan de symétrie de la structure de maintien transverse, la centrale hydroélectrique flottante comprenant, en outre, un flotteur supplémentaire (142) placé à l'arrière de la turbine (14) et relié à l'organe de flottaison (32).
14. 14. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle sur la majorité de la partie immergée (19) de chaque pale (18), le profil d'aile de la pale comprend un bord d'attaque arrondi (82) et un bord de fuite effilé (84) et dans laquelle, au niveau du plan de flottaison, les angles d'entrée et de sortie du profil (90) de chaque pale (18) sont égaux à 10 % près.
15. 15. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans laquelle chaque pale (18) comprend une ailette d'extrémité (86) à son extrémité inférieure orientée vers l'axe de rotation (A).
16. 16. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans laquelle la majorité de la portion immergée (37) de chaque flotteur (16) comprend un profil d'aile ayant un bord d'attaque arrondi (97) et un bord de fuite effilé (98), et dans laquelle les angles d'entrée et de sortie du profil de chaque flotteur, au niveau du plan de flottaison, sont égaux à 10 % près.B12262 - DI05825-01 25
17. 17. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans laquelle le bord d'attaque (102) de chaque flotteur (16) est décalé vers l'aval au dessus du plan de flottaison par rapport au reste du profil du flotteur.
18. 18. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, comprenant un moteur fixé au pont (32) et adapté à propulser la centrale hydroélectrique flottante à la surface de l'eau.
19. 19. Centrale hydroélectrique flottante selon les revendications 9 et 18, comprenant un dispositif de réduction de la traînée s'exerçant sur la centrale hydroélectrique flottante lors de ses déplacements dans un cours d'eau comprenant des plaques amovibles adaptées à être fixées aux lames (114) de façon à reproduire une carène avant de navire.
20. 20. Centrale hydroélectrique flottante selon la revendication 18, comprenant un dispositif de réduction de la traînée s'exerçant sur la centrale lors de ses déplacements dans un cours d'eau comprenant des volets verticaux mobiles chacun en pivotement autour d'un axe vertical et adaptés à être braqués vers l'intérieur de la centrale hydroélectrique flottante pour réduire le maître-couple de la centrale hydroélectrique flottante.
21. 21. Centrale hydroélectrique flottante selon l'une des revendications 1 à 20, dans laquelle la turbomachine (6) est reliée au pont (32) par un système de déblocage/blocage vis à vis du pont de sorte qu'une grue puisse déplacer la turbomachine par rapport au pont, une fois la centrale hydroélectrique flottante arrimée à quai pour une opération de maintenance.