FR3068397A1 - DEVICE FOR GENERATING ELECTRICITY WITH IMPROVED PERFORMANCE, IN PARTICULAR FROM A MEDIUM HEIGHT WATER FALL - Google Patents
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Abstract
L'objet de l'invention est un dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré, notamment à partir d'une chute d'eau C de moyenne hauteur H, un écoulement E formant un courant, comprenant un générateur de courant (10), un ensemble d'accélération (12) par effet Venturi, une prise d'eau (14), et un châssis (18) qui supporte l'ensemble.The object of the invention is a device for producing electricity with improved efficiency, in particular from a waterfall C of medium height H, a stream E forming a current, comprising a current generator (10). ), a Venturi acceleration assembly (12), a water intake (14), and a frame (18) that supports the assembly.
Description
DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ELECTRICITE AVEC UN RENDEMENT AMELIORE, NOTAMMENT A PARTIR D'UNE CHUTE D'EAU MOYENNE HAUTEURDEVICE FOR GENERATING ELECTRICITY WITH IMPROVED EFFICIENCY, PARTICULARLY FROM A MEDIUM HEIGHT WATERFALL
La présente invention concerne un dispositif de production d'électricité avec un rendement amélioré, notammentà partir d'une chute d'eau de moyenne hauteur,ouà partird'un courant hydraulique en profondeur.The present invention relates to a device for producing electricity with improved efficiency, in particular from a medium height waterfall, or from a deep hydraulic current.
On connaît les turbines au cours de l'eau qui sont immergées pour constituer des hydroliennes.We know turbines in the water which are submerged to form tidal turbines.
De telles hydroliennes fonctionnent avec la force du courant qui entraîne, grâce à une roue à aubes ou turbine, un générateur d'électricité.Such turbines operate with the force of the current which drives, thanks to an impeller or turbine, an electricity generator.
La production est liée uniquement à la force du courant issue du débit et de la vitesse du flux dudit courant.The production is linked only to the force of the current from the flow and the speed of the flow of said current.
Pour atteindre des productions significatives, il faut rechercher des sites avec des courants particulièrement puissants.To reach significant productions, it is necessary to seek sites with particularly powerful currents.
De nombreux autres sites pourraient être choisis comme site de production si le rendement pouvait être amélioré.Many other sites could be chosen as the production site if the yield could be improved.
Il en est de même pour l'exploitation des chutes d'eau. En effet, la hauteur d'eau doit être suffisante pour atteindre des rendements suffisants.The same is true for the operation of waterfalls. Indeed, the height of water must be sufficient to achieve sufficient yields.
Aussi, les grands barrages ou les conduites forcées conduisant l'eau de lacs avec de forts dénivelés sont propices à l'exploitation par des turbines directement sur le flux d'eau.Also, large dams or penstocks leading water from lakes with steep slopes are suitable for operation by turbines directly on the water flow.
Par contre, une même turbine en pied d'une chute d'eau de moyenne hauteur génère un rendement de production électrique insuffisant pour être rentable économiquement.On the other hand, the same turbine at the bottom of a medium-height waterfall generates an insufficient electrical production yield to be economically profitable.
De fait de très nombreuses chutes d'eau de moyenne hauteur sont inexploitées pour ces raisons alors qu'une augmentation du rendement permettrait une installation sur de très nombreux sites, sans dégradation, sans construction complexe et coûteuse.In fact, very many medium-height waterfalls are unexploited for these reasons, whereas an increase in yield would allow installation on very numerous sites, without degradation, without complex and costly construction.
Une autre contrainte est le fait que le turbinage est limité afin de préserver une partie du débit pour alimenter le cours d'eau. Ce débit minimum biologique consiste à ne pas turbiner 10% de l'eau généralement. Si cette partie pouvait être utilisée, sans contrevenir aux règles législatives et aux règles biologiques, cela représenterait un gain notable de production d'électricité.Another constraint is the fact that the turbine is limited in order to preserve part of the flow to supply the watercourse. This minimum biological flow consists in not turbinating 10% of the water generally. If this part could be used, without contravening legislative and biological rules, this would represent a significant gain in electricity production.
De plus, le problème souvent soulevé est le transport de l'électricité or une installation de proximité peut être reliée directement au réseau de consommation locale ou à l'alimentation d'une installation spécifique : séchoir, four, machines de production de froid, machines-outils fixes.In addition, the problem often raised is the transport of electricity, or a nearby installation can be connected directly to the local consumption network or to the supply of a specific installation: dryer, oven, cold production machines, machines -fixed tools.
L'électricité produite, nécessairement en quantité limitée comparé à la production de masse, pourrait être stockée, soit pour faire tampon, soit pour une utilisation différée, la nuit par exemple soit en appoint pour compenser des pics de consommation du réseau électrique public.The electricity produced, necessarily in limited quantity compared to mass production, could be stored, either to buffer, or for deferred use, for example at night, or as a backup to compensate for peaks in consumption by the public electricity network.
Le maillage pourrait donc être beaucoup plus fin que le maillage existant, sans perturbation des lieux, sans générer de déchets et sans dégrader l'écosystème donc de façon parfaitement écologique.The network could therefore be much finer than the existing network, without disturbing the premises, without generating waste and without degrading the ecosystem, therefore in a perfectly ecological way.
De plus, dans le cas d'un barrage avec turbine intégrée, il se pose le problème de l'ichtyo compatibilité. En effet, les poissons ne peuvent pas passer dans le sens contraire au courant à travers la turbine, de même pour la descente, même si c'est morphologiquement possible avec le courant et hormis les accidents.In addition, in the case of a dam with integrated turbine, there is the problem of ichthyo compatibility. In fact, fish cannot pass in the opposite direction to the current through the turbine, the same goes for the descent, even if it is morphologically possible with the current and apart from accidents.
Ceci oblige généralement à prévoir une échelle à poissons pour la montaison et la dévalaison des poissons en période de migration. L'impact écologique de ces échelles est important lors de la construction d'une part, inesthétique d'autre part et perdure jusqu'à une éventuelle démolition en cas de non usage.This generally requires the provision of a fish ladder for the upstream and downstream movement of fish during migration. The ecological impact of these ladders is important during construction on the one hand, unsightly on the other hand and lasts until a possible demolition in case of non-use.
Le dispositif selon la présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un agencement d'un dispositif dont le rendement est amélioré de façon à prévoir, tant économiquement que techniquement, une installation sur des chutes d'eau de moyenne hauteur par exemple.The device according to the present invention aims to overcome these drawbacks by proposing an arrangement of a device whose performance is improved so as to provide, both economically and technically, an installation on medium height waterfalls for example.
Le dispositif est décrit ci-après en regard des dessins annexés, dessins sur lesquels les différentes figures représentent un mode de réalisation non limitatif :The device is described below with reference to the accompanying drawings, drawings in which the various figures represent a non-limiting embodiment:
Figure 1 : une vue schématique du dispositif de production d'électricité à rendement amélioré,FIG. 1: a schematic view of the device for producing electricity with improved efficiency,
Figure 2 : une vue schématique du dispositif du générateur du dispositif de production d'électricité à rendement amélioré,FIG. 2: a schematic view of the generator device of the device for producing electricity with improved efficiency,
Figure 3 : une vue de détail d'un mode de réalisation d'un dégrilleur.Figure 3: a detail view of an embodiment of a screen.
Sur la figure 1, on a représenté le dispositif selon la présente invention dans son ensemble, installé sur une chute d'eau Ç de moyenne hauteur. Ce mode de réalisation est illustratif et aucunement limitatif dans son application.In Figure 1, there is shown the device according to the present invention as a whole, installed on a waterfall Ç of medium height. This embodiment is illustrative and in no way limitative in its application.
La chute d'eau est générée par une retenue mécanique sous forme d'un ouvrage en béton, symboliquement représentée par un barrage B.The waterfall is generated by a mechanical reservoir in the form of a concrete structure, symbolically represented by a dam B.
Le barrage B retient de l'eau d'un cours d'eau et provoque une accumulation d'un gros volume et donc une augmentation de la hauteur H de chute d'eau, au maximum égale à la hauteur dudit barrage. Un déversoir de trop plein évacue l'éventuelle surverse.The dam B retains water from a watercourse and causes an accumulation of a large volume and therefore an increase in the height H of the waterfall, at most equal to the height of the said dam. An overflow weir evacuates any overflow.
La pression d'eau à la surface de l'eau de la retenue est à la pression atmosphérique et la pression en pied de barrage est égale à la pression atmosphérique augmentée de la hauteur d'eau. Ainsi, par exemple une hauteur d'eau de 10m augmente la pression de 1 bar.The water pressure at the surface of the reservoir is at atmospheric pressure and the pressure at the foot of the dam is equal to atmospheric pressure increased by the water height. Thus, for example a water height of 10m increases the pressure by 1 bar.
Le barrage possède dans le mode de réalisation retenu, un écoulement E de l'eau formant un courant, par exemple une conduite d'écoulement, munie d'une vanne clapet V afin de maîtriser la hauteur d'eau H et le débit d'écoulement de l'eau issue de la retenue.In the selected embodiment, the dam has a flow E of water forming a current, for example a flow pipe, fitted with a valve valve V in order to control the water height H and the flow rate of drainage of water from the reservoir.
Le dispositif est positionné sur le fond F du lit naturel du cours d'eau sur lequel est installée la retenue, en amont de ladite retenue.The device is positioned on the bottom F of the natural bed of the watercourse on which the reservoir is installed, upstream of said reservoir.
Le dispositif comprend un générateur de courant 10, un ensemble d'accélération 12 par effet Venturi, une prise d'eau 14, une prise d'air 16 et un châssis 18 qui supporte l'ensemble.The device comprises a current generator 10, an acceleration assembly 12 by the Venturi effect, a water intake 14, an air intake 16 and a frame 18 which supports the assembly.
Ce générateur de courant 10 est représenté en détail sur la figure 2. Ce générateur de courant 10 comprend un rotor 10-1, un stator 10-2 avec un entrefer 10-3, ceci de façon connue.This current generator 10 is shown in detail in FIG. 2. This current generator 10 comprises a rotor 10-1, a stator 10-2 with an air gap 10-3, this in known manner.
Dans le dispositif spécifique de la présente invention l'axe XX' de rotation est vertical.In the specific device of the present invention the axis XX 'of rotation is vertical.
De plus le rotor 10-1 est associé à une turbine 10-4 en forme d'entonnoir inversé, avec un cône 10-5 en partie inférieure et une tête 10-6 en partie supérieure.In addition, the rotor 10-1 is associated with a turbine 10-4 in the form of an inverted funnel, with a cone 10-5 in the lower part and a head 10-6 in the upper part.
Le rotor 10-1 est rapporté sur la tête 10-6 de ladite turbine, à la périphérie. Ceci est le mode de réalisation retenu, sans qu'il soit considéré comme limitatif, les agencements de turbine dans un courant étant très variés.The rotor 10-1 is attached to the head 10-6 of said turbine, at the periphery. This is the preferred embodiment, without being considered as limiting, the turbine arrangements in a current being very varied.
En partie inférieure, le cône 10-5 comprend à sa périphérie des aubes 10-51, susceptibles de recevoir un flux d'eau et de faire tourner la turbine qui les porte, au passage dudit flux d'eau. Les accessoires du type paliers lubrifiés à l'eau, guidages, carters de protection de l'ensemble rotor/stator, les moyens de fixation sur le châssis 18 ne sont pas représentés, étant à la portée de l'homme de l'art et dépendant de la configuration du lieu.In the lower part, the cone 10-5 comprises at its periphery vanes 10-51, capable of receiving a flow of water and of turning the turbine which carries them, when said flow of water passes. Accessories of the type bearings lubricated with water, guides, protective casings of the rotor / stator assembly, the fixing means on the chassis 18 are not shown, being within the reach of those skilled in the art and depending on the configuration of the place.
Le générateur de courant est disposé dans un carter 10-7 en deux parties haute 10-7H et basse 10-7B avec un passage d'écoulement 10-8.The current generator is arranged in a casing 10-7 in two parts high 10-7H and low 10-7B with a flow passage 10-8.
Une vanne d'isolement/régulation d'admission VI assure le pilotage de l'alimentation en eau de la turbine, en obturant plus ou moins le passage délimité par la partie haute 10-7H du carter 10-7.An isolation valve / inlet regulation VI controls the water supply to the turbine, more or less closing the passage defined by the upper part 10-7H of the casing 10-7.
Une vanne d'isolement/régulation de fuite V2 assure le pilotage de l'alimentation en eau des moyens d'alimentation des moyens d'accélération par effet Venturi 12, en obturant plus ou moins le passage délimité par la partie basse 10-7B du carter 10-7.An isolation / leakage control valve V2 controls the supply of water to the means for supplying the means of acceleration by the Venturi effect 12, by more or less closing the passage delimited by the lower part 10-7B of the housing 10-7.
Le pilotage des deux vannes permet de régler les débits, comme cela sera expliqué plus avant. L'ensemble d'accélération Venturi 12 comprend deux cônes 12-1 amont et 12-2 aval, relié par leurs sommets, dont l'axe d'orientation YY' est perpendiculaire à l'axe XX' donc sensiblement horizontal.The control of the two valves makes it possible to adjust the flow rates, as will be explained later. The Venturi acceleration assembly 12 comprises two cones 12-1 upstream and 12-2 downstream, connected by their vertices, whose orientation axis YY 'is perpendicular to the axis XX' therefore substantially horizontal.
Le cône amont 12-1 est ouvert vers l'amont et accueille le flux d'évacuation de l'eau destiné, par exemple, à être évacué à travers la conduite d'écoulement E, suivant les flèches.The upstream cone 12-1 is open upstream and receives the water evacuation flow intended, for example, to be evacuated through the flow pipe E, according to the arrows.
Le cône aval 12-2 est ouvert vers l'aval et alimente la conduite d'écoulement E avec le flux d'évacuation après son passage dans le cône amont 12-1 et un flux complémentaire comme cela sera expliqué plus avant.The downstream cone 12-2 is open downstream and feeds the flow pipe E with the discharge flow after it has passed through the upstream cone 12-1 and a complementary flow as will be explained later.
La conduite d'écoulement E débouche à l'extérieur du barrage, au pied, de façon à bénéficier de la hauteur H de chute d'eau.The flow pipe E opens outside the dam, at the foot, so as to benefit from the height H of waterfall.
Un point d'aspiration 12-3 est positionné entre les deux cônes amont et aval, au point ou la dépression par effet Venturi est générée.A suction point 12-3 is positioned between the two upstream and downstream cones, at the point where the vacuum by Venturi effect is generated.
La partie basse 10-7B du carter 10-7 est reliée hydrauliquement à l'ensemble d'accélération au point d'aspiration 12-3.The lower part 10-7B of the casing 10-7 is hydraulically connected to the acceleration assembly at the suction point 12-3.
Il est aussi prévu une prise d'eau 14 supérieure. Cette prise d'eau 14 comprend une enceinte périphérique 14-1 qui englobe l'ensemble du générateur de courant 10. Cette enceinte périphérique est surmontée d'une ouverture 14-2 formant prise d'eau et coiffée d'une grille 14-3 de filtration. Cet ensemble crée une hauteur d'eau.An upper water intake 14 is also provided. This water intake 14 comprises a peripheral enclosure 14-1 which includes the whole of the current generator 10. This peripheral enclosure is surmounted by an opening 14-2 forming a water intake and capped with a grid 14-3 filtration. This set creates a height of water.
Cette grille 14-3, comme représenté sur la figure 3, peut comporter un dégril leur sous forme d'un couteau racleur 14-4, monté tournant sur un axe afin de racler les parois du dégrilleur. Un moteur non représenté peut entraîner ce couteau racleur.This grid 14-3, as shown in Figure 3, may include a screen in the form of a scraper knife 14-4, mounted to rotate on an axis in order to scrape the walls of the screen. An unrepresented motor can drive this scraper knife.
Le dispositif comporte une prise d'air 16 sous forme d'un tube 16-1, par exemple un tube souple, raccordé à un flotteur 16-2 en partie haute de façon que l'extrémité libre 16-3 de ce tube débouche à l'air libre , à la surface de l'eau et soit donc à la pression atmosphérique. L'autre extrémité 16-4 de ce même tube est raccordée à l'enceinte périphérique 14-1, dans sa partie haute. Cette prise d'air est nécessaire pour permettre l'aspiration de l'eau au point d'aspiration.The device comprises an air intake 16 in the form of a tube 16-1, for example a flexible tube, connected to a float 16-2 in the upper part so that the free end 16-3 of this tube opens out to free air, on the surface of the water and therefore at atmospheric pressure. The other end 16-4 of this same tube is connected to the peripheral enclosure 14-1, in its upper part. This air intake is necessary to allow the suction of water at the suction point.
Il existe donc une première chambre intérieure Cl définie par l'espace entre l'enceinte périphériquel4-l et le carter 10-7 du générateur de courant 10.There is therefore a first interior chamber C1 defined by the space between the peripheral enclosure4-1 and the casing 10-7 of the current generator 10.
Il existe une seconde chambre extérieure CE définie par le volume intérieur du carter 10-7 du générateur de courant.There is a second external chamber CE defined by the internal volume of the casing 10-7 of the current generator.
Le châssis 18 est schématiquement représenté sous forme d'une structure métallique 18-1 avec des pieds 18-2 reposant sur le fond de la retenue. Ce châssis supporte l'ensemble des éléments constitutifs du dispositif qui vient d'être décrit de façon à constituer un ensemble monolithique.The chassis 18 is schematically represented in the form of a metal structure 18-1 with feet 18-2 resting on the bottom of the retainer. This chassis supports all of the constituent elements of the device which has just been described so as to constitute a monolithic assembly.
De façon avantageuse, il est prévu des moyens de maintien au sol sous forme d'un ballast 183 et d'un ancrage au sol éventuel, non représenté. Il est aussi possible de prévoir des ballasts dont le remplissage et la vidange sont contrôlés de façon à pouvoir émerger la structure par vidange des ballast et flottage de l'ensemble. Ceci permet un accès rapide et sans moyens de levage.Advantageously, means are provided for maintaining the ground in the form of a ballast 183 and of an anchoring to the ground, if any, not shown. It is also possible to provide ballasts whose filling and emptying are controlled so as to be able to emerge the structure by emptying the ballast and floating the assembly. This allows quick access without lifting means.
Dans tous les cas, ces ancrages et autres ballasts doivent permettre la sortie de l'ensemble de l'eau pour les opérations de maintenance ou de réparation et des moyens d'accrochage de moyens de levage, non représentés, par exemple des élingues destinées à coopérer avec un crochet de câble de grue, doivent être prévus en cas de problèmes.In all cases, these anchors and other ballasts must allow all of the water to exit for maintenance or repair operations and means for attaching lifting means, not shown, for example slings intended for cooperate with a crane cable hook, should be provided in case of problems.
Le fonctionnement du dispositif selon la présente invention consiste à ouvrir la vanne à clapet V interposée sur la conduite d'écoulement E, ce qui provoque de façon naturelle la circulation de l'eau à travers l'ensemble d'accélération Venturi 12 et donc à travers les deux cônes 12-1 et 12-2. La circulation crée une dépression au point 12-3 comme cela est bien connu. L'ensemble d'accélération Venturi fonctionnerait aussi en cas de simple clapet d'évacuation en pied de barrage, ce qui générerait un courant, celui lié au débit du cours d'eau sur lequel ledit barrage B est interposé.The operation of the device according to the present invention consists in opening the flap valve V interposed on the flow pipe E, which naturally causes the circulation of water through the Venturi acceleration assembly 12 and therefore to through the two cones 12-1 and 12-2. The circulation creates a depression at point 12-3 as is well known. The Venturi acceleration assembly would also operate in the event of a simple discharge valve at the foot of the dam, which would generate a current, that linked to the flow of the watercourse on which said dam B is interposed.
Cette dépression aspire de l'eau à travers la partie basse du carter 10-7 lorsque la vanne d'isolement/régulation de fuite V2 est ouverte.This vacuum draws water through the lower part of the casing 10-7 when the isolation / leakage control valve V2 is open.
Cette circulation provoque par effet successif une aspiration de l'eau à travers la prise d'eau 14 et donc à travers l'ouverture 14-2 formant prise d'eau, coiffée de sa grille 14-3 de filtration.This circulation causes by successive suction of the water through the water intake 14 and therefore through the opening 14-2 forming a water intake, capped with its filtration grid 14-3.
Cette eau chute dans la partie haute 10-7H du carter 10-7 du haut vers le bas avec le différentiel de pression lié à la dépression et entraîne les aubes 10-51 de la partie conique de la partie en entonnoir de la turbine 10-4.This water falls in the upper part 10-7H of the casing 10-7 from top to bottom with the pressure differential linked to the vacuum and drives the blades 10-51 of the conical part of the funnel part of the turbine 10- 4.
La turbine, mise en rotation, entraîne à son tour le rotor qui lui est associé et produit en regard du stator de l'électricité.The turbine, set in rotation, in turn drives the rotor associated with it and produced opposite the stator of electricity.
La prise d'air 16 assure l'alimentation en air afin de libérer la dépression et la circulation de l'eau qui est aspirée sans contrainte au point 12-3 puisqu'il se produit une mise à l'air libre.The air intake 16 provides the air supply in order to release the vacuum and the circulation of the water which is sucked in without constraint at point 12-3 since there is a venting.
L'air aspiré peut aussi être utilisé pour être conduit au moins en partie, vers le générateur de courant pour assurer un éventuel refroidissement de l'ensemble rotor/stator.The aspirated air can also be used to be led at least in part, to the current generator to ensure possible cooling of the rotor / stator assembly.
On note aussi que l'eau est aussi très fortement oxygénée par la surface d'échange importante des bulles et de l'eau, ce qui favorise le développement de la vie aquatique.We also note that water is also very highly oxygenated by the large exchange surface of bubbles and water, which promotes the development of aquatic life.
Il est ainsi possible de produire de l'électricité tout en étant parfaitement ichtyo compatible, en évitant de construire des échelles à poissons, en améliorant le rendement du générateur de courant par création d'une dépression, en ne nécessitant aucune infrastructure de génie civil.It is thus possible to produce electricity while being perfectly ichtyo compatible, by avoiding to build fish scales, by improving the efficiency of the current generator by creating a depression, by not requiring any infrastructure of civil engineering.
Le mode de réalisation décrit prévoit une turbine 10-4 avec une partie conique en entonnoir en partie inférieure et une tête 10-6 en partie supérieure mais l'ensemble peut être inversé sans changer l'invention telle que décrite.The embodiment described provides for a turbine 10-4 with a funnel-shaped conical part in the lower part and a head 10-6 in the upper part, but the assembly can be reversed without changing the invention as described.
La description et l'application ont été décrites en regard d'une chute d'eau qui est la cible privilégiée mais la production d'électricité pourrait être obtenue de façon identique avec un courant de fond naturel.The description and the application have been described with regard to a waterfall which is the preferred target but the production of electricity could be obtained in an identical manner with a natural background current.
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