Rendre le système de couplage et d’extraction d’énergie compact, robuste et efficace n’est pas simple. En ingénierie, trois méthodes de base sont utilisées pour transmettre de la puissance : la mécanique, l’électrique et l’hydraulique. La plupart des applications requièrent une combi- naison de ces trois méthodes, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. Les grandes amplitudes de pilonnement et de tangage écartent plusieurs solutions mécaniques qui seraient trop encombrantes, comme la première génération de la HAO. L’hydraulique s’avère la mé- thode la plus simple et la plus compacte pour cette application tout en étant très robuste. De plus, une des particularités de l’aile oscillante est que le tangage de l’aile se fait dans un repère en mouvement. À ce sujet, l’hydraulique répond bien à ce besoin par sa simplicité de transmettre l’énergie d’un endroit à un autre.
Hydraulique conventionnelle
La raison d’une utilisation répandue de l’hydraulique est sa polyvalence et sa maniabilité. Esposito [12] dresse quelques avantages reliés à ce procédé. Les composantes hydrauliques ne sont pas dépendantes de la machine ou du procédé comme les systèmes mécaniques. Un vérin reste un vérin, peu importe où il est employé, seules les dimensions sont adaptées à la tâche. Les pressions de travail sont très élevées, O(207-345 bar), par conséquent, l’hydraulique présente une puissance massique importante, c’est-à-dire que les composantes restent compactes même pour des puissances élevées. De plus, la force est constante, quelle que soit la vitesse de déplacement, et dépend plutôt de la pression et de la géométrie des composantes.
Quelques inconvénients sont également cités dans [12]. L’étanchéité des composantes amène parfois de grands défis de conception et d’installation pour prévenir les fuites de fluide hy- draulique vers l’environnement. De plus, l’usure et le frottement dans les joints d’étanchéité de même que les pertes de charge dans les canalisations sont des inconvénients à ne pas négli- ger dans un contexte de production électrique. À la base, l’hydraulique conventionnelle n’est pas réputée pour avoir un bon rendement global, cette technique est largement employée pour du travail brut de grande puissance. L’utilisation de l’hydraulique dans un domaine plus fin, comme l’extraction d’énergie par une aile oscillante, requiert une attention particulière lors de la conception des circuits et des composantes. Le lecteur est invité à consulter au besoin le livre d’Esposito [12] qui couvre les notions de base de l’hydraulique.
Hydraulique appliquée à la HAO-2
La turbine sera équipée de systèmes hydrauliques pour le couplage des mouvements et l’extrac- tion d’énergie. La pression de travail est volontairement plus basse que celle de l’hydraulique conventionnelle, soit entre 21-35 bar (300-500 psi). Ce choix de conception réduit les fuites vers l’environnement et, d’une plus grande importance, réduit le frottement dans les joints d’étan- chéité. Par conséquent, les composantes hydrauliques ont un meilleur rendement, par contre, elles sont légèrement plus volumineuses. Bref, il y aura une pression de travail optimale qui allie efficacité et compacité. La compacité a une influence évidente sur l’épaisseur des piliers verticaux, mais également sur les coûts de fabrication et la rentabilité de la HAO-2.
Le fluide hydraulique considéré est l’eau pour limiter les impacts environnementaux suite aux éventuelles fuites vers le milieu ambiant. La NFPA (« National Fluid Power Association ») dresse un portrait de l’utilisation de l’eau dans un système hydraulique [48]. L’eau était lar- gement utilisée avant le 20ième siècle et l’arrivée des huiles minérales et synthétiques. Par
contre, l’incertitude économique du marché pétrolier et les considérations environnementales favorisent son retour comme fluide hydraulique. Comparativement à l’huile, elle est ininflam- mable, peu dispendieuse, propre, non toxique et facilement disponible. La NFPA mentionne que les avancées technologiques des dernières années ont permis de régler certains problèmes reliés aux fuites, à la lubrification, à la corrosion, à la croissance bactérienne et à la tem- pérature d’opération. L’utilisation de nouveaux matériaux pour les joints d’étanchéité et les composantes hydrauliques a permis de réduire le besoin en lubrification, de réduire l’usure et d’éliminer la corrosion. De plus, les tolérances de fabrication sont réduites pour minimiser les fuites et l’ajout de certains additifs ralentit la croissance bactérienne et élargit la plage de température d’opération.
La Fig. 2.5 illustre le schéma hydraulique complet du côté d’une unité de base, proposé par l’auteur. Ce système fait d’ailleurs l’objet d’un brevet [10] détenu par l’Université La- val sur lequel je suis co-inventeur. Les ailes, en trait vert, sont supportées à chaque extré- mité pour répartir les efforts uniformément et assurer un déplacement fluide de celles-ci. Afin
de simplifier le schéma, l’aile basse est décalée vers l’arrière et vers le bas, mais en réalité elle pourrait osciller directement sous celle du haut comme suggéré à la Fig. 2.1. Chaque aile actionne 4 vérins de pilonnement (10), deux de chaque côté, disposés tel que repré- senté sur la Fig. 2.5. Le côté tige de ces vérins est relié à l’actionneur de tangage (20) de l’autre aile, tandis que le côté piston est connecté au convertisseur hydraulique-électrique (30).
Figure 2.2: Couplage pilonnement-tangage de l’aile basse en rouge et celui de l’aile haute en bleu.
La Fig. 2.2permet de mieux comprendre cette importante innovation brevetée [10], rendue possible par la configura- tion spécifique de la turbine (deux ailes parallèles déphasées de ψ1−2= 90˚). Ce schéma simplifié met l’accent sur le cou-
plage pilonnement-tangage de chaque aile représentée dans leur position initiale dans le cycle.
Selon la Fig. 2.5, le vérin de pilonnement (10) est consti- tué d’un cylindre (13) fixé sur la structure de la turbine par une liaison à rotule (11). Ce type de liaison, libérant les degrés de liberté en rotation, facilite l’installation sans nécessiter un alignement précis sur la structure. Il élimine le coincement possible de la tige du piston (12) dans le cy- lindre (13) et garantit ainsi une force uniquement axiale au vérin. La Fig.2.3présente une modélisation symbolique 3D de la zone entourant l’extrémité de l’aile. Il ne s’agit pas d’une modélisation mécanique fonctionnelle, mais plu- tôt d’une vision conceptuelle de la zone. Cette représenta- tion permet de constater que le piston (12) est fixé sur le chariot (27) supportant le pivot de l’aile (22) en utilisant aussi une liaison à rotule (11).
Dans la configuration illustrée (voir la Fig. 2.3 et la Fig.2.5), l’actionneur de tangage (20) proposé par l’auteur est une combinaison hydraulique et mécanique. Il est com- posé d’un vérin à double tige (21) qui actionne un système de câbles (24) et de tambours (25). Ce mécanisme à câbles sert à transférer une oscillation linéaire en une oscillation rotative. Il s’avère un choix très intéressant sur le plan de sa durée de vie et de son rendement. En effet, l’usure et les pertes y sont minimales, aucune pièce ne frotte sur une autre comme un pignon-crémaillère. De plus, il ne requière pas de lubrification entre le câble et le tambour et, par sa conception, il est peu sensible aux débris du milieu ambiant qui pourraient se loger dans le mécanisme.
D’autres actionneurs complètement hydrauliques peuvent aussi être envisagés, comme un ac- tionneur à vanne ou à engrenages. Dans les 2 cas, l’étanchéité de la zone pressurisée est difficile à obtenir en limitant le frottement. Le premier type comporte une forme complexe qui néces- site une compression importante du joint de la vanne pour garantir l’étanchéité ce qui entraîne un couple de friction important. Ce type d’actionneur a d’ailleurs été testé et se constat fut observé en laboratoire (détails section 3.4). L’étanchéité du second type est réalisée par un faible jeu entre les engrenages et le bâti du moteur. Pour conserver le même niveau d’étan- chéité, l’utilisation de l’eau requiert un jeu beaucoup plus petit que si le même actionneur était utilisé avec de l’huile. Le faible jeu, causé par la différence de viscosité des deux fluides, implique des tolérances de fabrication très petites qui seront difficiles et coûteuses à maintenir pour une hydrolienne de grande puissance. Toute autre combinaison hydraulique et mécanique peut être possible. Mentionnons simplement l’actionneur à pignon-crémaillère qui fonctionne essentiellement comme celui à câble et tambour. C’est uniquement la partie mécanique qui est différente. Par contre, le milieu abrasif et le manque de lubrification du pignon-crémaillère pourraient entraîner une usure plus rapide que le système de câbles et de tambours.
Le moment de tangage produit par l’actionneur (20) est transmis directement au pivot de l’aile (22) par un des tambours (25). La base (23), supportant toutes les composantes de l’actionneur, est fixée sur le chariot de l’aile (27) qui est guidé en translation par les systèmes de guidage linéaire (28). Dans cette vision, le guidage est réalisé par des paliers lisses coulissant sur deux tubes. Les valves de décharge (26) servent à synchroniser les mouvements, c’est-à-dire que si l’aile termine sa rotation avant le pilonnement, la valve s’ouvre et la synchronisation est rétablie. D’autres types de contrôle actif ou passif peuvent être envisagés pour cette tâche. Le convertisseur hydraulique-électrique (30) peut prendre plusieurs formes. Celle envisagée pour la HAO-2 correspond à des vérins à double tige (33) qui actionnent un système bielle- manivelle (32-31) qui entraîne à son tour le générateur électrique (36) à vitesse constante. La Fig.2.4 illustre une vision 3D d’un convertisseur pour faciliter la compréhension. Notons que pour chaque aile supportée aux deux extrémités, deux vérins à double tige (33) sont nécessaires. Par conséquent, la Fig. 2.4 représente un convertisseur pour une unité de base, soit 2 ailes en parallèle. Pour ajouter d’autres unités de base à l’hydrolienne comme à la Fig.2.1, il suffit d’annexer une série de vérins et de systèmes bielle-manivelle sur la gauche du convertisseur. Compte tenu des faibles fréquences d’oscillation des HAO, O(1hz), une boîte d’engrenage (34) est nécessaire pour obtenir une vitesse de rotation standard au générateur. Une roue d’inertie (35) est également utilisée afin d’amortir les fluctuations de vitesse causées par les forces hydrodynamiques instationnaires.
Figure 2.3: Modélisation symbolique et conceptuelle de la zone entourant l’extrémité de l’aile.
Figure 2.4: Modélisation symbolique et conceptuelle d’un convertisseur hydraulique- électrique d’une unité de base de la HAO-2 en développement à l’Université Laval.
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Figure 2.5: Schéma hydraulique complet intégrant les deux circuits, le couplage pilonnement- tangage (canalisations bleues) et l’extraction d’énergie pilonnement-convertisseur (canalisa- tions rouges) pour deux ailes parallèles déphasées de ψ1−2= 90˚. Figure adaptée selon [10].