Brevet FR2290075A1 — publié le 19760528

Il est séja conn@ @'@tiliser l'énergie é@@ienue pour fournir de l'énergie électrique ou mécanique en la captant par des rotors divers, @ axe @oriz@@tal ou vertical, dont les plus connus et uti- lisés sont les roues dites "Américaines" et les rous hélices. @ais actuellement elles restent toutes de prandes dimensions pour des puissances significative à cause de leurs performances gpeu poussées ce qui les rend particulièrement inaptes à travail ler par grands vents. UK second problème à résoudre est celui de la régulation de énergie fournie,souvent réalisée par accumulation à plus ou moins long terme dans de l'air comprimé,ltinertie d'une masse tournante, 11 eau accumulée en hauteur, l'électrolyse de l'eau et le stockage de l'hydrogène, accumulateurs électriques.Aucune de ces solutions n'est à la fois économiquement et techniquement satis faisant. La présente invention a pour but de créer une installation d'alimentation en énergies variées et adaptable aux besoins domestiques,de performances suffisantes pour conduire à un produit économiquement competitif,et présentant le maximum de qualïtés écolo, giques.Elle allie un excellent rendement à des qualités de stock liage à court terme comme à long terme,tout en- stadaptant bien aux diverses installations domestiques dont les besoins sont à 20% électriques et 80% thermiques ; elle résout en outre au sens le plues général les problèmes de climatisation dans l'habitat moderne qui sont les plus gros consommateurs énergie. L'installation d'alimentation en énergie conforme à l'inven- tion est caractérisée par le fait qutelle se compose au moins: d'un aéromoteur;dun moteur électrique asynchrone pouvant fonc tionner en génératrice asynchrone;d'un thermocompresseur de com position connue à savoir,un compresseur,u condenseur,un évaporater, un détendeur;une channe cinématique reliant aeromoteur,moteur et compresseur;des dispositifs de contrôle et régulation associés; un compteur électrique réversible reliant l'installation au réseau électrique local;;un réservoir d'accumulation sous pression de fluide frigorigène La présente invention est basée sur le fait que l'habitat, de par son élévation au dessus du sol,constitue un support déjà propice i une meilleure captation de énergie éolienne du site considéré;;que cette énergie doit être utilisée au maximum de ses possibilités, soit directement,soit après stockage à court terme, sous forme de vapeur frigorigène en équilibre et condensable,soit après- stockage à long terme sous forme d'échange avec un réseau électrique,ces choix étant automatiquement assurés par les dispo sitifs de régulation et de contrôle et dans l'ordre de priorité précié, que la réversibilité de la boucle frigorigène assure Xe chauffage ou la climatisation,que l'évaporation peut se faire à température négative en présence de givre,que lépaisseur du givre résulte d'un équilibre entre la chaleur prélevé-e et celles four nies par l'énergie solaire,la-condensation de l'humidité atmos phérique,l'échange avec l'air à la vitesse du vent local à la température ambiante, que le fonctionnement de l9aéromoteur peut être régularisé par centrale du flux éolien,enfin que l'utilisa tion des techniques mode-rnes d'hypersustentation à des pales courtes permet d'obtenir les meilleures performances dans les plus grandes dynamiques de vent. Nous allons décrire l'installation la plus complète de la figurel mettant en oeuvre toutes les originalités de cette inven'- tion et dont toute autre combinaison ne serait qu'un cas parti culier;c'est ainsi que dans une installation à chauffage électri que le thermocompresseur n'est plus justifié que par la climati- sation alors que l'aéromoteur et la génératrice électrique doi vent titre dimensionnés en conséquence;pour un chauffage à air chaud le condenseur est un aérotherme alors que dans un chauffage à eau chaude le condenseur est un échangeur. L'installation comprend en 1 un aéromoteur relié mé.canique- ment au moteur électrique 2 par une roue libre 10 permettant l'en- trainement non réversible du moteur par l'aéromoteur.Le moteur est mécaniquement lié par un inverseur 19 à un compresseur 3 incorporé dans un circuit frigorigène 13 traversant successive ment et dans le sens de circulation du fluide,un accumulateur 6 un condenseur 7,un thermodétendeur 8 et un évaporateur 9.L'in ducteur du moteur 2 est relié au réseau 14 par un compteur réver sible 4 et la canalisation électrique 11;son induit est électri quement relié par 12 au dispositif régulateur 5, lui même comman dé par un thermostat d'ambiarlce3g ,le détendeur 8 et un manomètre 1E respectivement par les liaisons 15,16,17. L'aéromoteur 1 est caractérisé en ce qu'il est constitué d'un rotor 35 à pales courtes 20 montées à la périphérie d'un moyeu biconique convexe de diamètre important par rapport au dia mètre extérieur de la roue,coulissant sur un arbre canelé 22 disposé au col d'un dispositif convergent-divergent dit de venturi 23 de même axe que lui (fig 2) : on sait que la puissance est multipliée par B4 SI B=section entrée/section col ; caractérisé en ce que la paroi du venturi est poreuse par construction,de porosité minimum mais suffisante pour contraler la couche limite et éviter le décollement d'écoulement aux parois; caractérisé ewc'-'e que l'arbre du rotor, positionné dans l'axe du venturi par deux paliers 24 comporte deux butées fixes 26, l'une à la hauteur du col,liautre au niveau de la section de sortie du divergent, ce qui limite la liberté du rotor à l'intérieur du divergent; caractérisé en ce que le rotor prend une position d'équilibre x à l'intérieur du divergent entre la force axiale développée par le vent et une force antagoniste Fc qui lui est appliquée(par exemple poids du rotor si l'axe est vertical,resso-rt si l'axe est horizontal); caractérisé en ce que les pales courtes sont creuses, à praois po reuses,séparées en deux chambres par exemple par leur surface médiane(fig 3),1a chambre extrados 28 étant ouverte sur-une cham bre intérieure au moyeu 29,elle même en communication avec l'ex- térieur par une fenêtre 32,la chambre intrados 30 étant ouverte à l'extrémité péripherique des pales par une fenêtre 31.Dans une disposition préférée de l'invention le venturi 23 précité est vertical,sa section de sortie étant reliée au col d'un second venturi 33,horizontal,suivant une disposition connue-sous me n-om de multiplicateur de Bourdon, l'ensemble pivotant autour de l'axe vertical du rotor et storientant naturellement dans le lit du vent par effet de girouetfe;;Fc est alors constante et égale au poids du rotor qui de ce fait délivre une puissance constante dès que la vitesse du vent atteint une valeur Vm et applique une force Fn=Fc (fig 4)0Le choix d'une grande valeur de la constante B permet de capter les vents les plus faibles sans pour autant nuire au fonctionnement par vents forts puisque,en s'effaçant le rotor cherche un vent/plus/faible tout en réduisant la vitesse au col de par la forme conique de son moyeu Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'arbre du rotor est couplé par une roue libre 10 à un moteur électrique asynchrone réversible dont le circuit d'induit est ouvert sur bugues,ces bagues étant reliées par la canalisation 12 au régula teur 5; l'inducteur, compensé en réactif par des condensateurs 34, est relié au réseau 14 par un compteur-décompteur dénergie élec- trique 4 faisant la somme algébrique des échanges entre l'instal- lation et le réseau qui assure ainsi le stockage d'énergie à long terme en utilisant la fonction Dispatching du rêseau.Les bagues sont reliées dans le régulateur par deux réseaux résistifs B1 ou R2 connecté-s par les interrupteurs I1 ou 12 (fig 5).I1 est fermé à la vitesse de synchronisme dù moteur par un dispositif tachymétrique tel par exemple qu'un contacteur centrifuge;le moteur fonctionne alors en génératrice et fournit de l'énergie au réseau suivant une caractéristique dictée par Rl(fig 6);I2 est fermé manuellement ou automatiquement en fonction des paramètres de régulation;le moteur fonctionne alors en moteur suivant une caracteristique réglée par R2 lorsque le chauffage est;nécessaire et la réserve de vapeur frigorigène épuisée ctest à dire quand (P2-P1) inférieur à 0 et (T1-T2) inférieur à o (T1 température ambiante, T2température de consigne du thermostat). Suivant une autre caractéristique de l'invention l'ensemble moteur est mécaniquement relié par un inverseur à un compresseur de préférence centrifuge puisque sa puissance est proportionnelle à la puissance 3 de sa vitesse comme l'est celle de l'aéromoteur par rapport à la vitesse du vent.Ce compresseur, réversible, est incorporé dans un circuit 13 de fluide frigorigène caractérisé en ce qui comprend un réservoir de stockage calorifugé et sous pression 6,un condenseur 7,un détendeur 8 de pression.P1Xun évaporateur 90Le réservoir 6 est équipé drun manomètre 18 relié par 17 au régulateur 5.Le poids total du fluide frïgorigène est force tion de la capacité de stockage à court terme désirée Cv.Pg Da Autonomie(heures) Da ~~~~~~~~~ Pc Cv Chaleur de vaporisation (kcal/kg) Pg poids de fluide en circuit (kg) Pc Puissance de chauffe(kcal/heure) Le volume total du circuit donc celui du réservoir de stockage est fonction de la pression maximum Pm choisie dans l'installa tion. Une autre caractéristique de l'invention réside dans l'utilisation d'un évaporateur de grande surface pouvant fonctionner à des températures négatives à travers une importante couche de glace.Cet évaporateur est constitué par un réseau de tubes disposé en nappe sur le toit de-l'habitation équipée par invention et recouverts d'un revêtement absorbant les rayons solaires. L'épaisseur de la couche de glace résulte d'un équilibre entre la chaleur prélevée par le fluide,la chaleur cédée par rayonnement solaire et l'échange thermique avec l'air dépendant de l'air dépendant de la tempé rature ambiante, la vitesse du vent et le degré hygrométrique;en cas F déséquilibre le dégivrage est effectué par inversion de cycle Suivant une dernière caractéristique de l'invention i l'en- semble aéromotcur,moteur, compresseur est choisi de telle façon que la vitesse de synchronisme .s corresponde à Dm/s vitesse moyenne annuelle du vent; la force Fc est telle que wm(fig 6)soit obtenue pour la vitesse Vm du vent et reste constante pour les valeurs supérieures ; d'autre part P2 est telle qu'à la vitesse Wm on ait Pcp+Pga = Pam Pcp puissance du compresseur Pga Puissance génératrice asynchrone Pam puissance aéromoteur REVENDICATIONS La présente invention a pour objet le produit industriel nouveau que constitue une installation d'alimentation en énergie assurant en particulier la climatisation dans les meilleures conditions de rendement. 1 Installation caractérisée par le fait quelle comporte des premiers moyens (1,2,4,10,11,14,19) pour fournir de l'énergie mécanique, des secondes moyens (3,6,7,8,9,13) pour fournir de l'énergie calorifique, des troisièmes moyens (1,2,4,5,11,14) pour fournir de l'énergie électrique,des quatrièmes moyens (5,8,12,15,16,17,18, 37) assurant le contrôle automatique de l'installation. 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en-ce que le moteur 1 est un aéromoteur constitué des moyens 23 et 33 de canalisation du vent,des moyens 20 et 35 de captation d'éner- gie cinétique du fluide en mouvement,des moyens 22, 24?26, pour transformer l'énergie captée en énergie mécanique de rotation et des moyens 10 de liaison cinématique avec le reste de l'installatien. 3 Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la dépression interne aux moyens 23 et 33 jointe à la porosité de leurs parois est utilisée pour améliorer l'écoulement fluide par technique de soufflage de couche limite. Dispositif selon les revendications i et 2 caractérisé en ce que les moyens 23 et 33 sont à axes orthogonaux. 5 Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le rotor 35 est à moyeu central conique et creux 29 ouvert à l'extérieur par une fenetre 32. 6 Dispositif selon les revendications 1,2 et 5 caractérisé en ce que les moyens 35 sont liés en rotation- mais libres en translation avec l'arbre 22 et maintenus à l'intérieur du diverment de 23 par les moyens 26. 7 Dispositif selon les revendications 1,2 et 5 caractérisé en ce que les pales 20,à profiles hypersustentateurs courts sont creuses et séparées en dus chamhres dont l'une 28 est en communi- cation avec 29, et l'autre 3d est en communication avec l'extérieur à l'extrémité des pales par une fenêtre 31. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1,2 5 et 6 caractérisé en ce que le rotor 35 prend une position d'équilibre à l'intérieur de 23 entre la poussée axiale du fluide en mouvement e t une force antagoniste telle que SOn poids. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 2, 3 et 7 caractérisé en ce que les parois extérieures des chambres 28 et 30 sont ajourées. 16 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens I sont mécaniquement lies aux moyens 2 e t 3 par une roue libre 10. 12 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens 2 peuvent fonctionner en moteur ou en génératrice asynchrone autour de la vitesse de synchronisme suivant la vitesse du vent e t les besoins énergétiques du moment dictés par les moyens dc c ont rb" le 5 12 Dispositif selon les revendications 1 et il caractéri s Coi ce que les moyens 2 sont reliés électriquement à un réseau électrique 14 par des moyens 4. 13 Dispositif selon les revendications 1,11 et 12 caractérisé en ce que les moyens 4 sont constitués par un compteur réversible d'énergie intégrant algébriquement les transferts d'énergie dans les deux sens. 1@2 Dispositif selon les revendications I et il caractérisé se en ce que le moyens 2 ont un induit ouvert sur bagues reliées x moyens 5 par les connexions 12. 15 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens 1 et. 2 sont reliés à un circuit frigorigîne réversible (3,6,7,8,9,13) par un inverseur de rotation 19. 16 Dispositif selon les revendications 1 et 15 caractérisé en ce que le circuit 13 comporte un accumulateur sa calorifugé de vapenrs humides 6. 17 Dispositif r selon les reveoidications i et 15 caractérisé en ce que l'évaporateur est tin aérotherme plan à ventilation naturelle, traité en surface au PTFE de préférence noir,de surface suffisante pour travaj@ler à température négative et ceci en pré sence éventuelle de givre.