Brevet FR2355160A1 — publié le 19780113

La production et le stockage d'énergie à partir d'énergie thermique, et notamment à partir d'énergie solaire1 font l'objet de nombreuses études actuelles. Les solutions proposées jusqu'alors font intervenir, soit des phénomènes thermodynamiques electriques, soit des phénomènes thermodynamiques mécaniques. Pour les solutions du premier type, le problème de stockage de l'énergie électrique constitue une limitation serieuse, compte tenu du cout, du poids et- de la durez de vie relativement faible des éléments accumulateurs. Pour les solutions -du second type se posent des problèmes relatifs à l'exploitation optimale de l'énergie disponible, à la régénération de la source froide et à la forme d'énergie stockée. Des dispositifs connus faisant intervenir des phénomènes thermodynamiques mécaniques utilisent une source froide supposée inépuisable à laquelle est finalement rendue, plus ou moins directement, la quantité de chaleur non convertie. Ces dispositifs travaillent donc en système ouvert et leur rendement moyen sur 24 heures est mauvais. En outre, le stockage de l'énergie se fait généralement par compression d'air à volume constant donc à pression variable, ce qui interdit la possibilité d'utiliser l'énergie stockée de façon uniforme dans le temps et sans l'emploi d'organes supplémentaires. Le but de la présente invention est de fournir un dispositif travaillant en système fermé et permettant larégénération de la source froide afin de présenter un rendement moyen optimal. Dans son mode de réalisation préféré, le dispositif de l'-invention permet le stockage d1air comprimé à pression quasi constante, ce qui assure une utilisation plus aisée de l'énergie pneumatique stockée. Le dispositif pour la production etle stockage d'énergie pneumatique à partir d'énergie thermique, et notamment à partir d'énergie solaire, qui fait l'objet de la présente invention, comprend essentiellement un premier réservoir calorifugé contenant un fluide caloporteur froid-stocké pendant la nuit et utilisé comme source froide diurne ; un second réservoir calorifugé contenant un fluide caloporteur chaud stocké pendant le jour et utilisé comme source chaude nocturne ; un échangeur de chaleur à deux fluides admettant, à travers au moins une vanne, le fluide caloporteur froid pendant le jour et le fluide caloporteur pendant la nuit ; une plaque.collectrice émettrice, en conduction thermique avec l'échangeur, destinée à collecter le rayonnement solaire le jour et à émettre de la chaleur par radiation et/ou convection la nuit, de maniera à constituer une source chaude diurne et une source froide nocturne ; un fluide de travail effectuant des échanges thermiques cycliques, à l'intérieur de l'échangeur, avec le fluide caloporteur froid et la plaque émettrice collectrice pendant le -jour, et avec le fluide caloporteur chaud et la plaque émettrice collectrice pendant la nuit, de manière à se condenser et se vaporiser cycliquement ; une enceinte étanche, constituée par le volume variable d'un cylindre fermé par un piston coulissant, à l'intérieur de laquelle le fluide de travail se condense et se vaporise cycliquement pour assurer le mouvement du piston ; au moins un soufflet actionné par le piston et muni de clapets pour communiquer avec une unité de stockage pneumatique au cours de sa compression, et avec l'atmosphère au cours de sa détente; et au moins un organe de commande par vanne-en fonctionnement, pour asservir la vanne correspondante au mouvement du piston, de manière à permettre la communication entre le réservoir de fluide caloporteur froid et l'échangeur de chaleur pendant le jour, lorsque le volume de l'enceinte étanche est au voisinage de sa valeur maximale, et entre le réservoir de fluide caloporteur chaud et l'échangeur de chaleur pendant la nuit, lorsque le volume de l'enceinte étanche est au voisinage de sa valeur minimale. Le même échangeur sert donc, pendant le jour, de source chaude, et pendant la nuit, de source froide. Cette disposition est particulièrement intéressante, car elle permet de doubler le rendement thermique du cycle sur une journée complète. Un mode particulier de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif pour la production et le stockage d'énergie pneumatique conforme à la présente invention - la figure 2 est une vue en coupe partielle de l'échangeur suivant la ligne II-II de la figure 4 - la figure 3 est une vue en plan et en coupe partielle d'un dispositif conforme à la présente invention - la figure 4 est une vue en plan d'un échangeur de chaleur utilisable pour le d-ispositif de l'invention. - la figure 5 est une vue en perspective d'une unité de stockage d'air comprimé utilisable pour le dispositif dezllinven- tion. Un dispositif pour la production et le stockage d'énergie pneumatique conforme à la présente invention comprend (voir figure 1) : un premier réservoir calorifuge 1 contenant un fluide caloporteur froid f, stocké pendant la nuit et utilise comme source froide diurne ; un second réservoir calorifugé 2 contenant un fluide caloporteur chaud C stocké pendant le jour et utilisé comme source chaude nocturne ; un échangeur de chaleur 3 à deux fluides admettant, à travers au moins une vanne 4, 5, le fluide caloporteur froid f pendant le jour et le fluide caloporteur C pendant la nuit ; une plaque collectrice émettrice ce 6, en conduction thermique avec l'échangeur 3, destinée à collecter le rayonnement solaire le jour et à émettre de la chaleur par radiation et/ou convection la nuit, de manière à constituer une source chaude diurne et une source froide nocturne ; un fluide de travail t effectuant des échanges thermiques cycliques, à l'interieur de l'échangeur 3,avec le fluide caloporteur froid i et la plaque émettrice collectrice 6 pendant le jour; et avec le fluide caloporteur chaud C et la plaque émettrice collectrice 6 pendant la nuit, de manière à se condenser et se vaporiser cycliquement ; une enceinte étanche 7, constituée par le volume variable d'un cylindre 8 fermé par un piston coulissant 9, à l'intérieur de laquelle le fluide de travail t se condense et se vaporise cycliquement pour assurer le mouvement du piston 9 ; au moins un soufiletiO,iO'actionnépar le piston 9 et muni de clapets 11, 12 pour communiquer avec une unité de stockage pneumatique 13 au cours de sa compression, et avec l'atmosphère au cours de sa détente, et au moins un organe de commande 14, 15 par vanne 4, 5 en fonctionnement, pour asservir la vanne correspondante 4, 5 au mouvement du piston 9, de manière à permettre la communication entre le réservoir 1 de fluide caloporteur froid f et l'échangeur de chaleur 3 pendant le jour, lorsque le volume de l'enceinte étanche 7 est au voisinage de sa valeur maximale, et entre le réservoir 2 de fluide caloporteur chaud C et l'échangeur de chaleur 3 pendant la nuit, lorsque le volume de l'enceinte étanche 7 est au voisinage de sa valeur minimale Le fonctionnement et l'e3ploitation de ce dispositif sont les suivants (figure 1). Le matin, le premier réservoir 1 est surélevé de manière que le niveau du fluide caloporteur froid f --de l'eau par exemple - qu'il contient, soit au-dessus du niveau du fluide C contenu dans le second réservoir 2. La vanne 5,. si elle existe, est ouverte et son organe de commande 15 est déconnecté. La vanne 4 est fermée et son organe de commande 14 est connecté. Lorsque la plaque collectrice émettrice 6 s'échauffe aux rayons du soleil, la température du fluide caloporteur contenu dans l'échangeur de chaleur 3 et, donc, la température du fluide de travail t s'élève. Le fluide de travail t, par exemple de l'ammoniac, se vaporise alors dans l'enceinte étanche 7 et pousse le piston 9 qui, par l'intermédiaire dlune pièce d'appui 16 comprime les soufflets 10, 10' contre un cadre rigide 17 sur lequel prend appui le cylindre 8. Les clapets anti-retour il des soufflets s'ouvrent pour permettre l'injection de l'air ainsi comprimé dans l'unité de stockage pneumatique 13 également munie d'un clapet anti-retour 22. Lorsque le volume de l'enceinte etanche 7 approche de sa valeur maximale la pièce d'appui 16 engage avec la branche supérieure de l'organe de commande 14 représenté sur la figure 1 par une fourchette 18 tournant autour d'un axe fixe 19-et reliée par une tige articulée 20 à la manette de la vanne 4. Lorsque le piston 9 continue à monter, la tige 20 est poussée vers le bas et appuie sur la manette qui ouvre la vanne 4. Du fait de la différence de pression régnant dans les réservoirs 1 et 2, le fluide froid f est admis dans l'échangeur 3 tandis que le fluide caloporteur qui vient d'être réchauffé dans cet échangeur est refoulé dans le réservoir 2 de fluide chaud C. Au cours de cette opération, la température du fluide de travail t est brutalement abaissée et ce fluide -se condense. La pression d'un ressort de rappel' 21 ou d'un fluide de travail t poussant un piston 9B monté en opposition avec le piston 9 (figure 3), ramènent alors ce piston 9 vers le bas. Au cours de ce mouvement, les clapets anti-retour 11 des soufflets 10, 10' se ferment, les soufflets aspirent-l'air de l'atmosphere à travers le clapet 12 et la piece d'appui 16 engage avec la branche inférieure de la fourchette 18, ce qui provoque la fermeture de la vanne 4. Le fluide caloporteur qui a été admis dans l'échangeur 3 se réchauffe et le cycle est ainsi bouclé. Pour le fonctionnement nocturne, on élève le niveau de fluide chaud C par rapport à celui du fluide froid f, on déconnecte l'organe de commande 14 de la vanne 4 (schématiquement en dégageant la tige 20), on ouvre la vanne 4, et on connecte l'organe de commande 15 à la vanne 5 (en reliant la manette de la vanne 5 à la fourchette 23 pour la tige articulée 24). L'organe de commande 15 est prévu pour ouvrir la vanne 4 un peu avant que le volume de l'enceinte-8tanche 7 atteigne sa valeur minimale. Au cours a d'un cycle nocturne, la vaporisation du fluide de travail t est due à I'énergie thermique apportee par le fluide caloporteur chaud C et sa condensation est due à l'émission d'énergie thermique par convection et/ouradiation à partir de la plaque 6 qui sert alors de source froide. Le fonctionnement nocturne présente, outre l'intérêt de transformer encore de l'énergie thermique en énergie mécanique, celui de reconstituer le volume de la source froide diurne à son niveau de depart. La fréquence du cycle vaporisation-condensation est notamment conditionnée par les coefficients de transfert thermique de conductibilité des matériaux soumis aux radiations thermiques, et par les masses de fluides mises en jeu.Selon l'invention, cette fréquence est autorégulée par les mouvements du piston qui sert de thermomatre.et déclenche l'injection du fluide caloporteur au moment le plus approprié pour utiliser l'écart maximum de température et la fréquence la plus élevée possible. Une injection forcée des fluides caloporteurs f et C peut avantageusement remplacer le système décrit pour permettre l'écoulement des fluides caloporteurs f ou C dans le sens désiré. Une telle iection forcée est facilement-rEalisée en prévoyant des réservoirs 1 et 2 étanches et en prélevant une partie de l'air comprimé produit pour augmenter la pression dans le réservoir 1 le jour et dans le réservoir 2 la nuit. En outre, les premier et second réservoirs 1 et 2 peuvent en fait ne constituer qu'un récipient unique contenant de l'eau chaude dans sa partie supérieure et de l'eau froide dans sa partie inférieure. L'effet de la conductibilité thermique propre de l'eau est alors diminuée par des pliques isolantes horizontales. La disposition des fluides par rapport à l'échangeur 3 et à la plaque 6 collectrice des radiations solaires de jour et émettrice.de radiations pendant la nuit, dépend des propriétés thermiques des fluides utilisés. Si le fluide de travail t est par exemple l'ammoniac, il est intéressant de placer ce dernier en contact thermique avec le fluide caloporteur, eau par exemple, et l'eau en contact avec la plaque. L'essentiel est de provoquer sur le fluide de travail les écarts de température les plus proches possibles de l'écart maximum réalisable. Dans un mode de realisation préféré de l'invention, la plaque collectrice-émettrice 6 est constituée par une plaque en cuivre 25 convenablement traitée sur laquelle sont soudées des tubulures 26 en cuivre reliées à des collecteurs 27, 28, 29, pour-constituer l'échangeur 3. Chaque tubulure comporte deux tubes concentriques dont l'un, intérieur 30, partie et aboutit à un collecteur 27 relié à la culasse du cylindre 8 et l'autre, extérieur 31, part d'un collecteur 28 et aboutit à un-collecteur 29. Les collecteurs 28 et 29 sont reliés aux réservoirs 1 et 2 par l'intermédiaire des vannes 4 et 5. On peut, comme représenté sur.la figure 3, opposer deux pistons 9, 9B reliés par un fléau 32, articulé sur un châssis 33 porteur des cylindres. Des soufflets 10, 10', en toile étanche, placés entre des plaques 34 situées entre le châssis et le fléau, sont comprimés ou détendus par les mouvements du fléau actionné par un étrier 35 relié au piston. Des soufflets élastiques 36 peuvent être prévus pour permettre de maintenir de l'eau sous pression en vue d'alimenter le circuit d'eau par-le collecteur 29. Le stockage d'air comprimé se fait de préférence dans des ballons, sphères, baudruches, soufflets, dont l'enveloppe peut el le-même être élastique, de caoutchouc par exemple, ou simplement souple, mais maintenue par l'élasticité d'un matériau déformé et dont la déformation sert à emmagasiner l'énergie. Une enveloppe déformable, du genre accordéon par exemple,précontrainte par une élasticité exerçant une force de rappel sur des cadres peut remplir cette fonction d'unité de stockage pneumatique 13 à volume variable et pression quasi-constante. Une canalisation de sortie 37 munie d'une vanne 38 permet de soutirer l'air comprimé. La propriété essentielle que doivent présenter ces unités de stockage est une variation de volume importante pour une très faible variation de pression. La figure 5 représente un élément d'une capacité du genre accordéon où la précontrainte est amenée par les ressorts 39 dont une extrémité 40 contraint les cadres 41 par l'intermé- diaire de biellettes et l'autre extrémité 42 se déplace sur un guide 43 de forme adaptée telle,qu'à toute expansion du volume à partir du-point fixe 44,l'allongément du ressort soit positif mais aussi petit que l'on veut. L'utilisation de l'énergie pneumatique stockée se fait par des machines conventionnelles, à piston ou à palette,. génératrices d'énergie mécanique ou électrique avec un bon rendement. Il est du reste bien entendu que le mode de réalisation décrit à été donné à titre d'exemple non limitatif et que des modifications accessibles à l'homme de lsart peuvent y être apportées sans sortir pour autant du cadre de la présente invention. Clest ainsi notamment que les organes de commande 14 et 15,qui remplissent des fonctions tres fréquemment rencontrées dans tous les domaines de la technique, peuvent être remplacés par exemple par des équivalents mécaniques ou électromécaniques connus. REVENDICATIONS ========~~=====~~====~~==== 1.- Dispositif pour la production et le stockage d'énergie pneumatique à partir d'énergie thermique, et notamment à partir d'énergie solaire, caractérisé' en ce qu r il comprend - un premier réservoir calorifugé 1 contenant un fluide caloporteur froid stocké pendant la nuit et utilisé comme source froide diurne, - un second réservoir calorifugé 2 contenant un fluide caloporteur chaud C stocké pendant le jour et utilisé comme source chaude nocturne, - un échangeur de chaleur 3 à deux fluides admettant, à travers au moins une vanne 4, 5, le fluide caloporteur froid f pendant le jour et le fluide caloporteur C pendant la nuit, - une plaque collectrice émettrice 6, en conduction thermique avec l'échangeur 3, destinée à collecter le rayonnement solaire le jour et à émettre de la chaleur par radiation et/ou convection la nuit, de manière à constituer une source chaude diurne et une source froide nocturne, - un fluide de travail t effectuant des échanges thermiques cycliques, à l'intérieur de l'échangeur 3, avec le fluide caloporteur froid f et la plaque émettrice collectrice 6 pendant le jour, et avec le fluide caloporteur chaud C et la plaque émettrice collectrice 6 pendant la nuit, de manière à se condenser et se vaporiser cycliquement, - une enceinte étanche 7, constituée par le volume variable d'un cylindre 8 fermé par un piston coulissant 9, à l'intérieur de laquelle le fluide de travail t se condense et se vaporise cycliquement pour assurer le mouvement du piston 9, - au moins un soufflet 10 actionné par le piston 9 et muni de clapets 11, 12 pour communiquer avec .une unité de stockage pneumatique 13 au cours de sa colnpression, et avec l'atmosphère au cours de sa détente, et au moins un organe de commande 14, 15 par vanne 4, 5 en fonctionnement, pour asservir la vanne correspondante 4, 5 au mouvement du piston 9, de manière à permettre la communication entre le réservoir 1 de fluide caloporteur froid f et ltéchangeur de chaleur 3 pendant le jour, lorsque le volume de l'enceinte étanche 7 est au-voisinage de sa valeur maximale, et entre le réservoir 2 de fluide calopor teur chaud C et l'échangeur de chaleur 3 pendant la nuit, lorsque le volume de l'enceinte étanche 7 est au voisinage de sa valeur minimale. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce .que l'unité de stockage pneumatique est constituée par un système déformable capable d'emmagasiner de 1' air comprimé, et comprenant des moyens pour maintenir la pression quasi-constante pendant sa déformation. 3.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur f ou- c est situé dans l'échangeur de chaleur 3 entre le fluide de travail t et la plaque collectrice émettrice 6. 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le fluide de travail t est situé dans l'échangeur 3 entre le fluide caloporteur f ou c et la plaque-6. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé encre que l'unité de stockage 13 est constituée par des soufflets en caoutchouc. 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 a 4, caractérisé en ce que l'unité de stockage 13 est constituée par des toiles en accordéon montées sur un cadre précontraint élastiquement.