Brevet FR2404813A1 — publié le 19790427

La présente invention a pour objet une installation d'alimentation d'au moins une habitation en énergie, réalisée de façon à pouvoir approvisionner en énergie électrique et thermique soit une maison individuelle, soit un ensemble de logements ou de maisons groupés. On eonnatt déjà diverses sortes d'installations faisant appel aux énergies dites naturelles, en particulier l'énergie solaire, et la chaleur contenue dans 11 air ambiant. Comme on le sait, cette seconde source. d'énergie peut entre extraite de l'atmosphère à partir d'une pompe à chaleur. Cependant, tous ces dispositifs connus ne peuvent qu'assurer une fourniture partielle et discontinue en énergie, et ne constituent donc que des -sources dén5rgie d'appoint. En effet, dans le cas d'utilisation de l'énergie solaire au moyen de capteurs appropriés, eeux-ei sont généralement réservés au chauffage de l'habitation, tandis que les autres- besoins en énergie sont assurés par le bran chement habituel-sur le réseau électrique. L'invention a pour but de remédier à ces insuffisances en permettant de réaliser une installation capable d'alimenter de façon continue pendant toute l'année une ou plusieurs habitations en satisfaisant àlato.taiité de ses besoins énergétiques, et ce par une combinaison appropriée de différentes sources d'énergie naturelle accessibles. A ceteffet, l'installation conforme à l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens combinés pour capter l'énergie éolienne, l'énergie solaire et l'énergie calorifique de l'atmosphère, un dispositif pour stocker au moins une partie de l'énergie ainsi captée, et un système de distribution branché sur le dispositif de stockage et les moyens capteurs précités, ce système de distribution étant agencé pour fournir du courant électrique notamment pour l'éclairage, et de la chaleur, notamment pour le chauffage de la- (ou les) habitation (s) On peut séparer les besoins énergétiques des habitations en deux catégories a - une catégorie "noble" pour laquelle la fourniture d'énergie doit entre continue et de la même qualité.Dans cette catégorie entrent l'éclairage, la force pour les appareils ménagers et éventuellement l'alimentation des pompes à eau et pour le chauffage. b - la catégorie "variables pour laquelle la fourniture peut être interrompue, et le stockage peut meme présenter une qualité variable. Dans cette catégorie entrent les besoins en eau chaude et surtout le chauffage. Ces deux catégories de besoins énergétiques varient relativel'une à llautre au cours des saisons. En effet, le chauffage est inutile en été, tandis que les besoins en éclairage sont également réduits. On peut donc avantageusement prévoir la satisfaction des besoins énergétiques "nobles" à partir d'énergie éolienne, tandis que les besoins variables, surtout en chauffage seront assurés à partir d'une pompe à chaleur extrayant l'énergie calorifique de 1 t atmosphère. Quant à l'énergie éolienne, les observations faites dans les régions tempérées depuis de nombreuses années ont montré qu'elle était pratiquement continue toute l'année, avec cependant des diminutions en été. Cette forme d'énergie est donc tout à fait appropriée pour la fourniture des besoins énergétiques "nobles". La diminution moyenne du régime des vents en été ne présente pas une gene appréciable, du fait de la diminution concomitante des besoins en éclairage. Selon un mode de réalisation préféré de l'installation visée par l'invention, les moyens capteurs de l'énergie calorifique de l'atmosphère comprennent une pompe à chaleur air-eau, comportant un capteur de la chaleur de l'atmosphère (batterie extérieure), et un condenseur placé dans un ballon de stockage contenant de l'eau, ce ballon étant lui-meme connecté à des éléments de chauffage et/ou de fourniture d'eau chaude sanitaire , avec interposition de pompes. Selon une autre particularité, l'invention prévoit que le ballon de stockage est relié à un capteur solaire, par exemple du type plan a circulation d'eau, par l'intermédiaire d'une pompe assurant. la circulation entre le capteur et le ballon. D'autre part, la pompe à chaleur comportant un compresseur équipé d'un moteur d'entrainement, les moyens capteurs de l'énergie éolienne inclus dans l'installation selon l'invention, sont constitués par un aérogénérateur fournissant du courant alternatif qui alimente le moteur d'entraînement du compresseur. On réalise ainsi une combinaison particulièrement avantageuse de l'énergie calorifique de l'atmosphère, de l'énergie éolienne et de l'énergie solaire. En effet, quand l'énergie éolienne diminué et corrélativement le fonctionnement de la pompe à chaleur, l'énergie solaire augmente, et vice-versa. D'autres particularités et avantages de l'invention apparai- tront au cours de la description détaillée qui va suivre. - la figure unique annexée donnée à titre d'exemple non limitatif, représente schématiquement un mode de réalisation de l'installation conforme à l'invention. Sur cette figure, on voit que l'installation d'alimentation en énergie d'une ou plusieurs habitations, comprend la combinaison suivante de moyens - des moyens combinés entre eux pour capter l'énergie éolienne, l'énergie solaire et l'énergie calorifique de l'atmosphère, - un dispositif 1 pour stocker au moins une partie de l'éner- gie ainsi captée, - un système de distribution 2 branché sur le dispositif de stockage 1 et sur les moyens capteurs précités. Ce système est agencé pour fournir de manière continue du courant électrique à des connexions 3 notamment pour l'éclairage symbolisé par une ampoule 4, et par intermittence de la chaleur, notamment pour le chauffage de l'habitation par des éléments chauffants 5. tes moyens capteurs de l'énergie calorifique de l'atmosphère comprennent une pompe à chaleur désignée dans son ensemble par la référence générale 6, du type air-eau et comportant un capteur de la chaleur de l'atmosphèreconstitué par une batterie extérieure 7, ainsi qu'un condenseur 8 placé dans un ballon de stockage 9 contenant de l'eau. Ce ballon 9 est lui-même connecté par des canalisations d'entrée et d' évacuation d'eau 11, 1 2 aux éléments chauffants 5 et au primaire 13 d'un système de fourniture d'eau chaude sanitaire. De façon connue en soi, le condenseur 8 est relié par des conduites 14, 15 à un compresseur 16 pourvu d'un moteur d'entraîne- ment 17. De son côté, le compresseur 16 est relié à la batterie extérieure formant évaporateur 7 par des conduites 1 8 et 19. De façon connue en soi, le compresseur alimente le condenseur 8 par l'une ou l'autre des canalisations 14 et 15 en gaz à haute pression, qui cède sa chaleur à l'eau contenuedans le ballon 9 lorsqu'il se liquéfie dans le condenseur 8. Be liquide sortant du condenseur 8 subit ensuite une détente avant entre introduit dans llévaporat-eur 7, à l'intérieur duquel la chaleur empruntée à l'atmosphère vaporise le liquide. le gaz à basse pression sortant de ltévaporateur 7 est ensuite introduit par l'une des canalisations 18 et 19 dans le compresseur 16, et le cycle reprend. les canalisations 14, 15, 18, 19 sont pourvues de vannes 21,22 au voisinage du compresseur 16. Suivant une particularité de l'installation visée par l'invention, le ballon de stockage 9 est relié, par deux conduites 23,24, à un capteur solaire 25. Ce dernier peut être par exemple du type plan à circulation d'eau. la canalisation 23 est pourvue d'une vanne de réglage 26, une pompe 27 placée sur l'autre canalisation 24 assurant la circulation d'eau entre le capteur 25 et le ballon 9. Sur la canalisation 23, est placé un thermostat à minima 28, réglé de façon à ne pas permettre l'envoi d'eau froide dans le ballon 9-à partir du capteur 25. L'installation selon l'invention comporte enfin des moyens capteurs de l'énergie éolienne, constitués par un aérogénérateur 28, fournissant de façon connue en soi du courant alternatif qui alimente par la connexion 29, le moteur d'entraînement 17 du compresseur 1 6. Des batteries électriques 31 à accumulation, reliées à l'aérogénérateur 28 assurent la fourniture continue de courant électrique au dispositif de distribution 3 (éclairage 4 et force 32 pour les appareils électro-ménagers). Complémentairement, des moyens appropriés constitués par un dispositif transformateur 33 placé entre l'aérogénérateur 28 et les batteries 31, assurent la transformation en courant continu du courant alternatif fourni par l'aérogénérateur 28. Des pompes 34, 35 sont associées, respectivement aux éléments de chauffage 5 et au primaire 13 de l'eau chaude sanitaire pour assurer la circulation d'eau en provenance du ballon de stockage 9 dans ees éléments. Ces pompes 34, 35 sont alimentées électriquement à partir des batteries à accumulation 31, par l'intermédiaire d'un dispositif de transformation 36 capable de délivrer aux pompes 34, 35 du courant alternatif, à partir du courant continu en provenance des batteries 31. A chaque pompe 34,35 est associée une vanne à trois voies 34a, 35a, placée entre le ballon 9 et chaque pompe 34, 35 respectivement. La vanne 34a permet un recyclage de l'eau sortant des éléments chauffants 5, par un circuit comprenant les conduites 36, 37, 38, ce circuit étant lui-même branché en dérivation sur la canalisation 11 de jonction avec le ballon 9. De façon analogue, la vanne à trois voies 35a permet un recyclage partiel de l'eau qui entre dans le primaire 13, par la canalisation de sortie 39, la conduite 37 et la conduite 12 de réintroduction de l'eau dans le ballon de stockage 9. Le mode de fonctionnement des vannes à trois voies 34a, 35a en combinaison avec -les pompes 34, 35 est connu en soi et ne sera donc pas davantage décrit. te fonetionnement de l'installation suivant l'invention, et ses avantages sont les suivants. La pompe à chaleur 6 extrait de façon continue de la chaleur de l'atmosphère par la batterie ou évaporateur 7, et cette chaleur est transmise à l'eau stockée dans le ballon 9. Ainsi, celui-ci accumule une quantité de chaleur disponible en permanence pour les besoins variables de la ou des habitations, c'est-à-dire le chauffage par les éléments 5, et l'eau chaude sanitaire à partir du primaire 13. L'énergie thermique ainsi stockée dans le ballon 9 à partir de l'atmosphère extérieure est comme on le sait, plus importante en hiver qu'en été. l'énergie éolienne entraîne l'aérogénérateur 28 de façon connue en soi, ce qui alimente en courant électrique le moteur 17 du compresseur 16. D'autre part, le courant alternatif produit par l'aérogénérateur 28 est transformé en courant continu dans le dispositif 33, ce qui permet d'alimenter en permanence les batteries électriques 31 qui satisfont aux besoins "nobles" (éclairage 4 et prise de force 32 pour les appareils électro-ménagers divers). De son etité, le capteur solaire 25 échauffe l'eau qutil contient, et lorsque la température de celle-ci est suffisante, le thermostat à minima 28 permet l'envoi de l'eau ainsi chaufféedans le ballon de stockage 9, cette circulation d'eau étant assurée par la pompe 27.Cette dernière est alimentée électriquement par l'aéro- générateur 28 au moyen d'une connexion 40. La température de lteau stoekee dans le ballon 9 est donc augmentée grâce à l'appoint fourni pas le capteur solaire 25. Etant donné que le calme éolien complet est extrêmement rare dans les régions où l'installation selon l'invention peut être avantageusement installée (par exemple sur des îles), l'aérogénérateur 28 fournit en permanence de l'énergie électrique au moteur 17, à la pompe 27 et aux batteries à accumulation 31. Cependant, pour le cas où surviendrait une période de calme éolien complet, l'installation peut être pourvue d'un groupe électrogène auxiliaire, capable de fonctionner pendant quelques jours, et qui remplacerait l'aérogénérateur 28. Ainsi, les besoins énergétiques impératifs de la ou des habitations équipées de l'installation selon l'invention, sont pratiquement toujours complètement satisfai-4,grâce à lténergie éolienne captée par l'aérogénérateur 28. De son côté, la pompe à chaleur 6 peut fonctionner toute l'année, quoiqu'avec un rendement variable, pour stocker de l'énergie thermique dans le ballon 9, afin de satisfaire les besoins en eau chaude sanitaire et en chauffage des habitations. Lorsque le fonctionnement de la pompe à chaleur 6 se réduit en été, par suite de la diminution de l'énergie éolienne, le capteur solaire 25 vient à point pour suppléer à cette baisse de rendement, afin de maintenir à un niveau satisfaisant la quantité d'énergie thermique stockée dans le ballon 9. Ainsi, on comprend que la combinaison des trois énergies, éolienne, thermique de l'atmosphère, et solaire réalisée dans llinstallation selon l'invention, permet très avantageusement d'assurer d'une façon pratiquement complète la satisfaction de l'ensem- ble des besoins énergétiques d'une habitation ou d'un ensemble de plusieurs habitations. Un tel résultat est extrêmement intéressant, puisqu'il permet à ces habitations d'assurer elles-mêmes leur autonomie énergétique, évitant ainsi la nécessité de procéder à des bran chements onéreux et non rentables sur le réseau électrique normal. Cependant, il est bien évident que l'agencement de l'installation visée par l'invention présente davantage d'intérêt dane cer taines régions que dau;s-d'autres. Ainsi, l'installation prend tout son intérêt dans des régions isolées, telles que des zones montagneuses, des iles ou encore des régions sous-développées. On donnera ci-après un exemple numérique non limitatif, d'application de l'installation selon l'invention à une habitation. Les besoins "nobles" en énergie (éclairage, appareils électro-ménagers, etc..) d'un logement moyen peuvent être estimés à 600 kW/h par mois, soit une moyenne de 20 kW/h par jour. les besoins "variables" pour lesquels on peut prendre comme référence ceux du mois de janvier, comprennent les besoins en chauffage qu'on peut estimer à 70 kW/h par jour, valeur maximum correspondant aux mois les plus défavorables dans une région tempérée. Les besoins en eau chaude sanitaire d'un logement moyen peuvent être estimés à environ 150 litres par jour à 500C, ce qui correspond à une consommation de 6 kW par jour. Au total, l'ensemble des besoins pour un logement moyen serait d'environ 96 kW/h par jour. l'installation conforme à l'invention peut être aisément réalisée de façon à pouvoir satisfaire une telle demande. De même, elle peut être dimensionnée de façon à pouvoir approvisionner en énergie des groupes de plusieurs dizaines d'habitations. Pour déterminer les proportions respectives de fourniture d'énergie des éléments constitutifs de l'installation, on peut partir des données numériques suivantes - Saison froide : température extérieure de + 30C - Vent supérieur a 7 mètres/seconde pendant 8 heures sur 24. - Ensoleillement moyen diffus dlenviron 400 Xcal par mètre carré et par heure pendant 4 heures sur 24 heures. litaérogénérateur 28 débite environ 7 kW, et fournit donc 50 kW/heure par jour sur la base de 8 heures par jour. Cette fourniture couvre la consommation "noble" de 20 kW/heure par jour, assurée par les batteries 31. l'aérogénérateur 28 alimente également le moteur 1 7 du compresseur, la pompe à chaleur ayant une puissance de 4 kW. Pour un coefficient de performance moyen de 2,5, cette dernière peut fournir environ 80 kW/heure par jour, cette énergie thermique étant stoekée dans le ballon 9. Un capteur solaire 25 d'environ 4m2 permet d'obtenir environ 0,08 kW/heure par jour, en tenant compte d'un coefficient d'absorption et de rendement, d'environ 0,4. En été, ce capteur permet d'obtenir sensiblement 4,5 kW/heure par jour, ce qui est suffisant pour réchauffer 150 litres d'eau de 300. L'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et peut comporter de nombreuses variantes d'exécution. Ainsi, on peut réaliser un système de distribution de l'eau stockée dans le ballon 9 différent de celui représenté, notamment en ce qui concerne le circuit des pompes et des vannes à trois voies associées. REVENDICATIONS 1 - Installation d'alimentation d'au moins une habitation en énergie, caractérisée en ce qu'elle comprend - des moyens combinés pour capter l'énergie éolienne, l'énergie solaire et l'énergie calorifique de l'atmosphère, un dispositif pour stocker au moins une partie de l'énergie ainsi captée, et un système de distribution branché sur le dispositif de stockage et les moyens capteurs précités, ce système de distribution étant agencé pour fournir du courant électrique notamment pour l'éclairagè, et de la chaleur, notamment pour le chauffage de la (ou des) habitation (s). 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens capteurs de l'énergie calorifique de l'atmosphère comprennent une pompe à chaleur air-eau comportant un capteur de la chaleur de l'atmosphère (batterie extérieure), et un con denseur placé dans un ballon dé stockage contenant de l'eau, ce ballon étant lui-même connecté à des éléments de chauffage et/ ou de fourniture d'eau chaude sanitaire, avec interposition de pompes. 3 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le ballon de stockage est relié à un capteur solaire, par exemple du type plan à circulation d'eau, par l'intermédiaire d'une pompe assurant la circulation d'eau entre le capteur et le ballon. 4 - Installation selon l'une des revendications 2 et 3, dans laquel le la pompe à chaleur comporte un compresseur équipé d'un moteur d'entrainement, caractérisée en ce que les moyens capteurs de l'énergie éolienne sont constitués par un aérogénérateur four naissant du courant alternatif qui alimente le moteur d'entraî nement du compresseur. 5 - Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que des batteries électriques reliées à l'aérogénérateur assurent la fourniture continue de courant électrique, des moyens appropriés étant placés entre ltaérogénérateur et les batteries pour transformer en courant continu le courant alternatif fourni par l'aérogénérateur. 6 Ins*allationselon la revendication 5, caractérisée en ce que les pompes associées aux éléments de chauffage etZou de fourni ture d'eau chaude sanitaire sont alimentées électriquement à partir des batteries par l'intermédiaire d'un dispositif de transformation du courant continu délivré par les batteries, en courant alternatif.