Brevet FR2530297A1 — publié le 19840120

Domaine technique La présente invention concerne un dispositif Producteur d'énergie par rotation d'une hélice sous l'effet d'un déplacement d'air provoqué par le vent et/ou la chaleur. Problème posé L'invention se place dans le cadre de recherche de sources d'énergies autres que les sources d'énergie classiques. Elle concernent, en particulier, la captation d'énergie du vent et d'énergie solaire avec, occasionnellement, la récupération d'énergie calortrique généralement rejetée à l'atmosphère pour dirférentes raisons telles que la trop basse température des gaz ou le manque d'habitude ou l'lm- Possibilité d'incinération des déchets. Etat de la technique antérieure et inconvénientss Depuis très longtemps on a conçu des éoliennes. Cependant, les éoliennes modernes, devant entraîner une génératrice électrique avec une certaine puissance5vse sont toutes heurtées à un échec du fait de la grande lrrdgula rité du vent et de la difficulté de maîtriser l'appareil Par vent fort. En effet on s'est attaché, jusqu'à présent, à utiliser des hélices de grand diamètre dont la vitesse circonsférentielle des différents éléments crott rapidement avec le diamètre si bien qu'on arrive à des vitesses Prohibitives en bout de pale. Pour des hélices à axe horizon- tal, il faut touJours prévoir un système d'orientation en fonction de la direction du vent. Dans tous les cas, on ne peut pratiquer le haubanage de l'ensemble, pour résister au vent de tempête, car les haubans gêneraient le rotor. D'un autre coté, lorsque le vent est faible ou qu'il chute totalement l'appareil n'est plus utilisable. Or, pendant ces périodes, il est fréquent que le soleil rayonne et qu'on pourrait utiliser un autre appareillage Pour récupérer cette énergie à la place de l'énergie du vent. Il faudrait donc faire les frais de ce deuxième appareillage. L'air chaud provenant d'installations domestiques ou industrielles est généralement rejeté en pur Perte dans l'atmosphère. L'air chaud à plus haute température Provenant d'appareils industriels tels que des moteurs ou des compresseurs ou de réfrigérants quelconques est aussi très mal utilise. C'est un des buts de la présente invention de pouvoir récupérer cette énergie. L'invention a aussi pour but d'éliminer les inconvénients précités et de prévoir un appareil polyvalent tonctlonnant le plus longtemps possible aussi bien sous 1,effet du vent que sous l'effet du soleil. Eposé d 'invention le dispositif de l'invention est caractérisé Principalement par la combinaison - d'une hélice à axe vertical, - d'un venturi coaxial à l'hélice et disposé autour d'elle, - d'une colonne creuse ajourée, supportant l'ensemble ci-des sus désigné, ladite colonne comportant, à sa périphérie, des déflecteurs verticaux, radiaux entre lesquels sont disposés des déflecteurs horizontaux inclinés comme des abat-sons, de générateurs de chaleur sur les cAtds et à la base de la colonne. On peut.utiliser l'énergie mécanique de l'hélice directement, par exemple, pour actionner une pompe, mais il est habituel et préférable d'actionner une génératrice de courant électrique soit à courant continu, soit un alternateur. Dans ce dernier cas, on peut aussi obtenir du courant continu par l'intermédiaire d'un redresseur afin de pratiquer I,électrolyse de liteau qui a l'avantage de dissocier celle -ci dans ses deux éléments, oxygène et hydrogène, et de Pouvoir stocker ces ga et en particulier ce dernier qui est particulièrement combustible. A la sortie du venturi on peut obtenir la décom Pression par une augmentation de la section ; on l'obtient aussi par une couronne d'ouies à section croissant vers le haut, par exemple formée par des triangles allongés avec la base en haut. Dans le cas d'une colonne cylindrique à section circulaire, les défleeteurs horizontaux sont tronconiques. Toutefois on peut aussi prévoir une colonne polygonale et dans ce cas les déflecteurs horizontaux sont rectilignes. Pour améliorer le fonctionnement de l'appareil grâce à l'énergie solaire, la face des déflecteurs exposée au soleil est constituée pour absorber le rayonnement andis que leur face opposée est constituée pour rayonner le moins possible et, à cet effet, par exemple, les faces exposées au soleil sont noires mates tandis que les autres sont brillantes et claires. La colonne peut être posée au dessus d'appareils Producteurs de gaz chauds ou tièdes pour améliorer le tirage à l'intérieur pour accélérer la vitesse du courant d'air qui attaque l'hélice. On peut y admettre, par une conduite ou cheminée, des gaz de combustion, d'aération de locaux. Ce peut être le produit du refroidissement d'un groupe électrogène et des gaz d'échappement du moteur thermique correspondant, par exemple. On peut aussi prévoir, sous la colonne, un foyer où l'on entretient une combustion, notamment de déchets. Pour faciliter la combustion de ceux-ci, on peut utiliser l'oxygène obtenu à la sortie de l'électrolyseur. Pour réchauffer la base de la colonne, on peut aussi utiliser un échangeur à l'admission d'air connecté, Par un fluide caloporteur avec un autre échangeur situé Juste après l'hélice, o'est-à-dire au dessus de celle-ci. L'air chaud derrière l'hélice est ainsi par améliorer 1e rendement de l'hélice par diminution du volume d'air au dessus de celle-ci, dlminution des turbulences et échauffe- ment dans l'échangeur à l'admission. L'air, à la base de l'échangeur, peut aussi être échauffé après avoir refroidi l'électrolyseur. f3olution au problème, avantages et résultat industriel Le dispositif de l'invention a l'avantage d'être statique, c'est-à-dire, qu'il na rSs besoin de s'orienter au vent. De ce fait il peut être convenablement haubané et la colonne ou tour peut avoir une grande hauteur pour offrir la plus grande surface possible au vent et collecter le maximum de volume de celui-ci. Avec le vent, celui-ci est collecté par les déflecteurs verticaux et orienté vers le haut par les déflec teurs horizontaux qui produlsent une vitesse ascensionnelle du vent, à l'intérieur de la colonne, beaucoup plus élevée que la vitesse du vent extérieur. On peut donc utiliser une hélice de plus petit diamètre offrant un meilleur rendement et pouvant être branchée directement, sans multiplicateur, à une génératrice tournant à la vitesse convenable. Il faut en effet se rappeler que la puissance disponible sur une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par 'hélice, au carré du diamètre de l'hélice et au cube de la vitesse du vent. Dans un exemple très particulier, si l'ouverture entre deux déflecteurs verticaux extrême est de 1,50 m et la hauteur de la tour de 6 m, la surface active offerte au vent est de 9 m2. Avec une éolienne classique il faudrait un hélice de 3,20 m de diamètre pour capter la même énergie alors que le diamètre de la tour ne dépasse pas 1 m. Il faut signaler aussi que ssil y a une perte de rendement dans la déviation du vent sur les déflecteurs horizontaux, l'hélice de grand diamètre engendre les frottements supplé- mentaires ; d'autre part, la déviation de l'airsur les déflecteurs se traduit par un dchauffement dilatant l'air lui procurant ainsi une poussée supplémentaire sur l'hélice à axe vertical. Un autre avantage de l'invention est que l'on peut augmenter racilement la hauteur de la tour sans inconvénient en conservant la même hélice ; il faut se souvenir qu'avec une éolienne classique, l'allongement des pales ne peut être envisagé sans perte de rendement et sans danger de rupture par vibrations à grande vitesse. Un avantage important de la présente invention est que la.pression l'air s'exerce à peu près uniformément sur toute la surface de la tour exposée au vent-. Au contraire, dans une éolienne classique, l'effort stexcerce uniquement au sommet de la tour support de l'hélice qui est soumise à des contraintes très élevées qui obligent à la renforcer d'autant plus-qu'il est impossible d'utiliser des haubans. Un autre avantage de l'invention apparaît, lorsqu'on utilise des déflecteurs mdtalliques foncés et mats extérieurement, et que l'on capte un rayonnement solaire qui échauffe lesdits déflecteurs répercutant l'échaûffement à l'air admis dont la température augmente à l'intérieur de la colonne, ce qui augmente son volume et sa vitesse ascensionnelle au moment ou il agit sur les pales de l'hélice. Si on utilise un métal bon conducteur de lachaleur pour les déflecteurs de l'aluminium par exemple, peint en noir mat, cette matière a un pouvoir chauffant d'une enceinte presque identique à celui d'une plaque de verre provoquant un effet de serre. En effet, une plaque de verre envoie à l'extérieur, par réflexion, une partie du rayonnement. lie vent et le soleil apportant des énergies capricieuses, généralement à des moments différents et quelquefois ensemble, l'appareil de l'invention a un coef fichent d'utilisaton (ou de production) supérieur à une simple éolienne ou à un simple capteur solaire. Par rapport au capteur solaire classique, il faut préciser que la tour est verticale et que son exposition omnidirectionnelle permet son fonctionnement dès le lever du soleil et Jusqu'à son coucher. I1 faut aussi signaler que, par rapport à un capteur classique à fluide caloporteur où le transport de la chaleur se fait dans des canalisations calorifugées et le stockage dans un ballon d'eau ou un lit de gravier, on simplifie ici puisque le transport se fait de manière électrique, dans des cables. La troisième source d'énergie capable de faire fonctionner le dispositif de l'invention est la chaleur provoquée par la récupération de gaz chauds ou tièdes quelconques ou encore par la combustion de dé-chets ou d'ordures difficilement combustibles se faisant sous la colonne et que l'on peut brûler plus facilement par admission d'oxygène provenant de ltélectrolyse de liteau et qui est fabriqué sur place. Dans ce cas, la colonne ou tour dans sa totalité devient la cheminée du foyer sans gêner simultanément 0e fonctionnement à l'aide du vent et à l'aide du soleil. Il faut signaler que l'admission d'oxygène provoque une vive combustion même en présence de matériaux humides ce qui est favorable au déclenchement d'une réaction provoquant la formation de gaz à liteau qui est lui même combustible. Quand l'appareil comporte un électrolyseur, en cas d'absence totale de vent, de soleil et de combustibles extérieurs, on peut utiliser du courant à bon marche, notamment du courant de nuit directement dans cet électrolyseur et obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène à bon compte. En effet, la nuit on ne peut compter sur l'énergie solaire et on rencontre des nuits calmes, sans vent. Les applications de l'appareil de l'invention peuvent être envisagées sous forme de petites unités qui produisent de l'hydrogène capable d'alimenter un chauffage domestique par combustion de l'hydrogène stocké dans une cuve étanche et utilisée pour la cuisine, le chauffage de l'eau chaude sanitaire et des locaux. On constate que l'appareil occupe une petite surface au sol et que son aspect n'est pas plus gênant qu'une cheminée. Il peut être combiné avec des toitures captrices d'énergie solaire. On peut aussi prévoir des colonnes superposées avec plusieurs hélices captrices attaquant des génératrices -distinctes ou une génératrice commune lorsque l'on réunit les hélices par un seul arbre. On peut aussi prévoir l'usage de l'appareil de l'invention sur les navires légers de plaisance par des tours-mats qui permettraiont de recharger les batteries et dventuellement de prévoir la propulssonw Cet appareil est avantageux aussi pour la cli tflatisation et pour de nombreux usages où l'on utilise de l'électrIcité. En particulier, on peut prévoir une protection contre l'oxydation d'ensembles métallIques par courant continu en branchant sur la cathode toute la masse métallique pour que l'oxygène ne puisse réagir pour former des oxydes. On réalise ainsi d'importantes économies de peinture et d'entretien. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante qui en donne quelques exemples non limitatifs de réalisation pratique et qui sont illustrés par des dessins Joints. Brève description des figures La figure 1 est une vue en perspective schématique de l'ensemble de l'appareil dont la- colonne a une Section horizontale hexagonale. La figure 2 est une coupe horizontale d'une autre colonne à section circulaire. La figure 3 est une coupe horizontale d'une colonne à section hexagonale comme celle de la figure 1. -La figure 4 est une coupe verticale de l'ensemble dlun appareil suivant l'invention. Description de quelques modes de réalisation Le dispositif producteur d'énergie combine une hélice (1) à axe vertical qui entrasse un alternateur (2) (ce peut être aussi une génératrice à courant continu) ladite hélice étant disposée à la base d'un venturi (3) surmontant une colonne (4) creuse, aJourée qui supporte le venturi ()) et l'hélice (1). Ladite colonne (4) comporte à sa périphérie, des déflecteurs verticaux radiaux (5) entre lesquels sont disposés des déflecteurs horizontaux inclinés (6) à la manière d'abat-sons ; aux figures l et 3, on a représenté des déflecteurs horizontaux (6) rectilignes Plans si bien qu'on a la section de colonne (4) hexagonale (figure 3). A la figure 2 on a représenté des déflecteurs horizontaux (6) tronconiques si bien que la section de la colonne (4) est circulaire. L'alternateur (2) et ses paliers qui servent aussi à supporter l'axe de l'hélice (l) sont maintenus Par des supports (8) à raccorder aux parois supérieures de la colonne (4). L'alternateur (2) est relié par une double ligne (9) à un redresseur (10) qui par deux lignes (11) et (12), alimente respectivement la cathode (13) et l'anode (14) d'un électrolyseur (15). L'hydrogène est recueilli Par le tube (16) dans le réservoir (17) tandis que l'oxygène est recueilli par le.tube (18) dans le réservoir (19). Un tube (20) relie le réservoir à oxygène (19) à la base de la colonne (4), sous la grille (21). La forme du venturi (3) est ici simplifié et n'a pas l'aspect habituel d'un hyperbololde de révolution. En fait, dans un venturi, il existe d'abord une entrée convergente puis une sortie divergente. Le convergent est ici simulé par l'augmentation de débit d'air qui se Produit au fur et à mesure que l'on s'élève dans la colonne (4). En effet, lue vent venant horizontalement est dévié suivant les flèches (22) pour se concentrer verticalement suivant les flèches (23) : il existe un effet de compression et dtacedlération de l'air analogue à ce qui se passe dans le convergent du venturi.Pour des mesures de simplifications, on a réaliste un venturi (3) de section cylindrique et la décompression et la diminution de vitesse de l'air, suivant les flèches (24) sont obtenues par les ouies (25) qui ont une forme triangulaire allongée suivant un triangle isocèle avec le sommet en bas . La section de ces ouies croit en allant vers le haut. On comprend, avec ce qui a été décrit Jusqu'ici, le fonctionnement de l'appareil sous l'effet du vent horizontal qui est dévié vers le haut et fait tourner l'hélice (1). On va maintenant expliquer le fonctionnement de l'appareil sous l'effet de courant ascendant accdlérX d'air provoqué par la chaleur soit d'origine solaire soit de chaleur résiduelle, soit de chaleur obtenue par com bustion. Pour utiliser la chaleur solaire, on constitue les faces des déflecteurs (5) et (6) exposées au soleil en couleur noire mate. Cette constitution est matérialisée à la figure (3) par des petites hachures obliques sur la surface des déflecteurs (5). Dans cette figure on a aussi représenté l'orientation de la colonne (4) par les lettres (N) et (S) (Nord, Sud) la surface des déflecteurs (6) adjacente aux surfaces traitées des déflecteurs (5) est aussi traitée de la même façon, (la notation NS est valable pour l'hémisphère Nord, dans l'hémisphère Sud, il faudrait lnverserb Par contre, les autres surfaces sont claires et brillantes Pour réduire au minimum le rayonnement.On comprend que cette disposition provoque un échauffement des surfaces correspondantes et que la chaleur emmagasinée par la masse des déflecteurs (5) et (6) est restituée à l'air qui vient les léchero Toutes les surfaces exposées à $sert, au Sud et à l'Ouest sont ainsi capables de provoquer un échauffement de l'air depuis le lever jusqu'au coucher du soleil. Une autre façon d'échauffer la colonne d'air à l'intérieur de la colonne (4) est de prévoir tout simplement un foyer sur la grille (21) où l'on amène des déchets ou des combustibles quelconques à brûler. La combustion est améliorée par l'admission d'oxygène apportée par le tube (20). L'air qui est introduit sous la grille (21) arrive suivant les flèches (26) et s'échauffe dans un premier échangeur (27) qui est relié à un deuxième échangeur (28) situé Juste au dessus de l'hélice (1) et qui tapisse l'intérieur du venturi (3) sur tout le pourtour de celui-ci. La liaison entre les deux échangeurs (27) et (28) est réalisée par des tubulures (29) et (30) transportant un fluide caloporteur qui est accéléré par la pompe (31).On récupère donc de la chaleur à la partie supérieure de la colonne (4), au dessus de l'hélice (1), pour la restituer à la base de la colonne (4). Il en résulte un léger abaissement de Pression en aval de l'hélice qui améliore le rendement de celle-ci. L'air introduit suivant les flèches (26) qui a traversé l'échangeur (27) s'échauffe encore en refroidissant ltélectrolyseur (15) placé dans un passage (32). On peut encore admettre dans la colonne (4) de l'air provenant d'un dispositif de climatisation ou d'un groupe électrogène, par exemple, y compris les gaz de l'dchappement de celui-ci dont les imbrûlés sont soumis I'action dQ l'oxygèe et/ou de l'hydrogène par une combustion complète. Tous ces gaz sont canalisés dans une cheminée t et amenés suivant la flèche (34). La colonne (4) a Bté réalisée avec un diamètre de 1 m maximum, ce qui montre le faible encombrement au sol de l'ensemble. Le fait de pouvoir prévoir au moins trois sources susceptibles d'accélérer le courant d'air vertical permet d'accélérer l'amortissement de l'appareillage et de diminuer les capacités de stockage d'énergie (volume des réservoirs 17 et 19). On peut adjoinre, si nécessaire, un dispositif de régulation en cas d'ouragan ; ce dispositif peut être constitué par une possibilté d'élévation de l'hélice (1) le long de l'axe coulissant pour que le flux d'air la traversant diminue puisqu'il s'schappe partiellement par les ouies (25). On a représenté des colonnes avec 6 déflecteurs verticaux (5), mais il est évident que ce nombre peut varier sans sortir du cadre de l'invention. On n'insistera pas ici sur l'intêret de la Production d'hydrogène par électrolyse pour emmagasiner l'énergie d'une éolienne puisque ce problème est déJà connu. Il faut toutefois rappeler que l'hydrogène brûle avec une flamme très chaude de l'ordre de 2 500 , ce qui permet son emploi pour des usages exigeant une température très élevée (cuisine) ou moyennement élevée (chauffage des locaux). On n'insistera pas non plus sur toutes les possibilités d'usage de l'hydrogène qui sont très larges et avantageuses. Pour améliorer le rendement on peut encore Prévoir des déflecteurs isolés thermiquement pour les faces exposées constamment à l'ombre. On peut aussi prévoir une isolation thermique entre les déflecteurs verticaux (5) et les déflecteurs horizontaux (6). On peut encore prévoir d'enrober les déflecteurs dans une gaine transparente provoquant un effet de serre. Il faut signaler que l'on peut obtenir une régulation de fonctionnement de l'hélice (l) par un brûleur à hydrogène situé au pied de la tour. La combustion de l'hydrogène échauffe l'air intérieur qui, en prenant un Plus grand volume acquiert une plus grande vitesse ascension- nelle. Le réglage du brûleur se fait en fonction de la vitesse de rotation de l'hélice et il peut être éteint lorsque la vitesse du vent et/ou l'intensité des rayons solaires est suffisante pour provoquer un courant d'air ascensionnel suivant les flèches (23) assurant la vitesse de rotation appropriée à l'hénice (i). REVENDICATIONS 1. dispositif producteur d'énergie par rotation dlune hélice (1) sous l'effet d'un déplacement d'air provoqué par le vent et/ou la chaleur, c a r a c t é r i s é Par la combinaison - d'une hélice (l) à axe vertical, - d'un venturi (3) coaxial à l'hélice (l) et disposé autour d'elle, - d'une colonne creuse aJourée, supportant l'ensemble ci-des sus désigné, ladite colonne comportant, à sa périphérie, des déflecteurs verticaux, (5) radiaux entre lesquels sont disposés des déflecteurs horizontaux (6) Inclinés comme des abat-sons, - de générateurs de chaleur (15, 21, 27) sur les cotés et à la base de la colonne (4). 2. Dispositif, tel que défini dans la revendication 1, c a r c t é r i s é par le fait que l'hélice (1) entraîne une génératrice électrique (2) qui peut alimenter un dlectro- lyseur d'eau (15) par l'intermédiaire d'une génératrice et éventuellement d'un redresseur. 3. Dispositif, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que la décompression dans le venturi est provoquée par une couronne d'ouies (25) à section croissant vers le haut. 4. Dispositif, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c té r i s é par le fait que les déflecteurs horizontaux (6) sont tronconiques et que la section de la colonne (4) est circulaire 5. Dispositif, tel que défini dans la revendi cation 1, c a r a c té r i s é par le fait que les déflecteurs horizontaux (6) sont rectilignes plans et que la section de la colonne (4) est plygonale. 6. Dispositif, tel que défini dans la revendication 4 ou 5, c a r a c t é r i s é par le fait que la face des déflecteurs (6) susceptible d'être exposée au soleil est constituée pour absorber le rayonnement tandis que leur face opposée est constituée pour rayonner le moins Possible et, à cet effet, par exemple, les faces exposées au soleil sont noires mates tandis que les autres sont brillantes et claires. 7. Dispositif, tel que défini dans la reven-- dication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que la partie inférieure de la colonne est conçue pour recevoir des gaz chauds. 8. Dispositif tel que défini dans la revendication 7, c a r a c t é r i s é par le fait que la partie inférieure de la colonne comporte un foyer (21) où l'on produit la combustion de produits combustibles. 9. Dispositif, tel que défini dans la revendication 7, c a r a c t é r i s é par le fait que l'air admis à la partie inférieure de la colonne est chauffé dans un premier échangeur (27) air-liquide relié par un circuit (29, 30) avec pompe (31) à un deuxième échangeur (28) Situé Juste au dessus de l'hélice (1), ledit air s'échauffant encore autour de l'électrolyseur (15).