Brevet FR2646021A1 — publié le 19901019

Diseositif générateur d'énerXaie électrique. = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = Dans les pays du tiers monde, la radio est le seul moyen d'éducation des masses populaires, or, dans les zones rurales et dans les#quar- tiers suburbains des villes, la faible électrification impose l'usage de piles électriques pour l'alimentation des récepteurs. Ces piles sont chères et se conservent mal en climat chaud et humide, elles constituent le frein principal à l'écoute de la rhodia. Par ailleurs on constate que ces populations ont généralisé l'usage des lampes à pétrole (ou b acétylène, b vapeur d'essence ou à gaz) justement n couse de la faible électrification. Enfin, le moment de la journée qui correspond à l'heure de la plus grande écoute, le soir à la tombée de la nuit, coincide avec le moment où se fait sentir le besoin d'éclairage. On constate que l'énergie thermique dissipée par les lampes à flamme sous forme d'un flux de gaz chauds, est très supérieure à celle qui est nécessaire à l'alimentation d'un récepteur radio à transistors. Un premier objet de l'invention consiste en la réalisation d'un générateur thermoélectrique susceptible de transformer 1'énergie perdue par une lampe en énergie électrique. Un deuxième objet de l'invention est de réaliser ce dispositif de façc telle qu'il puisse fournir le courant électrique sous des tensions multiples de 1,5 volts et sous des intensités suffisantes pour remplacer les piles chimiques. L'utilisation d'un tel dispositif ne sera donc pas limitée aux besoins du tiers monde tels que l'on vient de l'évoquer, elle trouvera également de nombreuses applications dan6 1es activités de plein air telles que le camping, les longues randonnées, les expéditions lointaines, bateaux, etc... Un troisième objet de l'invention est de réaliser ce dispositif en tenant compte du très faible pouvoir d'achat des utilisateurs du tiers monde auxquels il est destiné en priorité. On fera donc appel des matériaux très bon marché et à des techniques de fabrication permettant la très grande série. Un quatrième objet de l'invention est de mettre au point un dispositif versatile susceptible, à partir d'un élément standard que nous appellerons "générate;r p#lyvalent", de s'adapter facilement aux diver types de lampes en usage dans les clientèles visées et aux différents usages qui se révèleraient en parallèle. Un cinquième objet de l'invention est de mettre à profit ce générateur: polyvclent pour réaliser un générateur thermoélectrique alimenté par l'énergie solaire qui permettra, lui aussi, l'écoute de la radio sans piles au moins en milieu de journée. Un sixième objet de l'invention est de réaliser ce générateur solaire pour un prix aussi bas que possible, notamment le panneau capteur sera orienté une fois pour toutes Est-Ouest avec une inclinaison sur l'horizontale dans le sens Nord-Sud qui ne dépendra que de la latitude Pour atteintrerces différents objectifs, il est essentiel de définir précisément ce qui a été désigné précédemment- comme "générateur polyvalent11. Il est essentiellement constitué d'un circuit conducteur à effet Peltier dans lequel sont associés en série des thermocouples en métaux inoxydables, bon conducteurs de l'électricité, soudables, facilement tréfilables sous forme de fils ou de rubans, ductiles et aussi bon marché que possible.Les prototypes qui vont être décrits associent des fils de Nickel Chrome et de Constantan pour le générateur sur lampe et des couples Fer-Cvivre pour le générateur solaire. Pour permettre à la fois une cDnstruction simple et une grande sou plesse d'utilisation,le générateur polyvalent est constitué d'une tresse souple qui assure trois fonctions principales: elle maintient les fils métalliques CDnStituQnt le circuit Peltier en position parl- lèle en alternant les métaux, elle les isole electriquement les uns des autres même si la tresse est, par la suite, enroulée ou repliée sur elle meme comme il apparaîtra dans la suite; elle constitue une barrière thermique entre les soudures chaudes et les soudures froides La Figure 1 représente différentes solutions non limitatives de réalisation de la tresse: par simple tissage en bande continue de quelques centimètres de large et de quelques millimètres d'épaisseur(1), par tressage en diagonale (2), par tricotage (3)... etc... à partir d'une moche souple isolante a' la fois sur le plan electrique et sur le plan thermique,se présentant sous la forme d'un fil continu (4) en fibre de verre (sodoccicique ou borosilicate!, en fibre de roche, en amiante ou en substitut de l'amiante. Au fur et (. mettre de sa réalisation, la tresse reçoit latéralement et alternativement, les fils de NiCr (s) et de Constantan (6) coupés à la bonne longueur. Les soudures des fils sont alors réalisées en associant d'un c8té les fils NiCr-Constantan (7# et de l'autre, les fils Constantan-#iCr (8'. On conçoit qu'une fois ces soudures réalisées, le circuit electrique est entièrement incorporé b la tresse. C'est cet ensemble d'une tresse souple et d'un circuit Peltier associés en longueur indéfinie qui constitue le "générateur polyvalent" (9). La figure 2 représente plusieurs variantes qui pourront tre utilisée sans sortir du présent texte: par exemple, les fils pourront être disposés en sandwich entre deux tresses souples préfabriquées (10) Ces deux tresses seront alors cousues ou collées l'une contre l'autre et les soudures réalisées comme précédemment. Il sera également possible de partir d'une seule tresse préfabriquée (115 les fils étant disposés contre les deux faces de cette tresse; les soudures des paires de fils assureront la liaison entre la tresse et le circuit Peltier. Ce procédé sera particulièrement indiqué si le générateur polyvalent n'a pas ò tre enroulé ou replié sur luimime. Une telle disposition sera cependant possible Si l'on prend la précaution d'interposer un ruban isolant sur ou moins une des faces du générateur polyvalent (12). Il sera également possible d'insérer dans l'épaisseur de la tresse une seule catégorie de fils et de placer l'autre sur une face de cette même tresse... La figure 3 représente le générateur adapté à une lampe à gaz. Il est constitué d'un plateau circulaire (14) réalisé par l'enroulement en spirale d'une l~nguevr de tconvertisseur polyvalent" comportant les soudures chaudes (155 sur sa face inférieure et les soudures froides (165 sur sa face supérieure. La disposition en spirale est assurée par collage. Un bouclier thermique (17) de forme cisculaire éloigne des soudures froides l'air qui est réchauffé au contact de la verrine et dilue les gaz chauds de combustion; il sert également de support au trépied qui maintient l'ensemble centré sur la verrine (18). Le circuit électrique est constitué de fils d'un diamètre adapté ò la résistance electrique que l'on veut obtenir; on pourra avantageusement utiliser des fils de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres; le nombre de soudures sera choisi en fonction de la tension que l'on veut obtenir et des tempérotures de régime des soudures chaudes et froides, lesquelles dépende#nt de la puissance de la lampe et de la disposition du plateau circulaire (14) par rapport qu flux de gaz chauds. Pour les tensions en cause, le nombre de couples thermoélectriques pourra varier entre 50 et 500 ou plus; pour une tension équivalente à celle de trois piles en série, on pourra avantageusement fixer ce nombre entre 150 et 350 pour un diamètre de fils de l'ordre de 0,5 millimètres. Les fijs de connexion (19) sont amenés jusqu'au récepteur a transistor (20) dans lequel les piles ont été remplacées par des piles factices (21); le jeu entre deux de ces piles est assuré par le ressort du compartiment des piles, il permet d'insérer entre elles la pièce de contact (22): un sandwich comportant deux plaques de cuivre séparées par une plaque isolante, chaque plaque de cuivre est reliéeà l'un des fils de connexion venant du générateur thermique. Le récepteur peut donc etre utilisé alternativement et indifféremment avec des piles ordinaires et à l'aide du thermogénérateur. Dans la configuration qui vient d'etre décrite, le générateur délivre 4.5 volts au débit de gaz minimum de la lampe. La figure 4 représente le dispositif adapté à une lampe à pétrole: le générateur polyvalent est, dans un premier temps, replié en accor- - déon (23) puis ensuite disposé en cylindre (24). L'ensemble constitue un manchon creux (255 dont le diamètre intérieur est du mere ordre de grandeur que le dicnetre de sortie de la verrine; les soudures chaudes (26': sont à l'intérieur de ce manchon au contact du flux de gaz chauds, les soudures froides sont à l'extérieur (27) simplement refroidies par l'air atmosphérique naturel. Un bouclier thermique (28) assure à la fois le sertissage de l'ensemble, la dilution des filests d'air réchauffé par la verrine et le support du trépied de contact avec celle-ci.Le manchon creux ne s'opposant pas au passage des gaz chauds on évite ainsi le risque de surchauffe de la réserve de pétrole contenu dans le réservoir de la lampe. La figure 5 représente une réalisation d'un modèle de générateur solaire à partir du générateur polyvalent défini plus haut. Le concentrateur est un réflecteur en forme de canal (29) à section parabolique, circulaire ou intermédiaire; la région focale reçoit le ou les oénérateurs pDlyvalents (305. L'axe du canal concentrateur est orienté Nord-Sucl avec une inclinaison sur l'horizontale qui dépend de la latitude du lieu. Il est fixé dans cette position pour résister au vent; il n'y o pas de poursuite du soleil dans son mouvement apparent autour de la terre. Suivant les heures de la journée, la zone de concentration des rayons solaires se déplace; elle sera dans l'axe du concentrateur ò midi heure locale solaire, elle sera décalée à l'Ouest de cette ligne pendant la matinée et a l'Est pendant l'après-midi (dons l'hémisphère Nord). Pour obtenir du courant du lever au coucher du soleil, on alignera le long de la ligne focale, plusieurs générateurs polyvalents, cependont les tresses seront plus larges et plus épaisses afin de mieux isoler les conducteurs et de séparer plus largement les soudures froides des soudures chaudes. Il pourra entre avantageux d'utiliser ou liei du couple NiCraConstanton, le couple Fer-Cuivre ou tout autre couple bon marché, quitte ò multiplier le nombre de soudures en jeu. La bande centrale (31) constituant le générateur polyvalent principal (celui qui sera en service pendant le milieu de la journée) sera disposéedans l'axe du réflecteur concentrateur et sur toute sa longueur. Il se présentera avec des ondulations dans le plan horizontal sur une largeur de quelques centimètres soit environ le dixième de l'ouverture du annal réflecteur. Dans ces conditions, le générateur central recevra le soleil pendant les deux heures encadrant midi. Un ou plusieurs générateurs seront disposés parallèlenent à ce géné roteur principal, ils recevront le soleil reflèté par le concentrateur avant et après le générateur principal.(32). La longueur du dispositif et donc le nombre de soudures dépendra de la tension que l'on désire obtenir et de la anture des métaux choisis. Dans les cas les plus courants d'utilisation, quelques centoines de soudures seront nécessaires (de 100 à plusieurs milliers) l'intensité désirée sera obtenue en adaptant le diamètre des conducteurs et leur longueur; le canal concentrateur mesurera généralement 0,5 a quelques mètres de longueur. Les différentes bandes génératrices seront reliées à leurs deux extré mités à une meme armature conductrice (33) elle mOrne relièe aux fils de connexicn avec le récepteur (34). On comprend que, sons autre précaution, la bande ondulée la plus chaude débitera dans les bandes voisines; pour l'éviter, choque bande sera équipée d'un interrupteur thermique (35) qui sera règlé de manière à se trouver en position fermée seulement sur la bande la plus chaude. L'ensemble du dispositif est protégé des intempéries par un vitrage incline. Il sera possible d'associer en série, en parallèle ou en serie-paral- lèle, plusieurs générateurs du type qui vient entre décrit par exempl pour alimenter des batteries d'accumulateurs, des balises, des emetteurs, des armoires réfrigérantes à thermocouples ou tout autre type de récepteur. Notons que le générateur polyvalent pourra également être adapté à la réalisation d'armoires frigorifiques b thermovouples, par exemple pour fc conservation des vaccins. REVENDICATIONS 1- Dispositif générateur d'énergie électrique utilisant l'effet Peltier par l'association en série de thermocouples le long d'une tresse souple (9) laquelle assure ò la fois le support du circuit électrique, son isolation électrique et l'isolation thermique entre les soudures chaudes (75 et les soudures froides (8); l'ensemble permettant une fabrication très mécanisée et permettant la construction d'un grand nombre de générateurs de différents types. 2- Dispositif générateur d'énergie électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit conducteur est réalisé en matériaux inDxydobles, souEobles, ductiles, générant des tensions maximales pour des températures données, de résistivité aussi faible que possibl meme à haute température et dé prix bas. 3- Dispositif générateur d'énergie électrique selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il utilise soit le couple Nickel Chrome-Constantan, soit le couple Fer-Cuivre. 4- Dispositif générateur d'énergie électrique selon la revendication1 caractérisé en ce que la tresse souple (9) peut constituer un plateau circulaire (145 obtenu en enroulant en spirale ladite tresse souple qui sera maintenue soit par collage soit par couture soit par serti s- sage; l'ensemble pouvanr Autre placé au dessus de l'ouverture de la verrine d'une lampe à gaz; la longueur de la tresse sera choisie pour correspondre à la quantité de soudures chaudes nécessaire (15) en contact direct avec les gaz brulés émis par la lampe et du meme nombre de soudures froides (16) situées au dessus du plateau et simplement refroidies par la convection naturelle dank l'atmosphère. 5- Dispositif générateur d'énergie électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il peut constituer, par pliage en accordéon puis par enrulement, un fourreau creux (25) qui pourra entre déposé sur la sortie supérieure de la verrine d'une lampe à pétrole, à acétylène, à vapeur d'essence ou a gaz; son diamètre intérieur sera du mOrne ordre de grandeur que celui de la verrine. Les soudures chaudes (265 dépasseront légèrement la surface intérieure du fourreau et seront ou contact direct du flux de gaz chauds produits par la lampe. 6- Dispositif générateur d'énergie électrique selon les revendications 1,4 et 5 caractérisé en ce qu'il comporte un connecteur (225 qui lui permet d'alimenter un récepteur radio sons y introduire de modificatic Les fils de connexion du générateur (19) aboutissent à un connecteur constitué d'un sandwich comportant deux plaques métalliques séparées par une ploqveiisolante, chacune des plaques isolantes est relié à l'un des fils de connexion venant du générateur; ce connecteur est inséré entre deux piles (21) du récepteur, soit des piles usées quisont restées en place, soit des piles factices ayant la forme et les dimentions des piles normales; dans chacune de ces eusses piles, un contact est étoble entre la pièce de fond et la capsule de tête, elle memes conductrices; l'insertion du connecteur est rendue possible par l'existence d'un ressort dans le réceptacle des piles de tous les récepteurs. 7- Dispositif générateur d'énergie électrique qui utilise la tresse sj un le de la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est alimenté par l'énergie solaire groce à un concentrateur (29) en forme de canal réflecteur: ce canal est orienté Nord-Sud et n'est pas pourvu d'un dispositif de poursuite du soleil dans son mouvement apparent par ranoDrt à la terre. La zone focale (30' comparte une ou plusieurs tresses souples préce- devent définies: elles sont disposées en ondulations dans le plan horizontal de manière a recevoir les rayons concentrés pendant un certain temps sans que le concentrateur suive le mouvement du soleil. Toutes les bandes génératrices sont relièes electriquement par leurs deux extrémités à des armatures communes (33) d'où partent les iw de connexion (348 au récepteur; afin d'dviter que la bande la plus chaude ne débite dons les bandes les plus froides,elles sont toutes équipées en leur centre d'un interrupteur thermique (35) qui ne ferme le circuit que sur la bande la plus chaude.