Brevet FR2658363A1 — publié le 19910816

CONVERTISSEUR D'ENERGIE THERMO-ELECTRIQUE ET SON MODE DE REALISATION Génération d'énergie électrique par conversion directe d'énergie thermique utilisant l'effet Seebeck. De nombreuses demandes de Brevets ont été déposées qui ont trait à ce domaine technique (voir FR 7737971 Déc. 1977, générateur solaire dont les soudures froides sont refroidies à l'eau; pour désalinisation ou électrolyse; US 4710588 Déc. 1987, perfectionnement du photovoltaïque à l'arséniure de Gallium par effet Seebeck; US 3097027 Jut. 1963, refroidissement des roulements à billes par effet Peltier pour en augmenter la durée; Tch. 1452276 Aut. 1966, concerne l'amélioration des sondes thermiques par radiation; US 4111717 Sep. 1978 concerne les sondes thermiques; US 4095998 Jun. 1973 effet Seebeck alimenté par le flux de gaz chauds des moteurs thermiques; CH 469323 Aut. 1969, la source chaude est du Plutonium 238; US 3 064 063, Nov. 1962, générateur tournant; Ita 7908796 Nov. 1979, générateur solaire avec refroidissement des soudures froides par absorption; Jap 0132279, Oct. 1983, générateur solaire avec refroidissement des soudures froides par ventilateur et magnéto sur l'axe du ventilateur;US 3661653, Mai 1972, tissage de fils très fins pour assemblage de milliers de thermocouples; Hongr. 587360, Jut. 1945, conducteurs déposés au pochoir sur un support en fibre de verre; FR 8712919, Sep. 1987; panneaux convertisseurs par bande isolante sur laquelle on imprime les circuits de thermocouples; US 3019278, Jan. 1962, procédé de tissage combinant ruban isolant et fils N et P). Toutes tiennent compte du faible rendement de l'effet Seebeck et utilisent une source thermique gratuite (soleil) ou l'énergie perdue par un dispositif thermique quelconque. Aucune des solutions proposées ne correspond à un usage "grand-public". Dans tous les pays du tiers-monde, on assiste à un exode massif des populations rurales vers les grandes métropoles : Le Caire, Rio de Janeiro, Douala, etc. . Les populations ainsi concentrées s'établissent en zone suburbaine; elle sont composées d'individus sans spécialisation et en grande majorité analphabètes, condamnés à vivre à la limite du dénuement. Ces concentrations humaines dépassent parfois les dix millions de personnes et représentent un risque de plus en plus évident d'explosions sociales. Deux catégories de mesures sont à prendre d'urgence face à ce très grave problème - fixer les populations rurales qui n'ont pas encore été touchées par l'exode, - inciter les populations sururbaines à retourner en zone rurale et, pour ceux qui n'ont même plus les moyens de ce retour, tout mettre en oeuvre pour leur donner un supplément de culture qui leur permette de s'intégrer à 1 'économie urbaine. Dans les deux cas, le seul moyen de communication avec ces populations ne peut être que la radio mais les agglomérations correspondantes ne sont que très partiellement électrifiées; le récepteur radio-transistor sur piles est donc le seul moyen de contact. Deux remarques s'imposent alors qui conduisent à l'objet de la présente demande de Brevet - dans toute la ceinture inter-tropicale du globe, le frein principal à l'écoute de la radio est constitué par la difficulté de se procurer des piles : elles sont chères et les conditions climatiques sont telles qu'elles se déchargent même lorsqu'elles ne sont pas en service (par condensation de l'humidité ambiante), elles sont souvent de qualité médiocre, qu'elles soient importées ou de fabrication locale. - l'heure de grande écoute se situe le soir, après dixhuit heures trente, c'est-à-dire à une heure où il fait déjà nuit. C'est le moment où s'allument des millions de lampes tempête, or on constate que le flux de gaz chauds émis par chacune de ces lampes véhicule une énergie très supérieure à celle qui est nécessaire à l'alimentation d'un récepteur radio à transistors. L'effet Seebeck utilisant ce flux de chaleur fatal peut être mis à profit, grâce à un convertisseur spécialement conçu, pour alimenter un récepteur à la place des piles chimiques. Les considérations qui précèdent imposeront à ce convertisseur les caractéristiques principales suivantes: - appareil très bon marché, - facilement adaptable sur une lampe existante, notamment une lampe tempête qui est le luminaire le plus répandu et sur un récepteur radio à transistors sans avoir à modifier ni la lampe ni le récepteur. - grande longévité : inoxydable et statique, - facile à construire par une unité de fabrication locale, - fonctionnant sans accumulation d'énergie qui alourdirait le prix et la complexité de l'appareil, - adaptable à une utilisation diurne en plaçant le générateur au foyer d'un réflecteur solaire simple dont l'orientation sera assurée à la main. Le circuit générateur (1) comprend deux métaux inoxydables et soudables sous forme de fils ou de rubans assemblés en zigzag par la juxtaposition de couples thermoélectriques. On choisira de préférence des alliages de Nickel pour les conducteurs N et P. Aucune précaution ne sera prise pour refroidir les soudures froides (4), on jouera seulement sur la distance entre soudures chaudes (5) et soudures froides (4) pour obtenir, en régime, une différence de température suffisante entre les deux catégories de soudures. Les soudures sont réalisées en atmosphère neutre pour limiter au maximum les sources de corrosion. Le circuit ainsi constitué comportera suffisamment de soudures pour que la tension délivrée corresponde à celle des récepteurs les plus courants : multiple de 1,5 volts environ. On tiendra compte du fait que les piles chimiques ne présentent une tension de 1,5 volts que pendant les premières heures d'utilisation elles sont inutilisables lorsque leur tension descend au dessous de 0,9 volts; on adoptera donc une tension de l'ordre de trois volts à trois volts et demi qui permettra de réaliser en un seul modèle, un générateur susceptible d'alimenter des récepteurs à deux ou trois piles qui sont les plus courants. Suivant la disposition par rapport à la flamme de la lampe et suivant l'importance du flux thermique représenté par le flux de gaz brûlés, le nombre de soudures pourra varier de quelques dizaines à quelques centaines. Deux fils conducteurs (6) seront raccordés aux deux extrémités du circuit générateur, ils comporteront, à leur autre extrémité, une fausse pile (7) généralement de type R6 et l'ensemble sera livré avec des fausses piles (8) en nombre suffisant pour remplir le bac à piles du récepteur radio. Cette disposition permettra de connecter le récepteur radio soit à partir du générateur thermique soit à partir des piles chimiques traditionnelles. Le générateur se présentera sous forme d'un disque (9) compact de quelques centimètres de diamètre et de quelques centimètres d'épaisseur, laissant apparaître sur une face les soudures chaudes (5) et sur l'autre, les soudures froides (4). Le circuit générateur sera avantageusement enroulé sur lui-même en forme de spirale. Avant l'enroulement en spirale, il pourra être replié sur lui même en deux moitiés de manière à faire apparaître ses deux extrémités à la périphérie de la spirale (fig 2 et 3). Un ruban isolant (11) sera interposé entre les spires, il assurera - le support mécanique du circuit, - son isolation électrique, - une bonne isolation thermique entre la zone chaude et la zone froide. Dans ces conditions, la différence de température entre les soudures chaudes et les soudures froides s'établira aux environs de 400 degrés en régime si les deux familles de soudures sont suffisamment éloignées l'une de l'autre. Le choix des métaux constituant le circuit générateur, leur section, leur longueur entre deux soudures, leur température de régime, assureront une résistance électrique compatible avec l'intensité nécessaire pour l'obtention d'une puissance de l'ordre de 3 à 4 Watts c'est-à-dire un peu plus d'un Ampère. Dans le cas d'une utilisation diurne, le générateur pourra être placé sur des braises ardentes de charbon de bois, un réchaud ou une lampe à gaz ou au foyer d'un concentrateur solaire qui sera constitué par une tôle réfléchissante ou tout dispositif équivalent, lequel comportera - un support orientable (13), - un berceau (14) permettant de positionner le générateur au foyer du réflecteur, - un conducteur de raccordement (15) terminé par une fausse pile comme vu précédemment. La lampe à pétrole la plus répandue dans les pays du tiers monde est la lampe dénommée communément "lampe tempête". (Fig 4). C'est l'adaptation du générateur à ce type de lampe qui sera choisi comme exemple non limitatif. Le générateur comportera le circuit Seebeck enroulé en spirale avec sorties périphériques (9); il comportera environ 200 soudures chaudes et autant de soudures froides distantes d'environ 45 millimètres. Les fils seront en alliages de Nickel recuit de quelques dixièmes de millimètre de diamètre, avec écrouissage contrôlé; les soudures seront réalisées sous flux d'argon par arc électrique avec amorçage sans contact par très haute fréquence. Dans un premier temps et pour diminuer l'importance de l'investissement initial dans l'unité de fabrication, les soudures pourront être remplacées par de simples épissures. Le ruban isolant sera en feutre de fibres de verre, de roche, de céramique ou de tout autre matériau équivalent. Sur la face chaude on pourra éventuellement ajouter une protection constituée par une couche de ciment réfractaire (17); on pourra également rajouter une couche de ciment isolant thermique (18) du côté des soudures froides. Un cerclage extérieur (19) assurera l t assemblage final et permettra l'accrochage du chassis de positionnement (20) destiné à réaliser la meilleure position du générateur à l'intérieur de la verrine. Deux fils conducteurs seront raccordés aux deux extrémités du circuit générateur. L'un de ces deux fils (21) sera raccordé au chassis support (20) et par conséquent à la masse de la lampe, l'autre (22) sera passé au travers de l'un des orifices d'entrée d'air de la lampe et isolé, au passage du métal, par un cylindre creux en matériau isolant et réfractaire (23), il sera ensuite connecté à la boîte à bornes (24), elle même en contact électrique avec la masse de la lampe. Deux autres conducteurs (25) de quelques décimètres de longueur partiront de la boîte à bornes (24) et se termineront par la fausse pile (7) qui permettra la connexion du récepteur radio. L'appareil sera livré avec deux autres fausses piles (8) de type R6), ainsi, le générateur pourra alimenter des récepteurs à deux ou trois piles indifféremment. La seule modification à faire subir au récepteur radio consistera en deux petites encoches à pratiquer dans le couvercle du bac à piles pour le passage des deux conducteurs d'alimentation. REVENDICATIONS 1- Générateur thermo-électrique utilisant une pluralité de couples thermo-électriques assemblés en série sous la forme d'un circuit en zig-zag, caractérisé en ce que les soudures froides sont suffisamment éloignées des soudures chaudes pour que la différence des temperatures entre soudures chaudes et soudures froides reste significative, sans qu il soit nécessaire de mettre en oeuvre un système de refroidissement artificiel de ces dernières. 2- Générateur selon la revendication 1 dont les conducteurs sont en métaux inoxydables caractérisé en ce que les soudures sont réalisées en atmosphère neutre de manière à limiter au maximum les sources de corrosion, lesdites soudures pouvant être remplacées par de simples épissures. 3- Générateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit électrique est replié sur lui même ou enroulé en spirale avec interposition d'un ruban souple et réfractaire qui assure à la fois le support mécanique du circuit, l'isolation électrique de ses différents éléments et l'isolation thermique entre la zone chaude et la zone froide. 4- Générateur selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le circuit électrique est d'abord replié sur lui même en ses deux moitiés puis enroulé en spirale avec interposition d'un ruban souple et réfractaire,; cette disposoition permet de retrouver les deux extrémités du circuit à la périphérie de la spirale; l'ensemble reçoit un cerclage extérieur d'assemblage. 5- Générateur selon les revendications 1,2,3 et 4 affectant la forme d'un disque compact de quelques centimètres de diamètre et de quelques centimètres d'épaisseur caractérisé en ce qu'il présente sur une de ses faces l'ensemble des soudures froides et sur l'autre l'ensemble des soudures chaudes; la face chaude pouvant être protégée par une couche de ciment réfractaire et la face froide par une couche de ciment isolant. 6- Générateur selon les revendications 1,2,3,4 et 5 caractérisé en ce qu'il est calculé pour fournir une énergie compatible avec l'alimentation d'un récepteur radio-transistors quelle que soit la source de chaleur utilisée: lampe à huile, à pétrole, à gaz , bougies, braises de charbon de bois ou énergie solaire issue d'un concentrateur. 7- Générateur selon les revandications 1,2,3,4,5 et 6 comportant un cordon de raccordement caractérisé en ce que ce cordon se termine par une fausse pile qui permet la connexion d'un récepteur radio sans avoir à lui apporter de transformation autre que deux encoches dans le couvercle du bac à piles pour laisser le passage des conducteurs de connexion.