Brevet FR2725501A3 — publié le 19960412

FR 2725501 A3 19960412 FR 9412145 A 19941010 L'invention décrite présente un système de générateurs d'énergie aérosolaires modulables à géométrie adaptable à la puissance désirée et aux caractéristiques climatiques de chaque région. Comparée aux systèmes solaires et éoliens existants (champs de capteurs plans et aérogénérateurs), cette invention conjugue l'action du vent, du soleil et de la lumière. Elle permet la réalisation de générateurs d'énergie de toutes puissances, jusqu'aux plus gigantesques, d'une extrême solidité et d'un fonctionnement permanent. Avec peu de pièces en mouvement, pas de mécanisme d'orientation, une autoprotection contre les intempéries, ces générateurs utilisent une technologie connue et éprouvée pour les turbines, les chaudières à vapeur ou autres fluides, les alternateurs, les échangeurs, etc... Pour une même énergie captée, les circuits sont beaucoup plus simples: pas de tuyauteries ou de multiplets raccords électriques ou autres, comme pour les champs de capteurs solaires ou d'éoliennes. Pour une même surface au sol, ces générateurs permettent de capter des énergies beaucoup plus grandes, car, entre autre, ils ne sont pas limités, comme pour les éoliennes, par la vitesse nominale de ces machines, et peuvent atteindre des dimensions que ne permet pas la technologie des plus grands aérogénérateurs. L'évolution du système jusqu'au turbo-générateur aéro-solaire (voir dessin figure 3), diffère du gigantesque projet de l'ingénieur français E. NAZARE (décrit en janvier 1976, revue Cahier des valeurs" nO 1, printemps 1977, de l'Association Anergie environnement"), du fait qu'il est complètement fermé, muni de soufflantes d'air alimentées par cellules solaires, équipé d'un aspirateur puissant au sommet (le vent jouant à ce niveau un rôle très important), et muni de réflecteurs à l'arrière, ce qui en fait un ensemble plus complexe mais d'un fonctionnement permanent. DESCRIPTION DE L'INVENTION A la base, un collecteur accélérateur spécialement profilé (réf. nO 4 sur les figures 1 et 2) amplifie l'énergie cinétique du vent en accélérant le courant d'air et en le guidant à la verticale, au col d'un diffuseur aspirateur (réf. nO 2 et 1 sur les figures). Au col de la tuyère ainsi formée, l'air à grande vitesse actionne une turbine à réaction à axe vertical (réf. nO 3 sur les figures) et un convertisseur d'énergie spécial, décrit plus loin. Le dessus du collecteur accélérateur, en matériau transparent pour la plupart des modèles, et opaque pour les régions froides ou très chaudes, surmontant le cône de base profilé et noirci d'un revêtement absorbant et peu émissif (genre chrome noir mat ou autre) (réf. nO 3 sur figure 5 et réf. nO 4 sur figure 3 pour le turbo-générateur), constitue un capteur solaire. La chaleur accumulée par l'effet de serre est rapidement aspirée par l'action du vent et de l'aspirateur, ou pulsée par les soufflantes dans le cas du turbo-générateur, renforçant ainsi la détente de l'air au travers des aubes de la turbine motrice. Dans le collecteur accélérateur, 4, 8, 12 ou 24 aubes (selon les dimensions des générateurs) sont spécialement profilées (réf. nO 1 et 2 sur figures 4 et 5) et orientées de façon à imprimer un mouvement de prérotation au courant d'air actionnant la turbine. Ces aubes aérodynamiques sont montées de façon à empêcher tout passage d'air à l'arrière du collecteur. Au-dessus de la turbine, un diffuseur constitué d'un cône divergent, d'angle maximum 80 à 120, et surmonté d'un "chapeau" aspirateur spécialement conçu permet : (réf. nO 2 et 1 sur les figures) 1) Par le ralentissement de la vitesse du courant d'air et sa transformation en pression, de récupérer la plus grande partie de la vitesse restante de l'air après son passage dans les aubes de la turbine motrice. 2) D'augmenter la détente du courant d'air en aidant au refroidissement. 3) Ayant réalisé une maquette de petites dimensions, nous pouvons affirmer que le "chapeau" aspirateur spécial coiffant le diffuseur, déclenche un effet de succion tel, que le gain dû au diffuseur aspirateur peut être évalué à 25 % minimum et davantage pour les grands générateurs aéro-solaires (la vitesse du vent étant plus grande en altitude). Le diffuseur aspirateur constitue d'ailleurs de lui-même un générateur d'énergie s'additionnant au collecteur accélérateur de la base. De plus, le chapeau aspirateur assure une autoprotection de la turbine contre les intempéries. L'installation est surélevée, montée sur un local de fonction (réf. nO 15 sur les figures 1 et 2 et nO 14 sur figure 3), ce qui permet de prévoir dessous les appareils de commande, la régulation, et un système de stockage par batterie, air comprimé, sels fondus ou autre... (réf. nO 14 sur figures 1 et 2 et ref. nO 15 sur figure 3) et surtout un générateur de chaleur complémentaire constitué essentiellement d'un brûleur annexe fonctionnant au bio-gaz, ou carburant agricole par allumage automatique asservi à la température du fluide moteur du convertisseur d'énergie (réf. nO 12 et 16 sur figures 1 et 2 et réf. nO 12 et 13 sur figure 3). Pour les petits modèles, un système de régulation permettra de choisir la vitesse désirée pour une utilisation directe par alternateurs ou stockage dans des batteries après redressement. Par contre, les grands modèles de générateurs d'énergie aéro-solaires seront munis obligatoirement d'un système convertisseur d'énergie utilisant un cycle de transformation directe du travail de la turbine motrice en chaleur, soit par frein mécanothermique, soit par chauffage à induction à haute fréquence, un générateur haute fréquence étant alors accouplé à l'arbre de la turbine motrice (réf. n" 5 sur les figures 1 et 2). L'utilisation d'un tel cycle permet d'exploiter au mieux la puissance immense que peut développer la turbine motrice en cas de vents forts, car elle peut tourner à de très grandes vitesses, la seule limite étant sa solidité. Afin d'éviter tout riques éventuels, un simple obturateur réglable permettra de limiter la vitesse ou de mettre la turbine hors service (réf. nO 6 sur les figures). Ainsi, dans toutes les installations puissantes, nécessitant un fonctionnement continu, l'arbre de la turbine descend à l'intérieur d'une enceinte calorifugée, permettant ainsi le fonctionnement d'une chaudière à vapeur classique, ou autre fluide fonctionnant à plus basse température (frelon, butane, ou autre...), ceci en circuit fermé avec condenseur et pompe de circulation (réf. nO 9, 10, 11, 17 et 18 sur les figures 1 et 2). Ces technologies connues permettent l'utilisation d'un alternateur tournant au régime de synchronisme de 50 Hz. Ce système de convertisseur d'énergie présente de multiples avantages: 1) Le rendement d'un cycle de transformation directe du travail en chaleur étant vosin de 100 %, ceci permet d'utiliser d'importantes variations de la vitesse de la turbine, elles-mêmes fonction de la vitesse du vent et donc de bénéficier d'un excellent rendement de Ensemble. 2) En fonctionnement permanent, un tel système ne pouvant s'arrêter que lentement, constitue de lui-même un stockage temporaire d'énergie et un régulateur. Complété par le chauffage annexe, il assure le fonctionnement permanent du générateur. 3) Toute diffusion ou pertes de chaleur dues au convertisseur d'énergie, au brûleur annexe ou au condenseur retourne obligatoirement à la turbine. Pas de perte de chaleur. En outre, comme le montrent les dessins (réf. nO 13 sur les figures 1 et 2 et réf. nO 10 sur figure 3), le fonctionnement du condenseur, de la pompe de circulation, et des soufflantes du turbo-générateur, est assuré par des panneaux de cellules solaires placés sur le local de base ou les réflecteurs. Ceci permet, grâce à la lumière, d'utiliser la totalite de l'énergie produite par l'alternateur. Le pourcentage d'énergie nécessaire pour le fonctionnement des soufflantes du condenseur et de la pompe de circulation étant faible, l'installation des panneaux de cellules solaires assurant ces fonctions en permanence ne demande pas d'investissement important en regard des avantages que présente cette installation. Le générateur d'énergie aéro-solaire est modulable par modification de ses proportions en fonction du climat dominant dans la région où il est installé. Ses dimensions réelles étant toujours fonction de la puissance désirée. En effet, toute modification du diamètre et de la hauteur du collecteur et du diffuseur aspirateur, ainsi que de la surface accumulant la chaleur, modifie la quantité d'énergie captée à l'entrée et qui se définit par la formule Vitesse du vent X Surface d'entrée du collecteur + le gain dû au diffuseur aspirateur (25 % au minimum) + le gain dû à l'échauffement de la base par variations du volume massique de l'air. C'est ainsi que dans les régions très chaudes et peu ventées, le générateur aéro-solaire se transforme en turbo-générateur aéro-solaire. Comme le montre la figure 3, celui-ci possède son propre accumulateur de chaleur, son brûleur annexe et ses soufflantes qui permettent le fonctionnement permanent de l'ensemble. Toutes les possibilités de modulations permettent donc de concevoir une gamme de générateurs aéro-solaires capables de couvrir une immense partie des besoins en énergie des populations en n'utilisant que des énergies inépuisables, puissantes et gratuites. L'énergie solaire étant diluée à la surface du globe, ces générateurs peuvent être implantés en tous lieux, villes ou villages, comme les châteaux d'eau. On utilisera de préférence des sites surélevés, en pente douce, le gain dû à ces sites peut atteindre 80 %. I1 faut signaler aussi que l'implantation de tels générateurs de grandes dimensions, sur des plans d'eau salée artificiels permettrait sans doute des résultats surprenants car ainsi seraient reproduites les conditions essentielles permettant le fonctionnement de cyclones artificiels. En tous cas, l'inertie thermique importante de l'eau assurerait une régulation évidente et un gain d'énergie sensible, dû au taux d'humidité de l'air ambiant. Bien entendu, toute application industrielle de cette invention passe par la réalisation d'un prototype de dimensions respectables, qui permettrait d'optimiser les mesures et d'anticiper la conception de 1^ensemble des modèles. Ce prototype devrait mesurer au moins 25 mètres de diamètre et être conçu pour régions tempérées, ventées et ensoleillees (figure 2). Ceci implique évidemment un financement indispensable et suffisant. ETUDE MATHEMATIQUE TRES SIMPLIFIEZ D'UN GENERATEUR AERO-SOLAIRE POUR REGIONS TEMPEREES, VENTEES ET ENSOLEILLEES Type Figure 2 - Dimensions doublées. Soit : Diamètre du collecteur accélérateur = 16 m Hauteur du collecteur = 5,50 m Diamètre de la turbine motrice = 2 m Hauteur totale du diffuseur aspirateur = +/- 23 m Le de la sortie ne devrait pas être inférieur à 2,5 fois le de la turbine. Ces calculs sont établis pour une vitesse du vent de 7 m/s = 25 Km/heure. Température extérieure estimee à 150 C = 2880 K. Les variations de pression atmosphérique sont négligées pour ces dimensions, ainsi que le taux d'humidité de l'air atmosphérique, mais entrent en compte dans le cas de grands générateurs, augmentant sensiblement le rendement. La surface d'entrée du collecteur, face au vent, étant de 16 m X 5,5 m = 88 m2, et le vent de 7 m/s, le volume d'air actif théorique entrant dans le générateur est donc de 88 X 7 = 616 m3/s. La perte de cubage par dispersion et remous à l'entrée étant estimée à 25%, le volume d'air actif sera en fait de 616 m3/s - 25 % = 462 m3/s et l'énergie cinétique que possède le courant d'air à l'entrée du collecteur peut être évaluée à 1/2 M x V2 soit avec Mv masse volumique de l'air à 150 C : 1,225 Kg/m3. 462 X 1,225 ----------- X 72 = 13,866 Kj/s 2 Ces chiffres négligent volontairement, dans un premier temps, le coefficient de dilatation de l'air par échauffement de la base. La section de passage au col de la tuyère, avec le diamètre de 2 m est de 3,14 m2. La vitesse théorique du courant d'air au col passe donc à 462 ---- m3/s = 147 m/s 3,14 La perte de charge au col ne devrait pas dépasser 15 % car la turbine sera munie de joints à labyrinthes ou autre dispositif anti-fuite. La vitesse de l'air au col avant l'action du diffuseur aspirateur avoisinera donc 147 m/s - 15 % = 125 m/s A ce stade, l'énergie cinétique agissant sur la turbine à 150 C peut être évaluée à : 462 m3/s X 1,225 ---------------- X 1252 = 4421 Kj/s 2 Ceci montre bien l'importance du rôle du collecteur accélérateur parfaitement profilé : 4421 Kj au col au lieu de 13,866 Kj à l'entrée. En fait, le gain dû au diffuseur aspirateur étant estimé à 25 %, la vitesse au col avoisinera en réalité 125 m/s + 25 % = +/- 156 m/s. Et l'énergie cinétique agissant sur les aubes de la turbine à réaction passera à : 462 m3/s X 1,225 ---------------- X 1562 = 6886 Kj/s 2 U Vitesse escomptée de la turbine motrice avec ---- = 0,957 V1 149 U = 156 X 0,957 = 149 m/s et n = ----- = 23,72 T/s = 1423 T/min. 6,28 Toute variation de la vitesse du vent et de la température modifiant rapidement les résultats, la même méthode de calcul permettra d'apprécier ces variations Exemple : Vent supposé à 10 m/s = 36 Km/heure Température extérieure : 200 C = 2930 K Température au col : 400 C = 3130 K Vm à 20 C = 0,830 m3/Kg = Mv = 1,20 Kg/m3 Vm à 400 C = 0,887 m3/Kg = Mv = 1,127 Kg/m3 Coefficient de dilatation de l'air : 0,887 / 0,830 = 1,069 Avec ces paramètres = volume théorique d'air attaquant le collecteur = 88 m2 X 10 m/s = 880 m3/s. Perte à l'entrée 25 % = 880 - 25 % = 660 m3/s Le coefficient de dilatation etant de 1,069, c'est un volume actif de 660 m3/s X 1,069 = 705 m3/s qui se détend au travers des aubes de la turbine motrice. 705 m3/s La vitesse théorique au col sera donc de -------- = 224 m/s avec la 3,14 perte de charge au col estimée à 15 %, la vitesse réelle avoisinera 224 - 15 % = 190 m/s et le gain dû au diffuseur aspirateur montera cette vitesse à : 190 m/s + 25 % = 237 m/s minimum. L'énergie cinétique agissant sur les aubes de la turbine devient donc, à 400 C : 705 m3/s X 1,127 ---------------- X 2372 = 22314 Kj/s 2 Et la vitesse de la turbine peut être estimée à 237 X 0,957 ----------- = 36 T/s = 2160 T/min. 6,28 Ainsi, quand la température au col passe de 150 C à 400 C, et la vitesse du vent de 7 à 10 m/s, la puissance disponible au niveau de la turbine passe de 6886 KW à 22314 KW (rendement approximatif à ce niveau : 54,26 %). Ces chiffres montrent à l'évidence que la puissance que peuvent atteindre de très grands générateurs d'énergie aéro-solaires peut être colossale, la puissance progressant au minimum au carré des dimensions. L'énergie finalement fournie par l'alternateur d'utilisation sera évidemment affectée des pertes minimes au niveau du convertisseur, de la turbine actionnant l'alternateur et de l'alternateur lui-même. Un prototype réaliste permettrait de quantifier ces pertes qui ne peuvent être très importantes car il s'agit là de technologies connues et éprouvées. NOMENCLATURE 1 des différents éléments référencés sur les figures Planche 1/4 - Fiqure 1 : Indique les proportions des générateurs d'énergie aéro-solaires pour régions ventées et peu ensoleillées ; les dimensions réelles étant fonction de la puissance désirée. Références nO 1 : Aspirateur. nO 2 : Diffuseur. nO 3 : Turbine motrice à réaction 1 mètre. nO 4 : Ensemble collecteur accélérateur (dessus, aubes et cône : noir mat sélectif). nO 5 : Convertisseur d'énergie mécanothermique ou chauffage à induction avec échangeurs. nO 6 : Disque obturateur réglable. nO 7 : Distributeur. nO 8 : Aubes profilées. nO 9 : Enceinte calorifugée. n 10 : Turbine du convertisseur d'énergie. n 11 : Alternateur (utilisation). n 12 : Brûleur annexe (sans fumée). n 13 : Cellules solaires alimentant les soufflantes du condenseur et la pompe de circulation. n 14 : Commandes, régulation, stockage, etc... n 15 : Local de fonction. n 16 : Bio-gaz. n 17 : Pompe de circulation. n 18 : Soufflantes du condenseur. n 19 : Haubans éventuels. NOMENCLATURE 2 Planche 2/4 - Figure 2 Indique les proportions des générateurs d'énergie aéro-solaires pour régions tempérées, ventées et ensoleillées ; les dimensions réelles étant fonction de la puissance désirée. Références : nO 1 : Aspirateur. nO 2 : Diffuseur. nO 3 : Turbine motrice à réaction 1 mètre. nO 4 : Ensemble collecteur accélérateur (dessus et aubes : transparents, cône de base : noir mat sélectif). nO 5 : Convertisseur d'énergie mécanothermique ou chauffage à induction avec échangeurs. nO 6 : Disque obturateur réglable. nO 7 : Distributeur. nO 8 : Aubes profilées. nO 9 : Enceinte calorifugée. nO 10 : Turbine du convertisseur d'énergie. nO 11 : Alternateur (utilisation). nO 12 : Brûleur annexe (sans fumée). n 13 : Cellules solaires alimentant les soufflantes du condenseur et la pompe de circulation. n 14 : Commandes, régulation, stockage, etc... n 15 : Local de fonction. n 16 : Bio-gaz. n 17 : Pompe de circulation. n 18 : Soufflantes du condenseur. n 19 : Haubans éventuels. NOMENCLATURE 3 Planche 3/4 - Figure 3 Montre le schéma et les proportions des turbo-générateurs d'énergie aérosolaires conçus pour régions chaudes et très ensoleillées ; les dimensions réelles étant fonction de la puissance désirée. Références : nO 1 : Aspirateur. nO 2 : Diffuseur. nO 3 : Turbine motrice à réaction 1 mètre. nO 4 : Enceinte profilée étanche constituant un capteur solaire (face extérieure du cône de la base : noir mat sélectif, intérieur de l'échangeur à chicanes noir mat émissif). nO 5 : Accumulateur de chaleur. nO 6 : Disque obturateur réglable. nO 7 : Distributeur. nO 8 : Réflecteurs à l'arrière du capteur solaire. nO 9 : Alternateur (utilisation et son régulateur). nO 10 : Cellules solaires alimentant les soufflantes de 1 'échangeur interne. n 11 : Soufflantes de l'échangeur interne. n 12 : Brûleur annexe (sans fumée). n 13 : Bio-gaz. nO 14 : Local de fonction. n 15 : Commandes, régulateur, stockage, etc... n 16 : Haubans éventuels. NOMEICLATURE 4 Planche 4/4 : Figure 4 : n 1 : Forme des Z,aubes des générateurs aéro-solaires (vues de dessus). Figure 5 : n 2 : Forme des Z.aubes des générateurs aéro-solaires (vue perspective). n 3 : En pointillés, base profilée (noir mat sélectif). Figure 6 : n 4 : Vue interne de l'échangeur de chaleur du turbo générateur solaire avec chicanes en spirale montante" et circulation de l'air pulsé par les soufflantes. REVENDICATIONS 1) Générateur d'énergie aéro-solaire modulable conjuguant l'action du vent, de la chaleur et de la lumière. 2) Générateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il additionne l'action d'un collecteur accélérateur à aubes spécialement profilées (réf. nO 4 et 8 sur les figures 1 et 2, et réf. nO 1 et 2 sur les figures 4 et 5) à base chauffante (réf. n" 3 sur la figure 5) constituant un capteur solaire, et l'action d'un diffuseur aspirateur (réf. n" 2 et 1 sur les figures), assurant ainsi une très grande vitesse de rotation à la turbine à axe vertical (réf. nO 3 sur les figures), placée au col de la tuyère. 3) Générateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé pour les modèles puissants, par son convertisseur d'énergie qui utilise un cycle de transformation directe du travail en chaleur dont le rendement est voisin de 100 % (réf. n" 5 sur les figures 1 et 2), permettant ainsi d'utiliser de très grandes variations de la vitesse de la turbine motrice, donc de très grandes variations climatiques (vent et chaleur). 4) Générateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé par son fonctionnement continu grâce à son convertisseur d'énergie, son brûleur annexe, et l'ensemble de son mécanisme (réf. nO 5, 10, 11, 12, 17 et 18 sur les figures 1 et 2), ses possibilités de stockage et son extrême fiabilité. 5) Générateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est modulable dans ses proportions et dimensions, s'adaptant ainsi à volonté à toutes les puissances et aux caractéristiques climatiques de toutes régions (ex : figures 1 et 2), des climats froids et ventés, jusqu'au turbo-générateur d'énergie aéro-solaire pour pays très chauds et peu ventés (figure 3). 6) Générateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au sommet du diffuseur, un aspirateur statique puissant (réf. nO 1 sur les figures), spécialement conçu, assure, en plus de son fonctionnement, une auto-protection de la turbine motrice contre les intempéries. 7) Générateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé par l'emploi d'un brûleur annexe (réf. n" 12 sur les figures) et l'utilisation de cellules solaires (réf. nO 13 sur les figures 1 et 2 et réf. nO 10 sur la figure 3) pour le fonctionnement du condenseur, de la pompe de circulation et des soufflantes, et par le fait que toutes les "fuites" de chaleur retournent obligatoirement à la turbine motrice donc aucune perte de chaleur, ce qui participe à l'excellent rendement de l'ensemble. 8) Générateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé par l'emploi d'énergies gratuites, puissantes et non polluantes, son faible encombrement au sol et son esthétique, qui en font un générateur d'énergie dont une des caractéristiques est sa possibilité d'implantation au plus près des lieux d'utilisation.