Brevet FR2747238A1 — publié le 19971010

La présente invention concerne un générateur électrique, du type comprenant des modules thermoélectriques à semiconducteur, utilisant l'effet Seebeck, et particulièrement un générateur électrique sous-marin-pour équiper des tètes de puits de forage. Pour l'alimentation électrique des équipements (vannes, instrumentation, etc) de puits de forage pétroliers, on connais de tels générateurs électriques utilisant l'effet thermoélectrique provoqué par la différence de température entre les produits extraits, à savoir des huiles, présentant une température relativement élevée (supérieure à 40"C), qui s'écoulent dans une canalisation de forage ou pipe, et le milieu sous-marin entourant cette canalisation à une température très inférieure, de l'ordre de quelques degrés. Des nappes de thermoéléments sont disposées concentriquement en manchons le long du pipe et reliées électriquement en série ou en parallèle pour produire une alimentation électrique. Les surfaces d'échange thermique de ces modules sont tangentielles par rapport à la section circulaire de la canalisation. Cette disposition limite le nombre de modules pouvant être disposés par unité de longueur de canalisation. Ainsi, on ne peut guère disposer que de huit modules, sur des pipes de dimension standard, par exemple d'un diamètre de 150 mm. II en résulte que la puissance électrique fournie par un tel générateur est notablement réduite. Un autre inconvénient de ce montage réside dans le fait qu'il ne garantit pas la tenue en pression des modules thermoélectriques lorsque le générateur est immergé à grande profondeur, jusqu'à 2 000 m sur certains sites. Enfin, les échanges thermiques à l'intérieur de la canalisation ne sont pas optimisés. La présente invention remédie à ces inconvénients en proposant un générateur thermoélectrique qui peut fournir une puissance électrique accrue et qui peut être immergé à de grandes profondeurs, par exemple jusqu'à 2 000 m, particulièrement sur certains puits de forage pétroliers. L'invention a donc pour objet un générateur électrique, du type comprenant des modules thermoélectriques fixés et isolés électriquement entre les deux parois d'un conduit séparant un fluide intérieur en mouvement et un fluide extérieur présentant une température différente de celle du fluide intérieur, caractérisé en ce que les modules thermoélectriques sont positionnés de manière telle que leurs surfaces d'échange thermique sont approximativement perpendiculaires à la direction de l'écoulement du fluide intérieur. Selon une caractéristique avantageuse, les modules thermoélectriques sont positionnés sur chacune des deux faces d'une collerette appliquée radialement par serrage sur le conduit. Dans un mode de réalisation, le générateur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un étrier annulaire enserrant et isolant électriquement du fluide extérieur au moins une collerette et les modules thermoélectriques qui y sont positionnés. De préférence, le générateur comporte un empilage étanche de collerettes et d'étriers les enserrant, disposés le long du conduit. D'autres avantages d'un générateur électrique selon la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'un mode non limitatif de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un générateur, la figure 2 est une coupe suivant AA de la figure 1, la figure 3 montre une coupe détaillée de réalisation selon AA de la figure 2, la figure 4 schématise le montage électrique associé au générateur. La figure 1 montre le générateur thermoélectrique présentant la forme générale d'un manchon 1 autour d'une canalisation ou conduit 2 appartenant à une tête de puits, non représentée, immergée dans l'eau de mer 3. Le conduit 2 contient du produit liquide 4, ici de l'huile, extrait par forage, circulant par exemple dans le sens de la flèche F. Le manchon se compose d'un tube central 2, par exemple en acier, sur lequel sont fixées radialement des collerettes 6, par exemple en cuivre. Les collerettes sont maintenues sur le tube central par un système connu de vis à coins 7 placé le long du conduit. Sur chaque face d'une collerette 6, on dispose des modules thermoélectriques 8. Ceuxci, par exemple au nombre de 13 sur chaque face, sont répartis régulièrement, près de la partie périphérique de la collerette 6. Ceux-ci sont câblés en série et connectés au câble 5. Chaque module thermoélectrique est, de façon connue, un assemblage plan de thermocouples en série à base de semiconducteurs. Les faces 8a et 8b permettant l'échange thermique sont donc disposées perpendiculairement au sens de l'écoulement F du liquide circulant dans le conduit 2. Les modules thermoélectriques 8, connus en eux-mêmes, sont choisis en tenant compte de leurs dimensions (longueur, largeur, épaisseur), du nombre de couples par module, et essentiellement du rapport surface sur épaisseur du thermoélément constitutif (type N ou P) formant un demi-couple. On privilégie une épaisseur faible conduisant à une résistance interne faible. Par exemple, on utilise des thermoéléments qui ont la forme de plaquettes rectangulaires d'environ 60 sur 30 mm, présentant 254 thermocouples au tellurure de bismuthTpermettant un fonctionnement jusqu'à une température de 300"C, avec un rapport surface sur épaisseur de 0,079 cm. Un isolant électrique entoure chaque collerette, et les modules thermoélectriques sont séparés par un isolant thermique et électrique 9 pour concentrer le flux à travers les modules. Deux collerettes 6 adjacentes sont recouvertes extérieurement par un étrier annulaire 10, par exemple en cupro-aluminium. Deux étriers successifs en forme de U présentant des rebords supérieurs extérieurs, 10a et 10b, sont serrés l'un sur l'autre par des vis 11. Les étriers 12 d'extrémité présentent un profil particulier : un joint 13 possède un diamètre extérieur de dimension telle que la contrainte exercée sur chacun des modules thermoélectriques 8 par l'intermédiaire d'un étrier 10 lorsque ce dernier est soumis à une pression externe, par exemple celle due à l'immersion sous-marine, est indépendante de la valeur de cette pression. Ainsi, le générateur selon l'invention est adapté à un fonctionnement à grande profondeur sous-marine. L'ensemble forme alors un empilage disposé le long du conduit 2. Afin de maintenir longitudinalement cet empilage, on prévoit des barres de compression 14, par exemple au nombre de quatre (voir figure 2), venant s'appuyer par des moyens de serrage connus, aux quatre coins de pièces d'extrémité 15a, 15b. Celles-ci assurent ainsi la fermeture et l'étanchéité de l'empilage. L'une des pièces de fermeture d'extrémités, par exemple supérieure 1Sa sur la figure 1, est solidarisée, par soudage ou autre moyen, sur la paroi externe du conduit 2, tandis que l'autre pièce d'extrémité, par exemple 15b, est seulement bloquée en rotation sur la paroi externe du conduit 2, par exemple par un système de vis à coins pour que l'ensemble des barres de compression reste axial. Cette pièce 15b reste toutefois libre longitudinalement, de manière à éviter la déformation des barres de compression. Enfin, le générateur électrique constitué par le manchon ou l'empilage décrits plus haut est fixé sur le pipe ou conduit 2 par un système de bride 16, c'est-à-dire un raccord démontable situé du côté de la pièce d'extrémité 1 5b non solidarisée au conduit 2. Le circuit d'alimentation des équipements d'une tête de puits de forage est complété par les dispositions suivantes. En référence à la figure 4, le générateur thermoélectrique 1 est relié électriquement, par deux contacteurs 20 et 21, à une batterie 22, par exemple au plomb à électrolyte gélifié, l'hydrogène dégagé étant éliminé soit par catalyse, soit directement évacué dans l'eau de mer, logée en caisson étanche ou en équipression, aux bornes de laquelle on dispose un capteur de courant 23, pour alimenter un réseau 24. Le circuit comprend un régulateur 25 et un coffret de traitement 26 pour la commande des contacteurs. En fonctionnement normal, c'est à dire lorsque la puissance demandée est de l'ordre de 100 watts, le contacteur 20 est fermé et le contacteur 21 est ouvert Le générateur thermoélectrique 1 débite à l'entrée du régulateur 25 qui maintient la batterie 22 en floating sous tension constante, par exemple de l'ordre de 17,6 V. Ainsi le réseau est alimenté sous tension constante, ce qui limite la consommation d'énergie et assure une grande autonomie, jusqu'à 5 ans, sans entretien. Une puissance beaucoup plus importante sollicitée momentanément, 1000watts par exemple, implique la mise en oeuvre du régulateur et de la batterie. En cas de perte de puissance du générateur thermoélectrique, par exemple par suppression de la circulation de l'huile chaude dans le conduite 2, le contacteur 20 est ouvert et le contacteur 21 est lui aussi ouvert: seule la batterie reste opérationnelle. Au redémarrage de la source chaude, la batterie peut être rechargée par le régulateur ou par le générateur thermoélectrique suivant son niveau de décharge, en commandant judicieusement les contacteurs 20 et 21 par traitement des informations prenant en compte la valeur de la tension de sortie par l'intermédiaire du coffret de traitement 26. Dans la mesure où la puissance nominale demandée sur le réseau n'est pas consommée en continu, le générateur thermoélectrique produit le complément d'énergie pour charger la batterie d'accumulateurs pouvant fournir la puissance demandée. Les performances du générateur thermoélectrique ainsi décrit sont les suivantes : le fluide interne chaud est constitué d'huile circulant dans un pipe, d'un diamètre de 150 mm, à une température d'environ 60"C, à un débit d'environ 500 m3 par jour. Le fluide extérieur froid est de l'eau de mer à 4"C, circulant à une vitesse maximum de 1 m/s. On dispose 26 modules thermoélectriques sur chaque collerette (13 sur chaque face), et on empile 26 étages de collerettes en un manchon présentant une longueur de 1,7 m. On obtient ainsi une puissance de 170 watts, soit 100 watts par unité de longueur de manchon. Du fait de la protection cathodique et du choix du matériau (cuproaluminium) constituant les collerettes, le risque de corrosion est minimisé. L'entartrage externe peut etre évité par un revêtement de peinture. L'encrassement inteme peut etre supprimé par des moyens connus 17, placés sur la paroi inteme du conduit où circule le fluide intérieur, c'est-å-dire l'huile, pour à la fois perturber la vitesse d'écoulement et augmenter les échanges thermiques entre le fluide intérieur et cette paroi interne. Le générateur selon l'invention présente une grande compacité, ce qui permet de le loger facilement sur une tête de forage pétrolier. REVENDICATIONS 1 - Générateur électrique, du type comprenant des modules thermoélectriques (8) fixés et isolés électriquement entre les deux parois d'un conduit (2) séparant un fluide intérieur (4) en mouvement et un fluide extérieur (3) présentant une température différente de celle du fluide intérieur, caractérisé en ce que les modules thermoélectriques (8) sont positionnés de manière telle que leurs surfaces d'échange thermique sont approximativement perpendiculaires à la direction de l'écoulement (F) du fluide intérieur. 2 - Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les modules thermoélectriques (8) sont positionnés sur chacune des deux faces d'une collerette (6) appliquée radialement par serrage sur le conduit (2). 3 - Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un étrier annulaire (10) enserrant et isolant électriquement du fluide extérieur au moins une collerette et les modules thermoélectriques qui y sont positionnés. 4 - Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un empilage étanche de collerettes et d'étriers les enserrant, disposés le long du conduit. 5 - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'espace défini entre l'empilage étanche et les modules thermoélectriques est rempli d'un produit isolant (9) thermiquement et électriquement. 6 - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les étriers annulaires d'extrémité (12) de l'empilage étanche sont dimensionnés de manière telle que la contrainte exercée sur les modules thermoélectriques par l'intermédiaire des étriers disposés le long de l'empilage et soumis à une pression exteme, soit indépendante de la valeur de cette pression. 7 - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des barres de compression (14) disposées axialement à la périphérie des collerettes et sur lesquelles viennent s'appuyer deux pièces extrêmes (15a, 15b) de fermeture de l'empilage. 8 - Générateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'une des pièces de fermeture (15a) est solidarisée au conduit, L'autre (15b) étant au moins bloquée en rotation par rapport à celui-ci, de manière telle que les barres de compression (14) restent axiales. 9 - Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un raccord (16) démontable situé du côté de la pièce de fermeture non solidarisée au conduit. 10 - Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit comporte des moyens (17) d'augmentation d'échanges thermiques entre le fluide intérieur et la paroi interne du conduit. 1 1 - Application du générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes à l'alimentation électrique des équipements d'une tête de forage. 12 - Générateur électrique sous-marin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est couplé en parallèle à une batterie (22) résistant à la pression sous-marine, par un circuit comportant notamment deux contacteurs (20, 21), un régulateur (25) et un coffret de traitement (26).