Brevet FR2803883A1 — publié le 20010720

La présente invention concerne la conversion en énergie mécanique (principalement destinée à la production d'électricité) de la chaleur contenue dans le rayonnement solaire, utilisant comme fluide moteur, à grande échelle, de l'air chauffé dans des verrières et entraînant des montgolfières. 1. Principe de base En matière d'énergies d'origine solaire (outre l'énergie hydraulique), les pistes les plus explorées sont : la biomasse, l'énergie éolienne, le solaire photovoltaïque, les systèmes à focalisation sphérique ou cylindrique, les bassins solaires (en matière d'économies d'énergie, on note également un regain d'intérêt pour les dirigeables dans le domaine du fret aérien non urgent - ex : livraison de machines en des lieux difficilement accessibles. Ceci rejoint la présente invention à la fois pour cette fonction, et pour la maîtrise de grandes enveloppes de gaz plus légers que l'air). L'invention repose sur un autre principe, intermédiaire entre l'éolien et les bassins solaires, et visant comme eux à la production d'électricité. Le capteur d'énergie est, comme pour le solaire à eau, un corps noir exposé au soleil (sans focalisation, car il n'est pas néces saire de dépasser les l00 ), le fluide moteur est, comme pour l'éolien, l'air atmosphérique, et le phénomène permettant de passer de l'un à l'autre est la dilatation des gaz. Les turbines à air sont peu utilisées pour deux raisons : l'énergie que l'on peut stocker dans un m3 est faible (en particulier, on ne peut y inclure de la chaleur latente de vaporisation), et les mouvements que l'on peut lui imprimer sont trop rapidement freinés par la viscosité interne de l'air, notamment parce qu'une puissance significative peut diffici- lement être transmise en régime laminaire. Ces objections peuvent être levées si deux conditions sont .réunies : un très grand volume, et un piston dont la course est très longue. De grandes montgolfières (typiquement plusieurs hm3 à plusieurs dizaines d'hm', c'est-à-dire plusieurs milliers à dizaines de milliers de tonnes d'air, et une poussée de 1000 à 10 000 t), sont remplies d'air chauffé à près de 100 par passage dans une verrière tapissée de corps noirs d'une surface de l'ordre du km2 et bénéficiant de l'effet de serre des vitres. Le sas de sortie de l'air, d'un diamètre et d'une hauteur de l'ordre de 50 m, fonctionne sur le principe des cheminées solaires, de manière à aspirer l'air sans qu'il soit nécessaire de placer de nombreux ventilateurs. La course du piston est de l'ordre de plusieurs km, c'est-à-dire en fait l'épaisseur de la couche troposphérique "utile", où la pression atmosphérique n'est pas trop faible. Dans les cas les plus favorables, l'atmosphère est sèche (absence de nuages, par ailleurs utile pour avoir un bon ensoleillement) et en équilibre thermique vis-à-vis de la convection. Elle a alors une courbe de température en fonction de la pression, c'est-à-dire de l'altitude, qui respecte une loi de détente adiabatique, (voir plus loin : dimensionnement), issue de la for mule PVY = cte. Un ballon, correctement isolé, rempli d'air chaud puis gagnant rapidement des altitudes élevées, suit la même relation entre pression et température (P' ''.T"= cte). Le rapport de la densité interne à la densité externe reste donc constant, et la trac tion vers le haut peut se poursuivre en ne décroissant (compte tenu de l'accroissement de la masse de câble hissée par le ballon) que si la masse d'air contenue dans le ballon diminue. L'utilisation des différents facteurs (verrière, montgolfière) est en effet optimisée si dans un premier temps cette dernière est fermée et que son volume augmente librement, et que dans un second temps elle éjecte de l'air à volume constant. La force tractrice peut être égale ou supérieure (mais on perd l'équivalent à la redes- cente) à la poussée d'Archimède de l'air chaud emprisonné, dans la mesure où l'on com pense la tare par des ballons complémentaires, gonflés à l'hélium ou à l'hydrogène (avec ignifugation). Les enveloppes correspondantes doivent avoir une très bonne étanchéité. Leur forme est torique, avec un orifice central et une largeur limitée pour un vidage satisfaisant du ballon au sommet de sa course. Une production continue d'énergie électrique, et même une puissance constante (ou répondant parfaitement à la demande d'un réseau) est possible si différents ballons se relaient (éventuellement jour et nuit grâce au stockage de la chaleur diurne dans des réser voirs). Deux ou trois ballons peuvent être gonflés à partir de la même verrière, et plusieurs verrières donnent plus de souplesse à la gestion globale de la production. Chaque ballon est relié à une ou plusieurs machines à courant continu, fonctionnant en génératrices pour la montée et en moteurs pour la redescente. La conversion de ce courant continu en courant alternatif acceptable par le réseau peut être obtenue par l'intermédiaire d'un nouveau moteur à courant continu, puis d'un alternateur (entraîné par plusieurs de ces moteurs). Le cycle de chaque montgolfière est assimilable à deux portions d'adiabatiques réversibles, reliées par deux échanges de chaleur isobares. Le rendement théorique d'un tel cycle ne se calcule pas par référence au cycle de Carnot fonctionnant entre la température de l'air ambiant (pour la simplicité des calculs ultérieurs, on prendra, typiquement, 300 'K, c'est-à-dire 27 C, en moyenne sur 24 h) et l'air chauffé de la verrière (360 K, soit 87 C), car la source froide n'est pas l'air extérieur au sol, mais l'air de haute altitude dans lequel la montgolfière se vide, progressivement dans la deuxième moitié de sa course, puis totale ment une fois à son sommet. Le rendement est en fait proportionnel à l'altitude maximale atteinte, et dépend pour une part importante du pourcentage de la course qui se fait à volume croissant et masse constante. Pour une altitude maximale égale à 2/3 du zo de l'équation du gradient adiaba tique sec, soit 5760 m, et une course divisée en deux phases (quantité d'air constante puis volume constant) de même longueur, on obtient en théorie un rendement thermodynamique proche de 18 % (voir la partie dimensionnement). Un rendement final de l'ordre de la moitié de ce chiffre (compte tenu des pertes thermiques au moment du chauffage de l'air par le soleil) serait inférieur à ce qu'on obtient avec des cellules photovoltaïques ou les systèmes à focalisation cylindrique, mais, sur des sites où la surface au sol est loin d'être la ressource la plus rare, ce critère n'est pas essentiel. L'important est surtout d'obtenir le coût en capital du kWeie, le plus faible, et, objectif ulti me, un coût (amortissement du capital et coût de fonctionnement) compétitif avec celui des énergies fossiles, une fois leurs coûts externes correctement internalisés (taxe sur le COz). 2. Comparaison avec les techniques concurrentes Par rapport au photovoltaïque, l'avantage peut résider dans le fait que le m2 (et donc le km2) de verrière (avec ses fondations, sa structure, ses bassins d'eau pour le stockage de chaleur, et sa "peinture noire") et d'enveloppe de montgolfière (pour une taille suffisante, environ 1 m2 pour 3 m2 de verrière) coûte nettement moins cher que le m2 de silicium, monocristallin ou non, découpé en tranches fines et dopé. Il y a en fait complémentarité : le photovoltaïque, divisible à l'infini sans perte d'économies d'échelle, a son avenir dans la production autonome d'électricité dans des endroits difficilement connectables au réseau ; le système décrit ici est, par nature, une énergie centralisée. Les systèmes à focalisation des rayons solaires comportent deux variantes. La focalisation sphérique n'a pour but que d'obtenir des températures très élevées, pour des utilisations de haute technologie. La focalisation cylindrique permet de chauffer de l'eau pour la transformer en vapeur de pression assez élevée, bien adaptée à l'alimentation d'un couple turbine - alternateur. Leur coût au km' est cependant élevé, d'une part à cause de la nécessité de miroirs de bonne qualité, et du fait que l'on doit gérer des circulations de fluide dans environ 1 m de tuyauterie par mètre linéaire de miroir cylindrique, soit de l'ordre de 100 km de tuyau par km2. Ici, il y a simplement de grandes circulations d'air, stimulées par des cheminées solaires, ne nécessitant donc aucune intervention autre que des ouvertures de sas aux entrées des verrières et à leurs sorties (bouches de remplissage des montgol fières). Les "bassins solaires" ont la même logique (que la présente invention) de surface au sol importante, compensant l'obtention de chaleur à relativement basse température, et cherchant à obtenir un coût du kW installé plus faible que pour les systèmes à focalisation et haute température. Les échanges se font dans un bassin qui est l'équivalent de la verrière de l'invention. Mais celle-ci va au bout de sa logique, en abandonnant l'idée de faire travailler une turbine, c'est-à-dire un passage étroit et également limité longitudinalement, nécessitant des vitesses et des densités élevées peu compatibles avec l'utilisation de chaleur basse température. Les montgolfières remplacent en fait ces turbines. Enfin, par rapport à l'éolien, l'avantage serait une captation beaucoup plus systé matique de la puissance éolienne, à sa source même. De plus, les éoliennes fonctionnant surtout par temps agité, et le système proposé ici par temps ensoleillé et calme, il y a plus complémentarité que compétition entre ces deux modes de valorisation de l'énergie solaire. 3. Transformation de l'énergie radiative en chaleur Il n'est pas utilisé ici de technologies innovantes. La température de 87 C (augmentation de 60 par rapport à la température ambiante) prise comme hypothèse est cohérente avec le fait que la température d'équilibre d'une surface noire avec une faible réémission dans l'infrarouge (effet de serre plus éven tuellement traitement de surface adéquat) peut atteindre 200 C. Le principe recherché ici est l'utilisation de matériaux les moins sophistiqués et donc les moins chers possibles : verrière métallique sur fondations standard, "radiateurs" au sens électrotechnique du terme, réservoirs d'accumulation de chaleur pour fonctionnement 24 h/24, remplis d'eau ou constitués de roches, prise d'air avec dépoussiéreurs simples, etc. L'augmentation de la température de l'air et donc du rendement peut se faire : en uti lisant des doubles vitrages (ce qui a pour inconvénient d'augmenter les pertes par réflexion) en luttant contre ces pertes en utilisant des vitres inclinées (fixes) ou orientables (mobiles) vers le sud (pour l'hémisphère nord), et/ou orientables par rapport à la direction est-ouest, et/ou traitées antireflet sur une ou plusieurs de leurs surfaces ; en améliorant la non-réémis- sion dans l'infrarouge des capteurs ; en utilisant du verre plus épais, dans un but de meilleu re isolation thermique, que ce qui est strictement nécessaire d'un point de vue mécanique. Ces améliorations seront plus utiles si l'air rejoint la montgolfière en deux temps un préchauffage dans une verrière normale, puis un deuxième chauffage, avec une tempéra ture d'équilibre plus élevée, dans une verrière améliorée. Par ailleurs, si le coût (amortissement de l'investissement et coût de fonctionnement confondus) des verrières s'avérait important par rapport à celui des montgolfières, on peut éviter les rejets dans l'atmosphère ambiante d'air déjà un peu chauffé (inévitables, en raison de la dilatation de l'air, dans un système à une seule montgolfière), en s'arrangeant pour qu'il y ait toujours ou presque toujours une montgolfière dans laquelle puisse se déverser cet excès d'air résultant de la dilatation. Ceci est possible en installant, sur la même verrière chauffante, deux ou trois montgolfières se relayant de manière à ce que la durée d'une montée coïncide avec le chauffage d'une couche d'air. Bien que la redescente rapide permette d'éviter qu'il y ait deux montgolfières en même temps à des altitudes supérieures à environ 2000 m, on peut, pour supprimer tout risque que leurs câbles s'embrouillent, ne pas utiliser une verrière de forme massive, mais la constituer en deux ou trois unités reliées par un ou trois vastes couloirs (eux aussi capteurs de chaleur de manière à ce que leur coût ne soit pas un coût supplémen taire improductif) permettant des courants d'air égalisateurs de pressions. On verra dans la partie dimensionnement qu'une telle utilisation plus fréquente de l'air chaud produit par la verrière permet également d'en réduire le volume, c'est-à-dire la "hauteur de plafond", ce qui peut être aussi générateur d'économies. 4. Remplissage en air chaud des montgolfières et démarrage Les montgolfières sont arrimées au sommet de "cheminées solaires", remplies d'air déjà chaud (par action directe des rayons du soleil, ou simplement parce que cet air résulte du dernier remplissage - pour l'amorçage du premier remplissage, il suffit de faire jouer la dilatation et de faire sortir l'air des zones chauffées environnantes par cette cheminée). La différence de densité qui en résulte génère, pour une hauteur de colonne d'air suffisante, une différence de pression qui crée un appel d'air des côtés de la verrière vers son centre, de manière à remplir la montgolfière en un temps comparable à celui de sa montée (de l'ordre d'une heure). Dans le cas où cette différence de pression serait insuf fisante, quelques ventilateurs d'appoint pourront entretenir le mouvement d'air nécessaire. Pour un système à deux ou trois unités et autant de cheminées d'envol, les sas latéraux d'entrée d'air et les circulations d'air au sein de la verrière peuvent être réglables, de manière à ralentir les arrivées de l'unité la plus proche, et à accélérer celles des arrivées les plus lointaines, pour que chaque montgolfière, quel que soit son lieu de départ, se remplisse de la quasi-totalité de l'air de la verrière. Pour le démarrage de la montgolfière, il ne semble pas y avoir de grand inconvé nient à la laisser partir en relâchant en même temps toutes les liaisons mécaniques qui la tenaient attachée à la cheminée, son accélération étant simplement égale à celle de la pe santeur, multipliée par l'écart relatif de densités (1/6), soit 1,65 m/s2. Dans le cas contraire, on pourrait envisager de mettre préalablement en tension les câbles à l'aide des machines électriques. L'ouverture et la fermeture du sommet de la cheminée peuvent se faire par rotation d'un système constitué de plusieurs secteurs angulaires, venant en coïncidence (ouverture) ou en complémentarité (fermeture) d'un ensemble identique, mais fixe. La conservation de la chaleur dans le ballon doit être étudiée. On peut lutter contre les pertes par convection et conduction en suspendant au "plafond" du ballon des toiles très légères qui se comportent comme des "pelures" supplémentaires à proximité de l'envelop pe, en haut comme en bas. Si l'air s'avère un émetteur important dans l'infrarouge, les pe lures pourront être conçues pour arrêter ce rayonnement, et le ballon pourra être recouvert intérieurement d'un matériau réfléchissant dans la même gamme de longueur d'onde. Ceci a également l'avantage de permettre, par photographie infrarouge, de localiser de l'extérieur une fuite d'air chaud. On peut se demander si l'ascension de la montgolfière vers des altitudes élevées pourrait poser des problèmes de givre, susceptible par exemple de bloquer les dispositifs d'ouverture ou de fermeture de la base et du sommet du ballon. II pourra être nécessaire de prévoir un réchauffage de ces mécanismes. Par ailleurs, ces importants mouvements de fluides parfois assez chauds et parfois nettement plus froids suggèrent qu'il y aurait un intérêt économique, dans les zones de déserts côtiers, à coupler la production d'électricité avec le dessalement d'eau de mer, ce qui est développé au point 9. 5. Transformation de la puissance de traction en puissance électrique Le ballon transmet sa force par l'intermédiaire d'un câble qui doit être isolant afin de ne pas jouer le rôle de paratonnerre, pas trop lourd afin de ne pas faire rapidement chuter le rendement de l'installation, et de préférence hydrophobe. La force ascensionnelle du ballon est constante tant qu'il n'est pas à son volume maximum et qu'il peut donc, parallèlement à la diminution de pression, se dilater en gardant une quantité d'air constante. La force décroît ensuite proportionnellement à la masse d'air qui reste contenue dans le ballon. On peut alors souhaiter, soit une puissance électrique constante, ce qui nécessite que la vitesse augmente avec l'altitude dans la seconde partie de la course, soit une vitesse constante, la puissance diminuant alors. (Dans la pratique, pour une optimisation avec de nombreuses verrières fonctionnant en parallèle, les grandes phases de régimes de puissances différents pourront être moyennées à l'aide de déphasages entre ces verrières, et la vitesse de chaque ballon pourra être à peu près constante, permettant aux diverses machines de travailler, notamment dans la première moitié de la montée, dans des condi tions proches des valeurs nominales ; par contre, des ajustements de détail de la puissance pourront être obtenus par l'intermédiaire des vitesses, comme décrit au point 7). A ces contraintes s'ajoutent celles liées au fait que le déroulement du câble sur un tambour se fait avec un rayon qui diminue au cours de la montée, augmentant encore la vitesse de rotation de l'arbre. L'ensemble de ces données, ainsi que le fait que la même machine doit pouvoir ramener le ballon en luttant contre la poussée d'Archimède des poches d'hydrogène ou d'hélium (assurant ainsi, grâce à la tension des câbles, un bon guidage vers la verticale de la cheminée solaire), imposent le recours à une génératrice à courant continu, éventuellement reliée ensuite à un moteur à courant continu qui entraînerait (avec une centralisation de la puissance de plusieurs ballons) un alternateur à la rotation parfaitement synchronisée au réseau. La longueur du câble tracteur, de 5 à 6 km, sa tension, de près de 20 MNewton, et son épaisseur non négligeable, nécessitent d'examiner son enroulement sur un tambour. La question de savoir quel axe peut supporter de tels efforts, se résout par une absence d'axe. Partant du principe que, s'il y avait un axe, il serait nécessairement monté sur roulement à billes (cylindriques), et que ces roulements devraient être les plus gros possibles pour résister aux forces appliquées, il suffit de leur donner la taille du tambour lui-même ; l'axe devient dès lors inutile. Ne reste que le tambour, qui constitue un rotor cylindrique évo luant à l'intérieur d'un stator avec lequel le seul contact est constitué par ces billes situées à la circonférence de ses bases. Ces contacts ne sont possibles qu'aux deux extrémités du tambour, ce qui exclut, pour des raisons mécaniques, que ce tambour soit trop large. Son rayon ne peut par ailleurs pas être gigantesque. L'enroulement se fait donc nécessairement sur un assez grand nombre de couches, et donc avec une épaisseur cumulée non négligeable, et un rayon d'enroulement assez variable, inconvénient qui s'ajoute, comme on l'a vu à la page précédente, à la diminution de la force en fin de course. Certes, l'utilisation d'une machine à courant continu permet de compenser cet effet en variant l'excitation, mais si on le fait sur une trop grande plage, on s'éloigne trop du point de fonctionnement nominal. Pour résoudre ce problème, on peut utiliser non pas un seul câble, mais une dou zaine, chacun relié à un faisceau de l'enveloppe du ballon à une extrémité, et à un tambour d'enroulement à l'autre. De manière à ce que les tambours puissent être connectés mécani quement (alimentation d'une ou deux machines électriques seulement) tout en permettant le contrôle de chaque câble, il faut que les enroulements se fassent de manière parfaitement coordonnée (passage de la lè' couche à la 21me, de la 2éme à la 3éme, etc...). Des empreintes des câbles peuvent, dans ce but, être préformées sur les tambours. Des asservissements peuvent contrôler la longueur de ces câbles en les faisant passer, à l'intérieur de la bouche de sortie de l'air, dans des poulies que l'on pourra déplacer dans un plan horizontal - d'une part un cadre relativement réduit contenant autant de poulies que de câbles, peut être commandé selon deux axes (même principe qu'une table traçante en XY ou qu'un pont roulant). L'écart de la montgolfière par rapport à la verticale étant mesuré (ou même calculé, ce qui permet d'intégrer l'action des vents pendant la course restant à effectuer), le cadre est déplacé dans le sens inverse, de manière à réduire cet écart, et à faciliter le positionnement exact de la montgolfière sur son support à son retour. - d'autre part, à un niveau horizontal situé en-dessous du précédent, le contrôle de la tension et de la longueur de chaque câble permet de détecter des anomalies, par rapport à ses voisins immédiats (indice d'une déformation de l'enveloppe du ballon, due par exemple à une déchirure), et par rapport au côté opposé (problème d'horizontalité de la bague de base du ballon, qui peut être corrigé par des tractions horizontales différentielles sur les câbles concernés). 6. Retour des montgolfières et arrimage Le dégonflage complet du ballon se fait par le haut (l'air intérieur restant plus léger que l'air extérieur), par exemple par un système identique à celui qui permet l'ouverture ou la fermeture du sommet de la cheminée solaire. L'énergie nécessaire (y compris pour un éventuel dégivrage) provient de quelques batteries alimentées par des cellules photovolta ïques. Il faut par ailleurs refermer la base de la montgolfière de manière à ce que, pendant la redescente, elle ne se remplisse pas de l'air froid situé en dessous d'elle. Si la montgolfière dégonflée redescend sous l'effet de son propre poids, rien ne per met de la ramener à son point de départ exact. Il faut donc qu'elle reste un peu plus légère que l'air, grâce à un peu plus d'hélium ou d'hydrogène que ce qui est nécessaire pour com penser le poids exact de la tare, de façon à ce que la génératrice, fonctionnant en moteur (à une puissance 10 ou 20 fois inférieure), puisse la tirer dans la bonne direction. Pour que la redescente se fasse dans de bonnes conditions, il faut que la tension des câbles soit d'autant plus grande que le vent est fort. Cependant, il n'est pas nécessaire que l'excès de gaz légers soit calculé pour des valeurs de vents qui ne sont que rarement attein tes, car il est également possible, dans ces cas, d'obtenir une tension élevée en ne vidant pas complètement la montgolfière de son air chaud une fois l'ascension terminée. Comme on l'a vu plus haut, on peut agir, par un ensemble de poulies, pour renforcer la composante horizontale de la traction des câbles opposée à l'écart de la montgolfière par rapport à la verticale, et faciliter son prépositionnement au moment de son retour. Pour les derniers mètres, une attraction ferromagnétique permet le positionnement exact de l'anneau situé à la base de la montgolfière, sur un anneau équivalent situé au sommet de la cheminée solaire de remplissage. Cette action doit être relayée par des fixations plus conventionnel les, car au cours du remplissage du ballon, une force ascensionnelle de plus en plus forte se développe. La redescente peut se faire, vu la moindre résistance de l'air, à une vitesse quatre à cinq fois plus grande que la montée (grâce à un changement de vitesse mécanique, type marche arrière, entre les tambours et la machine à courant continu), de manière à ce qu'au cune montgolfière voisine, en cours d'ascension, ne se trouve à une hauteur importante en même temps que celle qui redescend, éliminant ainsi tout risque d'embrouillage des câbles même en cas de sautes de vent imprévues. 7. Gestion globale des puissances, des vitesses et des durées de cycles La plupart des technologies utilisées sont assez rustiques, mais des moyens modernes doivent également être utilisés. Les ballons doivent communiquer avec la base pour transmettre des informations sur leur état, leur orientation, le vent, etc. Il doivent aussi en recevoir pour commencer et arrêter de se vider au bon moment. Ces communications se font par radio, les câbles étant nécessairement des isolants électriques. Sur un "champ" de production d'énergie solaire, on peut naturellement construire plusieurs verrières, permettant d'assurer une puissance électrique ininterrompue, et quasi- constante. La gestion de l'ensemble de ces verrières a naturellement vocation à être automa tisée, la correction des aléas résultant des mécanismes d'asservissement, et la performance technique et économique de l'ensemble devant être optimisée par des calculs informatiques adéquats. Derrière les machines qui fonctionnent en génératrices pendant la montée des bal lons et en moteurs pour les faire redescendre, on place d'autres machines à courant continu, fonctionnant en moteurs, puis un ou des alternateurs. Le fait d'avoir dans la chaîne électro mécanique deux machines à courant continu permet deux réglages par l'excitation du rotor, donc une commande facile de la vitesse de montée des ballons, qui puisse se faire de façon totalement indépendante des variables électromécaniques de l'alternateur final. Cependant, l'inertie du fluide moteur en train de travailler et du "piston", c'est-à- dire, ici, du contenu du ballon et de son enveloppe, est beaucoup plus grande que pour une turbine normale. Or, la force ascensionnelle du ballon n'étant pas modulable à court terme, l'adaptation de la puissance fournie à une augmentation de la puissance appelée passe nécessairement par une augmentation de sa vitesse. Pour ce faire, il faut dans un premier temps laisser le ballon accélérer, c'est-à-dire lui demander de produire moins de force, et donc moins de puissance dans l'immédiat. Avec un rapport F/m de 1,65 m/sz et une vitesse de 1,6 m/s, pour augmenter la puissance de 5 % en 1s, il faut accepter de produire 5 % de force en moins pendant ce temps ; donc, pour gagner 1 MW en 1s, il faudrait avoir 1,5 MJ en réserve. Les réserves de puissance les plus massives utilisent le stockage irréversible d'éner gie chimique. On pourrait éventuellement faire appel à des turbines à gaz si elles sont capables d'accélérer très rapidement pour s'adapter à la pointe de demande. Mais on peut également alimenter de gros électrolyseurs (alumine, chlorure de sodium fondu, eau). Un prélèvement sur cette réserve, sous forme d'une réduction de l'intensité continue dédiée à ces électrolyseurs, permet de fournir immédiatement la puissance transitoire nécessaire à une réaction efficace du système de montgolfières. Ces difficultés correspondent uniquement à des problèmes résultant de variations brusques de la puissance extérieure appelée. En ce qui concerne la compensation de puissance entre différentes unités d'un même ensemble, les systèmes de commandes et d'asservissement doivent comprendre des fonctions d'anticipation des changements de régime (utilisation des machines en moteurs pour ramener le ballon vers le bas ; éventuelle mise en tension, démarrage et fin de la course ascensionnelle ; passage du régime à volume croissant et force constante, au régime à volume constant et force décroissante). L'adaptation à une pointe de puissance appelée sur une échelle de temps de quel ques heures et non plus de quelques secondes peut se faire par une augmentation de toutes les vitesses et un raccourcissement de tous les cycles - le système consomme alors plus que prévu (ou stocke moins) la chaleur accumulée dans les réservoirs d'eau, en attendant l'effet inverse à un autre moment de la journée ou de la semaine. Pour des variations plus durables, il n'y a pas d'autre solution que de faire appel à d'autres sources d'énergie ou de construire des unités supplémentaires. 8. Analyse de la montée des montgolfières et dimensionnement La densité de l'air au sol est de ((29 g/mol) /(22,41/mol)) # (273 /300) =1,I78 kg/m'. La formule du gradient adiabatique sec s'écrit : (1 - 2z/7z,,) = (P/Po)Z17 = T/To = (p/po)Z/5 (les coefficients 7/2, 2/7 ou 2/5 provenant du fait que l'air est considéré comme un gaz diatomique). zo est égale à la pression au sol divisée par la masse volumique au sol et l'accélération de la pesanteur, soit : zo k; I OSPa # 8640m. 1,178 kg/m' * 9,8I in/s2 Pour une altitude maximale égale à 2zo/3, divisée en une moitié à masse constante et une moitié à volume constant, on obtient un rendement thermodynamique de (2/7) # ((1/3)+(l9/21) - (1-(17/19)71z)), soit (1,25)/7, ou encore 17,86 %. Au total, pour une course utile de l'ordre de 5760 m en 1 h (+ 1 ou 2 h pour le retour et les manoeuvres de gonflage d'air chaud), on a une vitesse moyenne de 1,6 m/s par ballon. Connaissant la puissance solaire reçue par m2, on détermine la surface de capteurs à associer à de tels ballons, puis on optimise divers paramètres (une vitesse de montée élevée accroît la résistance de l'air extérieur mais réduit les fuites de chaleur, et permet l'utilisation plus fréquente de ballons qui peuvent donc être plus petits ... ). Une montgolfière de 10 hm' au départ (augmentant jusqu'à 12,84 hm' à 2880 m, puis restant constante) ne semble pas irréaliste : un an après la première montgolfière (1783) en avait été construite une de 23 000 m', qui s'est élevée de 1000 m. Il est vraisem blablement possible de gagner un facteur 10 dans toutes les directions en deux siècles. La puissance s'estime ainsi, pour une montgolfière de 10 hm3 : la densité de l'air à 300 K est de 1,178 kg/m' ; la diminution relative de densité de l'intérieur par rapport à l'extérieur, entre 300 et 360 K, est de 60 / 360 = 1/6 ; 1,178 /6 = 0,196 kg/m3 ; soit pour une montgolfière de 10 hm' : 1960 t, ou 19,2 MNewton. La montgolfière se dilate jusqu'à la moitié environ de la course, puis travaille à volume constant et en acceptant des sorties d'air pendant la deuxième partie, ce qui perd 6,25 % du rendement théorique global. Pour une vitesse de 1,6 m/s, on a donc une puissance de l'ordre de 19,2 # 1,6 # 0,9375 = 28,8 MW, à diviser par deux si on suppose que l'on a une seule montgolfière par verrière et qu'elle ne travaille qu'une heure sur deux, ce qui donne 14,4 MW. La surface de verrière nécessaire pour permettre à une montgolfière de fonctionner peut s'estimer ainsi : la puissance reçue, perpendiculairement, avec un bon ensoleillement, peut être prise égale à 0,9 kW/m2. En moyenne sur 12 heures, compte tenu de l'inclinaison du soleil, il reste 0,4 kW/m2 ; sur 24 h : 0,2 kW/m2. Si on estime à 50 % l'ensemble des pertes thermiques (réflexion à l'entrée, réémission dans l'infrarouge, conduction du verre ou des isolants thermiques placés sous la verrière, etc.), il reste 0,1 kW/m2, ou 100 MW/km2. Le rendement thermodynamique de montgolfières montant à z13 avec une masse constante puis à 2zo/3 avec un volume constant, étant de 17,86 %, la puissance mécanique obtenue est de 17,86 MW/km2. La puissance envisagée plus haut (14,4 MW) avec une vitesse de 1,6 m/s nécessite donc une surface de capteurs de 14,4/17,86 = 0,81 km' (chiffre â majorer légèrement dans le cas où on relâche dans l'atmosphère une partie de l'air chauffé qui, à cause de la dilatation, ne peut rester dans la verrière tant que la montgolfière n'a pas été remise en place pour le récupérer). Comme celle de 100 MW /km2, la puissance de 14,4 MW est une moyenne sur 24 h. La puissance appelée étant plus faible la nuit, on pourra atteindre des valeurs de 16,8 MW et 12 MW avec des différences de température par rapport à l'extérieur de 70 et 50 (soit des températures réelles de l'air de plus de 110 et de moins de 60 , car il fait froid la nuit dans les déserts). Pour des écarts entre les puissances nocturnes et diurnes encore plus grands, il faudra augmenter la vitesse des montgolfières le jour et la diminuer la nuit. L'épaisseur de la couche d'air pouvant être chauffée de 27 à 87 C en une durée de d heures se détermine à l'aide de la capacité calorifique à pression constante : Cp = 7/2 nR ; Cp/n = 7/2 R = 7/2 # 8,32 J/ .mol = 29,12 J/ .mol. Pour ramener à un m3 à 27 C, on divise par (22,4-300/273) = 24,6 1, soit : 29,12 JI = 24,6 1= 1,183 kJ/ .m3. Connaissant la puis sance reçue déjà calculée plus haut : 0,1 kW/m2 en moyenne sur 24 h, ainsi que la durée d'un chauffage (égale au double de celle d'une ascension) : d heures, on reçoit, par m2, l'énergie moyenne : d - 3600 s - 0,1 kW = d - 360 kJ/m2. Pour augmenter de 60' la tempé rature de l'air ambiant, il faut que son épaisseur soit de e = d - 360 J/m2 / (60' - 1,183.103 J/ .m3) = d - 6 / 1,183 = 5,1 d, en mètres. II s'agit de l'épaisseur d'air à 27 C (Vmo, = 24,6 1). Si on veut vérifier que le volume de la montgolfière au départ est bien de 10 hm3, il faut tenir compte de la dilatation, puis qu'elle part avec de l'air à 87 , et on a un volume de : 0,81 km2 - (360 l 300) # 5,1d = 5 d, l'unité étant des km2.m, c'est-à-dire des hm3. Avec d = 2, on trouve bien 10 hm'. La formule e = 5,1d montre qu'il faut arbitrer entre la vitesse de montée (trop rapi de, elle rend le pilotage mécanique plus délicat) et l'épaisseur de la verrière. Des valeurs raisonnables semblent : 10 m de haut, pour d = 2, soit 1 h de montée (d'où la vitesse moyenne de 1,6 m/s, ou 5,76 km/h), autant pour la descente, l'arrimage, le regonflage. On peut aussi éliminer le coefficient 2 qui affecte la durée de montée, en installant, sur la même verrière chauffante (de forme décrite plus haut), deux ou trois montgolfières se relayant de manière à ce que la durée d'une montée coïncide avec le chauffage d'une couche d'air. On peut alors avoir, à la fois, une hauteur de verrière limitée à 5 m et une vitesse de 1,6 m/s (la puissance est alors de 28,8 MW et la surface de 1,62 km2), ou 10 m et 0,8 m/s (la puissance reste de 14,4 MW et la surface de 0,81 km2), ou toutes valeurs de hauteur de verrière et de vitesse dont le produit vaut 8, la puissance et la surface variant, tant que l'on conserve un écart de température de 60 et un volume de départ des montgolfières de 10 hm', proportionnellement à la vitesse. On sait également (Cf. supra) que cette variante permet d'éviter de laisser échapper de l'air au fur et à mesure de sa dilatation, car, avec un espace unique et trois montgolfières, il y en a toujours une au sol que l'on peut commencer à gonfler, sous le seul effet de la dilatation (avant de terminer le gonflage avec tout l'air présent dans la verrière, en le remplaçant par de l'air frais). Les calculs ci-dessus supposent, comme on l'a vu en vérification, que l'on vide tout l'air de la verrière en une seule fois dans le ballon, ce qui permet de limiter la hauteur de verrière. Cependant, à proximité des cheminées solaires d'envol des montgolfières, ou dans les couloirs reliant plusieurs unités au sein d'une même verrière, il est préférable d'avoir des hauteurs plus grandes, car le flux d'air en mouvement se concentre sur une largeur plus faible. On peut donc avoir un volume d'air de la verrière légèrement supérieur à celui du ballon ; l'air déjà chauffé mais en excédent restera "sur le quai", dans ces mêmes zones situées à proximité de la tour de remplissage ou dans les couloirs reliant plusieurs unités. Comme discuté page 4, il serait donc tout indiqué d'avoir à ces endroits des verrières de meilleure qualité thermique. Or, la hauteur de verrière optimale est justement proportionnelle à la quantité de chaleur par m2 captée par le système. Tout se combine donc favorablement puisque, partant de l'idée qu'il faudrait à ces endroits une hauteur plus élevée, on retrouve la même conclusion à la fin. 9. Association de la fonction de production d'électricité et de la fonction de dessalement d'eau de mer Les conditions technico-économiques d'application de la présente invention (zones situées à une distance moyenne de villes assez peuplées, au climat stable et ensoleillé, dans lesquelles le soleil est proche du zénith, et où la valeur du terrain nu est faible), sont remplies par un certain nombre de déserts côtiers. II est donc tout indiqué de chercher à associer la fonction de production d'électricité, décrite dans l'ensemble de ce qui précède, à la fonction de dessalement d'eau de mer. Ceci peut être réalisé de deux manières. Tout d'abord, on peut installer, à l'intérieur de la verrière, des serres solaires de distillation d'eau. Le toit de ces serres ne serait donc plus refroidi, en pure perte, par l'air extérieur, mais par de l'air en mouvement, en phase de préchauffage, et destiné à voir sa température encore augmenter dans des parties plus centrales de la verrière, pour être fina lement utilisé dans les montgolfières. Une option beaucoup plus ambitieuse consiste à évaporer l'eau salée dans la verrière elle-même, de manière à remplir les montgolfières d'air fortement chargé en humidité. Les avantages sont les suivants - la vapeur d'eau est nettement plus légère que l'air (masse molaire 18 contre 29) ; - arrivée à une altitude où le refroidissement conduit à la condensation de l'eau, la montgolfière se transforme en nuage, mais dont les circulations d'air sont bloquées à la base et au sommet (ce qui évite la formation d'un trop grand champ électrostatique par friction de l'air sur les gouttes d'eau, et donc les éclairs). Le moteur de ces circulations, à savoir le fait que cette condensation libère de la chaleur latente de vaporisation et que la diminution de la température avec l'altitude est plus lente que sur la courbe du gradient a diabatique sec, est donc capté par la montgolfière. Celle-ci peut alors repartir de plus belle, avec moins de gaz mais un différentiel de température par rapport à l'extérieur plus fort ; - le fait que la montgolfière contienne alors moins de gaz résout le problème de la limitation de son volume, et évite de perdre des Joules en libérant prématurément du gaz chaud dans l'atmosphère ; - une très forte saturation en eau permet de faire pleuvoir le nuage formé dans la montgolfière. L'énergie potentielle gravitationnelle de cette pluie peut aussi être récupérée, en gonflant les ballons auxiliaires d'une quantité d'hydrogène ou d'hélium supplémentaire, dont la poussée d'Archimède compense le poids de l'eau recueillie. Cette compensation joue lors de la partie de la montée qui a lieu après la condensation, et lors de la descente, mais pas lors de la première partie de la montée. On a donc, sur ce trajet, d'une longueur égale à l'altitude à laquelle a lieu la condensation, une force ascensionnelle égale au poids de cette eau, et donc une production d'énergie égale à son énergie potentielle gravitationnelle. Ceci consiste en fait, après avoir créé de l'énergie éolienne artificielle, à faire de même en matière d'énergie hydroélectrique, en passant outre à l'objection mentionnée en introduction, selon laquelle on ne peut stocker dans l'air de la chaleur latente de change ment d'état. L'ensemble des avantages ci-dessus permet d'augmenter considérablement la puissance que l'on peut produire avec une montgolfière ou de diminuer sa taille à puissance constante. Par contre, le rendement thermodynamique impose une limite à la puissance totale produite, et, pour une taille de ballons inchangée, l'évaporation nécessite une surface de verrière plus grande, (dans tous les cas, on peut prendre une hauteur de verrière plus faible, ou faire progresser l'air vers le ballon en plusieurs phases de chauffage et d'enrichissement en vapeur d'eau). La production d'eau douce en complément de la production d'électricité compense cet inconvénient d'une surface plus grande. Cette eau, correctement refroidie lors de son passage à haute altitude, peut même alimenter un réseau de climatisation à eau glacée, notamment pour la salle des machines, les bureaux de contrôle, etc. 10. Stockage de la chaleur et isolation thermique du sol Ce qui précède permet de donner plus de souplesse à la satisfaction des besoins diurnes / nocturnes et par beau temps / mauvais temps : l'utilisation d'air humide et la pro duction d'eau douce, qui nécessitent un plus grand échauffement des verrières, peuvent être limitées aux conditions de meilleur ensoleillement. Le stockage de la chaleur reste cependant nécessaire afin de permettre la continuité de la production d'électricité. Bien que ne soit pas la seule possible, le stockage dans le sol est une option intéressante. La question se pose cependant de savoir si la conductibilité thermique du sol est suffisante. Or, pour obtenir le meilleur rendement, on est également conduit à se poser la question inverse : cette conductibilité n'est-elle pas trop forte et ne va t-on pas avoir des pertes thermiques importantes par le bas ? En réalité, la surfaces des verrières (N.B. - pas celle des couloirs de liaison entre unités différentes d'une même verrière) est telle que, jusqu'à plusieurs dizaines de mètres, le réchauffement du sol par conduction ne se traduit pas par une fuite vers le milieu exté rieur. Il doit donc être considéré comme un stockage de chaleur à très long terme (équilibré en fin de compte par le flux de chaleur géothermique), et non pas comme une perte. Il sera donc plus économique de ne pas prévoir d'isolation horizontale sous la verrière, mais tout au plus une jupe circulaire isolante à son pourtour, d'une dizaine de mètres vers le bas, stoppant les fuites latérales. 11. Choix du site d'implantation Le point n 9 montre qu'il est préférable que l'on aie à l'intérieur de la montgolfière une décroissance de la température avec l'altitude moins rapide que le gradient adiabatique sec, et que cette dernière loi s'applique à l'extérieur, ce qui crée une différence relative de masse volumique entre l'intérieur et l'extérieur qui augmente avec l'altitude. A l'inverse, la situation est la plus défavorable si l'air extérieur ne respecte pas cette loi, et si l'on renonce à créer une condensation à l'intérieur. Il faut donc chercher à implanter les verrières dans les régions où l'air est sec et où il existe régulièrement des mouvements d'air ayant une composante verticale non nulle. La circulation atmosphérique étant organisée en cellules de convection, il est donc préférable d'être à la limite de ces cellules, plutôt qu'au milieu, où les mouvements sont essentielle ment horizontaux (ce qui pose par ailleurs des problèmes de prise au vent des ballons et des difficultés à les faire revenir au-dessus de leur base de départ). Les zones correspondantes sont qualifiées de "calmes". Les zones les plus indiquées sont les "calmes subtropicaux", où l'on a à la fois de l'air sec, des besoins en eau douce, de la convection verticale, et peu de convection hori zontale. Leur seul inconvénient est d'être surmontés par des courants jets ("jet-streams") aux altitudes desquels il est exclu que des montgolfières puissent s'aventurer, ce qui est la raison pour laquelle l'altitude maximale a été limitée à 2zb/3. Les zones de mousson voient naturellement leurs potentialités réduites de près de moitié. Les régions les plus favorables sont donc les suivantes : sud de la Méditerranée, Moyen-Orient, Mexique, Australie, Afrique australe, cône sud de l'Amérique du Sud, peut- être certaines régions de Chine. Les "calmes équatoriaux" sont plus défavorables car l'air y est généralement plus humide (sauf, éventuellement, sur les côtes de la Somalie et de l'Equateur). Le développement de la présente invention peut être envisagé dans ces régions dans la logique économique suivante : il s'agit dans de nombreux cas de pays producteurs de combustibles fossiles. Leur utilisation devra rapidement, compte-tenu de l'effet de serre être fortement pénalisée (taxe sur le C02, ou tout mécanisme équivalent : permis à polluer échangeable, etc.). L'existence d'une ressource de substitution bien adaptée à ces pays pour rait rendre cette évolution, indispensable mais encore sujette à de difficiles négociations internationales, plus facilement acceptable (l'exportation de cette énergie pourra être facili tée par le développement des piles â combustible, CE le dossier dans "Pour la science" de septembre 1999). Cette invention pourrait donc bénéficier de soutiens de la part de la puissance publique. REVENDICATIONS 1) Dispositif de production d'énergie mécanique ou d'électricité, d'origine solaire, caractérisé en ce que : le fluide moteur est l'air atmosphérique simplement chauffé par passage dans une verrière dont le sol est tapissé de corps noirs ; le "piston" est constitué de montgolfières dont la course peut s'étendre sur plusieurs km, utilisant ainsi la haute tropo sphère comme source froide. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tare des montgolfières est nulle ou négative grâce à l'utilisation de ballons auxiliaires gonflés par un gaz léger (hydrogène ou hélium). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le sas de sortie de la verrière fonctionne sur le principe des cheminées solaires, de manière à aspirer l'air sans qu'il soit nécessaire de placer de nombreux ventilateurs. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la verrière est reliée thermiquement avec des masses importantes (par exemple d'eau) permettant un stockage de la chaleur, et donc un fonctionnement à la fois diurne, par temps ensoleillé ou couvert, et nocturne. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs ballons peuvent être gonflés à partir de la même verrière, permettant qu'il y ait à tout instant ou presque à tout instant un ballon arrimé à la verrière, et que la dilata tion de l'air trouve dans ce ballon un exutoire. 6) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les sas latéraux d'entrée d'air et les circulations d'air au sein de la verrière sont réglables, de manière à ralentir les arrivées de l'unité la plus proche, et à accélérer celles des arrivées les plus lointaines, pour que chaque montgolfière, quel que soit son lieu de départ, se remplisse de la totalité ou de la quasi-totalité de l'air de la verrière. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'utilisation de procédés d'amélioration de la captation de la chaleur du rayonnement solaire est localisée de manière préférentielle dans les zones où l'air arrive après avoir circulé plus longtemps dans des parties plus externes de la verrière, et où, par ailleurs, il est nécessaire, pour des raisons d'écoulement de l'air, que la verrière ait une hauteur plus grande. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conservation de la chaleur dans le ballon pourra résulter d'une réduction des pertes par convection et conduction grâce à la suspension au "plafond" du ballon des toiles très légères qui se comportent comme des "pelures" supplémentaires à proximité de l'enve loppe, en haut comme en bas, et d'une réduction des pertes par rayonnement infrarouge grâce à l'opacité des mêmes pelures, ou à l'application à l'intérieur du ballon d'un matériau réfléchissant. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le meilleur rendement est obtenu par une course dont la première partie se fait avec une quantité d'air constante et un volume croissant, et la seconde partie avec un volume constant et une quantité d'air décroissante. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tambour d'enroulement du câble tracteur n'est pas fixé à l'installation par un axe, mais par deux roulements à billes, dont le rayon intérieur est égal au rayon extérieur du tambour. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enroulement du câble sur le tambour est amélioré par l'existence de plusieurs tambours et de plusieurs câbles, chacun pouvant relier un de ces tambours à un fuseau de la montgolfière. 12) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, pour que les enroulements se fassent de manière parfaitement coordonnée, et qu'ainsi les tambours puissent être connectés mécaniquement tout en permettant le contrôle de chaque câble, les empreintes des câbles sont préformées sur les tambours. 13) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par des mécanismes de contrôle et de correction de l'horizontalité de la base du ballon et de la tension de chaque câble par rapport à ses voisins immédiats. 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le prépositionnement de la montgolfière par rapport à son support dans l'optique de son retour peut être facilité par une action horizontale sur le ou les câbles, en sens inverse de l'écart de la montgolfière par rapport à la verticale. 15) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour les derniers mètres, une attraction ferromagnétique permet le positionnement exact de l'anneau situé à la base de la montgolfière, sur un anneau équivalent situé au sommet de la cheminée solaire de remplissage. 16) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans la phase transitoire où la puissance appelée augmente (mutatis mutandis, diminue) brusquement et où une correction consistant à laisser les montgolfières accélérer pour augmenter la puissance produite aurait dans un premier temps l'effet inverse, la puissance nécessaire est prélevée sur la consommation de gros électrolyseurs utilisant, concurremment au réseau, l'énergie produite. 17) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air entrant dans la verrière a pu être préchauffé par contact avec le toit d'une serre solaire à distillation d'eau. 18) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes (sous réserve d'adaptations du contenu de la revendication n 8), caractérisé en ce que l'air de la verrière puis de la montgolfière peut être chargé en humidité provenant de l'évaporation d'eau salée, de manière à réduire dans un premier temps la masse molaire moyenne du mélange de gaz de la montgolfière, puis à obtenir une condensation à l'intérieur de la montgolfière, permet tant tout à la fois de récupérer de l'eau dessalée et riche en énergie potentielle gravitation nelle, d'augmenter l'écart relatif de température entre l'air intérieur et l'air extérieur en récupérant la chaleur latente de vaporisation, et de résoudre le dilemme de l'augmentation de la taille maximale de la montgolfière ou de la perte de gaz chauds. 19) Dispositif selon la revendication précédente et la revendication n 3, caractérisé en ce que la valorisation de l'énergie potentielle gravitationnelle résulte d'une plus grande quantité d'hydrogène ou d'hélium dans les ballons auxiliaires, intégralement compensée, lors de la partie de la montée qui a lieu après la condensation et lors de descente, par le poids de l'eau condensée, mais non compensée lors de la première partie de la montée, ce qui se traduit par une force ascensionnelle supplémentaire équivalant au poids de cette eau, sur une distance égale à l'altitude à laquelle a lieu la condensation. 20) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'isolation thermique vers le sol pourra, sans inconvénient majeur, être réduite à une jupe circulaire isolante au pourtour de la verrière, d'une dizaine de mètres vers le bas, stoppant les fuites latérales, dispensant d'une isolation horizontale sous la verrière, puisque les flux de chaleur dans cette direction peuvent être considérées comme du stockage à long terme plutôt que comme des pertes.