Brevet FR2809774A1 — publié le 20011207

I. PRINCIPES GENERAUX La présente invention a pour objectif de participer à la lutte contre l'effet de serre. Elle décrit, à titre principal, un nouveau mode de production d'électricité d'origine solaire. Accessoirement, elle peut également contribuer à l'efficacité énergétique de modes de pro duction d'électricité existants (centrales thermiques ou nucléaires), ainsi qu'à la valorisation sous forme électrique d'autres énergies disponibles sous relativement basse température, telles que l'énergie géothermique. I. PRINCIPES GÉNÉRAUX 1. Description générale des principes utilisés 2 2. Principes relatifs au fluide moteur 2 3. Production de l'eau chaude utilisée 3 4. Autre de mode de production d'énergie solaire 4 5. Rendement thermodynamique et économique 4 6. Comparaison avec les techniques concurrentes 4 II. ORIGINE DE LA CHALEUR A. Utilisation de bassins solaires 6 1. Collecte de l'eau chaude à l'aide de tuyaux balayant des secteurs angulaires 7 2. Récolte de l'eau du fond du bassin par lente migration d'un bord à l'autre 9 B. Autres sources de chaleur disponibles sous forme de liquide caloporteur 10 C. Production et transport d'air chaud, éventuellement humide, à pression atmosphérique 11 III.PRODUCTION DE PUISSANCE MOTRICE 12 A. Utilisation d'un gaz, fluide moteur, en cycle fermé 12 1. Description du cycle 13 2. Calcul et maximisation de la puissance motrice disponible 15 3. Principes d'optimisation économique 16 B. Usine à pistons 19 1. Description du dispositif 1 9 2. Stabilisation de la puissance produite et alimentation d'un alternateur réseau 21 a) Comportement du système non asservi 22 b) Type de variable à affecter à l'excitation de chaque machine 23 c) Amélioration de l'asservissement par anticipation des besoins en puissance 25 d) Description du dispositif obtenu (Cf. fig. 3) 26 3. Démultiplication et minimisation des spécifications relatives aux engrenages 27 4. Variante avec bielles excentrées par rapport à l'axe de la manivelle 29 C. Usine à turbines 34 REVENDICATIONS 39 1. Description générale des principes utilisés 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. On distingue principalement les utilisations sous forme de chauffage et de production d'électricité, et, dans ce dernier cas, celles dont l'avantage économique apparaît principalement dans les zones isolées, et celles qui peuvent contribuer à l'alimentation d'un réseau général. La présente invention se situe dans cette dernière perspective. Elle est également compatible avec la valorisation de la chaleur contenue dans les gisements géothermiques (même quand leur température n'est pas aussi élevée que dans les sites associés à une activité volcanique) ou dans les rejets de chaleur des centrales électriques classiques (à combustion ou nucléaires). L'invention porte principalement, d'une part sur la valorisation sous forme électri que d'une partie de la chaleur présente sous relativement basse température dans de grandes masses d'eau, et d'autre part sur l'adaptation de la technique des bassins solaires à ce procédé. 2. Principes relatifs au fluide moteur Elle se caractérise, en ce qui concerne le premier point ci-dessus, par - la recherche d'une grande efficacité dans les échanges thermiques entre les fluides caloporteurs (l'eau, source froide et source chaude) et le fluide moteur, constitué d'une grande quantité (de l'ordre de 105 m3) de gaz non soluble dans l'eau (air, azote, méthane, tétrachlorométhane, etc.), ces échanges se faisant par contact direct entre les gouttelettes d'eau (générées par des sortes de douches) et le gaz ; - l'utilisation, à titre principal, de la loi des gaz parfaits (augmentation de pression proportionnelle à la température par chauffage à volume constant, loi de détente adiaba tique) ; - l'acceptation de processus relativement lents, cette lenteur étant compensée par de grandes dimensions, génératrices d'économies d'échelle, de manière que la puissance élec trique produite soit, au total, forte ; - la prise en compte de ce que, faute de faire jouer un rôle important à l'inertie ou au frottement des gaz, cette lenteur implique que, dans un milieu non délimité, la loi des gaz parfaits ne peut se traduire que par une dilatation, l'augmentation de pression étant négli geable. L'utilisation d'une turbine en processus continu (dans un circuit d'air fixe), c'est-à- dire un dispositif apparenté à celui des turbines à gaz classiques, est donc impossible, ce qui conduit à inclure dans le cycle thermodynamique des phases d'échange de chaleur à volume constant (espace bien délimité), et donc, soit à utiliser des turbines en régime dis continu, soit à utiliser des pistons ; - le fait que, de même que le piston, le principe de la bielle et de la manivelle peut être transposé à une grande échelle et à de faibles vitesses, pour autant que l'on utilise un système bien adapté de démultiplication des mouvements de rotation. En ce qui concerne la turbine, son principe devrait être comparable à celui des turbines à vapeur, mais avec des pressions plus faibles (on ne travaille pas ici avec un fluide dont la température d'ébullition sous pression atmosphérique est nettement plus faible que la température de la source chau de du système) et des débits plus élevés, donc des section plus larges. Le point commun est que l'on a ici aussi le maximum de pression en amont de la turbine et non en son milieu, contrairement aux turbines à gaz ; - le fait que, comme dans les moteurs dits "à explosion", on peut avoir un nombre N de compartiments identiques, au sein desquels le fluide moteur exécute un cycle (période T, égale à un petit nombre de minutes) conduisant à enchaîner des phases motrices et non motrices, voire consommatrices de puissance ; ces cycles sont déphasés les uns par rapport aux autres par multiples de T/N, ce qui permet la production sur un support unique d'une puissance toujours positive, à peu près constante, et en tout état de cause de période T/N ; l'agencement de ces compartiments est également optimal avec une symétrie d'ordre 1 /N. 3. Production de l'eau chaude utilisée Le chauffage du gaz utilise de l'eau moyennement chaude (60 à 90 ), dont d'assez grandes quantités sont souvent disponibles sans être valorisées ou peuvent être produites à bas prix. C'est le cas pour l'eau de refroidissement des centrales électriques thermiques ou nucléaires. Des gisements géothermiques qui n'ont pas d'utilisation sous forme de chauffa ge peuvent également être valorisés de cette manière. Enfin, la captation de l'énergie solaire peut également se faire, à l'aide d'eau de la même gamme de températures, grâce à la technique des bassins solaires. La couche d'eau à chauffer, de salinité élevée, se trouve au fond d'un bassin de couleur noire ; elle est isolée thermiquement de l'atmosphère par d'autres couches, et notamment, en surface, une couche d'eau froide, qui perd peu de chaleur par évaporation, et peu salée, l'ensemble étant stable par rapport à la pesanteur, et donc anticonvecti Dans la mesure où la couche d'eau de fond accumule la chaleur, elle permet un fonctionnement de l'ensemble de nuit ou pendant des périodes sans soleil plus ou moins longues. L'invention peut être considérée comme une variante des bassins solaires. Dans les bassins solaires classiques, l'eau chaude du fond du bassin cède sa chaleur dans un échan geur. Ici, elle constitue elle-même le fluide caloporteur, ce qui permet de supprimer un pre mier étage d'échanges thermiques, de même que la projection de gouttelettes de cette eau, directement dans le fluide moteur, supprime un second étage, d'où un meilleur rendement. La question de la collecte de cette eau chaude, sur des surfaces supérieures au km2 (1 km2 reçoit un flux maximal d'énergie solaire de 1 GW ; les principes décrits ici visent à la construction d'unités de production d'électricité de quelques dizaines à une centaine de NMélec, avec un rendement thermodynamique faible mais compensé par le fait que la créa tion et l'entretien d'un bassin solaire de plusieurs km' sont vraisemblablement acceptables dans le bilan financier d'un ensemble de production d'énergie renouvelable de cette puis sance) se résout par l'utilisation de structures dont le coût est proportionnel à la dimension en km, et non en km2, du bassin. Deux variantes principales sont décrites. 4. Autre de mode de production d'énergie solaire On peut envisager un chauffage de l'air par contact d'un large et long flux hélicoïdal avec des solides noirs exposés directement au soleil, avec éventuellement un effet de serre dû à des verrières, et un enrichissement en vapeur d'eau par simple contact avec des bassins solaires non anticonvectifs. L'utilisation de cet air chaud et éventuellement humide, mais à pression atmosphérique, résulte du fait que cet air, refroidi de la même manière qu'il était chauffé au point précédent, atteint une pression inférieure à la pression atmosphérique, et que ce différentiel est une source potentielle de puissance mécanique, puis électrique. 5. Rendement thermodynamique et économique La limite supérieure du rendement que l'on peut espérer est celui d'un cycle de Carnot, en prenant comme source froide l'eau de refroidissement, soit de l'ordre de 25 C (soit, pour arrondir, 300 K) dans la mer pour des pays fortement ensoleillés, et comme source chaude l'eau produite par les bassins solaires, ou une autre source de température équivalente, soit, dans de bonnes conditions, de l'ordre de 60 de plus. Ce rendement ne pourra donc dépasser 1/6, et, en pratique, sera notablement inférieur. II sera donc 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 kWeleo le plus faible, et, objectif ultime, 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). 6. Comparaison avec les techniques concurrentes Par rapport au photovoltaïque, l'avantage peut résider dans le fait que le m2 (et donc le km2), d'une part de bassin solaire, et d'autre part d'acier résistant à des différences de pressions de l'ordre de 1 atm (des références de prix pourront être trouvées, s'agissant de volumes allant jusqu'à 105 m3, dans les industries aéronautique, ou surtout navale) coûte nettement moins cher que le m2 de silicium, monocristallin, polycristallin ou amorphe, découpé en tranches fines et dopé. Il y a en fait complémentarité : le photovoltaïque, divisi ble à l'infini sans perte d'économies (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 km2 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, la circulation du fluide caloporteur (l'eau) au niveau de la collecte de l'énergie solaire se fait à travers des structures beaucoup moins ramifiées. La densité de tuyauteries dans l' "usine à air" est élevée, mais celle-ci occupe une superficie de l'ordre de 1000 fois plus faible que les bassins solaires. Les "bassins solaires", mis à contribution pour la présente invention, ont la même logique 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. Leurs développements actuels sont soit le chauffage urbain, ce qui est rationnel sauf là où et quand il n'y a pas de besoins en chauffage, soit la production d'électricité, apparemment avec plusieurs échanges thermi ques sans contacts entre les différents fluides, et avec turbine fonctionnant en continu dans un circuit de fluide moteur fixe. La particularité de l'invention est d'aller au bout de sa logique, en abandonnant l'idée de faire travailler une turbine en circuit permanent, peu compatible avec l'utilisation de chaleur basse température. Les mêmes remarques valent pour l'utilisation de l'énergie des mers (systèmes fonctionnant entre la température de surface, de l'ordre de 25 C, et celle du fond des océans, inférieure de 20 ). Par rapport à l'éolien, l'avantage est une captation beaucoup plus systématique, à sa source même, de la transformation de l'énergie solaire en énergie mécanique des gaz, y compris par interaction avec l'eau, ensemble de caractéristiques qui correspondent à l'énergie éolienne. De plus, les éoliennes fonctionnant surtout par mauvais temps, et le système proposé ici plutôt par temps ensoleillé, il y a plus complémentarité que compéti tion entre ces deux modes de valorisation de l'énergie solaire. Enfin, une comparaison peut également être esquissée par rapport aux brevets déposés par le même inventeur, à l'INPI, sous les n 00 00512, 00 01172, 00 05244, 00 06079 et 00 07026 (une priorité interne est revendiquée concernant ce dernier brevet). Il s'agit essentiellement ici d'une simplification, mais tout en conservant plusieurs des principes de ces brevets, notamment l'absence de contribution à l'effet de serre, l'utilisation de grandes masses de gaz, la pulvérisation directe de l'eau dans ce gaz, l'utilisation de sources de chaleur à relativement basse température, la lenteur des processus, la recherche d'économies d'échelle, la prévalence du rendement économique global sur le rendement thermodynamique. Une simplification concerne l'abandon des modes de recherche de sources froides gazeuses et très froides telles que l'air désertique nocturne ou la haute atmosphère, impli quant la maîtrise d'objets (textiles, hélium, vents) mal connus des énergéticiens. En rempla cement, le principe des échanges thermiques à haut rendement par pulvérisation directe du fluide caloporteur dans le gaz moteur, est étendu à l'utilisation d'une source froide à l'état liquide. En ce qui concerne les bassins solaires, un deuxième procédé de collecte est décrit. Pour l' "usine à air" et à pistons, la simplification porte sur l'attention moins grande portée à des procédés délicats de maintien du volume constant pendant la phase de chauffage de l'air, de nature à améliorer le rendement thermodynamique de l'ensemble mais pas forcément son rendement économique ; conjointement, une attention plus précise est apportée aux transmissions mécaniques et à la réduction des spécifications à imposer aux engrenages ainsi qu'aux régulations électriques en aval ; par ailleurs, la possibilité de faire travailler le gaz moteur en cycle fermé permet de supprimer les phases d'admission et d'échappement (donc de gérer beaucoup plus facilement l'intérieur des compartiments où a lieu le chauffage par douches à eau), et d'envisager différents types de gaz, chacun présen tant des avantages spécifiques. Enfin, une variante à turbines est présentée ici pour la première fois. De manière générale, le présent brevet semble surtout présenter l'avantage de dispositifs plus faciles à évaluer avec l'expérience et les outils classiques des bureaux d'études, et offrant plus de possibilités de réalisation de prototypes, à diverses échelles et donc pour différentes gam mes de coûts. II. ORIGINE DE LA CHALEUR A. Utilisation de bassins solaires Sous réserve des sources d'énergie alternatives proposées au point suivant, l'utili sation de bassins solaires est un moyen naturel de produire de l'eau chaude, puis de l'air chaud plus ou moins humide. En effet, la production d'eau salée chaude à bas prix est la caractéristique des bas sins solaires. La couche d'eau à chauffer, de salinité élevée, se trouve au fond (de couleur noire) d'un bassin ; elle est isolée thermiquement de l'atmosphère par d'autres couches, et notamment, en surface, une couche d'eau froide, qui perd peu de chaleur par évaporation, et peu salée, l'ensemble étant stable par rapport à la pesanteur, et donc anticonvectif La couche d'eau de fond joue également le rôle d'accumulateur de chaleur. Cependant, ici, la structure des différentes couches d'eau doit tenir compte du fait que la chaleur de l'eau chaude du fond du bassin n'est pas recueillie par l'intermédiaire d'un échangeur thermique, c'est l'eau elle-même qui est recueillie pour être pulvérisée dans le gaz, fluide moteur des usines. Le renforcement du rendement thermodynamique du bassin solaire, peut éventuel lement être recherché à l'aide de divers outils : orientation oblique de la surface (réduisant l'angle d'incidence d'une grande partie des rayons solaires) qui peut résulter de l'existence d'ondes se propageant à la surface, créées artificiellement ou obtenues gratuitement en plaçant le bassin dans un couloir venteux ; couche supplémentaire d'isolant thermique, antireflet et / ou antiévaporation. Les bassins ayant une taille de l'ordre de la dizaine de km', la question cruciale est celle de la collecte de l'eau chaude et de la réinjection concomitante d'eau à chauffer. Deux procédés sont décrits ci-dessous. 1. Collecte de l'eau chaude à l'aide de tuyaux balayant des secteurs angulaires Cette option est tout d'abord décrite en tant qu'elle permet de renvoyer l'eau depuis l'usine à son point de départ, plus froide mais aussi en quantité plus faible (une partie s'est évaporée dans le gaz moteur) et encore plus salée. La conservation des quantités totales d'eau et de sel du bassin est assurée par le fait qu'une partie de cette eau très salée est également renvoyée à la mer ou à des marais salants, tandis que de l'eau de mer tiède, de même salinité que la couche supérieure du bassin, y est déversée. Ceci crée un léger flux d'eau de haut en bas, avec deux conséquences bénéfiques. En premier lieu, il n'y a plus à s'inquiéter de la diffusion de sel de bas en haut, et la différence de salinité (donc la stabilité de la structure en couches) est maintenue. En second lieu, la chaleur des couches intermédiaires, résultant de l'absorption des rayons solaires et de la conduction en provenance du corps noir, est lentement renvoyée vers le bas. Elle est ainsi mieux valorisée. De plus, la couche de surface ne joue plus le rôle de source froide, et donc cède peu de chaleur et de vapeur d'eau à l'atmosphère, évitant ainsi que la différence de masse volumique et de gradient de température entre l'intérieur et l'extérieur du ballon soit réduite. L'eau chaude est récoltée à l'aide de gros tuyaux percés, roulant au fond de l'eau sur des pistes en dur (si cette condition n'était pas réalisable, on pourrait équiper ces tuyaux de ballasts de manière à leur assurer une quasi-flottaison). Les tuyaux balayent des secteurs angulaires de manière à assurer dans de bonnes conditions, au centre de rotation, l'évacua tion de l'eau. Si l'entraînement se fait depuis la rive, ce devraient être de simples secteurs angulaires, avec retour à vide au point de départ (donc il faut plusieurs secteurs pour alimenter un même évaporateur). (On peut aussi envisager un mouvement circulaire perma- nent, type bassins des stations d'épuration d'eaux usées, mais la question de l'entraînement du tuyau est plus délicate). Les arrivées d'eau se font dans la foulée. La conception de base décrite ci-dessus nécessite donc trois tuyaux parallèles, en triangle, le retour d'eau très salée et tiède se faisant juste derrière la récolte d'eau chaude, avec l'alimentation en eau de mer fraîche à la surface. Cependant, cette conception n'est optimale qu'en cas de diffusion importante du sel du bas vers le haut (par principe, la structure en couches de salinités différentes bloque toute convection), dont il n'est pas certain qu'elle se produise spontanément. A défaut, la couche inférieure verra sa salinité augmenter jusqu'à une valeur très importante, sans doute supérieure à l'optimum résultant de l'arbitrage entre rendement thermodynamique et rende ment économique, et risquant d'entraîner une aggravation des phénomènes d'entartrage des installations. Il peut donc être opportun de mélanger cette eau de retour avec de l'eau de mer telle que celle qui a servi à refroidir le gaz moteur, de manière à ce que son titre en sel soit à peine supérieur à celui de l'eau chaude prélevée. Cependant, dans le cas d'un bassin solaire à relativement haute température, ceci peut conduire à réinjecter de l'eau encore assez froide exactement là où, une heure plus tard, on voudra à nouveau prélever de l'eau chaude. Il peut donc être donc préférable de réinjecter de l'eau à mi-hauteur, de manière à ce que la couche du fond soit remplacée par celle qui lui était immédiatement supérieure, déjà assez chaude. Cependant, si l'on respecte scrupuleusement le principe de maintien de la quantité totale de sel (et d'eau) du bassin, la salinité de la couche ainsi réinjectée à mi- hauteur sera au moins égale à celle de la couche prélevée au fond, et donc elle tombera elle aussi au fond. Mais le même principe peut souffrir des exceptions momentanées, à condition qu'en moyenne sur 24 h (voire plus), les quantités de sel et d'eau prélevées et réinjectées soient égales. Ainsi, à certaines plages horaires où il est nécessaire de préserver la chaleur de la couche inférieure et des couches immédiatement voisines, on réinjectera dans une couche médiane de l'eau de retour suffisamment mélangée avec de l'eau peu salée, pour que sa den sité lui permette de ne pas tomber au fond. Et, à d'autres périodes, on réinjectera de l'eau très salée, en homogénéisant l'ensemble des couches inférieures, de manière à reconstituer le gradient de salinité normal sans que la couche inférieure soit excessivement salée. La détermination des heures optimales pour ces deux comportements peut dépendre de l'ensoleillement et des besoins en électricité du réseau, voire du fait que la source froide peut être légèrement plus froide la nuit. On peut également alterner les rôles de plusieurs bassins. A un moment donné, l'un produira de l'eau très chaude, en étant alimenté en eau moyennement tiède par un autre, qui acceptera le retour d'eau assez froide de l'usine, jusqu'à ce qu'on échange ces rôles pour rétablir les caractéristiques moyennes (quantités totales d'eau et de sel) de chacun d'entre eux. 2. Récolte de l'eau du fond du bassin par lente migration d'un bord à l'autre Dans cette option, la couche d'eau de fond se déplace lentement d'un bord à l'autre, étant, soit poussée à son point de départ par un réservoir en légère surpression par rapport au réservoir d'arrivée, soit, de manière à éviter les inconvénients d'une telle mise en pres sion (Cf. 3 ≈plus bas), entraînée, à intervalles réguliers, par de larges pales situées au fond de l'eau (de nombreuses géométries sont envisageables ; une assez simple est proposée en fig. 1 ; il en existe certainement de plus économes en énergie, si nécessaire). Ces réservoirs peuvent pleinement justifier leur nom, en stockant une quantité importante de chaleur (grâce d'une part à leur géométrie moins propice aux pertes de chaleur qu'une couche étalée sur des km2, et d'autre part à une isolation adéquate), s'ils sont extensibles, par l'intermédiaire d'une paroi repoussant d'un côté et laissant la place de l'autre dans des quantités équivalentes, à de l'eau à température constante, qui effectue le trajet opposé à celui de la couche de fond du bassin solaire, dans de gros tuyaux fixes alimentés par de simples pompes consommant peu de puissance. A défaut d'un tel système d'accumulation importante de la chaleur, le réservoir d'arrivée peut se contenter, en temps réel, d'alimenter en chaleur l'usine électrique, tandis que le réservoir de départ recevra l'eau tiède de retour (mélange de l'eau salée partiellement évaporée dans l'usine, et d'un peu d'eau de mer ayant servi à refroidir le gaz, l'ensemble retrouvant la salinité qui était celle de l'eau chaude du fond du bassin). Il semble difficile d'organiser un tel mouvement de la couche d'eau de fond, sans l'isoler mécaniquement des couches supérieures (en l'absence d'une telle isolation, le risque d'entraînement de ces couches supérieures est double : d'une part par contact visqueux, d'autre part parce que la surpression du réservoir de départ ou la souspression du réservoir d'arrivée pourrait conduire à des variations de niveau des couches supérieures, qui pour raient ainsi se mettre en mouvement à la place de la couche de fond même sans contact physique direct avec elle). Ceci pourra être fait à l'aide de grandes feuilles de plastique transparent, vieillissant bien, d'un indice de réfraction proche de celui de l'eau salée de la couche du fond et de la couche supérieure, et bon marché. Ces feuilles pourront, dans une de leurs dimensions, être pliées en accordéon, avec les avantages suivants - une fois les feuilles dépliées dans l'eau, la marque des plis subsistera, les plis supérieurs pourront se fixer sur des fils tendus entre des piquets, tandis que les plis inférieurs, également retenus (de manière à ce que les feuilles ne remontent pas vers la surface sous l'effet de la surpression du réservoir de départ ou de la très légère surpression des pales situées au fond) par des fils identiquement tendus, pourront de plus recueillir les poussières, grains de sable, etc., qui sont une des causes de la baisse de rendement des bassins solaires car ils diminuent la noirceur du fond du bassin, c'est-à-dire augmentent la réémission de lumière vers le ciel ; - en position repliée, un carré ou rectangle de plusieurs dizaines de mètres de côté se transforme en une bande d'une largeur d'un ou deux mètres, d'une épaisseur de l'ordre d'une dizaine de centimètres, et pouvant être enroulée sur des bobines telles que celles uti lisées pour les câbles électriques (on ne peut pas enrouler sur soi-même, une fois dans une dimension et une fois dans la dimension perpendiculaire, un carré d'une telle taille) ; - la maintenance de ces feuilles peut être organisée à terre, en dévidant une telle bobine, en entrouvrant les plis, et en renroulant la feuille sur une autre. B. Autres sources de chaleur disponibles sous forme de liquide caloporteur Comme précisé en introduction, il est possible de contribuer à la lutte contre l'effet de serre en développant l'énergie solaire, mais aussi en améliorant l'efficacité énergétique de modes de production d'électricité existants (centrales thermiques ou nucléaires), ou en valorisant sous forme électrique d'autres formes d'énergie renouvelables, telles que l'éner gie géothermique. Ce dernier point rejoint la logique de l'invention consistant à proposer un revenu de substitution aux pays actuellement producteurs d'hydrocarbures, l'énergie géothermique pouvant provenir d'anciens puits de pétrole, épuisés, où l'on injecterait de l'eau froide pour l'extraire ultérieurement, plus chaude. Plus généralement, toute source abondante de chaleur basse température qui a un liquide pour fluide caloporteur et qui ne trouve pas une utilité adaptée sous forme de chauffage de bâtiments ou de serres, de process industriels, etc., peut être valorisée dans le cadre de la présente invention. En particulier, la chaleur basse température rejetée par les grosses centrales électri ques thermiques ou nucléaires peut alimenter les usines décrites au présent brevet. Un bon rendement de ces étages secondaires de production d'électricité peut passer par une légère baisse de rendement de l'étage primaire ou par des investissements complémentaires en matière de contacts thermiques, de sorte que l'eau sortant des échangeurs qui refroidissent la vapeur des turbines soit un peu moins froide que dans ces installations telles qu'elles sont aujourd'hui conçues. Cependant, l'invention peut par ailleurs aider à satisfaire, notamment quand il s'agit de rivières, aux contraintes de faible prélèvement dans le milieu (améliora tion du pourcentage d'eau restituée) ou de rejet (bon refroidissement de l'eau rejetée). Il n'est donc pas exclu de faire fonctionner l'usine à partir d'un liquide caloporteur pas trop froid sans nuire globalement au bon fonctionnement de la centrale, dont les caractéristiques du circuit de refroidissement ne résultent pas uniquement de la volonté d'avoir un échange thermique de source froide à la plus basse température possible. C. Production et transport d'air chaud, éventuellement humide, à pression atmosphérique De l'air chaud, éventuellement humide, peut être produit à pression atmosphérique par combinaison de tout ou partie des mécanismes suivants Un chauffage moyennement efficace, mais peut-être peu onéreux, peut consister à faire circuler l'air au moyen de larges et lents ventilateurs, sous de simples filets, à peu près aptes à remplir le rôle d'obstacle à l'échappement de l'air chaud vers le haut. La chaleur solaire serait captée par des panneaux noirs situés au sol, légèrement inclinés et surélevés pour éviter l'ensablement. Les échanges thermiques seraient favorisés par le fait que les ventilateurs donneraient aux lignes de courant une forme hélicoïdale permettant de varier les parties du flux en contact avec ces corps noirs. Pour les cas de temps venteux, ces ventilateurs pourront être repliés au sol, ou se ront au contraire conçus pour pouvoir fonctionner de manière réversible, c'est-à-dire capa bles de servir d'éoliennes. Un chauffage plus efficace mais sans doute plus onéreux consiste à prolonger les filets par des vitres, de manière à provoquer un effet de serre. En dépit de son coût, cette option peut être économiquement intéressante, dans la mesure où la puissance du système est proportionnelle au carré de la différence de température entre la source chaude et la source froide. Enfin, l'effet de baisse de pression et de volume, à l'origine de la puissance motrice que l'on souhaite produire, sera renforcé si on enrichit cet air en vapeur d'eau, qui pourra être condensée lors du refroidissement de l'air par la douche à eau froide. Cet enrichisse ment peut se faire de manière simple par passage de l'air au-dessus d'un bassin solaire dont le structure de salinité, contrairement à ceux examinés précédemment, ne serait pas anti- convective. L'eau chaude viendrait donc spontanément à la surface, ce qui faciliterait les échanges avec le flux d'air situé au-dessus. L'ensemble de ces dispositifs génèrent un flux continu d'air chaud, tout d'abord destiné à être refroidi à volume constant, donc de manière discontinue. Il doit donc être réparti dans plusieurs compartiments, de telle manière que la phase d'admission (et, corrélativement, d'échappement) d'un compartiment côincide avec celles de refroidissement et de compression adiabatique motrice des autres compartiments (ce qui, par ailleurs, est une bonne chose en ce qui concerne la gestion de la puissance produite et celle de l'eau de refroidissement). L'admission de l'air chaud dans ces compartiments peut se faire - soit sans séparation physique avec l'air refroidi que l'on doit évacuer. Dans ces conditions, de manière à éviter que l'air chaud ne s'écoule préférentiellement dans la partie supérieure du compartiment, celui-ci sera divisé en plusieurs étages (de toute manière utiles car la gestion des "douches" suppose que l'on veille à ne pas gaspiller l'énergie potentielle de pesanteur de l'eau, que l'on peut être amené à faire circuler plusieurs fois). L'entrée de l'air dans ces différents étages peut se faire à l'aide à travers une série de plaques qui peuvent être remontées ou descendues en temps réel de manière à ce que les flux soient identiques d'un étage à l'autre. - soit avec une séparation physique. Deux variantes : l'admission de l'air chaud accompagne l'échappement de l'air froid, et cette séparation doit ensuite rejoindre son point de départ en longeant un côté du compartiment ; ou bien un panneau équivalent pénètre dans le compartiment au moment de l'échappement, puis fait le trajet inverse au moment de l'admission. Le fait d'utiliser ici de l'eau froide et de l'air chaud peut être complété par la confi guration inverse, dans le cadre de l'opposition jour - nuit. En effet, surtout dans les pays désertiques où l'utilisation de l'énergie solaire est particulièrement opportune, l'air nocturne peut, par suite de la faiblesse de l'effet de serre, être très froid. En utilisant cet air froid à la place de l'air chaud, et de l'eau de bassins solaires, conservée 12 h, à la place de l'eau de source froide, on peut obtenir une différence de température entre source froide et source chaude comparable. Dès lors que les équipements mécaniques sont réversibles (bielles pouvant fonctionner tant en compression qu'en traction, turbines réversibles), une produc tion d'électricité est possible. On peut d'ailleurs, de jour, avoir deux usines fonctionnant en parallèle avec de l'air chaud et de l'eau froide, et, de nuit, l'une d'entre elles utilisant de l'air froid qu'elle réchauf fe, et qu'elle envoie à l'autre, qui pourra ainsi fonctionner de la même manière que le jour, de manière à économiser l'eau du bassin solaire. L'ensemble de ces solutions vise à permettre un fonctionnement aussi bien de jour que de nuit, donc une meilleure rentabilisation de ces équipements. (Par contre, le fonction nement n'est guère possible par temps nuageux ou venteux - sous réserve du fonctionne ment des ventilateurs comme éoliennes - , ainsi qu'en début de soirée quand le soleil ne chauffe plus assez mais que l'air extérieur n'est pas encore froid. Cette solution est donc intéressante surtout si une continuité d'alimentation d'un réseau n'est pas requise, par exemple pour produire de l'hydrogène). III. PRODUCTION DE PUISSANCE MOTRICE A. Utilisation d'un gaz, fluide moteur, en cycle fermé L'utilisation de l'air chaud, éventuellement humide, à pression atmosphérique, dont la production a été décrite au point précédent, est simple : cet air est isolé dans un grand bâtiment à volume constant, des douches d'eau froide conduisent à la rétraction de l'air et à la condensation de la vapeur d'eau éventuellement présente, et la diminution de pression qui résulte de ces deux effets permet à l'air atmosphérique de produire un travail mécanique en se déplaçant pour venir occuper le volume que libère l'air interne jusqu'à ce que sa pres sion s'égalise avec la pression extérieure. Par contre, dès lors que l'on souhaite récupérer à la fois le travail décrit ci-dessus, et le travail correspondant à la transformation inverse (chauffage, également à volume cons tant et non plus à pression constante, du gaz intérieur, puis détente adiabatique et non plus seulement compression adiabatique par l'air extérieur), on est conduit à faire exécuter à ce gaz un véritable cycle, qui peut être fermé. Le nombre de paramètres que l'on peut ajuster devient alors nettement plus élevé. 1. Description du cycle Le cycle décrit par le gaz, fluide moteur, peut être visualisé à l'aide de la figure 2, qui résulte d'une simplification (doublée d'une absence de prise en compte de la pression de vapeur d'eau) de la figure 11 citée plus loin (usine à turbines). Les chevauchements entre compartiments de la partie gauche-inférieure de la figure symbolisent un volume de gaz moteur plus grand, qui atteint son maximum au moment du refroidissement, tandis que le chauffage se fait à volume minimum (ces phases d'échanges thermiques sont symbolisées par les circulations d'eau représentées à l'extérieur de la figure, à l'inverse des phases de compression et de détentes, qui sont caractérisées par le fait que les chevauchements se développent ou au contraire disparaissent, puisque le volume varie). Ce cycle est, à partir du point de pression et de températures les plus faibles, le suivant - une compression adiabatique, qui a également pour effet d'augmenter la tempéra ture, les trois variables d'état étant reliées par les formules classiques P.I = cte, T.VY-1 = de, et PlI.TY = de. Ces formules supposent, et permettent en même temps de montrer, que si le gaz était saturé en vapeur d'eau au départ, il ne l'est plus dès le début de la compres sion, la pression augmentant avec T beaucoup moins vite que la loi exponentielle corres pondant à la pression de vapeur saturante. Elles montrent aussi que cette compression (préalable au chauffage) provoque une légère augmentation de température, mais son impact en termes de réduction de l'augmentation de pression au cours de la phase suivante de chauffage, est très inférieur au gain en pression résultant de cette première phase de compression adiabatique. De plus, le rendement thermodynamique de l'ensemble du cycle est amélioré par le fait que le chauffage de l'air est un peu moins irréversible, puisqu'on chauffe de l'air initialement un peu moins froid. - un chauffage à volume à peu près constant, obtenu en réalisant une "douche" d'eau chaude (soit en la laissant tomber à partir d'une surface percée de petits trous, sans qu'il soit nécessaire de la mettre plus en pression que le gaz lui-même, soit en créant de fins jets d'eau, dirigés vers le haut, obliquement ou latéralement, qui se divisent en gouttelettes. Ce chauffage par pulvérisation d'eau chaude conduit très vraisemblablement à saturer (voire sursaturer) le gaz moteur en vapeur d'eau, car l'évaporation des gouttelettes est sans doute le mode de transfert de chaleur le plus efficace entre l'eau et le gaz, devant le contact ther mique liquide-gaz. Cette évaporation dépend de la salinité de l'eau : pour de l'eau salée, elle se fait avec une pression de vapeur saturante inférieure à celle de l'eau non salée (cette pression atteint 1 atm à 100 C pour l'eau pure, tandis que pour de l'eau salée elle n'atteint la même pression que pour une valeur de T supérieure), ce qui conduit à la fois une économie de chaleur (dont la transformation en travail par l'intermédiaire de la vaporisation de l'eau est moins efficace que par l'intermédiaire du chauffage du gaz moteur principal), mais aussi, à température de l'eau donnée, à une moins forte augmentation de pression, donc à une moins grande puissance de l'usine, à caractéristiques identiques pour cette dernière. - une poursuite de ce chauffage alors que l'on a déjà commencé la phase suivante de détente motrice, d'une part pour prolonger le temps de chauffage sans augmenter la durée du cycle, qui intervient au dénominateur pour le calcul de la puissance électrique produite par l'usine, et d'autre part pour écrêter la courbe de pression, et ainsi réduire les spécifica tions de tenue à la pression, qui sont un facteur de coût non négligeable. - la détente motrice adiabatique elle-même. Ce genre de détente, qui est la phase du cycle la plus directement reliée à la fonction de production d'électricité, est bien connu. Il suffit donc de s'interroger sur le caractère sec ou humide de cette adiabatique. Comme ex pliqué plus haut, la pression partielle de vapeur d'eau est, au départ, égale, voire supérieure (sursaturation) à la pression de vapeur saturante de l'eau utilisée. La température diminuant au cours de la détente, cette vapeur peut se condenser, avec cependant deux réserves. Tout d'abord, le gaz peut rester ou devenir de plus en plus sursaturé, sans quitter immédiatement cet état métastable (cela dépend en grande partie de la teneur du gaz en diverses poussières de nature et de taille variable, comme le montrent les théories de la formation des nuages). De plus, comme on l'a vu précédemment, l'évapo ration d'eau salée se fait avec une pression de vapeur saturante inférieure à celle de l'eau non salée, donc l'évaporation d'eau salée n'est suivie d'une condensation (forcément sous forme d'eau distillée) qu'après une diminution non négligeable de la température. L'éventualité d'une détente adiabatique humide a une double conséquence : d'une part, elle conduit à une diminution beaucoup plus lente de la température, et donc de la pression du gaz moteur lui-même, mais la pression de vapeur d'eau, elle, diminue ; d'autre part, la condensation, si elle se fait sur les pales d'une turbine, peut perturber son fonction nement. - un refroidissement du gaz moteur, et une condensation quasi-totale de la vapeur d'eau restante, par l'intermédiaire d'une douche d'eau froide. Le but est d'obtenir la diminu tion de pression la plus forte possible. L'intérêt de cette opération peut tout d'abord être illustré en imaginant que la phase de chauffage commence à la pression atmosphérique et que la détente adiabatique se termine (volume élevé) quand on a atteint la même pression. Alors, le refroidissement conduit à une pression inférieure à 1 atm, et la phase suivante de réduction du volume se fait avec un effet d'aspiration qui, comme dans le cas étudié une page et demie plus haut, correspond à un travail moteur du milieu extérieur, qui peut être transformé en puissance électrique positive. Ceci suppose cependant que la pression extérieure joue un rôle, ce qui n'est pas le cas avec le dispositif à turbines décrit plus loin. En tout état de cause, la seule chose qui intervient dans le bilan de puissance global, c'est la surface du cycle en coordonnées P,V, donc, d'une part, les hypothèses réductrices ci-dessus (P en fin de détente adiabatique égale à P en début de chauffage, P en début de chauffage égale à 1 atm) n'ont plus lieu d'être ; d'autre part, pour avoir la plus forte puissance, l'important est d'arbitrer entre le besoin d'avoir la plus grande différence de volume entre les phases de chauffage et de refroidis sement à volume constant, et celui d'avoir la plus grande différence de pression entre les phases adiabatiques de détente et de compression (Cf. point suivant). Le refroidissement par eau peut être scindé en deux phases. La seconde, qui utilise l'eau de la source froide, disponible en grande quantité, consiste à s'assurer, à partir du moment où le volume maximum est atteint ou presque, que l'on a bien un refroidissement complet, à une température très proche de celle de la source froide. La première, utilisant moins d'eau, vise à récupérer un peu de la chaleur échangée et à mélanger l'eau ainsi réchauffée avec l'eau tiédie au cours du chauffage, de manière à compenser la perte d'eau due à son évaporation, et, dans le cas, d'eau salée, l'augmentation de salinité qui en résulte. 2. Calcul et maximisation de la puissance motrice disponible En simplifiant le cycle, sous la forme de deux isochores (volume constant) et deux adiabatiques sèches, et en remplaçant ces dernières par des droites (en remplaçant, dans les équations différentielles, les variables P, T et V par leurs valeurs moyennes), le cycle étant ainsi assimilé à un parallélogramme, on a les relations suivantes - pour la compression adiabatique : OV = (ATa/T).(V/y-1) - pour le chauffage isochore : OP = (OTi/T).P + APvapeur seau Si l'on considère que OP"ape"r d'eau est proportionnelle à la variation de température au cours du chauffage isochore ATi , alors la maximisation du produit OV.OP (travail fourni en un cycle) revient, tous les autres paramètres étant des constantes, à la maximi sation du produit ATa.OTi , sous contraintes : ATa + ATi = OTtotal - Tsource chaude - Tsource froide = cte. Cette maximisation conduit à choisir : ATa = OTi = OTtotaj / 2 . On note que la puis sance est alors proportionnelle au carré de la différence de température, au volume moyen, à la pression moyenne augmentée de T fois la dérivée de la pression de vapeur saturante par rapport à la température, au terme 1/(y-1) dont la valeur augmente de 1,5 pour un gaz monoatomique à 2,5 pour un gaz diatomique et à peu près 3 au-delà, et enfin à l'inverse de la durée du cycle. En termes de température, on retrouve, à la fin de la détente adiabatique, le niveau du début du chauffage. Il est donc inutile de chercher à récupérer la chaleur encore conte nue dans le gaz en fin de détente, pour un préchauffage qui se situerait entre la fin de la compression adiabatique et le chauffage proprement dit, car la dite compression a en fait déjà chauffé le gaz à une température nettement supérieure à celle de la source froide. En termes de volume, on en déduit : OV = (OTtotai / 2T).(V/y-1). Le système doit donc être dimensionné de telle sorte que la variation de volume soit égale au volume moy en, multiplié par la moitié de la différence relative de température entre la source froide et la source chaude, et divisé par y-1 (donc multiplié par 1,5, 2,5 ou 3 selon l'atomicité du gaz). Pour une différence Tsource chaude - Tsource froide qui atteindrait T/6 (60 ) avec des échan ges thermiques parfaits, et un gaz diatomique, on aurait OV #k1 20 % de V. En termes de pression, on en déduit, en l'absence de vapeur d'eau, que l'augmen tation de pression est égale, pour l'adiabatique, à OPa = P.(y/(y-1 . OTa/T (car P1@.TY=cte), et, pour l'isochore, à OPi = (OTi/T).P avec OTi = OTa = ATtotai / 2. La différence de pression totale est donc égale à P. ((2y-1) / (2y-2)) . OTtotai /T. Dans les hypothèses de la fin du précédent, y = 7/5, d'où (2y-1)/(2y-2) = 9/4, et OP/P = 3/8. En présence de vapeur d'eau, la pression de vapeur saturante Pvapeur d'eau est exponen tielle en fonction de T, et non pas linéaire. Donc l'effet le plus utile en termes d'augmen tation de pression sera atteint à proximité de la température de source chaude, et non au début du chauffage. Celui-ci, relativement moins efficace sur OP, peut donc être réduit au profit de l'adiabatique, qui augmente AV. On pourra donc prendre ATa légèrement supé rieur à OTi , et ce d'autant plus que l'évaporation est importante (c'est-à-dire que l'eau est plus chaude et moins salée). De plus, ces conditions sont celles qui transforment la détente adiabatique motrice en quasi-isotherme, la chaleur latente de condensation de l'eau compensant la diminution d'énergie interne due au travail fourni. Le OP moyen à prendre en compte pour le calcul de l'aire du cycle en coordonnées P,V est alors légèrement supérieur au OP calculé lors du chauffage. C'est donc un terme légèrement supérieur à ATi , et non plus OTi lui-même, qui, en application du précédent, doit être inférieur à OTa, donc on a encore intérêt à rallonger les adiabatiques. 3. Principes d'optimisation économique La maximisation décrite au point précédent n'est pas une optimisation au sens éco nomique du terme, car les éléments de coûts ne sont pas pris en compte. Ainsi, l'utilisation de gaz triatomiques plutôt que monoatomiques, la vaporisation de l'eau, voire une pression de départ supérieure à la pression atmosphérique, accroissent la puissance produite mais consomment plus de chaleur. Les termes 3/2, 5/2, 3 correspondent directement à la capacité calorifique à volume constant des gaz, et il n'y a pas de baisse du rendement thermodynamique ; par contre, pour la vaporisation de l'eau, le rapport du sup plément de puissance au supplément de chaleur consommée est mauvais, car la chaleur latente de vaporisation est supérieure à la chaleur sans changement d'état capable de pro duire la même augmentation de pression. Dans tous les cas de figure, remplacer un gaz polyatomique par un gaz monoato mique revient exactement, toute choses égales par ailleurs, à avoir besoin d'un volume plus grand pour emmagasiner la même énergie et produire la même puissance. Sauf absolue nécessité de disposer d'un gaz extrêmement peu réactif chimiquement et extrêmement peu soluble dans l'eau, il n'y a donc aucune raison de choisir un gaz tel que l'argon. A l'inverse, on peut imaginer de remplacer le gaz diatomique de référence (l'azote, moins corrosif que l'air en présence d'eau salée) par un gaz de plus de deux atomes, de manière à gagner, toutes choses égales par ailleurs, 20 % sur le volume de l'usine. 11 n'est cependant pas certain que les contraintes de non-solubilité dans l'eau, de non-corrosion, de prix, et éventuellement (les normes d'étanchéité ont naturellement vocation à être très forte ment dimensionnées) de sécurité, que l'on trouve un tel gaz. A priori, le méthane ou un de ses dérivés halogénés peuvent être étudiés. Les douches présentent de nombreux paramètres (taille, forme et nombre des trous, pression par rapport au gaz environnant, géométrie des jets d'eau, longueur de tuyauterie, disposition sur un ou plusieurs niveaux, situation fixe ou permettant une rotation, montage fixe ou permettant un repliement de certains éléments pour échange standard ou mainte nance sur place, nombre de passages successifs de la même eau à travers les différentes douches, utilisation des mêmes circuits ou de circuits différents pour l'eau chaude et l'eau froide) qui sont à optimiser en fonction des contraintes suivantes : efficacité du chauffage dont dépend la durée d'un cycle à laquelle la puissance est inversement proportionnelle, économie de puissance de pompage (qui se transforme dans un premier temps en énergie potentielle de pesanteur, puis en chaleur), risques d'entartrage, facilité de maintenance, coût initial. La répartition de la différence de température entre source chaude et source froide, en deux parts égale, l'une pour les échanges thermiques à volume constant et l'autre pour les changements de volume adiabatiques, résulte d'un calcul d'optimisation à OTa + ATi = ATtotal - Tsource chaude - Tsource froide = Ce. Cependant, elle a pour conséquence que la deuxième catégorie de transformations se fait, en particulier dans le cas d'une faible vaporisation d'eau, avec des variations de pression beaucoup plus importantes (3,5 fois pour un gaz dia- tomique) que la première. Or, si la tenue à la pression était un facteur de coût prédominant, on devrait travailler à OPa + APi = cte, et rechercher une solution plus proche d'une équipartition des différences de pression. Donc, plus la résistance à la pression est coûteuse, plus il faut réduire la longueur des phases adiabatiques, et augmenter celle des phases isochores (ce qui revient à réduire la variation de volume et à augmenter la différence de pression sous laquelle se fait le travail moteur, les deux effets se compensant l'un l'autre pour le calcul du travail). Cependant, l'hypothèse d'une faible vaporisation d'eau suppose, comme ce sera montré au suivant, que l'eau chaude est également un facteur de coût prépondérant. Une réduction importante des adiabatiques suppose donc à la fois que la résistance à la pression et la source de chaleur soient de facteurs de coût primordiaux, ce qui est peu probable. La question du rendement thermodynamique intervient en effet principalement sur le choix de la salinité de l'eau. Plus le coût de l'eau chaude est élevé par rapport au coût des installations fixes, plus on prendra une eau salée de manière à ce qu'elle s'évapore moins et que la chaleur soit mieux utilisée à chauffer le gaz lui-même, avec un meilleur rendement. Ceci sera d'autant plus nécessaire que l'on aura accès à une source chaude de température élevée, la quantité d'eau vaporisée croissant de manière exponentielle avec la température. Par ailleurs, le souci d'améliorer le rendement thermodynamique conduit classique ment à éviter les échanges de chaleur trop irréversibles, donc entre corps à températures trop différentes. Ceci va dans le sens d'une légère diminution de Ti par rapport à Tal, et donc à un allongement des transformations adiabatiques. Cependant, un trop grand souci de quasi-réversibilité des échanges thermiques conduit à une plus grande lenteur de ces mêmes échanges, et à une plus faible puissance, donc on a, là encore, une compétition entre l'amor tissement des installations fixes et le coût de l'eau chaude consommée (coût à moduler par la température de renvoi : le chauffage brutal du gaz avec différence de température élevée conduit à renvoyer à la source chaude de l'eau assez fraîche, qui sera à peine plus difficile à réchauffer que de l'eau dont on aura mieux économisé la chaleur, et ceci aussi bien dans un bassin solaire que dans l'échangeur de sortie d'une centrale électrique). Enfin, si le coût de l'eau chaude était élevé par rapport au coût des bâtiments (grâce aux économies d'échelle) et surtout si ce dernier était encore moins sensible à la pression qu'au volume, on pourrait, en multipliant par exemple par deux la pression de départ, à 2 atm, multiplier par deux la part de la chaleur qui servirait à chauffer le gaz moteur, tandis que la chaleur passant en vaporisation de l'eau serait inchangée (la pression partielle d'une vapeur dans un gaz ne dépend que de la température et de la présence du liquide correspondant à cette vapeur, mais pas de la pression du gaz hôte). Le fait que la puissance électrique soit proportionnelle au carré de la différence de température, conduit à rechercher pour celle-ci une valeur assez grande, en tout cas plus 1 Ou au contraire d'une forte augmentation de Ti par rapport à Ta, de telle sorte qu'à la fin de la détente adiabatique motrice, le gaz soit notablement plus chaud qu'à la fin de la compression adiabatique préalable au chauffage, et qu'ainsi on puisse organiser une récupération de la chaleur du premier de ces états vers le dernier. Les inconvénients sont les mêmes que pour la diminution de Ti par rapport à Ta. grande que pour des applications de type chauffage, déjà mises en oeuvre aussi bien pour les bassins solaires que pour les rejets de centrales. On effectuera donc des choix de para mètres qui en augmentent la température, sans négliger par ailleurs les possibilités d'accès à des sources froides telles que l'eau du fond des mers (faire progresser AT de 60 à 80 fait passer le terme AT 2 de 3600 à 6400, soit une augmentation sept fois supérieure au AT2 des systèmes d'utilisation de l'énergie des mers qui tentent d'exploiter un AT de 20') ou des icebergs remorqués dans des pays chauds, éventuellement laissés au large des côtes mais en enveloppant leur partie immergée dans de très grandes bâches (ce qui permettrait par ailleurs de récupérer leur eau douce) et qui peuvent constituer des sources froides de capacités considérables du fait de leur chaleur latente de fusion. Un dernier facteur de coût non négligeable est constitué par le dispositif de conver sion de l'énergie des gaz en mouvement de rotation d'une machine électrique (turbines ou pistons). Dans le cas des pistons, ceci se traduit pour de grandes valeurs, à la fois pour les efforts subis par les bielles et les engrenages, et pour leurs dimensions. Pour les turbines, on aura à la fois un fort débit gazeux, et une forte chute de pression. A priori, le coût global devrait être à peu près proportionnel, d'une part aux variations de volume sur un cycle, OV, et d'autre part à la différence de pression entre les valeurs extrêmes au cours du cycle. Or, la puissance mécanique obtenue, proportionnelle, de même, à AV, l'est par ailleurs aux seules variations de pression sur le chauffage isochore, et non sur l'ensemble. La prise en compte de ce coût conduirait donc à réduire la variation OP sur les adiabatiques, donc à réduire légèrement ATa par rapport à OT; . B. Usine à pistons 1. Description du dispositif L'usine est constituée de plusieurs compartiments (typiquement, quatre ou six) d'un volume de plusieurs dizaines de milliers de m3, capables de résister (par tous moyens, y compris une structure interne complexe) à des différences de pression de l'ordre d' 1/2 atmosphère et équipés chacun d'un piston de grande taille (autour de 1000 m2), qui peut se déplacer (course de quelques dizaines de mètres) tout en maintenant l'étanchéité du compartiment (soit par un système de soufflets, soit par des joints toriques roulant sur eux- mêmes entre un cylindre fixé au piston et un cylindre, légèrement plus large, fixé au compartiment). Ces pistons sont reliés par des bielles à une même manivelle, et travaillent à tour de rôle, ce qui permet une production de puissance en continu. Le gaz qui subit les transformations thermodynamiques peut tout d'abord être l'air chaud et éventuellement humide décrit au point II - C. Dans ce cas, la puissance motrice apparaît quand cet air est refroidi par des "douches" alimentées par la source froide : la pression devient inférieure à une atmosphère, et, si le reste du bâtiment est à la pression atmosphérique, le piston subit une force dirigée vers l'intérieur du compartiment, force qui peut être transmise à une manivelle centrale grâce à une bielle travaillant en traction. Pour des températures de source froide et de source chaude équivalentes, la puissance est a priori inférieure de moitié à ce qu'on peut obtenir dans le cas qui suit. D'une manière davantage développée dans la suite, le gaz moteur peut aussi être dé fini par le fait qu'il suit le cycle fermé décrit plus haut (pré-compression adiabatique sèche de 0,3 atm environ, due au retour du piston ; chauffage par douches permettant d'approcher la température de source chaude, soit une augmentation de température de quelques dizaines de degrés et une augmentation de pression de l'ordre de 0,2 atmosphère, dépendant en grande partie de la salinité de l'eau et donc de la pression de vapeur d'eau saturante à ajouter ; détente adiabatique motrice ; refroidissement à eau). La détente, durant, comme le chauffage, de l'ordre de 30 secondes, pousse le piston sur quelques dizaines de mètres avec une force de plusieurs 107 N (plusieurs milliers de tonnes), et une puissance de plusieurs dizaines de MW. Bien que la détente ne dure qu'une fraction de cycle, c'est à peu près cette même puissance qui est produite en continu dès lors que l'on a plusieurs compartiments qui travaillent à tour de rôle. En particulier, chaque détente adiabatique motrice compense (et au-delà) une compression adiabatique, consommatrice de puissance, qui se trouve à son opposé sur le cycle décrit par le gaz. Leurs puissances combinées donnent un solde pour l'ensemble de l'usine, d'une à quelques dizaines de MWél,,. Les bielles doivent à la fois être longues, capables de transmettre des forces impor tantes (en compression dans le cas de cycles fermés), et assez plates sur leur bord inférieur, de manière à ne pas trop déséquilibrer les manivelles par rapport à leurs contacts (engrenages) situés à des niveaux inférieurs. Cependant, les N bielles poussent la même manivelle, en faisant toujours au moins un angle de 180 /N entre elles (les médiatrices des pistons font des angles de 360 /N, et le théorème de l'angle au centre donne au minimum la moitié de cet angle). La transmission de la poussée n'est donc pas limitée à une tige et à une couronne horizontale de faible épaisseur, comme on pourrait le croire d'après la fig. 4 (nécessairement schématique), mais peut s'exercer, dans la limite des 360 /N, sur une hauteur plus conséquente, ce qui est mécaniquement préférable. Seule une ou deux minces couronnes font le tour complet de la manivelle, ce qui n'est pas gênant puisque, le compar timent étant toujours au moins à la pression atmosphérique, la bielle ne travaille jamais en traction. Enfin, latéralement et vers le haut, elles disposent d'un large espace pour dévelop per leur structure et obtenir une bonne résistance à la compression sans être beaucoup trop lourdes. Elles sont liées au piston par un axe vertical, sans grandes limitations de dimen sions. La manivelle décrit finalement un mouvement circulaire à peu près uniforme, en traînant de manière régulière, avec une forte démultiplication décrite plus loin, un seul générateur électrique ou, si l'on souhaite une qualité optimale d'alimentation d'un réseau, trois machines : génératrice à courant continu, moteur à courant continu, alternateur. 2. Stabilisation de la puissance produite et alimentation d'un alternateur réseau Les développements qui suivent supposent que l'usine alimente un réseau électrique qui appelle une puissance constante, ou du moins dont les variations sont suffisamment lentes par rapport aux ajustements qui peuvent être faits au niveau de l'alimentation du système en eau chaude et du réglage de la durée des cycles thermodynamiques. Les forces (donc le couple) entraînant la génératrice sont indépendantes de la vites se, la puissance ne peut donc être ajustée qu'en faisant varier cette dernière. Si l'on souhaite lisser parfaitement la courbe décrivant la puissance en fonction de la position sur le cycle, il faut prévoir une vitesse maximale quand le couple est minimal, et réciproquement. Partant d'une vitesse égale à sa valeur moyenne et obtenue à un instant t situé à la fin d'un intervalle de temps au cours duquel le couple est supérieur à la moyenne, on peut utiliser ce supplément de puissance pour laisser le système accélérer. Le couple devenant inférieur à la moyenne, mais la vitesse accélérant, la puissance peut rester juste supérieure à la moyenne, donc fournir à la fois l'énergie cinétique de rotation qui, du fait de l'accélération, augmente, et alimenter le réseau avec la puissance moyenne. A l'inverse, une fois que le couple, encore inférieur à la moyenne, commence à remonter, on accompagne ce mouvement en laissant la vitesse ralentir, tout en restant au départ supérieure à la moyenne. Ce ralentissement se poursuit jusqu'à ce que le couple atteigne son maximum, puis on reprend la configuration inverse, et ainsi de suite. Ceci implique la réalisation d'asservissements, dont le mode d'action est a priori connu : ce sont les excitations de la génératrice à courant continu, du moteur à courant continu (MCC), et éventuellement de l'alternateur (Cf. fig. 3). Les équations du système sont également connues : Pour le moteur à courant conti nu, le couple vaut TM = (DM.I ; le courant I découle de l'égalité de tension entre le moteur et la génératrice : U = EM + RM.I = EG - RG.I (les inductances sont négligées) ; les deux fe.m. résultent des excitations et des vitesses angulaires de ces deux machines : EM = (I)M.wM ; EG = (DG-(DG ; cet ensemble rétroagit sur le reste de l'usine par l'intermédiaire du couple résistant de la génératrice : TG = (DG.I, et donc sur la vitesse de rotation d'entrée : T - TG = JG.dcoG/dt (JG étant le moment d'inertie de la génératrice et des pièces qui la précèdent, le moment de ces dernières étant fortement réduit en raison de la forte démultiplication opérée) ; une équation identique relie le couple moteur du MCC, le couple résistant de l'alternateur, le moment d'inertie ramené à leur axe, et leur vitesse angulaire (qui ne peut supporter que des variations faibles et de courte durée par rapport au sous-multiple de la pulsation électrique du réseau qui constitue leur vitesse angulaire nominale). Toute régulation ou asservissement, notamment par les excitations (DM et (DG , peut s'évaluer à l'aide de ces équations, mais aussi, de manière plus parlante, en raisonnant en termes de puissance et d'énergie (ce qui s'en déduit en les multipliant par des angles élé mentaires dcp = (o dt ou des charges élémentaires dq = 1 dt, et en intégrant). L'absence de tout terme représentatif d'un stockage d'énergie électromagnétique (condensateurs ou selfs, ces dernières existant puisqu'il y a de l'auto-induction dans des machines électriques, mais dont les valeurs sont supposées négligeables) implique que I = (DM.WM - (DG.(ÛG)/(RM + RG). Le dénominateur de cette expression étant naturellement le plus faible possible, des variations indépendantes de (DM.wM et (DG.wG auront des effets très amplifiés sur le système, et ne peuvent être admises que si elles sont conçues de manière à contribuer à sa stabilisation. a) Comportement du système non asservi Sans aucun asservissement (DM, (DG et a)Alt constantes), la réaction du système à une variation OT (par exemple négative) du couple T produit par l'usine est la suivante : la génératrice commence à ralentir (alors qu'on souhaite qu'elle accélère), ce qui entraîne les diminutions de sa Le.m. et, immédiatement (sous réserve de l'auto-induction du rotor), de l'intensité I. Cette dernière se répercute d'une part sur le couple résistant de la génératrice (donc, dès que cette diminution a atteint, en valeur relative, OT/T, sa vitesse de rotation arrête de diminuer), et d'autre part, dans les mêmes proportions, sur le couple moteur du MCC. Celui-ci provoque, plus ou moins rapidement selon que l'on a muni l'arbre MCC- alternateur de volants d'inertie, un ralentissement de l'alternateur, qui va d'une part voir sa tension de sortie diminuer, et d'autre part perdre de son avance de phase par rapport au réseau et moins le "tirer". Ces deux effets contribuent tous deux à transmettre au réseau une puissance plus faible. Le couple résistant de l'alternateur diminue donc, et, en théorie, le système trouve un nouvel équilibre, avec, dans le cas d'un réseau qui ne se laisse pas facilement ébranler, une stabilisation de l'avance de phase de l'alternateur, donc un rétablissement de la vitesse de rotation de l'alternateur à son niveau nominal, correspondant au 50 Hz. Ce rétablis sement de la vitesse de l'alternateur se transmet en retour aux différentes fe.m. et vitesses de rotation ; les différents couples, intensité et finalement puissances se stabilisent eux aussi, mais avec une décote proportionnelle à OT. Cependant, du fait de l'inertie de l'arbre MCC-alternateur, le maintien pendant quelques périodes d'une vitesse de rotation inférieure au nominal peut conduire à ce que l'avance de phase par rapport au réseau franchisse, à la baisse, son futur niveau d'équilibre. Il faudra donc qu'il le retrouve, et donc que la vitesse de rotation devienne supérieure à sa valeur nominale. II en sera de même pour la Ec.e.m. EM du MCC, alors même que rien ne permet d'assurer qu'au même moment, la fe.m. de la génératrice EG suivra la même évolution. Or, la différence entre ces deux fe.m. étant faible, toute modification a des effets sensibles sur l'intensité et donc sur les couples de ces deux machines. L'effet de possible création d'une oscillation au niveau de l'avance de phase de l'alternateur sur le réseau, puis l'effet d'amplification des variations au niveau de l'intensité circulant dans la boucle Génératrice - MCC, montre que le régime transitoire peut com porter des oscillations plus ou moins bien amorties (seul l'effet Joule dans les résistances des rotors correspondant à un amortissement). Ce qui précède montre qu'un couplage basique des trois machines, associé à une alimentation stable de leurs excitations, conduit à ce qu'une perturbation dans le couple entraînant la génératrice se traduise - en théorie, par un nouvel équilibre, dans lequel toutes les vitesses de rotation sont inchangées, tandis que tous les couples (et l'intensité I) sont réduits proportionnellement au couple d'entrée ; - en pratique, à des risques d'oscillations transitoires mal amorties, qui nécessitent soit un choix des différents paramètres (notamment d'éventuels volants d'inertie associés à l'arbre d'entrée ou à l'arbre MCC-altemateur) qui ne conduise pas à des effets de résonance, soit des mécanismes contracycliques d'asservissement, soit les deux. Ces questions sont en principe bien connues des professionnels du secteur. b) Type de variable à affecter à l'excitation de chaque machine Ce contexte doit être pris en compte pour la définition d'un asservissement qui soit capable de faire varier la vitesse de rotation à la sortie de l'usine, de telle sorte que la puis sance à la sortie de la génératrice, ou des trois machines électriques, soit la plus constante possible, voire ajustable en fonction de la demande. Le besoin d'asservissement résulte des imperfections inévitables, d'une part du cycle moteur (échelle de temps de quelques dizai nes de secondes) et d'autre part des premiers engrenages, pour lesquels la vitesse est très faible et les dents, même hélicoïdales; sont très grosses (car les forces tangentielles sont très grandes), donc l'avancée d'un module se fait en une grosse fraction de seconde, soit un ou plusieurs tours des machines électriques en aval. Le principe est simple : la puissance, ou une grandeur qui lui est liée, est mesurée, sa différence par rapport à la valeur de référence est calculée, et une commande propor tionnelle à cette différence est adressée à l'excitation d'une ou plusieurs machines. Le but recherché est le suivant : que, si le couple provenant de l'usine à pistons devient insuffisant, on réduise le couple résistant de la génératrice d'une quantité encore plus forte, de telle manière qu'elle puisse accélérer et que l'augmentation de sa vitesse compense, pour le calcul de la puissance, la diminution du couple. Etant donné l'interdépendance des diverses variables, constatée plus haut, une bais se du couple résistant de la génératrice nécessite de contrôler à la fois les deux grandeurs qui commandent ce couple : l'intensité I, et l'excitation de la génératrice (DG. Le choix des modes de commande correspondants dépend à la fois des réactions transitoires du système (risque d'oscillations mal amorties) et des paramètres de stabilisation. En effet, puisque le but est que la vitesse d'entrée soit inversement proportionnelle au couple d'entrée, une variation de l'excitation de la génératrice proportionnelle à ce même couple permettrait d'avoir en sortie des valeurs nominales stables pour l'intensité et la ten sion. Cependant, à intensité constante, cela permet seulement d'avoir un couple résistant qui diminue autant que le couple d'entrée, alors qu'on veut qu'il diminue plus pour que l'ensemble puisse accélérer. De plus, en attendant que la vitesse de rotation ait augmenté, la puissance de sortie de la génératrice diminue (à la fois parce que sa puissance d'entrée diminue et parce qu'on prélève de l'énergie dessus pour permettre au système d'accélérer). Donc rien ne garantit que l'intensité va rester constante. Une première ébauche de solution consiste donc, transitoirement, soit à diminuer l'excitation plus que proportionnellement à la baisse du couple d'entrée, soit à diminuer l'intensité plus (mais moins longtemps) que ce qui se serait passé spontanément. Les avantages de la dernière option sont les suivants - elle permet une claire répartition des rôles : l'excitation de la génératrice est direc tement commandée par le couple d'entrée (mesurée par un capteur de contrainte), son seul rôle est l'ajustement des valeurs de fonctionnement à moyen terme, tandis que l'excitation du moteur à courant continu est affectée à la gestion des régimes transitoires (et que l'exci tation de (alternateur est affectée au contrôle de son retard sur le réseau, de telle manière que l'adaptation de la puissance transmise au réseau se fasse essentiellement par une variation de la tension de sortie et non pas par un déphasage, qui était à l'origine du risque d'oscillation décrit précédemment) ; - une faible augmentation de l'excitation du MCC, qui entraîne une augmentation proportionnelle de sa fe.m., se traduit par une forte diminution de l'intensité, d'où une diminution plus marquée du couple résistant, permettant une accélération plus rapide de la vitesse de rotation d'entrée, et donc un déficit moins grand d'énergie transmise au réseau (l'énergie étant calculée comme l'intégrale de la puissance par rapport au temps). Les inconvénients seraient quant à eux - que la puissance de sortie UI de la génératrice, qui inclut l'intensité I qui sert de variable de rétroaction, ne peut plus être utilisée comme variable d'entrée de la régulation, ce qui oblige à mesurer les écarts entre puissance désirée et produit du couple d'entrée et de la vitesse angulaire, ces deux grandeurs mécaniques devant donc préliminairement être converties en grandeurs électriques ; - que la régulation de l'excitation de (alternateur doit être très rapide, de manière à obtenir une baisse suffisante de la tension de sortie qui entraîne une diminution de l'intensi té transmise au réseau, de telle manière que couple moteur du MCC et couple résistant de (alternateur varient parallèlement, et que leur vitesse de rotation ne subisse quasiment aucune variation ; - qu'une variation rapide des intensités, et notamment de celle ( I ) qui circule entre la génératrice et le MCC, suppose une faible auto-induction des bobinages rotor de ces deux machines électriques (dans le cas contraire, c'est-à-dire si leur énergie magnétique était comparable ou supérieure à leur énergie cinétique de rotation, alors cette énergie magnétique pourrait jouer le rôle de réservoir d'énergie et être mis à contribution pour favoriser l'accélération rapide de la génératrice, facilitant ainsi le pilotage du système, y compris la gestion des régimes transitoires, par l'intermédiaire de son excitation). Dans l'hypothèse d'inductances faibles, il semble que les autres inconvénients puis sent être assez facilement résolus. Cette solution apparaît donc a priori la plus satisfaisante. C'est la raison pour laquelle elle est développée dans le schéma de la figure 3, qui intègre de plus le point suivant. c) Amélioration de l'asservissement par anticipation des besoins en puissance Ce qui était décrit plus haut comme une "ébauche de solution" peut être encore amélioré. Le besoin de régulation par l'ensemble MCC - alternateur peut en effet être réduit si le premier étage (réglage de l'excitation de la génératrice) permet d'anticiper les variations du couple, et d'obtenir une vitesse de rotation compensant à l'avance ces variations. Il y a en fait deux effets à combiner : un temps de réaction (T) du système d'asser vissement, qui introduit un retard, et le fait qu'à l'inverse, il serait utile que la vitesse soit en avance sur le couple (quand le couple diminue, il faut que la vitesse augmente, donc il faut un surcroît de puissance pour produire cette accélération, donc il faut que la vitesse angu laire soit supérieure au simple quotient P/T, donc il faut qu'elle soit déjà égale à la valeur que prendra un peu plus tard ce quotient). Cette vitesse angulaire risque donc d'être en retard de 't sur la valeur qui devrait être la sienne pour que la puissance de l'arbre soit égale à la puissance moyenne désirée, et l'é cart entre ces deux valeurs de wG est proportionnel à l'accélération angulaire et au moment d'inertie (intégré dans T). Il en est exactement de même pour l'écart que l'on voudrait introduire entre le quotient P/T à l'instant t et sa valeur, en avance, qui permettrait de tenir compte du surcroît de puissance nécessaire à l'accélération du système. Autrement dit, le type de correction qu'il faudrait introduire du fait que le système d'asservissement n'est pas parfaitement efficace (T # 0), est de même nature que le type de correction à introduire pour permettre d'anticiper la bonne valeur de la vitesse de rotation à atteindre. Or, le premier type de problème (T # 0) ne peut d'habitude être résolu que par des modifications de l'asservissement utilisant en temps réel les diverses variables disponibles, ce qui revient toujours, quel que soit le montage retenu, à "durcir" la réaction (T le plus faible possible), et accroît automatiquement les risques d'instabilité. A l'inverse, le second type de correction peut utiliser, non pas des variables mécani ques, électriques ou magnétiques mesurées en temps réel dans le système, mais une base de données permettant de prévoir l'état du couple une fraction de seconde plus tard. Une régu lation fondée sur une telle base de données, considérée comme un ensemble de paramètres extérieurs au système, ne risque pas de générer des instabilités comparables à celles qui résultent d'un asservissement trop dur. Ce type de régulation peut donc être utilisé pour permettre à la vitesse de rotation d'anticiper l'évolution du couple. Cependant, puisque les deux problèmes sont mathémati quement équivalents, elle peut aussi être mise à contribution pour régler l'autre problème, celui du temps de réponse i. On fait donc d'une pierre deux coups : on ajuste la puissance aux besoins d'accélération du système, et on améliore la qualité de l'asservissement sans accroître les risques d'instabilité. Un seul paramètre, i', somme des temps de réponse lié à ces deux problèmes, intervient. Seules des corrections très résiduelles (résultant en particu lier des différences entre l'évolution réelle du couple T et son évolution prévue) seront à prendre en compte par les régulations du MCC et de l'alternateur. d) Description du dispositif obtenu (Cf. fig. 3) Comme le montre la figure 3, la régulation se fait avec trois niveaux de données tout d'abord, des paramètres extérieurs, correspondant à la fois à la demande de puissance électrique, et aux sources thermodynamiques disponibles. De manière totalement indépen dante de l'asservissement que l'on étudie ici, on en déduit le fonctionnement souhaité des compartiments et des pistons, ce qui conduit, d'une part à adresser aux organes non direc tement concernés (commandes de débits d'eau, etc.) des ordres adéquats, et d'autre part à déterminer la courbe donnant le couple d'entrée T en fonction de l'avancement du cycle, donc (én convertissant cette dernière durée à l'aide d'une vitesse ajustée à l'aide du couple de manière à obtenir une puissance constante), T en fonction du temps t. Un second niveau de préparation de la régulation consiste : d'une part à utiliser des informations obtenues en temps réel sur l'état effectif du système (variables mécaniques d'entrée tOG et T, variables électriques U et I, pour en déduire la fe.m. et l'excitation de la génératrice, ainsi que la puissance d'entrée ; d'autre part à utiliser les données extérieures, ainsi que le couple réel d'entrée T, pour calculer les valeurs de référence de l'excitation de la génératrice (DG et de la puissance, qui serviront aux comparaisons finales. Enfin, on a les éléments classiques d'un asservissement : ces comparaisons, et l'ac tion qui en résulte sur le système. Pour la génératrice, il s'agit seulement de s'assurer que (DG a la bonne valeur qui, compte tenu des diverses anticipations incluses dans le terme i'.dT/dt, doit permettre le fonctionnement nominal du système. Si, pour une raison quelconque, (DG était inférieure à (DG,cible, il en résulterait une action positive sur (DG qui le rétablirait à sa valeur souhaitée. La commande de l'excitation du moteur à courant continu constitue le véritable asservissement du système. Si la puissance d'entrée est inférieure à la puissance nécessaire à l'alimentation du réseau et à l'accélération de l'arbre - génératrice, une action positive sur (DM aura pour conséquence d'augmenter la Ec.e.m. EM, donc de diminuer fortement I, puis le couple résistant de la génératrice, et de permettre l'accélération de cette dernière, qui rétablira la puissance d'entrée à la valeur souhaitée. L'asservissement de l'excitation de l'alternateur fonctionne comme suit : s'il perdait de son avance sur le réseau (qui lui permet de le "tirer"), une correction négative serait opé rée sur (D,It, d'où d'une part une baisse de la fe.m., se substituant au déphasage retard dans le rôle du vecteur de la plus faible transmission de puissance au réseau, et d'autre part une baisse du couple résistant, permettant transitoirement de relancer l'alternateur, et, à moyen terme, de permettre une adaptation durable à un régime de faible puissance, le tout sans s'éloigner encore plus du synchronisme, donc sans diminuer wM . 3. Démultiplication et minimisation des spécifications relatives aux engrenages Les dimensions du système (pistons de l'ordre de 1000 m2, course, et donc longueur des bielles de plusieurs dizaines de mètres) conduisent à attacher une attention particulière au système de démultiplication indispensable pour alimenter la génératrice. Un système bielle-manivelle classique impliquerait, sauf à ralentir encore la rotation avant de la réaccé- lérer, de disposer d'une pièce tournante et dentée (engrenage devant transmettre une force tangentielle de plusieurs milliers de tonnes, appliquée à intervalle réguliers à l'opposé de la même pièce) sur une longueur (cercle ayant pour diamètre la course du piston) de l'ordre de la centaine de mètres. On imagine le poids d'une telle pièce et le problème de sa sustenta tion. La solution retenue comprend un tel cercle denté, mais fixe, ce qui résout une partie du problème. La manivelle roule sans glisser soit à l'intérieur, soit à l'extérieur, de ce cercle (les avantages et inconvénients de ces deux solutions sont discutés plus loin). Le relative ment faible rayon de l'engrenage par lequel la manivelle est ainsi en contact avec le grand cercle fixe, assure une première démultiplication. Cependant, il faut trouver un moyen de transmettre ce mouvement jusqu'aux machi nes électriques. L'axe de la manivelle étant mobile, toute roue dentée solidaire de cette ma nivelle décrit une trajectoire complexe, et il est impossible de transmettre ce mouvement à une roue fixe, sauf si cette dernière avait comme axe l'axe général du système. Cependant, ceci impliquerait à nouveau l'existence d'une pièce, certes tournant plus vite donc ayant à transmettre des efforts plus faibles, mais quand même d'un diamètre comparable à la course du piston. De plus, du faible du roulement de son axe sur le premier cercle, l'encombrement total serait celui d'un diamètre pratiquement double. La solution (fig. 4 et 5) consiste à transmettre le mouvement, non pas à une roue ayant un axe fixe, mais un axe entraîné, comme celui de la manivelle, dans un mouvement de rotation autour de l'axe général du système, de période T (durée du cycle). Ainsi, la manivelle, roulant toujours sans glisser sur son grand cercle, entraîne à la fois une structure d'une longueur égale au rayon de ce grand cercle et tournant autour de son centre, et une roue dentée dont l'axe est maintenu par un roulement solidaire de cette structure. Après les deux premières démultiplications constituées par le roulement de la manivelle sur le grand cercle et par l'entraînement de cette petite roue dentée par une grande solidaire de la manivelle, on peut en avoir une troisième, une grande roue dentée solidaire de la petite roue précédente entraînant une nouvelle petite roue dentée dont l'axe tourne avec la même structure. Cette chaîne se continue jusqu'à ce que, d'une part, on se soit suffisamment rapproché de l'axe général du système pour finir par transmettre le mouvement à une pièce tournant effectivement autour de cet axe, et que, d'autre part, l'augmentation de la vitesse de rotation et la diminution du couple conduisent à des valeurs satisfaisantes pour la phase peut-être un peu plus délicate que constitue la transformation du mouvement autour d'axes verticaux, en un mouvement autour d'un axe horizontal, par l'intermédiaire d'un engrenage conique. La chaîne de démultiplication se poursuit enfin jusqu'aux machines électriques. Dans l'exemple illustré par les figures 4 à 7, toutes les roues dentées mobiles ont un rayon inférieur au tiers du rayon de la trajectoire de la manivelle, et supportent des efforts nettement inférieurs à ceux qu'aurait supportés une grande roue dentée tournante directe ment solidaire de la manivelle. Une partie importante du coût total ne résulte donc plus des roues mobiles, mais de la grande roue fixe, seule (à part sa vis-à-vis, solidaire de la mani velle, mais dont la longueur est nettement plus faible) à supporter les efforts les plus importants. Si la manivelle roule extérieurement sur cette grande roue dentée, on a, par rapport à leur point de contact, d'un côté (à l'extérieur) l'axe de la manivelle qui transmet la force communiquée par les bielles, et de l'autre côté (intérieur) la roue dentée, plus grande, qui entraîne les engrenages suivants. Ce contact, qui joue le rôle d'axe de rotation, est donc situé entre ces deux forces, qui s'ajoutent donc pour donner la réaction d'axe, c'est-à-dire l'effort exercé sur cette grande roue dentée. A l'inverse, si la manivelle roule intérieure ment, son axe et la transmission aux engrenages suivants se fait du même côté que le point immobile, ces deux forces sont de sens opposés, et se soustraient pour donner la réaction d'axe. Pour minimiser le coût de cette grande roue dentée fixe, il serait donc préférable que la manivelle roule intérieurement, car l'augmentation de longueur qui en résulte 2 ne com pense pas intégralement la diminution de coût résultant de la plus faible force tangentielle à supporter. Le raisonnement qui précède comporte une erreur : il fait un bilan des forces s'exer çant sur la manivelle et les différentes roues qui en sont solidaires, en en oubliant une. En effet, cette pièce entraine également la structure tournant avec une période T et qui porte les axes de tous les engrenages suivants. La force correspondante résulte principalement de la réaction d'axe du premier engrenage suivant, avec une réduction due au plus faible bras de levier de cet axe. Z On raisonne à reste du système constant, dont à course du piston constante, donc à rayon de la trajectoire de la manivelle constante. Si la manivelle roule à l'intérieur de la grande roue dentée, le rayon de cette dernière est donc supérieur au rayon de la trajectoire de la manivelle. Sur l'exemple illustré par la figure 6 et 7, cette force est égale aux 2/3 de la force transmise à cet engrenage suivant, et elle est de sens contraire. On en déduit divers résul tats, par exemple la démultiplication de la force (facteur 24, confirmé par l'étude cinéma tique (démultiplication en vitesse d'un facteur 24, et d'un facteur 384 en vitesse angulaire 0,5 tr/mn devient 3,2 tr/s. On peut surtout calculer la force tangentielle sur le grand cercle fixe : elle est égale à l,125 fois (9/8) la force transmise par la manivelle. Pour un même ensemble de roues, mais roulant à l'intérieur d'une grande roue dentée fixe de rayon environ égal à 16 m, et non plus à l'extérieur d'une roue de rayon 12,8 m, on trouve une démultiplication en vitesse de 30, une démultiplication en vitesse angulaire de 480 (0,5 tr/mn devient 4 tr/s), et un rapport de la force tangentielle sur la force transmise par la manivelle de 0,9, soit 80 % du cas précédent. Ainsi, l'écart entre les solutions "rotation intérieure" et "extérieure" est ramené au tiers de ce que l'on calculait par le raisonnement erroné précédent. Pour une même trajec toire et une même force exercée sur la manivelle (même fonctionnement : force et longueur de course, pour le piston), le produit de la force subie par le grand cercle et de son péri mètre est quasiment identique, que la manivelle roule extérieurement ou intérieurement. En ce qui concerne le coût de cette pièce, les deux solutions sont donc en fait pratiquement équivalentes. Deux autres critères jouent en sens inverse l'un de l'autre. D'une part, si la grande roue dentée fixe est extérieure à la manivelle (celle-ci roulant intérieurement), elle est éga lement en grande partie extérieure à la structure chargée de faire tourner tous les engrena ges avec la même vitesse de rotation, ce qui rend la conception de cette structure plus sim ple et accroît sa rigidité à quantité de matériaux constante. Mais, à l'opposé, le gaz moteur est, indépendamment des variations de températures qui sont à l'origine d'une force motrice (tangentielle à la roue dentée) supérieure à la force résistante de l'autre adiabatique du cycle, d'autant plus comprimé que son volume est faible. Il exerce donc une pression plus forte pendant la phase de chauffage que pendant celle de refroidissement, et, de manière générale, quand la bielle attaque la manivelle depuis l'exté rieur du grand cercle (piston en retrait) et non pas depuis l'intérieur (piston avancé). Il existe donc une composante normale de la force des bielles sur la manivelle, et cette composante normale est dirigée de l'extérieur vers l'intérieur. Il est donc plus naturel que la manivelle appuie sur le grand cercle denté fixe de l'extérieur vers l'intérieur, sauf à faire supporter par la réaction d'axe (donc par la structure qu'on voulait, au ≈précédent, ménager) cette force normale importante. Ceci correspond à une manivelle roulant extérieurement sur ce grand cercle, et c'est cette option qui, pour cette raison, a été retenue pour les figures 4 à 7. 4. Variante avec bielles excentrées par rapport à l'axe de la manivelle Un dernier point de comparaison tient aux effets respectifs sur ces deux systèmes, d'une position éventuellement excentrée de l'axe de la fixation des bielles sur la manivelle par rapport à l'axe de symétrie principal du reste du solide solidaire de la manivelle (Cf. fig. 9). Une telle position excentrée déforme la trajectoire originellement circulaire de l'axe des bielles, de telle manière qu'elle se rapproche de polygones (dont le nombre de côtés est égal, d'une part au nombre de compartiments et donc de bielles à connecter, et d'autre part, au quotient du rayon du grand cercle fixe, et du rayon de la roue dentée, solidaire de la manivelle, en contact avec ce grand cercle - pour cette raison, si l'on voulait conserver les avantages décrits au point précédent, ce nombre devrait être relativement élevé). Ceci pourrait présenter l'avantage d'élargir la plage de temps pendant laquelle la phase de chauffage peut se prolonger sans réduction importante du rendement thermodyna mique, l'idéal étant le cas du triangle (épicycloïde à trois pointes) obtenu par roulement intérieur sur le grand cercle. On peut alors obtenir une fraction du cycle pendant laquelle le volume reste très proche de sa valeur minimale, qui soit pratiquement égale à la moitié de ce cycle, ce qui est très avantageux car la durée du chauffage est le facteur limitant ; si la période n'est plus égale qu'au double de cette durée, au lieu d'être le triple ou le quadruple, la puissance, qui lui est inversement proportionnelle, est augmentée de 50 % ( x 3/2 ) ou de 100%(x4/2). Les inconvénients de cette solution sont cependant importants. Tout d'abord, pour une symétrie d'ordre trois, le meilleur effet est obtenu avec la manivelle roulant intérieu rement sur le grand cercle denté, ce qui, comme on l'a vu au point précédent, nécessite qu'une force maintienne cette manivelle contre ce grand cercle. D'autre part, on se trouve à l'opposé de la recommandation formulée deux ≈plus haut, selon laquelle le nombre de cô tés du polygone obtenu devait être élevé. En conséquence, les forces tangentielles agissant sur les différentes roues dentées seront, dans cette configuration, égales voire supérieures à celle subie par la manivelle, non seulement au niveau du grand cercle denté fixe, mais aussi au niveau des deux roues suivantes, qui ont chacune un diamètre égal à la moitié de la course du piston : on a donc, en ce qui concerne les pièces tournantes, des forces très supérieures à ce que l'on avait au point précédent, Enfin, le couple total produit a des variations très irrégulières au cours d'un cycle, et peut même devenir par instants négatif, ce qui va à l'encontre de l'objectif de régularité précédemment étudié. Ainsi, une telle solution ne semble envisageable que si : - les éléments dont le coût s'avère beaucoup plus élevé que prévu sont le bâtiment, le piston, les bielles et la source d'eau chaude, tandis que les engrenages et les volants d'inertie, même de très grandes dimensions et de hautes performances, restent d'un coût modeste ; - l'objectif n'est pas de produire un courant de qualité réseau, mais plutôt un courant continu tolérant d'assez fortes variations, par exemple pour une production en masse d'hydrogène accompagnant le déve loppement des piles à combustible. Le question peut aussi se poser d'un compromis entre la solution "tout circulaire" décrite au point précédent, et la solution "épicycloïde à trois pointes" décrite ci-dessus. Un tel compromis peut en théorie porter sur trois points : augmentation du nombre de côtés des "polygones", réduction de l'excentricité par rapport à l'axe de la manivelle, roulement extérieur au grand cercle denté fixe, et non plus intérieur. On peut cependant estimer que, dès que l'on s'éloigne de la solution triangulaire, la réduction des avantages est très rapide tandis que la réduction des inconvénients l'est moins. Par exemple, diviser l'excentricité par 10 ou 20 réduit dans des proportions comparables les avantages escomptés d'une solution polygoniale, mais ne rend rien de la liberté de fixation (à un niveau de préférence élevé) du premier rapport de démultiplication résultant du roulement sans glissement de la manivelle sur le grand cercle fixe. Ainsi, le seul véritable concurrent de la solution "tout circulaire" semble être l'épi cycloïde à trois pointes, décrite dans les figures 8 à 10 et dans les développements qui suivent La symétrie d'ordre trois permet d'associer un nombre quelconque de comparti ments, du moment que c'est un multiple de trois (en pratique, ce sera 3, 6 ou à la rigueur 9). Chaque groupe de trois compartiments, répartis à 120 et déphasés d'un tiers de période, a ses trois bielles reliées à une manivelle unique. Les une (pour 3 bielles), deux (pour 6) ou trois (pour 9) manivelles sont réunies en un vilebrequin vertical. Vues de dessus, sur le cercle de rayon r,, dont le centre décrit lui-même un cercle de rayon 2 r, elles sont réparties à 180 ou à 120 (CE fig. 10). L'utilité d'avoir 2 ou 3 jeux de trois compartiments et trois bielles, provient du fait que, pendant l'intervalle de temps non négligeable passé au voisinage d'une pointe de l'épi cycloïde (a fortiori si celle-ci a été transformée en boucle avec r, supérieur à r), aucun des trois compartiments ne travaille (ceci résulte du fait que la période de quasi-immobilisation du piston est, grâce à ces petites boucles, de l'ordre d'un demi-cycle, ce qui est une bonne chose pour le chauffage du gaz ; cependant, la période de poussée ne pouvant être égale qu'à la moitié du restant, on constate que trois fois un quart ne fait pas 100 %). Seul le tra vail d'un des compartiments du ou des autres jeux assure la continuité de la force motrice. A défaut, il faut prélever cette énergie sur de puissants volants d'inertie, et ceci ne suffirait pas pour mettre en oeuvre les procédés de régulation de la puissance décrits précédemment, fondés sur une augmentation de la vitesse de manière inversement proportionnelle au cou ple, remède naturellement inopérant quand le couple devient négatif. La fig. 9 décrit une possibilité de réalisation concrète de ce principe, qui inclut une deuxième roue dentée de rayon r, au centre du système (on pourrait aussi bien la remplacer par une structure tournante entramant dans son mouvement plusieurs étages de démultipli cation, comme au point précédent, mais avec des avantages moindres). Sa fonction est triple - en tournant sur elle-même sans se translater, elle contraint la roue dentée du vilebrequin à rester dans une couronne de rayons intérieur r et extérieur 3r, ce qui assure le maintien du contact avec le cercle extérieur, et donc la trajectoire quasi-épicycloïdale des articulations bielle-manivelle ; - toujours du fait qu'elle tourne sur elle-même sans se translater, contrairement au vilebrequin, elle permet d'en recueillir le mouvement et de le transmettre à un arbre horizontal ; - enfin, elle tourne deux fois plus vite que le vilebrequin, dont le mouvement de rotation (distinct de sa translation sur une trajectoire circulaire) était déjà deux fois plus rapide que le mouvement de l'articulation bielle-manivelle, lui même de période égale au cycle chauffage - détente - échappement - admission. Bien que s'écartant des principes étudiés au point 3, on a ainsi pris une avance d'un facteur quatre sur les démultiplications ultérieures. Le fait d'avoir deux, voire trois niveaux de manivelles, chacune ayant son jeu de biel les associées qui ne peuvent se heurter, impose que la poussée s'exerce nettement au-dessus de l'assise du vilebrequin, où a lieu la transmission de la puissance. Il peut en résulter un déséquilibre, les manivelles étant entraînées vers l'avant tandis que la base du vilebrequin serait retenue vers l'arrière. Il est donc utile de retenir aussi le vilebrequin par le haut. Ceci suppose l'existence d'un plafond rigidement lié au bâti, de toute manière utile compte tenu des tensions impor tantes auxquelles sont soumis les bâtis des cylindres sous pressions, et de l'intérêt de les renforcer, entre autres, en reliant les linteaux de leurs faces avant, qui forment un triangle, un hexagone ou un ennéagone. L'obtention d'une meilleure rigidité pour cet ensemble passe par la réalisation d'un treillis sur toute sa surface, qui constitue donc un plafond pour le dispositif précédemment décrit. Un simple contact, au niveau de ce plafond, entre de nouvelles roues dentées de rayons r et 3r, l'une solidaire du vilebrequin et l'autre du bâti, résout à moitié le problème, retenant le vilebrequin du côté extérieur mais pas du côté intérieur, et transformant la contrainte de basculement vers l'avant décrite plus haut, en contrainte de torsion du vilebrequin. Un véritable équilibrage consiste donc à recueillir dans le plafond une partie de la puissance produite par le système. La fig. 9 propose une solution en ce sens. Le vilebrequin est prolongé, vers le haut, et terminé par un picot de même axe, ce qui lui assure un mouve ment de translation circulaire de rayon 2r. Par l'intermédiaire d'une roue roulant sans glisser à l'intérieur ou à l'extérieur d'une piste pratiquée dans le plafond défini ci-dessus, il peut entraîner, soit une structure tournante avec plusieurs étages de démultiplication comme dans le point précédent, soit un grand cercle avec une vitesse angulaire (par rapport à l'axe central du système) à peu près double de celle de l'axe du vilebrequin. Ce grand cercle entraîne lui-même un axe rejoignant, par l'intermédiaire d'une des six colonnes soutenant le plafond, l'arbre de sortie de la puissance à la base du système. De nombreuses géométries sont possibles, comme pour la transmission de la puissance à la base du système. Celle de la fig. 9 a été choisie de manière à éviter toute transmission de couple à un arbre horizontal, avant la descente par l'arbre situé dans une colonne. De plus, le doublement de vitesse angulaire par rapport à celle de l'axe du vilebre- quin, divise par deux le couple à transmettre, donc la résistance mécanique attendue du grand cercle. Cette solution peut éventuellement avoir comme conséquence de rendre superflues les autres adaptations représentées sur la figure 9 et destinées à réduire la fatigue de la structure centrale et des engrenages : le fait d'utiliser deux niveaux de contact sans glis sement ; et le fait de rajouter un autre cylindre symétrique de celui portant le vilebrequin, mais étant dépourvu lui-même de manivelle (on pourrait imaginer que chacun de ces cylindres porte une manivelle, par exemple pour mieux répartir les efforts ; cependant, l'axe de la manivelle liée au jeu de bielles supérieur serait balayée par les bielles inférieures. La solution proposée en fig 9 résulte du fait que, comme pour la solution du tir par le centre de l'hélice pour les anciens avions de chasse, la seule zone qui n'est pas balayée par les bielles et qui peut donc assurer la liaison avec le jeu suivant, est celle qui se trouve à l'intérieur de la manivelle). La rigidité du vilebrequin lui-même est obtenue grâce à un élargissement important des manivelles, notamment de celle inférieure. Bien que cela puisse conduire à ce qu'elles débordent du reste du dispositif de recueil de la puissance mécanique, il n'y a pas de problème d'encombrement tant que leur rayon reste inférieur à 1,5 r, car elles rentrent (cercle grisé sur la fig. 10 qui, comme la fig. 9, correspond au cas le plus défavorable) là où le piston ajustement reculé pour revenir à sa position la plus en retrait, et car la forme en "point de rebroussement" des épicycloïdes leur permet de ressortir par là où elles sont entrées sans se déplacer transversalement, donc en respectant les structures de guidage des pistons. Pour les différents roulements, on a classiquement deux options : soit les billes ou rouleaux mettent directement en contact les deux pièces à relier, avec cet inconvénient qu'elles ne sont fixes par rapport à aucune de ces deux pièces et qu'il en faut donc un cercle complet, soit les mêmes billes ou rouleaux sont montés sur un axe lui-même lié à une des deux pièces par un roulement à billes plus petit. Dans les deux cas, il apparaît difficile d'assurer un contact direct (à l'aide d'un seul roulement) entre le bâti et la base du vilebrequin, dont la trajectoire est épicycloïdale. Ce mouvement étant la composition de deux mouvements de rotation, la solution consiste à interposer une pièce ayant un seul de ces mouvements. Cette pièce est l'anneau elliptique plat de la fig. 9, bien visible sur la vue de dessus, et qui est bien en rotation de période T par rapport au bâti, le vilebrequin étant en rotation de période T/2 par rapport à lui (cet anneau assure par ailleurs un guidage supplémentaire de la base du vilebrequin, garantis sant que son axe décrit bien le cercle de rayon 2r). C. Usine à turbines Le principal avantage de l'utilisation de turbines est que le mouvement mécanique produit devrait atteindre d'emblée des vitesses de rotation de l'ordre du tour par seconde, donc cent fois plus élevées que pour les systèmes à piston décrits précédemment, d'où des efforts (couples, forces) beaucoup plus faibles, et un besoin de démultiplication réduit. Par ailleurs, on dispose maintenant d'une totale liberté pour fixer les durées relatives des diffé rentes phases du cycle (échanges thermiques à volume qui peut maintenant être rigoureu sement constant, et deux déplacements adiabatiques qui - c'est la seule contrainte - doivent être de durées égales), ce qui résout le dilemme décrit plus haut, entre tentative de chauffa ge à volume constant et de maîtrise de ces durées respectives (trajectoire épicycloïdale), et dispositif moins sophistiqué (trajectoire circulaire). Par contre, les forces de frottement internes au gaz ou au contact gaz-turbine font chuter le rendement de cette transformation travail du gaz / travail mécanique. Mais le ren dement thermodynamique (transformation de la chaleur de l'eau en travail du gaz) peut être relevé, car on peut optimiser chaque écart de température entre eau chaude et gaz à chauf fer, par une circulation d'eau prenant à rebours l'avancée du cycle (Cf. fig 10). Le fait que le chauffage se fait à volume parfaitement constant contribue également à relever ce rendement. Le cas de l'utilisation d'air chaud et humide à pression atmosphérique, provenant de l'extérieur (admission), refroidi à volume constant par des douches à eau froide, produisant un travail moteur d'aspiration de l'air extérieur, à travers les turbines, puis expulsé (échap pement) une fois que sa pression est remontée au niveau d'une atmosphère, n'appelle pas ici d'autres commentaires que ceux qui avaient été faits précédemment (pages 11 et 12). En particulier, on a plusieurs compartiments déphasés les uns des autres de manière à ce que l'ensemble absorbe en continu de l'air chaud et produise en continu de la puissance (par ailleurs, il utilisera en continu de l'eau froide). Dans le cas d'un gaz effectuant un cycle fermé, on utilise également plusieurs turbines, mais chacune est réglée pour fonctionner en permanence entre un segment de l'adiabatique motrice et un segment de l'autre adiabatique. Physiquement, elle se situe entre deux réservoirs de gaz dont les pressions sont constamment comprises dans les limites de ces segments, et ce sont ces réservoirs qui sont connectés successivement, par l'intermé diaire d'un "barillet", avec les différents compartiments, au fur et à mesure que leurs états de pression conviennent. Un schéma d'ensemble est représenté sur la figure 11. Les compartiments sont ici disposés en "parts de gâteau" d'un ensemble ayant la forme d'une couronne, ce qui est la géométrie la plus naturelle et sans doute à peu près la plus efficace. Les états successifs des compartiments tournent dans le sens des aiguilles d'une montre : à T/N plus tard, alors que peu de fluide moteur se sera physiquement déplacé, la figure donnera l'impression d'avoir tourné de 360 / N dans le sens horaire, car chaque compartiment aura évolué pour prendre l'état initial de son voisin. Le nombre de compartiments est plus élevé que pour les systèmes à pistons. En effet, dans ce dernier cas, les limitations provenaient de la nécessité de relier toutes les bielles à la même manivelle, et de la constitution délicate du piston lui-même et de son contact (mobile, sous pression mais devant rester étanche) avec le bâti. Ici, ce problème ne se pose plus. On pourrait avoir une difficulté équivalente, sous la forme du "barillet" mobile distribuant les gaz sous pressions variables des différents compartiments, aux différentes turbines. Mais sa réalisation technique pourrait être plus facile que celle des pistons. A défaut, ce barillet peut ne pas être constitué précisément de deux cylindres percés d'un grand nombre de trous et tournant l'un dans l'autre de telle manière que ces trous viennent en coïncidence, mais être éventuellement remplacé par un système donnant le même résul tat mais constitué d'un grand nombre de vannes plus classiques. Les circulations d'eau sont représentées à l'extérieur de la figure. Le refroidissement est plus rapide que le chauffage, pour lequel un bon rendement thermodynamique est re cherché. Le nombre de turbines est de l'ordre du quart par rapport au nombre N de compartiments. En termes de construction, le fait que N soit élevé ne pose pas de gros problèmes. En effet, chacun des compartiments est dans l'état (pression, température) où se situait son voisin T/N plus tôt, donc, en ce qui concerne la paroi qui les sépare, les spécifications de tenue à la pression et d'isolation thermique sont réduites par rapport à l'enveloppe externe qui, elle, a les mêmes caractéristiques que pour l'usine à pistons. Le fluide caloporteur (en général de l'eau) passe de compartiment voisin en compar timent voisin. L'eau chaude commence par chauffer le compartiment déjà le plus chaud, puis dans celui qui n'est pas encore tout à fait chaud, et ainsi de suite, en tournant dans le sens de rotation des états des compartiments (sens inverse du cycle tel que décrit par les différents compartiments), jusqu'au premier à chauffer. De même pour l'eau froide, mais, a priori, de manière plus brutale, donc en moins d'étapes, si la circulation d'eau froide est plus abondante (l'eau chaude est supposée nettement plus chère que l'eau froide) Au centre, sont représentés de manière schématique deux "barillets" de distribution de la pression de gaz. Le barillet le plus détaillé est le distributeur amont (hautes pressions), le plus schématisé est celui d'aval. Ils sont reliés par des ensembles identiques constitués chacun d'un réservoir à haute pression, d'une turbine et d'un réservoir à basse pression. Grâce aux barillets, tout au long du déroulement du cycle dans les compartiments, la tur bine supérieure sera toujours alimentée par un réservoir connecté à un compartiment à peu près à 1,5 atm, et le gaz retournera à environ 1,32 atm. De même, la turbine inférieure travaillera toujours à peu près entre 1,26 atm et 1 atm. Le déroulement du cycle (états successifs d'un compartiment au cours du temps) peut se lire, à un instant donné, en examinant les différents compartiments dans le sens in verse de la rotation de leurs états, donc dans le sens inverse des circulations d'eau. En partant, en bas, d'un point de départ à 1 atm et 22 , on a la phase de compression adiabati que (pas de circulation d'eau, donc pas de flèches dans les tuyaux symbolisés à l'extérieur) jusqu'à 1,32 atm3 et 43 . Toujours dans le sens trigonométrique, on a ensuite, en remontant le courant d'eau chaude, le chauffage isochore : la pression augmente moins rapidement par rapport à la température, jusqu'à atteindre respectivement 1,5 atm (dont environ 0,1 atm de pression de vapeur d'eau) et 71 , un peu à gauche du haut du schéma. De ce même compartiment part la première sortie de gaz (tuyau vers l'intérieur de la figure, en doubles pointillés), ce qui correspond au début de la détente motrice ; cependant, sur deux compartiments, celle-ci se combine à une poursuite du chauffage (jusqu'à l'entrée d'eau à 78 ), de manière à obtenir l'écrêtage de la pression. On a ensuite la détente motrice adiabatique, en descendant à gauche sur le schéma (de 1,5 atm et 74 jusqu'à 1,26 atm et 67'), et enfin, le refroidissement à l'eau froide, et retour au point de départ. Les entrées et sorties d'eau sont figurées à l'extérieur. Le long contour inférieur correspond à un léger prélèvement à la sortie du circuit d'eau froide destiné à compenser l'évaporation d'eau chaude (éventuellement salée) qui, à la sortie du circuit d'eau chaude, entraîne un déficit d'eau et une augmentation de la salinité, alors que la vapeur est conden sée par l'eau froide. Ce prélèvement est donc renvoyé, avec la sortie du circuit d'eau chaude, vers la source chaude. La dernière caractéristique de ce schéma est que, pour la commodité de la descrip tion du cycle ci-dessus, certains compartiments correspondent très précisément aux "angles" de ce cycle, ce qui n'est vrai qu'aux instants de commutation des connections (barillets et circulations d'eau). Les flux représentés sont, en fait, soit ceux existant juste avant ces con nections, soit juste après. Il en résulte une légère erreur sur cette figure, le nombre de flux correspondant au nombre de poteaux et non au nombre d'intervalles. Ainsi, on a huit turbi nes alors que les phases de détentes ou de compression comportent, ici, huit comparti ments, c'est-à-dire huit poteaux, qui ne délimitent que sept intervalles. De même pour les connections en eau chaude ou froide. *Les deux adiabatiques étant, surtout en l'absence de condensation d'eau, à peu près parallèles, on peut faire correspondre segment à pression élevée de l'une et segment à pression élevée de l'autre, et réciproquement. Toutes les turbines fonctionnent donc à peu près sous la même différence de pression, et peuvent être construites sur le même modèle. Le recueil et la "synthèse" de la puissance des turbines peut alors se faire de deux manières différentes. Soit mécaniquement, les turbines étant reliées à un même arbre en rotation, voire alignées sur cet arbre, qui entraîne une génératrice. Soit électriquement, chaque turbine étant reliée à une génératrice, lesquelles sont reliées entre elles, en parallèle (ce qui suppose une bonne harmonisation de leurs vitesses de rotation), ou en série (uniformisation des couples moteurs). On peut aussi avoir des combinaisons de ces différents couplages trois génératrices recevant chacune la puissance mécanique de deux turbines ; génératrices couplées partiellement en série et partiellement en parallèle, etc.. Cependant, on ne peut empêcher qu'entre sa connection à un nouveau comparti ment, et la fin de la portion de cycle correspondant à ce compartiment, la pression appliquée à la turbine diminue. En ce qui concerne le risque que ces transitions génèrent dans le système des ondes de chocs, on y remédie d'une part en choisissant un nombre de compartiments élevé, et d'autre part en reliant les compartiments aux réservoirs de gaz sous pression par l'intermédiaire de conduits dont la géométrie s'inspire des mêmes principes que les pots d'échappement. En ce qui concerne les effets sur la puissance des turbines, on réduit le problème de 50 % en ne synchronisant pas, mais au contraire en espaçant de T/2N, la connection du réservoir à haute pression avec celui à basse pression. Cependant, ce déphasage ainsi possi ble entre l'ensemble des compartiments à haute pression et l'ensemble des compartiments à basse pression, n'est pas possible à l'intérieur de chacune de ces deux catégories : tous les réservoirs haute pression doivent basculer en même temps, et de même pour ceux en aval. Pour lisser la puissance produite et éventuellement alimenter un alternateur de qua lité réseau, on peut a priori imaginer d'utiliser les mêmes concepts que ceux qui sont décrits pour l'usine à piston et représentés en figure 3 (pilotage de la génératrice par l'intermédiaire de son excitation, de telle manière que couple d'entrée anticipé et vitesse angulaire d'entrée varient inversement proportionnellement l'un de (autre ; affinage de ce résultat par action sur l'excitation du moteur à courant continu, proportionnelle à la différence entre la puissance d'entrée et la puissance souhaitée ; asservissement de l'alternateur de manière à ce que les éventuels déficits de puissance en provenance de l'amont se répercutent sur la valeur de la tension de sortie et non pas sur son déphasage). Cependant, la condition qui avait conduit à cette solution était que la force exercée sur les pistons était indépendante de leur vitesse, elle-même intégralement contrôlée par le mouvement des pistons. En ce qui concerne les turbines, leur vitesse de rotation, qui n'est liée au débit de gaz par aucune relation directe, a certainement un effet sur le couple, et le débit dépend au moins autant de la différence de pression entre les deux extrémités de la turbine que du couple résistant que les machines électriques exercent sur cette dernière. Ceci peut rendre le mode de régulation décrit précédemment assez difficile à mettre en aeuvre. Il se peut cependant aussi qu'il existe des points de fonctionnement, par ailleurs intéressants, tels que, à différence de pression constante, une diminution de la vitesse de rotation entraînerait une forte augmentation du débit et donc du couple. Dans ce cas, il serait possible de réagir à la diminution de différence de pression, non pas en diminuant, mais au contraire en augmentant l'excitation de la génératrice, ce qui augmenterait le cou ple résistant, diminuerait la vitesse de rotation de la turbine, provoquerait une augmentation de son débit en dépit de la diminution de différence de pression, et produirait finalement le couple nécessaire à une puissance constante. A défaut, on peut utiliser soit une soupape réelle (conduit modulable branché en parallèle sur la turbine, qui stabilise la pression et donc la puissance), soit une "soupape électrique", selon le principe suivant : une partie de la puissance de la génératrice à courant continu est utilisée pour alimenter de gros ou moyens électrolyseurs (alumine, chlorure de sodium fondu, eau). Un prélèvement ou un renvoi sur cette réserve, sous forme d'une réduction ou d'une augmentation du prélèvement (en intensité ou en tension) dédié à ces électrolyseurs, permet de stabiliser de manière rustique mais efficace la puissance électri que destinée au réseau. L'isolation thermique vers le sol peut, sans inconvénient majeur, être réduite à une jupe circulaire isolante au pourtour du bassin solaire, d'une dizaine de mètres vers le bas, stoppant les fuites latérales, dispensant d'une isolation horizontale sous le capteur, puisque les flux de chaleur dans cette direction peuvent être considérées comme du stockage à long terme plutôt que comme des pertes. Addenda 1 - Calculs explicatifs des résultats relatifs aux planches 6 et 7. et cités page 29 de la présente description rs=0,9m;r'4=3m;r4=lm:e3=3,6m;r3=1,2m;r'2=4,7m;r2=1,5667m=r'2/3; ri =r5+r'4+r4+r'3+r3+r'2-r2= 12,8333 m (toutes les roues ont un rayon extérieur triple de leur rayon intérieur) - Calcul de forces Les forces sont celles subies par chaque solide : P de la part du précédent (celui à sa droite), S de la part du suivant, R de la part de l'axe solidaire de la structure tournante, M de la part de la manivelle). En tant qu'action et réaction, on a, en sens opposés, P4 = S3 et P3 = S2. La démultiplication étant d'un facteur 3 à chaque fois, on a S4 = P4/3 = R4/4 et S3 = P3/3 = R3/4. En ce qui concerne le solide d'indice 2, on a un facteur 2 par rapport au contact dans glissement avec le bâti, et quatre forces, d'où : S2 = (M-R2)/2 = P2/3. Enfin, le théorème des moments appliqué à la structure tournante par rapport à l'axe principal du système (celui de gauche), donne R2*(r5+r'4+r4+r'3+r3+r'2)=R3*(r5+r'4 +r4+r'3)-R4*(r5+r'4) 14,4 R2 = 8,5 R3 - 3,9 R4 = 34 S3 - 5,2 S3 = 28,8 S3 , d'où R2 = 2 S3 = 2 S2/3, et S2 = (M- 2S2/3)/2, soit M = 8 S2/3 = 8 S3 = 24 S4, résultat cohérent avec le facteur de démultiplication en vitesse calculé à la page suivante V'4/V =l7,28 / 0,72 = 24 Le paramètre important pour le dimensionnement du système est P2/M = 3S2/(8 S2/3) = 9/8. Pour un même ensemble de roues, mais roulant à l'intérieur d'une grande roue dentée fixe de rayon 15,9667 m, et non plus à l'extérieur d'une roue de rayon 12,8333 m, on trouve une démultiplication en vitesse de 30, une démultiplication en vitesse angulaire de 480 (0,5 tr/mn devient 4 tr/s), et un rapport P2/M = 3S2/(10 S2/3) = 9/l0 - Calcul de vitesses w = 50 .10"3 rads V=(rs+e4+r4+f3+r3+e2).w=0,72m/s V'2= 2 V =1,44 m/s V3 = (r5 + r'4 + r4 + r'3) . w = 0,425 m/s V'3= 4v3 + 3v'2 = 6,02 m/s V4 = (r5 + r'4) . w = 0,195 m/s V'4= - 4 V4 + 3V'3 =17,28 m/s Facteur de démultiplication en vitesse : 17,28 / 0,72 = 24 w5 = V4/ r5 = 19,2 rads Facteur de démultiplication en vitesse angulaire : 19,2 / 0,05 = 384 1 tour en 2 mn environ devient 3,2 tr/s. Pour un même ensemble de roues, mais roulant à l'intérieur d'une grande roue dentée fixe de rayon 15,9667 m, et non plus à l'extérieur d'une roue de rayon 12,8333 m, on trouve une démultiplication en vitesse de 30 et une démultiplication en vitesse angulaire de 480 (0,5 tr/mn devient 4 tr/s). REVENDICATIONS 1) Dispositif de production d'énergie mécanique ou d'électricité, sans contribution à l'effet de serre, caractérisé en ce que: le fluide moteur est un gaz, insoluble dans le liquide qui constitue la source froide (en principe de l'eau, douce ou salée), disponible en assez grandes quantités, qui est chauffé grâce à des sources de cha leur à relativement basse température (faible écart avec la source froide) mais faible coût, puis refroidi à volume constant par propulsion en son sein de goutte lettes du liquide source froide, créant ainsi une différence de pression de l'ordre de 0,1 atm dans de vastes compartiments, le travail étant recueilli sous forme de diminution de volume faisant suite à ce refroidissement ; 2) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la source chaude est constituée à peu près du même liquide que la source froide, en ce que le même mode d'échange thermique (pulvérisation de ce liquide, dont une partie peut éventuellement être vaporisée au sein du gaz) permet le chauffage du gaz moteur, en ce que celui-ci effectue un cycle fermé, et en ce qu'une deuxième source de puissance motrice résulte de la détente du gaz ainsi chauffé jusqu'à son refroidissement précédemment décrit, le travail produit en un cycle se mesurant, indépendamment des détails du fonctionnement, par l'aire du cycle en coordon nées P,V ; 3) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la détente peut commencer avant la fin du chauffage, ce qui permet d'écrêter la courbe de pres sion et de réduire les spécifications de résistance à la pression. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est de l'eau salée chauffée selon la technique connue sous le nom de "bassins solaires" ("solar ponds"). 5) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'amélioration du comportement de la surface des bassins solaires peut résulter de l'existence d'ondes se propageant à la surface ou d'une couche supplémentaire d'isolant thermique, antireflet et/ou antiévaporation. 6) Dispositif selon l'une des deux 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 du bassin solaire, d'une dizaine de mètres vers le bas, stoppant les fuites latérales, dispensant d'une isolation horizontale sous le capteur, puisque les flux de chaleur dans cette direction peuvent être considérées comme du stockage à long terme plutôt que comme des pertes. 7) Dispositif selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé 'en ce que l'eau chaude est récoltée au fond des bassins solaires à l'aide de gros tuyaux percés, balayant des secteurs angulaires, solidairement avec des dispositifs per mettant, à diverses hauteurs, le retour d'une partie de l'eau tiédie et enrichie en sel du fait de son évaporation partielle dans l'usine, et l'adjonction d'un peu d'eau de mer ayant servi de source froide dans l'usine et ainsi légèrement réchauffée. 8) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les paramètres (hauteur, éventuels mélanges) de la réinjection de l'eau enrichie en sel et de l'eau de mer nouvelle sont modulables (dès lors qu'en moyenne, on remette autant d'eau et de sel qu'on en prélève) en fonction du temps ou d'autres choix de gestion, notamment la possibilité d'utiliser un bassin de préchauffage dont l'eau alimente, par le fond, un bassin à plus haute température. 9) Dispositif selon les revendications n 4, 5 ou 6 caractérisé en ce que l'eau chaude du bassin solaire est récoltée par simple et lent déplacement d'un bord à l'autre, étant poussée (soit par des pales sous-marines, soit par une différence de pres sion entre points de départ et d'arrivée) d'un réservoir de départ à un réservoir d'arrivée, cet ensemble pouvant éventuellement stocker une quantité importante de chaleur en échangeant du volume par l'intermédiaire de parois repoussant d'un côté (et lui laissant la place de l'autre dans des quantités équivalentes) de l'eau à température constante, qui effectue dans de gros tuyaux fixes le trajet opposé à celui de la couche de fond du bassin solaire. 10) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche de fond à mettre en mouvement est isolée mécaniquement des couches supérieures à l'aide de grandes feuilles de plastique, repliables en accordéon, de manière à ce qu'une fois dépliées dans l'eau, la marque des plis subsiste, les plis supérieurs et éventuellement inférieurs se fixant à des fils tendus entre des piquets, et les plis inférieurs recueillant les poussières, grains de sable, etc., qui peuvent perturber le fonctionnement des bassins solaires 11) Dispositif selon la revendication n 2 ou 3, caractérisé en ce que le chauffage de l'eau (salée ou non) résulte de l'utilisation de l'énergie géothermique. 12) Dispositif selon la revendication n 2 ou 3, caractérisé en ce que le chauffage du liquide caloporteur (eau, salée ou non, ou autre liquide) résulte de l'utilisation de la chaleur de source froide des centrales électriques thermiques ou nucléaires. 13) Dispositif selon la revendication n 1, caractérisé en ce que la source chaude résulte de la combinaison de tout ou partie des trois mécanismes que sont : une circulation d'air au moyen de larges et lents ventilateurs, sous de simples filets, permettant de récupérer la chaleur solaire captée par des panneaux noirs situés au sol, légèrement inclinés et surélevés ; la même circulation, sous vitres créant un effet de serre ; un passage de l'air au-dessus d'un bassin solaire dont le structure de salinité ne serait pas anticonvective, facilitant les échanges avec le flux d'air situé au-dessus. 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour lisser la puissance produite et éventuellement alimenter un alterna teur de qualité réseau situé en aval d'une génératrice et d'un moteur à courant continu, il est possible, selon les principes détaillés dans la figure 3 : de moduler, par l'intermédiaire de l'excitation de la génératrice, la vitesse angulaire d'entrée, sa valeur cible étant égale à la puissance moyenne souhaitée divisée par le couple anticipé, y compris de manière à compenser le temps de réponse i non nul du système ; d'assurer ce résultat par action sur l'excitation du moteur à courant continu, proportionnelle à la différence entre la puissance d'entrée et la puissance souhaitée, entraînant une action de grande ampleur donc de faible durée sur l'in tensité circulant entre la génératrice et le moteur ; et enfin d'asservir l'alternateur de manière à ce que les éventuels déficits de puissance en provenance de l'amont se répercutent sur la valeur de la tension de sortie et non pas sur sa phase. 15) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détente (largement adiabatique) du gaz moteur consiste à pousser de grands pistons (et réciproquement, le retour de ces pistons correspond à une compression adiabatique, consommatrice de travail), qui transmettent, par l'inter médiaire de grandes bielles, leur force à une ou plusieurs manivelles solidaires entre elles et entraînant la première roue dentée d'une chaîne de démultiplication nécessaire à la transformation ultérieure de cette puissance motrice en puissance électrique. 16) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première démultiplication est constituée par le roulement sans glissement (intérieur ou extérieur) de la manivelle sur une grande roue dentée fixe ayant un diamètre de l'ordre de la course du piston, et devant supporter des forces tangentielles compa rables à celle transmises par les bielles, tandis que la suite de la chaîne de démul tiplication est constituée d'engrenages dont les axes, indépendamment de leur propre rotation, sont entraînés par une structure tournant autour de l'axe principal du système avec une période égale à la durée du cycle, de telle sorte que la transmission du mouvement se fait, d'un engrenage à l'autre, de l'extérieur vers l'axe de rotation de cette structure, jusqu'à un arbre de même axe (l'axe général du système), et ceci sans qu'il soit nécessaire qu'aucun de ces engrenages n'ait de dimension trop grande ni n'ait à supporter d'efforts trop importants. 17) Dispositif selon la revendication n 15, décrit par les figures 8 à 10 et caractérisé par le fait que les articulations bielles-manivelles décrivent des trajectoires quasi- épicycloïdales à trois pointes, dont un des côtés est assimilable à un arc de cercle et permet une quasi-immobilité du piston pendant la phase de chauffage de l'air, qui peut ainsi se dérouler pendant un tiers à une moitié d'un cycle, la puissance produite par trois compartiments disposés à 120 et déphasés d'un tiers de pério- de, étant transmise par trois bielles à la même manivelle, puis à un vilebrequin vertical solidaire d'une piste (ou roue dentée) circulaire et horizontale roulant sans glisser à l'intérieur d'un cercle fixe de rayon triple, et enfin (éventuellement par l'intermédiaire d'une démultiplication comparable à celle de la revendication n 16), à une pièce d'axe vertical situé au centre du dispositif, seule capable d'en traîner un arbre horizontal et, in fine, des machines électriques. 18) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le vilebrequin vertical décrit précédemment et dont l'axe suit le cercle de rayon 2 r, réunit n manivelles réparties autour de cet axe, sur un cercle de rayon r,, selon des angles de 3601 / n. 19) Dispositif selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, caracté risé en ce que le vilebrequin est prolongé vers le haut, et terminé par un picot de même axe, donc décrivant un mouvement de translation circulaire de rayon 2r qui lui permet, par l'intermédiaire d'une roue roulant sans glisser à l'intérieur ou à l'extérieur d'une piste pratiquée dans le plafond d'entraîner, soit un système de démultiplication en structure tournante tel que celui décrit à la revendication n 15, soit un grand cercle avec une vitesse angulaire (par rapport à l'axe central du système) à peu près double de celle de l'axe du vilebrequin, ce grand cercle entraînant lui-même un axe rejoignant, par l'intermédiaire d'une des colonnes soutenant le plafond, l'arbre de sortie de la puissance à la base du système ; 20) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les variations de volume du gaz, fluide moteur, se font par flux de gaz à travers des turbines construites selon le principe des turbines à vapeur, mais pour des différences de pression et des vitesses de fluide beaucoup plus faibles, une taille nettement plus grande permettant cependant au débit d'être important. 21) Dispositif selon la revendication précédente en tant qu'elle se réfère à la reven dication n 2 ou à l'une quelconque des revendications précédentes qui en dépen dent, caractérisé en ce que le gaz fluide moteur est réparti dans un grand nombre N de compartiments, qui passent successivement dans les différents état du cycle thermodynamique, chacun étant en retard d'un Né" de période sur son voisin, un système de commutation (barillet ou vannes classiques) mettant régulièrement en contact par l'intermédiaire des turbines un compartiment en état de détente mo trice et un compartiment en état de compression adiabatique, les compartiments en phase de chauffage ou de refroidissement étant quant à eux parcourus par des flux de liquide caloporteur entrant par le compartiment le plus proche de leur température initiale et traversant ensuite successivement les autres compartiments à faire évoluer thermiquement, jusqu'à celui dont la température est la plus proche de celle de leur retour à la source chaude ou froide ; 22) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on fait cor respondre segment à pression élevée de la phase de détente motrice et segment à pression élevée de la phase de compression adiabatique, et de même pour les phases à pression faible, de telle sorte que toutes les turbines fonctionnent à peu près sous la même différence de pression, et puissent d'une part être construites sur le même modèle, et d'autre part aisément reliées (mécaniquement ou électri quement) lors de la phase de collecte de la puissance produite. 23) Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que le problème résultant de la baisse de la différence de pression entre comparti ments d'amont et d'aval est réduit de moitié si on ne synchronise pas, mais qu'au contraire on espace de T/2N, la connection de l'ensemble des réservoirs à haute pression et celle des réservoirs à basse pression.