Brevet FR2811017A1 — publié le 20020104

-1 - La présente invention concerne un moteur thermique à combustion externe fonctionnant à basses températures (proches aux températures ambiantes). Le moteur peut être utilisé pour la production d'énergie électrique en utilisant les énergies renouvelables et notamment l'énergie solaire thermique. Le moteur thermique présenté permet d'exploiter les caractéristiques physiques du gaz carbonique contenu dans un circuit fermé pour la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique. Les caractéristiques physiques du gaz carbonique à des densités déterminées permettent de dégager des très importantes pressions pour des faibles variations de températures dans un intervalle de températures autour de son point critique (30,92 C). Cette propriété du C02 nous permet d'utiliser comme source chaude externe, à part les différents types de combustibles classiques, I'énergie solaire par le moyen d'un collecteur solaire thermique dans lequel un fluide peut facilement être chauffé à une température entre 70 et 80 suffisante pour obtenir des importantes pressions de travail. Des autres caractéristiques " écologiques " de la présente invention sont absence d'émissions de produits polluants et la réduction des nuisances sonores. En relation à l'état de la technique actuelle le moteur thermique objet de la présente invention ne doit pas être confronté avec les moteurs utilisés aujourd'hui à combustion interne qui présentent des performances techniques bien plus importantes (même si avec les problèmes connus au niveau environnementale). Il faut encadrer la présente invention dans un système écologique global d'exploitation des énergies renouvelables pour la production d'électricité. Dans ce cadre le moteur proposé présente des innovations et peut ouvrir des pistes de recherche dans le champs de la production d'énergie électrique à travers un système plus diffus sur le territoire comme il se produit aujourd'hui avec l'éolien et le photovoltaïque. Le premier but de la présente invention est donc de obtenir une production d'énergie électrique avec un système à bas coût et respectueux de l'environnement en utilisant des ressources renouvelables y comprise l'énergie solaire: une machine simple et solide apte à fonctionner à des pressions très élevées, à tourner en continuum à travers un système thermodynamique économe en énergie primaire et à exploiter les caractéristiques physiques du dioxyde de carbone permettant de fournir énergie mécanique à des basses températures. Pour réaliser ces objectifs, dans un premier mode de réalisation qui représente sa forme la plus synthétique, la machine thermique proposée est constituée de: une source de fluide à haute température (H.T.); une source de fluide à basse température (B.T.); deux conteneurs de gaz (le gaz sera désigné dans la suite par " fluide moteur ") en communication avec deux cylindres contra posés contenant deux pistons solidaires entre eux, soit directement soit par intermédiaire d'un vilebrequin; deux -2- circuits séparés qui permettent de faire circuler les fluides à H.T. et à B.T. autour des conteneurs pour alterner les températures du fluide moteur en créant les différences de pression nécessaires à la détente et à la compression du fluide moteur; un dispositif pour l'utilisation et le stockage de l'énergie mécanique produite. Le fonctionnement de la machine est réaliser à travers les phases suivantes: le fluide provenant de la source à H.T. chauffe par convection le fluide moteur dans un conteneur et, dans le même temps, le fluide provenant de la source à B.T. refroidie le fluide moteur dans l'autre conteneur; étant les conteneurs en communication avec les deux cylindres, la différence de pression entre les deux conteneurs, produites par les différentes températures du gaz, produira la détente du gaz dans un cylindre et par conséquent le déplacement du piston qui, étant contra posé au piston de l'autre cylindre, produira la compression du gaz dans le conteneur à température et à pression plus basse; à la fin de la course du piston les circulations des fluides à H.T. et à B.T. sont inversé par un système de robinets, commandé par le mouvement des pistons, pour répéter le cycle précédent dans le sens inverse et ainsi de suite. Le fluide moteur, contenu dans un espace fermé, subit les étapes suivantes: - le fluide moteur froid est comprimé - le fluide moteur froid comprimé est chauffé - le fluide moteur chauffé comprimé est détendu - le fluide moteur chauffé détendu est refroidi le fluide moteur refroidi est comprimé et ainsi de suite. Une analyse ponctuelle va faite sur le fluide moteur. Le fluide moteur est constitué par le dioxyde de carbone. La présente invention utilise les caractéristiques physiques du dioxyde de carbone utilisé de préférence à des concentrations entre 1,4 g. / cm3 et 2,2 g. / cm3 pour obtenir des importantes variation de pression pour des faibles différences de températures faciles à atteindre parce que proches à la température ambiante (à 1,4 g / cm3 la pression est de 58,5 bars à 20 C.; de 116,5 bars à 35 C.; de 215,9 bars à 50 C.). Pour avoir des bonnes performances le rapport entre le volume du fluide compressé et son volume après sa détente doit permettre de maintenir le gaz dans les concentrations indiqués. La phase active du cycle, à différence des moteurs à combustion inteme, avec ses phases utiles brèves et très rapides, est caractérisée par des importants déplacements du piston et des fortes pressions utiles constantes pendant toute la course du piston. La force linéaire développée peut être transformer au niveau mécanique en mouvement circulaire d'un volant libre apte à stocker l'énergie produite en doublant les temps morts entre les phases. Dans un second mode de réalisation les conteneurs du fluide moteur, de forme cylindrique, sont placés en continuation des -3cylindres et en communication directe avec les pistons. Ce mode de réalisation permet de limiter les pertes de pression dues aux passages du fluide moteur entre les conteneurs et les cylindres. Dans les modes de réalisation décrits le conteneur du gaz est réalisé en matériau à faible inertie thermique pour permettre des variations rapides de température suite à l'alternance des passages des fluides à H.T. et à B.T. sur la surface externe du conteneur. A fin de limiter la consommation de calories perdues dans l'inversions des températures des conteneurs, et réduire les temps d'inversion de températures du fluide moteur, une variante est proposée dans un troisième mode de réalisation. Une autre caractérisation du moteur thermique de la présente invention est la " réversibilité " des éléments constituant la machine. Il n'y a pas un déplacement du gaz, comme dans les moteurs à cycle de Stirling, d'une zone froide à une zone chaude et vice-versa, mais sont les zones mêmes qui sont une fois froide et une fois chaude et vice-versa selon les phases du cycle. Dans un troisième mode de réalisation un dispositif décrit à la suite permet d'obtenir cette inversion de température à travers un système qui maintien toujours constantes les températures sur des surfaces déterminées des conteneurs. Les conteneurs du fluide moteur sont constitués par des éléments qui sont maintenus à haute température et des éléments que sont maintenus à basse température à travers la circulation continue des fluides à H.T. et à B.T. sur les surfaces extérieures de ces éléments. La totalité de la surface du conteneur est constitué par une moitié de surface à H.T. et par l'autre moitié de surface à B.T.. À l'intérieur de chaque conteneur cylindrique un dispositif constitué par un " écran thermique ", permet de isoler alternativement les éléments à haute température et les éléments à basse température pour permettre de obtenir les variations des températures du fluide moteur contenu dans les conteneurs. Ledit dispositif qui permet de isoler alternativement les éléments à haute température et les éléments à basse température est commandé directement ou indirectement par le mouvement du piston à chaque fin course du piston même. L'énergie mécanique produite est stockée dans un volant libre Dans ce mode de réalisation les matériaux constituant les conteneurs sont à forte inertie thermique pour mieux conserver les températures données et les échanger ensuite avec le fluide moteur à l'intérieur des conteneurs. Le moteur thermique objet de cette invention peut, entre les autres utilisations, entraîner un alternateur pour la production d'énergie électrique. Les caractéristiques de la présente invention résulteront plus évidentes de la description en référence aux dessins annexés selon son troisième mode de réalisation: -4- La figure 1 représente le schéma général de l'invention. La figure 2 représente en coupe longitudinale les détails de l'ensemble cylindre - piston - conteneur - écran thermique pendant la phase de détente du gaz. La figure 3 représente en coupe longitudinale les détails de l'ensemble cylindre - piston - conteneur- écran thermique à la fin de la phase de compression du gaz. La figure 4 représente en coupe longitudinale les détails de l'ensemble cylindre - piston - conteneur - écran thermique à la fin de la phase de détente du gaz. Dans la variante relative au troisième mode de réalisation la machine proposée présente des avantages significatifs: réduction de pertes thermiques dues à la nécessité, pour chaque cycle, d'inverser les températures des conteneurs du fluide moteur et élimination des pertes de pression dues aux passage du fluide moteur des conteneurs aux cylindres. Les composants principaux du moteur thermique dans ce troisième mode de réalisation sont: - deux conteneurs (3) pour le fluide moteur à haute densité communicants avec deux cylindres (4) équipés de deux piston contra posés (5); - un système pour faire circuler les fluides chauds et froids autour des cylindres pour chauffer ou refroidir le fluide moteur à l'intérieur des cylindres (6); - une isolation thermique (13) des circuits des fluides chauds et froids; - un dispositif pour inverser les températures à l'intérieur des cylindres (7); - une source de fluide chaud (1); - une source de fluide froid (2); - un dispositif pour l'utilisation (8) et le stockage de l'énergie mécanique produite (9). Le conteneur du fluide moteur est constitué d'éléments (10), des couronnes en acier dans sa forme la plus simple, séparés par un joint (11) faisant fonction d'isolant thermique. Ces éléments, à grande inertie thermique, présentent, coté extérieur, une surface dentelée (12) le long de laquelle circulent les fluides à H.T. ou à B.T.. Le conteneur est donc composé par une succession d'"éléments chauds " et d'"éléments froids " isolés entre eux par un joint thermique, permettant ainsi d'avoir un cylindre / conteneur ayant à l'intérieur le 50% de surface à H.T. et le 50% de surface à B.T. En adhérence avec les parois internes du cylindre / conteneur un élément en matériau isolant, faisant fonction d' " écran thermique " (7), se déplace pour se positionner en alternance une fois sur les surfaces " chaudes " permettant aux surfaces froides de faire baisser la température du gaz et une fois sur les surfaces " froides " permettant aux surfaces chaudes de faire augmenter la température du gaz à l'intérieur du cylindre / conteneur. Le conteneur cylindrique est complété par un robinet de sécurité (14). Les conteneurs du fluide moteur sont placés en continuité des ensembles cylindre I piston (4-5) complètement ouverts sur les cylindres. Les ensembles constitués par un conteneur, un cylindre et un piston est placé en contra position entre eux en liaison directe linéaire (ou à travers un système de bielles et vilebrequin) de façon que à une phase de détente du gaz en un ensemble correspond une phase de compression dans lI'autre. Les mouvements des écrans thermiques sont commandés directement par les pistons. Une barre métallique (15) interne au conteneur et solidaire avec le piston permet, à travers un système de blocage réglable (16), les déplacement de l'écran thermique et son positionnement à chaque fin course des pistons en provocant I'inversion du cycle. Les deux cylindres contra posés représentent le module base de la machine. Les performances peuvent être accrues avec l'addition d'autres modules permettant entre autre de limiter les temps morts dus aux inversions des températures du fluide moteur. La source chaude qui chauffe le fluide moteur peut être de types différents et notamment, étant données les basses températures nécessaires pour faire fonctionner la machine, l'énergie solaire. La source froide aussi peut être de types différents avec des températures proches à la température ambiante. Les dispositifs pour l'utilisation de l'énergie mécanique foumie par la machine peuvent être de types classiques, comprenant un volant pour la conservation de l'énergie avant son utilisation directe. L'application de la présente machine thermique pour la production d'énergie électrique implique que l'énergie mécanique produite entraîne un alternateur. Cet alternateur peut être de type rotatif raccordé au volant ou de type linéaire entraîné directement ou indirectement par le mouvement rectiligne des pistons. L'alternateur génère de l'électricité qui est utilisée soit directement soit par l'intermédiaire de batteries d'accumulation. L'invention présentée n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais, sans sortir du cadre de l'invention, sont possibles nombreuses variantes technologiques, en particulier dans les choix des matériaux les plus adaptés à chaque usage. -6- REVENDICATIONS 1) Moteur thermique à combustion externe à circuit fermé caractérisé en ce qu'il comporte: une source de fluide à haute température (H.T.); une source de fluide à basse température (B.T.); deux conteneurs de gaz (fluide moteur) en communication avec deux cylindres contra posés contenant deux pistons solidaires entre eux, soit directement soit par intermédiaire d'un vilebrequin; deux circuits séparés qui permettent de faire circuler les fluides à H.T. et à B.T. autour des conteneurs pour alterner les températures du fluide moteur en créant les différences de pression nécessaires à la détente et à la compression du fluide moteur. 2) Moteur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il utilise, comme fluide moteur, le dioxyde de carbone à des concentrations importantes. Comme exemple non limitatif ces concentrations peuvent varier entre 1,4 gr./cm3 et 2,2 gr./cm3. 3) Moteur thermique selon la revendication 2 caractérisé en ce que les conteneurs du fluide moteur sont de forme cylindrique et sont placés en continuation des cylindres et en communication directe avec les pistons. 4) Moteur thermique selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que les conteneurs du fluide moteur sont constitués par des éléments qui sont maintenus à haute température et des éléments que sont maintenus à basse température à travers la circulation continue des fluides à H.T. et à B.T. sur les surfaces extérieures de ces éléments. ) Moteur thermique selon la revendication 3 caractérisé en ce que à l'intérieur de chaque conteneur cylindrique un dispositif constitué par un " écran thermique ", permet de isoler alternativement les éléments à haute température et les éléments à basse température pour permettre de obtenir les variations des températures du fluide moteur contenu dans les conteneurs. 6) Moteur thermique selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit dispositif qui permet de isoler altemnativement les éléments à haute température et les éléments à basse température est commandé directement ou indirectement par le mouvement du piston à chaque fin course du piston même. 7) Moteur thermique selon une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'énergie mécanique produite est stockée dans un volant libre 8) Moteur thermique selon une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il entraîne un alternateur pour la production d'énergie électrique.