Brevet FR2864174A1 — publié le 20050624

1. DESCRIPTION Il s'agit d'un dispositif autonome, mobile et portable de production, stockage et distribution d'énergie électrique. Ce dispositif se comporte comme une véritable pile électrique utilisant l'air comprimé pour stocker l'énergie et la poussée d'Archimède pour sa récupération. Le système proposé a pour objet de permettre la fourniture d'énergie électrique pour des besoins domestiques ou industriels à la demande. Il s'appuie sur les propriétés mécaniques et thermodynamiques des gaz comprimés comme: > La pression: une fois comprimé (vers 300 bar), l'air peut être stocké pour conservation ceci sans difficulté technique. Il peut également être transporté sans danger pour l'environnement; > Les variations de pressions: la compression de l'air génère un réchauffement de ce dernier, sa décompression, un refroidissement; > La non nocivité en terme de pollution de l'air; > L'absence de combustion qui évite toute production de gaz à base de soufre ou carbone qui peuvent se révéler toxiques. Par ailleurs, la gravité provoque des forces de contact sur tout corps placé dans un fluide. Ainsi, la poussée d'Archimède s'applique également pour un fluide gazeux placé en milieu liquide. Ce dispositif utilise l'ensemble de ces propriétés dans le domaine du stockage et de la production d'énergie. Il permet la production simultanée de: - Chauffage domestique et production d'eau chaude; - Refroidissement (climatisation, réfrigération) ; - Production d'électricité : par utilisation d'une roue spécifique placée dans un milieu liquide. L'air comprimé est utilisé pour provoquer la rotation de la roue sous l'effet de la poussée d'Archimède. Pour cela, le dispositif sera alimenté par une source d'énergie à coût réduit (secteur en heures creuses, solaire en période de sous-utilisation, vent, micro-centrales hydrauliques...) ou air comprimé industriel produit à cet effet. 1.1 Domaine technique de l'invention Stockage et production à la demande sous une forme économique, non polluante et selon des quantités faibles, moyennes ou élevées d'énergie électrique. La source de courant électrique provient d'énergies renouvelables: rayonnement (énergie solaire), à partir de vent (éolienne) ou autre (air comprimé industriel) ... 1 1.2 Etat de la technique antérieure. faisant ressortir le problème technique posé L'énergie électrique se caractérise par une difficulté technique liée à la complexité du stockage physique de cette énergie. A ce jour, le stockage direct de l'énergie électrique se fait essentiellement sous forme d'énergie chimique par emploi de piles. Les progrès réalisés au niveau des piles visent à réduire leur poids, capacité de stockage et coût de production. Néanmoins, à ce jour et même dans l'avenir ce moyen reste et restera onéreux et limité. En effet, le respect des normes anti-pollutions ainsi que la masse des piles font que l'on ne peut stocker et véhiculer de grandes quantités d'énergie électrique sous cette forme et à des niveaux de coûts compatibles avec les autres sources d'énergie alternatives. Par ailleurs, l'énergie solaire utilisant les cellules photovoltaïques souffre d'inconvénients majeurs comme: - La variabilité de l'ensoleillement selon les saisons, les lieux, les horaires... - la fourniture d'un courant électrique basse tension, - des créneaux horaires opposés à ceux des besoins domestiques en particulier la consommation se fait le soir pour l'éclairage ou le chauffage alors que le soleil est actif en journée. Il est donc particulièrement avantageux de disposer d'un moyen de stockage de cette énergie produite pendant les heures d'ensoleillement pour pouvoir la restituer pendant les heures de consommation domestique et ceci éventuellement sous forme de courant alternatif à 220 V par exemple. De même, des sources d'énergies comme le vent, l'eau et le nucléaire sont caractérisées par une production non contrôlable de manière instantanée: Le vent souffle à une vitesse variable, L'eau a un débit fluctuant, L'énergie nucléaire est produite en permanence même la nuit (d'ou la nécessité de réguler sa consommation par l'aspect coût)... 1.3 Exposé de l'invention (caractéristiques technique de l'invention) Le dispositif s'appuie sur les composants suivants: 1) Alimentation à partir d'une source de production d'électricité à partir de cellules photovoltaïques (panneau solaire), de centrales éoliennes, hydraulique, secteur en période creuses, air comprimé industriel ou autre... 2) Alimentation électrique d'un compresseur haute pression pour produire une pression ≥ 300 bar. L'hypothèse est de 350 W pour produire 1 m3 à 300 bar. On emploiera si besoin un onduleur pour obtenir la puissance et le voltage nécessaire. Cette compression s'accompagne d'un réchauffement du compresseur. (transformation de l'énergie électrique). Le compresseur est piloté par un système 1 d'asservissement qui détermine quand on le déclenche. 3) Récupération de la chaleur et refroidissement du compresseur. La chaleur récupérée est suffisamment importante pour être utilisée pour un réseau d'eau chaude ou un Chauffage domestique. Elle résulte de l'effet joule et de la compression de l'air. 4) Un circuit de récupération du courant en période d'utilisation journalière permet de ne stocker que l'énergie non utilisée. Si la consommation demandée est supérieure à la production en continue de la source d'énergie ou lorsque la source ne peut fournir d'énergie (pas d'ensoleillement ou pas de vent), un asservissement électronique déclenche le démarrage d'une roue placée dans un milieu liquide dont la rotation es provoquée par des compartiments dans lequel l'air s'emprisonne. En effet, par poussée d'Archimède l'air est poussé vers le haut. Pour canaliser et récupérer cette force sur la roue, des compartiments ayant une forme spécifique se remplissent d'air, l'emprisonne puis le libère selon la position de la roue. La roue est ensuite connectée par courroie avec un générateur électrique produisant la puissance souhaitée. Par exemple, un M3 d'air à une pression de 2 bar, placé dans de l'eau par exemple est soumis à une poussée d'Archimède égale à 1 tonne. La récupération de cette force permet la rotation de la roue. Pour réguler la vitesse de rotation de la roue, des masses sont fixées sur celle-ci de manière 20 à augmenter son inertie. Afin de maîtriser la puissance produite, il est nécessaire de contrôler le débit de l'air selon la puissance souhaitée. 5) La détente du gaz produit un refroidissement des bouteilles de gaz comprimé. Un 25 circuit de récupération de ce froid peut être activé pour le récupérer à des fins de climatisation ou de refroidissement. L'association de ces composants en vue de restituer en temps différé par rapport à la production initiale une énergie électrique après l'avoir stockée par emploi d'air comprimé ou de tout autre gaz non polluant puis récupération de l'énergie gravitationnelle sous forme de poussée d'Archimède constitue le caractère innovant de cette invention par rapport aux moyens actuellement utilisés. 1.4 Présentation des différentes planches et figures constituant les dessins Planche 1: ROUE A AIR COMPRIME (Figures 1 & 2) Des compartiments (11) capables d'emprisonner le flux de gaz qui par poussée d'Archimède est soumis à une force verticale, sont disposés sur le pourtour de la roue. Pour cela ils doivent former une cavité qui selon les positions se remplissent (moins 45 ), 1 emprisonnent (0 ) puis libère le gaz (plus 45 ) selon l'angle par rapport à l'horizontale. Afin de maîtriser la vitesse de rotation de la roue et de la réguler, des masses d'inertie (12) sont positionnées aux extrémités de cette roue. La puissance fournie est proportionnelle aux 5 dimensions de la roue et de ces masses. Planche 2: ROUE A AIR PLACEE EN MILIEU LIQUIDE Cette figure montre comment l'air doit être orienté pour provoquer cette rotation: arrivée à faible pression en partie basse et légèrement à droite de la roue. Une canalisation de 10 l'échappement de l'air est à prévoir pour éviter trop de déperditions. Planche 3: SYSTEME COMPLET DE PRODUCTION D'ELECTRICITE -1- Panneaux solaires: Fonctionnant par cellules photovoltaïques, ces panneaux sont montés de manière à délivrer un courant électrique au compresseur et à l'utilisateur. Leur capacité dépend de la densité D'ensoleillement et de sa durée. Le montage en série et parallèle et l'emploi d'un onduleur permettent d'adapter le type de courant et la puissance à fournir au compresseur. -2- Eoliennes (source optionnelle) : En complément aux panneaux solaires ou en apport principal, cette source d'alimentation 20 offre l'avantage de fonctionner en toute saison et durant toutes les heures de la journée. -3- Compresseur électrique Le compresseur est alimenté par une source électrique (solaire ou éolienne). Il a pour objet de comprimer l'air ambiant pour le stocker dans les bouteilles de gaz prévues à cet effet. La pression de stockage est élevée (300 bar) afin de réduire les volumes de stockage. L'hypothèse de consommation est de 350 W pour 1 m3 porté à 300 bar. -4- Récupérateur de chaleur pour chauffage eau ou habitation La compression de l'air provoque un échauffement important correspondant à la consommation électrique du compresseur. Cette source de chaleur est récupérable par un circuit qui doit assurer une fonction de refroidissement du compresseur. La chaleur récupérée peut être utilisée pour le chauffage de l'eau (en toute saison) ou le chauffage de locaux domestiques ou industriels. -5- Bouteilles d'air comprimés Elles ont pour objet de stocker l'air comprimé à une pression élevée (300 bar). -6- Récupérateur de froid pour alimentation en air frais (climatisation, refroidissement). Lors de la détente du gaz à la sortie des bouteilles, un refroidissement important permet de constituer une source de production de froid. Une récupération est possible pour les usages de type climatisation ou refroidissement. -7- Détendeur et valve de chargement des bouteilles: 1 Les entrées sorties de gaz entre bouteilles passent par un système de détendeur. -8- Roue propulsée par air: Cette roue comporte des compartiments destinés à accueillir, emprisonner puis libérer l'air comprimé. La rotation résulte de la poussée d'Archimède qui provoque la montée de l'air 5 fourni. Cette roue comporte des masses destinées à augmenter son inertie. La roue est connectée à un alternateur (cf revendications). -9- Système d'asservissement Il a pour fonction de coordonner le démarrage des différents éléments. A partir de la puissance électrique souhaitée en sortie, il pilote le débit d'air comprimé à fournir au pied de la roue de manière à produire la quantité d'énergie souhaitée. Lorsque l'alimentation directe pour l'une des sources (solaire, éolienne, secteur. ) est suffisante, il assure une alimentation directe. En l'absence de demande externe, ou lorsque la demande est faible, le compresseur est actionné de manière à stocker l'énergie fournie. La consommation de l'énergie par le compresseur permet de stocker l'énergie sous forme d'air comprimé tout en dégageant une chaleur par effet joule et liée à la compression du gaz (loi de Mariotte)...DTD: Ce système est programmé de manière à rendre toute intervention humaine inutile. -10- Alternateur Un alternateur est actionné par le couple en sortie de la roue mue par l'air comprimé. Il assure la production du courant électrique selon la demande transmise au système d'asservissement. -11- Alimentation directe par courant du secteur. Cette alimentation permet d'utiliser ce système dans les cas suivants par exemple: Période tarification réduite (22 h -3 6 h 00) Absence d'ensoleillement si utilisation d'une source solaire Absence de vent (si source éolienne). Dans ce cas, l'énergie stockée est récupérée à un niveau de coût inférieur au coût obtenu en heures normales. En effet, la récupération de la chaleur dégagée par la compression de l'air peut être utilisée pour procurer de l'eau chaude sanitaire ou pour alimenter un chauffage domestique ou industriel. 1.5 Détail d'au moins un mode de réalisation de l'invention Le schéma antérieur s'appuie sur un ensemble de composants disponibles sur le marché. Il suffit donc de le calibrer selon la puissance électrique à fournir pour définir les caractéristiques du matériel nécessaire: panneaux solaires, onduleurs, compresseurs, bouteilles d'air comprimé, détendeur, asservissement électronique, roue à air comprimé, générateur électrique... générateur électrique... 1 1.6 Application industrielle de l'invention Cette invention a de multiples applications industrielles: - Production d'énergie dans des zones désertiques ou isolées à fort ensoleillement, ceci à l'échelle domestique ou à grande échelle (champs de panneaux solaires) en juxtaposant ce dispositif en série et en parallèle selon la puissance à fournir. - Stockage de l'énergie produite pendant des périodes creuses (hydrauliques, éoliennes...) - Rentabilisation des installations solaires ou éoliennes grâce au stockage de l'énergie produite. On voit figure 3 planche 2: - 5: Bouteilles d'air comprimé à plus de 200 bar, -21: Arrivée de l'air entre let 2 bar, -24: Canalisation de l'échappement et étranglement de l'air par un obstacle, -31: Phase de remplissage du volume d'air, -32: Phase d'emprisonnement du volume d'air, -33: Phase d'évacuation du volume d'air, -22: Eau avec antigel, -25: Air extérieur à la pression atmosphèrique, -23: Récipient. 1 REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'électricité par récupération de la poussée d'Archimède s'exerçant sur un flux d'air comprimé placé (21) en milieu liquide (22) caractérisé par l'emploi d'un récipient (23) dans lequel une canalisation de l'échappement de l'air (24) par obstacle oriente l'air comprimé vers des compartiments (11) créant une dissymétrie pour mettre en rotation une roue (8) entraînant un alternateur. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par l'emploi d'une alimentation en courant électrique issue d'une source photovoltaïque, éolienne, hydraulique pour produire l'air 10 comprimé grâce à un compresseur entraîné électriquement. 3. Dispositif selon la revendication précédente avec utilisation d'onduleurs pour produire le niveau de tension souhaité soit en entrée et ou en sortie. 4. Dispositif selon la revendication 2 avec système de récupération de chaleur autour du compresseur pour récupérer le dégagement sous effet joule ou le dégagement lié à la 15 compression de l'air dans le compresseur. 5. Dispositif selon la revendication 2 avec système de récupération de froid autour des bouteilles de stockage de l'air comprimé pour récupérer le refroidissement provoqué par la décompression de l'air lors de l'alimentation du moteur du compresseur. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que 20 l'on remplace l'air comprimé par tout autre gaz non polluant. 30