Brevet FR2875649A1 — publié le 20060324

Domaine technique: L'invention se rattache au domaine du transport de l'énergie électrique. Les observations sur les effets de l'électricité, d'abord de manière empirique aux XVIIe et XVIIF siècles à l'aide des machines électrostatiques, puis de manière quantitative à partir des travaux de Charles Augustin Coulomb (1736-1806) suivis par de nombreux autres qui s'appuyèrent sur des inventions dont la première significative fut la bouteille de Leyde, furent regroupées et représentées pour la i0 première fois dans un formalisme unifié par Sir James Clerk Maxwell (1831-1879). La découverte des ondes électromagnétiques par Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894) fut le prélude à l'invention de la radio en 1896 par Marconi. Les équations de Maxwell simplement représentées depuis dans un formalisme plus compact sont non seulement toujours d'actualité mais ont même donné naissance à la relativité. On peut en effet dire que Einstein a transposé à la mécanique le caractère d'invariance par transformation de Lorentz (1853-1928) observé dans le comportement des équations de Maxwell. On peut, en accord avec ces dernières, classer les actions à distance en trois catégories: - Une action purement électrique qui correspond à la répulsion/attraction mécanique de deux charges distantes et qui donne lieu à la définition du potentiel Coulombien. - Une action purement magnétique qui correspond à la répulsion/attraction de deux aimants et permet la définition d'un potentiel magnétique scalaire (à ne pas 25 confondre avec le potentiel vecteur). - Pour finir une action combinée qui se produit dès que les phénomènes présentent des variations suffisamment rapides dans le temps et qui correspond à la propagation des ondes électromagnétiques. 3o Notons que les deux premières actions ne sont pas propagatives, l'énergie restant stockée dans un certain volume autour de la source ce qui donne lieu mathématiquement à la définition d'un potentiel scalaire. La troisième, correspondant à la propagation de l'énergie à la vitesse de la lumière, est associée à des ondes transversales (les ondes longitudinales n'étant pas compatibles avec les équations de Maxwell). Notons aussi que les applications de l'action des forces à distance peuvent être purement mécaniques lorsque les charges sont liées à la matière, ou purement électriques lorsque les charges sont libres. Nous appellerons dans ce qui suit: influence électrique ou tout simplement influence le transport d'énergie à distance par la seule force électrique; induction magnétique ou tout simplement induction le transport d'énergie à i0 distance par les seules forces magnétiques. Les ondes électromagnétiques étant le cas particulier ou l'énergie se propage. On sait par ailleurs (encore une conséquence des équations de Maxwell) que seules les ondes électromagnétiques peuvent véhiculer de l'énergie sur de grandes distances, les autres cas (potentiels uniquement scalaires) correspondent à de l'énergie stockée aux alentours immédiats des générateurs sous forme non propagative et donc disponible uniquement localement. Mathématiquement la densité d'énergie dans de tels cas décroît très rapidement avec la distance. Les applications de l'influence et de l'induction sont nombreuses et variées. En ce qui concerne les applications mécaniques de l'influence on peut citer notamment l'électroscope et les projecteurs de charges (peintures, encres, poussières), utilisés dans des machines telles que (projecteurs de peintures, photocopieurs, nettoyeurs d'atmosphère). Les applications mécaniques de l'induction (aimants, électroaimants) sont extrêmement variées. Dans le cadre des applications de transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique et inversement, on peut citer en ce qui concerne l'induction magnétique: les moteurs et générateurs électriques usuels. Il existe aussi des moteurs à influence, les générateurs à influence étant aussi appelés improprement machines électrostatiques . Le stockage local de l'énergie magnétique (induction) est réalisé par des composants appelés bobines ou selfs alors que le stockage local de l'énergie électrique (influence) est réalisée par des condensateurs. Des agencements particuliers de selfs ou de condensateurs permettent de réaliser des transformateurs à induction ou à influence. Il faut noter que de tels dispositifs font intervenir des courants alternatifs. Les lois de l'influence et de l'induction restent valables en régimes variables tant que les fréquences utilisées sont assez basses, on parle alors de régimes quasi-statiques ou quasi- stationnaires. Dans la pratique il faut que la taille du dispositif reste petite devant la longueur d'onde dans le milieu concerné. Pour des fréquences supérieures, influence et induction ne sont plus dissociables et l'on doit tenir compte de phénomènes de propagation. L'invention que nous allons décrire s'appuie sur la possibilité de transporter à io courte distance à travers le vide ou tout matériau diélectrique isolant de l'énergie électrique par influence. A ce titre l'induction et les ondes électromagnétiques ne participent pas au principe utilisé et ne pourront donc être présentes que dans le cadre de dispositifs annexes ou de pertes. Les dispositifs suivant l'invention mettent en jeu des formes particulières de condensateurs ouverts que l'on peut appeler condensateurs asymétriques à influence partielle. De tels condensateurs sont assez éloignés de l'image habituelle que nous avons de dispositifs usuels dits à influence totale , il nous paraît donc nécessaire de revenir sur les bases de l'électrostatique qui permettent de les définir plus précisément. Si l'on dépose sur un conducteur sphérique éloigné de tout autre conducteur la charge électrique Q le potentiel V que l'on peut rattacher au conducteur est donné par: V = Q/ 4ucR (en prenant la convention habituelle: potentiel nul à l'infini), ou R est le rayon du conducteur et la permittivité électrique du milieu diélectrique environnant. La charge électrique sur un conducteur isolé est donc intrinsèquement liée au potentiel par la formule: Q=C.V (1) , avec 0= 4YIER. La capacité obtenue peut être appelée capacité intrinsèque du conducteur car elle mesure en quelque sorte le couplage pour l'influence entre l'électrode et le milieu diélectrique environnant. La valeur obtenue pour les gaz usuels est très voisine de celle que l'on obtient dans le vide. Lorsque plusieurs électrodes sont présentes dans un milieu diélectrique donné, on peut définir la capacité propre de chaque conducteur par la formule (1), la valeur obtenue est différente de celle que l'on obtient pour le conducteur isolé. De plus il convient de définir les capacités d'influence mutuelles. Dans la situation générale de n conducteurs en influence, les charges Qi (i=1,2,..,n) obtenues sur les n conducteurs sont reliées aux potentiels Vi par la relation matricielle (Qi)=(Cii)(Vi), la matrice (Cii) étant une matrice nxn. Le coefficient Ch étant la capacité propre du conducteur i, elle n'est égale à sa capacité intrinsèque que si les distances entre le conducteur i et les autres conducteurs sont grandes devant la taille du conducteur i. Lorsque deux conducteurs sont très proches et présentent des surfaces en vis à vis importantes, on peut montrer que l'on a: Cln=C22=-C12=-C21=C et Q1=-Q2=Q et donc: Q=C(V1-V2). On dit alors que les conducteurs sont en influence totale. La physique de l'influence dans le cas général où elle n'est pas totale est relativement complexe. On peut noter notamment que la loi de conservation de l'intensité n'y est plus vérifiée. Il est facile de comprendre que si des charges électriques se déposent sur les parois d'un conducteur fin et allongé, leur quantité ou plus précisément leur flux diminue avec la distance (et l'inverse si des charges sont collectées). Les équations de Maxwell imposent la conservation du flux de densité de courant total: jm + jd où : jd est la densité de courant de déplacement donnée par: jd = s et jm la densité de courant matériel (celui qui circule dans les conducteurs), le courant de déplacement remplace donc le courant matériel à la frontière conducteur/diélectrique. Ceci restant valable pour le vide qui est donc aussi traversé au voisinage d'un conducteur par un courant de déplacement. La densité de courant de déplacement, usuellement très faible, peut être augmentée par l'utilisation de champs électriques intenses et de fréquences élevées. Toutefois contrairement à une idée fausse répandue, les courants de déplacement ne sont pas toujours associés à des ondes électromagnétiques (sinon il faudrait considérer que les condensateurs en régime alternatif sont traversés par des ondes). Etat de la technique: Bien que découverte et étudiée bien avant l'induction, l'influence n'a donné lieu jusqu'à présent qu'a assez peu d'applications industrielles en dehors des condensateurs à influence totale. La raison principale étant que les forces mécaniques que l'on peut obtenir par influence sont très faibles par rapport à celles que l'on sait produire par de simples aimants. De plus des transferts d'énergie importants ne peuvent être obtenus pour des dispositifs à influence partielle que dans le cas de l'utilisation de générateurs haute tension haute fréquences. io Les conditions nécessaires au transport de l'énergie électrique par influence furent réunies pour la première fois par Nicolas Tesla (18561943). Les dispositifs utilisés étant de grandes tailles (plusieurs dizaines de mètres) et les effets observés sur plusieurs dizaines de kilomètres soit sur des distances supérieures à la longueur d'onde. Ainsi Tesla ne se plaçait pas dans un régime quasi-statique. Dans son brevet US 649621 en 1900, il décrit un agencement permettant la transmission transversale d'énergie à distance. Le fait qu'il utilise la terre d'une part et les couches ionisées de l'atmosphère d'autre part (expériences de Colorado Spring), nous font penser qu'il réalisa plutôt une propagation d'ondes transversales partiellement guidées. Il a d'ailleurs observé les premières ondes électromagnétiques stationnaires. Plus récemment Stanislav et Constantin Avramenko dans le brevet WO 93/23907 pensent obtenir des ondes longitudinales se propageant le long d'un fil très fin, le dispositif récepteur qu'ils utilisent dans un des modes de réalisation semble faire appel à la technique du réservoir de charge que nous utilisons aussi dans notre invention. Dans ce même brevet le générateur (vu comme un émetteur d'ondes très particulières) est donc d'une nature différente de la charge. On peut noter à ce titre, l'absence d'une connexion sur une des bornes du circuit secondaire du transformateur. Notre invention se distingue des travaux et brevets de Tesla par le fait que l'énergie est transmise sur de courtes distances préférentiellement sur un axe 30 longitudinal (parallèlement au champ électrique). De plus notre invention ne nécessite pas l'usage d'une connexion à la terre. Notre invention se distingue du brevet de S. et C. Avramemko par le fait que l'énergie est transmise sur de courtes distances sans fils ni ondes et par le fait que générateurs et charges sont de même nature. Exposé de l'invention: L'invention propose un moyen de transport de l'énergie électrique à relativement courte distance sans utiliser de fils électriques et sans nécessiter la présence obligatoire de la terre. La technique utilisée est basée sur l'usage de lo l'interaction coulombienne que l'on peut appeler: influence électrique. Dans les modes de réalisation de l'invention que nous allons décrire, des champs rapidement variables de grande amplitude sont obtenus à l'aide de générateurs hautes tensions hautes fréquences (dans la suite H.T.H.F) qui peuvent être réalisés de nombreuses manières différentes et notamment à l'aide de transformateurs hautes tensions capables de fonctionner à relativement hautes fréquences. Rappelons que les hautes fréquences utilisées restent malgré tout assez basses pour que le rayonnement électromagnétique soit négligeable. Les tensions alternatives pouvant aller de quelques centaines de volts pour des applications à très faibles puissances jusqu'à plusieurs dizaines de kV (kilovolts) pour des applications à fortes puissances. Les générateurs H.T.H.F. sont reliés à deux types d'électrodes aux propriétés et fonctions différentes suivant leurs tailles. Une grande électrode alimentée par le même courant alternatif qu'une petite, sera soumise à des tensions plus faibles et génèrera ainsi dans son environnement des champs électriques plus faibles, on appellera donc ce genre d'électrode: électrode passive ou électrode réservoir . Le réservoir le plus grand que nous ayons à notre disposition étant la terre elle même. Les électrodes de plus petites tailles créent ou sont soumises à des champs plus importants ce sont des électrodes dites: électrodes actives , nous appellerons celles qui créent le champ: électrodes génératrices et celles qui le subissent: électrodes électromotrices . Dans certaines applications un montage réversible peut être réalisé, dans de tels cas les électrodes peuvent devenir tour à tour électromotrices et génératrices suivant le sens de transfert de l'énergie. La figure 1 représente un mode de réalisation de la partie production de l'énergie. Dans ce mode de réalisation, un générateur H.T.H.F (1) est relié à une électrode passive (2) et une électrode génératrice (3). La zone où le champ est le plus intense est figurée par la zone hachurée (4). Le remplacement du générateur H.T.H.F par une charge du même type permet de réaliser un dispositif consommateur d'énergie. i0 La figure 2 représente une association possible production/consommation, dans ce mode de réalisation le générateur H.T.H.F (1) est relié d'une part à la terre (2) et d'autre part à l'électrode électromotrice (3), cette électrode est en régime d'influence partielle avec I'électrode électromotrice (6) reliée à la charge H.T.H.F (5). Enfin l'électrode passive (7), reliée à l'autre extrémité de la charge, est couplée à une zone ou le potentiel est plus faible. Les structures obtenues pour la production et la consommation de l'énergie sont donc des dipôles asymétriques oscillants. A ce titre les deux dipôles interagissent d'une manière similaire à l'interaction obtenue entre deux selfs magnétiques traversées par des courants électriques alternatifs qui sont donc des dipôles magnétiques oscillants, l'invention est donc l'équivalent, pour l'influence, des transformateurs à couplage partiel. Le couplage s'effectuant à travers un milieu permissif (de permittivité électrique c) au lieu d'un milieu perméable (de perméabilité magnétique p) dans le cas d'un transformateur. Cette image permet de mieux comprendre l'existence d'un domaine où l'énergie est transmise à courte distance par des oscillations électriques qui ne sont pas directement associées à des ondes électromagnétiques. Bien que, comme dans le cas du transformateur à air, de nombreuses dispositions soient possibles pour les deux dipôles électriques, l'agencement particulier où les deux dipôles sont alignés sur un même axe permet d'améliorer le couplage pour une distance donnée. ll permet aussi dans le cas particulier de l'influence de limiter le nombre d'électrodes actives. Les électrodes actives pouvant, afin d'améliorer la sécurité dans le cas de 5 fortes puissances, être recouvertes d'un matériau solide isolant. De nombreuses variantes sont possibles pour la charge. Cette dernière peut par exemple être composée d'un transformateur abaisseur de tension, d'un dispositif redresseur, et d'une charge fonctionnant à la fois en basse tension et en courant continu. io La figure 3-(a) représente le cas d'une charge finale basse tension (9) fonctionnant en courant alternatif alimentée par un transformateur (8) alors que la figure 3-(b) représente le cas d'une charge fonctionnant directement en H.T.H.F. La figure 4 représente des variantes possibles pour les connexions entre la charge et le jeu d'électrodes l'alimentant. La figure 4-(a) représente le cas où l'électrode passive est remplacée par une connexion à la terre. La figure 4-(b) représente le cas où un jeu de quatre électrodes commutées de manière interne est utilisé pour qu'une charge mobile reste alimentée indépendamment de sa position angulaire dans l'espace (il faut 6 électrodes si la charge peut tourner sur deux axes). La figure 4-(c) représente le cas où une charge telle qu'un milieu ionisé ou plus généralement un milieu à faible conductivité (10) contenu éventuellement dans une enveloppe isolante (11) est soumise directement à l'influence du générateur. Dans un tel cas les limites extérieures dudit milieu se comportent comme des électrodes virtuelles. La figure 5 représente quelques configurations possibles du côté de la production d'énergie. La figure 5-(a) représente le cas où l'électrode passive (2) est une masse métallique de grande taille (ou la terre). La figure 5-(b) représente le cas où un couplage capacitif fort est réalisé entre l'électrode passive (2) et une masse ou la terre. La figure 5-(c) représente le cas où deux électrodes actives en opposition de phase sont connectées au générateur. La figure 5-(d) représente le cas où un couplage transverse est souhaité. La figure 5-(e) représente un cas où une zone d'influence plus homogène est crée entre deux électrodes génératrices parallèles alimentées en opposition de phase. La figure 5-(f) représente un cas où un champ tournant peut être généré par des déphasages appliqués sur un jeu de quatre électrodes ou plus. Une telle configuration permettant d'alimenter par exemple une charge simple d'orientation quelconque ou variable. La figure 6 représente une configuration possible pour la distribution d'énergie à plusieurs charges sur de courtes distances. La figure 7 représente une configuration possible pour la distribution d'énergie sur de moyennes ou grandes distances. Dans la figure 7 l'énergie est fournie au circuit par un générateur haute fréquence basse tension (12), elle est ensuite distribuée à des transformateurs élévateurs distants (13), l'usage de la distribution basse tension permettant de limiter la puissance réactive due à la capacité propre des câbles et les pertes Joules qui lui sont associées (partie gauche de la figure 7). Pour des distances supérieures une ligne propagative de type câble coaxial (14) peut aussi être utilisée pour limiter les pertes par radiations électromagnétiques (partie droite de la figure 7). Il est aussi possible de superposer toute forme de modulation sur le signal de puissance et ainsi transporter simultanément de l'information. Ceci pouvant être réalisé éventuellement de manière bidirectionnelle. Une application pourrait être, par exemple, le contrôle de la production de puissance par la charge en fonction de ses besoins. Pour finir cette liste non exhaustive des variantes possibles de l'invention, notons qu'un mode de transport de l'information seulement, mais sur des distances plus élevées, peut aussi être réalisé moyennant une éventuelle amplification des signaux côté charge. REVENDICATIONS [1] - Dispositifs pour transporter de l'énergie électrique à courte distance à travers le vide ou des matériaux diélectriques isolants sans fils ni connexion à la terre se caractérisant par le fait de l'utilisation conjointe de hautes tensions et hautes fréquences appliquées à plusieurs électrodes distantes entre elles, dont certaines au moins fonctionnent en régime d'influence partielle. [2] - Les dispositifs suivant la revendication [1] se caractérisent par le fait que l'énergie est fournie au milieu environnant (4) par au moins une électrode génératrice (3) reliée par l'intermédiaire d'un fil électrique assez court à un générateur haute tension haute fréquence (1) et soumise à de fortes variations de potentiel. L'autre extrémité du générateur étant reliée à au moins une électrode de préférence de plus grande taille (2), distante de la première, soumise par ce fait à des variations de potentiel plus faibles. Cette deuxième électrode pouvant être remplacée par une connexion à la terre. [3] - Les dispositifs suivant la revendication [1] se caractérisent par le fait que la consommation de I'énergie à distance peut être réalisée par un ou des dispositifs similaires en tout point à celui utilisé pour la production de l'énergie, le générateur haute tension haute fréquence étant simplement remplacé par une charge haute tension haute fréquence (5) raccordée d'une part à une électrode électromotrice (6) placée dans une zone où les variations de potentiel sont élevées et d'autre part à une deuxième électrode (7) placée dans une zone ou les variations de potentiel sont plus faibles. [4] - Les dispositifs selon l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait que les structures de production et de consommation de l'énergie forment des sortes de dipôles électriques asymétriques oscillants. Les deux dipôles étant en influence mutuelle et disposés de préférence en alignement sur le même axe. [5] - Les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait qu'ils sont reversibles si les générateurs et les charges utilisés le sont. [6] - Les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait qu'au moins une des électrodes reliée à la charge et une des électrodes génératrices présentent une interaction mutuelle de type influence partielle. [7] - Les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait que certaines électrodes peuvent être considérées comme en interaction avec seulement le milieu diélectrique environnant, la mesure de cette interaction étant la capacité intrinsèque du conducteur. [8] - Les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait qu'ils ne génèrent que très peu d'ondes électromagnétiques et qu'en l'absence de dissipation thermique le rendement est très élevé. [9] - Les dispositifs suivant la revendication [2] se caractérisent par le fait que les électrodes génératrices peuvent produire un champ électrique intense dans leur environnement immédiat et doivent donc ne pas présenter d'arrêtes vives susceptibles de produire localement des phénomènes d'ionisation. [10] - Les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait que les électrodes peuvent être partiellement ou totalement recouvertes d'un matériau solide isolant. [11] - Les dispositifs suivant la revendication [2] se caractérisent par le fait que le 25 générateur placé entre les électrodes peut être réalisé à l'aide de toute technologie susceptible de produire simultanément une haute tension et une haute fréquence. [12] - les dispositifs suivant la revendication [3] se caractérisent par le fait que la charge haute tension haute fréquence peut être un dispositif exploitant directement les tensions élevées tel qu'un tube luminescent par exemple ou un dispositif constitué d'un abaisseur de tension de type transformateur électromagnétique par exemple (8), associé à une charge basse tension (9). - 12 - [13] - Les dispositifs suivant la revendication précédente se caractérisent par le fait que certaines charges telles que milieux résistifs ou ionisés (10) éventuellement confinés dans une enveloppe diélectrique (11) peuvent exploiter l'énergie présente dans le champ sans nécessiter d'électrode matérielle autre que le milieu lui même. [14] - les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait que de nombreuses variations sont possibles aussi bien du côté de la production de l'énergie que du côté de la consommation (Electrodes multiples éventuellement déphasées ou commutées, champs tournants, etc....). [15] - Les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait que la ou les fréquences utilisées sont de préférence les plus élevées possible sans toutefois produire une quantité importante d'ondes électromagnétiques. Pour ce faire dans la pratique la fréquence maximale est limitée par la taille du dispositif, plus précisément elle est telle que la taille totale du dispositif, incluant production et consommation, soit petite devant la longueur d'onde obtenue dans le milieu environnant. [16] - Les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait que l'énergie peut être distribuée sur plusieurs charges par la même électrode génératrice ou par plusieurs électrodes génératrices reliées au même générateur haute tension haute fréquence. Une variante pouvant être la production centralisée de l'énergie haute fréquence mais à basse tension (12) distribuée ensuite vers des transformateurs haute tension distants (13). L'utilisation de câbles coaxiaux (14) pouvant permettre de transmettre l'énergie à des distances plus importantes. [17] - Les dispositifs suivant l'une des revendications précédentes se caractérisent par le fait que toutes formes de modulation peuvent être superposées au signal de 30 puissance.