Brevet FR2903740A1 — publié le 20080118

Page 1 La présente invention concerne un dispositif de production d'énergie mécanique, au moyen d'une cheminée divergente, télescopique et auto-sustentée, réalisée à partir de matériaux composites. Les parois inclinées de la cheminée de forme divergente, exercent sur l'air intérieur une force de poussée très supérieure à la poussée d'Archimède entraînant la turbine à des vitesses de l'ordre de 100 m/s. La dépression de l'air régnant au sein de la cheminée permet la sustentation du dispositif. Présentation de l'état de l'art Le principe de génération d'électricité à partir de l'air chaud situé près du sol, canalisé dans une cheminée et rejeté en altitude est connu et a notamment fait l'objet de recherches en Espagne et en Australie (programme solar- tower ). Une tour expérimentale de 195 m de haut à été érigée à Manzanares, au Sud de Madrid, et a fonctionné en produisant une puissance moyenne de 50 kW entre 1986 et 1989 avec un taux de fiabilité de 95%. Le procédé utilisé consiste à faire transiter l'air dans une cheminée de section droite en béton précontraint, et à recueillir, au moyen d'une turbine couplée à un alternateur, une partie de l'énergie de l'air intérieur perpétuellement mis en mouvement par la poussée d'Archimède, du fait de la différence entre la masse volumique de l'air situé à l'extérieur et celle de l'air plus chaud et plus léger canalisé à l'intérieur. Le projet australien prévoit dans la continuité, d'ériger dans quelques années une tour d'une hauteur de 1000 m qui comprendra son lot de difficultés techniques notamment vis à vis des contraintes de construction en grande hauteur et 2903740 Page 2 des sollicitations sismiques ainsi qu'un coût très important de l'ordre de 500 à 750 millions de $. D'autres inventions similaires ont été déposées depuis de part le monde, ne mettant en œuvre que la poussée 5 d'Archimède et présentant l'inconvénient majeur de nécessiter une structure de maintien onéreuse pour obtenir la hauteur nécessaire et suffisante à son fonctionnement, que l'on peut estimer entre 200 et plus de 1000 m. Exposé de l'invention 10 Les avantages procurés par la présente invention, par rapport aux techniques connues de récupération de la poussée d'Archimède s'exerçant sur de l'air chaud transitant dans une cheminée sont les suivants : 1. La force de poussée exercée par les parois inclinées 15 de la cheminée sur l'air transitant à l'intérieur est plus de 1000 fois plus élevé que la poussée d'Archimède qui s'exerce sur l'air chaud canalisé dans la cheminée à faible vitesse. Cela permet d'obtenir des vitesses de l'air de plus de 100 m/s 20 au niveau de la turbine disposée au col en entrée de cheminée, dépassant très largement les expérimentations n'utilisant que la seule poussée d'Archimède qui ont enregistrée des vitesses de l'ordre de 15 m/s. Le rendement énergétique en est 25 ainsi décuplé. 2. La cheminée est auto-sustentée et ne nécessite pas de coûteuse structure de maintien en béton précontraint ou autre et peut donc être facilement implantée n'importe où, y compris sur la mer ou en 30 zone sismique. Cet avantage résulte de la dépression 2903740 Page 3 permanente qui règne au sein de la cheminée à tout niveau, depuis le col situé au niveau de la turbine jusqu'à la sortie de l'air en altitude. Il résulte de cette différence de pression, que l'air extérieur 5 exerce sur les parois inclinées de la cheminée une force de poussée dirigée vers le haut suffisante pour compenser à la fois la force de poussée dirigée vers le bas - de l'air intérieur en mouvement ascensionnel, ajouté au poids de la 10 structure de la cheminée. La dépression qui règne à l'intérieur de la cheminée pour toute altitude, résulte du prélèvement énergétique effectué sur le flux d'air en entrée de cheminée au moyen d'une turbine et de l'accélération 15 de l'air qui est canalisé dans la cheminée au moyen d'un conduit d'admission de forme convergente. 3. La cheminée est télescopique, ceci permet son assemblage au sol donc sans coûteux travaux de grande hauteur, ainsi que son déploiement depuis le 20 sol et son repliement, notamment pour la maintenance ou lors de grosses intempéries. Descriptif La présente invention consiste à créer une cheminée extrêmement légère constituée majoritairement de matériaux 25 composites (fibres de verre, de carbone ou autre, résistantes à l'ensoleillement) qui pourra s'auto - sustenter dans l'air et délivrer une puissance utile de quelques centaines de méga-watts (Cf. figures 1 et 2). Le corps de la cheminée (3) est composé d'éléments 30 tronconiques (4) joints bout à bout et déployés de manière 2903740 Page 4 télescopique en régime permanent. L'élément le plus haut est surmonté d'un déflecteur de sortie en forme de demi-tore ouvert vers le bas (9). La cheminée ainsi formée dispose : 5 - d'une section divergente selon un fruit (5) de l'ordre de 1 à 5 par rapport à son axe central, - d'une hauteur (6) de plusieurs centaines de mètres, et d'un diamètre (13) de quelques dizaines de mètres. Les éléments tronconiques sont soumis à la pression de 10 l'atmosphère extérieure, plus élevée que celle de l'intérieur, et sont rendus indéformables par la mise en place à leur extrémité haute d'une roue fixe horizontale en matériaux composites (15), précontrainte à la manière d'une roue de vélo, et d'une ou plusieurs roues intermédiaires, 15 mobiles verticalement (16), de même type, venant renforcer la section courante de chaque élément (4). Les roues mobiles descendent verticalement dans un logement prévu à cet effet lors du déploiement, et remontent en dessous de la roue fixe lors de l'emboîtement des éléments 20 tronconiques, ce qui survient lors du repliement de la cheminée (Cf. figure 5). Le déflecteur de sortie (9) est fixé au dernier élément par l'intermédiaire de six voiles verticaux (20) attachés d'une part à la roue fixe du dernier élément et d'autre part au 25 déflecteur. Les voiles verticaux forment des travées radiales égales destinées à guider l'air vers la sortie en réduisant autant que possible les pertes de charge. Six volets électriques intérieurs (10) coulissants de haut en bas permettent d'ouvrir et de fermer avec une bonne 30 étanchéité, chaque sortie d'air. Elle permettent également de réguler le débit d'air sortant par chacune des six 2903740 Page 5 ouverture afin de piloter la position de la tête de la cheminée en fonction du vent latéral auquel elle est soumise sur toute sa hauteur. Sous l'effet des forces aérodynamiques, et en particulier 5 de la poussée vers le haut qui s'exerce sur le déflecteur de sortie (9), les éléments tronconiques sont tendus verticalement, cette tension transite par les voiles extérieurs des éléments. Un câble non tendu (14) chemine verticalement le long de l'axe de la cheminée depuis le 10 dernier élément jusqu'au sol où il est actionné au moyen d'un treuil (non représenté). Ce câble comporte des butées fixes, une au niveau de chaque roue fixe, qui viennent buter contre un diaphragme solidaire de chaque roue fixe de manière à pouvoir tirer chaque élément tronconique vers le 15 bas. Ce câble a pour fonction de permettre la traction vers le bas de l'élément le plus proche du sol lors des phases de déploiement et de repliement. Le conduit d'entrée (1) a une section globalement convergente, il est délimité par deux surfaces gauches 20 superposées (11) et (12), générées par la rotation d'un quart de cercle autour de l'axe de la cheminée. La surface inférieure (12) est renforcée au niveau central car elle soumise à la sollicitation de l'air entrant dans le conduit en suivant une direction radiale vers l'axe de la cheminée 25 à une direction ascensionnelle parallèle à l'axe de la cheminée. La surface supérieure (11) est fixée à la surface inférieure au moyens de six voiles verticaux disposés de manière radiale et également répartis, qui ont la double 30 fonction de solidariser les surfaces inférieures et supérieures, et de canaliser l'air vers le centre en réduisant les pertes de charge. 2903740 Page 6 L'énergie mécanique est recueillie au moyen d'une turbine (2) disposée horizontalement au niveau du col séparant le conduit d'entrée (1) du corps de la cheminée (3), permettant de recueillir l'énergie là où la vitesse de 5 l'air est la plus élevée pour en retirer le meilleur rendement. Planches graphiques : Les dessins présentés dans les figures 1 à 5 ne respectent pas les proportions pour une meilleure visibilité. 10 La figure 1 présente une coupe du dispositif. La figure 2 présente une vue générale du dispositif déployé. La figure 3 présente la vue générale d'un élément tronconique 15 La figure 4 présente le détail de la jonction entre deux éléments tronconiques La figure 5 présente le détail des éléments tronconiques emboîtés les uns dans les autres La figure 6 présente une vue de dessous du déflecteur (9) 20 Les numéros portés sur les figures ont les légendes suivantes : 1. Conduit d'admission 2. Turbine 3. Cheminée divergente 25 4. Elément tronconique en matériaux composites de 0.2 à 2 cm d'épaisseur 5. Fruit de 1 à 5 2903740 Page 7 6. Hauteur de 200 à 1 500 m 7. Air tempéré 8. Air refroidi 9. Déflecteur en forme de demi-tore ouvert sur sa face inférieure 5 10. Volets coulissants motorisés 11. Surface gauche supérieure du conduit d'admission 12. Surface gauche inférieure du conduit d'admission 13 Diamètre de 10 à 50 m 14. Câble de traction des éléments tronconiques 10 15. Roue fixe en matériaux composites solidaire de (17) ci-dessous 16. Roue intermédiaire en matériaux composites, mobile de haut en bas 17. Fixation extérieure entre deux éléments 18. Fixation intérieure entre deux éléments 19. Hauteur d'un élément tronconique de 10 à 20 m 15 20. Voiles verticaux du conduit de sortie Fonctionnement : Lorsque le mouvement de l'air intérieur est devenu permanent, l'accélération de l'air dans le conduit d'admission de forme convergente, ainsi que son passage à 20 travers la turbine crée une dépression dans la cheminée. Celle-ci ayant une forme évasée vers le haut il en résulte, par différence entre la pression de l'air extérieur et celle à l'intérieure, une force dirigée vers le haut qui s'applique sur tout le périmètre de la structure. Cette 25 force permet la sustentation de la cheminée dans l'air du 2903740 Page 8 fait qu'elle soit constituée de matériaux légers résistants et rendus indéformables tels que les matériaux composites. Les équations classiques de la mécanique des fluides en régime permanent : Euler, Navier-Stokes et Saint-Venant, 5 permettent de déterminer sans difficulté le régime de fonctionnement de ce dispositif et d'en optimiser le dimensionnement. Déploiement : Le processus de levée de la cheminée est le suivant : 10 l'ensemble des éléments sont emboîtés au sol les uns à l'intérieur des autres (Cf. figure 5). Le dernier élément surmonté du déflecteur englobant tous les autres. Le dernier élément surmonté du déflecteur est rempli d'air chauffé qui ne peut s'échapper car au démarrage, les volets 15 coulissants sont maintenus en position haute ((10), fig. 5) assurant l'étanchéité de la fermeture. Du fait de la différence de densité entre l'air extérieur et l'air chaud emprisonné dans le dernier élément, celui-ci est soumis à la poussée d'Archimède comme les montgolfières 20 et subit un mouvement ascensionnel. Quand l'élément du haut s'est élevé suffisamment, il se fixe le long du bord supérieur de l'élément inférieur suivant (Cf. figure 4), un joint permet d'assurer l'étanchéité de la jonction entre les deux éléments, la poussée d'Archimède élève alors les 25 deux éléments, et ainsi de suite jusqu'à ce que tous les éléments se soient élevés, le premier élément reste fixé au niveau de la sortie de la turbine de manière à assurer l'étanchéité entre celle-ci et la cheminée. Cette étanchéité est primordiale pour maintenir une dépression au 30 sein de la cheminée et en assurer la sustentation. 2903740 Page 9 Lorsque l'ensemble des éléments se sont élevés dans l'air, les volets coulissants (10) entre le dernier élément tronconique et le déflecteur de sortie (9) s'abaissent totalement afin de laisser échapper l'air. L'air chaud (8) 5 emprisonné dans la cheminée s'échappe alors par le haut aspirant ainsi l'air tempéré (7) situé près du sol et amorçant le transit de l'air par la cheminée. Régime permanent : L'air situé près du sol est canalisé dans le conduit 10 d'admission (1) divisé en six travées radiales égales pour réduire les pertes de charge en entrée, et suit un arrondi guidant son mouvement radial initial vers un mouvement vertical ascensionnel. L'air actionne à sa sortie du conduit d'admission, une 15 turbine (2) disposée horizontalement au niveau du col à l'entrée de la cheminée. En sortie de cheminée, l'air (8) est canalisé dans le déflecteur en forme de demi tore ouvert en partie basse, partagé en six travées égales. Le partage en six travées 20 permet d'acheminer l'air vers la sortie avec un minimum de pertes de charge. La forme du déflecteur en demi-tore (9) permet de rebrousser l'air vers le bas et de capter ainsi la poussée nécessaire à la mise en traction de l'ensemble de la structure. 25 Le débit de l'air sortant est ajusté selon les directions de chacune des six des travées au moyen des volets coulissants (10) actionnés avec un moteur électrique. Ainsi, la section de l'air en sortie, ajustable à la demande, permet de créer une poussée horizontale en tête de 30 cheminée destinée à compenser l'action du vent s'exerçant 2903740 Page 10 sur toute la hauteur de la cheminée. Ce pilotage a vocation à être automatisé. Cette machine doit être implantée dans une région chaude pour éviter le risque de dépôt de gel qui augmenterait le 5 poids de la structure jusqu'à dépasser les forces aérodynamiques de sustentation ce qui mettrait en péril sa stabilité. La vitesse d'admission de l'air et la puissance prélevée par la turbine sont régulées en entrée de cheminée de 10 manière à conserver une température positive (en C) pour éviter tout risque de dépôt de gel à l'intérieur de la structure. Repliement : Pour les opérations de maintenance ou en cas d'intempéries 15 importantes, les éléments tronconiques (4) sont ramenés au sol au moyen du câble en matériaux composites (14) cheminant le long de l'axe de la cheminée. Le câble, relié à chaque roue fixe (15) par un dispositif de type butée sur diaphragme, n'exerce une traction que sur l'élément le plus 20 proche du sol, les éléments supérieurs jusqu'au déflecteur de sortie étant maintenus en traction tout au long de la descente par leur voiles extérieurs. Lorsque chaque élément touche le sol, un dispositif ouvre le diaphragme qui libère la butée et permet au câble de 25 poursuivre sa descente. C'est alors le diaphragme de l'élément supérieur qui est mis en traction et tire celui-ci vers le bas le désolidarisant de l'élément au sol auquel il était fixé. Et ainsi de suite jusqu'au dernier élément. Ce dispositif permet de maintenir la structure en traction 30 tout au long de la descente par le fait que l'air est 2903740 Page 11 rebroussé vers le bas au niveau du déflecteur de sortie et de pouvoir maîtriser à tout instant le processus de repliement. Durant cette phase, la vitesse d'admission de l'air dans la 5 cheminée est maintenue par la turbine qui fourni alors de l'énergie si nécessaire, de manière à assurer la sécurité de l'opération de repliement. Applications industrielles La présente invention permet de produire de l'électricité à 10 partir d'une énergie totalement renouvelable en ne produisant aucun déchet industriel ni aucun effet de serre. Elle est particulièrement adaptée aux régions chaudes du globe, du fait qu'elle pourra y fonctionner en étant à l'abri du risque de gel. Elle peut fonctionner sans 15 interruption avec un minimum d'intervention humaine liée à sa surveillance et aux opérations délicates de déploiement et de repliement. Elle peut être implantée en tout lieu avec juste l'infrastructure nécessaire à l'implantation du conduit 20 d'entrée qui doit avoir au sol un rayon compris entre 45 et 100 m. Elle peut être implantée sur la mer à condition d'être maintenue à l'abri de la houle. Dans ce cas elle peut être couplée à une usine de production d'hydrogène par hydrolyse de l'eau de mer. 25 La présente invention dotée par exemple d'une cheminée de 500 m et d'un rayon au col de 15 m peut produire entre 200 et 400 MW à la demande. Il est donc possible avec ce moyen d'ajuster le niveau de production à la consommation en complément de la production d'électricité à grande échelle. REVENDICATIONS 1) Dispositif de génération d'énergie mécanique à partir de l'air, caractérisé par ses constituants comprenant un conduit d'entrée convergent fixé au sol (1), une turbine (2), une cheminée auto - sustentée de très grande hauteur (6) et de forme divergente (5) et enfin un déflecteur de sortie rebroussant l'air en sortie vers le bas (9). Ce dispositif génère une aspiration de l'air tempéré situé près du sol (7) qui est mis en mouvement sous l'effet de la poussée d'Archimède et des forces aérodynamiques générées par la cheminée. L'air en transit actionne une turbine, lors de son passage, générant ainsi de l'énergie mécanique. Le déflecteur de sortie permet de tendre la structure de la cheminée en rejetant vers le bas l'air (8) en sortie de la cheminée. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par sa constitution, employant pour être réalisable des matériaux résistants et très légers tels que les composites, notamment du type fibres de verre et de carbone. L'utilisation de ces matériaux conférant à la structure à la fois une grande légèreté et une rigidité suffisante lui permettant de conserver sa forme nonobstant les effets de son propre poids et des forces aérodynamiques en présence. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une dépression de l'air est maintenue en permanence à l'intérieure de la cheminée ayant pour effet d'en permettre l'auto - sustentation sous l'effet des forces aérodynamiques en présence. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce 30 qu'il comporte au niveau de la sortie d'air en altitude six volets coulissants (10) permettant d'augmenter ou de 2903740 Page 13 diminuer la quantité de mouvement de l'air en sortie selon la direction voulue, la position de ces volets, commandée depuis le sol, permettant de piloter la position de la tête de la cheminée soumise à l'effet du vent, et en ce que ces 5 volets sont maintenus fermés pendant le processus de déploiement, ce qui permet d'emprisonner l'air chaud à l'intérieur de la cheminée jusqu'à ce que le déploiement soit achevé. 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le 10 fait qu'il soit composé d'éléments en forme de cône tronqué (4), emboîtables les uns dans les autres de façon télescopique et maintenus solidaires, afin d'en assurer le déploiement et le repliement commode et sécurisé, notamment pour la maintenance ou lors des intempéries. 15 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le déploiement et le repliement des éléments se produise dans un ordre précis et reste sous contrôle à tout instant : a) lors du déploiement, l'élément du haut, dont les 20 volets coulissants (10) sont maintenus fermés, est rempli d'air chauffé et commence à s'élever entraînant un à un les éléments suivants dans sa course. La vitesse d'élévation est contrôlée au moyen d'un câble (14) tendu entre un treuil fixé 25 au niveau du sol et chaque élément au moment où il quitte le sol par un dispositif de type butée sur diaphragme. Ce processus est nécessaire pour maintenir l'ensemble de la structure en traction pendant la phase de déploiement et d'en sécuriser le déroulement. Arrivé en bout de course, les volets coulissants (10) s'ouvrent et laissent 2903740 Page 14 s'échapper l'air chaud (8), amorçant ainsi le mouvement de l'air (7) dans la cheminée. b) lors du repliement, le deuxième élément à partir du sol est tiré par le câble axial, commence sa descente jusqu'au sol, entraînant l'ensemble des éléments le surplombant dans sa descente. Puis quand il a touché le sol un dispositif déverrouille le diaphragme, permettant au câble de poursuivre sa descente et d'entraîner dans sa course l'élément suivant, lequel entraîne à son tour dans sa course l'ensemble des éléments le surplombant, et ainsi de suite jusqu'à ce que le dernier élément touche le sol. Ce dispositif permettant le repliement de la cheminée en toute sécurité. 5 10 15