Brevet FR2910077A1 — publié le 20080620

-1- La présente invention concerne un système de production d'énergie électrique à partir d'un courant d'air vertical généré par l'énergie solaire. Dans la panoplie actuelle des systèmes de production électrique par énergie renouvelable, on recense les systèmes suivants: -Les éoliennes utilisent l'énergie du vent qui est - indirectement - une énergie d'origine solaire. Les zones fortement ensoleillées produisent des colonnes d'air chaud qui, en montant verticalement dans l'atmosphère, créent une aspiration horizontale de l'air situé dans des zones plus froides : c'est l'origine du vent qui actionne les éoliennes. La technique est largement développée, rentable mais relativement bruyante pour l'environnement immédiat. -Les capteurs photovoltaïques transforment directement l'énergie lumineuse incidente en électricité. La technique étant assez sophistiquée, elle nécessite des investissements matériels importants mais elle se développe beaucoup. - Les fours solaires utilisent un jeu de miroirs convergents qui concentrent la lumière réfléchie du soleil en un point précis û le four - où l'énergie produite chauffe un moteur à vapeur (type Stirling) couplé à un générateur d'électricité. La rentabilité de ce procédé n'a pas jusqu'ici avoir convaincu les producteur d'électricité puisque le procédé reste toujours confidentiel dans son développement. - La cheminée solaire d'invention beaucoup plus récente exploite la différence de température qui existe naturellement entre le sol et l'altitude. La surface du sol est recouverte d'une vaste serre circulaire qui piège de l'air chaud sous sa verrière. Au centre de la serre s'élève une cheminée très élevée dans laquelle, naturellement, l'air chauffé par la serre s'engouffre pour monter verticalement dans la colonne et s'échapper par son sommet situé en zone froide. Le courant d'air horizontal ainsi créé dans la serre actionne des turbines situées à l'entrée de la cheminée. Le système est encore à l'état de projet (Espagne et Australie). Il demande d'importantes structures (grande surface de serre et cheminée très haute) hypothéquant sa rentabilité potentielle. Le procédé présenté permet de générer avec des moyens techniques extrêmement simples. un encombrement réduit et une nuisance environnementale nulle, de l'électricité à partir d'un courant d'air artificiellement crée dans un conduit vertical chauffé à sa partie inférieure par l'énergie solaire concentrée. L'énergie solaire (énergie lumineuse) est dans un premier temps transmise. par un jeu de miroirs convergents (multiples petits miroirs plans inclinés ou miroir parabolique), dénommé ici le concentrateur solaire (1), vers un capteur thermique (2a), surface métallique de couleur noire, qui en l'absorbant, la transforme en énergie thermique. Ce capteur est solidarisée, sur sa face opposée, à un système de radiateur (2b) qui va répartir la chaleur produite sur une large surface radiante, par exemple celle de lamelles (2c). Celles-ci sont orientées verticalement de façon à laisser passer librement 2910077 -2- un courant d'air de bas en haut. Le radiateur est enfermé dans un four (2) dont une des faces externes est garnie du capteur thermique (2a). Ce four peut se présenter comme une cage cylindrique entourée d'une couche d'isolation thermique (2d), ouverte en haut vers une cheminée (3) et en bas vers un conduit d'admission (4) de 5 l'air froid. La cheminée est positionnée verticalement, de hauteur et/ou de largeur importante puisque c'est le volume de l'air emprisonné qui va déterminer la force d'aspiration de l'air froid. Afin de minimiser les déperditions caloriques et de réduire la hauteur de la cheminée, la cheminée peut être cloisonnée intérieurement pour constituer un conduit spiralé (3b) ascendant dirigeant l'air chaud de bas en haut. 10 L'extérieur de la cheminée est, comme le four, thermiquement isolée (3a) de son environnement. Elle contient donc en permanence une grande quantité d'air très chaud et donc de densité nettement inférieure à celle de l'air environnant. C'est cette colonne d'air chaud qui par son ascension spontanée ( effet Montgolfière ) va s'élever dans la cheminée, s'échapper à son sommet et ainsi aspirer 15 l'air froid en bas, le forçant à traverser le four, à se réchauffer, et à réalimenter en continu la réserve d'air chaud de la cheminée. Sur le trajet du conduit d'admission (4) est interposée un système de récupération de l'énergie cinétique de l'air, par exemple une éolienne à ailettes (8b) enfermée dans une cage (8a) ouverte tangentiellement au conduit d'admission de l'air froid (4). C'est 20 l'axe de cette éolienne qui actionne le générateur électrique (8c). L'ensemble du système doit être mobile dans le sens vertical et horizontal de façon à pouvoir suivre la course du soleil dans le ciel. L'ensemble concentrateur + four peut par exemple pivoter sur un axe horizontal (7a) fixé au four via une fourche (7a), assurant sa mobilité de 90 dans le plan vertical. La base de la fourche peut être fixée à 25 une colonne de support (5) verticale, le bas de cette colonne étant solidarisé à un plateau pivotant (6) mobile autour de l'axe vertical de la colonne, assurant sa rotation à 360 dans le plan horizontal. Ces deux orientations sont gérées par un traqueur solaire comportant par exemple deux petits moteurs électriques (7c et 7e) déplaçant une crémaillère verticale (7b) sur 30 le four et une crémaillère horizontale (7d) sous le plateau pivotant, ainsi qu'un programmateur des mouvements du système en fonction de la position du soleil dans le ciel. Les dessins annexés illustrent une des modalités de construction de l'invention. La figure 1 représente une vue générale du système. 35 La figure 2 représente une vue latérale du four. La figure 3 représente une coupe horizontale du four. La figure 4 représente une coupe verticale du four. La figure 5 représente une vue de face du four. La figure 6 représente une coupe verticale de la cheminée. 2910077 -3- La figure 7 représente deux positions du couple concentrateur-four . La figure 8 représente une vue latérale du système d'admission et de production d'électricité. La figure 9 représente une coupe verticale de l'éolienne et du générateur. 5 La figure 10 représente une vue de face du concentrateur solaire La figure 11 représente une coupe verticale et une coupe horizontale du concentrateur solaire. En référence à ces dessins, le système comprend un concentrateur solaire (1) fait d'un cadre (la) garni de nombreux petits miroirs-plan (lb) et solidarisé à une distance fixe 10 par quatre montants, d'un four (2) fait d'une cage cylindrique thermiquement isolée (2d) comportant sur sa portion faisant face au concentrateur solaire (1), un capteur thermique noir (2a). Le four s'ouvre en haut vers la cheminée (3) thermiquement isolée (3a) sur sa face externe et cloisonnée à l'intérieur en un conduit spiralé (3b). Le four s'ouvre en bas vers le conduit d'admission (4) qui descend jusqu'en bas de la 15 colonne de support (5) puis se prolonge horizontalement vers l'éolienne à ailettes (8) dont il traverse tangentiellement la cage (8a) pour se terminer par une bouche d'entrée évasée (4a). La roue à ailettes (8b) entraîne un axe qui actionne le générateur électrique (8c). Le système de traquage solaire assure les mouvements de rotation verticale de l'ensemble concentrateur-four via un axe de rotation fixé aux faces 20 latérales du four, lui permettant de pivoter sur une fourche (7a) fixée à la colonne de support (5) et une crémaillère (7b) placée sur une des faces latérales du four, pilotée par un petit moteur électrique (7c). Les mouvements de rotation horizontale sont assurés par le plateau (6) pivotant de 360 autour de l'axe de la colonne de support (5) et garni d'une crémaillère (7d) pilotée par un petit moteur électrique (7e). 25 La réalisation technique du système admet de très nombreuses variantes tant dans la forme et la taille globale que dans la réalisation pratique, l'agencement technique et les matériaux utilisés pour chacun des sous systèmes. Celle exposée dans les figures pourrait par exemple, à titre de prototype expérimental, avoir des dimensions de l'ordre de 2x1 m pour le cadre (la) du concentrateur solaire (1) et 30 20x10 cm pour chacun des petits miroirs (lb), les dimensions des autres pièces (capteur thermique (2a), four (2), radiateur (2h), diamètre et hauteur de la cheminée (3), diamètre du conduit d'admission d'air (4), rayon de la roue à ailettes (8h)) étant directement proportionnelles à celles du concentrateur et calculées de façon à optimaliser le rendement du système. La forme du capteur thermique et du radiateur 35 peut, elle aussi avoir différentes variantes, celle représentée ici étant la plus simple : un capteur rectangulaire plane (2a) en métal, de couleur noire et un radiateur à lames parallèles (2b) en cuivre. L'isolation thermique du four (3a) et de la cheminée (2d) est réalisée avec les matériaux classiques résistants aux températures élevées. L'articulation du four avec ses deux conduits peut revêtir une forme de glissière 2910077 -4- coulissant dans le sens de la courbure des faces supérieure et inférieure du four (non représenté sur les figures). La récupération de l'énergie cinétique de l'air peut, semblablement être assurée par différents systèmes. Celui représenté ici est du type éolienne à ailette (8) , procédé qui permet d'éviter un maximum de récupération de 5 l'énergie mécanique puisqu'elle force l'air entrant par la bouche d'entrée évasée (4a) à pousser les ailettes de la roue (8b) enfermée dans une cage (8a) pour parvenir au conduit d'admission (4). La structure interne de la cheminée admet aussi de nombreuses variantes. Elle est ici représentée sous forme d'un conduit spiralé (3b) qui minimise les déperditions caloriques et réduit la hauteur de la cheminée par rapport à 10 la longueur de la colonne d'air chaud. Le système permettant le traquage solaire est ici représenté sous sa forme élémentaire de deux axes de rotation, un axe horizontal (7a) et un axe vertical (5), deux crémaillères (7b et 7d), deux moteurs électriques (7c et 7e), un programmateur (non représenté sur les figures) et deux supports, l'un vertical, la colonne (5) et l'autre horizontal, le plateau pivotant (6). Le couplage de la roue à 15 ailettes (8b) et du générateur électrique est ici représenté sous sa forme la plus simple, celle d'un même axe concentrique aux deux pièces mais des systèmes d'engrenage, de transmission et de démultiplication divers peuvent être imaginés de façon à optimiser la rentabilité du système. Les applications industrielles peuvent se décliner dans toutes les échelles de 20 grandeur. Le système présenté peut, comme le panneau solaire photovoltaïque, servir pour une installation ponctuelle, pour une production électrique familiale ou pour une centrale énergétique de grande capacité. Comme tous les systèmes basés sur la concentration de l'énergie solaire, sa rentabilité est avant tout fonction de l'ensoleillement direct de l'installation c'est à dire de son 25 lieu d'implantation. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comporte un four solaire (2) communiquant par le haut avec une vaste cheminée d'évacuation (3) et vers le bas avec un conduit d'admission (4) sur le trajet duquel est branchée une turbine à ailettes (8a et b) actionnant un générateur électrique (8c). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le four (2), chauffé par un classique système de miroirs convergents (1), comporte sur une de ses faces latérales un capteur métallique noir (2a) thermiquement solidarisé à un radiateur dont les lamelles (2b et 2c) sont disposées verticalement à l'intérieur du four. 3) Dispositif selon la revendication-1-caractérisé én cë qûé la-chéminéé d'évacuation(3) permet l'accumulation d'une grande quantité d'air chaud du fait de la • forme spiralée de son conduit intérieur (3b) et de l'isolation thermique de ses parois (3a).