Brevet FR2908164A1 — publié le 20080509

romaine technique de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour produire de l'énergie électrique de manière continue à partir d'une source renouvelable : le soleil. Le dispositif s'affranchit notamment du cycle jour/nuit et des variations d'ensoleillement. Il est basé sur la transformation de la chaleur collectée par un capteur solaire, stockée dans un liquide caloporteur, et transformée de façon régulière en énergie électrique, à l'aide d'un moteur à cycle Stirling et d'une génératrice entraînée par celui-ci. La capacité thermique du liquide caloporteur permet le stockage de l'énergie sous forme thermique jusqu'au moment de sa transformation en électricité. Etat de la technique antérieure Traditionnellement, lorsque pour une habitation on recherche l'indépendance énergétique et plus particulièrement l'indépendance et l'autonomie en matière électrique fondée sur une énergie renouvelable, il est proposé au consommateur de s'équiper en éolienne ou en panneau solaire photovoltaïque. Ces équipements, bien que performants lorsqu'il y a du vent ou du soleil le jour, nécessitent de s'équiper d'un grand, coûteux et polluant volume de batteries d'accumulateurs pour palier de manière rassurante le manque de vent ou de soleil. Par ailleurs, le panneau solaire photovoltaïque, bien qu'issu d'une haute technologie de fabrication reste coûteux d'un point de vue environnemental et a un rendement très faible, de l'ordre de 10 à 15% de l'énergie solaire reçue transformée en électricité. Le mariage de l'énergie solaire et du moteur Stirling fait déjà l'objet de développement, sur la base de concentrateur solaire parabolique. Là encore, le niveau élevé de technologie nécessaire au bon fonctionnement d'un moteur Stirling à forte différence de température - 600 C à 900 C - conduit à des systèmes sophistiqués et coûteux. D'autres systèmes à ensoleillement direct existent, la partie chaude d'un moteur à cycle Stirling étant exposée aux rayons du soleil, avec ou sans concentrateur. Mais l'absence de stock tampon d'énergie, ne permet pas un fonctionnement régulier et continu des systèmes s'affranchissant des nuages et de la nuit. 2908164 2 Exposé de l'invention Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Il comporte en effet selon une première caractéristique un liquide caloporteur additionné d'antigel, chauffé dans un ou 5 plusieurs capteurs solaires, circulant dans un circuit primaire, idéalement par thermosiphon dans une configuration appropriée selon les règles de l'art. Le circuit primaire traverse un réservoir tampon calorifugé et réchauffe ainsi le liquide qu'il contient. Dans une version déportée de l'invention, le liquide du réservoir, de l'eau à 10 défaut d'autre liquide plus calorifique, circule dans un circuit secondaire, traverse la partie creuse dite chaude d'un moteur Stirling et retourne vers le réservoir. Le moteur Stirling selon l'invention est dit à faible différence de température . Il se compose d'un cylindre étanche aplati et 15 calorifuge, fermé à ses extrémités par deux plaques d'échange thermique. L'une dite froide peut-être avantageusement munie d'ailettes de refroidissement. Elle est en contact avec l'air ambiant ou toute autre source froide. L'autre face, dite chaude , est séparée par un matériau conducteur de chaleur, selon le dispositif de 20 l'invention, d'un boîtier étanche, cette cavité laissant circuler le liquide caloporteur provenant du réservoir. Le cylindre aplati renferme un gaz, de l'air (à défaut d'un autre gaz plus performant comme l'hydrogène). Le cylindre aplati contient un déplaceur qui effectue sans frottements mécaniques un mouvement de va-25 et-vient entre les faces intérieures chaudes et froides. Le déplaceur, selon l'invention est muni de deux faces extérieures perforées en matériau calorifuge, prenant en sandwich une couche rigide. Le déplaceur en mouvement repousse le gaz contenu dans le cylindre alternativement vers la face chaude et la face froide. Le gaz, 30 alternativement chauffé et refroidi au contact des parois, se dilate et se contracte, faisant ainsi varier la pression dans l'enceinte fermée. Sur sa face froide, le cylindre aplati contenant le déplaceur est relié par un conduit à un second cylindre contenant le piston. Le 35 piston effectue un mouvement de va-et-vient, en transformant les variations de la pression du gaz en mouvement mécanique. Le mouvement alternatif, à l'aide d'une bielle, est transformé en rotation du vilebrequin du moteur stirling. Le vilebrequin, à l'aide d'une seconde bielle, commande le mouvement du déplaceur. Les bielles tournent entre 2908164 -3- elles selon un cycle décalé de 90 , le déplaceur étant en avance de un quart de tour sur le piston. Un volant d'inertie monté sur le vilebrequin du moteur Stirling complète le moteur. Selon une variante de l'invention, le vilebrequin actionne à l'aide d'une troisième 5 bielle une pompe de circulation, garantissant le renouvellement du liquide caloporteur dans la zone chaude du moteur. Lorsque la température de la partie chaude du Moteur Stirling atteint une valeur suffisante, supérieure de quelques degrés à la température 10 ambiante, le moteur est lancé manuellement et son mouvement est entretenu par la consommation de l'énergie thermique accumulée dans le ballon. Le vilebrequin du moteur Stirling actionne, par un système approprié de courroie, d'engrenage ou en prise directe, l'axe de rotation d'une génératrice de type dynamo ou alternateur. 15 La nuit ou lorsque l'ensoleillement est insuffisant pour réchauffer les panneaux solaires, le clapet anti-retour empêche la circulation du liquide caloporteur antigel du circuit primaire entre le réservoir et les capteurs. Par contre le liquide contenu dans le réservoir continue à circuler entre le réservoir et la partie chaude du moteur Stirling, 20 grâce à une pompe de circulation ou par l'effet de thermosiphon sur le circuit secondaire lorsque le moteur est placé au-dessus du réservoir. Dans une version compacte de l'invention, le réservoir fait office de partie chaude du moteur Stirling, permettant ainsi de s'affranchir de pompe de circulation et de circuit secondaire. 25 Dans une version de l'invention produisant de manière instantanée de l'énergie électrique à partir de l'énergie solaire, le réservoir et sa capacité d'hydro accumulation est supprimé et les circuits primaire et secondaire confondus. C'est alors le même liquide antigel qui se réchauffe dans les panneaux solaires, avant de traverser la cavité du 30 moteur Stirling et d'y restituer la chaleur accumulée. La seule inertie thermique du circuit suffit à palier l'intermittence de l'ensoleillement mais n'assure pas un fonctionnement continu au cours de la nuit. Dans une version de l'invention produisant de manière instantanée de 35 l'énergie électrique à partir d'une autre énergie renouvelable primaire, le réservoir et sa capacité d'hydro accumulation est supprimé et les circuits primaire et secondaire confondus. C'est alors le même liquide antigel qui se réchauffe dans un serpentin (ou tout autre système d'échange thermique) parcourant la source géothermique, 2908164 -4- des déchets en fermentation ou n'importe quel foyer chauffant alimenté en carburant renouvelable, avant de traverser la cavité du moteur Stirling et d'y restituer la chaleur accumulée. 5 Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente compacte, la partie chaude du moteur Stirling fermant le haut du réservoir. La figure 2 représente en perspective, le schéma général du dispositif 10 de l'invention dans sa version déportée, le moteur Stirling fonctionnant par thermosiphon. La figure 3 représente en coupe, le moteur Stirling, sans sa génératrice, prêt à fermer le réservoir dans la version compacte du dispositif de l'invention. 15 La figure 4 représente en coupe, le moteur Stirling, muni de sa génératrice, équipé d'une zone chaude et d'une pompe de circulation, destiné à la version déportée du dispositif de l'invention. La figure 5 représente le principe en coupe d'un capteur solaire réchauffant un ballon. 20 La figure 6 représente un exemple de montage de plusieurs panneaux solaires selon la boucle de Tickelman. La figure 7 représente le schéma général du dispositif de l'invention dans sa version de production instantanée d'électricité, sans hydroaccumulation. 25 Selon des modes particuliers de réalisation : En référence à ces dessins, le dispositif peut comporter, (1) Un ou plusieurs capteurs solaires thermiques dirigés vers le 30 soleil et montés selon la boucle de Tickelman (2) Un réservoir tampon étanche rempli d'eau ou d'un autre liquide caloporteur, isolé thermiquement (3) Un circuit primaire de circulation contenant un liquide caloporteur antigel entre les capteurs et le réservoir 35 (4) Un clapet anti-thermosiphon sur le circuit primaire (5) Un vase d'expansion ouvert ou fermé (Non représenté), avec soupape de sécurité sur le circuit primaire : Si la pression du liquide caloporteur dépasse un seuil fixé, pour cause de chaleur par exemple, celle-ci s'ouvre et laisse échapper du fluide. Cela 2908164 -5- a pour effet de faire baisser la pression du circuit. Un serpentin de décharge en sortie de la soupape de sécurité complète le dispositif selon les règles de l'art. (6) un moteur à cycle Stirling fonctionnant avec une faible 5 différence de température (7) un circuit secondaire de circulation entre le réservoir et la partie chaude du moteur Stirling (8) un système de dissipation de la partie froide du moteur Stirling formé d'ailettes de refroidissement 10 (9) Une génératrice de courant (dynamo) pour exemple de 12 Volt (10) Un régulateur de charge, protège contre les erreurs de branchement, s'adapte automatiquement à la tension, diagnostique l'état de fonctionnement, indique l'état de charge, protège de la décharge. 15 (11) Une batterie d'accumulateurs, pour exemple de 12 Volt permettant de fournir l'électricité pendant les pics de consommation. (12) Un convertisseur courant continu - courant alternatif, pour exemple 12V continu en 220 volt alternatif 20 Peuvent être ajoutés avantageusement en option (13) Un système (Non représenté) de suivi du soleil positionnant les panneaux solaires thermiques en toute saison et/ou au cours de la journée de façon perpendiculaire aux rayons du soleil 25 (14) Une pompe (circulateur) forçant la circulation du fluide calorifère entre les panneaux et le réservoir munie d'une régulation différentielle (circulation si température capteur > de 4 C à la température du bas du ballon - hystérésis réglé à 2 C), lorsque par exemple les capteurs sont placés au-dessus du 30 niveau bas du réservoir (pas de thermosiphon possible). (15) Une pompe forçant la circulation du fluide calorifère entre le réservoir et la partie chaude du moteur Stirling, lorsque par exemple le réservoir est placé au-dessus du niveau bas de la partie chaude du moteur Stirling (pas de thermosiphon possible). 35 Cette pompe est idéalement actionnée par la rotation du moteur Stirling (16) D'une valve pilotée (Non représentée), régulant la vitesse de rotation du moteur Stirling en fonction de la demande 2908164 -6- électrique par action sur le débit entre le réservoir et la partie chaude du moteur Stirling (17) Un système de raccordement au réseau public d'électricité afin de revendre le trop plein d'énergie (Non représenté) 5 (18) Un système de démarrage électrique permettant le lancement de la rotation du moteur Stirling après un arrêt, (Non représenté) (19) Un dispositif d'appoint chauffant le réservoir à partir d'une autre énergie renouvelable, tel qu'une chaudière à bois, 10 une éolienne, un circuit géothermique,la fermentation ou la combustion de déchets (Non représenté) Selon des modes particuliers de réalisation, le moteur Stirling selon l'invention peut comporter : 15 (20) Une zone chaude reliée au réservoir et servant d'échangeur avec la face chaude du moteur. (21) un cylindre creux aplati, calorifugé sur son diamètre, conducteur sur ses deux faces chaude et froide, contenant (22) un déplaceur rigide et perforé, en matériau calorifuge, 20 assemblé de manière rigide avec un coulisseau coulissant dans un (23) un guide étanche (24) une bielle déplaceur articulée (25) un vilebrequin muni d'une manivelle piston , et d'une manivelle déplaceur décalées de 90 degrés. Eventuellement une 25 manivelle pompe complète le dispositif de l'invention dans la version déportée du moteur. (26) un cylindre moteur contenant (27) un piston moteur relié au vilebrequin par (28) une bielle articulée moteur 30 (29) des supports de paliers maintenant le vilebrequin en place (30) un mécanisme d'entraînement de la génératrice Selon des modes particuliers de réalisation, dans une version compacte 35 préférée de l'invention, le circuit secondaire (7), sa pompe (15) pourront être supprimés et le réservoir (2) constituer directement la partie chaude (20) du moteur Stirling. 2908164 -7- Selon des modes particuliers de réalisation, la génératrice est en prise directe sur l'axe du moteur Stirling et constitue le volant d'inertie du moteur. 5 Selon une variante non illustrée, un démarreur électrique avec son système de commande peut être ajouté sur la roue du moteur, lorsque par exemple, les dimensions du moteur ne permettent pas un lancement manuel. 10 Selon une variante non illustrée, les circuits primaire et/ou secondaire pourront être ouverts sur le réservoir et contenir le même liquide caloporteur antigel. 2908164 8 Calculs & dimensionnement A titre d'exemple non limitatif, les proportions suivantes devront être respectées pour un fonctionnement satisfaisant : pour 3 m2 de 5 panneaux solaires, le réservoir aura une capacité de 200 litres, un diamètre 56 cm, une hauteur 127 cm. 200 litres d'eau chauffés à 60 pour une température ambiante de 18 C représentent une accumulation (60 -18 ) x 200 litres = 8400 kcal soit (1 cal = 4,18 J ) 35112 kJ, (1 W = 1 J/s), = 9,76 kWh d'énergie 10 stockée sous forme thermique. Soit d'après le dispositif de l'invention, 25% récupérables sous forme électrique : une production électrique continue la nuit (sans apport extérieur de chaleur) d'une puissance de 100W. Le diamètre extérieur du moteur sera de 56 cm. Le diamètre du 15 déplaceur du moteur Stirling sera de 45 cm, son épaisseur de 3 cm, pour une course de 6 cm. Le diamètre du piston du moteur Stirling sera de 6 cm, pour une course de 6 cm. Le régulateur de charge aura une capacité de 220 W environ sous 12 Volts. Une batterie étanche, de 12 V et 200 Ah permet de supporter des 20 pics de consommation de 2400 W. Application industrielle Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à l'alimentation d'une habitation en électricité, de manière autonome et 25 continue, à partir de l'énergie solaire ou d'une autre source de chaleur et à la revente au réseau d'électricité produite par énergie renouvelable. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production continue d'électricité à partir de l'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comprend une génératrice (9), actionnée par un moteur à cycle Stirling à faible différence de température (6), dont une partie creuse dite chaude (20) est alimentée en chaleur par un liquide contenu dans un réservoir tampon calorifugé d'hydroaccumulation (2), chauffé par des panneaux solaires (1) à l'aide d'un circuit primaire (3) contenant un liquide antigel et muni d'un clapet anti-retour (4). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le liquide du réservoir (2), circule dans un circuit secondaire (7), traverse la partie creuse dite chaude (20) du moteur Stirling (6) et retourne vers le réservoir (2) à l'aide d'une pompe (15), actionnée par le vilebrequin (25) lorsque le fonctionnement par thermosiphon est inopérant. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou selon la revendication 2 caractérisé en ce que le moteur Stirling comprend une combinaison 20 de un cylindre étanche aplati et calorifuge (21), fermé à ses extrémités par deux plaques, l'une dite froide qui est munie d'ailettes de refroidissement (8), l'autre face, dite chaude , qui est séparée par un matériau conducteur de 25 chaleur, d'un boîtier étanche (20). un gaz enfermé dans le cylindre aplati (21) un déplaceur (22) contenu dans le cylindre aplati (21), qui effectue un mouvement de va-et-vient entre les faces intérieures chaude et froide . 30 un second cylindre (26), relié par un conduit au cylindre aplati (21) sur sa face froide, et contenant un piston (27), dont le mouvement alternatif, à l'aide d'une bielle articulée (28), est transformé en rotation d'un vilebrequin (25) du moteur à cycle Stirling. 35 un vilebrequin (25), qui à l'aide d'une seconde bielle articulée (24) commande le mouvement du déplaceur (22) avec une avance de un quart de tour sur le mouvement du piston (27). 2908164 -10- - un système (30) de courroie, d'engrenage ou de prise directe entraînant la rotation d'une génératrice (9), de type dynamo ou alternateur, à partir de la rotation du vilebrequin (25) du moteur Stirling. 5 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le déplaceur (22), est muni de deux faces extérieures perforées en matériau calorifuge, prenant en sandwich une couche rigide. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que dans une version compacte de l'invention, 10 le réservoir (2) fait office de partie chaude (20) du moteur Stirling, et ne comporte pas de pompe de circulation (15), ni de circuit secondaire(7). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la génératrice (9), à l'aide d'un 15 régulateur de charge (10), charge une batterie (11) qui alimente un convertisseur de courant(12). 7. Procédé de production continue d'électricité à partir d'une source renouvelable d'énergie primaire, de type solaire, géothermique, issu de la fermentation ou la combustion de déchets, utilisant le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un serpentin ou tout autre échangeur chauffant le liquide contenu dans un réservoir d'hydroaccumulation calorifugé à l'aide d'un circuit primaire et alimentant en liquide chaud, un moteur à cycle Stirling actionnant une génératrice. 8. Dispositif de production instantanée d'électricité à partir de l'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comporte une génératrice (9), actionnée par un moteur à cycle Stirling à faible différence de température (6), dont une partie creuse dite chaude (20) est alimentée en chaleur par un liquide, chauffé par des panneaux solaires (1) qui, à l'aide d'un circuit unique, traverse la partie creuse dite chaude (20) d'un moteur à cycle Stirling (6) et retourne vers les panneaux solaires à l'aide d'une pompe (15), actionnée par le vilebrequin (25) lorsque le fonctionnement par thermosiphon est inopérant. 9. Procédé de production instantanée d'électricité à partir d'une source renouvelable d'énergie primaire, de type solaire, géothermique, issu de la fermentation ou la combustion de déchets, utilisant le dispositif selon la 2908164 -11- revendication 8 comprenant un serpentin ou tout autre échangeur thermique réchauffant le liquide contenu dans un circuit alimentant une cavité chaude d'un moteur à cycle Stirling actionnant une génératrice.