Brevet FR2936027A1 — publié le 20100319

l L'invention concerne un dispositif permettant de produire de l'électricité.Elle se rapporte aux tours solaires et dispositifs similaires. Pour le présent descriptif les termes de "tour solaire" désignent l'ensemble de l'installation, la "cheminée" désigne uniquement l'édifice comprenant le conduit d'évacuation. Dans sa configuration de base décrite par Jôrg Schlaich de SBP une tour solaire se compose d'une immense serre ouverte à la périphérie et constituant le collecteur au milieu duquel se dresse la cheminée tirant l'air chaud.Le vent artificiel produit en permanence actionne la ou les turbines situées à la base.Le tirage est proportionnel à la hauteur de la cheminée,d'où ses très grandes dimensions.Un cône de convergence permet de faciliter le passage des flux d'air dans la cheminée. Une tour solaire comporte des inconvénients.La cheminée,haute de 1000 m environ et d'un diamètre de l'ordre de 120 m,est en béton sur toute sa surface,ce qui induit une masse de matériaux considérable nécessitant un amortissement de l'énergie grise,un coût très élevé,une vulnérabilité face aux vents forts,aux séismes,aux attentats. Des recherches tendent à contourner les problèmes structurels. Le brevet DE 29622549U décrit une tour solaire gonflée avec un gaz plus léger que l'air en grandes quantités,représentant un coût de départ élevé s'ajoutant aux coûts de maintenance dus à l'acheminement du gaz remplaçant le gaz perdu.Sans gaz le maintien d'une tour d'une telle hauteur nécessiterait de l'air comprimé dans des poches gonflables imposant l'emploi d'un film épais et lourd.Quelque soit sa configuration une tour gonflable ne possède pas suffisamment de rigidité et se plie au vent,même haubanée.Rien n'est prévu voire possible pour affaler la cheminée en cas de vents excessifs,relativement fréquents en altitude:en effet il serait très difficile,long et coûteux d'évacuer l'air et l'hélium et les réintroduire à chaque variation météorologique. Le brevet ZA 200507212 décrit une tour solaire gonflée flottant dans l'air.Les pertes de charge sont très importantes en raison du coude formé par l'inclinaison de la tour.La poussée aérostatique n'est pas suffisante pour contrer un vent même léger de sorte que la tour penche rapidement vers l'horizontale et perd de son rendement. Certains des projets de tours gonflables conservent le bâtiment rigide de la base.Or bien que moins important que l'ensemble de la tour c'est un bâtiment d'autant plus considérable qu'il porte les turbines;il est donc coûteux et de plus occasionne des pertes de charges dues aux espaces fermés entre chacune des turbines. Les demandes de brevets DE 19806144 et FR 2893089 décrivent des installations insérées en milieu montagneux,et posant alors des problèmes liés à l;a nécessité d'un relief parfaitement linéaire sous l'ensemble de la surface collectrice pour permettre une convergence correcte des flux d'air,ce qui réduit les possibilités réelles d'installation.En outre le collecteur en pente a un rendement diminué par rapport à un collecteur plat. Les brevets WO 9424435 et FR 2307982 s'écartent de la conception d'une cheminée affectée au tirage simple en décrivant une cheminée collectrice en forme de cône,la turbine étant placée au col où la vitesse de l'air est accélérée selon l'effet Venturi.Cependant leur efficacité réelle est réduite car la montée de l'air est due principalement à sa poussée ascensionnelle,et très peu à l'effet de tirage de la cheminée limité à la hauteur du cône. Des structures en réseau de câbles recouverte d'une pellicule ont été employées pour des tours de refroidissement dont la forme est ramassée et la hauteur limitée à 180 m. Dépourvues de haubans elles nécessitent la mise en oeuvre d'un seul mât central,ce qui est un handicap rédhibitoire pour des tours d'une hauteur de l'ordre de 1000 m et de forme effilée,le mât devant alors être très robuste lourd et coûteux pour soutenir la structure;de plus il occasionne des pertes de charges de même que les filins descendant du sommet et suspendant la structure.Une très grande quantité de câbles sont nécessaires afin de maintenir la structure,d'où un coût et un impact visuel élevés. La présente invention permet de résoudre les problèmes structurels et de coûts de la tour solaire dans son ensemble,de la cheminée en particulier.La cheminée est constituée d'une structure légère haubanée comprenant plusieurs mâts fixés à des anneaux rigides et les encadrant à leur périphérie.Les anneaux permettent de tendre et de former le conduit d'évacuation.Le conduit d'évacuation est fait d'au moins une membrane souple cylindrique.Les anneaux sont déclinés en un anneau sommital et un anneau à la base tendant le conduit de part et d'autre,auxquels s'ajoutent éventuellement un ou plusieurs anneaux intermédiaires tendant le conduit dans les zones intermédiaires répartissant alors les tensions par fixations anneau par anneau,étant donné les très grandes dimensions de la cheminée. Ainsi la présente invention permet l'élimination des plus importantes masses de matériaux de construction traditionnelle constituant la surface de la cheminée tout en conservant le bénéfice d'une structure rigide de meilleure tenue qu'une structure gonflable, et ce en limitant l'impact visuel de par la transparence de la membrane.La légèreté de la membrane permet de l'associer à un support également léger.Le diamètre et donc le tirage de la cheminée peuvent être bien plus importants,d'autant que par sa transparence la cheminée permet le passage du rayonnement solaire dans les zones du collecteur situées habituellement et successivement à I'ombre.Le concept de construction associant une membrane tendue pouvant être transparente à une structure légère est étendu à d'autres pièces de l'installation:le cône de convergence des flux d'air, ?a partie surélevée du collecteur.Le coût et l'impact visuel sont diminués. Avantageusement les mâts et les anneaux de la cheminée sont construits en treillis,tout comme les pièces rigides du cône de convergence.Les haubans sont disposés sur le pourtour de la structure mâts-anneaux,l'intérieur étant occupé par le conduit de cheminée en matériau souple et tendu dans la structure.Les mâts haubanés en treillis ont fait leurs preuves et sont les plus légères et moins coûteuses des structures rigides:nombre de relais de télévision ont une hauteur de plus de 600 m,et pour un poids inférieur à 400 tonnes.Comme les mâts sont à la périphérie des anneaux,ils ne peuvent engendrer des pertes de charge.Les haubans sont orientés,à différentes hauteurs,vers au moins trois directions.Une installation haubanée a la particularité de ne pas générer au sol un espace occupé supplêmentaire conséquent puisque les points d'ancrage des haubans se situent à proximité du pourtour du collecteur.Par ailleurs bien que les forces de compression soient plus faibles du fait de la verticalité de la cheminée il est possible de limiter encore ces efforts par l'emploi de films d'épaisseur décroissante avec l'altitude. Avantageusement les membranes constituant le conduit d'évacuation,le cône de convergence,la partie surélevée du collecteur,les cloisons des compartiments,sont en feuille plastique transparente ou translucide ETFE.La tension d'une membrane à bonne mémoire élastique telle que l'EFTE permet l'obtention d'une forme lisse et précise,d'où une réduction des frottements. Avantageusement la zone surélevée du collecteur allant vers la cheminée et comprenant dans les projections habituelles le lourd bâtiment de la base est constituée de même d'une membrane également tendue,ce du premier anneau de la cheminée vers la zone de faible hauteur du collecteur en aval,et formant un cône.Cette zone comprend les turbines. Avantageusement la zone surélevée du collecteur est compartimentée,ce afin de diriger les flux d'air vers chaque turbine d'axe horizontal respective.Chaque compartiment est constitué d'une cloison verticale reliant le plafond de la zone surélevée au sol,et de la base à la cheminée,et canalise l'air vers la turbine puis vers la cheminée.Les pertes de charges sont réduites car l'espace entre chaque turbine est diminué.Chaque turbine comporte une structure ancrée au sol.Ainsi l'application du concept de la membrane tendue sur au moins un anneau d'une structure légère permet également d'éviter la construction du très lourd bâtiment de la base. La cheminée selon la présente invention peut aussi ne comporter qu'une seule turbine, alors d'axe vertical.Selon une variante la partie surélevée pseudo-conique du collecteur peut,de par sa mise en forme par tension de l'anneau de la base au pilier,avoir des dimensions et une hauteur aussi importantes que le permet l'élévation de la turbine et donc peut être rehaussée,ce afin de réduire l'angle de passage de l'horizontale à la verticale,et afin d'augmenter le volume d'air chauffé. La présente invention permet la mise en oeuvre d'un dispositif de levage de sécurité pour affaler rapidement,en moins d'une heure,le conduit ainsi que,accessoirement,la partie surélevée du collecteur,ce en cas de vents excessifs ou d'alerne météo,ou pour le remonter. L'objectif est de limiter la surface offerte au vent pour ne pas faire travailler la structure lors de coups de vent.Ce dispositif peut emprunter les techniques de levage connues,de préférence n'employant pas de contrepoids et n'encombrant pas la structure:dispositif à treuil ou à crémaillère.L'affalement est partiel ou total selon les vents à différentes altitudes. La mise en oeuvre du dispositif de sécurité de levage ou d'affalement du conduit et éventuellement de la partie surélevée du collecteur alors évidée à l'endroit de chaque mât pour pouvoir coulisser comprend leur équipement à leurs sommets respectifs d'un anneau pouvant être en en treillis ou de section annulaire en fibre de carbone,en fibre de verre ou en matériaux composites.Les anneaux du conduit et de la partie surélevée du collecteur sont d'une part fixés respectivement à l'anneau sommital et à l'anneau de la base de la structure,par des mousquetons à ouverture télécommandée,ci'autre part reliés à chacun des mâts par l'intermédiaire d'un dispositif à crémaillère ou d'un système de treuillage. La membrane formant le cône de convergence peut être détachable pour que soit assuré de même son affalement pour soulager la structure d'une prise au vent trop importante. Pour une installation à turbines disposées concentriquement les turbines sont équipées d'une rehausse afin d'éviter tout contact direct de la partie surélevée du collecteur avec les turbines lors de son affalement,ou en cas de détente de la membrane. Avantageusement le dispositif de sécurité comprend un dispositif à crémaillère,apparenté aux systèmes mis en oeuvre pour les ascenseurs de chantier.Le rail ou le mât ou l'échelle crantée est emboîté par un dispositif à roues crantées. Le dispositif à crémaillère comprend sur chaque mât un rail denté vertical permettant à l'anneau du conduit et éventuellement à l'anneau éventuel de la partie surélevée du collecteur de coulisser par l'intermédiaire de la roue dentée maintenue par une fourche fixée d'un côté à l'anneau,de l'autre côté entourant chacune des deux glissières disposées de part et d'autre du rail.La fourche comprend deux roulettes parcourant chacune les chemins de roulement que sont les deux glissières.Un moteur thermique,ou un moteur électrique alimenté par l'intermédiaire du câble d'alimentation électrique qui s'enroule et se déroule au fil des montées et descentes,assure le déplacement vertical en actionnant la roue.Le dispositif d'affalement est dirigé informatiquement selon les données fournies par des anémomètres et des baromètres disposés à différentes hauteurs de la structure. L'installation d'un ou plusieurs anneaux intermédiaires dans la structure permet de consolider la structure,et de faciliter la mise en forme et la répartition des tensions du conduit,lequel est alors équipé de fixations de type mousquetons à ouverture également télécommandée,ce pour chaque anneau structurel. Les dessins illustrent schématiquement les principes essentiels du dispositif selon l'invention dans des formes particulières de réalisation décrites ci-après. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'une tour solaire selon l'invention,avec les 35 turbines d'axe horizontal disposées concentriquement à la cheminée. La figure 2 représente une vue d'ensemble d'une tour solaire selon l'invention,avec une seule turbine disposée sous le conduit. La figure 3 représente une variante de la tour solaire représentée sur la figure 2. La figure 4 représente une vue du dessus de la tour solaire,variante à membrane double. La figure 5 représente une vue de la crémaillère et,plus bas,de l'enrouleur. La figure 6 représente une vue du dessus d'une partie du mécanisme de la crémaillère. La figure 7 représente la cheminée solaire,le conduit (1) et la partie surélevée (7) du collecteur étant affalés,la sangle (26) de l'enrouleur étant grossie par la membrane enroulée. La cheminée est constituée d'un conduit (1) d'évacuation fait d'une membrane cylindrique transparente en ETFE tendue de part et d'autre de l'anneau sommital (3) et de l'anneau de la base (4), lesquels sont encadrés à leur périphérie par quatre mâts (2) haubanés (6).Les anneaux structurels d'extrémité (3 et 4), ainsi qu'éventuellement l'anneau intermédiaire (5), forment avec les mâts (2) l'ensemble de la structure légère en treillis soutenant la membrane (1). La partie surélevée (7) du collecteur (10), de forme pseudo-conique,est une membrane transparente en ETFE tendue de l'anneau de la base (4) vers les piliers (9) ancrés au sol et marquant aussi la liaison avec le reste du collecteur (10).Les piliers (9) sont noirs et remplis d'eau afin de constituer des ancrages solides ainsi que des accumulateurs de chaleur.Le cône de convergence est constitué d'un mât en treillis (11) au sommet duquel est tendu une membrane transparente (13) en ETFE formant le cône de convergence. Pour une installation à plusieurs turbines d'axe horizontal (8) disposées concentriquement à la périphérie de la cheminée,des cloisons (14) faites de membrane,de préférence en ETFE, canalisent le vent artificiel vers les turbines (8).Ces cloisons (14) atteignent le plafond de la partie surélevée (7) du collecteur (10) et relient la cheminée aux piliers (9).Les turbines (8) sont équipées d'une rehausse (25) empêchant tout contact entre elles et la partie surélevée (7) du collecteur. L'installation peut aussi comporter une seule turbine (12) d'axe vertical,soutenue par un mât (23) d'où est tendue la membrane (13) formant le cône de convergence. Selon une variante représentée sur la figure 3 la partie surélevée (7) du collecteur (10), la turbine (12) et son mât (23) alors équipé de haubans (24), l'anneau de base (4) de la structure,la membrane (13) formant le cône de convergence,sont rehaussés,la partie surélevée (7) du collecteur (10) est également élargie,ce afin que soit augmenté le volume d'air chauffé dans la partie surélevée (7) du collecteur et afin de rendre plus progressif le passage des flux d'air de l'horizontale à la verticale. La mise en oeuvre du dispositif de levage de sécurité d'affalement du conduit (1) et éventuellement de la partie surélevée (7) du collecteur comprend leur équipement à leurs sommets respectifs d'un anneau (15) pouvant être en en treillis ou de section annulaire en fibre de carbone,en fibre de verre ou en matériaux composites.Les anneaux (15) du conduit (1) et de la partie surélevée (7) du collecteur sont fixés respectivement à l'anneau sommital (3) et à l'anneau de la base (4) de la structure,par des mousquetons à ouverture télécommandée_ équipant aussi les éventuels anneaux intermédiaires ,d'autre part relié à chacun des mâts (2) par l'intermédiaire d'un dispositif à crémaillère. Le dispositif à crémaillère comprend un rail denté (17) permettant à l'anneau (15) du conduit (1) et éventuellement à l'anneau (15) éventuel de la partie surélevée (7) du collecteur de coulisser par l'intermédiaire de la roue dentée (20) maintenue par une fourche (19) fixée d'un côté à l'anneau (15),de l'autre côté entourant chacune des deux glissières (16) disposées de part et d'autre du rail (17).La fourche (19) comprend deux roulettes (18) parcourant chacune les chemins de roulement que sont les deux glissières (16).Un moteur électrique (21) actionne la roue;il est alimenté par l'intermédiaire du câble (22) d'alimentation électrique qui s'enroule et se déroule au fil des montées et descentes.La membrane (13) formant le cône de convergence est détachable pour pouvoir être affalée également,car elle offre une grande prise au vent en raison de ses dimensions. Un enrouleur (26 et 27) du conduit (1) est mis en oeuvre:il est nécessaire afin de le contenir lors de son affalement.L'enrouleur (26 et 27) décrit en exemple est situé à mi-hauteur de la cheminée et se compose d'une sangle (26) entourant le conduit (1) et de deux boîtiers (27) de part et d'autre comprenant chacun une roue dentée éventuellement motorisée roulant le long de chacun des deux autres rails dentés verticaux (28) disposés à l'opposé le long des mâts (2) équipés,ainsi qu'un dévidoir permettant d'enrouler la sangle (26) pour la racourcir et resserrer le conduit (1) avant son emoulement.Lors de l'affalement l'anneau sommital (3) arrive à proximité de l'enrouleur (26 et 27), ce en bout de course. Selon une variante le conduit (1) est réalisé de plusieurs,au moins deux,membranes cylindriques de diamètre légèrement différent (29,30), emboîtées l'une dans l'autre,et tendues aux anneaux (3,4,et éventuellement 5) respectivement par les périphéries internes et externes de leurs anneaux (15) communs,auxquels se rajoutent par fixations structurelles (32) d'éventuels anneaux internes (33).Ce dispositif assure une meilleure isolation thermique du conduit (1).L' interstice sommital annulaire est occupé par une membrane annulaire correspondante (31) formant une soupape dont l'ouverture permet l'affalement du conduit en laissant échapper par le haut l'air contenu dans l'interstice.La fermeture de l'interstice au sommet pendant la mise en service permet d'éviter un effet de circulation d'air refroidissant le conduit (1) formé des aux moins deux membranes cylindriques (29,30). Les applications industrielles du dispositif selon la présente invention concernent le secteur des énergies renouvelables non polluantes pour la production d'électricité sans rejet de carbone.Le dispositif selon l'invention vise à la possibilité d'une exploitation effective du principe de la tour solaire thermique. REVENDICATIONS1) Tour solaire composée d'une serre ouverte à la périphérie et constituant le collecteur (10) au milieu duquel se dresse la cheminée,de plusieurs turbines d'axe horizontal (8) ou d'une seule turbine d'axe vertical (12),d'une partie surélevée (7) du collecteur (10), de forme pseudo-conique,comprenant un cône de convergence,caractérisée en ce que la cheminée est constituée d'une structure légère haubanée (6) comprenant plusieurs mâts (2) fixés à des anneaux rigides et les encadrant à leur périphérie,,en ce que les anneaux permettent de tendre et de former le conduit (1) d'évacuation,en ce que le conduit (1) d'évacuation est fait d'au moins une membrane souple cylindrique,en ce que les anneaux sont déclinés en un anneau sommital (3) et un anneau à la base (4) tendant le conduit (1) de part et d'autre,auxquels s'ajoutent éventuellement un ou plusieurs anneaux intermédiaires (5) répartissant alors les tensions par fixations anneau par anneau. 2) Tour solaire selon la revendication 1 caractérisée en ce que les mâts (2), et les anneaux (3,4,éventuellement 5) sont construits en treillis. 3) Tour solaire selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la partie surélevée 15 (7) du collecteur est une membrane transparente tendue de l'anneau de la base (4) vers les piliers (9) ancrés au sol. 4) Tour solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que des cloisons (14) faites de membrane canalisent le vent artificiel vers les turbines (8), en ce que les cloisons (14) atteignent le plafond de la partie surélevée (7) du collecteur et 20 relient la cheminée aux piliers (9),en ce que les turbines (8) sont équipées d'une rehausse (25) empêchant tout contact entre elles et la partie surélevée (7) du collecteur. 5) Tour solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le cône de convergence est constitué d'un mât en treill=is (11) au sommet duquel est tendu une membrane (13) formant le cône,en ce que la membrane (13) formant le cône de 25 convergence peut être détachable. 6) Tour solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les membranes constituant le conduit (1) d'évacuation,la partie surélevée (7) du collecteur (10),les cloisons des compartiments (14), la partie souple du cône de convergence (13), sont en feuille plastique transparente ou translucide ETFE. 30 7) Tour solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par la mise en oeuvre d'un dispositif de sécurité de levage ou d'affalement du conduit (1) et éventuellement de la partie surélevée (7) du collecteur alors évidée à l'endroit de chaque mât (2), comprenant l'équipement à leurs sommets respectifs d'un anneau (15) pouvant être en treillis ou de section annulaire en fibre de carbone,en fibre de verre ou en matériaux composites,en ce que les anneaux (15) du conduit (1) et de la partie surélevée (7) du 35 collecteur sont d'une part fixés respectivement à l'anneau sommital (3) et à l'anneau de la base (4) de la structure,par des mousquetons à ouverture télécommandée_ équipant aussi les éventuels anneaux intermédiaires ,d'autre part reliés à chacun des mâts (2) par l'intermédiaire d'un dispositif à crémaillère ou d'un système de treuillage. 8) Tour solaire selon la revendication précédente caractérisée en ce que le dispositif à crémaillère comprend sur chaque mât (2) un rail denté (17) vertical permettant à l'anneau (15) du conduit (1) et éventuellement à l'anneau (15) éventuel de la partie surélevée (7) du collecteur de coulisser par l'intermédiaire de la roue dentée (20) maintenue par une fourche (19) fixée d'un côté à l'anneau (15),de l'autre côté entourant chacune des deux glissières (16) disposées de part et d'autre du rail (17),en ce que la fourche (19) comprend deux roulettes (18) parcourant chacune les chemins de roulement que sont les deux glissières (16), en ce qu'un moteur thermique,ou un moteur électrique (21) alimenté par l'intermédiaire du câble (22) d'alimentation électrique qui s'enroule et se déroule au fil des montées et descentes,assure le déplacement vertical en actionnant la roue (20), par la mise en oeuvre d'un enrouleur (26 et 27) du conduit (1), en ce que l'enrouleur (26 et 27) est situé à mi-hauteur de la cheminée et se compose d'une sangle (26) entourant le conduit (1) et de deux boîtiers (27) de part et d'autre comprenant chacun une roue dentée éventuellement motorisée roulant le long de chacun des deux autres rails dentés verticaux (28) disposés à l'opposé le long des mâts (2) équipés ainsi qu'un dévidoir permettant d'enrouler la sangle (26) pour la racourcir et resserrer le conduit (1) avant son enroulement,en ce que le dispositif d'affalement est dirigé informatiquement selon les données fournies par des anémomètres et des baromètres disposés à différentes hauteurs de la structure. 9) Tour solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la partie surélevée (7) du collecteur (10),la turbine (12) et son mât (23) alors équipé de haubans (24), l'anneau de base (4) de la structure,la membrane (13) formant le cône de convergence,sont rehaussés,en ce que la partie surélevée (7) du collecteur (10) est également élargie. 10) Tour solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le le conduit (1) est réalisé de plusieurs,au moins deux,membranes cylindriques de diamètre légèrement différent (29,30), emboîtées l'une dans l'autre,et tendues aux anneaux (3,4,et éventuellement 5) respectivement par les périphéries internes et externes de leurs anneaux (15) communs,auxquels se rajoutent par fixations structurelles (32) d'éventuels anneaux internes (33), en ce que l'interstice sommital annulaire est occupé par une membrane annulaire correspondante (31) formant une soupape.