Brevet FR2951773A1 — publié le 20110429

UNITE DE PRODUCTION D'ENERGIE A RENDEMENT ELEVE. L'invention concerne, de façon générale, la production d'énergie à partir de sources d'énergies renouvelables. Plus précisément, l'invention concerne une unité de production d'énergie comprenant au moins une première canalisation convergente et un moteur, la première canalisation comprenant une entrée alimentée en fonctionnement par un fluide en mouvement accéléré dans la première canalisation jusqu'à une sortie de cette première canalisation, et le moteur étant installé à la sortie de la première canalisation et étant conçu pour récupérer une fraction au moins de l'énergie cinétique du flux de fluide traversant la sortie de la première canalisation. Des unités de production de ce type, dotées de roues à aubes en tant que moteurs, ont, au moins dans un passé assez lointain, été utilisées pour récupérer l'énergie cinétique des cours d'eau. L'intérêt d'exploiter les sources d'énergies renouvelables connaît depuis quelques années un nouveau regain, lié au constat des dommages écologiques résultant de l'exploitation de sources d'énergies fossiles. En particulier, des moyens alternatifs aux centrales thermiques ont été déployés en France depuis plusieurs années, sans néanmoins connaître de succès réels. Dans le même temps, l'énergie nucléaire, qui s'était fortement développée en France, connaît un net ralentissement, aucune construction nouvelle n'étant prévue à ce jour. 2 L'énergie solaire a montré ses limites en ce qui concerne la production d'électricité : en effet, le stockage de l'énergie électrique est très problématique et ne se fait actuellement que par l'utilisation de batteries, dont le recyclage est lui-même problématique en raison de l'emploi de matériaux toxiques ou polluants. Or, ce stockage est incontournable, puisque l'énergie ne peut en moyenne être produite qu'environ 12 heures par jour au moins en Europe occidentale, alors que les besoins en consommation s'étalent sur toute la durée d'une journée. L'énergie éolienne s'est développée depuis plusieurs années et de nombreux champs d'éoliennes de type classique à axe horizontal se sont déployés en France. Ce mode de production d'électricité est toutefois soumis à des contraintes assez strictes. En particulier, les éoliennes actuelles ne sont exploitables que si la vitesse du vent est comprise entre 20 et 80 km/h. En dessous de la limite inférieure de 20 km/h, la force du vent n'est pas suffisante pour mettre les pales en mouvement, et au-dessus de la limite supérieure de 80 km/h, les pales doivent être mises en drapeau pour éviter tout endommagement irréversible des éoliennes. Ainsi, la situation actuelle est frappée par un étrange paradoxe, à savoir que les éoliennes doivent, pour des raisons de sécurité, cesser de fonctionner lorsque le vent est le plus fort, c'est-à-dire précisément lorsque la production d'énergie pourrait être la plus importante. Par ailleurs, les éoliennes actuelles souffrent de deux autres inconvénients notables : 3 • Leur coût exorbitant, tant en matériel, qu'en génie civil d'installation, certaines d'entre elles étant supportées par des pylônes de 40 mètres de haut avec des pales mesurant également quelques quarante mètres; et • Leur impact très négatif sur la population avicole et sur le paysage. Enfin, d'après la loi de Betz, le rendement d'une éolienne est limité à 59%, hors transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique. En effet, Albert Betz a montré que le rendement d'une éolienne était optimal lorsque la vitesse du vent après le passage au travers des pales Vs était égale à un tiers de la vitesse VE du vent avant d'atteindre les pales: soit VS = 1/3 VE. On en déduit que la puissance est limitée à 16/27 (soit environ 0,59) de la puissance d'entrée. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer une unité de production d'énergie qui soit exempte de l'un au moins des défauts constatés sur les éoliennes actuelles. A cette fin, l'unité de production d'énergie de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le moteur est un moteur volumétrique traversé par la totalité du flux de fluide traversant la sortie de la première canalisation. De préférence, le moteur comprend un piston monté rotatif, autour d'un axe de rotation mobile, dans un cylindre fermé par deux faces d'étanchéité mutuellement parallèles et perpendiculaires à l'axe de rotation. 4 En particulier, il est possible de prévoir que le piston s'inscrive, transversalement à l'axe de rotation, dans une section de forme biconcave régulière, que le cylindre présente, transversalement à l'axe de rotation, une section en triangle curviligne équilatéral, que le piston délimite de façon étanche trois chambres dans le cylindre, et que la rotation, dans un premier sens, du piston dans le cylindre s'accompagne principalement d'une augmentation de volume d'une première des trois chambres et d'une diminution de volume d'une deuxième des trois chambres, disposée angulairement à 120 degrés de la première chambre, par rotation en sens inverse du premier sens autour de la position moyenne de l'axe de rotation. Il est alors notamment judicieux de prévoir que le piston comprenne un arbre creux et deux portions de cylindre solidaires de l'arbre, que l'arbre soit coaxial à l'axe de rotation et s'ouvre à l'extérieur du cylindre, que chacune des deux portions de cylindre du piston présente, transversalement à l'axe de rotation, une section s'inscrivant dans un segment de cercle, que les deux portions de cylindre du piston se déduisent l'une de l'autre par rotation de 180 degrés autour de l'axe de rotation, et que chaque portion de cylindre du piston présente une partie pleine s'étendant sur une première longueur périphérique, et une partie évidée s'étendant sur une deuxième longueur périphérique inférieure à la première longueur périphérique. Dans ce cas, il est également préférable de faire en sorte que chaque chambre du cylindre comporte une entrée de fluide orientée, pour une rotation du piston dans le premier sens, de manière à déboucher en regard d'une partie évidée du piston dans la configuration pour laquelle cette chambre présente un volume croissant, que chaque partie pleine du piston présente une fente communiquant avec l'arbre creux formant échappement, et que chaque fente du piston soit disposée de manière à 5 déboucher successivement dans chacune des chambres de volume décroissant lors de la rotation du piston dans le premier sens. Dans ce cas, l'unité de production d'énergie de l'invention comprend en outre avantageusement des deuxième et troisième canalisations convergentes respectivement raccordées aux entrées de fluide des deuxième et troisième chambres. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, chaque canalisation est un tube de Bernoulli. Dans le cas privilégié où l'unité de production d'énergie est conçue pour produire de l'énergie électrique, elle comprend en outre une génératrice électrique juxtaposée au moteur et entraînée par lui. Si l'unité de production d'énergie de l'invention comprend plusieurs canalisations convergentes, ces canalisations sont de préférence disposées à l'intérieur d'un manchon dont une ouverture d'entrée est couverte par une grille de protection. L'unité de production d'énergie de l'invention peut notamment prendre la forme d'une éolienne, auquel cas elle comprend par exemple un mât supportant le manchon suivant une orientation au moins sensiblement horizontale, le moteur et la génératrice étant portés par une extrémité du manchon distante de l'ouverture d'entrée de ce manchon. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui 6 en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant une unité de production d'énergie conforme à un mode de réalisation possible de l'invention et constituant une éolienne; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un cylindre d'un moteur volumétrique utilisable dans une unité conforme à l'invention ; - la figure 3 est une vue de dessus du piston d'un moteur volumétrique utilisable dans une unité conforme à l'invention; - la figure 4 est un schéma d'un moteur volumétrique utilisable dans une unité conforme à l'invention, utilisant le cylindre de la figure 2 et le piston de la figure 3; - la figure 5 est une vue en élévation du piston illustré à la figure 3; et - la figure 6 est une vue en perspective du piston 20 illustré aux figures 3 et 5. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne une unité de production d'énergie comprenant au moins une première canalisation convergente 11 et un moteur 2. La canalisation 11 comprend une entrée 110 alimentée 25 en fonctionnement par un fluide en mouvement, tel que l'air dans le cas d'une éolienne. Compte tenu de la forme convergente de la canalisation 11, le fluide traversant l'entrée 110 se trouve accéléré dans la canalisation 11 jusqu'à la sortie 30 111 de cette dernière. Le moteur 2, qui est installé à la sortie 111 de la canalisation 11, est conçu pour récupérer une fraction au 7 moins de l'énergie cinétique du flux de fluide traversant la sortie 111 de cette canalisation 11. Selon l'invention, le moteur 2 est un moteur volumétrique traversé par la totalité du flux de fluide qui traverse la sortie 111 de la canalisation 11. Par "moteur volumétrique", on entend ici toute machine transformant la circulation d'un fluide en un mouvement mécanique de façon telle que le blocage du mouvement interrompe la circulation de fluide, un tel moteur assurant donc la fonction inverse de celle qu'assure une pompe volumétrique. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le moteur 2 comprend un piston 21 (figures 3 à 6) monté rotatif dans un cylindre 22 (figures 2 et 4). Le cylindre 22 est fermé par deux faces d'étanchéité (non visibles), mutuellement parallèles et parallèles au plan des figures 2 et 4. Le piston 21 est monté rotatif autour d'un axe de rotation Z qui constitue un axe de symétrie d'ordre 2 pour ce piston, et qui est donc lié à ce piston. En revanche, au cours de la rotation du piston 21 dans le cylindre 22, l'axe de rotation Z, qui est perpendiculaire aux faces d'étanchéité du cylindre 22, se déplace par rapport au cylindre 22 autour d'une position moyenne. Comme le montrent les figures 2 à 6, qui illustrent le mode de réalisation préféré de l'invention, le piston 21 s'inscrit, transversalement à l'axe de rotation Z, dans une section de forme biconcave régulière, tandis que le cylindre 22 présente, transversalement à cet axe de rotation Z, une section en triangle curviligne équilatéral. 8 Comme le montre la figure 4, trois chambres 22a, 22b, et 22c sont alors délimitées de façon étanche par le piston 21 dans le cylindre 22. Lorsque le piston 21 subit une rotation de sens S dans le cylindre 22 à partir de la position illustrée à la figure 4, la pointe supérieure du piston 21 s'engage dans la chambre 22b, disposée à 120 degrés de la chambre 22a par rotation en sens inverse du sens de rotation S autour de la position moyenne de l'axe Z, pendant que la pointe inférieure de ce piston 21 quitte la chambre 22a. Lors de ce mouvement, le volume de la chambre 22a, qui est minimal sur la figure 4, croît pour tendre vers le volume que présente la chambre 22c sur cette figure, pendant que le volume de la chambre 22b décroît jusqu'à atteindre le volume que présente la chambre 22a sur cette figure, le volume de la chambre 22c restant pratiquement constant. Autrement dit, la rotation du piston 21 dans le cylindre 22 d'un sixième de tour dans le sens S depuis la position illustrée à la figure 4 a pour effet que la chambre 22b se retrouve dans une configuration finale identique à la configuration initiale de la chambre 22a, que la chambre 22c se retrouve dans une configuration finale identique à la configuration initiale de la chambre 22b, et que la chambre 22a se retrouve dans une configuration finale identique à la configuration initiale de la chambre 22c. Comme le montrent le mieux les figures 3, 5 et 6, le piston 21 comprend un arbre creux 210 et deux portions de 30 cylindre 211 et 212, solidaires de l'arbre 210. 9 En l'occurrence, le piston 21 comprend en outre une semelle 215 s'étendant perpendiculairement à l'axe Z et renforçant la rigidité et la cohésion de ce piston. L'arbre creux 210 est coaxial à l'axe de rotation Z, traverse l'une au moins des faces d'étanchéité du cylindre 22 (non visibles), et forme un échappement s'ouvrant à l'extérieur de ce cylindre 22. Chacune des deux portions de cylindre 211 et 212 du piston 21 présente, transversalement à l'axe de rotation Z, une section s'inscrivant dans un segment de cercle présentant, au jeu fonctionnel près, le même rayon que chaque côté des trois lobes formant le cylindre 22. Par ailleurs, les deux portions de cylindre 211 et 212 du piston 21 se déduisent l'une de l'autre par rotation de 180 degrés autour de l'axe de rotation Z. Comme le montre le mieux la figure 6, chacune des portions de cylindre 211 et 212 du piston 21 présente une partie pleine telle que 211a et 212a, et une partie évidée telle que 211b et 212b, chaque partie pleine présentant une longueur curviligne L1 supérieure à la longueur curviligne L2 de chaque partie évidée. Chacune des chambres 22a, 22b, et 22c du cylindre 22 comporte une entrée de fluide telle que 221, 222, et 223, respectivement. Pour une rotation du piston 21 dans le premier sens S, l'entrée de fluide 221, 222, ou 223 de chacune des chambres 22a, 22b, ou 22c est orientée de manière à déboucher en regard d'une partie évidée 211b ou 212b du piston 21, dans la configuration pour laquelle cette chambre présente un volume croissant, ce qui est le cas de la chambre 22a sur la figure 4. 10 Par ailleurs, chaque partie pleine 211a ou 212a du piston 21 présente une fente 213 ou 214 communiquant avec l'arbre creux 210, et chaque fente 213 ou 214 est disposée de manière à déboucher successivement dans chacune des chambres 22a, 22b, et 22c de volume décroissant lors de la rotation du piston 21 dans le sens S. Par exemple, comme le montre la figure 4, la fente 214 s'ouvre dans la chambre 22b dont le volume va 10 décroître. Comme le montre la figure 1, l'unité de production d'énergie conforme au mode de réalisation préféré comprend en fait trois canalisations 11, 12, et 13, dotées d'entrées respectives 110, 120, et 130, et de 15 sorties respectives 111, 121, et 131, les sorties de ces canalisations étant respectivement raccordées aux entrées 221, 222, et 223 des chambres 22a, 22b, et 22c du cylindre 22. Chacune de ces canalisations 11, 12, et 13 forme un 20 tube de Bernoulli, c'est-à-dire que la sortie de chacune de ces canalisations présente une aire inférieure à l'aire de l'entrée de cette canalisation. Ces canalisations convergentes 11, 12, et 13 sont avantageusement disposées à l'intérieur d'un manchon 4 25 dont l'ouverture d'entrée 40 est couverte par une grille de protection 5. Dans son application privilégiée, l'unité de production d'énergie de l'invention est conçue pour produire de l'énergie électrique et comprend à cette fin 30 une génératrice électrique 3 associée à un multiplicateur de vitesse, juxtaposée au moteur 2, et entraînée par ce dernier. 11 Comme le montre la figure 6, cette unité de production d'énergie prend par exemple la forme d'une éolienne dotée d'un mât 6 supportant le manchon 4 suivant une orientation au moins sensiblement horizontale. Le mât 6 peut reposer sur un bâti 7 abritant un transformateur de tension, le moteur 2 et la génératrice 3 pouvant être portés par une extrémité 41 du manchon 4 distante de l'ouverture d'entrée 40. A la lecture de la présente description, l'homme du métier comprendra néanmoins qu'une unité de production d'énergie conforme à l'invention peut être conçue pour être entraînée par tout autre fluide en mouvement que l'air, et notamment par l'eau ou la vapeur. L'intérêt du moteur volumétrique spécifique décrit 15 ci-dessus réside dans le fait qu'il corrige les trois défauts majeurs des éoliennes classiques. Même pour des vents importants, voire violents, aucune contre-indication de fonctionnement n'est à déplorer. Bien au contraire, lorsque la vitesse du vent 20 augmente, le moteur décrit développe toute sa capacité à transformer l'énergie cinétique du vent en électricité. Même dans le cas incertain où ce moteur serait soumis à la loi de Betz, une unité de production conforme à l'invention pourrait surmonter cette limitation en 25 utilisant deux ou trois étages de motorisation, conduisant respectivement aux rendements théoriques suivants . 59 + 41*0,59 = 83%, et 83 + 17*0,59 = 93%. Par ailleurs, l'accélération du fluide dans chaque 30 tube de Bernoulli permet d'augmenter l'énergie cinétique du fluide. 12 Compte tenu de la conservation du débit entre l'entrée et la sortie de chacune des canalisations 11, 12, et 13, la vitesse du fluide à la sortie est égale au produit de la vitesse du fluide à l'entrée par le rapport des aires respectives de l'entrée et de la sortie. Comme l'énergie cinétique d'un fluide est proportionnelle au carré de sa vitesse, chaque canalisation convergente augmente l'énergie cinétique du fluide qui la traverse par un facteur multiplicatif égal au carré du rapport des aires d'entrée et de sortie de cette canalisation. Ainsi, la puissance cinétique d'un flux d'air présentant une densité de 1,2 kg/m3 et atteignant à 6 m/s l'entrée circulaire, d'un mètre de rayon, d'une canalisation convergente augmentant d'un facteur 10 la vitesse de ce flux atteint 147 kW à la sortie de cette canalisation. A supposer que cette situation perdure pendant 8500 heures sur une année, l'énergie disponible atteint le chiffre, certes théorique mais considérable, de 1 250 MWh. Par rapport à une éolienne classique, l'invention présente les avantages majeurs suivants : 1°) Meilleur rendement, grâce au fait que l'unité de production de l'invention fonctionne sur une plage de vitesses de vent couvrant pratiquement la plage de vitesses observables, au moins en-dehors des zones d'ouragans. 2°) Grande compacité et impact minimal sur le paysage. Les calculs montrent que le diamètre d'entrée du manchon à air pourrait se limiter à 2 mètres, pour une longueur d'environ 5 mètres. 13 3°) Possibilité d'utiliser d'autres fluides que l'air. L'unité de production de l'invention peut notamment produire de l'électricité en étant traversée par un flux de liquide, et notamment en étant immergée dans une masse d'eau en mouvement (fleuve, marée, etc.). 4°) A une échelle miniature, cette unité de production pourrait aussi être intégrée dans toutes sortes de jeux ou de jouets.10 REVENDICATIONS. 1. Unité de production d'énergie comprenant au moins une première canalisation convergente (11) et un moteur (2), la première canalisation (11) comprenant une entrée (110) alimentée en fonctionnement par un fluide en mouvement accéléré dans la première canalisation jusqu'à une sortie (111) de cette première canalisation (11), et le moteur (2) étant installé à la sortie (111) de la première canalisation (11) et étant conçu pour récupérer une fraction au moins de l'énergie cinétique du flux de fluide traversant la sortie (111) de la première canalisation (11), caractérisée en ce que le moteur (2) est un moteur volumétrique traversé par la totalité du flux de fluide traversant la sortie (111) de la première canalisation (11). 2. Unité de production d'énergie suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le moteur (2) comprend un piston (21) monté rotatif, autour d'un axe de rotation mobile (Z), dans un cylindre (22) fermé par deux faces d'étanchéité mutuellement parallèles et perpendiculaires à l'axe de rotation (Z). 3. Unité de production d'énergie suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le piston (21) s'inscrit, transversalement à l'axe de rotation (Z), dans une section de forme biconcave régulière, en ce que le cylindre (22) présente, transversalement à l'axe de rotation (Z), une section en triangle curviligne équilatéral, en ce que le piston (21) délimite de façon étanche trois chambres (22a, 22b, 22c) dans le cylindre (22), et en ce que la rotation, dans un premier sens (S), 15 du piston (21) dans le cylindre (22) s'accompagne principalement d'une augmentation de volume d'une première (22a) des trois chambres (22a, 22b, 22c) et d'une diminution de volume d'une deuxième (22b) des trois chambres, disposée angulairement à 120 degrés de la première chambre (22a), par rotation en sens inverse du premier sens (S) autour de la position moyenne de l'axe de rotation (Z). 4. Unité de production d'énergie suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le piston (21) comprend un arbre creux (210) et deux portions de cylindre (211, 212) solidaires de l'arbre (210), en ce que l'arbre (210) est coaxial à l'axe de rotation (Z) et s'ouvre à l'extérieur du cylindre (22), en ce que chacune des deux portions de cylindre (211, 212) du piston (21) présente, transversalement à l'axe de rotation (Z), une section s'inscrivant dans un segment de cercle, en ce que les deux portions de cylindre (211, 212) du piston (21) se déduisent l'une de l'autre par rotation de 180 degrés autour de l'axe de rotation (Z), et en ce que chaque portion de cylindre (211, 212) du piston (21) présente une partie pleine (211a, 212a) s'étendant sur une première longueur périphérique (L1), et une partie évidée (211b, 212b) s'étendant sur une deuxième longueur périphérique (L2) inférieure à la première longueur périphérique (L1). 5. Unité de production d'énergie suivant la revendication 4, caractérisée en ce que chaque chambre (22a, 22b, 22c) du cylindre (22) comporte une entrée de fluide (221, 222, 223) orientée, pour une rotation du piston (21) dans le premier sens (S), de manière à déboucher en regard d'une partie évidée (211b, 212b) du 16 piston (21) dans la configuration pour laquelle cette chambre (22a, 22b, 22c) présente un volume croissant, en ce que chaque partie pleine (211a, 212a) du piston (21) présente une fente (213, 214) communiquant avec l'arbre creux (210) formant échappement, et en ce que chaque fente (213, 214) du piston (21) est disposée de manière à déboucher successivement dans chacune des chambres (22a, 22b, 22c) de volume décroissant lors de la rotation du piston (21) dans le premier sens (S). 6. Unité de production d'énergie suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre des deuxième et troisième canalisations convergentes (12, 13) respectivement raccordées aux entrées de fluide (222, 223) des deuxième et troisième chambres (22b, 22c). 7. Unité de production d'énergie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque canalisation (11, 12, 13) est un tube de Bernoulli. 8. Unité de production d'énergie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une génératrice électrique (3) juxtaposée au moteur (2) et entraînée par lui. 9. Unité de production d'énergie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs canalisations convergentes (11, 12, 13) disposées à l'intérieur d'un manchon (4) dont une ouverture d'entrée (40) est couverte par une grille de protection (5). 17 10. Unité de production d'énergie suivant les revendications 8 et 9, caractérisée en ce qu'elle prend la forme d'une éolienne, en ce qu'elle comprend un mât (6) supportant le manchon (4) suivant une orientation au moins sensiblement horizontale, et en ce que le moteur (2) et la génératrice (3) sont portés par une extrémité (41) du manchon (4) distante de l'ouverture d'entrée (40).