Brevet FR2981637A1 — publié le 20130426

Système de production thermique d'électricité pour aéronef La présente invention concerne les systèmes de production d'électricité pour aéronefs et des procédés de production d'électricité. En particulier, la présente invention concerne des systèmes de production d'électricité qui utilisent de la chaleur résiduelle produite par des systèmes avioniques. Dans la technique antérieure, les besoins en électricité des aéronefs sont couverts par des alternateurs entraînés mécaniquement par les moteurs. Globalement, deux alternateurs peuvent être fixés à chaque moteur. On sait que des sources de secours telles qu'un groupe auxiliaire (APU) et une turbine à air dynamique (TAD) sont également prévues. Chacune de ces sources d'électricité nécessite que du kérosène soit brûlé pour produire de l'électricité. Dans le cas des alternateurs fixés aux moteurs, l'augmentation de la combustion de kérosène est provoquée par la sollicitation supplémentaire des moteurs bien au-delà des besoins pour les déplacements des aéronefs. Dans le cas de la TAD, l'augmentation de la combustion de kérosène est provoquée par la traînée aérodynamique supplémentaire due à l'exposition de la TAD au courant d'air extérieur. D'autre part, un APU comprend globalement un moteur qui brûle directement le kérosène qui lui est fourni en propre. Dans chaque cas, du kérosène doit être brûlé afin de produire de l'électricité pour l'aéronef. La présente invention a pour objet un système de production et de distribution d'électricité pour aéronef, comportant une ou plusieurs sources de chaleur, un alternateur thermoélectrique conçu pour recevoir de la chaleur résiduelle d'au moins une source de chaleur et convertir la chaleur résiduelle en courant électrique, l'alternateur thermoélectrique étant connecté électriquement à un rail de distribution d'électricité servant à fournir de l'électricité aux systèmes électriques de l'aéronef. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de production et de distribution d'électricité selon l' invention ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un générateur thermoélectrique ; - la figure 3 est une vue partielle en coupe d'un générateur thermoélectrique installé sur un dispositif d'échappement de moteur ; - la figure 4 est une vue en plan d'un panneau de générateurs thermoélectriques ; - la figure 5 est une courbe de l'intensité par rapport à la différence de température pour un dispositif thermoélectrique selon l'invention ; et - la figure 6 est une courbe de la tension par rapport à la différence de température correspondant à la courbe de la figure 5. Sur la figure 1 est représenté un système de production et de distribution d'électricité 1 comportant une pluralité de sources de chaleur 2, 3, 4, 5, chaque source de chaleur 2,3,4,5 étant reliée à un alternateur thermoélectrique, noté respectivement 6, 7, 8, 9. Des sources primaires de chaleur 3, 4 sont représentées au milieu du dispositif et comprennent un premier et un second moteurs pour entraîner l'aéronef. Les moteurs sont les plus grands producteurs de chaleur sur l'aéronef. Une source secondaire de chaleur comprend un système de climatisation (ECS) 2 disposé sur la gauche du dispositif représenté sur la figure 1, l'ECS ayant pour fonction de maintenir des conditions de température et de pression dans l'aéronef. L'ECS 2 comprend un certain nombre d'échangeurs de chaleur qui produisent de la chaleur utilisable par l'alternateur thermoélectrique 6 relié à ceux-ci. Une autre source secondaire de chaleur comprend un APU 5 connecté à un autre alternateur thermoélectrique 9. De préférence, la connexion entre l'APU 5 et l' alternateur thermoélectrique 9 est formée en intégrant l'alternateur dans un système de régulation thermique de l'APU. Par conséquent, l'alternateur 9 offre l'avantage d' assurer le refroidissement de l'APU. Chaque alternateur thermoélectrique 6, 7, 8, 9 est relié à une source individuelle de chaleur 2, 3, 4, 5, bien que, dans une autre forme de réalisation possible, les sources de chaleur puissent avoir chacune une pluralité d'alternateurs, disposés autour de la source de chaleur pour intercepter un maximum de chaleur issue de cette source 2, 3, 4, 5. Chaque alternateur 6, 7, 8, 9 comprend une pluralité d'éléments thermoélectriques à semi-conducteurs. Les alternateurs thermoélectriques 6, 7, 8, 9 sont connectés au système de distribution d'électricité 10 de l'aéronef, qui distribue l'électricité aux diverses charges de l'aéronef. Dans une forme de réalisation préférée, l'électricité d'origine thermique sert à faire fonctionner les systèmes de la cabine et d'autres charges non essentielles. Une source supplémentaire de chaleur peut être constituée par des piles à combustible servant à produire de l'électricité pour l'aéronef. Les piles à combustible peuvent fonctionner à un rendement d'environ 50 %, tandis que le rendement des systèmes thermoélectriques avoisine les 37 %, ce qui donne un rendement global de l'ordre de 68,5 % pour un système combiné de piles à combustible et de dispositifs thermoélectriques pour intercepter leur chaleur résiduelle. La figure 2 est une vue en coupe d'une partie d'un alternateur thermoélectrique 6, 7, 8, 9 comprenant une pluralité d'éléments thermoélectriques 13, 14, 15, 16, 17, 18 à semi- conducteurs. Les éléments thermoélectriques sont dopés alternativement avec un matériau de type N et de type P et sont intercalés entre des couches thermoconductrices 11 et 12. Ainsi, les éléments désignés par les repères 13, 15 et 17 sont en matériau de type N, tandis que ceux désignés par les repères 14, 16 et 18 sont en matériau de type P. Dans une forme de réalisation, les couches thermoconductrices 11 et 12 comprennent des plaquettes de céramique. Une source de chaleur est située près de la plaquette de céramique 12, qui est représentée sur le dessus de l'alternateur sur la figure 2. Concrètement, l'alternateur 6, 7, 8, 9 peut être orienté suivant n'importe quel angle approprié pour exploiter la chaleur 26 issue de la source de chaleur. Des éléments d'interconnexion électriquement conducteurs 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 sont situés alternativement entre les extrémités des éléments thermoélectriques 13 à 18 pour permettre une circulation de courant. La chaleur 26 issue de la source de chaleur amène des porteurs de charges à diffuser de l'extrémité chaude des éléments thermoélectriques à l'extrémité la plus froide de ceux-ci par effet Seebeck. Il en résulte une circulation de courant dans le dispositif. La figure 3 représente une coupe d'une partie d'un alternateur thermoélectrique 3, 4 assujetti à une section d'échappement 31 d'un moteur d'aéronef. Le moteur peut être n'importe quel type de moteur d'aéronef. Concrètement, l'alternateur thermoélectrique 3, 4 peut s'étendre tout autour de la section d'échappement. En service, les rejets chauds passent dans la section d'échappement du moteur et la chaleur 26 est transférée, via la section d'échappement 31, des rejets à la surface thermoréceptrice 12 de l'alternateur thermoélectrique 3, 4. On estime qu'il est possible de produire 70 kW d'énergie électrique par moteur. On peut trouver des différences de température encore plus grandes dans la zone de la chambre de combustion du moteur, et si des matériaux suffisamment réfractaires sont mis au point, celle-ci pourrait également servir de source d'énergie thermique. La surface extérieure de l'alternateur 3, 4, c'est-à-dire la couche thermoconductrice 11 offre l'avantage d'être exposée à l'air ambiant à l'extérieur de l'aéronef, ce qui assure donc un refroidissement continu de la surface extérieure et donc un maintien, dans l'ensemble de l'alternateur, de la différence de température nécessaire pour produire de l'électricité. La figure 4 est une vue en plan de l'alternateur thermoélectrique 3, 4 utilisable selon une forme de réalisation de l'invention. L'alternateur thermoélectrique 3, 4 comprend un panneau, qui peut avoir des dimensions de 3 m sur 1 m. Lors de la fabrication de l'alternateur thermoélectrique, le panneau 3, 4 est construit à l'aide d'une pluralité d'éléments à semi-conducteurs montés en série les uns avec les autres, grâce à quoi la différence de potentiel dans chaque élément est totalisée pendant le fonctionnement. La figure 5 représente une courbe de l'intensité par rapport à la différence de température pour un alternateur thermoélectrique. A mesure que la différence de température augmente dans l'alternateur, l'intensité du courant produit s'élève d'une façon non linéaire. Selon la figure 6, la tension dans l'alternateur croît brusquement à une différence TA de température d'activation puis se stabilise, augmentant peu à l'occasion de hausses ultérieures de la différence de température. L'alternateur produit une tension continue utile pour de nombreuses charges de l'aéronef qui fonctionnent avec du courant continu. Les alternateurs 6 à 9 peuvent avantageusement servir en mode refroidissement. Si un courant extérieur est appliqué aux alternateurs, le refroidissement a lieu par effet Peltier. Dans une autre forme de réalisation possible, l'alternateur thermoélectrique peut comprendre un alternateur photovoltaïque à infrarouges. Les éléments thermoélectriques 13 à 18 font partie d'une matrice et peuvent s'étendre dans le sens de la longueur et de la largeur de la matrice afin de former un réseau d'éléments. Les formes de réalisation de la présente invention réduisent avantageusement la consommation de kérosène en exploitant la chaleur résiduelle au lieu que celle-ci ne soit rejetée. Par conséquent, l'invention réduit les dommages écologiques et abaisse les coûts. En outre, la présente invention offre l'avantage de permettre une plus grande souplesse dans la distribution de l'énergie dans tout l'aéronef. Par exemple, l'énergie peut être utilisée plus près de là où elle est produite. On peut aussi éviter le redressement des courants alternatifs en produisant des courants continus au fur et à mesure des besoins. REVENDICATIONS1.Système de production et de distribution (1) d'électricité pour aéronef, comportant une ou plusieurs sources de chaleur (2, 3, 4, 5), un alternateur thermoélectrique (6, 7, 8, 9) conçu pour recevoir de la chaleur résiduelle d'au moins une source de chaleur et convertir la chaleur résiduelle en courant électrique, l'alternateur électrique (6, 7, 8, 9) étant connecté électriquement à un rail de distribution (10) d'électricité qui sert à fournir de l'électricité à des systèmes électriques de l'aéronef. 2. Système (1) selon la revendication 1, dans lequel la/les source(s) de chaleur (2, 3, 4, 5) comprend/comprennent une section d'échappement de moteur. 3. Système (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la/les source(s) de chaleur (2, 3, 4, 5) comprend/comprennent un groupe auxiliaire. 4. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la/les source(s) de chaleur (2, 3, 4, 5) comprend/comprennent un système de climatisation. 5. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la/les source(s) de chaleur (2, 3, 4, 5) comprend/comprennent une pile à combustible. 6. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'alternateur thermoélectrique (6, 7, 8, 9) comprend un ou plusieurs éléments thermoélectriques (13, 14, 15, 16, 17, 18) à semi-conducteurs. 7. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'alternateur thermoélectrique (6, 7, 8, 9)comprend une alternance d'éléments (13, 14, 15, 16, 17, 18) en matériau semi-conducteur du type N et du type P. 8. Système (1) selon la revendication 7, dans lequel les éléments à semi-conducteurs (13, 14, 15, 16, 17, 18) sont 5 électriquement connectés aux éléments adjacents par des connecteurs électriquement conducteurs. 9. Système (1) selon la revendication 8, dans lequel les éléments à semi-conducteurs (13, 14, 15, 16, 17, 18) sont montés électriquement en série. 10 10. Système (1) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel les éléments à semi-conducteurs (13, 14, 15, 16, 17, 18) sont montés électriquement en parallèle. 11. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, en service, une tension continue est 15 produite par l'alternateur (6, 7, 8, 9). 12. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'alternateur thermoélectrique (6, 7, 8, 9) comprend un dispositif photovoltaïque à infrarouges. 13. Système (1) de production et de distribution d'électricité 20 sensiblement comme décrit ici en référence aux dessins annexés.