Brevet FR3057417A1 — publié le 20180413

Dispositif de génération d'énergie électrique solaire et éolien La présente invention concerne un dispositif de génération d'énergie électrique. Les dispositifs de génération d'énergie électrique à partir de la lumière solaire sont bien connus. Ces dispositifs comprennent, par exemple, des cellules photovoltaïques permettant d'absorber une part de l'énergie des photons incidents, avec un rendement d'absorption qui varie selon les technologies. La génération d'une quantité importante d'énergie passe généralement par l'utilisation de panneaux comportant un grand nombre de cellules photovoltaïques exposées au soleil, ce qui nécessite une surface disponible importante. Cependant, ce type de panneaux n'est pas satisfaisant pour les applications où l'espace est restreint, par exemple, dans le cas d'un véhicule utilisant l'énergie électrique. En effet, il est peu pratique de recouvrir toute la surface externe d'un véhicule de panneaux photovoltaïques, ces derniers formants des surfaces planes fragiles et peu esthétiques. De plus, les panneaux d'un tel véhicule ne seraient pas toujours exposés à la lumière solaire, ce qui réduirait l'efficacité du système. Un but de l'invention est de fournir un dispositif de génération d'énergie solaire compact du point de vue énergétique, c'est-à-dire permettant une génération d'énergie importante par unité de surface ou de volume occupée. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de génération d'énergie électrique, comprenant une armature montée rotative par rapport à un support autour d'un axe, l'armature comprenant au moins une face latérale positionnée sur une surface externe de l'armature, ladite face latérale comprenant : - au moins un emplacement recevant une cellule photovoltaïque propre à générer une puissance électrique solaire sous l'effet d'une lumière incidente, et - au moins un aileron s'étendant en saillie de la face latérale, l'aileron de la face latérale étant propre à mettre l'armature en rotation autour de l'axe sous l'effet d'un écoulement d'air, la rotation de l'armature autour de l'axe permettant à la cellule photovoltaïque d'être illuminée périodiquement. Un tel dispositif utilise l'écoulement d'air pour mettre en rotation l'armature et permet ainsi d'exposer de façon périodique et à une fréquence un grand nombre de cellules photovoltaïques à la lumière solaire. Ainsi, le temps de non-exposition de chaque cellule photovoltaïque devient négligeable. De plus, ce dispositif permet, selon un mode de réalisation, de récupérer une part de l'énergie de l'écoulement d'air sous forme d'énergie éolienne. 3057417 2 Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif selon l'invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises indépendamment ou selon toute combinaison techniquement possible : - l'armature comprend une pluralité de faces latérales réparties sur toute la surface 5 externe de l'armature ; - le dispositif comprend, en outre, au moins un générateur électrique propre à générer une puissance électrique sous l'effet de la rotation de l'armature ; - le générateur électrique comprend au moins un sous-générateur et une pluralité d'engrenages propres à transmettre le mouvement de rotation de l'armature au sous- 10 générateur ; - le générateur comprend autant de sous-générateurs que d'engrenages ; - chaque engrenage comprend une première partie d'engrenage solidaire en rotation de l'armature et une deuxième partie d'engrenage solidaire du support, la deuxième partie d'engrenage étant complémentaire de la première partie d'engrenage ; 15 - l'armature comprend des portions circonférentielles, les premières parties d'engrenage étant des couronnes crantées s'étendant en périphérie des portions circonférentielles ; - le rapport de transmission de chaque engrenage est supérieur à un ; - chaque aileron s'étend dans la continuité de la face latérale prolongée par l'aileron. 20 L'invention a également pour objet un véhicule comportant un moteur électrique alimenté par au moins une batterie, le véhicule comportant au moins un dispositif tel que décrit précédemment, le ou chaque dispositif étant propre à recharger la ou chaque batterie. D'autres aspects avantageux de l'invention apparaîtront à la lecture de la description 25 qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un dispositif de génération d'énergie électrique selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique du dispositif de la figure 1, dans lequel certains 30 éléments ont été retirés, - la figure 3 est une autre représentation schématique en perspective du dispositif de la figure 1, - la figure 4 est une vue en coupe schématique du dispositif des figures 1 à 3, le générateur d'énergie dudit dispositif n'étant pas visible, 35 - la figure 5 est une vue schématique d'un ensemble de dispositifs de génération de la figure 1 mis bout à bout pour former une barrette, 3057417 3 - la figure 6 est une vue schématique d'un assemblage de barrettes de la figure 5, - la figure 7 est une vue schématique d'un véhicule équipé de plusieurs dispositifs de la figure 1, et - la figure 8 est une vue schématique d'un autre véhicule équipé de plusieurs 5 dispositifs de la figure 1. Un dispositif 10 de génération d'énergie électrique à partir de sources d'énergie éolienne et solaire est représenté sur les figures 1 à 4. Dans la description, le terme « intérieur » se comprend comme l'espace interne délimité par le dispositif 10. Le terme « extérieur » se comprend comme l'espace 10 complémentaire de l'espace interne. Le dispositif 10 comprend un support 11, une armature 12 et un générateur électrique 16. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, le support 11 présente une base 11A reliée à des plateaux 11B. Le support 11 présente, en outre, un moyeu 11D. 15 La base 11A est un cylindre évidé dans lequel un arbre 11E, illustré en figure 4, de forme complémentaire à l'évidement est introduit. L'arbre 11E est destiné à être fixé sur la structure sur laquelle le dispositif 10 est destiné à être fixé. Un tel arbre 11E est fixe par rapport au dispositif 10. Les plateaux 11 B sont des disques évidés de sorte que la base 11A est positionnée 20 dans l'évidement de chaque plateau 11 B. Les plateaux 11 B sont reliés à la base 11A par l'intermédiaire de bras de connexion 11C. Le moyeu 11D est une pièce de transition entre l'arbre 11 E et des roulements à billes qui seront décrit plus en détails dans la suite de la description. Ainsi, la surface interne du moyeu 11 D est complémentaire de l'arbre 11E et la surface externe du moyeu 25 11D est complémentaire des roulements à billes. La base 11A, les plateaux 11 B, les bras de connexion 11C et le moyeu 11 D sont, par exemple, venus de matière. L'armature 12 est montée rotative par rapport au support 11 autour d'un axe X-X représenté sur les figures 1 à 4. 30 Dans la suite de la description, il sera entendu par le terme « longitudinal », une direction ou un plan parallèle à l'axe X-X. Il sera entendu par le terme « transversal », une direction ou un plan orthogonal à l'axe X-X. L'armature 12 présente une surface externe 20, une surface interne 22, des portions circonférentielles 24 et des faces latérales 26. 3057417 4 La surface externe 20 délimite l'armature 12 par rapport à l'extérieur. La surface externe 20 est orientée vers l'extérieur du dispositif 10, de sorte à être exposée à une source de lumière, telle que le soleil. La surface interne 22 est la surface complémentaire de la surface externe 20. La 5 surface interne 22 est donc orientée vers l'intérieur du dispositif 10 et définit un espace interne 19 de l'armature 12. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, l'armature 12 comprend deux portions circonférentielles 24. Comme visible sur la figure 4, chaque portion circonférentielle 24 est positionnée 10 dans l'espace interne 19 de l'armature 12 entre deux plateaux 11 B. En particulier, chaque portion circonférentielle 24 a une forme cylindrique et s'étend en périphérie de la base 11A du support 11. Chaque portion circonférentielle 24 est montée rotative autour de la base 11A et du moyeu 11D. De préférence, chaque portion circonférentielle 24 est montée sur des 15 roulements à billes 24A (visibles sur la figure 4) de sorte à réduire les frottements lors de la rotation de la portion circonférentielle 24 par rapport à la base 11A. Les faces latérales 26 sont réparties sur la surface externe 20 de l'armature 12. De préférence, les faces latérales 26 couvrent toute la surface externe 20 de l'armature 12. Chaque face latérale 26 comprend au moins deux arêtes 27 parallèles à l'axe X-X. 20 Toutes les faces latérales 26 sont reliées les unes aux autres par les arêtes 27 desdites faces latérales 26. De préférence, l'intégralité de la longueur de chaque arête 27 est en contact avec l'intégralité de la longueur d'une arête 27 d'une autre face latérale 26. Ainsi, les faces latérales 26 sont positionnées les unes par rapport aux autres de manière symétrique par rapport à un plan parallèle à l'axe X-X et passant par les portions 25 circonférentielles 24. Dans l'exemple, illustré sur les figures 1 à 4, l'armature 12 présente une géométrie en prisme à base hexagonale. Dans ce cas, l'armature 12 présente alors six faces latérales 26 rectangulaires et identiques entre elles. En variante, l'armature 12 présente une géométrie en prisme dont la base est 30 n'importe quel polynôme régulier, tel qu'un pentagone ou un octogone. L'armature 12 présente alors autant de faces latérales 26 rectangulaires régulièrement réparties autour de l'axe X-X que la base du prisme à de côtés. Les faces latérales 26 sont reliées aux portions circonférentielles 24 par l'intermédiaire de bras transversaux 30. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, 35 chaque face latérale 26 est reliée aux portions circonférentielles 24 par quatre bras transversaux 30. 3057417 5 Chaque face latérale 26 comprend au moins un emplacement 32 et au moins un aileron 34. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, chaque face latérale 26 comprend un seul emplacement 32. 5 Chaque emplacement 32 délimite un espace de réception d'une cellule photovoltaïque 36, illustrée en figure 1. Une cellule photovoltaïque 36 est un générateur propre à générer une puissance électrique sous l'effet d'une lumière incidente. Par exemple, lorsque la lumière incidente est la lumière du soleil, la puissance électrique générée par les cellules photovoltaïques 36 est une puissance électrique solaire. 10 Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, chaque face latérale 26 comprend un seul aileron 34. Chaque aileron 34 s'étend en saillie de la face latérale 26 correspondante. En particulier, chaque aileron 34 prolonge la face latérale 26 correspondante de manière continue, c'est-à-dire que l'aileron 34 prolonge la face latérale 26 sans interruption entre 15 la face latérale 26 et l'aileron 34. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, chaque aileron 34 s'étend dans la continuité de la face latérale 26 correspondante et est donc parallèle à la face latérale 26 prolongée par l'aileron 34. En variante, chaque aileron 34 forme un angle compris entre 0° et 45° avec la face 20 latérale 26 prolongée par l'aileron 34. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, chaque aileron 34 s'étend sur toute la longueur d'une arête 27 de ladite face latérale 26. Chaque aileron 34 comprend une face interne 34A et une face externe 34B, visible sur la figure 3. La face interne 34A de l'aileron 34 est incurvée de sorte à former une prise 25 d'air et améliorer ainsi l'écoulement de l'air sur le dispositif 10. La face interne 34A de chaque aileron 34 est orientée vers l'intérieur du dispositif 10. La face externe 34B de chaque aileron 34 est orientée vers l'extérieur du dispositif 10. Les ailerons 34 sont propres à entraîner l'armature 12 en rotation autour de l'axe X- 30 X sous l'effet d'un écoulement d'air transversal. L'écoulement d'air crée une surpression sur les faces internes 34A des ailerons 34, ce qui entraîne en rotation l'armure 12. L'écoulement d'air est, par exemple, le vent. Dans le cas où le dispositif 10 est installé sur un véhicule, comme cela sera décrit ultérieurement, l'écoulement d'air est dû au déplacement du véhicule dans l'air. 35 La rotation de l'armature 12, sous l'effet de l'écoulement d'air transversal arrivant sur les faces internes 34A des ailerons 34, permet une illumination périodique de toutes les 3057417 6 faces latérales 26 et donc de toutes les cellules photovoltaïques 36 présentes sur lesdites faces latérales 26. Toutes les cellules photovoltaïques 36 reçoivent ainsi une illumination suffisante pour générer une puissance électrique, ce qui permet au dispositif 10 de générer une puissance électrique plus importante avec un encombrement réduit. 5 Le générateur électrique 16 est propre à générer une puissance électrique éolienne sous l'effet de la rotation de l'armature 12. Le générateur électrique 16 comprend au moins un sous-générateur 50 et une pluralité d'engrenages 52. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, le générateur électrique 16 comprend 10 un sous-générateur 50 par engrenage 52. Ainsi, dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, le dispositif 10 comprend vingt engrenages 52 et vingt sous-générateurs 52. Chaque sous-générateur 50 est, par exemple, une machine dynamoélectrique. Une machine dynamoélectrique est une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique et utilisant l'induction électromagnétique pour convertir une énergie mécanique 15 en énergie électrique. Les engrenages 52 sont propres à transmettre le mouvement de rotation de l'armature 12 au sous-générateur 50 correspondant. Chaque engrenage 52 comprend une première partie d'engrenage 60 solidaire en rotation de l'armature 12 et une deuxième partie d'engrenage 62 solidaire du support 11. 20 La deuxième partie d'engrenage 62 est complémentaire de la première partie d'engrenage 60. Ainsi, la rotation de la première partie d'engrenage 60 entraîne la rotation de la deuxième partie d'engrenage 62. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, les premières parties d'engrenage 60 sont des couronnes crantées s'étendant en périphérie des portions circonférentielles 24 25 de sorte que chaque première partie d'engrenage 60 est entraînée en rotation par la rotation des portions circonférentielles 24. En outre, les premières parties d'engrenage 60 de différents engrenages 52 sont communes. Les deuxièmes parties d'engrenage 62 sont des pignons ayant chacune un arbre de sortie connecté au sous-générateur 50 correspondant. Ainsi, la rotation de chaque 30 première partie d'engrenage 60 entraîne en rotation la deuxième partie d'engrenage 62 correspondante, et donc l'arbre de sortie connecté au sous-générateur 50 correspondant. De préférence, chaque engrenage 52 est un engrenage multiplicateur, c'est-à-dire que le rapport de transmission de chaque engrenage 52 est supérieur à un. Le rapport de transmission d'un engrenage est défini comme le rapport de la vitesse angulaire de sortie, 35 correspondant à la vitesse de rotation de l'arbre de sortie, sur la vitesse angulaire d'entrée, correspondant à la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée. Un engrenage 3057417 7 multiplicateur vise donc à amplifier le mouvement de l'arbre d'entrée pour augmenter le nombre de tours effectués par l'arbre de sortie relié à l'entrée mécanique du moteur. Dans un mode de réalisation, chaque engrenage 52 comprend des parties d'engrenages additionnels entre la deuxième partie d'engrenage 62 et l'arbre de sortie de 5 sorte à augmenter le rapport de transmission de l'engrenage 52. Par exemple, chaque engrenage 52 présente, outre la première partie d'engrenage 60, la deuxième partie d'engrenage 62 et l'arbre de sortie, des étages de transmission additionnels formés chacun d'un arbre de transmission et d'un pignon. Des exemples d'engrenages multiplicateurs formés de plusieurs étages de transmission sont notamment décrits dans 10 la demande de brevet FR 3 027 970 A. L'homme du métier pourra se référer à cette demande de brevet pour réaliser des étages de transmission additionnels entre la deuxième partie d'engrenage 62 et l'arbre de sortie. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 4 (le générateur d'énergie 16 n'est pas représenté sur la figure 4), le support 11 comprend quatre plateaux 11B. 15 L'armature 12 comprend deux portions circonférentielles 24 et six faces latérales 26 comprenant chacune un emplacement 32. Chaque face latérale 26 est reliée à chacune des portions circonférentielles 24 par quatre bras transversaux 30 dont deux bras transversaux 30 pour la portion circonférentielle 24 supérieure et deux bras transversaux 30 pour la portion circonférentielle 24 inférieure. Le générateur d'énergie 16 comprend 20 vingt sous-générateurs 50 et vingt engrenages 52. Les engrenages 52 comprennent vingt premières parties d'engrenage 60 ayant la forme de couronnes crantées et vingt deuxièmes parties d'engrenage 62. Chaque première partie d'engrenage 60 est commune à dix deuxièmes parties d'engrenage 62 distinctes. Les sous-générateurs 50 et les deuxièmes parties d'engrenage 62 sont répartis sur les plateaux 11 B de sorte que chaque 25 plateau 11 B supporte dix sous-générateurs 50 distincts et dix deuxièmes parties d'engrenage 62 distinctes. En complément, le dispositif 10 est propre à être agencé avec d'autres dispositifs 10 pour former une barrette 100 de dispositif 10 et augmenter ainsi la production d'énergie. Un exemple, d'une barrette 100 de dispositifs 10 est illustré sur la figure 5. 30 En outre, des barrettes 100 de dispositifs 10 sont, également, susceptibles d'être reliées les unes aux autres pour former un assemblage 200 de barrettes 100, permettant d'augmenter encore la production d'énergie. Un exemple, d'un assemblage 200 de barrettes 100 de dispositifs 10 est illustré sur la figure 6. Un véhicule est ainsi susceptible d'être équipé d'une ou plusieurs barrettes 100 pour 35 assurer l'intégralité de l'alimentation électrique du véhicule. 3057417 8 La figure 7 représente un véhicule 70 intégrant plusieurs dispositifs 10 formant un assemblage 200 de barrettes 100. Le véhicule 70 comprend un moteur électrique 72 alimenté par au moins une batterie 74. Le véhicule 70 comprend, en outre, un système de fixation des dispositifs 10. 5 Le système de fixation comprend, par exemple, un arbre 11 E inséré dans l'évidement de la base 11A du support 11 et fixé à la carrosserie 76 du véhicule 70 par des prolongements. Dans l'exemple illustré sur la figure 7, le système de fixation est fixé sur la carrosserie du véhicule 70 de sorte que le support 11 soit positionné de façon à ce que 10 l'axe X-X soit orthogonal à la direction de déplacement du véhicule 70. Ainsi, l'écoulement d'air dû au déplacement est bien transversal aux dispositifs 10. Plus précisément, le système de fixation est fixé dans un renfoncement du toit du véhicule 70 de sorte que seuls les ailerons 34 des dispositifs 10 dépassent du toit du véhicule 70. Cela permet, ainsi, de minimiser les frottements et donc la force de traînée 15 ralentissant le véhicule 70. En variante, le système de fixation est fixé au niveau du coffre arrière ou encore du capot avant du véhicule 70. Les dispositifs 10 sont relié électriquement à la ou à chaque batterie 74 afin d'en assurer la recharge. 20 Le fonctionnement des dispositifs 10 intégrés au véhicule 70 va maintenant être décrit. Lorsque le véhicule 70 se déplace, il se crée un écoulement d'air autour de la carrosserie 76, ce qui provoque la mise en rotation de chaque armature 12 autour des supports 11 correspondants via les ailerons 34. 25 Les cellules photovoltaïques 36 des dispositifs 10 génèrent alors de l'énergie électrique lorsqu'elles sont illuminées par la lumière solaire, ce qui permet d'alimenter directement le véhicule en énergie électrique et/ou de recharger les batteries 74. En particulier, la rotation de l'armature 12 permet à toutes les cellules photovoltaïques 36 d'être illuminées périodiquement et à haute fréquence, ce qui augmente la génération 30 d'énergie électrique tout en limitant l'encombrement des dispositifs 10 dans le véhicule 70 et en rendant négligeable la temps de non-exposition des cellules photovoltaïques. En parallèle, le mouvement de rotation de l'armature 12 est converti en énergie électrique via les engrenages 52 et les sous-générateurs 50 du générateur d'énergie 16. L'énergie obtenue en sortie du générateur 16 est, également, utilisée pour alimenter le 35 véhicule et/ou envoyée aux batteries 74 pour les recharger. 3057417 9 Ainsi, le générateur électrique 16 permet de récupérer une part de l'énergie utilisée pour la mise en rotation de l'armature 12, améliorant le rendement énergétique de chaque dispositif 10. En outre, la rotation de l'armature 12 permet à toutes les cellules photovoltaïques 36 5 d'être illuminées périodiquement, ce qui augmente la génération d'énergie électrique tout en limitant l'encombrement de chaque dispositif 10 dans le véhicule 70. Chaque dispositif 10 permet ainsi de générer plus de puissance électrique par unité de volume sur un véhicule en mouvement qu'un panneau solaire classique. La figure 8 représente un train 300 intégrant plusieurs dispositifs 10 formant un 10 assemblage 200 de barrettes 100. Comme visible sur cette figure 8, les dispositifs 10 sont disposés aussi bien sur le toit 302 du train 300 que sur les faces latérales 304 du train 300. Alternativement, le dispositif 10 est avantageux dans des zones où le vent et l'illumination sont importants, puisqu'il permet de combiner les effets de dispositifs de 15 génération d'énergie solaires et éoliens en réduisant l'espace occupé. Le dispositif 10 est propre à être installé sur d'autres types de véhicules, tels que des trains, des bus, des camions, avions, etc.... Le dispositif 10 présente également un intérêt pour les bâtiments présentant des contraintes en termes d'encombrement, comme par exemple les bâtiments résidentiels, qui nécessitent une grande quantité d'énergie et 20 un encombrement minimal, tout en préservant autant que possible l'esthétique desdits bâtiments. REVENDICATIONS1.- Dispositif (10) de génération d'énergie électrique, comprenant une armature (12) montée rotative par rapport à un support (11) autour d'un axe (X-X), l'armature (12) comprenant au moins une face latérale (26) positionnée sur une surface externe (20) de l'armature (12), ladite face latérale (26) comprenant : - au moins un emplacement (32) recevant une cellule photovoltaïque (36) propre à générer une puissance électrique solaire sous l'effet d'une lumière incidente, et - au moins un aileron (34) s'étendant en saillie de la face latérale (26), l'aileron (34) de la face latérale (26) étant propre à mettre l'armature (12) en rotation autour de l'axe (X-X) sous l'effet d'un écoulement d'air, la rotation de l'armature (12) autour de l'axe (X-X) permettant à la cellule photovoltaïque (36) d'être illuminée périodiquement. 2.- Dispositif (10) selon la revendication 1, dans lequel l'armature (12) comprend une pluralité de faces latérales (26) réparties sur toute la surface externe (20) de l'armature 12. 3.- Dispositif (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif (10) comprend, en outre, au moins un générateur électrique (16) propre à générer une puissance électrique sous l'effet de la rotation de l'armature (12). 4.- Dispositif (10) selon la revendication 3, dans lequel le générateur électrique (16) comprend au moins un sous-générateur (50) et une pluralité d'engrenages (52) propres à transmettre le mouvement de rotation de l'armature (12) au sous-générateur (50). 5.- Dispositif (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le générateur (16) comprend autant de sous-générateurs (50) que d'engrenages (52). 6.- Dispositif (10) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel chaque engrenage (52) comprend une première partie d'engrenage (60) solidaire en rotation de l'armature (12) et une deuxième partie d'engrenage (62) solidaire du support (11), la deuxième partie d'engrenage (62) étant complémentaire de la première partie d'engrenage (60). 7.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel l'armature (12) comprend des portions circonférentielles (24), les premières parties 3057417 11 d'engrenage (60) étant des couronnes crantées s'étendant en périphérie des portions circonférentielles (24). 8.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel le 5 rapport de transmission de chaque engrenage (52) est supérieur à un. 9.- Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque aileron (34) s'étend dans la continuité de la face latérale (26) prolongée par l'aileron (34). 10.- Véhicule (70) comportant un moteur électrique (72) alimenté par au moins une batterie (74), le véhicule (70) comportant au moins un dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, le ou chaque dispositif (10) étant propre à recharger la ou chaque batterie (74). 10 15