FR 3158916 A1 20250808 FR 2401022 A 20240201 Dispositif de canalisation du flux aérodynamique et de la récupération de l’énergie éolienne générée par la voiture. Description du projet : Se déplacer librement et rapidement où l’on souhaite dans le monde est la plus grande innovation de l’homme. Mais comment se déplacer sur une planète morte ? Sans une révolution majeure du secteur automobile, notre terre est de plus en plus en danger. L’électrification des véhicules a commencé cette révolution mais ce n’est pas suffisant. L’utilisation d’immenses quantité de terres rares atténue grandement la véritable visée écologique de la voiture électrique. Mon brevet a pour but de répondre à un véritable enjeu de décarbonation de la voiture de manière efficace et durable. Il repose donc sur une base de véhicule 100% électrique avec une modification profonde de l’espace avant (sous le capot). En effet, au lieu que l’air ne rentre en contact avec la calandre frontalement, elle est canalisée par un tunnel. Il est étudié pour perturber le moins possible le flux aérodynamique et abaisser au maximum la traînée globale de la voiture. Au milieu du capot les deux ouvertures vont converger afin de ne former plus qu’un grand passage central. Ces ouvertures ne sont pas là par hasard, elles ont pour but d’abriter d’une part des soufflantes-générateur et dans un deuxième temps de diminuer au maximum la traînée . Pour en revenir aux soufflantes, elles constituent la base de mon invention et s’inspirent de l’industrie aéronautique. Elles ont été réfléchies pour être les plus compacts possibles mais aussi les plus efficaces en intégrant l’alternateur au sein même de celle-ci. Elles ont pour but de recharger la voiture avec la seule force du vent qu’elle produit en roulant. Grâce à cette technologie, nos voitures de demain équipées de ce système pourraient donc parcourir des centaines de kilomètres sans se recharger mais la véritable prouesse est que cela se fait avec une batterie de toute petite taille et un coût d’utilisation au 100km de l’ordre du symbolique. Malgré cela, les soufflantes ne fonctionnent pas à toutes les vitesses et commencent à devenir efficaces à partir de 50km/h et deviennent véritablement actrices au-dessus de 100km/h, en bref là où le VE est aujourd’hui le plus en difficulté. Le système peut être déployé de 2 manières différentes, la première via du rétrofit de voitures électriques déjà existantes et la deuxième avec la conception d’une voiture conçue autour de Thoréole. En somme, nous pouvons facilement définir mon innovation comme un prolongateur d’autonomie éolien Le Système «Thoréole» Mon invention est destinée à tous les véhicules électriques, à dessein de prolonger leur autonomie tout en réduisant leur impact environnemental, et ce, de la fabrication jusqu’à leur fin de vie. *Tous les propos qui suivent sont purement théoriques. Quoique simples estimations, les résultats présentés sont toutefois démontrables, issus de recherches rigoureuses mêlant observation, expériences et calculs entièrement réalisés par mes soins * Origine de l’idée : Ouvrir la fenêtre de la voiture et tendre sa main par-dessus la portière est quelque chose que nous avons tous déjà fait. Sentir la vitesse de l'air est une sensation tout à fait familière. Ainsi, un jour, je me suis fait la réflexion suivante : « Mais quel est ce flux d’air ? ». J’ai rapidement trouvé ma réponse : il s’agit tout simplement du “vent” créé par le déplacement de la voiture. Ne pourrions-nous pas récupérer celui-ci pour produire de l’électricité ? C’est la seconde pensée qui m’est venue, et que j’ai souhaité concrétiser : générer un courant électrique à partir de cette énergie pour alimenter une voiture . Cette idée n’est pas nouvelle, mais est ici présentée sous une forme inédite. Revêtant de multiples avantages, elle a néanmoins quelques limites, et c’est tout cela que nous allons détailler. En étudiant attentivement le flux aérodynamique que subit la voiture, nous observons que la partie la plus exposée est la calandre (la face avant). Pourquoi ne pas intégrer un système de récupération de l’énergie éolienne à cet emplacement quasiment vide sur un véhicule électrique ? A première vue saugrenu, un tel système présente pourtant plusieurs avantages : un air dit propre et perturbé par aucun élément de la voiture, un espace facilement modulable et accessible et enfin une place suffisante pour accueillir les générateurs éoliens et les systèmes électroniques associés. De plus ce phénomène est utilisé depuis des années par les skippers sous le nom de «vent-vitesse» afin de faire voler leur géant des mers. L’utilité : Aujourd’hui nous pouvons parcourir facilement des centaines de kilomètres avec un véhicule électrique. Mais à quel prix ? Sans aucun doute, celui d’une batterie volumineuse. Mais encore ? Derrière un véhicule électrique se cache en réalité un lourd bilan carbone, dû notamment à sa production requérant l’utilisation de métaux rares pour augmenter la densi té de la batterie. Cette taille, même , induit un prix très élevé . Il convient donc d’apporter une réelle innovation sur le long terme tant qu’écologique qu’économique à ces véhicules . En effet, en réduisant la taille de la batterie de 3 à 4 fois pour certains VE, le système permet une diminution des matériaux rares utilisés et de la part financière que représente la batterie dans le prix d’un véhicule électrifié. Aujourd’hui une batterie coûte en effet entre 10.000 et 25.000€ pour les plus grandes. En réduisant ce poste de dépendance par 3, on arrive à moins de 5000€. En prenant en compte le coût total du pack de supercondensateurs + celui de la batterie principale (détails de l’aspect technique présent dans la partie : «La Solution Technique ») + du système Thoréole, on rejoindrait le prix des batteries de plus faibles capacités tout en offrant au moins 2 fois plus d’autonomie , mais surtout un coût d’utilisation 3 fois plus faible en particulier sur voie rapide . De plus, lié au fonctionnement de base de l’innovation, le système produira le plus d’énergie où la voiture électrique est la plus énergivore : c’est-à-dire sur autoroute . C’est de fait là où la vitesse et la consommation de la voiture est la plus élevée que le système va être le plus productif (vitesse du vent élevée). On aboutit donc à un équilibre particulièrement intéressant. A la différence, en ville, on ne parcourt jamais plus de 60 km sans dépasser les 50km/h ou même plus de 200 km en ville sans recharger. Sur routes secondaires, la vitesse étant moins élevée, la production sera moins élevée mais la consommation le sera aussi, on retrouve donc ce fameux équilibre. Pour fonctionner le système Thoréole a en effet besoin d’une quantité d’air suffisante, qu’il trouve à 50km/h environ et après il s’équilibre plus ou moins avec la consommation ; devenant plus efficace à hautes vitesses. Autre point clé, l’intégration en forme d’aile d’avion inversée des tunnels à l’avant. Celle-ci permet d'offrir plus d’appui purement aérodynamique. Cet appui permet donc une meilleure efficacité à haute vitesse sans rajouter de superflus (dessins N°2-3). Mon système apporte ainsi une véritable innovation sur le plan écologique, car il réduit la part de matières premières, mais aussi économique, en réduisant le coût d’achat théorique comme d’utilisation tout en supprimant le principal apriori avant l’achat d’une voiture électrique : le manque d’autonomie. Enfin, mon invention apporte aussi une évolution sur le plan aérodynamique pour une simple voiture de série. La Solution technique : En reprenant l’idée de perturber le moins possible le flux d’air et de réduire au maximum la traînée, le système vise donc à créer un véritable tunnel qui conduit l’air de l’avant de la voiture jusqu’au-dessous du pare-brise comme décrit sur le dessin (N°1). Il est fortement inspiré de la technologie de S-DUCT présente et très efficace en sport automobile. L’entrée d’air de ce tunnel se fait donc par l’intermédiaire de deux ouvertures, séparé par une barre horizontale. Cette dernière assure la rigidité de l’avant et la sécurité générale de la voiture. Ce tunnel est positionné à un endroit stratégique. Il dispose de deux entrées disposées l’une au- dessus de l’autre comme le montre le schéma de face et de côté. Elles se rejoignent au niveau de la roue pour en former plus qu’un (comme le montre la vue de côté, dessin n°2 et 3). Surtout, il abrite la véritable innovation : des soufflants-alternateurs de 20cm de diamètre , disposées tout le long du flux (dessins N°4-9). Une fois que le passage ne forme plus qu’un, de plus grosses soufflantes seront en effet installées pour récupérer au maximum l’énergie éolienne. La trajectoire du tunnel sera la plus tendue possible afin de guider le flux d’air dit secondaire au maximum vers le principal ; celui qui longe la carrosserie. En vue de réaliser ce phénomène, des flaps seront disposés à la fin afin de guider au mieux le flux sortant du système Thoréole et baisser au maximum la traînée générale de la voiture. En somme pour la partie mécanique, le but est de venir réduire significativement la trainée aérodynamique grâce au tunnel. Toutefois, avec l’ajout des soufflantes le gain sera pratiquement annulé. Cependant, au lieu qu’un « mur » ralentisse l’air, ce seront des éoliennes qui produiront de l’électricité. Concernant les soufflantes, celles-ci seront placées dans les tunnels, afin de maximiser la production électrique tout en réduisant le plus possible les éventuelles perturbations générées par les soufflantes sur l’air. Ces dernières sont d’ailleurs optimisées pour n’avoir pas d’intermédiaire, c’est-à-dire que le générateur est intégré au sein même de la soufflante (comme décrit sur le plan de coupe). Le rotor (aimant) se retrouve donc à l’extérieur, ne formant qu’une seule pièce avec la soufflante et les aubes. Le stator (bobinage de cuivre) ne forme lui qu’un seul bras, c’est-à-dire un ensemble composé de l’attache à la paroi, la gaine électrique et donc enfin le stator. Les soufflantes seraient au nombre de 12-15, réparties sur toute la largeur et la longueur des tunnels (voir différentes photos). Au total, il y aurait un maximum de 2-3 rangées, évitant toute perturbation excessive du flux d’air pour garder les avantages décrits en amont. Du point de vue purement aérodynamique, la soufflante est inspirée de la technologie aéronautique lui conférant une forme des aubes qui a largement prouvé son efficacité aérodynamique, comme de transfert d’énergie. C’est donc la technologie la plus en adéquation avec le système. L’association soufflante-générateur/tunnel forme donc l’ensemble du système : «Thoréole» visant à récupérer l’énergie éolienne générée par le déplacement de la voiture (dessin N°10). Enfin d’un point de vue électrique le système se base sur : un système de batterie haute tension (de préférence au sodium-ion permettant un impact écologique moindre, immerger afin de prolonger sa durée de vie et d’assurer une meilleure gestion thermique de celle-ci et 800V permettant une meilleure puissance d’entrée et de sortie) de petite capacité (c’est-à-dire ~25 kWh), couplé à un pack de supercondensateurs (~1kWh) acceptant mieux la charge/décharge en toutes circonstances. La place prise par l’ensemble sera donc équivalente à celle occupée par une plus grande batterie (ensemble = batterie +supercondensateurs), tout en réduisant l’utilisation des matériaux rares. Cette batterie sera de fait alimenté d’une part par un chargeur embarqué classique (AC/DC) d’une voiture électrique, et d’autre part par les soufflantes. Le courant alternatif des soufflantes sera transformé en courant continu via un pont diode et un redresseur afin de fournir une tension linéaire de courant continu malgré les fluctuations évidentes de celle des alternateurs. Un BMS (Battery Management System) nouvelle génération va gérer les différents flux électriques au sein de la batterie et des supercondensateurs. Surtout, il répartira au mieux le courant arrivant des générateurs frontaux qui doit aller jusqu’aux roues avec 3 sources d’énergies possibles (dessin n°11) ; Thoréole, la batterie ou les supercondensateurs. Après avoir détaillé l’architecture du système, je peux faire une simulation d’un voyage avec des valeurs chiffrées pour mieux comprendre. Admettons que je possède une voiture équipée du système « Thoréole ». Je veux faire un trajet Paris-Marseille avec ma famille (graphique -> fig 14). Je charge ma voiture à 100% la nuit c’est-à-dire à hauteur de 25kWh (6,25€) dans la batterie ; tout en la pré-conditionnant. Avant de prendre l’autoroute, j’effectue un trajet de 20km sur le périphérique parisien embouteillé à une vitesse moyenne de 30km/h. Sur ce trajet, j’ai une consommation théorique très pessimiste de 14 kWh au 100km, j’ai donc consommé 2,8 kWh en n’admettant que les soufflantes n’ont pas tourné. A mon arrivée sur l’autoroute, je suis donc à 88% (22 kWh restant) de batterie. Lorsque ma vitesse augmente je passe à une consommation à 130km/h de 21 kWh au 100 km, mais le système Thoréole recharge la batterie à hauteur de 24k W h/h (2 k W h par générateur). En 1h j’aurais donc consommé un total de 28 kWh tout en régénérant 24 kWh grâce aux soufflantes. La consommation réelle de la voiture est donc de 4 kWh à l’heure (~3.07 k W h /100) . Ce qui me confère une autonomie suffisante pour atteindre Lyon soit 450 km d’autoroute et en ayant une marge. Arrivé à Lyon, je m’arrêterai donc pour recharger la voiture en -10 min, réalisable grâce à la petite taille et toutes les technologies que possède la batterie. Ensuite, suivant le même raisonnement, j'aurai assez d’autonomie pour rejoindre Marseille. Le trajet s'est donc effectué en un seul arrêt recharge. Mais est-ce vraiment le peu de pause qui rend le système meilleur qu’un véhicule électrique ou son coût au 100km inférieur à 1€ (sur autoroute) et son impact écologique le plus bas possible ? En conclusion mon invention est un système de récupération de l’énergie éolienne directement produite par la voiture via l’utilisation de soufflantes-générateurs. La traînée engendrée par la rotation des pales sera compensée par l’absence de calandre via un tunnel abritant ces mêmes turbines. Les flux électriques seront entièrement gérés par l’ordinateur garantissant une autonomie maximale en maximisant l’efficience de la voiture. Enfin, il a pour but véritable de réduire encore l’empreinte carbone de la voiture électrique tout en améliorant son efficience. Les inconvénients : Mon invention apporte à première vue une réponse solide à une problématique sérieuse. Toutefois, il n’est pas exempt de défauts et de contraintes largement surmontables. Le système ne fonctionne uniquement lorsque la vitesse est élevée >50 km/h A grande vitesse, les turbines peuvent tourner à des vitesses extrêmement élevées entraînant de fortes contraintes sur les matériaux ; néanmoins cela se maîtrise avec l’utilisation de matériaux de grande qualité et ayant les propriétés adéquates Les risques de pannes et de casses du système sont à prendre en compte par rapport à l’emplacement des soufflantes et son exposition à des projections diverses. Néanmoins ce risque reste faible et toujours plus faible qu’avec n’importe quelle voiture thermique. Une partie de la place disponible est amputée ; en effet le frunk (coffre avant) est complètement condamné. Il n’est pas exclu que les soufflantes engendrent une légère surconsommation mais qui seront dans tous les cas compensés par leurs productions électriques. Une quantité de cuivre et de métaux magnétiques doit être utilisée pour produire les alternateurs, mais comparés à une batterie, ces métaux peuvent être issus du recyclage et donc avoir un impact écologique moindre. (Dessin s N°4-9) . Les applications : Tout d’abord, il est important de rappeler que mon innovation est uniquement viable et utilisable pour un véhicule 100% électrique (conformément à la description faite plus- haut). Dans un premier temps, le système peut être intégré à une voiture avec un système de rétrofit . En effet, dans le capot de certaines voitures électriques, un grand espace est disponible à l’avant permettant de loger facilement les premiers tests de l’innovation sans partir de 0. Le système ne sera pas optimisé et peut même comporter qu’une entrée centrale mais cela permettra de se faire une idée de la faisabilité technique. Cette technique pourrait même aboutir à une phase de commercialisation afin de pallier l’usure des batteries. Le montage en rétrofit peut donc être une des applications possibles et une façon de tester le système dans des conditions réelles afin de recueillir des données précieuses pour la conception d’un modèle construit basé sur Thoréole. En effet, après la phase de rétrofit, un modèle de série est à envisager comme le montre les dessins (ceux-ci reflètent d’ailleurs ma vision actuelle de la voiture du futur avec Thoréole). Celui-ci serait construit tout autour de Thoréole, en intégrant au maximum chaque pièce que ce soit mécanique ou électrique afin de rendre la voiture la plus efficace possible et exploiter toutes les possibilités offertes par mon invention. Le but ultime étant de pouvoir rouler à vitesse élevée quasiment indéfiniment. La principale contrainte : Les soufflantes ne vont-elles pas freiner la voiture ? Il me semble intéressant d’exposer mon point de vue sur cette question, car c’est le principal défaut qui a été soulevé dans mon entourage, et le plus gros point d’interrogation concernant mon invention. En effet, il est impossible de prédire dans la réalité et en condition réelle, l’impact que tout le système a sur la consommation de la voiture même avec des maquettes, et par CFD, il est difficile de simuler autant de paramètres complexes. Néanmoins ce sont des systèmes connus et largement utilisées dans l’aviation. J’ai donc effectué des recherches sur les soufflantes aéronautiques et leur impact sur la traînée générale de l’avion. Les recherches sont dures mais aboutissent à une seule et même conclusion : il y a un impact mais il n’est pas significatif par rapport à tout le reste . De plus les avionneurs augmentent continuellement la taille de celle-ci pour aspirer plus d’air car son impact est faible sur l’aérodynamique générale mais important pour l’efficacité du réacteur. C’est pour cela que j’en suis arrivé à la conclusion que : le gain d u tunnel annule les effets théoriques des soufflantes. Néanmoins, si on part du principe que cela réduit quand même l’efficience, j’estime que le système devrait compenser largement les pertes via la production électrique. FIG. 1 : Vue de face du système Thoréole. L’air rentre par l’ouverture située devant, avec toutes les soufflantes et ressort au milieu du capot. FIG. 2 : Vue de côté n°1 avec représentation du tunnel et des deux ouvertures FIG. 3 : Vue de côté n°2 avec représentation du tunnel ainsi que de l’intégration du moteur et de la pompe de la chaleur. FIG. 4 : Dessin des soufflantes avec hachures correspondantes FIG. 5 : Soufflante-alternateur vue de coupe, modélisée en 3D + légendé. Les parties roses correspondantes à l’ensemble Stator, le saumon et jaune à l’ensemble Rotor/ Soufflantes FIG. 6 : Vue d’ensemble en 3D de la soufflante alternateur FIG. 7 : Vue de coupe (dos) en 3D de la soufflante alternateur FIG. 8 : Représentation en 3D du stator (le bobinage de cuivre n’est pas modélisé) FIG. 9 : Ensemble Rotor/ Soufflante modélisé en 3D FIG. 10 : Vue de coupe du Rotor. Le rose correspond au rotor et aux aimants, le saumon, aux aubes des soufflantes. FIG. 11 : Vue d’ensemble d’une voiture équipée du système Thoréole. Le tunnel est volontairement apparent laissant voir tout le système FIG. 12 : Ensemble technique de Thoréole FIG. 13 : Schéma énergétique montrant les différentes consommations d’énergie et détaillant le principe même de récupération d’une voiture équipée de Thoréole. fig 14 : Graphique montrant l’évolution du pourcentage batterie sur un trajet Paris-> Marseille ; les valeurs sont théorisées mais montre l’efficacité et l’utilité de Thoréole. Ce graphique est à mettre en relation avec l’explication du trajet décrite plus haut. Voiture électrique comportant au moins un moteur électrique, une batterie rechargeable (en courant alternatif ou continu), équipée d’au moins une entrée d’air à l’avant et d’au moins un convertisseur d’énergie éolien électrique frontal que ce soit à l’origine du véhicule ou après son achat. Le premier système de tunnel avec au moins une entrée d’air frontal, et au moins un récupérateur éolien vertical placé dans le capot d’une voiture électrique selon la revendication 1. Voiture électrique selon la revendication 1 qui après avoir atteint une vitesse suffisante se recharge en parti (non négligeable) grâce à l’électricité générée par la force du vent exercée sur les pales des rotors des soufflantes, lui-même (le vent) créée par la vitesse de la voiture. Conformément à la revendication 2, je revendique l’exclusivité de la canalisation du flux aérodynamique frontal via au moins un tunnel dans le but de produire de l’énergie utile au déplacement de la voiture. Je revendique le droit de propriété exclusif concernant les soufflantes qui comportent au sein d’elle un alternateur formant ainsi le couple solidaire SOUFFLANTE-ALTERNATEUR. Conformément à la revendication N°5, je revendique le fait que le rotor soit la même pièce que les pâles de la soufflante ainsi que du bloc où repose ces mêmes pales. Conformément à la revendication N°6, je revendique le fait que le stator et le bras de la soufflante ne font qu’un (pièces solidaires). Je revendique que le système de rotation de la soufflante est assuré par l’alternateur en lien direct avec l’ensemble soufflante. Enfin, je revendique le fait que la transformation de l’énergie éolienne, en mécanique puis en électrique, ce fasse exclusivement grâce à l’ensemble décrit aux revendications précédentes.