BE1029706B1 - Dispositif de stockage d'energie et de production d'eau douce - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de stockage d’énergie sous forme d’air comprimé sous la surface d’un plan d’eau. Le dispositif comprend une vis sous forme de filet hélicoïdal interne et solidaire d’un tube. Entrainée en rotation par un moteur, la vis est configurée pour entrainer des volumes discrets d'air séparés les uns des autres par un continuum d'eau depuis une atmosphère vers un fond du plan d’eau, comprimant ainsi les volumes discrets d'air qui sont ensuite stockés dans un réservoir immergé. La surface intérieure du tube comprend une partie structurée configurée pour soulever et transférer un volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets d'air à chaque rotation du tube, qui retombe par gravité dans les volumes discrets d'air sous forme de gouttes, refroidissant ainsi les volumes discrets d'air au fur et à mesure que ceux-ci sont comprimés, et diminuant le travail nécessaire à la compression de l’air.

Description

DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ENERGIE ET DE PRODUCTION D'EAU DOUCE

DOMAINE DE L’INVENTION

[0001] La présente invention se rapporte à un dispositif de stockage d’énergie sous forme d’air comprimé. Le dispositif est du type comprenant un réservoir immergé au fond d’un plan d’eau configuré pour stocker une réserve d'air comprimé sous la surface du plan d’eau, et une vis sous une forme d’un filet hélicoïdal interne et solidaire d’un tube. Le tube et la vis sont entrainés en rotation par un moteur, la rotation du tube et de la vis entrainant des volumes discrets d'air depuis une ouverture amont du tube partiellement émergée au-dessus de la surface d’un plan d’eau vers une ouverture aval du tube ancrée au fond du plan d’eau et en communication fluidique avec le réservoir immergé. Les volumes discrets d'air sont comprimés au fur et à mesure qu'ils descendent plus profondément le long de la vis vers l’ouverture aval du tube. Le dispositif de stockage d’énergie de la présente invention est plus efficace que les dispositifs connus, car une partie de la surface interne du tube est structurée et configurée pour soulever et entraîner un volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets d'air à chaque rotation du tube. Le volume d’eau entraîné retombe par gravité dans les volumes discrets d'air sous forme de gouttes. En se réchauffant et s’évaporant au moins partiellement au contact des volumes d'air discrets comprimés, les gouttes refroidissent les volumes discrets d'air. Le refroidissement de l’air lors de sa compression diminue le travail thermodynamique de compression de l'air. En sus des gouttelettes, le film d’eau qui adhère aux, parois intérieures participe également au processus d'évaporation et de refroidissement.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

[0002] Pour des raisons écologiques rendues spectaculairement évidentes par les phénomènes liés au réchauffement climatique, il devient indispensable de diminuer considérablement les émissions de CO: et autres gaz à effet de serre. Une solution à ce problème réside dans l’utilisation d’énergies renouvelables telles que les énergies éoliennes, photovoltaïque, hydraulique ou géothermique, par exemple.

[0003] Néanmoins, le développement des énergies renouvelables rencontre de nombreux obstacles. En particulier, le développement des énergies hydraulique et géothermique est limité par la disponibilité des sites favorables à leur production, et le développement des énergies éolienne et photovoltaïque souffre de la non-prédictibilité de la production due à l’intermittence de leur production en fonction des conditions météorologiques. Les énergies éolienne et photovoltaïque sont ainsi indisponibles en l’absence de vent ou de rayonnement solaire, respectivement. Cette intermittence de certaines sources d’énergie renouvelable, par ailleurs largement disponibles, a mis en lumière la nécessité de développer des solutions pour le stockage de énergie afin d’absorber les excédents de production générés lorsque les conditions météorologiques sont favorables ou que la demande en énergie est faible, et de fournir les excédents ainsi stockés lorsque les conditions météorologiques sont défavorables ou que la demande en énergie est forte, par exemple.

[0004] Dans les documents US2012/0119510 et BE1024212, un dispositif de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé dans un plan d’eau est décrit. Celui-ci comprend un conduit hélicoïdal configuré pour, lorsqu'il est mis en rotation, entraîner et comprimer de l’air issu d’une atmosphère au-dessus de la surface du plan d’eau vers le fond de l’eau. L’air entre dans le conduit par une ouverture du conduit en contact avec l’atmosphère et sort du conduit par une ouverture en communication fluidique avec un réservoir immergé sous la surface du plan d’eau. Dans le réservoir, une certaine quantité d’énergie peut donc être stockée sous forme d'air comprimé. L'air comprimé peut ensuite être ramené vers la surface du plan d’eau au moyen d’un tuyau afin d’être directement consommé, ou transformé en une autre forme d’énergie au moyen d’une turbine, par exemple. Dans certains modes de réalisation, l’air comprimé peut être ramené vers la surface du plan d’eau en repassant au travers du conduit hélicoïdal. L’air comprimé entraine alors le conduit hélicoïdal en rotation et est décomprimé au fur et à mesure qu’il se rapproche de la surface du plan d’eau. Dans ce cas, coupler le conduit hélicoïdal en rotation avec un alternateur permet de générer de l’électricité.

[0005] Lors de la compression de l’air, la température de celui-ci s’élève. Le travail requis par la compression est ainsi augmenté. En fin de compression, l’air arrivant dans le réservoir immergé peut donc atteindre des températures significatives. L'air stocké dans le réservoir se refroidit ensuite par transfert de chaleur à l’eau environnante, ce qui engendre des pertes d'énergies. Le cycle de compression et de décompression de l'air, en le descendant d’abord au fond du plan d’eau, puis en le remontant à la surface pour récupérer l'énergie ainsi stockée entraîne de sévères pertes dues principalement à des phénomènes thermodynamiques liés au réchauffement de l’air lors de sa compression et à son refroidissement lors de la décompression. La Figure 5 illustre un cycle du volume d’air (V) en fonction de la profondeur (h) qui est proportionnelle à la pression (p). La ligne continue indique le cycle de compression (A) et décompression (C) dans des systèmes tels que décrits dans BE1024212. On peut voir que lors du stockage de lair comprimé et réchauffé, celui-ci se refroidit pour atteindre l’équilibre avec la température ambiante dans le fond du plan d’eau et ainsi dissiper une partie du travail de compression. En conséquence, le volume d'air récupéré après décompression est de l’ordre de 55% seulement du volume d'air initialement injecté dans le dispositif.

[0006] Dans le document US2012/0119510, le conduit hélicoïdal se présente sous la forme d’une vis d’Archimède composée d’un arbre le long duquel s’étend un filet hélicoïdal, la vis — d’Archimède étant interne et solidaire d’un tuyau. Comme solution au précédent problème de réchauffement de l’air au fur et à mesure de la compression, le document US2012/0119510 propose un arbre creux de la vis d'Archimède pour augmenter la circulation de l'eau issue du plan d’eau en contact avec les volumes d'air au cours de compression des volumes d'air le long de la vis, augmentant ainsi les transferts de chaleur entre les volumes d'air et l'eau entourant le dispositif et le refroidissement des volumes d'air.

[0007] Dans plusieurs modes de réalisation, l'arbre du dispositif à vis de US2012/0119510 peut avoir un noyau creux qui définit une cavité permettant la circulation de l’eau le long de la vis d’Archimède. Pendant la compression, l'eau froide provenant des profondeurs du plan d'eau peut être remontée à contre-courant de la stratification stable de l'eau en utilisant une pompe.

L'eau froide peut se déplacer de l'extrémité basse du dispositif à vis vers l'extrémité haute de celui-ci via la cavité pour améliorer le refroidissement. De même, l'eau chaude provenant de la surface de l'eau et/ou d'un réservoir thermique peut être aspirée de l'extrémité haute vers l'extrémité basse pour améliorer le réchauffement de lair pendant sa décompression lors de la remontée de l'air vers la surface au moyen du dispositif tel que décrit plus haut. Ce refroidissement et ce réchauffement supplémentaires pendant la compression et la décompression, respectivement, permettent d’augmenter l'efficacité du dispositif à vis et le rendement du stockage d'énergie. Cette solution permet de mettre en contact l’air comprimé avec de l’eau plus froide lors de la compression, par exemple, mais nécessite un système comprenant une pompe pour assurer la circulation de l’eau au sein de la cavité de l’arbre de la vis. De plus, l'interface eau-air permettant l'échange thermique entre l’air en cours de compression et l'eau demeure limitée. Enfin, la quantité de chaleur échangée varie avec la vitesse de rotation du dispositif. Par exemple, lorsque la puissance consommée par le dispositif pour compresser de l'air augmente, la vitesse de rotation de la vis d’Archimède augmente, ce qui a pour effet de diminuer la durée de la compression de l’air et donc le transfert de chaleur et le refroidissement associés.

[0008] II demeure donc un besoin pour un dispositif de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé sous la surface d’un plan d’eau dans lequel les échanges thermiques entre l’air et

Veau du plan d’eau sont améliorés. De préférence, la dépendance du transfert de chaleur à la puissance consommée pour comprimer l’air sera diminuée. De préférence, cette augmentation des échanges thermiques ne nécessitera pas de machinerie supplémentaire telle qu’une pompe pour être mise en œuvre, simplifiant ainsi le dispositif de stockage d’énergie. La présente invention propose une solution permettant une augmentation des transferts thermiques entre l’air comprimé et l’eau environnant d’une manière innovante et simple.

RESUME DE L’INVENTION

[0009] Le dispositif selon la présente invention concerne un dispositif de stockage d’énergie sous forme d'air comprimé comprenant :

- un tube s'étendant le long d'un axe longitudinal (Z) normal à une section transversale du tube avec une longueur de tube (Lt) mesurée le long de l'axe longitudinal (Z) et séparant une ouverture amont et une ouverture aval du tube, - une vis interne au tube, sous une forme d'un filet hélicoïdal s'étendant le long de et centrée sur l'axe longitudinal (Z),

e Comprenant une extrémité radiale externe de la vis jointe de manière continue et rigide et hermétique à une surface intérieure du tube sur toute une longueur de la vis, et e définissant un passage fluidique hélicoïdal continu à l'intérieur du tube entre l'ouverture amont et l'ouverture aval,

- Uun ancrage configuré pour ancrer l'ouverture aval au fond d'un plan d'eau à une profondeur (H),

- un moteur, de préférence un moteur électrique, configuré pour entrainer en rotation le tube et la vis autour de l'axe longitudinal (Z),

- un dispositif flottant configuré pour maintenir au moins une partie de l'ouverture amont émergée au-dessus d'une surface du plan d'eau lorsque l'ouverture aval est ancrée au fond du plan d'eau, de sorte que :

e l'ouverture amont au moins partiellement émergée est à une distance (L) d'une verticale de l'ouverture aval mesurée le long d'un axe horizontal normal à la verticale, de sorte qu'un rapport (L / H) de la distance (L) à la profondeur (H) est inférieur à 1.75,

e lors de la rotation du tube et de la vis entrainée par le moteur autour de l'axe longitudinal (Z), des volumes discrets d'air séparés les uns des autres par un continuum d'eau du plan d'eau sont entraînés par la vis en rotation depuis une atmosphère de l'ouverture amont vers l'ouverture aval, comprimant les volumes discrets d'air au fur et à mesure que les volumes discrets d'air se déplacent vers l'ouverture aval, - un réservoir immergé configuré pour stocker une réserve d'air comprimé, le réservoir immergé étant en communication fluidique avec l'ouverture aval du tube et ancré au fond du plan d'eau de sorte que les volumes discrets d'air atteignant l’ouverture aval puissent remplir le réservoir immergé, qui est de préférence un réservoir à vessie comprenant une paroi flexible,

[0010] Le dispositif selon la présente invention est caractérisé en ce que la surface intérieure du tube comprend une partie structurée du tube représentant au moins 20% d’une aire de la surface intérieure du tube et configurée pour soulever et entraîner un volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets d'air à chaque rotation du tube, qui retombe par 5 gravité dans les volumes discrets d'air sous forme de gouttes, dont l’évaporation au moins partielle refroidit les volumes discrets d'air au fur et à mesure que ceux-ci sont comprimés.

[0011] Dans une variante préférée, le dispositif selon l'invention comprend en outre un dispositif de collecte d'eau distillée configuré pour, - recueillir une eau distillée obtenue par condensation de la réserve d'air comprimé lors de son refroidissement dans le réservoir immergé et pour - évacuer l'eau distillée ainsi collectée vers la surface du plan d'eau, à travers un conduit d’évacuation d’eau distillée, le dispositif de collecte d'eau distilée comprenant de préférence un réceptacle en communication fluidique avec le conduit d’évacuation d’eau distillée.

[0012] Dans une variante préférée, la partie structurée du tube du dispositif selon l'invention comprend une ou plusieurs striations du tube formées par un nombre de stries du tube, dans lequel une strie du tube a, - une profondeur de strie du tube mesurée le long d'une direction radiale normale à l'axe longitudinal (Z) comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, et - une largeur de strie du tube mesurée dans une direction tangentielle orthogonale à une directrice de la strie, comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, la ou les striations du tube couvrant au moins 30% d'une aire de la partie structurée du tube.

[0013] Dans une variante préférée, une surface de la vis du dispositif selon l'invention comprend une partie structurée de la vis représentant au moins 5% d’une aire de la surface de la vis et apte à transférer, à chaque rotation du tube, un second volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets d'air, qui retombe par gravité dans les volumes discrets d'air sous forme de gouttes, dont l’'évaporation au moins partielle refroidit ainsi davantage les volumes discrets d'air lors de la compression de ces derniers.

[0014] Dans une variante préférée du dispositif selon l'invention comprenant une partie structurée de la vis, la partie structurée de la vis comprend des striations de la vis formées par un nombre de stries de la vis, une strie de la vis ayant une profondeur de strie de la vis mesurée dans une direction normale à la surface de la vis comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, et une largeur de strie de la vis mesurée dans une direction tangentielle à la surface de la vis et orthogonale à une directrice de la strie de la vis comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, les striations de la vis couvrant au moins 30% d’une aire de la partie structurée de la vis.

[0015] Dans une variante préférée du dispositif selon l'invention comprenant des striations, la partie structurée comprend une première striation et une deuxième striation, chacune des première et deuxième striations est formée par un nombre de stries sensiblement parallèles entre elles, et dans lequel au moins une sélection des stries de la première striation croise au moins une sélection des stries de la deuxième striation.

[0016] Dans un mode de réalisation avantageux, le moteur du dispositif selon l’invention est électrique et est en outre configuré pour agir comme un générateur et pour générer une énergie électrique lorsqu'un rotor du moteur est entrainé en rotation par le tube et la vis en rotation autour de l'axe longitudinal (Z), la rotation du tube et de la vis étant entraînée par une remontée par un intérieur du tube vers la surface du plan d’eau d'air comprimé introduit dans le tube depuis le réservoir immergé.

[0017] Dans un mode de réalisation avantageux du dispositif selon l'invention comprenant un moteur électrique configuré pour agir comme un générateur, la partie structurée du tube est configurée pour entraîner un volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets d'air à chaque rotation du tube, qui retombe par gravité dans les volumes discrets d'air sous forme de gouttes, réchauffant ainsi les volumes discrets d'air au fur et à mesure que ceux-ci sont décompressés.

[0018] Dans une variante préférée, le dispositif selon l'invention comprend en outre un arbre de guidage s'étendant le long de l'axe longitudinal (Z).

[0019] Dans une variante préférée du dispositif selon l'invention comprenant un arbre de guidage, le dispositif comprend en outre un interstice entourant une surface latérale de l'arbre et séparant la vis de l'arbre de guidage sur toute une longueur de l'arbre de guidage, une largeur de l'interstice normale à la surface latérale de l'arbre étant de préférence comprise entre 1 mm et 10 cm.

[0020] Dans une variante préférée, la longueur de tube (Lt) du dispositif selon l'invention est comprise entre 10 m et 300 m, de préférence entre 20 m et 200 m, de préférence entre 50 m et 150 m.

[0021] Dans une variante préférée du dispositif selon l'invention, une vitesse de rotation nominale du tube entraîné par le moteur est comprise entre 1 tour/min et 600 tour/min, de préférence entre 10 tour/min et 240 tour/min, de préférence entre 30 tour/min et 120 tour/min, de préférence entre 50 tour/min et 80 tour / min.

[0022] Dans un mode de réalisation avantageux du dispositif selon l'invention, le tube a une section circulaire de diamètre interne compris entre 5 cm et 10 m, de préférence entre 10 cm et 5 m, de préférence entre 20 cm et 2 m.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0023] Ces aspects ainsi que d’autres aspects de l'invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention, référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles :

Fig.1 représente une vue en coupe longitudinale partielle d’un dispositif de stockage selon l'invention.

Fig.2 représente une vue en coupe d’un premier mode de réalisation du réservoir immergé compris dans le dispositif de stockage selon l'invention.

Fig.3 représente une vue en coupe d’un deuxième mode de réalisation du réservoir immergé compris dans le dispositif de stockage selon l'invention, comprenant un dispositif de récolte d’eau distillée alternatif.

Fig.4 représente un dispositif de stockage selon l'invention dans lequel le dispositif flottant est représenté, ainsi qu’un tuyau permettant l’injection d’air comprimé depuis le réservoir immergé vers le tube.

Fig.5 représente un graphique du volume de lair en fonction de la profondeur atteinte par l'air sous la surface d’un plan d’eau, en vue de comparer l’effet des compression et décompression adiabatique et isothermes de l’air sur le rendement d’un cycle comprenant également des refroidissement et réchauffement isobares intermédiaires.

Fig.6 représente des exemples de structures formant la partie structurée du tube et / ou de la vis du dispositif de stockage selon l'invention.

Fig.7 représente une section du tube et de la vis d’un dispositif selon l'invention en fonctionnement et à plusieurs positions angulaires autour de l’axe longitudinal (Z), montrant ainsi l’apport de gouttes d’eau dans les volumes discrets d’air par la partie structurée du tube en rotation.

FIG.8 représente une vue d'ensemble d’un dispositif selon la présente invention.

FIG.9(a) à 9(d) représentent différentes variantes de vis en forme de filets hélicoïdaux selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

Dispositif de compression de l’air : tube (2)

[0024] Tel que représenté dans les Figures 1 et 8, un dispositif de stockage d’énergie sous forme d'air comprimé selon la présente invention comprend un tube (2) s'étendant le long d’un axe longitudinal Z, qui n’est pas nécessairement rectiligne, sur une longueur de tube (Lt) séparant une ouverture amont (2u) d’une ouverture aval (2d) du tube. De préférence, la longueur de tube (Lt) est comprise entre 10 m et 300 m, de préférence entre 20 m et 200 m, de préférence entre 50 m et 150 m. L’axe longitudinal (Z) est normal à une section transversale du tube (2), qui est l'intersection entre un plan normal à l’axe longitudinal (Z) et le tube (2). La section transversale du tube (2) présente de préférence une symétrie de rotation autour de l’axe longitudinal (Z). De préférence, le diamètre interne du tube, c'est-à-dire la distance séparant l’axe longitudinal (Z) d’une surface intérieure du tube (2s), diminue entre l’ouverture amont (2u) et l’ouverture aval (2d) de sorte que le diamètre interne du tube au niveau de l'ouverture aval (2d) est inférieur au diamètre interne du tube au niveau de l'ouverture amont (2u). De préférence, le diamètre interne du tube est compris entre 5 cm et 10 m, de préférence entre 10 cm et 5 m, de préférence entre 20 cm et 2 m.

[0025] L’axe longitudinal (Z) est préférablement rectiligne par conception. Cependant, et tel qu'’illustré dans la Figure 8, en fonction des dimensions, du poids relatif du dispositif par rapport à l’eau, et aux forces auxquelles il est soumis, notamment les courants, l’axe longitudinal (Z) peut présenter une courbure associée à la reprise des efforts liés à la force de gravité ou aux courants marins s’exerçant sur le dispositif selon l'invention lorsque celui-ci est installé dans un plan d’eau.

Vis (3) interne au tube

[0026] Le dispositif selon l’invention comprend également une vis (3) interne au tube (2). La vis a une forme d’un filet hélicoïdal s'étendant le long de l’axe longitudinal (Z) sur une longueur de la vis (3) mesurée le long de l’axe longitudinal (Z). Comme illustré dans les Figures 9(a) à 9(d), un filet hélicoïdal est défini ici comme un objet obtenu par rotation d’un profil (2p) le long d’une hélice autour d’un axe de l’hélice. Un profil (2p) rectangulaire est illustré dans les Figures 9(a) à 9(d), mais il est clair que le profil (2p) peut avoir toute autre géométrie adaptée à l'obtention d’une vis (3). L'hélice définit une extrémité radiale externe (3e) de la vis. Le profil est fermé de sorte que lair compris dans un volume discret (7) d'air logé dans un pas de la vis ne puisse le traverser pour rejoindre un pas adjacent. Le pas de la vis (dp) est de préférence, mais pas nécessairement, constant. Par exemple, pour un pas du filet hélicoïdal de la vis de 8m, un rayon extérieur de la vis mesuré de l’axe longitudinal (Z) à l’extrémité radiale externe (3e) peut être de 10m et un rayon intérieur de la vis définissant un canal central mesuré de l’axe longitudinal au point le plus proche de la vis peut être compris entre 0 m (pas de canal central) à 5 m. Ces valeurs peuvent être réduites linéairement avec la profondeur tout en conservant le même rapport entre elles.

[0027] La vis comprend une extrémité radiale externe (3e) de la vis (3) (définissant l’hélice définie supra) jointe de manière continue et rigide et hermétique à la surface intérieure du tube (25) sur toute la longueur de la vis (3). L’extrémité radiale externe (3e) de la vis (3) est la partie de la vis (3) la plus éloignée de l’axe longitudinal (Z). Le raccord hermétique entre la vis (3) et le tube (2) empêche un passage d'air entre l'extrémité radiale externe (3e) de la vis (3) et la surface intérieure du tube (2s). Enfin, la vis (3) est jointe de manière rigide au tube (2) et est donc rigidement solidaire du tube (2). La vis (3) interne au tube (2) définit ainsi un passage fluidique hélicoïdal continu à l’intérieur du tube (2) reliant l'ouverture amont (2u) et l’ouverture aval (2d). Le joint entre l’extrémité radiale externe (3e) de la vis (3) et la surface intérieure (2s) du tube (2) est formé par tout moyen connu de l’homme du métier. Par exemple, le joint peut être formé par une soudure, une brasure, collage, fusion, surmoulage, etc. De préférence, la vis sous la forme du filet hélicoïdal est coaxiale de l’axe longitudinal (Z). Indépendamment de si le filet hélicoïdal est coaxial ou pas avec l'axe longitudinal (Z), lorsque le tube entre en rotation autour de l’axe longitudinal (Z), la vis est entraînée en rotation autour du même axe longitudinal (Z) par le joint formé entre l’extrémité radiale externe (3e) de la vis (3) et la surface intérieure (2s) du tube (2).

Géométrie axiale de la vis (3) avec ou sans arbre de guidage (16)

[0028] Tel qu'illustré dans les Figures 1, 9(c) et 9(d), le dispositif selon Vinvention peut comprendre en outre un arbre de guidage (16), de section préférablement circulaire, et s’étendant le long de l’axe longitudinal (Z) sur une longueur au moins égale à la longueur de la vis (3). De préférence, la vis (3) entoure l’arbre de guidage (16) sur toute la longueur de la vis (3). Comme illustré à la Figure 9(c), l’arbre de guidage (16) peut être couplé à la vis (3) de manière rigide ou au travers de paliers (cf. Figure 1) permettant une rotation de la vis relativement à l’arbre de guidage. Dans ce dernier cas, les paliers sont préférablement — distribués de manière régulière le long de l’arbre de guidage (16), et un interstice (17) entoure une surface latérale de l’arbre (16s) excepté à l’endroit des paliers. Comme illustré à la Figure 1, l’interstice sépare la vis (3) de l’arbre (16) sur toute une longueur de l’arbre. De préférence, une largeur de l’interstice mesurée selon une direction normale à la surface latérale de l’arbre (16s) entre la vis (3) et l'arbre (16) est comprise entre 1 mm et 10 cm. Cette variante est illustrée à la Figure 9(d), dans laquelle le dispositif comprend un espace entre l’arbre (16) et le filet hélicoïdal, définissant un passage continu permettant au continuum d’eau (12c) de s’écouler indépendamment de la vis (2). Comme discuté supra, l’arbre de guidage peut être rigidement couplé à la vis (2) ou mobile en rotation selon l’axe longitudinal (Z) par l'intermédiaire de paliers.

[0029] Un arbre de guidage a l'avantage d’augmenter considérablement la résistance en traction du système formé par le tube (2) et de la vis (3). Ceci peut être particulièrement avantageux dans le cas où le tube serait formé de modules assemblés l’un à l’autre. Un arbre de guidage (16) permet d'augmenter sensiblement la résistance en traction du tube. De préférence, l’arbre de guidage (16) est de forme cylindrique ou conique, et coaxial avec l’axe longitudinal (Z).

[0030] De manière alternative, illustrée dans les Figures 4, 9(a) et 9(b), le dispositif selon l'invention peut ne pas comprendre d’arbre de guidage (16) coaxial à l’axe longitudinal (Z). Si le profile (2p) ne s'étend pas jusqu’à l’axe longitudinale (Z) comme illustré à la Figure 9(b), un passage hélicoïdal est formé définissant une extrémité interne du filet hélicoïdal permettant au continuum d’eau (12c) de s’écouler librement le long de l’axe longitudinal (Z). Par contre, comme illustré à la Figure 9(a), si le profile (2p) s’étend jusqu’à l’axe longitudinal (Z), aucun passage n’est défini et le continuum d’eau (12c), comme les volumes discrets (7) d'air, doit s’écouler le long de la surface du filet hélicoïdal.

[0031] De préférence, la vis (3), le tube (2), et préférablement l’arbre de guidage sont réalisés à partir de matériaux résistants à la corrosion de l’eau, et à la corrosion de l’eau de mer en particulier. De préférence, la vis (3) et le tube (2) comprennent un ou une combinaison quelconque des matériaux suivants : aluminium, acier inoxydable, matériau composite comprenant des fibres de verre. Les matériaux de la vis (3), du tube (2), et de l’arbre de guidage (16) peuvent être identiques ou différents.

Ancrage (4)

[0032] Le dispositif selon l'invention comprend en outre un ancrage (4) configuré pour ancrer l'ouverture aval (2d) au fond d’un plan d’eau à une profondeur (H) sous une surface du plan d’eau (13). La surface du plan d’eau (13) est la surface séparant le plan d’eau d’une atmosphère du plan d’eau surplombant celui-ci. La profondeur (H) séparant la surface du plan d’eau (13) de l'ouverture aval (2d) est mesurée selon la direction verticale à l’endroit de l’ouverture aval (2d). La profondeur (H) peut varier en fonction de la position du dispositif (1), celle-ci pouvant par exemple évoluer avec la direction des courants marins et / ou les marées dans le cas d’un dispositif installé en mer. Dans le dispositif représenté à la Figure 1, l’ancrage comprend une partie solidement attachée à un fond du plan d’eau et reliée au tube (2), par exemple à travers l’arbre de guidage (16), par un câble, empêchant ainsi l’ouverture aval (2d) de remonter par flottaison à la surface du plan d’eau (13). L'ancrage (4) du dispositif selon l'invention peut être fixé à l’endroit de la vis (3) et / ou du tube (2) et / ou de l’arbre de guidage

(16). Alternativement ou concomitamment, l’ancrage (4) peut aussi comprendre un palier, une rotule, des pieux, ou une structure rigide destinée à maintenir l'ouverture aval (2d) dans une position fixe, ou une combinaison quelconque de ces éléments. L'ancrage peut être attaché solidement au fond du plan d’eau et / ou comprendre une masse importante afin de retenir l'ouverture aval (2d) du dispositif sous l’eau. De préférence, l’ancrage (4) est configuré pour permettre la précession de l’axe longitudinal (Z) autour d’un axe vertical. Enfin, le dispositif selon l'invention peut comprendre plusieurs ancrages, les ancrages étant attachés aux autres parties du dispositif en un ou plusieurs endroits.

Moteur (5)

[0033] Le dispositif selon l'invention comprend en outre un moteur (5), de préférence un moteur électrique, configuré pour entrainer en rotation le tube (2) et la vis (3) autour de l'axe longitudinal (Z) dans le sens entraînant la descente des fluides emportés dans la vis. Le moteur (5) est préférablement alimenté par une énergie renouvelable d'origine éolienne ou photovoltaïque par exemple. De préférence, une vitesse de rotation nominale du tube (2) est comprise entre 1 tour / min et 600 tour / min, de préférence entre 10 tour / min et 240 tour / min, de préférence entre 30 tour/min et 120 tour/ min, de préférence entre 50 tour/min et 80 tour / min.

[0034] Le moteur (5), comprenant un stator et un rotor configuré pour tourner relativement au stator, peut être couplé de différentes manières aux autres composants du dispositif selon l'invention, ou à des composants ne faisant pas partie de l'invention, afin de produire l’entrainement en rotation du tube (2) et de la vis (3) autour de l'axe longitudinal (Z). Dans une variante du dispositif comprenant un arbre de guidage (16) rigidement couplé à la vis (3) et au tube (2), le rotor peut être couplé directement à l’arbre de guidage (16) comme illustré à la

Figure 8. Le stator doit être fixé par rapport au rotor pour empêcher la rotation du moteur plutôt que du tube (2) et de la vis (3). Comme illustré à la Figure 8, le stator peut être fixé par une pluralité de bouées, de préférence au moins trois bouées, qui sont ancrées au fond du plan d’eau. Si le dispositif est proche d’un rivage, il peut être possible de fixer le stator au rivage.

[0035] Dans une variante comprenant un arbre de guidage (16) couplé à la vis (3) par des paliers permettant une rotation de la vis relativement à l’arbre de guidage, le stator du moteur (5) est fixé rigidement à l’arbre de guidage (16) et, comme illustré à la Figure 1, le rotor est couplé à une surface extérieure du tube et entraine en rotation le tube (2) au travers d’un moyen de couplage, comme par exemple un engrenage comprenant une première roue dentée couplée solidement au rotor du moteur et une seconde roue dentée couplée solidement à une surface extérieure du tube (2), ou par un système de courroies de transmission. Pour empêcher l’arbre de guidage (16) de tourner plutôt que le tube (2) et la vis (3), l’arbre de transmission peut être ancré au fond du plan d’eau de sorte à lui empêcher une rotation autour de l’axe longitudinal (Z). De préférence, l’arbre de guidage (16) est ancré au fond du plan d’eau en lui laissant des libertés de rotations autour de l’axe vertical et de tout axe horizontal, perpendiculaire à l’axe vertical et parallèle à la surface du plan d’eau.

[0036] Dans une autre variante du dispositif indépendante de la présence ou non d’un arbre de guidage (16) illustrée à la Figure 4, le rotor du moteur est couplé à la surface extérieure du tube (2) au travers d’un moyen de couplage, comme par exemple un engrenage comprenant une première roue dentée couplée solidement au rotor du moteur et une seconde roue dentée couplée solidement à la surface extérieure du tube (2), ou par un système de courroies de transmission. Le stator doit être fixé par rapport au rotor pour empêcher la rotation du moteur plutôt que du tube (2) et de la vis (3). Comme illustré à la Figure 4, le stator peut être fixé par une pluralité de bouées (6), de préférence au moins trois bouées, qui sont ancrées au fond du plan d’eau. Si le dispositif est proche d’un rivage, il peut être possible de fixer le stator au rivage. Afin de rigidifier le système, le stator peut être couplé à la surface extérieure du tube par l'intermédiaire d’un palier permettant la rotation du tube relativement au stator (cf. Figure 4).

[0037] Le dispositif flottant (6) illustré dans les Figures 4 et 8, permet de maintenir le stator du moteur (5) dans une position sensiblement immobile dans un référentiel terrestre, et empêcher le stator du moteur (5) de tourner autour de [axe du rotor ou le moteur (5) de se déplacer autour de l’axe longitudinal (Z) à cause de la résistance opposée par le tube (2) pour tourner autour de l’axe longitudinal (Z).

[0038] De préférence, le moteur est électrique et alimenté au travers d’un câble électrique. Par exemple, le câble électrique peut passer au travers de l’arbre de guidage (16) et rejoindre un site de production d’électricité en étant déposé sur le fond du plan d’eau tel que représenté à la

Figure 1 par la ligne traitillée. De préférence, le moteur peut délivrer une puissance comprise entre 100 kW et 100 MW, de préférence entre 1MW et 10 MW.

Dispositif flottant (6)

[0039] Le dispositif selon l'invention comprend un dispositif flottant (6) configuré pour, d’une part, fixer le stator du moteur (5) par rapport à son rotor, afin d’assurer que le moteur entraîne bien la rotation du tube et de la vis et non la rotation du stator (voir discussion dans la section précédente) et, d'autre part, maintenir au moins une partie de l'ouverture amont (2u) émergée au-dessus d'une surface du plan d'eau (13) lorsque l'ouverture aval (2d) est ancrée au fond du plan d'eau. L'ancrage de l'ouverture aval (2d) au fond du plan d'eau est telle que : - l'ouverture amont (2u) au moins partiellement émergée est à une distance (L) d'une verticale de l'ouverture aval (2d) mesurée le long d'un axe horizontal normal à la verticale, de sorte qu'un rapport (L/H) de la distance (L) à la profondeur (H) est inférieur à 1.75,

- lors de la rotation du tube (2) entrainé par le moteur (5) autour de l'axe longitudinal (Z), des volumes discrets (7) d'air séparés les uns des autres par un continuum d'eau du plan d'eau sont entraînés depuis l’atmosphère à l’endroit de l'ouverture amont (2u) vers l'ouverture aval (2d), comprimant les volumes discrets (7) d'air lorsque les volumes discrets (7) d'air se déplacent vers l'ouverture aval (2d).

[0040] Le dispositif flottant (6) peut comprendre plusieurs bouées pour fixer le stator du moteur (5). Pour le tube (2), le dispositif comprend un ou plusieurs ballasts pour compenser la flottation créée par lair entraîné dans le tube. II peut être ancré au fond de l’eau, comme illustré à la

Figure 8. II peut être attaché solidement, ou au travers d’un palier ou d’une rotule, au tube (2) ou à la vis (3).

Compression de l’air

[0041] Lorsque le dispositif selon l'invention fonctionne, le tube (2) et en particulier l'ouverture aval (2d) sont donc maintenus au moyen de l’ancrage (4) et du dispositif flottant (6) sous la surface du plan d’eau (13), excepté une portion au moins de l’ouverture amont (2u). L'ouverture amont (2u) est au moins partiellement émergée au-dessus de la surface du plan d’eau (13) afin de permettre l’entrée d'air issu de l’atmosphère située au-dessus du plan d’eau vers l’intérieur du tube (2). En état de fonctionnement, l’axe longitudinal (Z) est donc incliné de manière telle que le rapport (L/H) est inférieur à 1.75. De préférence, l’axe longitudinal (Z) n’est pas parfaitement vertical (i.e., L/H > 0) et L/H de préférence au moins égal à 0.1 , de préférence au moins égal à 0.2 . Le moteur (5) est actionné pour activer la rotation du tube (2) et de la vis (3) autour de l’axe longitudinal (Z). L’énergie consommée par le moteur est l'énergie que le dispositif de la présente invention s’emploie à stocker sous forme d’air comprimé. Une partie de cette énergie peut être récupérée à loisir dans un deuxième temps en décompressant l’air ainsi comprimé.

[0042] En fonction du rapport (L / H), des dimensions de la vis, et des dimensions du tube (2) notamment, chaque rotation du tube et de la vis permet à un volume discret (7) d’air issu de l'atmosphère au-dessus du plan d’eau d'entrer via l’ouverture amont (2u). Chaque volume discret (7) d'air est enfermé dans le tube (2) dans un pas de la vis et se déplace d’un pas de vis à chaque rotation de la vis (3) autour de l’axe longitudinal (Z). Dans le dispositif selon l'invention représenté à la Figure 1, approximativement 30 % de l’ouverture amont (2u) est émergée, et le volume discret d'air (7) formé à chaque rotation du tube (2) est contenu dans un pas de vis défini entre une surface de la vis (3s), la surface intérieure du tube (2s), et une surface de contact du volume discret d'air (7) avec le continuum d’eau (12c). En particulier, la surface de la vis (3s) et la surface intérieure du tube (2s) empêchent le volume discret d’air (7) de remonter vers la surface de l’eau, et entraînent le volume discret d'air (7) vers l’ouverture aval (2d) du tube et le fond du plan d’eau.

[0043] A chaque rotation du tube (2) du dispositif selon l'invention autour de l’axe longitudinal (Z), les volumes discrets d’air (7) emprisonnés à chaque pas de vis sont ainsi entrainés vers le pas de vis suivant jusqu’à atteindre l’ouverture aval par la rotation du tube (2). Les volumes discrets d'air sont séparés les uns des autres par un continuum d’eau issue du plan d’eau.

Lorsque le dispositif selon l'invention est en fonctionnement, il contient donc un continuum d’eau, c’est-à-dire une certaine quantité d’eau telle qu’il existe un chemin au sein du passage fluidique hélicoïdal continu situé à l’intérieur du tube qui traverse celui-ci sur l’entièreté de la longueur de tube (Lt), depuis l'ouverture aval (2d) vers l’ouverture amont (2u), le chemin étant entièrement immergé dans la certaine quantité d’eau et ne traversant donc pas les volumes discrets d'air (7).

[0044] Les volumes discrets (7) d’air sont donc espacés à chaque pas de vis le long de la vis (3) et du tube (2) en des positions correspondant à chaque tour de la vis. La pression du volume discret (7) d’air dans un pas de vis donné est sensiblement égale à la pression du continuum d’eau (12c) dans ce même pas de vis, qui est lui-même en équilibre avec la pression de l’eau du plan d’eau à une profondeur identique à celle du volume discret (7) d’air. Comme les ouvertures amont (2u) et aval (2d) du tube (2) sont séparées l’une de l’autre par une distance verticale (H), le transfert par une rotation de la vis (3) d’un volume discret (7) d’air d’un premier pas de vis à un second pas de vis adjacent et en aval du premier, d’une distance égale à la hauteur (dx) du pas de vis, entraîne une descente correspondante égale au produit de la hauteur (dx) du pas de vis et du cosinus de langle formé avec la verticale par l’axe longitudinal (Z) entre le premier et le second pas de vis. Comme la pression de l'eau augmente d’environ 1 bar tous les 10 m, la pression des volumes discrets (7) d'air peut rapidement augmenter avec la rotation de la vis (3) et la descente d’un pas de vis au suivant des volumes discrets (7) d'air vers l’ouverture aval (2d) du tube, située à une profondeur (H) par rapport à l’ouverture amont (2u).

Réservoir immergé (9)

[0045] Le dispositif selon l’invention comprend un réservoir immergé (9) configuré pour stocker de l’énergie sous forme d’une réserve d'air comprimé. Le réservoir est donc entièrement compris sous la surface du plan d’eau. Selon l'invention, le réservoir immergé est en communication fluidique avec l’ouverture aval (2d) du tube (2) et est configuré pour recevoir l’air préalablement comprimé atteignant l'ouverture aval (2d) et s'échappant du tube (2) au travers de celle-ci. Dans les modes de réalisation de l'invention représentés dans les Figures 1 à 4 et 8, le réservoir immergé est une vessie souple retenue au fond du plan d’eau par des ancrages (4) au travers de câbles. Alternativement ou conjointement, le réservoir (9) peut être fixé à l’arbre de guidage (16) qui est lui-même ancré dans le fond du plan d’eau comme illustré à la Figure 1.

Dans les modes de réalisation illustrés dans les Figures 4 et 8, le réservoir immergé (9) est ancré directement au fond du plan d’eau au moyen d’un ancrage du réservoir. De manière similaire à l’ancrage (4) de l'ouverture aval (2d) du tube (2), l’ancrage du réservoir peut comprendre, alternativement ou concomitamment, un palier, une rotule, des pieux, une structure rigide, un câble, une masse de béton ou de métal, ou une combinaison quelconque de ces éléments. Comme illustré dans les Figures 3 et 8, le réservoir peut également être empêché de remonter vers la surface du plan d’eau au moyen de plusieurs ancrages. Des réservoirs immergés adaptés à la présente invention, dont la paroi du réservoir (9p) est flexible sont disponibles sur le marché dans le domaine du stockage d’énergie sous forme d'air comprimé sous l’eau (UW-CAES) auprès de plusieurs entreprises. Par exemple Hydrostor ou

Thin Red Line Aerospace proposent de tels réservoirs.

[0046] De préférence, le réservoir immergé (9) a une capacité maximale d’air comprimé pouvant être stocké comprise entre 100 m° et 10000 m°, de préférence entre 1000 et 5000 m°.

De préférence, l’air comprimé est stocké dans le réservoir à une pression (P) comprise entre 3 et 50 bar, de préférence entre 8 et 20 bar, correspondant à des profondeurs (H) d'immersion d’environ 80 à 200 m. De préférence, le réservoir immergé (9) a une capacité de stockage d’énergie maximale comprise entre 30 et 1700 MWh, de préférence entre 100 et 1000 MWh.

[0047] Sur la Figure 1 (les dimensions ne sont pas à l’échelle), le réservoir immergé (9) comprend une ouverture du réservoir (21) immergé surplombant l’ouverture aval (2d) du tube et configurée de sorte que de l’air comprimé s’échappant depuis l’ouverture aval (2d) dans le plan d’eau et remontant verticalement dans le plan d’eau entre dans le réservoir immergé au travers de l’ouverture du réservoir (21). Telle que représentée sur la Figure 1, la communication fluidique entre le réservoir immergé (9) et l’ouverture aval (2d) est unidirectionnelle et ne permet donc pas de réinjecter lair comprimé du réservoir immergé (9) vers l’intérieur du tube (2). Le conduit d'évacuation d'air comprimé (20) du réservoir immergé (9) tel que représenté à la

Figure 1 permet d’évacuer l’air comprimé stocké dans le réservoir vers un lieu de consommation situé à la surface du plan d’eau. Le lieu de consommation peut par exemple comprendre une turbine dans laquelle l’énergie de l’air comprimé est transformée en énergie mécanique. Un alternateur couplé en rotation avec la turbine peut transformer l’énergie mécanique ainsi produite en énergie électrique. L’évacuation de lair comprimé directement par le conduit d’évacuation d’air comprimé (20) du réservoir immergé (9) vers une turbine située à la surface du plan d’eau a cependant le défaut que lair se décompressant au niveau de la sortie se refroidit brusquement et suit la courbe adiabatique (C) représentée par la courbe continue à la Figure 5. La température de l’air à la sortie de la turbine peut être inférieure à -100°C selon la pression (P) de stockage.

[0048] Dans une variante alternative, représentée à la Figure 4, l’air comprimé peut être réintroduit dans le tube (2) par un conduit d’évacuation d’air comprimé (20) du réservoir immergé (9) vers le tube (2). L'air comprimé veut remonter à la surface et doit pour cela entraîner la rotation de la vis (3) autour de l’axe longitudinal (Z). A l'inverse du processus de compression discuté plus haut, les volumes discrets (7) d’air passent à chaque rotation de la vis d’un pas au suivant, jusqu’à atteindre l’ouverture amont (2u). Le moteur (5) est configuré en mode générateur dont la rotation du rotor entrainée par la rotation de la vis (3) et du tube (2) permet de fournir de l’énergie électrique et d’ainsi récupérer (une partie de) l'énergie fournie par le moteur pour stocker l’air comprimé dans le réservoir. Il est clair qu’il n’est pas indispensable que le générateur et le moteur (5) soient combinés, et deux unités distinctes peuvent être envisagées, mais l’utilisation d’une seule unité combinant les deux fonctions de moteur et de générateur semble intéressante.

[0049] Dans le réservoir, l’air est stocké à une pression sensiblement égale à la pression de

Veau du plan d’eau entourant le réservoir. Dans le réservoir sous forme de vessie souple tel que représenté à la Figure 1, lair compressé surplombe et est en contact direct avec l’eau du plan d’eau au travers d’une interface air / eau du réservoir. La pression de l’air au sein du réservoir immergé (9) est donc égale à la pression de l’eau à une profondeur égale à celle de interface air / eau du réservoir, qui est à une profondeur d’environ (H), soit à une pression (P) d’environ,

P [bar] = (H [m] / 10 [m / bar]) + Pa [bar], avec Pa désignant la pression atmosphérique au niveau du plan d’eau ; en général, Pa = 1 bar.

Compression adiabatique ou isotherme

[0050] En l'absence d’échanges thermiques, l'air se réchauffe lors de sa compression de manière adiabatique et peut atteindre des températures élevées. A titre d'exemple, une quantité d'air atmosphérique comprimé à partir d’une pression de 1 bar et d’une température de 20°C en vue d'atteindre une pression de 11 bar, soit la pression atteinte à une profondeur de 100 m sous l’eau, peut dépasser 400°C en température. De telles températures induisent des contraintes sur les matériaux utilisés pour réaliser le tube (2), la vis (3), ainsi que le réservoir immergé (9), entre autres. De plus, comme indiqué plus haut, cette élévation de la température de l’air lors de la compression engendre un travail supplémentaire pour comprimer l’air, ce travail supplémentaire étant perdu lors du refroidissement de l’air dans le réservoir immergé (9).

[0051] La Figure 5 montre un cycle thermodynamique du volume d'air en fonction de la pression (P) ou de manière équivalente, de la profondeur dans le plan d’eau lors d’une phase de compression (A) d’un volume (V7) d’un volume discret (7) d’air, de stockage (B) de l'air comprimé dans le réservoir (9) au fond du plan d’eau, et décompression (C) de l’air stocké. La ligne continue indique le cycle adiabatique (i.e., sans échange thermique avec l’extérieur). Le segment de courbe continue (A) caractérise le travail fourni pour comprimer un volume (V / V7 = 100%) d'air d’une pression initiale, Pa = 1 bar à une pression (P) atteinte à une profondeur (H). Le travail (WW) est laire de la surface sous la courbe de compression comprise dans un segment de volume (dV) (ie, W=[pdV). La pression est approximativement liée à la profondeur par l'expression mentionnée plus haut, p [bar] = (h [m] / 10 [m / bar]) + 1 [bar], où Pa := 1 bar.

[0052] On voit à la profondeur (H) (ou à la pression (P)), que lors du stockage de lair comprimé dans le réservoir au fond du plan d’eau, l’air perd la chaleur accumulée lors de la compression en la dispersant dans l’eau entourant le réservoir. L'énergie de réchauffement de l’air est ainsi perdu et ne peut être récupéré lors de la décompression. Ce refroidissement de l’air stocké se traduit par une diminution du volume visible dans le segment (B) de la ligne continue qui descend verticalement indiquant une diminution du volume sans modification de la pression, puisque l'air demeure à la profondeur (H).

[0053] Une décompression adiabatique suit le segment (C) de la courbe continue dans le sens de la flèche. Lors de la décompression adiabatique, l'air se refroidit en se dilatant. Le travail (VW) récupéré est l’aire de la surface sous la courbe de décompression comprise dans un segment de volume (dV) (ie. W= f p dV). On peut voir que l’hystérésis du cycle de compression et décompression adiabatique défini par la courbe continue est caractérisée par de sévères pertes d’énergie.

[0054] En pratique, une compression purement adiabatique est impossible. Les échanges thermiques lors de la compression de l’air ne sont pas nuls car l’air des volumes discrets (7) peut transmettre sa chaleur à l’eau du plan d’eau entourant le tube à travers la paroi du tube, et / ou au continuum d’eau (12c) à l’intérieur du tube. Cependant, il est clair qu’une solution permettant d’augmenter le transfert de chaleur depuis l'air des volumes discrets (7) vers l’eau du plan d’eau lors de la compression diminue l’énergie de compression à fournir au dispositif selon l'invention. De manière analogue, une solution permettant d’augmenter le transfert de chaleur depuis l’eau du plan d’eau vers l’air des volumes discrets (7) lors de la décompression augmenterait l'énergie récupérée. Un système caractérisé par des transferts de chaleur parfait, permettant de maintenir une température constante est appelé isotherme et est représenté sur la Figure 5 par des courbes pointillées. En comparant les courbes pointillées et continues de la

Figure 5, on peut voir que l’aire d’une hystérésis d’un cycle isotherme est sensiblement inférieure à celle d’un cycle adiabatique. La présente invention propose une solution pour obtenir un cycle de compression / décompression plus efficace, s’écartant d’un cycle adiabatique et se rapprochant d’un cycle isotherme. La solution proposée comprend la fourniture d’une structure (8) à une partie de la surface intérieure du tube (2)

Partie structurée du tube (8)

[0055] Le dispositif selon l'invention propose une solution pour augmenter le transfert de chaleur entre les volumes discrets (7) d’air et l'eau du continuum d’eau (12c) présent dans le tube (2). En particulier, la surface intérieure du tube (2s) comprend une partie structurée du tube (8) configurée pour soulever et transférer un volume d'eau du continuum d'eau (12c) vers les volumes discrets (7) d'air à chaque rotation du tube (2). Le volume d’eau embarqué par la structure retombe par gravité dans les volumes discrets d'air sous forme de gouttes (129), refroidissant ainsi les volumes discrets (7) d'air au fur et à mesure que ceux-ci sont comprimés.

Le niveau de refroidissement augmente avec la proportion du volume de gouttes (12g) étant vaporisé (12v) lors de la chute de celles-ci à travers les volumes discrets (7) d’air car la chaleur latente des gouttes d’eau consomme beaucoup d’énergie calorifique tirée des volumes discrets (7) d'air.

[0056] La Figure 7 représente plusieurs vues en coupe normale à l’axe longitudinal (Z) du tube du dispositif (2) selon l'invention en fonctionnement, à différents stades du transfert de l’eau du continuum par les parois structurées du tube dans les volumes discrets (7) d’air suivi par la chute et l’évaporation (12v) de cette eau sous forme de gouttes (12g). Quatre cavités sont représentées sur la surface intérieure du tube, représentant quatre stries vues en coupe. Les stries sont configurées pour emmener de l’eau du continuum lors de la rotation du tube (dans le sens des aiguilles d’une montre à la Figure 7). Lors du fonctionnement du dispositif selon l'invention, au moins une portion de la partie structurée du tube (8) est en contact avec les volumes discrets (7) d’air et plonge dans le continuum d’eau avec la rotation du tube (2), étant ainsi mise en contact avec celui-ci comme illustré à la Figure 7(a). Au fur et à mesure de la rotation du tube (2), la partie structurée du tube (8) émerge du continuum d’eau comme illustré à la Figure 7(b). Les stries de la partie structurée sont configurées comme des poches qui recueillent chacune une partie du volume d’eau sous forme de petits volumes d’eau, le sortant du continuum d’eau lors de la rotation du tube (2). Les stries emportent chacune avec elles les petits volumes d’eau du continuum d’eau vers des positions surplombant le volume discret d'air comme illustré à la Figure 7(c). Par effet de la gravité, les petits volumes d’eau se détachent de la partie structurée du tube (8) comme illustré à la Figure 7(d). Ils retombent sous forme de gouttes (12g), telle une pluie, vers le continuum d’eau en traversant le volume discret (7) d'air.

Les gouttes traversant le volume discret d’air offrent ainsi une surface d’échange importante entre le continuum et l’air des volumes discrets et permet de vaporiser un volume (12v) important d’eau avec la consommation d’énergie calorifique correspondante, réduisant ainsi sensiblement la température du volume discret d’air correspondant. De plus, les transferts thermiques entre les gouttes tombant dans l’air et cet air est améliorée grâce au frottement de l’air contre les gouttes qui se déplacent au sein de celui-ci. Cette solution est avantageuse par rapport à celle proposée dans US2012/0119510 discutée dans la section « arrière-plan technologique » supra car à l’aire de l’interface eau / air entre le continuum d’eau (12c) et les volumes discrets d’air déjà décrits, on ajoute ici l’aire de l'interface entre les gouttes (12g) et les volumes discrets d'air, qui est sensiblement supérieure à la première aire. En conséquence, l'échange de chaleur est sensiblement supérieur avec le dispositif de la présente invention qu'avec celui de US2012/0119510. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, les parties structurées du tube (8) et de préférence de la vis sont telles qu’en plus de favoriser la formation et chute de gouttes d’eau qui s’évaporent au contact des volumes discrets d’air réchauffés pendant la compression, permettent également la formation d’un film d’eau qui adhère aux surfaces et augmente aussi l'interface eau / air et l'échange de chaleur entre les deux phases. En plus de la surface structurée, les surfaces du tube et de la vis peuvent comprendre un traitement de surface ou une couche de revêtement hydrophile favorisant l’adhesion de l’eau aux dites surfaces.

[0057] L'air chauffé lors de la compression est donc refroidi par de l’eau et de la vapeur d’eau issue du continuum d’eau dont la température est inférieure à celle de l’air en cours de compression. Au fur et à mesure de la compression des volumes discrets (7) d’air, de la chaleur est ainsi transférée de l’air vers les gouttes d’eau et le continuum d’eau. En retombant dans le continuum d’eau, les gouttes ainsi chauffées (si pas totalement vaporisées) augmentent la température du continuum d’eau. Une portion d’eau du continuum d’eau peut ainsi dépasser la température d’évaporation et augmenter ainsi la pression partielle de vapeur dans les volumes discrets (7) d’air. Le volume d’eau évaporé à partir de gouttes (12g) de petites dimensions (et offrant une aire d’interface avec l'air très importante) est bien supérieur au volume évaporé à partir de l'interface entre le continuum d’eau et les volumes discrets d’air. La chaleur absorbée par le continuum d’eau (12c) par transfert à travers son interface avec l’air et par la chute des gouttes non volatilisées est transférée du continuum d’eau vers l’eau du plan d’eau entourant le — dispositif qui assure le rôle de réservoir ou amortisseur thermique. De préférence, le dispositif selon l'invention est installé dans un plan d’eau avec une inertie thermique telle qu’un écart de température de l’eau du plan d’eau avant et après avoir reçu un apport de chaleur associé à la compression d’une quantité d’air équivalente au remplissage complet du réservoir immergé (9) est inférieur à 50°C, de préférence inférieur à 10°C, de préférence inférieur à 1°C. La chaleur est transférée du continuum d’eau vers l’eau du plan d’eau entourant le dispositif par conduction de chaleur au travers des parois du tube et / ou par un écoulement ou échange entre l’eau du continuum d’eau et l’eau du plan d’eau à l’extérieur du tube (2). Dans ce dernier cas, l'échange d’eau entre le continuum et l’extérieur du tube est par exemple réalisé par circulation d’eau du continuum le long du passage fluidique hélicoïdal depuis l'ouverture amont (2u) vers l’ouverture aval (2d) ou vice-versa.

[0058] Selon l'invention, la partie structurée du tube (8) recouvre au moins 20 % d’une aire de la surface intérieure du tube (2s). La partie structurée du tube (8) recouvre de préférence entre 30 et 100 % de l'aire de la surface intérieure du tube (2s), de préférence entre 50 et 70 % de l’aire de la surface intérieure du tube (2s). Elle peut être distribuée régulièrement ou irrégulièrement le long du tube, et comprendre plusieurs parties distinctes. Par exemple, la partie structurée du tube (8) peut recouvrir une partie de la surface intérieure du tube qui est continue depuis l’ouverture amont (2u) jusqu’à l’ouverture aval (2d). Dans un autre exemple, la partie structurée du tube (8) occupe une portion seulement de la longueur du tube adjacente à l'ouverture aval (2d) du tube (2). Dans un autre exemple, la partie structurée du tube (8) comprend différentes sous-parties distinctes et séparées les unes des autres, situées à intervalles de distance réguliers le long du tube (2), pour moduler le volume d’eau transporté par les stries à chaque rotation ainsi que le volume des petits volumes d’eau embarquée dans chaque strie.

[0059] Des exemples de parties structurées du tube (8) sont représentées à la Figure 6. Pour chacune d'elle, des vues de haut, en coupe transversale, et en perspective sont représentées, de gauche à droite sur la Figure 6. La partie structurée du tube (8) selon l'invention comprend des structurations configurées pour emporter, retenir, et libérer de l’eau du continuum vers les volumes discrets (7) d'air, par l'effet de la gravité préférablement combinée avec l'effet de capillarité, au fur et à mesure de la rotation du tube (2).

[0060] Dans un premier mode de réalisation de la partie structurée du tube (8) selon l'invention représenté dans les Figures 6(a-a) à 6(a-c), celle-ci comprend deux striations (18), les stries d’une striation étant parallèles entre elles et croisant les stries de l’autre striation selon un angle supérieur à zéro et de préférence sensiblement à angle droit, visible à l'intersection des directrices des stries (Sx). Dans le cas illustré à la Figure 6(a-a), les stries des striations (18) occupent l'aire représentée en ombragé (pointillé) et ont une largeur de strie (Sw). Si les stries sont séparées par une distance égale à Sw, alors les stries recouvreraient 75 % de la partie structurée du tube (8). La Figure 6(a-b) est une vue en coupe transversale des stries, dans laquelle une section d’une strie est d’une forme triangulaire et la profondeur d’une des strie (Sd) est mesurée selon la direction normale à la surface intérieure du tube (2s) non recouverte par une strie et adjacente à la strie. La Figure 6(a-c) représente une vue en perspective de la partie structurée du tube des Figures 6(a-a) et 6(a-b), dans laquelle les deux familles de stries sont représentées.

[0061] Dans un deuxième mode de réalisation de la partie structurée du tube (8) selon l'invention représenté aux Figures 6(b-a) à 6(b-c), celle-ci comprend deux striations (18), les stries d’une striation étant parallèles entre elles et croisant les stries de l’autre striation selon un angle de préférence droit mesuré à l'intersection des directrices des stries (Sx). Dans le cas illustré à la Figure 6(b-a), les stries des striations (18) ont une largeur de strie (Sw). Si les stries sont séparées par une distance égale à Sw, alors les stries recouvreraient 75 % de la partie structurée du tube (8). La Figure 6(b-b) est une vue en coupe transversale des stries, dans laquelle une section d’une strie est d’une forme courbe, de préférence semi-circulaire ou semi-elliptique et la profondeur d’une des strie (Sd) est mesurée selon la direction normale à la surface intérieure du tube (2s) non recouverte par une strie et adjacente à la strie. La

Figure 6(b-c) représente une vue en perspective de la partie structurée du tube des Figures 6(b-a) et 6(b-b), dans laquelle les deux familles de stries sont représentées.

[0062] Dans un troisième mode de réalisation de la partie structurée du tube (8) selon l'invention représenté dans les Figures 6(c-a) à 6(c-c), celle-ci comprend une pluralité de cavités distribuées de manière régulière sur la partie structurée du tube (8). Les cavités peuvent être hémisphérique, polygonales, carrées, etc. Dans le cas illustré à la Figure 6(c-a), des cavités hémisphériques, coniques, et carrées occupent l’aire représentée en pointillé. Dans le cas des cavités hémisphériques ou coniques, celles-ci sont séparées par une distance égale au double du diamètre maximal d’une cavité. Les cavités hémisphériques ou coniques recouvrent donc en moyenne 8.7 % de la partie structurée du tube (8) dans cet exemple. La Figure 6(c-b) est une vue en coupe des cavités, dans laquelle une section d’une cavité hémisphérique est d’une forme semi-circulaire, une section d’une cavité conique est de forme triangulaire, et une section d’une cavité carrée (ou polygonale) est carrée. Les cavités ont une profondeur de cavité (Sd) mesurée selon la direction normale à la surface intérieure du tube (2s) non recouverte par une cavité et adjacente à la cavité. La Figure 6(c-c) représente une vue en perspective de la partie structurée du tube des Figures 6(c-a) et 6(c-b).

[0063] Dans un quatrième mode de réalisation de la partie structurée du tube (8) selon l'invention représenté dans les Figures 6(d-a) à 6(d-c), celle-ci comprend une striation (18) composée de stries parallèles entre elles. Dans le cas illustré à la Figure 6(d-a), les stries des striations (18) occupent l’aire représentée en pointillé. Elles peuvent être séparées par une distance égale, par exemple, au triple de la largeur d’une strie (Sw). Les stries recouvrent ainsi % de la partie structurée du tube (8). La Figure 6(d-b) est une vue en coupe des stries, dans laquelle une section d’une strie est d’une forme semi-circulaire, triangulaire ou carrée. Tout autre profil est envisageable. La profondeur d’une des strie (Sd) est mesurée selon la direction normale à la surface intérieure du tube (2s) non recouverte par une strie et adjacente à la strie.

La Figure 6(d-c) représente une vue en perspective des stries de la partie structurée du tube 25 des Figures 6(d-a) et 6(d-b).

[0064] La partie structurée du tube (8) peut comprendre des gorges ou rainures ou stries comme représenté aux Figures 6(a-a), 6(b-a) et 6(d-a), des cavités comme représenté à la

Figure 6(c-a), ou des renfoncements, ou des gorges. De préférence, la partie structurée du tube (8) comprend une ou plusieurs striations du tube (18) comprenant un nombre de stries du tube aptes à emporter un volume d’eau du continuum d’eau (12c) sous formes de petits volumes d’eau, vers les volumes discrets (7) d’air correspondants par l’effet combiné de la gravité et de la capillarité. De préférence, une strie du tube a, - une profondeur de strie du tube (Sd) mesurée le long d'une direction radiale normale à l'axe longitudinal (Z) comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, et - une largeur de strie du tube (Sw) mesurée dans une direction tangentielle orthogonale à une directrice de la strie (Sx), comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm.

[0065] Les striations du tube (18) couvrent au moins 10%, de préférence au moins 30% d'une aire de la partie structurée du tube (8). De préférence, les striations recouvrent une fraction de l’aire de la partie structurée du tube (8) comprise entre 40 et 90 %, de préférence entre 50 et 80 %.

[0066] De préférence, la partie structurée du tube (8) comprend au moins une première striation du tube (18) croisant une deuxième striation du tube (18), étant chacune formée par un nombre de stries, telles que représenté aux Figures 1, 6(a-a) et 6 (b-a). Les stries appartenant à une même striation du tube (18) sont sensiblement parallèles entre elles, et au moins une sélection des stries de la première striation du tube croise au moins une sélection des stries de la deuxième striation du tube.

Partie structurée de la vis (10)

[0067] De préférence, le dispositif selon l'invention comprend également une partie structurée de la vis (10) recouvrant au moins 5 % d’une aire de la surface de la vis (3s). De manière similaire à la partie structurée du tube (8), la partie structurée de la vis (10) est configurée pour transférer, à chaque rotation du tube (2), un second volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets (7) d'air, qui retombe par gravité dans les volumes discrets (7) d'air sous forme de gouttes et refroidit ainsi davantage les volumes discrets (7) d'air durant leur compression.

Comme discuté pour la partie structurée de la surface intérieure du tube (2), la partie structurée de la vis (1) peut également comprendre des cavités, des creux ou des rainures tels que décrits à la Figure 6, de forme identique ou différente de celles de la partie structurée du tube (8).

[0068] De préférence, la partie structurée de la vis (10) comprend des striations de la vis formées par un nombre de stries de la vis. Une strie de la vis a une profondeur de strie de la vis mesurée selon une direction normale à la surface de la vis (2s) comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, et une largeur de strie de la vis mesurée dans une direction tangentielle à la surface de la vis (3s) et orthogonale à une directrice de la strie de la vis (18) comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm. De préférence, les stries des striations de la vis couvrent au moins 30 % d’une aire de la partie structurée de la vis (10).

[0069] De préférence, la partie structurée de la vis (10) comprend au moins deux striations de la vis, chacune des striations de la vis comprenant un nombre de stries de la vis sensiblement parallèles entre elles, au moins une sélection des stries de la vis de la première striation de la vis croisant au moins une sélection des stries de la vis de la deuxième striation de la vis.

Générateur d’électricité

[0070] Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le fonctionnement du dispositif (1) est réversible, c'est-à-dire que le moteur (5) est électrique et configuré pour fonctionner en mode générateur afin de générer une énergie électrique lorsqu’un rotor du moteur est couplé et entrainé en rotation par le tube (2) en rotation autour de l’axe longitudinal (Z). Lors du fonctionnement du dispositif en mode générateur, le tube (2) est en rotation autour de l’axe longitudinal (Z) dans un sens opposé à celui associé à la compression des volumes discrets (7) d'air. La rotation du tube est activée par l’air comprimé transféré du réservoir (9) vers l’intérieur du tube (2) au voisinage de l’ouverture aval (2d). Comme le tube comprend un continuum d’eau (12c), un volume discret (7) d’air comprimé doit, pour remonter à la surface du plan d’eau, activer la rotation de la vis (3) (et donc du tube) pour passer successivement d’un pas de vis au suivant, jusqu’à atteindre l’ouverture amont (2u). Les volumes discrets (7) d'air issus du réservoir immergé (9) sont décompressés par la rotation du tube (2), au fur et à mesure qu’ils remontent pas à pas vers l’ouverture amont (2u) par chaque rotation de la vis (3) et du tube (2).

[0071] Pour récupérer l’énergie stockée, l’air comprimé issu du réservoir immergé (9) est réinjecté dans la vis afin d’être décompressé en remontant le long de la vis (3) et entraînant ainsi la rotation de la vis (3) et du tube (2) qui entraîne également la rotation du rotor du moteur (5) qui fonctionne en mode générateur. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté à la Figure 4, lors de la compression, l’air comprimé sort du tube par l’ouverture aval (2d) de la vis et pénètre dans la vessie souple. En remontant vers le sommet de la vessie souple, l’air s’échappant de l’ouverture aval se décomprime légèrement, selon la différence de profondeur entre la sortie aval (2d) du tube et l'interface air-eau dans le réservoir immergé (9). L'air entrant dans la vessie souple a donc une pression inférieure à celle de l'ouverture aval (2d) et ne peut être réinjecté dans l’ouverture aval (2d) sans subir une compression additionnelle. Pour pallier cette absence de réversibilité de la circulation de l’air comprimé entre le réservoir immergé (9) et l'ouverture aval (2d), et éviter la mise en œuvre de moyens de compression additionnels, un conduit d’évacuation d’air comprimé peut être installé pour permettre une communication — fluidique entre le réservoir immergé et l’intérieur du tube (2), tel que représenté à la Figure 4.

De préférence, un orifice de sortie de l’air comprimé du réservoir d’air comprimé (9) vers le conduit d’évacuation d’air comprimé est positionné à une extrémité supérieure du réservoir immergé, c’est-à-dire à un endroit du réservoir le plus proche de la surface du plan d’eau, afin de pouvoir vider l’entièreté de l’air comprimé stocké dans le réservoir immergé et exploiter entièrement la capacité de ce dernier. Au fur et à mesure que le réservoir immergé se vide d'air, l'interface air / eau du réservoir remonte à l’intérieur du réservoir immergé jusqu’à atteindre l'extrémité supérieure du réservoir immergé lorsque l’entièreté de l’air comprimé a été évacué de celui-ci. Afin de pouvoir injecter l’entièreté de l’air comprimé issu du réservoir immergé dans le tube (2) et de récupérer un maximum d’énergie par décompression de l’air comprimé, un orifice d’entrée de l’air comprimé du conduit d’évacuation d’air comprimé vers l’intérieur du tube (2) est de préférence positionné au voisinage de l’ouverture aval (2d) afin d’optimiser la récupération d’énergie lors de la décompression de l’air comprimé issu du réservoir, et à une profondeur inférieure à l’extrémité supérieure du réservoir. Il est préférable d’optimiser la position de l’orifice d'entrée du tube (2). II faut donc maximiser la profondeur de l’extrémité supérieure du réservoir, qui doit nécessairement être plus profonde que l’orifice d'entrée, en l'absence d’un moyen de compression de l’air. Pour cette raison, il est préférable de limiter la hauteur du réservoir au-dessus de l’ouverture avale du tube (2). Pour un volume de réservoir donné, cela signifie qu’il est préférable d’étendre latéralement les dimensions du réservoir.

Le conduit d'évacuation d’air comprimé peut comprendre une vanne contrôlable configurée pour ouvrir ou fermer le conduit d’évacuation d’air comprimé et pour contrôler le débit d’air comprimé réinjecté depuis le réservoir immergé vers l’intérieur du tube (2).

[0072] De préférence, le dispositif selon l'invention est donc réversible et configuré pour générer une énergie électrique en décomprimant l’air comprimé stocké dans le réservoir immergé (9), en le faisant remonter le long de la vis (3) par volumes discrets (7) d’air entrainant en rotation le tube (2) autour de l’axe longitudinal (Z). Le tube (2) couplé en rotation avec le rotor du générateur d'électricité entrainant le rotor du générateur en rotation, le générateur produisant alors une énergie électrique qui peut être consommée. Dans le dispositif selon l'invention, la présence des parties structurées du tube (8) et préférablement de la vis (10) augmentent le travail extrait lors de la décompression des volumes discrets (7) d’air dans le tube en réchauffant air en phase de décompression.

[0073] En effet, la température des volumes discrets (7) d’air en cours de décompression et remontant depuis le voisinage de l'ouverture aval (2d) vers l'ouverture amont (2u) diminue avec la pression. Dans le cas d’une décompression de l'air lors de laquelle les échanges thermiques entre les volumes discrets (7) et le continuum d’eau sont faibles, la décompression est proche d’une décompression adiabatique représentée à la Figure 5, segment (C) de la courbe continue, et la température des volumes discrets d'air peut descendre à des températures inférieures à 0°C et à des températures de l’ordre de -100°C et moins selon le taux de décompression. Comme lors de la compression des volumes discrets (7) d'air, les parties structurées du tube (8) et préférablement de la vis (10) dans le dispositif selon l'invention sont configurées pour transférer à chaque rotation du tube (2) un volume d’eau ramassée dans le continuum d’eau (12c) vers les volumes discrets (7) d'air, le volume d’eau retombant par gravité dans les volumes discrets (7) d'air correspondants sous forme de gouttes (12g), réchauffant ainsi les volumes discrets (7) d'air lors de la décompression de ces derniers. Les volumes discrets (7) d'air sont ainsi réchauffés au cours de la décompression, augmentant ainsi le travail pouvant être extrait de la décompression de l’air, se rapprochant ainsi d’un cycle isotherme.

Dans la Figure 5, un cycle de compression-décompression d’un volume discret d’air par un dispositif selon l'invention est représenté par la courbe en traitilés marquée «INV». En comparant les segments (C) de la courbe continue représentant un cycle adiabatique et de la courbe en pointillé représentant un cycle isotherme que l'homme du métier aimerait atteindre, on voit que le cycle selon l'invention se détache clairement du cycle adiabatique et se rapproche du cycle isotherme (sans néanmoins l’atteindre). Grâce au meilleur échange de chaleur entre l’air et Veau environnante, l'énergie pouvant être fournie par le dispositif par la décompression d’une quantité donnée d’air comprimé issue du réservoir immergé (9) est donc supérieure à celle obtenue par un dispositif selon l’art antérieur, tel que décrit dans BE1024212 et même dans US2012/0119510. L'augmentation des échanges thermiques entre l’eau du continuum et les volumes discrets d'air optimise la récupération de l'énergie stockée sous forme d’air comprimé dans le réservoir immergé (9). De plus, elle diminue les contraintes sur les matériaux en contact avec les volumes discrets d’air en augmentant sensiblement la température sub-zéro des volumes discrets d’air avec lesquels ces matériaux sont en contact.

[0074] Lors de la décompression des volumes discrets (7) d'air, les échanges thermiques entre ceux-ci et le continuum d’eau induit une diminution de la température du continuum d’eau. De préférence, le dispositif selon l'invention est alors configuré pour permettre un transfert de chaleur depuis l’eau du plan d’eau à l’extérieur du tube (2) vers le continuum d’eau afin de limiter la diminution de température du continuum d’eau, cette diminution de température impactant négativement le transfert de chaleur entre le continuum d’eau et les volumes discrets (7) d'air. L'eau du plan d’eau à l’extérieur du tube (2) joue alors le rôle de réservoir de chaleur. Il suffit de permettre un écoulement d’eau permettant l'entrée d’eau du plan d’eau dans le tube par l’une des ouvertures amont ou aval du tube pour former le continuum d’eau (12c) et permettant la sortie du continuum d’eau par l’autre des ouvertures amont ou aval du tube, afin d'assurer un renouvellement continu de l’eau du continuum d’eau (12c) et d’ainsi maintenir sa température sensiblement constante.

[0075] La Figure 5 est un exemple de graphique représentant l’évolution du volume normalisé, (V / V7), d’un volume discret (7) d’air donné de volume initial (V7) en fonction de sa profondeur sous la surface du plan d’eau, h (m)/. La profondeur (h) est directement proportionnelle à la pression du volume discret (7) d'air par la relation, p [bar] = (h [m] / 10 [m / bar]) + 1 [bar]. Le cycle comprend quatre phases (A), (B), (C), (D) indiquées sur la Figure 5 et parcourues dans le sens indiqué par les flèches, pendant lesquelles les variables d’état que sont la température, le volume V / V7, et la pression proportionnelle à la profondeur sous l’eau h (m) du volume discret d’air varient. Comme indiqué supra, la courbe continue représente un cycle adiabatique (i.e, sans échange de chaleur avec l’extérieur), la courbe pointillée représente un cycle isotherme, que l'homme du métier aimerait atteindre, et la courbe traitillée représente un cycle de compression-décompression avec un dispositif selon la présente invention. L'évolution d’un volume discret (7) d'air lors des différentes phases (A), (B), (C), (D) d’un cycle de compression-décompression est discutée. (A) Compression lors de laquelle le volume de l’air diminue avec l'augmentation de la profondeur h(m) et de la pression (p) auxquelles il se trouve. Lors d’une première étape de la compression, entre 0 et 15 m de profondeur environ, le gradient de température entre le volume discret d’air et le continuum d’eau sont négligeables et donc les échanges thermiques sont faibles et la pression et la température de l’air augmentent de manière pratiquement adiabatique suivant la courbe continue d’un cycle adiabatique.

Entre environ 15 m et 50 m de profondeur, la température du volume d'air augmente par rapport à celle de la température de Veau du continuum. Sans source de refroidissement la compression continue de manière adiabatique suivant la courbe continue. Afin d’augmenter les échanges thermiques entre le volume discret d’air et le continuum d’eau les gouttes (12g) retombant de la partie structurée de la surface intérieure du tube à travers le volume discret d'air. Grâce à ce refroidissement, la courbe traitillée du cycle selon l'invention se détache du cycle adiabatique et tend vers le cycle isotherme, sans toutefois l’atteindre. Considérant que le travail (W) nécessaire à la compression du volume discret d'air est l'intégrale sous la courbe comprise dans un segment défini par deux valeurs de volume (W= [P dV), on peut visualiser l’économie de travail obtenue par un dispositif selon l'invention par rapport à un cycle adiabatique. (B) Refroidissement du volume discret d'air stocké dans le réservoir immergé (9). La diminution en température du volume discret (7) d'air est le résultat de l'échange thermique avec l’eau du plan d’eau, de manière sensiblement isobare. Le volume de l’air ainsi stocké diminue avec la température. Au début de cette phase de refroidissement, l’air comprimé de manière adiabatique a une température et un volume supérieur à celui de l’air comprimé de manière isotherme, et l’air comprimé avec le dispositif de la présente invention a un volume compris entre les compressions adiabatiques et isothermes. Dans tous les cas, l’air comprimé atteint finalement le même volume correspondant à la température et pression régnant dans le réservoir (9).

Cette perte de chaleur se traduit par une perte de l’énergie stockée qui ne pourra pas être récupérée. (C) Décompression du volume discret d’air, lors de laquelle le volume de l’air augmente avec la diminution de la profondeur h(m) à laquelle il se trouve. Lors d’une première étape de la décompression (comprise entre 50 m et 35 m environ sur la Figure 5), les échanges thermiques entre le volume discret d’air et le continuum d’eau sont négligeables car le gradient de température entre l’air et l’eau n’est pas important. La pression et la température de l’air diminuent de manière quasi adiabatique suivant la courbe continue de la Figure 5. Lorsque le gradient de température entre l'air froid et

Veau plus chaude augmente avec le niveau de décompression (entre environ 35 m et 0 m de profondeur sur la Figure 5), le contact entre les gouttes (12g) tombant de la partie striée de la surface intérieure du tube et l’air du volume discret d’air réchauffe l’air refroidi par la décompression, et la courbe traitilée selon la présente invention se détache de la courbe adiabatique continue et se rapproche, sans la rejoindre, de la courbe en pointillés d’un cycle isotherme. Le volume correspondant à la décompression isotherme est plus élevé que pour la décompression adiabatique, et le travail extrait de la décompression de l'air est donc plus élevé dans le cas isotherme. Le dispositif selon l'invention permet de récupérer l'énergie à un niveau sensiblement supérieur à un cycle adiabatique, et le volume du volume discret d'air en fin de décompression, c’est-à-dire lorsque celui-ci s'échappe dans l’atmosphère au-dessus du plan d’eau au travers de l'ouverture amont (2u) à la fin de la décompression, s’approche des 90% théoriques du volume initial du volume discret d'air. (D) Réchauffement du volume discret d'air, lors duquel la température de l'air décompressé augmente de manière isobare par échange thermique avec l’air de l’atmosphère du plan d’eau jusqu’à atteindre la température de celui-ci, égale à la température initiale du volume discret d’air en début de cycle. Cette énergie emmagasinée dans le volume discret d’air ne peut être récupérée.

[0076] Les cycles adiabatiques et isothermes représentés à la Figure 5 sont obtenus sous des hypothèses très fortes difficilement obtenable dans un dispositif du type de celui de la présente invention. Par exemple, le cycle comprenant des compressions et décompressions uniquement adiabatiques (courbe continue) est obtenu sous l’hypothèse que les volumes d'air sont parfaitement isolés thermiquement, et le cycle isotherme (courbe pointillée) est obtenu sous l'hypothèse que les échanges de chaleur entre les volumes discrets d’air et le continuum d’eau sont parfaits de sorte que la température des volumes discrets d'air ne varie pas. Dans la pratique, dans un dispositif du type du dispositif de la présente invention, un cycle parcouru par un volume discret d'air n’est ni complètement adiabatique, ni complètement isotherme.

L'objectif est cependant de le pousser vers un cycle isotherme. Comme illustré dans la

Figure 5, le dispositif permet de se rapprocher considérablement d’un cycle isotherme, améliorant ainsi notablement le rendement du dispositif de stockage d’énergie par rapport à un système adiabatique ou proche de celui-ci de l’art antérieur.

[0077] Sur le graphique de la Figure 5, les pertes ou dissipations associées au travail de compression et de décompression du volume discret (7) d’air donné sont proportionnelles à l’aire intérieure des cycles d’hystérésis représentés, et donc inférieures dans le cas isotherme (courbe pointillée) par rapport au cas adiabatique (courbe continue) et l'invention se trouve bien entre les deux extrêmes, relativement proche de l’hystérésis isotherme. Un rendement du stockage est défini comme un ratio d’une énergie ou travail mécanique extrait du dispositif lors de la décompression d’une quantité donnée d'air sur une énergie ou travail mécanique fournie au dispositif lors de la compression de cette même quantité donnée d'air.

[0078] Dans le cas préférable d’un dispositif selon l'invention configuré pour être réversible afin de pouvoir compresser et décompresser l’air, les échanges thermiques entre l’air et le continuum d’eau permettent de rapprocher le cycle ainsi parcouru d’un cycle de type isotherme et de l’éloigner d’un cycle de type adiabatique, diminuant ainsi l’aire de l’hystérésis associé au cycle et donc les pertes associées au stockage de l’énergie sous forme d'air comprimé. En conséquence, le rendement du stockage d’énergie est amélioré dans le dispositif selon l'invention par rapport à celui des dispositifs de l’art antérieur.

Dispositif de collecte (11) d’eau distillée (12)

[0079] Lors de la compression des volumes discrets (7) d'air, ceux-ci se réchauffent et entrent dans le réservoir immergé (9) à une température supérieure à celle de Veau du plan d’eau entourant le réservoir immergé. L'air ainsi comprimé contient une certaine pression partielle de vapeur d’eau, la vapeur d’eau étant issue de la pression partielle de vapeur d’eau dans l'atmosphère au-dessus du plan d’eau au voisinage de l’ouverture amont (2u), et d’une évaporation des gouttes (12g) issues du continuum d’eau réchauffées vaporisées lors de la compression de l’air. Lors du stockage, l'air comprimé dans le réservoir immergé (9) se refroidit en transmettant sa chaleur à l’eau entourant le réservoir jusqu’à atteindre la température de

Veau du plan d’eau entourant le réservoir immergé. Durant ce processus, la pression de vapeur saturante de l’eau dans l’air comprimé stocké décroit avec la température, provoquant une condensation de la vapeur d’eau à l’intérieur du réservoir immergé (9) formant de l’eau distillée (120).

[0080] De préférence, le réservoir immergé (9) du dispositif selon Vinvention comprend un dispositif de collecte (11) d’eau distillée (12d) configuré pour recueillir une eau distillée (12d) obtenue par condensation de la réserve d'air comprimé lors de son refroidissement dans le réservoir immergé (9), tel que représenté dans les Figures 2 et 3. Le dispositif de collecte d’eau — distillée (11) est en outre configuré pour évacuer l'eau distillée ainsi collectée vers la surface du plan d'eau (13), à travers un conduit d’évacuation d’eau distillée (14), et comprend de préférence un réceptacle (15) en communication fluidique avec le conduit d'évacuation d’eau distillée (14).

[0081] Sur la Figure 2, le dispositif de collecte d’eau distillée (11) est interne au réservoir immergé (9), et la vapeur d’eau qui condense au contact de l’air comprimé avec une surface intérieure du réservoir (9s) refroidie par l’eau du plan d’eau en contact avec la paroi du réservoir (Op) forme des gouttes s’écoulant par l’effet de la gravité vers l’ouverture du réservoir (21). Un réceptacle (15) de forme similaire à une gouttière surplombant l’ouverture du réservoir (21) est configuré pour collecter les gouttes d’eau distillée s’écoulant le long de la paroi. La paroi du réservoir (9p) comprend un orifice apte à assurer une communication fluidique entre le réceptacle (15) et le conduit d’évacuation d’eau distillée (14).

[0082] Dans un autre mode de réalisation du dispositif de collecte d’eau distillée (11) selon l'invention représenté en coupe à la Figure 3, celui-ci comprend une bâche souple configurée pour amener les gouttes d’eau distillées condensées au contact de la surface intérieure du réservoir (9s) vers le réceptacle (15). Le réceptacle (15) et la bâche souple ont une symétrie de révolution, et le réceptacle est configuré pour flotter à l'interface air / eau du réservoir au moyen d’une bouée ayant une forme d’un tore. L'eau distillée (12) est évacuée du réceptacle (15) vers la surface du plan d’eau via le conduit d’évacuation d’eau distillée (14) en communication fluidique avec le réceptacle (15). Un tel dispositif de collecte d’eau distillée (11) est configuré pour fonctionner à différents niveaux de remplissage en air comprimé du réservoir (9) grâce à la bouée. Le réceptacle (15) fixé à la bouée est configuré pour monter et descendre à l’intérieur du réservoir immergé (9) en suivant le niveau de l'interface air / eau du réservoir, lui-même dépendant du niveau de remplissage en air comprimé du réservoir (9). La bâche souple est attachée à la bouée et s'adapte également aux variations du niveau de l'interface air / eau du réservoir grâce à sa flexibilité.

[0083] De préférence, le conduit d'évacuation d’eau distillée (14) du dispositif de collecte d’eau distillée (11) selon l'invention comprend une vanne configurée pour permettre à un utilisateur de contrôler le débit d’eau distillée circulant au travers du conduit d’évacuation d’eau distillée (14).

REF [DERNTON 6 Disposiif fottant LI 8 [Partestucturêedutbe 9 [Résenorimmeme

Gp [Paroidurésemor

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de stockage d'énergie (1) comprenant : - un tube (2) s'étendant le long d'un axe longitudinal (Z) normal à une section transversale du tube avec une longueur de tube (Lt) mesurée le long de l'axe longitudinal (Z) et séparant une ouverture amont (2u) et une ouverture aval (2d) du tube (2), - une vis (3) interne au tube (2), sous une forme d'un filet hélicoïdal s'étendant le long de et centrée sur l'axe longitudinal (Z), e Comprenant une extrémité radiale externe (3e) de la vis (3) jointe de manière continue et rigide et hermétique à une surface intérieure du tube (2s) sur toute une longueur de la vis, et e définissant un passage fluidique hélicoïdal continu à l'intérieur du tube (2) entre l'ouverture amont (2u) et l'ouverture aval (2d), - un ancrage (4) configuré pour ancrer l'ouverture aval (2d) au fond d'un plan d'eau à une profondeur (H), - un moteur (5), de préférence un moteur électrique, configuré pour entrainer en rotation le tube (2) et la vis (3) autour de l'axe longitudinal (Z), - un dispositif flottant (6) configuré pour maintenir au moins une partie de l'ouverture amont (2u) émergée au-dessus d'une surface (13) du plan d'eau (12) lorsque l'ouverture aval (2d) est ancrée au fond du plan d'eau (12), de sorte que : e l'ouverture amont (2u) au moins partiellement émergée est à une distance (L) d'une verticale de l'ouverture aval (2d) mesurée le long d'un axe horizontal normal à la verticale, de sorte qu'un rapport (L / H) de la distance (L) à la profondeur (H) est inférieur à 1.75, e lors de la rotation du tube (2) et de la vis (3) entrainée par le moteur (5) autour de l'axe longitudinal (Z), des volumes discrets (7) d'air séparés les uns des autres par un continuum d'eau (12c) du plan d'eau sont entraînés par la vis en rotation depuis une atmosphère de l'ouverture amont (2u) vers l'ouverture aval (2d), comprimant les volumes discrets (7) d'air au fur et à mesure que les volumes discrets (7) d'air se déplacent vers l'ouverture aval (2d), - un réservoir immergé (9) configuré pour stocker une réserve d'air comprimé, le réservoir immergé (9) étant en communication fluidique avec l'ouverture aval (2d) du tube (2) et ancré au fond du plan d'eau de sorte que les volumes discrets (7) d'air atteignant l’ouverture aval (2d) puissent remplir le réservoir immergé (9), qui est de préférence un réservoir à vessie comprenant une paroi (9p) flexible, caractérisé en ce que, la surface intérieure du tube (2s) comprend une partie structurée du tube (8) représentant au moins 20% d’une aire de la surface intérieure du tube (2s) et configurée pour soulever et entraîner un volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets (7) d'air à chaque rotation du tube (2), qui retombe par gravité dans les volumes discrets d'air sous forme de gouttes (12g), dont l’évaporation au moins partielle refroidit les volumes discrets (7) d'air au fur et à mesure que ceux-ci sont comprimés.

2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre un dispositif de collecte d'eau distillée (11) configuré pour, - recueillir une eau distillée (12) obtenue par condensation de la réserve d'air comprimé lors de son refroidissement dans le réservoir immergé (9) et pour - évacuer l'eau distillée ainsi collectée vers la surface du plan d'eau (13), à travers un conduit d’évacuation d’eau distillée (14), le dispositif de collecte d'eau distillée (11) comprenant de préférence un réceptacle (15) en communication fluidique avec le conduit d’évacuation d’eau distillée (14).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la partie structurée du tube (8) comprend une ou plusieurs striations du tube (18) formées par un nombre de stries du tube, dans lequel une strie du tube a, - une profondeur de strie du tube mesurée le long d'une direction radiale normale à l'axe longitudinal (Z) comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, et - une largeur de strie du tube mesurée dans une direction tangentielle orthogonale à une directrice de la strie, comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, la ou les striations du tube (18) couvrant au moins 30% d'une aire de la partie structurée du tube (8).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une surface de la vis (3s) comprend une partie structurée de la vis (10) représentant au moins 5% d’une aire de la surface de la vis (3s) et apte à transférer, à chaque rotation du tube (2), un second volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets (7) d'air, qui retombe par gravité dans les volumes discrets (7) d'air sous forme de gouttes (12g), dont

Vévaporation au moins partielle refroidit ainsi davantage les volumes discrets (7) d'air lors de la compression de ces derniers.

5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la partie structurée de la vis (10) comprend des striations de la vis formées par un nombre de stries de la vis, une strie de la vis ayant une profondeur de strie de la vis mesurée dans une direction normale à la surface de la vis (25) comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, et une largeur de strie de la vis mesurée dans une direction tangentielle à la surface de la vis (3s) et orthogonale à une directrice de la strie de la vis (18) comprise entre 1 et 5 mm, de préférence entre 2 et 4 mm, les striations de la vis couvrant au moins 30% d’une aire de la partie structurée de la vis (10).

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 5, dans lequel la partie structurée comprend une première striation et une deuxième striation, chacune des première et deuxième striations est formée par un nombre de stries sensiblement parallèles entre elles, et dans lequel au moins une sélection des stries de la première striation croise au moins une sélection des stries de la deuxième striation.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur (5) est électrique et est en outre configuré pour agir comme un générateur et pour générer une énergie électrique lorsqu'un rotor du moteur est entrainé en rotation par le tube (2) et la vis (3) en rotation autour de l'axe longitudinal (Z), la rotation du tube (2) et de la vis étant entraînée par une remontée par un intérieur du tube (2) vers la surface du plan d’eau d’air comprimé introduit dans le tube depuis le réservoir immergé.

8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la partie structurée du tube (8) est configurée pour entraîner un volume d'eau du continuum d'eau vers les volumes discrets (7) d'air à chaque rotation du tube (2), qui retombe par gravité dans les volumes discrets d'air sous forme de gouttes (12g), réchauffant ainsi les volumes discrets (7) d'air au fur et à mesure que ceux-ci sont décompressés.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un arbre de guidage (16) s'étendant le long de l'axe longitudinal (2).

10. Dispositif selon la revendication 9, comprenant en outre un interstice (17) entourant une surface latérale de l'arbre (16s) et séparant la vis (3) de l'arbre de guidage (16) sur toute une longueur de l'arbre, une largeur de l'interstice normale à la surface latérale de l'arbre (16s) étant de préférence comprise entre 1 mm et 10 cm.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la longueur de tube (Lt) est comprise entre 10m et 300 m, de préférence entre 20 m et 200 m, de préférence entre 50 m et 150 m.

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une vitesse de rotation nominale du tube (2) entraîné par le moteur (5) est comprise entre 1 tour / min et 600 tour / min, de préférence entre 10 tour/min et 240 tour / min, de préférence entre 30 tour / min et 120 tour / min, de préférence entre 50 tour / min et 80 tour / min.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tube (2) a une section circulaire de diamètre interne compris entre 5 cm et 10 m, de préférence entre 10 cm et 5 m, de préférence entre 20 cm et 2 m.