EP1121742A1 - Groupe electrogene de secours a air comprime - Google Patents

Groupe electrogene de secours a air comprime

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EP1121742A1
EP1121742A1 EP99932977A EP99932977A EP1121742A1 EP 1121742 A1 EP1121742 A1 EP 1121742A1 EP 99932977 A EP99932977 A EP 99932977A EP 99932977 A EP99932977 A EP 99932977A EP 1121742 A1 EP1121742 A1 EP 1121742A1
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EP
European Patent Office
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compressed air
motor
compressor
alternator
mode
Prior art date
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Withdrawn
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EP99932977A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guy Negre
Cyril Negre
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MDI Motor Development International SA
Original Assignee
MDI Motor Development International SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B17/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by use of uniflow principle
    • F01B17/02—Engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B23/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01B23/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1815—Rotary generators structurally associated with reciprocating piston engines

Definitions

  • the invention relates to a standby generator operating with compressed air.
  • Most of the current generator sets include an alternator responsible for producing electricity during their operation, driven by a diesel or other gas petrol engine. These engines are particularly noisy and polluting and consume an expensive energy which should be replenished frequently.
  • the author has filed numerous published patent applications, WO
  • the generator set according to the invention proposes to solve the problems linked to the fuel supply of the generator sets by using compressed air for its operation, it comprises a reversible compressed air engine which can operate either as an engine or as a compressor - compressed air motor-compressor driven by, or driving an electric motor also reversible and capable of operating as an alternator -motor-alternator-.
  • the motor-alternator in electric motor mode, which receives its energy from an electric network for example that of the city, turns by driving the air-compressor motor-compressor then in compressor mode which fills, and maintains full, one or more high pressure compressed air tanks, for example 200 bars.
  • the motor-compressor is automatically switched to motor mode and, supplied with energy by the compressed air contained in the storage tank (s), it drives the motor alternator which is also automatically switched to alternator mode to supply electricity.
  • the transition from one operating mode to another is devolved to an electromechanical, electronic or other device.
  • the emergency generator set according to the invention comprises an ambient thermal energy recovery system as described by the author in his patent application Nr FR 9700851, where the compressed air contained in the storage tank under very high pressure, for example 200 bars, and at room temperature, for example 20 degrees C, prior to its final use in the motor-compressor, at a lower pressure, for example 30 bars, is relaxed to a pressure close to that necessary for its end use, in a variable volume system, for example a piston in a cylinder, producing work which can be recovered and used by any known means, mechanical, electrical, hydraulic or other.
  • This expansion with work has the consequence of cooling at very low temperature, for example minus 100 ° C., the compressed compressed air to a pressure close to that of use.
  • This compressed air expanded to its operating pressure, and at a very low temperature is then sent to an exchanger with the ambient air, will heat up to a temperature close to ambient temperature, and will thus increase its pressure and / or its volume, by recovering thermal energy borrowed from the atmosphere.
  • the engine operating method according to the invention comprises a thermal heating system as described by the author in his patent application FR 9800877, where he proposes a solution which makes it possible to increase the amount of usable energy and available characterized in that the compressed air, before its introduction into the combustion and / or expansion chamber of the engine, coming from the storage tank, either directly or after it has passed through the air and air heat exchanger and before its introduction into the combustion chamber is channeled into a thermal heater where it will further increase in pressure and / or volume before its introduction into the combustion and / or expansion chamber, thus considerably increasing the performance.
  • the thermal heater can advantageously be supplied by said town gas.
  • the emergency generator set according to the invention can be installed in a fixed position in buildings or other private accommodation. It can also equip a mobile group which will be supplied with electricity and will have its tanks filled before being used on external sites.
  • the single figure shows a block diagram of the generator set according to the invention where the electric motor-alternator 1 supplied by the electric network by an electric cable 2 or supplying the electric network by an electric cable 3 driving, or being driven through a transmission 4, (by) the motor-compressor 5 which, in compressor function, fills a high-pressure storage tank 6 by a duct 7 and which in compressed air motor mode receives from the storage tank 6 compressed air which has been previously expanded, with work, in a variable volume device making it possible to considerably lower the temperature of the expanded air to a pressure substantially equivalent to the working pressure of the motor-compressor the trigger with work of the high pressure compressed air stored in the tank 6 is produced in a connecting rod 53 and working piston 54 assembly, directly coupled to a crankshaft 18C connected to the engine crankshaft 18 by a 21 A transmission.
  • This piston 54 slides in a blind cylinder 55 and determines a working chamber 35 into which opens out on the one hand a high pressure air intake duct 37 whose opening and closing are controlled by a solenoid valve 38, and on the other hand an exhaust duct 39 connected to an air air heat exchanger or radiator 41 itself even connected by a conduit 42 to a buffer capacity at an almost constant final pressure of use 43.
  • the solenoid valve 38 is opened and then closed in order to admit a load very high pressure compressed air which will relax by pushing the piston 54 to its bottom dead center, providing work, and driving the crankshaft 18C through the connecting rod 53 and through the has transmission 21 A the crankshaft of the motor-compressor 18.
  • the exhaust solenoid valve 40 is then open and the compressed air substantially relaxed at operating pressure, and at very low temperature contained in the working chamber is discharged (in the direction of the arrow F) in the air air exchanger or radiator 41.
  • This air will thus heat up to a temperature close to ambient and increase in volume by joining the buffer capacity 43 having recovered a significant amount of energy in the atmosphere.
  • a thermal heater 56 consisting of burners 57 which will considerably increase the temperature and therefore the pressure and / or the volume of the compressed air in provenance (in the direction of the arrows F) of the air-air exchanger 41 during its passage through the exchange coil 58.
  • the switching modes, the types of motor-alternator and motor-compressor, the design of the storage tanks and their volume can of course use known or unknown methods without changing the principle of the invention which has just been described.

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Abstract

Groupe électrogène de secours utilisant comme énergie de l'air comprimé et équipé d'un moto-alternateur entraînant, ou étant entraîné par un moto-compresseur à air comprimé qui comprime l'air sous haute pression dans un réservoir de stockage haute pression et qui lors d'une coupure d'alimentation électrique entraîne automatiquement le moto-compresseur en mode alternateur pour fournir de l'électricité. Application aux groupes électrogènes de secours fixe ou mobile.

Description

GROUPE ELECTROGENE DE SECOURS A AIR COMPRIME
L'invention concerne un groupe électrogène de secours fonctionnant avec de l'air comprimé. Les groupes électrogènes actuels comportent pour la plupart un alternateur chargé de produire de l'électricité lors de leur fonctionnement, entraîné par un moteur thermique à essence diesel ou autre gaz. Ces moteurs sont particulièrement bruyants et polluants et consomment, une énergie coûteuse qu'il convient de réapprovisionner fréquemment. L'auteur a déposé de nombreuses demandes de brevets publiées, WO
96/27737, WO 97/48884, WO 98/12062, WO 98/15440, concernant l'utilisation de l'air comprimé comme stockage d'énergie notamment pour l'entraînement de moteurs de véhicules ou autres utilisations
Le groupe électrogène selon l'invention propose de résoudre les problèmes liés à l'alimentation en carburant des groupes électrogènes en utilisant pour son fonctionnement de l'air comprimé, il comprend un moteur à air comprimé réversible pouvant fonctionner soit en moteur soit en compresseur - moto-compresseur à air comprimé- entraîné par, ou entraînant un moteur électrique également réversible et pouvant fonctionner en alternateur -moto-alternateur-. Lors de son fonctionnement, le moto-alternateur, en mode moteur électrique, qui reçoit son énergie d'un réseau électrique par exemple celui de la ville, tourne en entraînant le moto-compresseur à air comprimé alors en mode compresseur qui remplit, et maintient plein, un ou plusieurs réservoirs d'air comprimé à haute pression par exemple 200 bars. Lors d'une coupure d'alimentation électrique, par exemple lors d'une panne de réseau, le moto- compresseur est automatiquement commuté en mode moteur et, alimenté en énergie par l'air comprimé contenu dans le ou les réservoirs de stockage, il entraîne le moto- alternateur tout aussi automatiquement commuté en mode alternateur pour fournir de l'électricité.
Le passage d'un mode de fonctionnement à l'autre est dévolu à un dispositif électromécanique, électronique ou autres.
Préférentiellement, le groupe électrogène de secours selon l'invention comporte un système de récupération d'énergie thermique ambiante tel que décrit par l'auteur dans sa demande'de brevet Nr FR 9700851, où l'air comprimé contenu dans le réservoir de stockage sous très haute pression, par exemple 200 bars, et à température ambiante, par exemple 20 degrés C, préalablement à son utilisation finale dans le moto- compresseur, à une pression inférieure par exemple 30 bars, est détendu à une pression proche de celle nécessaire à son utilisation finale, dans un système à volume variable, par exemple un piston dans un cylindre, produisant un travail qui peut être récupéré et utilisé par tous moyens connus, mécanique, électrique, hydraulique ou autre. Cette détente avec travail a pour conséquence de refroidir à très basse température, par exemple moins 100° C, l'air comprimé détendu à une pression proche de celle d'utilisation. Cet air comprimé détendu à sa pression d'utilisation, et à très basse température est ensuite envoyé dans un échangeur avec l'air ambiant, va se réchauffer jusqu'à une température proche de la température ambiante, et va augmenter ainsi sa pression et/ou son volume, en récupérant de l'énergie thermique empruntée à l'atmosphère.
Encore préférentiellement le procédé de fonctionnement de moteur selon l'invention comporte un système de réchauffage thermique tel que décrit par l'auteur dans sa demande de Brevet FR 9800877, où il propose une solution qui permet d'augmenter la quantité d'énergie utilisable et disponible caractérisée par le fait que l'air comprimé, avant son introduction dans la chambre de combustion et/ou d'expansion du moteur, provenant du réservoir de stockage, soit directement, soit après son passage dans l'échangeur thermique air air et avant son introduction dans la chambre de combustion est canalisé dans un réchauffeur thermique où il va augmenter encore de pression et/ou de volume avant son introduction dans la chambre de combustion et/ou d'expansion, augmentant encore ainsi considérablement les performances.
Dans le cas où le groupe électrogène de secours est utilisé dans des bâtiments recevant du gaz de ville, le réchauffeur thermique peut avantageusement être alimenté par ledit gaz de ville.
Le groupe électrogène de secours selon l'invention peut être installé en poste fixe dans des bâtiments ou autres logements privés. Il peut également équiper un groupe mobile qui sera alimenté en électricité et verra ses réservoirs remplis avant d'être utilisé sur des sites extérieurs.
D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, à titre non limitatif, de plusieurs modes de réalisation, faite en regard des dessins annexés où :
La figure unique représente un schémas synoptique de fonctionnement du groupe électrogène selon l'invention où le moto-alternateur électrique 1 alimenté par le réseau électrique par un cable électrique 2 ou alimentant le réseau électrique par un cable électrique 3 entraînant , ou étant entraîné à travers une transmission 4, (par) le moto-compresseur 5 qui en fonction compresseur remplit un réservoir de stockage haute pression 6 par un conduit 7 et qui en mode moteur à air comprimé reçoit du réservoir de stockage 6 de l'air comprimé préalablement détendu, avec travail, dans un dispositif à volume variable permettant d'abaisser considérablement la température de l'air détendu à une pression sensiblement équivalente à la pression de travail du moto-compresseur la détente avec travail de l'air comprimé haute pression stocké dans le réservoir 6 est réalisé dans un ensemble bielle 53 et piston de travail 54, attelé directement à un vilebrequin 18C relié au vilebrequin moteur 18 par une transmission 21 A. Ce piston 54 coulisse dans un cylindre borgne 55 et détermine une chambre de travail 35 dans laquelle débouche d'une part un conduit d'admission d'air haute pression 37 dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par une électrovanne 38, et d'autre part un conduit d'échappement 39 relié à un échangeur thermique air air ou radiateur 41 lui- même relié par un conduit 42 à une capacité tampon à pression finale d'utilisation quasi constante 43. Lors du fonctionnement lorsque le piston de travail 54 est à son point mort haut, l'électrovanne 38 est ouverte puis refermée afin d'admettre une charge d'air comprimé très haute pression qui va se détendre en repoussant le piston 54 jusqu'à son point mort bas, fournir un travail, et entraîner par l'intermédiaire de la bielle 53 le vilebrequin 18C et à travers la transmission 21 A le vilebrequin du moto-compresseur 18. Lors de la course de remontée du piston 54, l'électrovanne d'échappement 40 est alors ouverte et l'air comprimé sensiblement détendu à pression d'utilisation, et à très basse température contenu dans la chambre de travail est refoulé (selon le sens de la flèche F) dans l'échangeur air air ou radiateur 41. Cet air va ainsi se réchauffer jusqu'à une température proche de l'ambiante et augmenter de volume en rejoignant la capacité tampon 43 en ayant récupéré une quantité d'énergie non négligeable dans l'atmosphère.
Entre l'échangeur air air 41 et la capacité tampon 43, sur le conduit 42 est également implanté un réchauffeur thermique 56, constitué de brûleurs 57 qui vont augmenter considérablement la température et donc la pression et/ou le volume de l'air comprimé en provenance (selon le sens des flèches F) de l'échangeur air air 41 lors de son passage dans le serpentin d'échange 58.
Les modes de commutations, les types de moto-alternateur et de moto- compresseur, la conception des réservoirs de stockage et leur volume peuvent bien entendu utiliser des procédés connus ou non sans pour autant changer le principe de l'invention qui vient d'être décrite.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Groupe électrogène de secours fonctionnant avec des réserves d'air comprimé caractérisé en ce que le moteur à air comprimé est réversible et fonctionne soit en mode moteur à air comprimé soit en mode compresseur d'air comprimé - moto- compresseur à air comprimé (5)- entraîné par, ou entraînant, un moteur électrique également réversible qui peut fonctionner en alternateur -moto-alternateur (1)- dans lequel, lors du fonctionnement, le moto-alternateur en mode moteur électrique qui reçoit son énergie d'un réseau électrique, tourne en entraînant le moto-compresseur à air comprimé, fonctionnant en mode compresseur, qui remplit et maintient plein un ou plusieurs réservoirs d'air comprimé à haute pression, et dans lequel, lors d'une coupure d'alimentation électrique, le moto-compresseur est automatiquement commuté en mode moteur et alimenté en énergie par l'air comprimé contenu dans le ou les réservoirs de stockage (6) et entraîne le moto-alternateur tout aussi automatiquement commuté en mode alternateur pour fournir de l'électricité de secours.
2.- Groupe électrogène de secours selon la revendication 1 caractérisé en ce que, avant son introduction dans le moto-compresseur, l'air comprimé contenu dans le réservoir de stockage haute pression (6) est détendu avec un travail produisant un abaissement de sa température, puis, est envoyé dans un échangeur (41 ) avec de l'air ambiant pour se réchauffer et augmenter ainsi sa pression et/ou son volume en récupérant de l'énergie thermique ambiante.
3.- Groupe électrogène de secours selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, avant son introduction dans le moto-compresseur, l'air comprimé provenant du réservoir de stockage est canalisé, soit directement soit après son passage dans l'échangeur thermique air air, dans un réchauffeur thermique (56) pour augmenter davantage sa pression et/ou son volume.
4.- Groupe électrogène de secours selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'énergie utilisée pour le réchauffeur thermique est du gaz de ville.
5.- Groupe électrogène de secours selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'ensemble du groupe électrogène avec son réservoir de stockage et ses accessoires est monté sur un engin mobile permettant de l'utiliser sur site extérieur.
EP99932977A 1998-07-27 1999-07-27 Groupe electrogene de secours a air comprime Withdrawn EP1121742A1 (fr)

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