EP2223424A1 - Dispositif de recuperation d'energie a electrode liquide - Google Patents

Dispositif de recuperation d'energie a electrode liquide

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Publication number
EP2223424A1
EP2223424A1 EP08867661A EP08867661A EP2223424A1 EP 2223424 A1 EP2223424 A1 EP 2223424A1 EP 08867661 A EP08867661 A EP 08867661A EP 08867661 A EP08867661 A EP 08867661A EP 2223424 A1 EP2223424 A1 EP 2223424A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
liquid
fixed
charge
energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08867661A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ghislain Despesse
Yves Fouillet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2223424A1 publication Critical patent/EP2223424A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines

Definitions

  • the present invention relates to an energy recovery device implementing at least one liquid electrode, more particularly to a device for converting mechanical energy into electrical energy.
  • VLSI Very large Scale Integration
  • a first armature of each capacitor is carried by a finger of a comb and a second armature is carried by a finger of the other comb vis-à-vis the first armature.
  • US 4,126,822 discloses a mechanical energy conversion device used in a watch.
  • This device comprises a drop of mercury able to move in an electrically nonconducting liquid between a face by which it is polarized and a second face formed by two adjacent fixed electrodes, the drop of mercury being isolated from these two electrodes by a dielectric layer .
  • the drop of mercury therefore forms with each of the electrodes a capacitor with variable capacitance. The whole is enclosed in a case and the drop moves under the effect of the force of gravity.
  • the drop of mercury reciprocates along the two electrodes, causing a change in capacitance of the two capacitors with variable capacity in a cyclic manner. There are no charging and discharging steps of the mercury drop.
  • This device does not recover the energy of raindrops or other drops of liquid having a unidirectional movement.
  • a device for converting mechanical energy into electrical energy comprising at least one variable capacitance capacitor comprising a solid armature and a solid dielectric and a second armature, the latter being formed by an electrically conductive liquid.
  • an electrical circuit is produced whose electrical capacitance is a function of the position, the presence or the geometry of a liquid element, the latter being subjected to mechanical forces causing the modification of the capacitance.
  • a capacitor which allows injecting and removing an electric charge at given times to convert mechanical energy into electrical energy.
  • the liquid armature is immobile and is held between the dielectric and a moving part, the displacement of the moving part causing a deformation of the armature and thus a modification of the surface opposite the reinforcements, and therefore a change in capacity.
  • wetting and wetting hysteresis of the dielectric are used in order to have a reproducible and reversible variation of the surface of the liquid in contact with the dielectric.
  • the liquid armature is mobile and is renewed at each cycle of variation of capacity, for example in the case of energy recovery from the drop of raindrops.
  • the conversion device comprises a charge zone of the drop of liquid located upstream of the fixed armature and a discharge zone of the drop of liquid located downstream of the fixed armature.
  • the device comprises an insulated fixed electrode and an electronic system capable of managing the injection and removal of the load, by detecting the maximum capacity for charging the liquid, and the minimum capacity to remove the liquid. charge of the liquid.
  • the device comprises an electrically insulated electrode and two non-insulated electrodes, the arrangement of the uninsulated electrodes being such as to ensure automatic injection and removal of charges by simple electrical contact, without the need for management of the electrodes. injection and withdrawal from the electronic system.
  • the first non-insulated electrode is placed near the insulated electrode and is capable of imposing an electrical potential on a liquid when it is in proximity to the insulated electrode, the second non-insulated electrode is capable of being contact with the liquid when it has moved away from the insulated electrode.
  • An electrical circuit is associated with the system to firstly apply a potential difference between the insulated electrode and the first non-insulated electrode and secondly discharging the capacity formed by the liquid and the insulated electrode when it comes into contact with the second non-insulated electrode.
  • the main subject of the present invention is therefore an energy recovery device comprising at least one capacitor with variable capacitance, said capacitor comprising a single fixed electrode, a dielectric layer and at least one liquid electrode, and means capable of injecting into, and removing an electric charge from the liquid electrode.
  • the device may comprise a movable element disposed opposite the fixed electrode relative to the dielectric layer and able to move away from and approach the fixed electrode, the liquid electrode being interposed between the dielectric layer and the movable element, the liquid electrode being deformed by the displacement of the movable element, this deformation making it possible to amplify the capacity variation of the capacitor.
  • the movable element is advantageously electrically conductive to inject into and remove from the liquid electrode an electric charge, which simplifies the realization of the device.
  • the device may, for example, comprise a fixed comb provided with fingers and forming the fixed electrodes and a mobile comb provided with fingers and forming a plurality of movable elements interposed between the fingers of the fixed comb, the fingers of the fixed comb being covered with the dielectric layer, an electrode liquid being introduced between a finger of the fixed comb and a finger of the moving comb.
  • the means capable of injecting into and removing from the capacitor an electric charge comprise in particular means for determining the moment when the capacity of the capacitor is maximum and the moment when the capacitance is minimum, and means for injecting and removing the charge. electric at these times respectively.
  • the liquid electrode is movable along a direction parallel to the fixed electrode.
  • the means capable of injecting an electric charge into the liquid electrode may be arranged upstream or opposite the fixed electrode, and the means capable of removing an electric charge from the liquid electrode are arranged downstream of the fixed electrode. .
  • the means for injecting into and withdrawing from the liquid electrode an electric charge are connected by a conducting wire.
  • the device comprises a wall of dielectric material, the electrode fixed on a first face of this wall, the liquid electrode being able to move on a second face opposite the first face, and in which the means of injection and electric charge removal comprise a filament stretched along the second face of the wall, means for determining the moment when the capacity of the capacitor is maximum and the moment when the capacity is minimal, and means to inject and remove the electric charge at these times respectively.
  • the electric charge injection and removal means comprise a charge injection electrode forming a part of the second face disposed upstream of the fixed electrode in the direction of movement of the electrode. liquid, and a charge removal electrode forming a portion of the second face disposed downstream of the fixed electrode in the direction of movement of the liquid electrode.
  • the wall is substantially flat and inclined.
  • the wall is cylindrical and forms a channel, the second face being the inner face of the channel, the injection electrode being substantially at the fixed electrode or substantially upstream, so as to allow an injection of the charge when the liquid electrode is opposite the fixed electrode.
  • the channel is for example intended to be connected to a source of drops of liquid under pressure, said drops being intended to form the liquid electrodes.
  • the device comprises at least one injection electrode substantially facing or slightly upstream of the fixed electrode covered with the dielectric layer, defining with the fixed electrode a gap for the passage of the liquid electrode, and a withdrawal electrode disposed downstream of said gap in the direction of movement of the liquid electrode.
  • this device comprises a plurality of injection electrodes and a plurality of intercalated fixed electrodes forming a plurality of air gaps, the withdrawal electrode extending substantially orthogonal to the moving direction of the moving electrode. and the right of plurality of gaps.
  • the position of the shrinkage electrode relative to that of the fixed electrode is advantageously chosen so that the capacity of the capacitor, when the liquid electrode is at the shrinkage electrode, is minimal.
  • the energy recovery device is intended to recover the wave energy of a body of water, the waves forming the liquid electrode, comprising a plurality of electrodes. fixed and dielectrically coated layers arranged side by side defining wave passages, and a plurality of injection electrodes each associated with a fixed electrode disposed on the dielectric layer of the fixed electrode in such a manner that that the top of the waves are moving away and getting closer to the electrode injection while skirting the fixed electrode, the device also comprising an electrical contact with the body of water.
  • the device may comprise electronic polarization systems able to apply an electrical potential between at least one fixed electrode and at least the associated injection electrode.
  • the present invention also relates to an energy recovery system comprising at least two energy recovery devices according to the present invention, said devices being associated to convert a maximum amount of energy.
  • the present invention also relates to a method for converting mechanical energy into electrical energy using the device according to the present invention comprising the steps of:
  • the determination of the moment when the capacity of the capacitor is maximum and the moment when the capacitance is minimal can be obtained by injecting a residual charge into the capacitor and measuring the potential difference between the fixed electrode and the liquid electrode.
  • the present invention also relates to a method for converting mechanical energy into electrical energy using the device according to the present invention, comprising the steps of:
  • These methods advantageously comprise a preliminary step of choosing the polarization voltage such that the speed of the liquid electrode is close to zero at the level of the removal electrode.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic longitudinal sectional views of a first embodiment of the present invention in a state of maximum capacity and in a state of minimum capacity respectively,
  • FIG. 1B ' is a schematic longitudinal sectional view of a variant of the device of FIG. 1B
  • FIG. 1C is a schematic representation of an energy recovery device embodying the first embodiment of the invention of FIGS. 1A and 1B,
  • FIG. 1D is an alternative embodiment of the embodiment of FIGS. 1A and 1B, in which the two electrodes are liquid,
  • FIG. 2 is a schematic side view of an exemplary embodiment of a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graphical representation of an electrical operating cycle of the device of FIG. 2,
  • FIGS. 4A to 4C are graphic representations of the evolution of the capacitance according to the present invention as a function of time, charge as a function of time and voltage as a function of time respectively,
  • FIG. 5 is a schematic side view of a first variant embodiment of a third embodiment of the present invention
  • FIG. 6A is a schematic side view of a second variant embodiment of the third embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is a detailed view of another exemplary embodiment of the device of FIG. 6A.
  • FIG. 7 is a diagrammatic sectional view of an example of a source of drops for the device of FIG. 6A;
  • FIG. 8 is a schematic representation of a third variant embodiment of the third embodiment,
  • Figure 9 is a detail view of Figure 8;
  • Figure 10 schematically shows a drop on a plane and the angles characterizing the hydrophobicity;
  • FIG. 11 is a schematic representation of a device according to the invention capable of recovering wave energy.
  • FIGS. 1A and 1B there can be seen a first embodiment of an energy conversion device according to the present invention comprising a fixed element 2 and a mobile element 4, the two elements 2, 4 having faces 2.1, 4.1 respectively substantially flat facing, the face 4.1 being intended to move towards and away from the face 2.1.
  • the mobile part 4 is able to move along an axis X substantially orthogonal to the faces 2.1, 4.1.
  • the fixed element 2 comprises a base 6 of electrically conductive material to serve as an electrode or armature to a capacitor, and a layer of insulating electrical material and, preferably, of high electrical permittivity 8 deposited on one side of the base 6 so as to form the flat face 2.1.
  • an electrically conductive liquid element 10 is introduced between the fixed element 2 and the mobile element 4, more particularly between the dielectric layer 8 and the flat face 4.1.
  • the base 6, the dielectric layer 8 and the liquid element 10 form a capacitor 14 whose capacitance value can vary, the liquid element 10 forming an electrode or armature of variable shape.
  • the liquid element 10 which is for example a drop of water, is able to be deformed by displacement of the movable element 4. Indeed, when the movable element approaches the fixed element, the drop of water is crushed, its contact surface with the dielectric layer is increased; when the movable element moves away from the fixed element 2, the drop of water is stretched, reducing its contact surface with the dielectric layer 8.
  • the capacitor 14 is a capacitor with variable capacitance varying with the displacement of the moving part, more particularly with the deformation of the drop 10. Indeed, considering the relation (1) below, we see that the capacitance of a capacitor depends on the surface of the electrodes opposite:
  • Eo being the permittivity of the vacuum
  • ⁇ r being the relative permittivity of the dielectric
  • S being the surface of the electrodes facing, and d being the distance between the electrodes.
  • d is constant and is given by the thickness of the dielectric layer 8, and S varies as a function of the shape of the drop 10, more particularly as a function of the shape of the interface between the drop and the dielectric layer 10.
  • This recovery is effected by converting mechanical energy, such as displacement or vibration, into electrical energy by means of one or more capacitors with variable capacitance.
  • the conversion is carried out as follows: when the capacity is maximum, a given charge is injected into the capacitor,
  • a decrease in constant load capacitance therefore causes an increase in voltage V, and thus an increase in energy E.
  • the electrostatic system according to the present invention replaces the solid mobile electrode with a liquid electrode in contact with the dielectric, the risks of the previously mentioned contacts are therefore eliminated.
  • liquid in the present application means a material whose viscosity allows it to flow under pressure or under gravity: typically this material has a viscosity less than or equal to that of water, which is equal to 1 centipoise. However, a material whose viscosity is higher, up to several hundred centipoise, can be used.
  • the volume of the liquid electrodes is for example between 10 .mu.l and 1 ml.
  • the load is fed into the liquid element 10 by the movable element 4, in this case it is made of electrically conductive material.
  • the mobile element 4 is connected to an electronic system (not shown) for managing the injection and the charge recovery.
  • FIG. 1B shows an alternative embodiment of the conversion device of FIG. 1B, in which the injection of the charge into the drop is carried out by means of an electrode 9 disposed on the dielectric layer 8 at a distance of the X axis so that the drop comes into contact with the injection electrode 9 when it reaches a sufficiently deformed state, corresponding to a maximum capacity of the capacitor, ie when the drop has a surface facing the fixed electrode 6 maximum.
  • This variant has the advantage of allowing automatic injection of the charge when the capacity of the capacitor is maximum, without the need to monitor the shape of the drop.
  • the movable element 4 is, for example, displaced by vibrations of the system supporting it or by intermittent forces.
  • the determination of the maximum and minimum capacitance values of the capacitor 10 can be effected, for example by means of a position sensor detecting the extreme positions of the moving element, or by permanently applying a residual charge to the capacitor and measuring the potential difference between the electrodes, when the value of the latter is maximum, the value of the capacitance is minimal and conversely.
  • the material of the dielectric layer 8 offers a hydrophobicity and a low wetting-demolding hysteresis vis-à-vis the liquid element, the friction can then be considerably reduced between the liquid element 10 and the dielectric layer 8, thereby reducing frictional energy losses and improving energy recovery efficiency.
  • a wetting angle ⁇ greater than 90 °, and a difference ⁇ less than 10 °.
  • Stretching the film causes a spreading of the liquid electrodes 10.1, 10.2 and therefore an increase in the area facing S, which also generates an increase in capacitor capacitance according to relation 1.
  • FIG. 2 an exemplary embodiment of a second embodiment of the present invention can be seen, in which the capacity variation is obtained by displacement of a liquid element.
  • This device comprises a fixed electrode 106 fixed on one side of the inclined plane 104 opposite to that with which the drop of liquid 102 comes into contact.
  • the inclined plane is made of electrically insulating material advantageously high permittivity 109, this material thus electrically isolates the fixed electrode 106 of the drop 102, at least at the fixed electrode 106.
  • This plane advantageously has a strongly hydrophobic surface and low wetting hysteresis, which reduces friction losses.
  • the device also comprises an electrical conductor 108 in the form of a filament stretched above the inclined plane and along its slope.
  • the device also comprises an electronic management system 110 for injecting and recovering the charge and transferring the converted energy to a storage area 112.
  • the charge is injected into the droplet when the drop is upstream of the droplet. the fixed electrode 106 and the load is removed from the drop when it is downstream of the fixed electrode.
  • the electronic system 110 is electrically connected to the fixed electrode 106 and to the filament 108 and is able to apply a bias voltage between the fixed electrode 106 and the filament.
  • the injection and the withdrawal of the load are effected by means of the filament 108.
  • the electronic system comprises means capable of injecting and removing the charge when the capacitance of the capacitor 114 is maximum and minimum respectively.
  • the electronic system 110 comprises means for determining, when the capacitance of the capacitor 114 has a maximum value and a minimum value in order to inject and remove the charge respectively at the opportune moment.
  • the electronic system 110 may provide for permanently applying a residual charge to the capacitor 114 and measuring the potential difference between the fixed electrode 106 and the drop 102; the value of the capacitance being minimal, when the value of the potential difference is maximum, and vice versa.
  • the drop of liquid 102 as it moves on the plane 104, is in contact with the filament 108 and forms a movable electrode with respect to the fixed electrode 106.
  • the fixed electrode assembly 106, dielectric 109, filament 108 and drop of liquid 102 thus forms a capacitor with variable capacity 114.
  • Figure 2 are shown several drops of liquid, they are in fact the same drop of liquid at several successive times.
  • the reference 102.1 represents the drop in its chronologically most anterior position and the reference 102.4 indicates the drop in its latest position
  • the references 102.2 and 102.3 designate the drop in positions intermediates at intermediate moments.
  • the drop 102.1 moves along the plane 104 by gravity, this drop moves at an initial speed Vi, this speed tends to increase.
  • the capacitance of the capacitor 114 increases as the drop approaches the fixed electrode 106, as shown in the first area I of FIG. 4A.
  • the capacitance of capacitor 114 increases until it reaches a value designated C max at the end of zone I.
  • C max a value designated at the end of zone I.
  • the maximum capacity is reached at the beginning of zone II when the drop is crushed, however the charge is injected end of zone I so that the drop under the effect of the load is flattened on the plane 104 opposite the fixed electrode 106 as will be explained below.
  • a determined charge Q is injected into the drop 102.2 by the system 110 through the filament 108, as visible on the second zone II of Figure 4B.
  • the charging energy at this time is minimal.
  • a current flows from the fixed electrode to the charge electrode formed by the filament.
  • the load Q causes an attraction between the drop 102.3 and the fixed electrode 106, which deforms and flattens along plane 104, the capacity is then maximal (FIG. 4A) since the facing surface is maximal because of the relation (1). It follows a braking of the drop.
  • the drop 102.4 continues its movement along the plane 104, causing a decrease in the capacity of the capacitor 114 ( Figure 4A, Zone II).
  • the braking energy is then converted into electrical energy by increasing the electric potential (considering the relations (2) and (3)) between the drop 102.3 and the fixed electrode 106, as can be seen in the zone II of FIG.
  • V c being the voltage during the injection of the load
  • V d being the voltage during the withdrawal of the load.
  • the speed V f of the drop at the bottom of the slope is therefore less than the speed it would have had in the absence of the energy recovery device.
  • the zone A corresponds to the injection of the charge Q into the drop
  • the zone B corresponds to the conversion of the mechanical energy into electric energy at constant load
  • the capacity decreases while the potential difference between the drop and the fixed electrode increases
  • the zone C corresponds to the recovery of the charge Q and the energy.
  • FIG. 5 shows a first variant embodiment of a third embodiment of the present invention, which is distinguished from the second embodiment shown in FIG. 2, in that the injection of the charge into a droplet downstream of the fixed electrode and the withdrawal of the charge of said drop upstream of the fixed electrode are automatically performed without control from the electronic system.
  • the device also comprises an inclined plane 104, an isolated fixed electrode 106 disposed below the plane 104.
  • the plane is made of electrically insulating material with high permittivity, this plane thus electrically isolates the fixed electrode 106 from the droplet 102, at least at the level of the fixed electrode 106.
  • This plane advantageously has a strongly hydrophobic surface and low hysteresis , which reduces friction losses.
  • the device comprises a first electrode 115 disposed upstream of the fixed electrode 106 in the direction of movement of the drop 102, this electrode forms part of the plane 104 and is flush with the displacement surface of the drop, so that the drop come into contact with her as she moves to her level.
  • the first electrode 115 which forms a charge electrode, will be called the injection electrode since it is intended to inject the charge into the drop.
  • the device comprises a second electrode 116 disposed downstream of the fixed electrode 106 in the direction of movement of the drop 102.
  • This electrode also forms a part of the plane 104 and is flush with the displacement surface of the drop, so that the drop comes in contact with it as it moves to its level.
  • This second electrode which forms a discharge electrode, will be called the removal electrode, since it is intended to remove the charge from the drop.
  • the assembly formed by the fixed electrode 106, the plane 104 and the moving drop 102 forms a capacitor with variable capacitance 114 '.
  • the injection electrode 115 and the withdrawal electrode 116 make it possible to polarize the droplet and then to extract the charge from the drop respectively by a simple mechanical contact when the drop passes.
  • the electronic system 108 includes means for setting a bias voltage U po i between the fixed electrode 106 and the injection electrode 115, and a resistor 118 which closes the charge injection circuit. Any other storage or charge-consuming device may be suitable.
  • the drop 102.1 moves along the plane 104 by gravity, this drop moves at an initial speed Vi.
  • the capacitance of the capacitor 114 increases as the drop approaches the fixed electrode 106.
  • a determined charge Q is injected into the droplet by the electronic system 110, during the injection of the charge, a current flows from the fixed electrode towards the injection electrode.
  • the capacity is substantially maximum.
  • the load Q causes an attraction between the drop 102.2 and the fixed electrode 106, which deforms and flattens along the plane 104, the capacity is then maximum (since the facing surface is maximal because of the relationship (I )). It follows a braking of the drop.
  • the drop continues to move along plane 104, causing a decrease in capacity.
  • the braking energy is converted into electrical energy via an increase in electric potential (considering the relations (2) and (3)) between the drop and the fixed electrode 106.
  • the drop 102.3 continues its course and when it reaches the removal electrode 116, the capacity formed by the droplet and the fixed electrode 106 is minimal.
  • the charge Q is removed from the drop when the drop contacts the removal electrode 116, a current flows from the withdrawal electrode 116 to the fixed electrode.
  • the energy associated with this load is then transferred either directly to a device requiring this energy, or to a storage area, for example a battery or a capacity.
  • the position of the removal electrode is determined so that it corresponds to the place where the drop forms with the fixed electrode 106 a capacitor of minimum capacity.
  • the injection electrodes 115 and withdrawal 116 perform the function of detector of the position of the drop, and also that of switch by injecting and removing the load.
  • the electronic system can be advantageously simplified, since it only uses the electron current collected on the withdrawal electrode 116 and restored to the injection electrode 115. The electronic system therefore does not require of particular means to measure the capacity of the capacitor 114 'and to inject and remove the charge.
  • the device is supplied with drops of liquid by a reservoir 200.
  • This reservoir 200 is intended to supply the discharge pipe with a gas / liquid mixture under pressure, this reservoir can be formed for example by a waterfall or by a two-phase flow in a pipe, of which only one of the phases is electrically conductive.
  • the device comprises a discharge channel 201.
  • an insulated fixed electrode 206 is disposed outside the channel 201
  • an injection electrode 215 is disposed substantially facing the fixed electrode 206 and forming part of the wall of the channel 201 and a withdrawal electrode 216 is disposed downstream of the fixed electrode 206 in the direction of movement of the drops 202 symbolized by the arrow 207.
  • a drop moves in the channel 201, it comes into electrical contact with the injection electrode 215, then with the withdrawal electrode 216.
  • the injection electrode 215 and the withdrawal electrode 216 are both arranged on the same side of the channel axis. 201, but it could be provided that the withdrawal electrode 216 is on the same side as the fixed electrode 206, or that it is formed by a complete ring.
  • FIG. 6B shows an enlarged view of another exemplary embodiment of the device of FIG. 6A, in which the injection electrode is disposed just upstream of the fixed electrode, and the withdrawal electrode is formed by an inner ring to the channel downstream of the fixed electrode.
  • the shape and the position of the electrode are such that there is a break in the electrical contact between the injection electrode and the liquid electrode at the moment when the capacitance formed by the liquid electrode and the isolated electrode is maximum.
  • the injection electrode may be slightly upstream of the isolated electrode and / or of reduced size compared to that of the isolated electrode.
  • the electrical contact is broken when the facing surfaces of the insulated and liquid electrodes are maximum, i.e. when the capacitance between the liquid electrode and the insulated electrode is maximum.
  • Drops 202 move in the channel 201.
  • the section of the channel is chosen so that it can be considered that the gas separating two drops 202 can not escape due to the wetting of the drops, the gas thus effectively exerting a push on the drops.
  • the device also comprises an electronic system 208 capable of applying a potential electrical U po i between the fixed electrode 206 and the injection electrode 215, and adapted to inject an electric charge into the drop 202. This same device is able to remove the load via the resistor 218, or any other device storage or consumption of the charge, between the injection electrode 215 and the withdrawal electrode 216.
  • the assembly formed by the fixed electrode 206, the wall of the channel 201 and the drop 202 thus forms a capacitor with variable capacitance 214.
  • the wall of the channel 201 is made of electrical insulating material, and preferably high permittivity, thus electrically isolating the fixed electrode 206 of the drop 202, at least at the fixed electrode 206.
  • the wall of the channel 201 advantageously has a hydrophobic inner surface and low wetting hysteresis, which reduces friction losses.
  • a drop of water 202.1 arrives at the inlet of the channel 201. Under the effect of the thrust exerted by the pressure, the drop moves in the direction of the arrow 207, comes into contact with the injection electrode 215 and receives a charge Q by circulating a current of the fixed electrode 206 to the injection electrode 215, the capacity of the capacitor 214 is then maximum.
  • the drop 202.2 continues moving away from the fixed electrode 206.
  • the capacity of the capacitor 214 decreases while the potential difference between the fixed electrode 206 and the drop 202 increases at constant charge Q (relation (2)), as well as the associated electrical potential energy (relation (3)).
  • the drop 202.3 then comes into contact with the withdrawal electrode 216, to which it gives up the charge Q by circulating a current of the withdrawal electrode 216 towards the fixed electrode 206, whose electric potential and therefore the associated energy increased during displacement.
  • This energy is stored, for example in a battery, or directly sent to an application using this energy directly.
  • FIG. 7 shows an example of a source of drops of liquid under pressure adapted to the device of FIG. 6, in which it is desired to recover the energy resulting from the combustion of a gas.
  • the combustion takes place in a closed enclosure 220 having a ceiling 221 inclined towards the channel 201, advantageously cooled, for example as represented by fins 222.
  • the flue gases condense on the ceiling 221 and flow along the ceiling to the entrance of the channel 201, the drops of condensation then enter the channel and move in it similar to that described with reference to FIG.
  • the pressure comes from the generation of gases in the closed enclosure 220.
  • the ceiling forms a plane 104 of a device as described in FIG. 2 or 5, which would make it possible to increase the amount of energy recovered, recover the potential energy, then the energy of the pressure.
  • the electronic system would have means for measuring the capacity and means for managing the injection and the removal of the load.
  • This device comprises at least one fixed electrode 306 covered by a dielectric material layer 309 and an injection electrode 315 facing the dielectric layer 309 delimiting a vertical air gap 310.
  • the electrode 315 can have any shape, see point; indeed, it has only a function of electrical contact.
  • the electrode 306 advantageously has a surface, since it is this surface that makes it possible to increase the capacitance.
  • the device also comprises a withdrawal electrode 316 disposed downstream of the fixed electrode 306 in the vertical direction, and interposed in the path of the drops. In the example shown, the electrode is orthogonal to the falling direction of the drops.
  • An electronic system 308 capable of applying a bias voltage U po i between the fixed electrode 306 and the injection electrode 315 is provided.
  • the electronic system is also intended to recover the charge Q and the electrical energy generated by conversion of the mechanical energy.
  • the recovery device can, for example be used to recover the drop energy of water drops 302 rain.
  • the recovery device comprises a plurality of fixed electrodes 306 facing injection electrodes 315 defining a plurality of gaps thus forming an electrostatic gate, to increase the number of drops of water whose energy is converted.
  • Each fixed electrode 306 and each injection electrode 315 participate in two elementary devices.
  • the removal electrode 316 advantageously extends under the entire width of the electrostatic gate.
  • the fixed electrode assembly 306, dielectric layer 309 and drop 302 form a variable capacity capacitor 314.
  • the position of the removal electrode 316 is determined so that it corresponds to the minimum capacitance of the capacitor 314.
  • a drop of water 302 falls in the vertical direction towards the electrostatic gate, with an initial speed V 1 .
  • V 1 the initial speed
  • the drop passes through the gate, it comes into contact with the injection electrode 315 and receives a charge Q because of the potential difference U po i applied between the fixed electrode 306 and the injection electrode 315.
  • the end of the injection of the charge Q substantially corresponds to the maximum value of the capacitance of the capacitor 314.
  • the drop continues to fall at a certain speed towards the withdrawal electrode 316 and leaves the air gap 310 while maintaining its charge Q.
  • the capacity of the capacitor 314 decreases as the drop 302 moves away. of the fixed electrode 306, while the electric potential of the load increases (relation (2)), as well as the electric potential energy (relation (3)).
  • the removal electrode 316 When the drop 302 comes into contact with the removal electrode 316, the latter removes the charge Q and the accumulated electrical energy.
  • the charge Q is then recovered in a capacitor 308, or any other means of storage or consumption of the charge. Part of the energy associated with this electrical charge can however be used to charge, for example, a new drop 302. The excess energy is stored or sent directly to an application for use.
  • the device according to the present invention can operate when several drops simultaneously pass through the electrostatic gate, and when they strike the withdrawal electrode 316.
  • a single removal electrode 316 is needed to recover the electrical energy produced by a plurality of water drops. But we could plan to have several electrodes.
  • the removal electrode may comprise drop discharge or storage means thereof. It is possible to associate in series with the device of FIG. 8, a device of FIG. 2 or 5 in order to continue the energy recovery of the drops, the plane 104 forming for example an extension of the withdrawal electrode 316. It may be noted that since the fixed electrode 306 is electrically insulated, the average current intended to maintain the potential difference U po i is practically zero, the only current consumption being due to the leakage current. Therefore, with a constant bias voltage, there is no power consumption to maintain the bias between the fixed electrode 306 and the injection electrode 315, except for the leakage current.
  • the dielectric layer is hydrophobic, which allows it to remain dry.
  • the drop of water has a volume of 3 mm 3 , a mass M of 10 ⁇ 6 kg and an initial velocity V 1 of 2 m / s.
  • the potential energy is low compared to the kinetic energy.
  • C max is calculated with the relation (2).
  • Teflon® is used as the dielectric layer 309; ⁇ r Teflon is 2.1.
  • the energy recovered at the retraction electrode 316 is equal to the sum of the charge energy E C harge and the energy that it is desired to recover E reCup- ure- Thus l ⁇ J + 0.3 ⁇
  • the final voltage is therefore 30 kV.
  • a bias voltage of 50 V a final voltage of 5.5 kV would be obtained; it is therefore possible, by choosing a suitable geometry or by placing in different pressure or atmosphere conditions, to lower the final voltage.
  • each of the devices described applies to the energy recovery of a plurality of drops of liquid, for example in the device of FIG. 5, it is possible to provide a parallel displacement of a plurality of drops, the fixed electrode, the injection electrode and the withdrawal electrode extending over the entire width of the plane. inclined. In the device of FIG. 6, it is possible to provide several channels fed by the same source.
  • a device 300 can be seen applied to the recovery of wave energy, for example from a sea, an ocean or a river.
  • the device is flush with the water level designated M.
  • a wave 307 is schematically represented with a hollow and a ridge.
  • the device 300 comprises a plurality of fixed electrodes 306 arranged, in the example, substantially vertically, defining channels between them.
  • the fixed electrodes 306 are covered with a layer 309 of dielectric materials.
  • An injection electrode 315 of charge is provided at each fixed electrode 306.
  • An electronic system 308 capable of applying an electric potential U po i between a fixed electrode 306 and the associated injection electrode 315 is also provided.
  • Electronic systems 308 are provided for each pair of fixed electrodes and injection electrode, or group of pairs of fixed electrodes and injection electrode.
  • Electrode torques 306-315 are intended to be actuated when covered with water, i.e. when submerged by a wave. Consequently, depending on the size of the waves, it is possible to choose either to control each pair individually or to order groups whose size corresponds to the size of the waves.
  • the device 300 also comprises an electrical contact point 311 with the water M.
  • Switching means 313 may be provided on the connection between the electronic system 308 and the contact point 311, making it possible to discharge the system when the capacity of the system is minimal, ie the sea is at low level.
  • the switching means comprise a device for detecting the presence of water, for example of the float type.
  • the wave forms a liquid electrode, which moves along the fixed electrodes, which modifies the facing surfaces and therefore the capacitance of the capacitors thus formed.
  • the device It is possible to recover the energy when the capacity is minimal using the switching means 313, or when the capacity is not minimal, in this case the amount of energy recovered is not maximum but the device offers a more flexible operation. Provision can be made not to use an electronic system 308 and to detect when the capacity is minimal and when the capacity is maximum, the device then approaches in its operation the device of FIG. 1B.
  • the device is for example equipped with buoys and can be placed in the open sea and feed isolated systems.
  • a device for converting mechanical energy into electrical energy has thus been realized, in which the risks of contact between the electrodes are reduced or even eliminated, while offering a high recovery efficiency.

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Abstract

Dispositif de récupération d'énergie comportant au moins un condensateur (214) à capacité variable, ledit condensateur (214) comprenant une électrode fixe (206), une couche diélectrique et une électrode liquide (202), et des moyens (208) aptes à injecter dans, et à retirer du condensateur une charge électrique, ces moyens comportant une électrode d'injection de charge (215) formant une partie de la deuxième face disposée en amont de l'électrode fixe (206) dans le sens de déplacement de l'électrode liquide (202), et une électrode de retrait de charge (216) formant une partie de la deuxième face disposée en aval de l'électrode fixe (206) dans le sens de déplacement de l'électrode liquide (202).

Description

DISPOSITIF DE RECUPERATION D'ENERGIE A ELECTRODE
LIQUIDE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention se rapporte à un dispositif de récupération d'énergie mettant en œuvre au moins une électrode liquide, plus particulièrement à un dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique.
Il est connu de convertir en énergie électrique une énergie vibratoire, par exemple du document « Vibration-to-Electric Energy Conversion », Scott Méninger, José Oscar Mur-Miranda, Rajeevan Amirtharajah, Anantha P. Chandrakasan , and Jeffrey H. Lang, dans IEEE Transactions on very large Scale Intégration (VLSI) Systems, vol. 9, n°l, février 2001. Celui-ci décrit un dispositif de conversion d'énergie formé d'une pluralité de condensateurs à capacité variable. Le dispositif comporte deux peignes interdigités, dont l'un est fixe et l'autre est mobile sous l'effet des vibrations. Une première armature de chaque condensateur est portée par un doigt d'un peigne et une deuxième armature est portée par un doigt de l'autre peigne en vis-à-vis de la première armature. Ainsi, lorsque le peigne mobile se déplace, l'entrefer entre les armatures de chaque condensateur varie. On prévoit en outre d'injecter une charge dans chaque condensateur lorsque leur capacité est maximale, i.e. lorsque la distance d'entrefer est minimale, et de récupérer cette charge lorsque la capacité est minimale, i.e. lorsque la distance d'entrefer est maximale. La valeur de la capacité diminuant à charge constante, la tension augmente entre les armatures, il y a donc augmentation de l'énergie électrique, qui est récupérée lorsque les condensateurs sont déchargés. On a donc bien une conversion de l'énergie de vibration en énergie électrique. L'énergie récupérée en un cycle de variation de la capacité correspond donc à la différence entre l'énergie sous laquelle est retirée la charge et l'énergie sous laquelle elle est injectée.
Ces dispositifs sont relativement efficaces, cependant ils présentent un inconvénient majeur : le risque de contact entre les armatures. Ce contact peut d'une part créer un court-circuit, et d'autre part générer un amortissement mécanique, réduisant l'efficacité de conversion du dispositif. En outre, ce contact peut provoquer une dégradation du dispositif .
Afin d'éviter ce contact, il est nécessaire d'avoir des armatures rigides, dans le cas particulier des peignes, des doigts très rigides et un guidage presque parfait, ce qui implique un dispositif encombrant .
En outre, il est nécessaire de ménager un entrefer minimal de sécurité important entre les armatures ; or un tel entrefer réduit les valeurs maximales de capacité pouvant être atteintes et, par conséquent la quantité d'énergie pouvant être récupérée à chaque cycle de variation de capacité. Par ailleurs, il est intéressant de pouvoir récupérer l'énergie des liquides en mouvement, par exemple l'énergie des gouttes de pluie. Or les dispositifs décrits ci-dessus ne permettent pas une telle récupération de manière simple, en effet il faudrait prévoir que les gouttes mettraient en mouvement le peigne mobile, ce qui poserait nécessairement des problèmes d' étanchéité, mais également offrirait un rendement de conversion réduit.
Le document US 4 126 822 décrit un dispositif de conversion d'énergie mécanique utilisé dans une montre. Ce dispositif comporte une goutte de mercure apte à se déplacer dans un liquide non conducteur électrique entre une face par laquelle elle est polarisée et une deuxième face formée par deux électrodes fixes adjacentes, la goutte de mercure étant isolée de ces deux électrodes par une couche diélectrique. La goutte de mercure forme donc avec chacune des électrodes un condensateur à capacité variable. L'ensemble est enfermé dans un boîtier et la goutte se déplace sous l'effet de la force de gravité. La goutte de mercure effectue un mouvement de va-et-vient le long des deux électrodes, provoquant une variation de capacité des deux condensateurs à capacité variable de manière cyclique. Il n'y a pas d'étapes de charge et de décharges de la goutte de mercure. Ce dispositif ne permet pas de récupérer l'énergie des gouttes de pluie ou de toutes autres gouttes de liquide ayant un mouvement unidirectionnel.
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif de conversion d'énergie à efficacité de récupération d'énergie améliorée, en supprimant la mise en contact entre les armatures des condensateurs à capacité variable.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique comportant au moins un condensateur à capacité variable comportant une armature solide et un diélectrique solide et une deuxième armature, celle- ci étant formée par un liquide conducteur électrique. Ainsi le risque de contact électrique entre les armatures est supprimé.
En d'autres termes, on réalise un circuit électrique dont la capacité électrique est fonction de la position, de la présence ou de la géométrie d'un élément liquide, celui-ci étant soumis à des efforts mécaniques provoquant la modification de la capacité d'un condensateur, ce qui permet en injectant et en retirant une charge électrique à des instants donnés de convertir une énergie mécanique en énergie électrique. Dans un mode de réalisation, l'armature liquide est immobile et est maintenue entre le diélectrique et une pièce mobile, le déplacement de la pièce mobile provoquant une déformation de l'armature et donc une modification de la surface en regard des armatures, et donc une modification de capacité. On utilise, dans ce mode de réalisation, la mouillabilité et l'hystérésis de mouillage du diélectrique afin d'avoir une variation reproductible et réversible de surface du liquide en contact sur le diélectrique. Dans d'autres modes de réalisation, l'armature liquide est mobile et est renouvelée à chaque cycle de variation de capacité, par exemple dans le cas de récupération d'énergie de la chute de gouttes de pluie. Dans ces autres modes de réalisation, le dispositif de conversion comporte une zone de charge de la goutte de liquide située en amont de l'armature fixe et une zone de décharge de la goutte de liquide située en aval de l'armature fixe.
Notamment, dans un deuxième mode de réalisation, le dispositif comporte une électrode fixe isolée et un système électronique apte à gérer l'injection et le retrait de la charge, en détectant la capacité maximale pour charger le liquide, et la capacité minimale pour retirer la charge du liquide.
Dans un troisième mode de réalisation, le dispositif comporte une électrode isolée électriquement et deux électrodes non isolées, la disposition des électrodes non isolées étant telle qu'elle assure une injection et un retrait de charge automatiques par simple contact électrique, sans requérir une gestion de l'injection et du retrait de la part du système électronique .
La première électrode non isolée est placée à proximité de l'électrode isolée et est capable d' imposer un potentiel électrique à un liquide lorsque celui-ci est à proximité de l'électrode isolée, la deuxième électrode non isolée est capable d'être en contact avec le liquide lorsque celui-ci s'est éloigné de l'électrode isolée. Un circuit électrique est associé au système pour, d'une part appliquer une différence de potentiel entre l'électrode isolée et la première électrode non isolée et, d'autre part décharger la capacité formée par le liquide et l'électrode isolée lorsque celui-ci vient en contact avec la deuxième électrode non isolée.
La présente invention a alors principalement pour objet un dispositif de récupération d'énergie comportant au moins un condensateur à capacité variable, ledit condensateur comprenant une électrode fixe unique, une couche diélectrique et au moins une électrode liquide, et des moyens aptes à injecter dans, et à retirer de l'électrode liquide une charge électrique.
Dans un premier mode de réalisation, le dispositif peut comporter un élément mobile disposé à l'opposé de l'électrode fixe par rapport à la couche diélectrique et apte à s'éloigner et à se rapprocher de l'électrode fixe, l'électrode liquide étant interposée entre la couche diélectrique et l'élément mobile, l'électrode liquide étant déformée par le déplacement de l'élément mobile, cette déformation permettant d'amplifier la variation de capacité du condensateur.
L'élément mobile est avantageusement conducteur électrique pour injecter dans et retirer de l'électrode liquide une charge électrique, ce qui simplifie la réalisation du dispositif. Le dispositif peut, par exemple, comporter un peigne fixe muni de doigts et formant les électrodes fixes et un peigne mobile muni de doigts et formant une pluralité d'éléments mobiles interposés entre les doigts du peigne fixe, les doigts du peigne fixe étant recouverts de la couche diélectrique, une électrode liquide étant introduite entre un doigt du peigne fixe et un doigt du peigne mobile.
Les moyens aptes à injecter dans, et à retirer du condensateur une charge électrique comportent notamment des moyens pour déterminer l'instant où la capacité du condensateur est maximale et l'instant où la capacité est minimale, et des moyens pour injecter et retirer la charge électrique à ces instants respectivement. Dans d'autres modes de réalisation, l'électrode liquide est mobile le long d'une direction parallèle à l'électrode fixe.
Les moyens aptes à injecter une charge électrique dans l'électrode liquide peuvent être disposés en amont ou en regard de l'électrode fixe, et les moyens aptes à retirer une charge électrique de l'électrode liquide sont disposés en aval de l'électrode fixe.
Dans un deuxième mode de réalisation, les moyens pour injecter dans et retirer de l'électrode liquide une charge électrique sont reliées par un fil conducteur. Par exemple, le dispositif comporte une paroi en matériau diélectrique, l'électrode fixe sur une première face de cette paroi, l'électrode liquide étant apte à se déplacer sur une deuxième face opposée à la première face, et dans lequel les moyens d'injection et de retrait de charge électrique comportent un filament tendu le long de la deuxième face de la paroi, des moyens pour déterminer l'instant où la capacité du condensateur est maximale et l'instant où la capacité est minimale, et des moyens pour injecter et retirer la charge électrique à ces instants respectivement.
Dans un troisième mode de réalisation, les moyens d'injection et de retrait de charge électrique comportent une électrode d'injection de charge formant une partie de la deuxième face disposée en amont de l'électrode fixe dans le sens de déplacement de l'électrode liquide, et une électrode de retrait de charge formant une partie de la deuxième face disposée en aval de l'électrode fixe dans le sens de déplacement de l'électrode liquide.
Dans le cas où l'électrode liquide se déplace sous l'action de la force de gravité, on peut prévoir que la paroi soit sensiblement plane et inclinée.
Dans le cas où l'électrode mobile se déplace sous l'action d'une force de pression, on peut prévoir que la paroi soit cylindrique et forme un canal, la deuxième face étant la face intérieure du canal, l'électrode d'injection étant sensiblement au niveau de l'électrode fixe ou sensiblement en amont, de manière à permettre une injection de la charge lorsque l'électrode liquide est en regard de l'électrode fixe.
Le canal est par exemple destiné à être relié à une source de gouttes de liquide sous pression, lesdites gouttes étant destinées à former les électrodes liquides.
Dans un autre exemple de réalisation, le dispositif comporte au moins une électrode d'injection sensiblement en regard ou légèrement en amont de l'électrode fixe recouverte de la couche diélectrique, définissant avec l'électrode fixe un entrefer pour le passage de l'électrode liquide, et une électrode de retrait disposée en aval dudit entrefer dans le sens de déplacement de l'électrode liquide. De manière avantageuse, ce dispositif comporte une pluralité d'électrodes d'injection et une pluralité d'électrodes fixes intercalées formant une pluralité d'entrefers, l'électrode de retrait s' étendant sensiblement orthogonalement à la direction de déplacement de l'électrode mobile et au droit de la pluralité d' entrefers .
La position de l'électrode de retrait par rapport à celle de l'électrode fixe est avantageusement choisie de telle sorte que la capacité du condensateur, lorsque l'électrode liquide se trouve au niveau de l'électrode de retrait, soit minimale.
La couche diélectrique présente avantageusement des propriétés hydrophobes par rapport au liquide de l'électrode. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de récupération d'énergie selon la l'invention est destiné à récupérer l'énergie des vagues d'une étendue d'eau, les vagues formant l'électrode liquide, comportant une pluralité d'électrodes fixes recouvertes d'une couche diélectrique et disposées les unes à côté des autres définissant des passages pour les vagues, et une pluralité d'électrodes d'injection associée chacune à une électrode fixe disposée sur la couche diélectrique de l'électrode fixe de telle sorte que le sommet des vagues s'éloignent et se rapprochent de l'électrode d'injection tout en longeant l'électrode fixe, le dispositif comportant également une prise de contact électrique avec l'étendue d'eau. Le dispositif peut comporter des systèmes électroniques de polarisation aptes à appliquer un potentiel électrique entre au moins une électrode fixe et au moins l'électrode d'injection associée.
La présente invention a également pour objet un système de récupération d'énergie comportant au moins deux dispositifs de récupération d'énergie selon la présente invention, lesdits dispositifs étant associés de manière à convertir une quantité d'énergie maximale .
La présente invention a également pour objet un procédé de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique mettant en œuvre le dispositif selon la présente invention comportant les étapes :
- d'application d'une action mécanique sur l'électrode liquide de manière à faire varier la capacité entre l'électrode liquide et l'électrode fixe,
- de mesure de la capacité du condensateur et de détection des instants où la capacité est maximale et minimale,
- d'injection d'une charge lorsque la valeur de la capacité est maximale,
- de retrait de la charge lorsque la valeur de la capacité est minimale, et de récupération de l'énergie électrique générée.
La détermination de l'instant où la capacité du condensateur est maximale et l'instant où la capacité est minimale peut être obtenue par injection d'une charge résiduelle dans le condensateur et de mesure de la différence de potentielle entre l'électrode fixe et l'électrode liquide.
La présente invention a également pour objet un procédé de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique mettant en œuvre le dispositif selon la présente invention, comportant les étapes :
- d'application d'une action mécanique sur l'électrode liquide de manière à faire varier la capacité entre l'électrode liquide et l'électrode fixe,
- d'application d'une tension de polarisation donnée entre l'électrode fixe et l'électrode d'injection,
- d'injection de la charge par contact entre l'électrode liquide et l'électrode d'injection,
- de retrait de la charge, et de récupération de l'énergie électrique générée, par contact avec l'électrode de retrait.
On prévoit alors que la charge soit injectée lorsque la goutte se trouve en amont ou sensiblement en regard de l'électrode fixe et que la charge soit retirée lorsque la goutte se trouve en aval de l'électrode fixe.
Ces procédés comportent avantageusement une étape préalable de choix de la tension de polarisation de telle sorte que la vitesse de l'électrode liquide est proche de zéro au niveau de l'électrode de retrait.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels : - les figures IA et IB sont des vues en coupe longitudinales schématique d'un premier mode de réalisation de la présente invention dans un état de capacité maximale et dans un état de capacité minimale respectivement,
- la figure IB' est une vue en coupe longitudinale schématique d'une variante du dispositif de la figure IB,
- la figure IC est une représentation schématique d'un dispositif de récupération d'énergie mettant en œuvre le premier mode de réalisation de l'invention des figures IA et IB,
- la figure ID est une variante de réalisation du mode de réalisation de des figures IA et IB, dans laquelle les deux électrodes sont liquides,
- la figure 2 est une vue schématique de côté d'un exemple de réalisation d'un deuxième mode de réalisation de la présente invention,
- la figure 3 est une représentation graphique d'un cycle électrique de fonctionnement du dispositif de la figure 2,
- les figures 4A à 4C sont des représentations graphiques de l'évolution de la capacité selon la présente invention en fonction du temps, de la charge en fonction du temps et de la tension en fonction du temps respectivement,
- la figure 5 est une vue schématique de côté d'une première variante de réalisation d'un troisième mode réalisation de la présente invention, - la figure 6A est une vue schématique de côté d'une deuxième variante de réalisation du troisième mode de réalisation de la présente invention,
- le figure 6B est une vue de détail d'un autre exemple de réalisation du dispositif de la figure 6A,
- la figure 7 est une vue schématique en coupe d'un exemple de source de gouttes pour le dispositif de la figure 6A, - la figure 8 est une représentation schématique d'une troisième variante de réalisation du troisième mode de réalisation,
- la figure 9 est une vue de détail de la figure 8, - la figure 10 représente schématiquement une goutte sur un plan et les angles caractérisant 1' hydrophobie ;
- la figure 11 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention apte à récupérer l'énergie des vagues.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures IA et IB, on peut voir un premier mode de réalisation d'un dispositif de conversion d'énergie selon la présente invention comportant un élément fixe 2 et un élément mobile 4, les deux éléments 2, 4 comportant des faces 2.1, 4.1 respectivement sensiblement planes en regard, la face 4.1 étant destinée à se rapprocher et à s'éloigner de la face 2.1. A cet effet, la partie mobile 4 est apte à se déplacer selon un axe X sensiblement orthogonal aux faces 2.1, 4.1. L'élément fixe 2 comporte une base 6 en matériau conducteur électrique afin de servir d'électrode ou d'armature à un condensateur, et une couche en matériau électrique isolant et, de préférence, de forte permittivité électrique 8 déposée sur une face de la base 6 de manière à former la face plane 2.1.
Selon la présente invention, un élément liquide 10 conducteur électrique est introduit entre l'élément fixe 2 et l'élément mobile 4, plus particulièrement entre la couche diélectrique 8 et la face plane 4.1.
La base 6, la couche diélectrique 8 et l'élément liquide 10 forment un condensateur 14 dont la valeur de la capacité peut varier, l'élément liquide 10 formant une électrode ou armature de forme variable .
L'élément liquide 10, qui est par exemple une goutte d'eau, est apte à être déformé par déplacement de l'élément mobile 4. En effet, lorsque l'élément mobile se rapproche de l'élément fixe, la goutte d'eau est écrasée, sa surface de contact avec la couche diélectrique est donc augmentée ; lorsque l'élément mobile s'éloigne de l'élément fixe 2, la goutte d'eau est étirée, réduisant sa surface de contact avec la couche diélectrique 8.
Par conséquent, le condensateur 14 est un condensateur à capacité variable variant avec le déplacement de la partie mobile, plus particulièrement avec la déformation de la goutte 10. En effet, en considérant la relation (1) ci-dessous, on constate que la capacité d'un condensateur dépend de la surface des électrodes en regard :
C = (1) d
Eo étant la permittivité du vide, εr étant la permittivité relative du diélectrique,
S étant la surface des électrodes en regard, et d étant la distance entre les électrodes. d est constant et est donné par l'épaisseur de la couche diélectrique 8, et S varie en fonction de la forme de la goutte 10, plus particulièrement en fonction de la forme de l'interface entre la goutte et la couche diélectrique 10.
Sur la figure IA, la surface en regard Smax est maximale, la capacité est donc maximale.
Sur la figure IB, la surface en regard Smin est minimale, la capacité est donc minimale.
Nous allons rappeler ci-dessous le principe de la récupération d'énergie par un système électrostatique .
Cette récupération s'effectue par conversion d'une énergie mécanique, telle que celle de déplacement ou de vibration, en énergie électrique au moyen d'un ou de plusieurs condensateurs à capacité variable .
La variation de capacité est obtenue de manière habituelle par déplacement relatif des électrodes solides des condensateurs, or comme nous l'avons indiqué précédemment des risques de contact entre électrodes sont importants.
La conversion s'effectue comme suit : - lorsque la capacité est maximale, on injecte une charge donnée dans le condensateur,
- lorsque la capacité est minimale du fait de l' éloignement des électrodes, on récupère cette charge dont l'énergie est augmentée par cette diminution de capacité à charge constante.
En effet, dans un condensateur la relation entre la charge (Q) , la capacité (C) et la tension (V) entre les électrodes est la suivante :
Q = C x V (2) , et l'énergie est donnée par la relation suivante :
Une diminution de capacité à charge constante provoque par conséquent une augmentation de la tension V, et donc une augmentation de l'énergie E.
Le système électrostatique selon la présente invention remplace l'électrode mobile solide par une électrode liquide en contact avec le diélectrique, les risques des contacts énoncés précédemment sont donc éliminés.
Nous entendons par « liquide », dans la présente demande, un matériau dont la viscosité permet son écoulement sous pression ou sous gravité : typiquement ce matériau comporte une viscosité inférieure ou égale à celle de l'eau, qui est égale à 1 centipoise. Cependant un matériau dont la viscosité est plus importante, jusqu'à plusieurs centaines de centipoises, peut être utilisé. Le volume des électrodes liquide est par exemple compris entre 10 μl et 1 ml .
On prévoit avantageusement que la charge soit amenée dans l'élément liquide 10 par l'élément mobile 4, dans ce cas celui-ci est réalisé en matériau conducteur électrique. L'élément mobile 4 est relié à un système électronique (non représenté) de gestion de l'injection et de récupération de charge.
Sur la figure IB' , on peut voir une variante de réalisation du dispositif de conversion de la figure IB, dans laquelle l'injection de la charge dans la goutte est réalisée au moyen d'une électrode 9 disposée sur la couche diélectrique 8 à distance de l'axe X de sorte que la goutte vienne en contact avec l'électrode d'injection 9 lorsqu'elle atteint un état suffisamment déformée, correspondant à une capacité maximale du condensateur, i.e. lorsque la goutte présente une surface en regard de l'électrode fixe 6 maximale. Cette variante présente l'avantage de permettre une injection automatique de la charge lorsque la capacité du condensateur est maximale, sans nécessité de surveiller la forme de la goutte.
On peut également prévoir un conducteur électrique indépendant traversant la goutte, ou simplement en contact avec la goutte de liquide et relié au système électronique. L'élément mobile 4 est, par exemple, déplacé par des vibrations du système le supportant ou par des efforts intermittents.
La détermination des valeurs maximale et minimale de la capacité du condensateur 10 peut s'effectuer, par exemple au moyen d'un capteur de position détectant les positions extrêmes de l'élément mobile, ou en appliquant en permanence une charge résiduelle au condensateur et en mesurant la différence de potentiel entre les électrodes, lorsque la valeur de celle-ci est maximale, la valeur de la capacité est minimale et inversement.
De manière avantageuse, le matériau de la couche diélectrique 8 offre une hydrophobie et une faible hystérésis de mouillage-démouillage vis-à-vis de l'élément liquide, les frottements peuvent alors être considérablement réduits entre l'élément liquide 10 et la couche diélectrique 8, réduisant ainsi les pertes d'énergie par frottement et améliorant le rendement de récupération d'énergie.
On peut caractériser l' hydrophobie par :
- l'angle de mouillage θ,
- l'hystérésis de mouillage qui correspond à l'écart Δθ entre l'angle d'avancée θAv et l'angle de retrait ΘAR de la goutte quand celle-ci se déplace.
Ces angles sont représentés sur la figure 10, sur laquelle on peut voir une goutte G sur une surface P.
De manière avantageuse, pour la mise en œuvre de la présente invention, on cherche à avoir un angle de mouillage θ supérieur à 90°, et un écart Δθ inférieur à 10°. Par exemple, on choisit un matériau avec θ = 110° et Δθ = 5°, comme le téflon ou l'oxycarbure de silicium (SiOC).
Dans l'exemple représenté sur les figures IA et IB, un seul condensateur est représenté. Il est bien entendu que la présente invention peut s'appliquer à des dispositifs de récupération d'énergie de type peignes tels que représentés sur la figure IC, un élément liquide étant introduit entre chaque paire de doigts. On peut alors réaliser des dispositifs dont la distance entre les doigts est plus grande, améliorant le rendement de récupération : le diélectrique permet d'éviter les contacts et l'électrode liquide permet d'épouser la forme des doigts et par là d'augmenter la capacité.
Il est également envisageable d'avoir deux électrodes liquides comme cela est représenté sur la figure ID, les deux électrodes liquides 10.1, 10.12 étant séparées par un diélectrique 8'. Deus modes de fonctionnement sont envisageables pour faire varier l'entrefer : soit en rapprochant les deux électrodes liquides 10.1, 10.2 par application d'un effort mécanique, soit en étirant le diélectrique 8', qui est réalisé dans ce cas sous la forme d'un film souple, cet étirement provoquant l'amincissement du film et donc une diminution de l'entrefer, i.e. d dans la relation
(1), ce qui provoque une augmentation de la capacité du condensateur conformément à la relation (1) . En outre,
1' étirement du film provoque un étalement des électrodes liquides 10.1, 10.2 et donc une augmentation de la surface en regard S, ce qui engendre également une augmentation de la capacité du condensateur du conformément à la relation 1.
Sur la figure 2, on peut voir un exemple de réalisation d'un deuxième mode de réalisation de la présente invention, dans lequel la variation de capacité est obtenue par déplacement d'un élément liquide .
Dans l'exemple représenté, on souhaite récupérer l'énergie cinétique et l'énergie potentielle d'une goutte de liquide 102 s' écoulant le long d'un plan incliné 104.
Ce dispositif comporte une électrode fixe 106, fixée sur une face du plan incliné 104 opposée à celle avec laquelle vient en contact la goutte de liquide 102.
Le plan incliné est réalisé en matériau isolant électrique avantageusement à forte permittivité 109, ce matériau isole donc électriquement l'électrode fixe 106 de la goutte 102, au moins au niveau de l'électrode fixe 106. Ce plan a avantageusement une surface fortement hydrophobe et à faible hystérésis de mouillage, ce qui permet de réduire les pertes par frottement .
Le dispositif comporte également un conducteur électrique 108 sous forme de filament tendu au-dessus du plan incliné et suivant sa pente.
Le dispositif comporte également un système électronique de gestion 110 destiné à injecter et récupérer la charge et à transférer l'énergie convertie vers une zone de stockage 112. La charge est injectée dans la goutte lorsque celle-ci se trouve en amont de l'électrode fixe 106 et la charge est retirée de la goutte lorsqu'elle se trouve en aval de l'électrode fixe .
A cet effet, le système électronique 110 est relié électriquement à l'électrode fixe 106 et au filament 108 et est apte à appliquer une tension de polarisation entre l'électrode fixe 106 et le filament. En outre, l'injection et le retrait de la charge s'effectuent au moyen du filament 108. Pour cela, le système électronique comporte des moyens aptes à injecter et à retirer la charge lorsque la capacité du condensateur 114 est maximale et minimale respectivement .
Le système électronique 110 comporte des moyens pour déterminer, lorsque la capacité du condensateur 114 a une valeur maximale et une valeur minimale afin d'injecter et de retirer la charge respectivement au moment opportun.
Par exemple, le système électronique 110 peut prévoir d'appliquer en permanence une charge résiduelle au condensateur 114 et de mesurer la différence de potentiel entre l'électrode fixe 106 et la goutte 102 ; la valeur de la capacité étant minimale, lorsque la valeur de la différence de potentiel est maximale, et inversement.
La goutte de liquide 102, lorsque qu'elle se déplace sur le plan 104, est en contact avec le filament 108 et forme une électrode mobile par rapport à l'électrode fixe 106. L'ensemble électrode fixe 106, diélectrique 109, filament 108 et goutte de liquide 102 forme donc un condensateur à capacité variable 114. Sur la figure 2, sont représentées plusieurs gouttes de liquide, celles-ci représentent en fait la même goutte de liquide à plusieurs instants successifs. Afin de repérer la position de la goutte dans le temps, la référence 102.1 représente la goutte dans sa position chronologiquement la plus antérieure et la référence 102.4 désigne la goutte dans sa position la plus tardive, les références 102.2 et 102.3 désignent la goutte dans des positions intermédiaires à des instants intermédiaires.
Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement de ce dispositif en utilisant les graphiques représentés sur les figures 3 et 4A à 4C.
La goutte 102.1 se déplace le long du plan 104 par gravité, cette goutte se déplace à une vitesse initiale Vi, cette vitesse a tendance à augmenter.
La capacité du condensateur 114 augmente au fur et à mesure que la goutte se rapproche de l'électrode fixe 106, comme cela est représenté sur la première zone I de la figure 4A. La capacité du condensateur 114 augmente jusqu'à atteindre une valeur désignée Cmax en fin de zone I. Comme on peut le voir, la capacité maximale est atteinte en début de la zone II lorsque la goutte est écrasée, cependant la charge est injectée en fin de zone I afin que la goutte sous l'effet de la charge s'aplatisse sur le plan 104 en regard de l'électrode fixe 106 comme cela sera expliqué ci-dessous.
Lorsque la goutte 102.2 arrive en regard de l'électrode fixe 106, une charge Q déterminée est injectée dans la goutte 102.2 par le système électronique 110 via le filament 108, comme cela est visible sur la deuxième zone II de la figure 4B. L'énergie de charge à ce moment-là est minimale. Lors de la charge de la goutte 102, un courant circule de l'électrode fixe vers l'électrode de charge formé par le filament.
La charge Q provoque une attraction entre la goutte 102.3 et l'électrode fixe 106, qui se déforme et s'aplatit le long de plan 104, la capacité est alors maximale (figure 4A) puisque la surface en regard est maximale du fait de la relation (1) . Il s'ensuit un freinage de la goutte. La goutte 102.4 poursuit cependant son déplacement le long du plan 104, provoquant une diminution de la capacité du condensateur 114 (figure 4A, zone II) . L'énergie de freinage est alors convertie en énergie électrique via une augmentation de potentiel électrique (en considérant les relations (2) et (3)) entre la goutte 102.3 et l'électrode fixe 106, comme cela est visible au niveau de la zone II de la figure 4C, sur laquelle est représentée la variation de la tension en fonction du temps, Vc étant la tension lors de l'injection de la charge, et Vd étant la tension lors du retrait de la charge. Nous rappelons que l'énergie récupérée est directement proportionnelle à la différence Vd - Vc.
Lorsque cette énergie atteint son maximum, ce qui survient lorsque la capacité est minimale (Cmin) (visible en fin de zone II des figures 4A et 4C) , l'énergie Vd stockée dans la capacité formée par la goutte et l'électrode fixe 106 est récupérée et collectée, soit directement vers un dispositif requérant cette énergie, soit vers la zone de stockage 112 comme cela est représenté, par exemple une batterie ou une capacité. Lors de la décharge de la goutte, un courant circule de l'électrode de décharge formée par le filament vers l'électrode fixe.
La vitesse Vf de la goutte en bas de la pente est donc inférieure à la vitesse qu'elle aurait eue en l'absence du dispositif de récupération d'énergie.
Sur la figure 3, la zone A correspond à l'injection de la charge Q dans la goutte, la zone B correspond à la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique à charge constante, la capacité diminue tandis que la différence de potentiel entre la goutte et l'électrode fixe augmente, et la zone C correspond à la récupération de la charge Q et de 1' énergie .
Sur la figure 5, on peut voir une première variante de réalisation d'un troisième mode de réalisation de la présente invention, se distinguant du deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 2, en ce que l'injection de la charge dans une goutte en aval de l'électrode fixe et le retrait de la charge de ladite goutte en amont de l'électrode fixe s'effectuent automatiquement sans commande de la part du système électronique.
Le dispositif comporte également un plan 104 incliné, une électrode fixe 106 isolée disposée en dessous du plan 104. Le plan est réalisé en matériau isolant électrique à forte permittivité, ce plan isole donc électriquement l'électrode fixe 106 de la goutte 102, au moins au niveau de l'électrode fixe 106. Ce plan a avantageusement une surface fortement hydrophobe et de faible hystérésis, ce qui permet de réduire les pertes par frottement.
Le dispositif comporte une première électrode 115 disposée en amont de l'électrode fixe 106 dans le sens de déplacement de la goutte 102, cette électrode forme une partie du plan 104 et affleure la surface de déplacement de la goutte, de telle sorte que la goutte entre en contact avec celle-ci alors qu'elle se déplace à son niveau. La première électrode 115, qui forme une électrode de charge, sera appelée électrode d'injection puisqu'elle est destinée à injecter la charge dans la goutte.
Le dispositif comporte une deuxième électrode 116 disposée en aval de l'électrode fixe 106 dans le sens de déplacement de la goutte 102. Cette électrode forme également une partie du plan 104 et affleure la surface de déplacement de la goutte, de telle sorte que la goutte entre en contact avec celle-ci lorsqu'elle se déplace à son niveau. Cette deuxième électrode, qui forme une électrode de décharge, sera appelée électrode de retrait, puisqu'elle est destinée à retirer la charge de la goutte .
L'ensemble formé par l'électrode fixe 106, le plan 104 et la goutte mobile 102 forme un condensateur à capacité variable 114'. L'électrode d'injection 115 et l'électrode de retrait 116 permettent de polariser la goutte, puis d'extraire respectivement la charge de la goutte par un simple contact mécanique au passage de la goutte. Le système électronique 108 comporte des moyens pour fixer une tension de polarisation Upoi entre l'électrode fixe 106 et l'électrode d'injection 115, et une résistance 118 qui ferme le circuit d'injection de charge. Tout autre dispositif de stockage ou de consommation de charge peut convenir.
Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement de ce dispositif.
La goutte 102.1 se déplace le long du plan 104 par gravité, cette goutte se déplace à une vitesse initiale Vi.
La capacité du condensateur 114' augmente au fur et à mesure que la goutte se rapproche de l'électrode fixe 106.
Lorsque la goutte entre en contact avec l'électrode d'injection 115, une charge Q déterminée est injectée dans la goutte par le système électronique 110, lors de l'injection de la charge, un courant circule de l'électrode fixe vers l'électrode d'injection. La capacité est sensiblement maximale. La charge Q provoque une attraction entre la goutte 102.2 et l'électrode fixe 106, qui se déforme et s'aplatit le long du plan 104, la capacité est alors maximale (puisque la surface en regard est maximale du fait de la relation (I)). Il s'ensuit un freinage de la goutte. La goutte poursuit cependant son déplacement le long du plan 104, provoquant une diminution de la capacité. L'énergie de freinage est convertie en énergie électrique via une augmentation de potentiel électrique (en considérant les relations (2) et (3)) entre la goutte et l'électrode fixe 106. La goutte 102.3 poursuit sa course et lorsqu'elle atteint l'électrode de retrait 116, la capacité formée par la goutte et l'électrode fixe 106 est minimale. La charge Q est retirée de la goutte lorsque la goutte entre en contact avec l'électrode de retrait 116, un courant circule de l'électrode de retrait 116 vers l'électrode fixe. L'énergie associée à cette charge est alors transférée soit directement vers un dispositif requérant cette énergie, soit vers une zone de stockage, par exemple une batterie ou une capacité.
La position de l'électrode de retrait est déterminée de telle sorte qu'elle corresponde à l'endroit où la goutte forme avec l'électrode fixe 106 un condensateur de capacité minimale. Grâce à ce mode de réalisation, les électrodes d'injection 115 et de retrait 116 remplissent la fonction de détecteur de la position de la goutte, et également celle d'interrupteur en injectant et retirant la charge. Dans ce mode de réalisation, le système électronique peut être avantageusement simplifié, puisqu'il exploite seulement le courant d'électrons collecté sur l'électrode de retrait 116 et restitué à l'électrode d'injection 115. Le système électronique ne requiert donc pas de moyen particulier pour mesurer la capacité du condensateur 114' et pour injecter et retirer la charge.
Sur la figure 6A, on peut voir une deuxième variante de réalisation du troisième mode de réalisation selon la présente invention, dans lequel les gouttes de liquide sont déplacées sous l'action d'une pression et non plus sous l'effet de la gravité.
Le dispositif est alimenté en gouttes de liquide par un réservoir 200. Ce réservoir 200 est destiné à alimenter le tuyau d'évacuation en un mélange gaz/liquide sous pression, ce réservoir peut être formé par exemple par une chute d'eau ou par un écoulement diphasique dans un tuyau, dont une seule des phases est conductrice électrique.
Le dispositif comporte un canal 201 d'évacuation. De manière similaire au dispositif de la figure 5, une électrode fixe isolée 206 est disposée à l'extérieur du canal 201, une électrode d'injection 215 est disposée sensiblement en regard de l'électrode fixe 206 et formant une partie de la paroi du canal 201 et une électrode de retrait 216 est disposée en aval de l'électrode fixe 206 dans le sens de déplacement des gouttes 202 symbolisé par la flèche 207. Lorsqu'une goutte se déplace dans le canal 201, elle entre en contact électrique avec l'électrode d'injection 215, puis avec l'électrode de retrait 216.
Dans l'exemple représenté, l'électrode d'injection 215 et l'électrode de retrait 216 sont disposées toutes deux du même côté de l'axe du canal 201, mais on pourrait prévoir que l'électrode de retrait 216 se trouve du même côté que l'électrode fixe 206, ou qu'elle soit formée par un anneau complet.
Sur la figure 6B, on peut voir une vue agrandie d'un autre exemple de réalisation du dispositif de la figure 6A, dans lequel l'électrode d'injection est disposée juste en amont de l'électrode fixe, et l'électrode retrait est formée par une bague intérieure au canal en aval de l'électrode fixe. De manière avantageuse, la forme et la position de l'électrode sont telles qu'il y a une rupture du contact électrique entre l'électrode d'injection et l'électrode liquide au moment où la capacité formée par l'électrode liquide et l'électrode isolée est maximale.
L'électrode d'injection peut être légèrement en amont de l'électrode isolée et/ou de taille réduite par rapport à celle de l'électrode isolée . Le contact électrique est rompu, lorsque les surfaces en regard des électrodes isolée et liquide sont maximales, i.e. lorsque la capacité entre l'électrode liquide et l'électrode isolée est maximale.
Des gouttes 202 se déplacent dans le canal 201. La section du canal est choisie de telle sorte que l'on puisse considérer que le gaz séparant deux gouttes 202 ne peut s'échapper du fait du mouillage des gouttes, le gaz exerçant donc effectivement une poussée sur les gouttes. Le dispositif comporte également un système électronique 208 apte à appliquer un potentiel électrique Upoi entre l'électrode fixe 206 et l'électrode d'injection 215, et apte à injecter une charge électrique dans la goutte 202. Ce même dispositif est apte à retirer la charge via la résistance 218, ou tout autre dispositif de stockage ou de consommation de la charge, entre l'électrode d'injection 215 et l'électrode de retrait 216.
L'ensemble formé par l'électrode fixe 206, la paroi du canal 201 et la goutte 202 forme donc un condensateur à capacité variable 214.
La paroi du canal 201 est réalisée en matériau isolant électrique, et préférentiellement à forte permittivité, isolant donc électriquement l'électrode fixe 206 de la goutte 202, au moins au niveau de l'électrode fixe 206. La paroi du canal 201 a avantageusement une surface intérieure hydrophobe et à faible hystérésis de mouillage, ce qui permet de réduire les pertes par frottement.
Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement de ce dispositif.
Une goutte d'eau 202.1 arrive à l'entrée du canal 201. Sous l'effet de la poussée exercée par la pression, la goutte se déplace dans la direction de la flèche 207, entre en contact avec l'électrode d'injection 215 et reçoit une charge Q par circulation d'un courant de l'électrode fixe 206 vers l'électrode d'injection 215, la capacité du condensateur 214 est alors maximale. La goutte 202.2 continue son déplacement en s'éloignant de l'électrode fixe 206. La capacité du condensateur 214 diminue tandis que la différence de potentiel entre l'électrode fixe 206 et la goutte 202 augmente à charge constante Q (relation (2)), ainsi que l'énergie potentielle électrique associée (relation (3) ) .
La goutte 202.3 entre ensuite en contact avec l'électrode de retrait 216, à qui elle cède la charge Q par circulation d'un courant de l'électrode de retrait 216 vers l'électrode fixe 206, dont le potentiel électrique et donc l'énergie associée a augmenté au cours du déplacement. Cette énergie est stockée, par exemple dans une batterie, ou directement envoyée vers une application utilisant directement cette énergie.
Il est possible, en optimisant la tension de polarisation Upoi, de récupérer presque en totalité l'énergie associée à la pression initiale du mélange, i.e. les gouttes ont alors une vitesse presque nulle au niveau de l'électrode de retrait 216.
Sur la figure 7, on peut voir un exemple de source de gouttes de liquide sous pression adaptée au dispositif de la figure 6, dans lequel on souhaite récupérer l'énergie issue de la combustion d'un gaz.
La combustion a lieu dans une enceinte fermée 220 comportant un plafond 221 incliné en direction du canal 201, avantageusement refroidi, par exemple comme cela est représenté par des ailettes 222.
Lors de la combustion, les gaz de combustion se condensent sur le plafond 221 et s'écoulent le long du plafond jusqu'à l'entrée du canal 201, les gouttes de condensation pénètrent ensuite dans le canal et se déplacent dans celui-ci de manière similaire à celle décrite en relation avec la figure 6. La pression provient de la génération des gaz dans l'enceinte fermée 220.
On pourrait prévoir que le plafond forme un plan 104 d'un dispositif tel que décrit sur la figure 2 ou 5, ce qui permettrait d'augmenter la quantité d'énergie récupérée, on récupérerait l'énergie potentielle, puis l'énergie de la pression.
Il est également possible de prévoir de disposer plusieurs dispositifs de récupération selon l'invention en série, afin de récupérer toute l'énergie si un seul dispositif n'était pas suffisant.
Il est bien entendu que l'on pourrait prévoir de remplacer l'électrode 215 par un filament comme dans le deuxième mode de réalisation, dans ce cas le système électronique disposerait de moyens de mesure de la capacité et de moyens pour gérer l'injection et le retrait de la charge.
Sur les figures 8 et 9, on peut voir une troisième variante de réalisation d'un dispositif de récupération d'énergie selon le troisième mode de réalisation de la présente invention.
Ce dispositif comporte au moins une électrode fixe 306 recouverte par une couche de matériau diélectrique 309 et une électrode d'injection 315 en regard de la couche diélectrique 309 délimitant un entrefer 310 vertical. L'électrode 315 peut avoir une forme quelconque, voir ponctuelle ; en effet, celle-ci n'a qu'une fonction de contact électrique. Par contre, l'électrode 306 présente avantageusement une surface, puisque c'est cette surface qui permet d'augmenter la capacité. Le dispositif comporte également une électrode de retrait 316 disposée en aval de l'électrode fixe 306 dans le sens vertical, et interposée sur le trajet des gouttes. Dans l'exemple représenté, l'électrode est orthogonale à la direction de chute des gouttes.
Un système électronique 308 apte à appliquer une tension de polarisation Upoi entre l'électrode fixe 306 et l'électrode d'injection 315 est prévu. Le système électronique est également destiné à récupérer la charge Q et l'énergie électrique générée par conversion de l'énergie mécanique.
Ce dispositif peut, par exemple être utilisé pour récupérer l'énergie de chute de gouttes d'eau 302 de pluie. De manière avantageuse et comme cela est représenté sur la figure 8, le dispositif de récupération comporte une pluralité d'électrodes fixes 306 en regard d'électrodes d'injection 315 définissant une pluralité d'entrefers formant ainsi une grille électrostatique, pour augmenter le nombre de gouttes d'eau dont l'énergie est convertie. Chaque électrode fixe 306 et chaque électrode d'injection 315 participent à deux dispositifs élémentaires.
L'électrode de retrait 316 s'étend avantageusement sous toute la largeur de la grille électrostatique .
L'ensemble électrode fixe 306, couche diélectrique 309 et goutte 302 forme un condensateur à capacité variable 314. La position de l'électrode de retrait 316 est déterminée de telle sorte qu'elle corresponde à la capacité minimale du condensateur 314.
Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement d'un tel dispositif.
Une goutte d'eau 302 tombe selon la direction verticale en direction de la grille électrostatique, avec une vitesse initiale V1. Lorsque la goutte traverse la grille, elle rentre en contact avec l'électrode d'injection 315 et reçoit une charge Q du fait de la différence de potentiel Upoi appliquée entre l'électrode fixe 306 et l'électrode d'injection 315. La fin de l'injection de la charge Q correspond sensiblement à la valeur maximale de la capacité du condensateur 314.
La goutte poursuit sa chute à une certaine vitesse en direction de l'électrode de retrait 316 et sort de l'entrefer 310 tout en conservant sa charge Q. La capacité du condensateur 314 diminue au fur et à mesure que la goutte 302 s'éloigne de l'électrode fixe 306, alors que le potentiel électrique de la charge augmente (relation (2)), ainsi que l'énergie potentielle électrique (relation (3) ) .
Lorsque la goutte 302 entre en contact avec l'électrode de retrait 316, celle-ci retire la charge Q et l'énergie électrique accumulée.
La charge Q est alors récupérée dans un condensateur 308, ou tout autre moyen de stockage ou de consommation de la charge. Une partie de l'énergie associée à cette charge électrique peut toutefois être utilisée pour charger, par exemple, une nouvelle goutte 302. L'excédant d'énergie est, quant à lui, stocké ou envoyé directement vers une application pour être utilisé .
Le dispositif selon la présente invention peut fonctionner lorsque plusieurs gouttes traversent simultanément la grille électrostatique, et lorsqu'elles frappent l'électrode de retrait 316.
Une seule électrode de retrait 316 est nécessaire pour récupérer l'énergie électrique produite par une pluralité de gouttes d'eau. Mais on pourrait prévoir de disposer plusieurs électrodes.
L'électrode de retrait peut comporter des orifices d'évacuation des gouttes ou un moyen de stockage de celles-ci. On peut prévoir d'associer en série au dispositif de la figure 8, un dispositif de la figure 2 ou 5 afin de poursuivre la récupération d'énergie des gouttes, le plan 104 formant par exemple un prolongement de l'électrode de retrait 316. On peut noter que, l'électrode fixe 306 étant électriquement isolée, le courant moyen destiné à maintenir la différence de potentiel Upoi est pratiquement nul, la seule consommation de courant étant due au courant de fuite. Par conséquent, avec une tension de polarisation constante, il n'y a aucune consommation électrique pour maintenir la polarisation entre l'électrode fixe 306 et l'électrode d'injection 315, hormis le courant de fuite.
Le choix de la valeur de Upoi permet de déterminer la quantité d'énergie récupérée. En effet, Up0I impose la valeur de la charge injectée (Q = Upoi/Cmax) et donc l'énergie récupérée (E = 1/2Q2(1/Cmin - 1/Cmax) .
De manière avantageuse, la couche diélectrique est hydrophobe, ce qui permet à celle-ci de rester sèche.
Nous allons maintenant donner à titre d'exemple des valeurs de dimensions d'un tel dispositif .
Nous considérons une électrode fixe 306 de longueur 1 = 8.10"4 m et de largeur L = 10~3 m, une couche de diélectrique d'épaisseur e = 3.10~6 m. La distance entre une extrémité inférieure de l'électrode fixe 306 et l'électrode de retrait 316 est désignée par d. Nous allons déterminer la distance d pour récupérer une quantité d'énergie donnée.
La goutte d'eau a une volume de 3 mm3, soit une masse M de 10~6 kg et une vitesse initiale V1 de 2 m/s.
Son énergie cinétique est alors égale à :
Ec =-MV,2 = -10~6.22 =2μJ . c 2 ' 2
II est à noter que l'énergie potentielle est faible par rapport à l'énergie cinétique.
Afin d'éviter que la goutte reste bloquée dans l'entrefer 310, et sachant qu'une partie de l'énergie cinétique est dissipée par frottement avec la grille électrostatique, nous prévoyons de ne récupérer que la moitié de l'énergie disponible, soit 1 μj.
La capacité maximale du condensateur 314 est atteinte lorsque la goutte recouvre au mieux l'électrode fixe 306 conformément à la relation (1), on calcule Cmax avec la relation (2). Pour l'application numérique, on utilise du Téflon® comme couche diélectrique 309 ; εr du téflon est égale à 2,1.
Par ailleurs, sachant que l'épaisseur de la couche diélectrique en Téflon® est de 3.10"6 m et que sa rigidité diélectrique est de 17 V/μm, nous pouvons théoriquement appliquer une tension de polarisation Upoi de 50V, mais afin d'éviter tout risque de claquage diélectrique dans l'air, nous choisissons un champ électrique de 3V/μm, soit une tension de polarisation Up0I de 9V.
L'énergie maximale stockée dans la charge est alors de :
^Ch mg e = ~ ^τaaJJ pol = ϋ,3«J . L'énergie potentielle électrique augmente de manière inversement proportionnelle à la capacité du condensateur 314.
L'énergie récupérée au niveau de l'électrode de retrait 316 est égale à la somme de l'énergie de charge ECharge et l'énergie que l'on souhaite récupérer EreCuperee- Ainsi lμJ + 0,3^
^ récupérée "•" -^Charge Λ ^ CΛ arg e ' v,όnJ
j / - _ / α/Pt r
En utilisant la relation (3) , sachant que Q
est constant, on obtient d = x3.10"6=4,8 mm.
Cet éloignement s'accompagne d'une augmentation de tension d'un même rapport que celui de la variation de capacité, la tension finale est donc de 30 kV. En choisissant une tension de polarisation de 50 V, on obtiendrait une tension finale de 5,5 kV ; il est donc possible, en choisissant une géométrie adéquate ou en se plaçant dans des conditions de pression ou d'atmosphère différentes, d'abaisser la tension finale.
Afin d'obtenir la variation de capacité ci- dessus, il suffit de placer l'électrode de retrait 316 par rapport à l'extrémité inférieure de l'électrode fixe 306 à une distance sensiblement égale à celle d calculée à laquelle est ajouté le diamètre de la goutte .
Les exemples de réalisation ont été décrits en ne considérant qu'une goutte de liquide à des fins de simplicité, cependant il est bien entendu que chacun des dispositifs décrits s'applique à la récupération d'énergie d'une pluralité de gouttes de liquide, par exemple dans le dispositif de la figure 5, on peut prévoir un déplacement en parallèle d'une pluralité de gouttes, l'électrode fixe, l'électrode d'injection et l'électrode de retrait s' étendant sur toute la largeur du plan incliné. Dans le dispositif de la figure 6, on peut prévoir plusieurs canaux alimentés par la même source.
Sur la figure 11, on peut voir un dispositif 300 selon la présente invention appliqué à la récupération de l'énergie des vagues par exemple d'une mer, d'un océan ou d'un fleuve. Dans l'exemple représenté, le dispositif affleure le niveau de l'eau désigné M. Une vague 307 est représentée schématiquement avec un creux et une crête. Le dispositif 300 comporte une pluralité d'électrodes fixes 306 disposées, dans l'exemple, sensiblement à la verticale, définissant des canaux entre elles. Les électrodes fixes 306 sont recouvertes d'une couche 309 de matériaux diélectrique.
Une électrode d'injection 315 de charge est prévue au niveau de chaque électrode fixe 306. Un système électronique 308 apte à appliquer un potentiel électrique Upoi entre une électrode fixe 306 et l'électrode d'injection 315 associée est également prévu .
Des systèmes électroniques 308 sont prévus pour chaque couple d'électrodes fixe et d'électrode d'injection, ou par groupe de couples d'électrodes fixe et d'électrode d'injection.
Les couples d'électrode 306-315 sont destinés à être actionnés lorsqu' ils sont recouverts d'eau, i.e. lorsqu'ils sont submergés par un vague. Par conséquent en fonction de la taille des vagues, on peut choisir, soit de commander individuellement chaque couple, soit de commander des groupes dont la dimension correspondant à la taille des vagues.
Dans l'exemple représenté, sur la base de la vague schématisée on peut prévoir de faire deux groupes de six couples.
Le dispositif 300 comporte également une prise de contact électrique 311 avec l'eau M.
Des moyens de commutation 313 peuvent être prévus sur la connexion entre le système électronique 308 et la prise de contact 311, permettant de décharger le système lorsque la capacité du système est minimale, i.e. la mer est au niveau bas. Pour cela les moyens de commutation comportent un dispositif de détection de la présence d'eau, par exemple de type flotteur. La vague forme une électrode liquide, qui se déplace le long des électrodes fixes, ce qui modifie les surfaces en regard et donc la capacité des condensateurs ainsi formés.
Le fonctionnement est similaire au fonctionnement décrit précédemment :
Lorsque l'eau vient en contact avec une ou des électrodes d'injection 315, une charge est injectée dans l'eau, une différence de potentiel Upoi s'établit entre l'eau et la ou les électrodes fixes 306. Lorsque l'eau se retire, la tension aux bornes du système 308 augmente du fait de la diminution de la capacité du condensateur formé entre la ou les électrodes fixes et 1' eau .
On peut prévoir de récupérer l'énergie lorsque la capacité est minimale à l'aide des moyens de commutation 313, ou lorsque la capacité n'est pas minimale, dans ce cas la quantité d'énergie récupérée n'est pas maximale mais le dispositif offre un fonctionnement plus flexible. On peut prévoir de ne pas utiliser de système électronique 308 et de détecter lorsque la capacité est minimale et lorsque la capacité est maximale, le dispositif se rapproche alors dans son fonctionnement du dispositif de la figure IB. Le dispositif est par exemple équipé de bouées et peut être disposé en pleine mer et alimenter des systèmes isolés.
Grâce à la présente invention, on a donc réalisé un dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique, dans lequel les risques de contact entre les électrodes sont réduits, voire supprimés, tout en offrant un rendement de récupération élevé .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de récupération d'énergie comportant au moins un condensateur (14, 114, 114', 214, 314) à capacité variable, ledit condensateur (14, 114, 114', 214, 314) comprenant une électrode fixe unique (6, 106, 206, 306), une couche diélectrique et au moins une électrode liquide (10, 102, 202, 302), et des moyens (108, 208, 308) aptes à injecter dans, et à retirer de l'électrode liquide une charge électrique.
2. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 1, comportant un élément mobile (4) disposé à l'opposé de l'électrode fixe (6) par rapport à la couche diélectrique (8) et apte à s'éloigner et à se rapprocher de l'électrode fixe (6), l'électrode liquide (10) étant interposée entre la couche diélectrique (8) et l'élément mobile (4), l'électrode liquide (10) étant déformée par le déplacement de l'élément mobile (4) .
3. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 2, dans lequel l'élément mobile (4) est conducteur électrique pour injecter dans et retirer de l'électrode liquide (10) une charge électrique .
4. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 2 ou 3, comportant un peigne fixe muni de doigts et formant les électrodes fixes (6) et un peigne mobile muni de doigts et formant une pluralité d'éléments mobiles (4) interposés entre les doigts du peigne fixe, les doigts du peigne fixe étant recouverts de la couche diélectrique, une électrode liquide (10) étant introduite entre un doigt du peigne fixe et un doigt du peigne mobile.
5. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens aptes à injecter dans, et à retirer du condensateur une charge électrique comportent des moyens pour déterminer l'instant où la capacité du condensateur est maximale et l'instant où la capacité est minimale, et des moyens pour injecter et retirer la charge électrique à ces instants respectivement.
6. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 1, dans lequel l'électrode liquide (102, 202, 302) est mobile le long d'une direction parallèle à l'électrode fixe (106, 206, 306).
7. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 6, dans lequel les moyens aptes à injecter une charge électrique dans l'électrode liquide sont disposés en amont ou en regard de l'électrode fixe, et les moyens aptes à retirer une charge électrique de l'électrode liquide sont disposés en aval de l'électrode fixe.
8. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 7, dans lequel les moyens pour injecter dans et retirer de l'électrode liquide une charge électrique sont reliées par un fil conducteur.
9. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication précédente, comportant une paroi
(109) en matériau diélectrique, l'électrode fixe (106) sur une première face de cette paroi (109), l'électrode liquide (102) étant apte à se déplacer sur une deuxième face opposée à la première face, et dans lequel les moyens d'injection (106) et de retrait de charge électrique comportent un filament (108) tendu le long de la deuxième face de la paroi (109), des moyens pour déterminer l'instant où la capacité du condensateur est maximale et l'instant où la capacité est minimale, et des moyens pour injecter et retirer la charge électrique à ces instants respectivement.
10. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les moyens d'injection et de retrait de charge électrique comportent une électrode d'injection de charge (115, 215, 315) formant une partie de la deuxième face disposée en amont de l'électrode fixe (106, 206, 306) dans le sens de déplacement de l'électrode liquide (102, 202, 302), et une électrode de retrait de charge (116, 216, 316) formant une partie de la deuxième face disposée en aval de l'électrode fixe (106, 206, 306) dans le sens de déplacement de l'électrode liquide (102, 202, 302) .
11. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications 6 à 10, dans lequel l'électrode liquide (102, 302) se déplace sous l'action de la force de gravité.
12. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication précédente, dans lequel la paroi (109) est sensiblement plane et inclinée.
13. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications 6 à 10, dans lequel l'électrode mobile (202) se déplace sous l'action d'une force de pression.
14. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication précédente, dans lequel la paroi est cylindrique et forme un canal (201), la deuxième face étant la face intérieure du canal (201), l'électrode d'injection de charge (215) étant disposée sensiblement au niveau de l'électrode fixe (206) ou légèrement en amont, de manière à permettre une injection de la charge lorsque l'électrode liquide (202) est en regard de l'électrode fixe (206).
15. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication précédente, dans lequel le canal (201) est destiné à être relié à une source de gouttes de liquide sous pression, lesdites gouttes étant destinées à former les électrodes liquides.
16. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 6 ou 7, comportant au moins une électrode d'injection de charge (315) sensiblement en regard ou légèrement en amont de l'électrode fixe (306) recouverte de la couche diélectrique, définissant avec l'électrode fixe (306) un entrefer pour le passage de l'électrode liquide (302), et une électrode de retrait de charge (316) disposée en aval dudit entrefer dans le sens de déplacement de l'électrode liquide (302).
17. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication précédente, comportant une pluralité d'électrodes d'injection (315) et une pluralité d'électrodes fixes (316) intercalées formant une pluralité d'entrefers, l'électrode de retrait (316) s' étendant sensiblement orthogonalement à la direction de déplacement de l'électrode mobile (302) et au droit de la pluralité d'entrefers.
18. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications 10, 14, 15, 14 et 17, dans lequel la position de l'électrode de retrait de charge (116, 2016, 316) par rapport à celle de l'électrode fixe est telle que la capacité du condensateur (114, 214, 314), lorsque l'électrode liquide se trouve au niveau de l'électrode de retrait de charge (116, 216, 316), est minimale.
19. Dispositif de récupération d'énergie selon l'une des revendications 1 à 18, dans lequel la couche diélectrique présente des propriétés hydrophobes par rapport à l'électrode liquide.
20. Dispositif de récupération d'énergie selon la revendication 6 destiné à récupérer l'énergie des vagues d'une étendue d'eau, les vagues formant l'électrode liquide, comportant une pluralité d'électrodes fixes (306) recouvertes d'une couche diélectrique et disposées les unes à côté des autres définissant des passages pour les vagues, et une pluralité d'électrodes d'injection (315) associée chacune à une électrode fixe disposée sur la couche diélectrique de l'électrode fixe de telle sorte que le sommet des vagues s'éloignent et se rapprochent de l'électrode d'injection tout en longeant l'électrode fixe, le dispositif comportant également une prise de contact électrique (311) avec l'étendue d'eau.
21. Dispositif de récupération selon la revendication précédente, comporte des systèmes électroniques de polarisation (308) aptes à appliquer un potentiel électrique entre au moins une électrode fixe (306) et au moins l'électrode d'injection (315) associée .
22. Système de récupération d'énergie comportant au moins deux dispositifs de récupération d'énergie selon l'une quelconque des revendications 6 à 19, lesdits dispositifs étant associés de manière à convertir une quantité d'énergie maximale.
23. Procédé de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique mettant en œuvre le dispositif selon la revendication 1 comportant les étapes : - d'application d'une action mécanique sur l'électrode liquide de manière à faire varier la capacité entre l'électrode liquide et l'électrode fixe,
- de mesure de la capacité du condensateur et de détection des instants où la capacité est maximale et minimale,
- d'injection d'une charge lorsque la valeur de la capacité est maximale,
- de retrait de la charge lorsque la valeur de la capacité est minimale, et de récupération de l'énergie électrique générée.
24. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la détermination de l'instant où la capacité du condensateur est maximale et l'instant où la capacité est minimale est obtenue par injection d'une charge résiduelle dans le condensateur et de mesure de la différence de potentiel entre l'électrode fixe et l'électrode liquide.
25. Procédé de conversion d'énergie électrique en énergie électrique mettant en œuvre le dispositif selon l'une des revendications 10, 14, 15, 16 et 17, comportant les étapes :
- d'application d'une action mécanique sur l'électrode liquide de manière à faire varier la capacité entre l'électrode liquide et l'électrode fixe, - d'application d'une tension de polarisation donnée entre l'électrode fixe et l'électrode d'injection,
- d'injection de la charge par contact entre l'électrode liquide et l'électrode d'injection,
- de retrait de la charge, et de récupération de l'énergie électrique générée, par contact avec l'électrode de retrait.
26. Procédé de conversion d'énergie électrique en énergie électrique selon la revendication précédente, dans lequel la charge est injectée lorsque la goutte se trouve en amont ou sensiblement en regard de l'électrode fixe et la charge est retirée lorsque la goutte se trouve en aval de l'électrode fixe.
27. Procédé selon l'une des revendications
23 à 25, comportant une étape préalable de choix de la tension de polarisation de telle sorte que la vitesse de l'électrode liquide est proche de zéro au niveau de l'électrode de retrait.
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