FR2805410A1

FR2805410A1 - Systeme autonome de cogeneration d'electricite et de chaleur comportant un stockage d'energie par volant d'inertie

Info

Publication number: FR2805410A1
Application number: FR0002286A
Authority: FR
Inventors: Andre Rene Georges Gennesseaux
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2001-08-24
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: US6784562B2; RU2002125462A; AU2001237486A1; WO2001063729A1; US20020158530A1; CA2400412A1; BR0108634A; EP1258074A1; FR2805410B1

Abstract

Système autonome de cogénération d'électricité et de chaleur comportant un stockage d'énergie par volant d'inertie.Ce système comporte un ensemble moteur/ générateur (1) comprenant un moteur thermique (2) du type Diesel, un variateur de vitesse mécanique (34), un embrayage (5), un volant (6) d'inertie et un générateur (7) d'électricité. L'ensemble embrayage (5), volant (6) et générateur (7) est placé dans une enceinte sous vide (26) pour diminuer les pertes d'énergie.Ce système est destiné à être installé directement dans les bâtiments où l'énergie est utilisée, comme par exemple les maisons individuelles. Il permet de s'affranchir d'une liaison au réseau électrique, de moins polluer et d'être plus économique à l'usage que les systèmes du même type connus auparavant.

Description

présente invention concerne un système autonome de cogénération d'électricité de chaleur destiné à être installé directement dans les bâtiments où l'énergie est utilisée comme exemple les maisons individuelles. Il permet de s'affranchir d'une liaison au réseau électrique, de moins polluer et d'être plus économique à l'usage que les systèmes du même connus auparavant.

systèmes de cogénération sont destinés à produire simultanément de l'électricité et de la chaleur. Leur intérêt est à la fois économique et écologique, car ils permettent d'économiser l'énergie et de limiter les émissions de dioxyde de carbone générateur d'effet de serre. permettent la production d'énergie autonome, là où les réseaux ne sont accessibles.

Cependant la cogénération est surtout utilisée à grande échelle, dans des unités plusieurs centaines de kilowatts plutôt adaptées à l'industrie ou à l'habitat dense. Quand l'habitat devient moins dense, et particulièrement pour les maisons individuelles, l'intérêt la cogenération centralisée de forte puissance décroît, car il faut construire un réseau distribution de chaleur coûteux et occasionnant des pertes d'énergie importantes. Il serait beaucoup plus intéressant d'installer le système de cogénération dans le bâtiment l'énergie utilisée. De nombreux inventeurs ont donc imaginé des systèmes cogéneration pour petits bâtiments, comme les maisons individuelles. L'idée de base consistant à utiliser un groupe électrogène en récupérant la chaleur du moteur thermique pour chauffer le bâtiment et l'eau sanitaire, est décrite par exemple dans le brevet US2130606. Mais ce système simple n'est pas satisfaisant. Au niveau de l'utilisateur final, demande d'électricité est très fluctuante, avec une demande maximale très supérieure à demande moyenne, et de longues périodes de demande très faible. Le groupe électrogène doit " dimensionné pour fournir la puissance électrique maximale, mais il fonctionne plus souvent à charge très faible, ce qui occasionne un très mauvais rendement et une usure prématurée. Ce système n'est donc pas utilisé en pratique.

Le brevet US3944837 propose de pallier cet inconvénient en connectant le système de cogénération au réseau électrique public, afin de lisser la demande d'électricité. Le groupe électrogène fournit en permanence la puissance moyenne, et le réseau assure la différence entre la puissance moyenne et la puissance instantanée. La société Senertec, en Allemagne, propose système de cogénération basé sur un principe similaire. Mais cette technique nécessite d'une part que le réseau soit accessible, ce qui fait perdre l'avantage l'autonomie, et d'autre part que l'opérateur du réseau achète l'électricité dans de bonnes conditions ce qui n'est pas toujours garanti.

Le brevet US4150300 propose de stocker l'électricité produite par le groupe électrogène dans des batteries électrochimiques. Cette solution représente actuellement 1" de l'art, car elle apporte de nombreux avantages par rapport aux solutions précédentes. On la trouve en particulier sur les bateaux car le système est ainsi complètement autonome. Le moteur peut tourner à son régime de rendement maximal le temps de charger les batteries, et s'arrêter complètement entre deux charges. Il peut être dimensionné pour une puissance nettement plus faible que la puissance maximale. il subsiste toujours des inconvénients. Le rendement global est assez faible en raison de la double conversion de l'énergie (électrique vers chimique et réciproquement) et mauvais rendement des batteries. Les batteries ont une durée de vie limitée à quelques milliers de cycles de charge et décharge : il faut les renouveler régulièrement, ce qui est très couteux. De plus, les batteries utilisées pour ces applications contiennent des métaux comme le plomb ou le cadmium: il s'agit donc d'une solution polluante.

De nombreux brevets, par exemple US4444444, proposent de remplacer les batteries électrochimiques par un volant d'inertie, aussi appelé batterie 'lectromécanique. Le volant a l'avantage sur la batterie d'être inusable et non polluant, et restituer la totalité de l'énergie qui lui a été transmise. Mais la solution du brevet cité consiste relier le volant à l'extérieur par une machine électrique réversible (moteur/générateur) : elle présente donc toujours l'inconvénient de la double conversion de l'énergie (électrique vers cinétique et réciproquement) qui diminue le rendement et augmente le De nombreux brevets, par exemple la demande DE4030 34, proposent de coupler le volant de façon mécanique au moteur thermique, à l'aide embrayage. Quand le volant atteint sa vitesse maximale, l'embrayage est ouvert ce qui permet d'arrêter le moteur en laissant tourner le volant et le générateur électrique. Ce système n'a plus qu'une seule conversion d'énergie (cinétique vers électrique), mais présente toujours des inconvénients. En particulier le moteur thermique, directement couplé au volant, doit tourner à des régimes très variables. Le rendement et la puissance des moteurs thermiques variant très fortement avec le régime, cela a pour conséquences d'une part que rendement n'est pas très bon et d'autre part que le moteur doit être surdimensionné pour avoir assez de puissance au régime le plus faible. Un autre inconvénient du système décrit la demande citée est que le volant tourne dans l'air, ce qui occasionne des pertes d'énergie très importantes. Il est bien connu qu'un volant doit tourner dans une atmosphère raréfiee mais dans le cas où le volant est entraîné mécaniquement, les joints d'étanchéité autour l'axe du volant occasionnent des frottements et une usure qui font que cette solution n'est utilisée.

La présente invention concerne un système autonome cogénération d'électricité et de chaleur destiné à être installé directement dans les bâtiments où l'énergie est utilisée, comme par exemple les maisons individuelles. Elle a pour objectif d'améliorer les systèmes connus du même type, grâce à une meilleure utilisation de l'énergie, un coût faible tant à l'achat qu'à l'usage et une moindre pollution.

systèmes connus du même type comportent un moteur thermique produisant de la chaleur et de la puissance mécanique à partir d'un combustible, un volant de stockage d'énergie cinétique, un embrayage entre le moteur thermique et le volant et un générateur électrique couplé mécaniquement au volant. Le système selon l'invention est essentiellement caractérise en ce que l'embrayage, le volant et le générateur sont placés à l'intérieur d'une enceinte où la pression est nettement plus basse que la pression atmosphérique.

Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut avoir recours outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - l'embrayage est à commande par électroaimant; - un organe de transmission de puissance est placé entre le moteur thermique et embrayage; - l'organe de transmission de puissance est un ou plusieurs éléments choisis la liste suivante: un coupleur hydraulique, un convertisseur hydraulique de couple, une boîte de vitesses multiplicatrice, une boîte de vitesse réductrice, un variateur de vitesse mécanique ; - le variateur de vitesse mécanique est commandé de façon telle que moteur thermique tourne à régime constant pendant son fonctionnement; - le variateur de vitesse mécanique comporte un plateau entraîné par - moteur et un galet entraînant le volant, la puissance étant transmise du plateau vers le galet par friction, le galet pouvant être déplacé sur le plateau de façon à modifier rapport de transmission.

On peut encore avoir recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, qui peuvent- réalisées indépendamment des autres dispositions - un circuit de fluide caloporteur récupère la chaleur perdue dans le ou les élements suivants, tout en assurant leur refroidissement: le moteur thermique, organe de transmission de puissance, le générateur électrique, les paliers du volant; - le circuit de fluide caloporteur comporte un échangeur de chaleur récupérant chaleur des gaz d'échappement du moteur thermique; - un brûleur peut produire de la chaleur à partir du combustible, cette chaleur étant récupérée dans le fluide caloporteur par l'échangeur de chaleur; - un ventilateur peut souffler de l'air à travers l'échangeur de chaleur afin refroidir le fluide caloporteur.

On peut encore avoir recours à l'une etlou à l'autre des dispositions suivantes, peuvent etre réalisées indépendamment des autres dispositions - le moteur thermique est d'un type choisi parmi la liste suivante: moteur à piston à combustion interne à allumage commandé, moteur à piston à combustion interne à allumage spontané (Diesel), moteur à piston à combustion externe (Stirling), turbine à gaz ; - le moteur thermique est du type à piston à combustion interne et comporte une course de détente plus longue que la course de compression (cycle Miller).

peut encore avoir recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, peuvent être réalisées indépendamment des autres dispositions - le générateur électrique est du type synchrone à aimants permanents sur le rotor ; - le générateur électrique est du type homopolaire, comprenant un rotor composé uniquement de matériau ferromagnétique et un stator composé d'une première bobine permettant de créer dans le rotor un flux magnétique sensiblement constant, et d'une pluralité de secondes bobines dont le flux varie périodiquement avec la rotation du rotor, induisant ainsi la tension alternative de sortie ; - une partie du volant sert de circuit magnétique au générateur électrique. On peut encore avoir recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, qui peuvent erre réalisées indépendamment des autres dispositions - le volant présente une forme choisie parmi la liste suivante : un tore de section sensiblement rectangulaire, un côté du rectangle étant orienté parallèlement à de rotation ; un disque plein d'épaisseur sensiblement constante ; un disque d'épaisseur décroissante du centre vers la périphérie ; - le volant est réalisé en acier ; - la ou les surfaces cylindriques axiales du volant sont précontraintes par grenaillage ; - la surface cylindrique axiale extérieure du volant est précontrainte par des fibres enroulées sous tension ; - les fibres enroulées sous tension sont en un matériau choisi dans la liste suivante: verre, carbone, aramide.

On peut encore avoir recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, qui peuvent être réalisées indépendamment des autres dispositions - le volant est fixé élastiquement à son moyeu ; - le volant comporte des pattes de fixation s'étendant radialement vers l'interieur, le moyeu comporte des bras s'étendant radialement vers l'extérieur, et les pattes sont reliées aux bras par des blocs de matériau élastique.

On peut encore avoir recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, qui peuvent- réalisées indépendamment des autres dispositions - le volant tourne selon un axe vertical et est situé dans la base de ensemble moteur/générateur ; - le volant est installé dans une cavité sous le niveau du sol afin de retenir projections en cas d'éclatement.

dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente une vue schématique de l'ensemble du système selon l'invention.

La figure 2 représente une vue schématique détaillée de l'ensemble moteur/générateur pour un premier mode de réalisation préférentiel.

La figure 3 représente les flux d'énergie pour un fonctionnement normal du système. La figure 4 représente les flux d'énergie dans le cas d'une forte demande de chaleur. La figure 5 représente les flux d'énergie dans le cas d'une forte demande d'électricité.

La figure 6 représente une vue schématique détaillée de l'ensemble moteur/génerateur pour un second mode de réalisation préférentiel.

L'invention va maintenant être décrite dans un mode de réalisation préférentiel, mais non limitatif, à l'aide des dessins. La figure 1 représente une vue schématique système de cogénération selon l'invention. Il comporte un ensemble moteur/générateur (1) constitué d'un moteur thermique (2), d'un convertisseur de couple (3), d'un multiplicateur vitesse (4), d'un embrayage (5), d'un volant (6) et d'un générateur (7). Le fonctionnement détaillé de l'ensemble moteur/générateur (1) sera décrit plus bas avec la figure 2.

Les gaz d'échappement du moteur thermique (2) passent à travers un catalyseur et/ou un filtre à particules (8) qui les débarrasse des substances les plus polluantes, puis sont aiguillés une vanne (9) soit vers un échangeur de chaleur (10) et un silencieux d'échappement (11), soit directement vers le silencieux d'échappement (11). Un brûleur (12) permet produire de la chaleur sans solliciter le moteur thermique (2). Sa sortie est reliée directement à l'échappement du moteur thermique (2) de façon à bénéficier du même catalyseur (8), du même échangeur de chaleur (10) et du même silencieux 1). Un ventilateur 3) permet, quand la vanne (9) est tournée, de souffler de l'air dans l'échangeur pour évacuer de la chaleur et refroidir le système.

Un reservoir (14) pourvu d'une isolation thermique constitue un accumulateur de chaleur contenant une certaine quantité de fluide caloporteur, qui peut être du meure type que le liquide de refroidissement des véhicules automobiles, c'est-à-dire un mélange d'eau, de glycols et de divers additifs. Pour augmenter la capacité calorifique du réservoir 14) sans trop augmenter son volume et sans que la température du fluide caloporteur ne subisse des fluctuations trop importantes, il est possible de placer dedans une substance subissant un changement de phase solide/liquide à une température de l'ordre de 90 C.

Différents circuits, comprenant chacun un tuyau pour l'aller et un tuyau pour le retour, conduisent le liquide caloporteur vers différents organes avec lesquels il peut échanger de la chaleur. Le premier circuit (15), qui va au moteur thermique (2), et mis en mouvement par la pompe de circulation (16), permet de récupérer de la chaleur en refroidissant le moteur. Le deuxième circuit (17), qui va à l'échangeur de chaleur (10) à l'aide de la pompe de circulation (18), permet de récupérer la chaleur des gaz d'échappement. Le troisième circuit (19) va à l'aide de la pompe de circulation (20) au réservoir d'eau chaude domestique (21) pour la réchauffer. Le quatrième circuit (22) va à l'aide de la pompe de circulation (23) aux radiateurs (ou autres moyens de chauffage) de l'habitation pour la chauffer. On peut prévoir, de façon classique, une vanne thermostatique de mélange (24) sur le circuit (22) pour éviter que les radiateurs ne soient trop chauds.

Plus généralement, on peut prévoir des circuits de liquide caloporteur vers tous les éléments système susceptibles de dissiper de la chaleur, afin de les refroidir tout en augmentant le rendement énergétique du système: par exemple le générateur ou les paliers volant (6). Dans l'exemple de la figure 1, il est représenté une pompe de circulation séparée (16, 18, 20, 23) pour chaque circuit (15, 17, 19, 22), mais bien évident pour un homme de l'art que ce nombre peut être réduit par mesure d'économie, et qu'une seule pompe peut mettre en mouvement tous les circuits. Il faut cependant prevoir, dans ce cas des moyens de réglage pour ajuster le débit dans chacun des circuits par exemple robinets thermostatiques. On peut aussi brancher les différents circuits en série, le fluide refroidissant d'abord les organes les moins chauds, par exemple le générateur (7), puis le moteur thermique (2) et enfin l'échangeur de chaleur (10). système selon l'invention comprend enfin une unité de commande et de puissance (25) dont le rôle est double. D'une part, elle commande les divers éléments du système à l'aide calculateur électronique (microcontrôleur) relié à des capteurs et à des actionneurs (non représentés). D'autre part, elle remet en forme la tension que fournit le générateur (7) afin de délivrer au bâtiment une tension analogue à celle du réseau (par exemple 230 V à 50 car le générateur (7), tournant à vitesse variable, ne peut pas produire directement cette tension. Ces éléments sont suffisamment bien connus des hommes de pour qu'il ne soit necessaire de les décrire plus en détail.

référence à la figure 2, l'ensemble moteur/générateur (1) va maintenant être décrit en détail dans un premier mode de réalisation préférentiel, mais non limitatif. Le moteur thermique (2) est du type Diesel. Les avantages de ce moteur sont son rendement élevé, son faible coût, sa robustesse et sa capacité à utiliser des carburants économiques de faible qualité. particulier, ce moteur peut fonctionner avec le fioul domestique utilisé pour le chauffage des habitations, si bien que l'installation du système de cogénération selon l'invention est très aisée : il remplace une chaudière existante en profitant de son infrastructure. Pour fixer les idées, une puissance mécanique de 5 à 10 qui convient pour une maison d'habitation moyenne, peut être obtenue avec un petit moteur Diesel monocylindre de 0,3 à 0,61 de cylindrée.

Le moteur Diesel de l'invention peut être complété d'un turbocompresseur, qui permet d'augmenter son rendement et sa puissance spécifique. Un autre moyen moins connu mais plus économique d'augmenter le rendement d'un moteur Diesel est d'utiliser le cycle Miller, consiste à avoir une course d'échappement plus longue la course d'admission. En pratique, pour réaliser ce cycle avec le système bielle/manivelle, on augmente cylindrée du moteur et on modifie l'arbre à cames pour la soupape d'admission se ferme après le point mort bas, pendant la montée du piston. La course d'admission réelle n'est alors qu'une fraction de la course du piston, alors la course d'échappement est complète.

Il bien sûr possible, selon les circonstances, d'utiliser d'autres carburants et d'autres types de moteur: le carburant pour véhicules automobiles ne présente pas beaucoup d'intérêt en raison de son prix, mais les huiles lourdes, le kérosène, les biocarburants ou les différents gaz (gaz naturel, gaz de pétrole liquéfié, biogaz, hydrogène, etc.) peuvent être intéressants en fonction du contexte économique local. Les moteurs à allumage commandé sont les plus économiques à l'achat, alors que les turbines à gaz ou les moteurs Stirling présentent des avantages théoriques mais sont notablement plus chers. Le convertisseur de couple (3) est un composant bien connu des transmissions des vehicules automobiles. Son rôle est de transmettre une puissance mécanique entre deux organes rotatifs tournant à des vitesses dont le rapport est variable, en particulier quand des organes est à l'arrêt. Une transmission purement mécanique comme une boîte de vitesses ou une boîte à variation continue remplit la même fonction avec un meilleur rendement, mais coûte beaucoup plus cher. L'intérêt du convertisseur de couple (3) est de permettre un fonctionnement correct de l'ensemble moteur/générateur avec un minimum moyens. A la mise en route initiale du système, le moteur thermique (2) est d'abord démarré, puis l'embrayage (5) est actionné. Le convertisseur de couple permet alors un démarrage sans à-coup du volant (6). Pendant la marche normale du système, le volant (6) tourne en permanence alors que le moteur thermique (2) est arrêté. Quand la vitesse du volant (6) atteint sa limite inférieure, l'embrayage (5) est actionné et le convertisseur de couple (3) assure alors un démarrage sans à-coup du moteur thermique (2). Enfin, pendant la phase d'accélération du volant (6) par le moteur thermique (2), le convertisseur de couple (3) assure par son glissement l'adaptation entre leurs vitesses différentes, avec un rendement acceptable.

Le multiplicateur de vitesse (4) assure l'adaptation entre la vitesse de rotation du moteur thermique (2) et celle du volant (6), car le convertisseur couple ne peut pas augmenter la vitesse de sortie. Pour fixer les idées, un petit moteur Diesel a un régime maximal d'environ 3.500 min- @, et un volant en acier de diamètre ,7 m peut tourner de façon sûre à environ 10.000 mine, ce qui donne un rapport multiplicateur de l'ordre de 3. La figure 2 représente une réalisation du multiplicateur de vitesse (4) à l'aide d'un train épicycloïdal, mais d'autres réalisations sont évidemment possibles: couple d'engrenage, courroie, chaîne, etc.

L'embrayage (5) permet de désolidariser le volant (6) du reste des pièces en rotation, afin de pouvoir arrêter le moteur thermique (2) quand le volant (6) n'a pas besoin d'être accéléré. Il s'agit de préférence d'un embrayage commandé par un électroaimant, dans une exécution où la bobine est fixe de façon à éviter la présence de balais. En position débrayée, il n'y a aucun contact entre les deux plateaux, ce qui garantit une absence de frottement et d'usure.

L'embrayage (5), le volant (6) et le générateur (7) sont placés dans une enceinte sous vide (26), car ces organes tournent à des vitesses élevées. Dans l'air à la pression atmosphérique, les pertes par frottement seraient tellement élevées que le volant perdrait très rapidement son énergie. Une pompe à vide (27) permet de maintenir la pression dans l'enceinte sous vide (26) suffisamment basse malgré les inévitables apports de gaz : dégazage des matériaux, fuite des joints, etc. Cette pompe à vide (27) peut être entraînée par un moteur électrique associé à un capteur de pression, mais elle peut aussi, de façon plus économique, être entraînée directement par le moteur thermique (2). Le fait que l'embrayage (5) soit situé à l'intérieur de l'enceinte sous vide (26) est de la plus grande importance pendant les périodes où le moteur thermique (2) est arrêté, c'est-à-dire l'essentiel du temps, cette disposition permet de supprimer totalement les mouvements sur les joints d'étanchéité dynamique l'arbre moteur de l'embrayage (5). De cette façon les frottements ainsi que l'usure des joints sont considérablement réduits par rapport aux solutions connues du même type.

Le volant (6) est de préférence métallique. Il est pourtant connu qu'un volant en matériaux composites permet de stocker plus d'énergie par unité de masse qu'un volant en métal, mais dans une installation fixe comme celle-ci, la réduction de la masse n'est une priorité. contraire, un volant en matériaux composites n'étant pas très lourd, il faut le faire tourner à des vitesses périphériques extrêmement élevées pour emmagasiner énergie maximale. exemple pour un volant en fibre de verre de diamètre 0,6 m, il faut tourner à presque 30.000 min-', ce qui est trop élevé pour une transmission mécanique. Le volant en métal est mieux adapté aux faibles vitesses de rotation permises par la transmission mécanique. Parmi les métaux, l'acier est le meilleur choix en raison de son coût bas, même pour nuances à hautes performances.

La forme optimale d'un volant n'est pas unique: elle dépend à la fois des contraintes et du critère d'optimisation. Si l'on s'impose une vitesse de rotation maximale un diamètre maximal, et qu'on cherche à minimiser la masse du volant pour une énergie stockée donnée, on peut trouver trois formes optimales différentes. Pour une vitesse un diamètre faibles (c'est-à-dire une vitesse périphérique faible), la forme optimale est un tore, de façon toute la masse soit à la vitesse maximale. En pratique, la forme la plus simple à réaliser est un tore de section rectangulaire dont un côté est orienté parallèlement à l'axe de rotation. On peut uniformiser les contraintes par une forme légèrement trapézoïdale, où l'épaisseur diminue quand le rayon croît, comme schématisé sur la figure 6. Si on augmente la vitesse périphérique, la contrainte dans le tore atteint la contrainte maximale admissible par le matériau, et la forme optimale devient un disque plein d'épaisseur constante. Si on continue à augmenter la vitesse périphérique, la contrainte dans le disque atteint la contrainte maximale admissible par le matériau, et la forme optimale devient un disque d'épaisseur décroissante du centre vers la périphérie, comme décrit par Stodola en l927: profil théorique optimal est une courbe en cloche, dite courbe de Gauss .

Il est possible d'utiliser des dispositions spéciales pour augmenter la résistance du volant, qui est soumis à des contraintes très élevées dues à la force centrifuge. Une première disposition consiste à grenailler la ou les surfaces cylindriques axiales (29a, 29b) façon à créer une précontrainte de compression qui viendra se soustraire de la contrainte de traction due à la rotation. Une seconde disposition, qui peut " cumulée avec la première, consiste à enrouler des fibres (30) sous tension sur la surface cylindrique axiale extérieure (29a) du volant (6), ce qui a aussi pour effet de créer une précontrainte de compression. Ces fibres (30) peuvent par exemple être en verre, en carbone ou en aramide.

Le volant (6) tournant à grande vitesse, il doit ^ soigneusement équilibré pour ne pas produire de vibrations. Mais un équilibrage de grande qualité est extrêmement coûteux. Une disposition avantageuse consiste à monter le volant élastiquement sur son moyeu. Pour cela le volant comporte des pattes de fixation (31) s'étendant radialement vers l'intérieur, le moyeu comporte des bras (32) s'étendant radialement vers l'extérieur, et les pattes (31) sont reliées aux bras (32) par des blocs de matériau élastique (33). A grande vitesse, le volant tourne ainsi comme s'il était libre et les vibrations qu'il transmet à l'axe sont minimes.

Pour les paliers du volant (6), on utilise de préférence des roulements à billes, qui sont suffisant puisqu'on se limite à des vitesses rotation faibles. D'autres technologies connues comme les paliers magnétiques actifs ou passifs sont plus performantes, mais elles ne sont pas nécessaires ici. Il est d'ailleurs possible d'améliorer les roulements en remplaçant les billes en acier par des billes en céramique qui permettent de limiter les contraintes dues à la force centrifuge aux très grandes vitesses de rotation.

Le générateur (7), accouplé au volant à choisir parmi les nombreuses technologies disponibles en fonction des exigences de l'application. On utilisera donc de préférence un générateur sans balais, afin d'éviter pertes par frottement et les problèmes d'entretien que des balais occasionnent. On a en fait intérêt à éviter tout conducteur sur le rotor, car un conducteur est l'objet de pertes par effet Joule. Même si ces pertes sont faibles en valeur absolue, elles peuvent conduire à un échauffement important du rotor qui tourne dans le vide et ne peut donc dissiper que ' peu de chaleur vers l'extérieur. Une technologie connue répondant à ces critères est le générateur synchrone à aimants permanents sur le rotor. Mais on peut utiliser aussi une technologie moins connue, le générateur homopolaire : il comprend un rotor composé uniquement de matériau ferromagnétique et un stator composé de deux circuits électriques. Une première bobine permet de créer dans le rotor un flux magnétique sensiblement constant; des secondes bobines sont disposées autour du rotor, de façon que le flux qui les traverse varie périodiquement avec la rotation du rotor, induisant ainsi la tension alternative de sortie. L'avantage de ce générateur sur celui à aimants permanents est que l'on peut réguler le flux de magnétisation en fonction de la vitesse de rotation du volant (6), ce qui permet d'obtenir une tension de sortie sensiblement constante. Dans tous les cas, une disposition avantageuse quand volant (6) est en acier consiste à utiliser une partie du volant (6) comme circuit magnétique du générateur électrique (7).

autre disposition intéressante consiste à réaliser un générateur (7) et une unité de commande et de puissance (25) qui soient réversibles, c'est-à-dire capables de transmettre de l'énergie vers le volant (6). Ainsi, si le système est raccordé à d'autres générateurs d'électricité, le volant (6) peut servir à stocker l'énergie qu'ils produisent. Cela est particulierement intéressant avec des sources d'énergie renouvelables comme le soleil et le vent, dont on ne maitrise pas les moments de production.

L'ensemble moteur/générateur (1) est posé sur des supports antivibratoires (28) qui l'isolent du sol. Il est aussi possible de placer des pièces antivibratoires (non représentées) entre moteur thermique (2) et le reste du système, afin de protéger le volant (6) des vibrations du moteur.

figures 3, 4 et 5 représentent les flux d'énergie pour les différents cas de fonctionnement du système. Sur ces figures, les flux de même type sont désignés de la même façon. Seuls les organes du systèmes qui sont utilisés dans le cas de fonctionnement considéré sont représentés.

La figure 3 représente les flux d'énergie pour un fonctionnement normal du système. Quand le moteur thermique (2) fonctionne, une puissance Pl est injectée dans le système sous forme de combustible. Le moteur thermique (2) convertit de l'ordre de 40% de la puissance dégagée par le combustible en une puissance mécanique P2 servant à accélérer le volant Ce dernier stocke de l'énergie cinétique, que générateur (7) et l'unité de commande et de puissance (25) utilisent pour produire une puissance électrique P3. Environ 30% de puissance dégagée par le combustible est perdue le moteur sous forme de chaleur et doit être évacuée par le circuit de refroidissement, sous la forme d'une puissance thermique P4 vers le réservoir de chaleur (14). Enfin environ de la puissance dégagée par le combustible part dans les gaz d'échappement sous la forme d'une puissance thermique P5. Cette puissance est en grande partie récupérée par l'échangeur chaleur (10), qui envoie une puissance thermique P6 dans le réservoir de chaleur (14), une puissance P7 étant définitivement perdue. Ce réservoir (14) contient de l'énergie thermique qui sert à chauffer le bâtiment à l'aide de radiateurs, avec une puissance thermique P8, et à chauffer le réservoir d'eau chaude domestique (21), avec une puissance thermique P9. La consommation d'eau chaude domestique à partir du réservoir (21) représente une puissance thermique P10.

La figure 4 représente les flux d'énergie dans le cas d'une forte demande de chaleur. Cette situation se présente par exemple quand la température extérieure est basse, et qu'il est nécessaire de chauffer le bâtiment beaucoup plus que ce que la cogénération fournit naturellement. Le moteur thermique (2) est alors arrêté et le brûleur (12) allumé. La puissance thermique produite P5 est en grande partie récupérée par l'échangeur de chaleur (10), qui envoie une puissance thermique P6 dans le réservoir (14), une puissance P7 étant définitivement perdue. Le reste est identique au cas précédent. Cette disposition presente l'avantage, par rapport à une chaudière séparée, de réutiliser l'échangeur de chaleur déjà présent dans le système, ce qui est plus économique et moins encombrant.

La figure 5 représente les flux d'énergie dans le cas d'une forte demande d'électricité. Cette situation se présente par exemple quand la température extérieure est élevée, et 'un climatiseur électrique fonctionne en permanence pour refroidir le bâtiment. La chaleur produite le moteur devenant alors excédentaire, non seulement on doit arrêter la récupérer, mais il faut l'évacuer. La vanne (9) est tournée de façon que la puissance thermique contenue dans les gaz d'échappement du moteur thermique (2) soit envoyée directement vers l'extérieur. Le moteur thermique (2) continue à être refroidi par le liquide caloporteur, la puissance thermique P4 étant envoyée vers le réservoir (14). Le ventilateur (13) souffle de l'air à travers l'échangeur de chaleur (10), qui évacue une puissance thermique 1 du réservoir (14) vers l'extérieur. Le reste est identique au cas précedent. Cette disposition permet de se passer d'un radiateur de refroidissement du moteur thermique (2), ce qui est plus économique et moins encombrant.

figure 6 montre, â titre d'exemple non limitatif, un second mode de réalisation préférentiel de l'invention, dans lequel la transmission du moteur thermique (2) vers le volant se fait par l'intermédiaire d'un variateur mécanique (34). Ce variateur mécanique (34) comporte un plateau (35) entraîné par le moteur thermique (2) et monté coulissant sur son arbre. Ce plateau (35) est pressé contre un galet (36) entraînant le volant (6) par l'intermédiaire de l'embrayage (5). Ce galet (36) est lui-même monté coulissant sur son arbre, un système de réglage constitué par exemple d'un moteur électrique (38) relié à un système vis/écrou (37) permet de déplacer le galet (36) par rapport au plateau (35), de façon à faire varier le rapport de transmission. La puissance est transmise par friction avec un bon rendement, nettement supérieur à celui d'un organe hydraulique tel qu'un convertisseur de couple En revanche, les phases de démarrage du volant (6) par le moteur thermique (2) et réciproquement ne bénéficient plus de la progressivité du convertisseur de couple (3). C'est à embrayage (5) d'assurer ces phases par son glissement, à condition qu'il soit dimensionné en conséquence. Une disposition intéressante est de piloter finement le courant dans l'embrayage (5) à l'aide de l'unité de commande et de puissance (25) afin de réaliser un embrayage ni trop rapide, car cela occasionnerait des contraintes importantes, ni trop lent, car cela occasionnerait un échauffement et une usure importants de l'embrayage (5). On peut aussi ajouter un coupleur hydraulique dans la chaîne cinématique, à condition de le court- circuiter pendant le fonctionnement normal pour ne pas dissiper trop d'énergie. L'intéret du variateur mécanique (34) est de permettre au moteur thermique (2) de tourner à régime constant pendant son fonctionnement, alors que le volant (6) accélère continûment. effet pour la plupart des moteurs thermiques, il existe un régime de rendement optimal où la consommation est minimale. Il permet aussi de rendre les phases de démarrage plus faciles: quand c'est le moteur thermique (2) qui lance le volant (6), variateur (34) est réglé à son rapport minimal, le galet (36) près du centre du plateau (35), alors que quand c'est le volant (6) qui fait démarrer le moteur thermique (2), le variateur (34) est réglé à son rapport maximal, le galet (36) à la périphérie du plateau (35).

Le volant (6) est placé de manière avantageuse dans la base de l'ensemble moteur/générateur (1), car il constitue l'organe le plus lourd du système. Pour fixer les idées un volant pouvant emmagasiner une énergie de 1 kW.h a une masse d'environ 100 kg s'il réalisé en acier à haute limite élastique avec une vitesse périphérique limitée à 250 m.s '. Dans ce cas, axe de rotation est vertical, le volant (6) tournant dans un plan horizontal, ce qui permet d'abaisser au maximum son centre de gravité. Une dernière disposition intéressante représentée sur la figure 6 : le volant (6) est à moitié enterré dans le sol pour des raisons de sécurité. En cas de rupture, les morceaux sont ainsi confinés et ne risquent pas de constituer un danger.

En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient finalement un système autonome de cogénération d'électricité et de chaleur destiné à être installé directement dans les bâtiments où l'énergie est utilisée, comme par exemple les maisons individuelles. permet de s'affranchir d'une liaison au réseau électrique, de moins polluer et d'être plus économique à l'usage que les systèmes du même type connus auparavant.

Comme il va de soi, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation qui été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.

LISTE <SEP> REFERENCES
<tb> 1. <SEP> ensemble <SEP> 15.circuit <SEP> liquide <SEP> 27.pompe <SEP> à <SEP> vide
<tb> moteur/générateur <SEP> caloporteur <SEP> 28.support <SEP> antivibratoire
<tb> 2. <SEP> moteur <SEP> thermique <SEP> 16.pompe <SEP> de <SEP> circulation <SEP> 29.surfaces <SEP> cylindriques
<tb> 3. <SEP> convertisseur <SEP> de <SEP> 17.circuit <SEP> de <SEP> liquide <SEP> axiales <SEP> extérieure
<tb> couple <SEP> caloporteur <SEP> (29a) <SEP> et <SEP> intérieure
<tb> 4. <SEP> multiplicateur <SEP> de <SEP> 18.pompe <SEP> de <SEP> circulation <SEP> (29b)
<tb> vitesse <SEP> 19.circuit <SEP> de <SEP> liquide <SEP> 30.fibres <SEP> sous <SEP> tension
<tb> 5. <SEP> embrayage <SEP> caloporteur <SEP> 3l.pattes <SEP> de <SEP> fixation
<tb> 6. <SEP> volant <SEP> 20.pompe <SEP> de <SEP> circulation <SEP> 32.bras <SEP> du <SEP> moyeu
<tb> 7. <SEP> générateur <SEP> 21.réservoir <SEP> d'eau <SEP> chaude <SEP> 33.bloc <SEP> de <SEP> matériau
<tb> 8. <SEP> catalyseur <SEP> domestique <SEP> élastique
<tb> 9. <SEP> vanne <SEP> 22.circuit <SEP> de <SEP> liquide <SEP> 34.variateur <SEP> mécanique
<tb> l0.échangeur <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> caloporteur <SEP> 35.plateau
<tb> 1 <SEP> l.silencieux <SEP> 23.pompe <SEP> de <SEP> circulation <SEP> 36.galet
<tb> d'échappement <SEP> 24.vanne <SEP> thermostatique <SEP> 37.système <SEP> vis/écrou
<tb> 12.brûleur <SEP> de <SEP> mélange <SEP> 38.moteur <SEP> électrique
<tb> 13.ventilateur <SEP> 25.unité <SEP> de <SEP> commande <SEP> et
<tb> 14.réservoir <SEP> de <SEP> liquide <SEP> de <SEP> puissance
<tb> caloporteur <SEP> 26.enceinte <SEP> sous <SEP> vide

Claims

REVENDICATIONS

1) Système de cogénération d'électricité et de chaleur comprenant un moteur thermique (2) produisant de la chaleur et de la puissance mécanique à partir d'un combustible, un volant (6) de stockage d'énergie cinétique, un embrayage (5) entre le moteur thermique (2) et le volant (6) un générateur électrique (7) couplé mécaniquement au volant, caractérisé en ce que l'embrayage (5), le volant (6) et le générateur électrique (7) sont placés à l'intérieur d'une enceinte (26) où la pression est nettement plus basse que la pression atmosphérique.

2) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embrayage (5) est commande électroaimant.

3) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un organe de transmission puissance (3, 34) est placé entre le moteur thermique (2) et l'embrayage (5).

4) Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'organe transmission puissance (3, 4, 34) est un ou plusieurs éléments choisis parmi la liste suivante: coupleur hydraulique, un convertisseur hydraulique de couple (3), une boîte vitesses multiplicatrice (4), une boîte de vitesse réductrice, un variateur de vitesse mécanique (34).

5) Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'organe de transmission de puissance (3, 4, 34) est un variateur de vitesse mécanique (34) commandé de façon telle que le moteur thermique (2) tourne à régime constant pendant son fonctionnement.

6) Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le variateur de vitesse mécanique (34) comporte un plateau (35) entraîné par le moteur thermique (2), et un galet (36) entraînant le volant (6), la puissance étant transmise par friction du plateau (35) vers le galet (36), le galet (36) pouvant être déplacé sur le plateau (35) de façon à modifier le rapport de transmission.

7) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un circuit de fluide caloporteur (15, 17) recupère la chaleur dissipée dans le ou les éléments suivants, tout en assurant leur refroidissement: le moteur thermique (2), l'organe de transmission de puissance (3, 4, 34), le générateur électrique (7), les paliers du volant (6).

8) Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit de fluide caloporteur (15, 17) comporte un échangeur de chaleur (10) récupérant la chaleur des gaz d'échappement du moteur thermique (2).

9) Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un brûleur (12) peut produire de la chaleur à partir du combustible, cette chaleur étant récupérée dans le fluide caloporteur par l'échangeur de chaleur (10).

10) Système selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'un ventilateur (13) peut souffler de l'air à travers l'échangeur de chaleur (10) afin refroidir le fluide caloporteur.

11) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur thermique (2) est d'un type choisi parmi la liste suivante : moteur à piston à combustion interne à allumage commandé, moteur à piston à combustion interne à allumage spontané (Diesel), moteur à piston à combustion externe (Stirling), turbine à gaz.

12) Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur thermique (2) est du type à piston à combustion interne et comporte une course de détente plus longue la course de compression (cycle de Miller).

13) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur électrique (7) est type synchrone à aimants permanents sur le rotor.

14) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur électrique (7) est type homopolaire, comprenant un rotor composé uniquement matériau ferromagnétique et un stator composé d'une première bobine permettant de créer dans le rotor un flux magnétique sensiblement constant, et d'une pluralité de bobines dont le flux varie périodiquement avec la rotation du rotor, induisant ainsi la tension alternative de sortie.

15) Système selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'une partie du volant (6) sert de circuit magnétique au générateur électrique (7).

16) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volant (6) présente une forme choisie parmi la liste suivante : un tore de section sensiblement rectangulaire, un côté du rectangle étant orienté parallèlement à l'axe de rotation ; un disque plein d'épaisseur sensiblement constante ; un disque d'épaisseur décroissante du centre vers la périphérie.

17) Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le volant (6) est réalisé en acier.

18) Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la ou les surfaces cylindriques axiales (29a, 29b) du volant (6) sont précontraintes par grenaillage.

19) Système selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que la surface cylindrique axiale extérieure (29a) du volant (6) est précontrainte par des fibres enroulées sous tension (30).

20) Système selon la revendication 19, caractérisé en ce que les fibres enroulées sous tension (30) sont en un matériau choisi dans la liste suivante : verre, carbone, aramide.

21) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que volant (6) est fixé elastiquement à son moyeu.

22) Système selon la revendication 21, caractérisé en ce que le volant (6) comporte des pattes de fixation (31) s'étendant radialement vers l'intérieur, en ce le moyeu comporte bras (32) s'étendant radialement vers l'extérieur, et en ce que les pattes (31) sont reliées aux bras (32) par des blocs de matériau élastique (33).

23) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volant (6) tourne selon un axe vertical et est situé dans la base de l'ensemble moteur/générateur (1).

24) Système selon la revendication 23, caractérisé en ce que le volant (6) est installé dans une cavité sous le niveau du sol afin de retenir les projections en cas d'éclatement.