FR3024614A1 - DIRECT TURBINE PIEZOELECTRIC EFFECT ELECTRICITY GENERATION SYSTEM COMPRISING SAID SYSTEM - Google Patents
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Abstract
L'objet de la présente invention est un système de génération d'électricité par effet piézoélectrique direct et une turbine (5) comprenant un stator (7), un rotor (6) entraîné par au moins deux pales (10), caractérisée par le fait que le rotor (6) est monté déplaçable en translation sur son axe de rotation (9), un système de rappel élastique (14) étant monté sur l'axe de rotation (9) du rotor (6) pour s'opposer au déplacement en translation du rotor (6) résultant de la force exercée sur les pales (10) par le flux de fluide, l'une de la surface externe (13) du rotor (6) en regard du stator (7) ou de la surface interne (12) du stator (7) en regard du rotor (6) portant en outre un ou plusieurs éléments piézoélectriques (11), l'autre présentant une ou plusieurs irrégularités de surface de telle sorte que la rotation du rotor (6) à l'intérieur du stator (7) provoque une déformation du ou des éléments piézoélectriques (11) pour une génération d'électricité par effet piézoélectrique direct, le système de rappel élastique (14) étant couplé au rotor (6) de telle sorte que moins il y a de flux de fluide sur les pales (10), moins il y a de frottement entre la surface externe (13) du rotor (6) et la surface interne (12) du stator (7).The object of the present invention is a direct piezoelectric power generation system and a turbine (5) comprising a stator (7), a rotor (6) driven by at least two blades (10), characterized by the the rotor (6) is mounted displaceable in translation on its axis of rotation (9), an elastic return system (14) being mounted on the axis of rotation (9) of the rotor (6) to oppose the displacement in translation of the rotor (6) resulting from the force exerted on the blades (10) by the fluid flow, one of the outer surface (13) of the rotor (6) opposite the stator (7) or the inner surface (12) of the stator (7) facing the rotor (6) further carrying one or more piezoelectric elements (11), the other having one or more surface irregularities such that the rotation of the rotor (6) inside the stator (7) causes a deformation of the piezoelectric element (s) (11) for an electrical generation by the direct piezoelectric effect, the elastic return system (14) being coupled to the rotor (6) such that the less fluid flows on the blades (10), the less friction there is between the outer surface (13) of the rotor (6) and the inner surface (12) of the stator (7).
Description
SYSTÈME DE GÉNÉRATION D'ÉLECTRICITÉ PAR EFFET PIÉZOÉLECTRIQUE DIRECT ET TURBINE COMPRENANT LEDIT SYSTEME La présente invention concerne le domaine des systèmes de récupération d'énergie, et porte plus particulièrement sur une turbine à génération d'énergie piézoélectrique, permettant de transformer une énergie éolienne ou hydraulique en une énergie électrique. La piézoélectricité, découverte par les frères Curie en 1880, est la propriété qu'ont certains corps à générer de l'électricité sous l'action d'une contrainte mécanique (effet direct) ou à se déformer sous l'action d'un champ électrique (effet indirect), cette propriété à effet direct étant de plus en plus utilisée de nos jours afin de générer de l'électricité. La plupart des technologies utilisant cette propriété, telles qu'un allume gaz qui permet de générer une tension électrique importante dont la décharge permet de créer une étincelle, une dalle de trottoir qui fournit de l'électricité lorsqu'elle s'enfonce sous l'action du poids des marcheurs, ou un récolteur d'énergie cinétique piézoélectrique qui permet de recharger une batterie de téléphone intelligent, utilisent la pression ou l'impact dans un mouvement sensiblement normal à la surface du matériau piézoélectrique. Cependant, il apparaît intéressant d'utiliser des mouvements de rotation pour récupérer de l'énergie, par exemple, éolienne ou hydraulique, afin de la transformer en énergie électrique par l'intermédiaire d'une compression de matériau piézoélectrique par frottement, parallèlement à la surface du matériau piézoélectrique.The present invention relates to the field of energy recovery systems, and relates more particularly to a piezoelectric energy generation turbine, for transforming wind power or wind energy. hydraulic in electrical energy. Piezoelectricity, discovered by the Curie brothers in 1880, is the property of some bodies to generate electricity under the action of a mechanical stress (direct effect) or to deform under the action of a field electric (indirect effect), this direct effect property being used more and more today to generate electricity. Most technologies using this property, such as a gas lighter that generates a large electrical voltage whose discharge can create a spark, a sidewalk slab that provides electricity when it sinks under the walker weight action, or a piezoelectric kinetic energy harvester that reloads a smart phone battery, utilizes pressure or impact in a substantially normal motion on the surface of the piezoelectric material. However, it appears advantageous to use rotational movements to recover energy, for example, wind or hydraulic energy, in order to transform it into electrical energy by means of a compression of piezoelectric material by friction, parallel to the surface of the piezoelectric material.
La demande de brevet coréen KR20130048588 décrit un appareil et un procédé de récupération d'énergie piézoélectrique pour convertir une énergie naturelle en une énergie électrique par conversion d'une énergie mécanique 5 en énergie électrique par un module piézoélectrique et par conversion de l'énergie naturelle en énergie mécanique par la rotation d'une hélice. Cependant, cet appareil, bien qu'utilisant un mouvement de rotation par l'intermédiaire d'une hélice, utilise l'impact de saillies sur des éléments 10 piézoélectriques et non la compression des éléments piézoélectriques par frottement. De plus, cet appareil ne permet pas de freiner la vitesse de rotation de l'axe de l'hélice lorsque celle-ci est trop importante. La demande de brevet chinois CN203584684 décrit 15 un générateur piloté par le vent fondé sur l'effet piézoélectrique, comprenant une enveloppe en forme de cylindre et au moins un groupe de modules de génération d'électricité par pression disposés sur la paroi interne de l'enveloppe et actionnés par la rotation d'une hélice. 20 Cependant, ce générateur, bien qu'utilisant un mouvement de rotation par l'intermédiaire d'une hélice, utilise l'impact d'une seconde hélice sur des éléments piézoélectriques et non la compression des éléments piézoélectriques par frottement. De plus, ce générateur ne permet pas de freiner 25 la vitesse de rotation de l'axe de l'hélice lorsque celle-ci est trop importante. La présente invention vise à résoudre les inconvénients de l'état antérieur de la technique, en proposant une turbine comprenant à l'intérieur de celle-ci 30 un ou plusieurs éléments piézoélectriques qui génèrent, par frottement d'un rotor sur un stator, une énergie électrique, en plus de l'énergie électrique générée par un alternateur par l'intermédiaire de la rotation du rotor de la turbine, le frottement permettant en outre de freiner la vitesse de rotation de l'axe du rotor de la turbine lorsque celle-ci est trop importante, la turbine comprenant en outre un système de rappel élastique afin qu'aucun frottement n'existe entre le rotor et le stator lorsque le rotor de la turbine n'est pas en rotation. La présente invention a donc pour objet un système de génération d'électricité par effet piézoélectrique direct, caractérisé par le fait qu'il comprend une surface stimulée portant sur l'une de ses faces au moins un élément piézoélectrique, et une surface de stimulation présentant des irrégularités de surface, ladite surface de stimulation étant déplacée par rapport à ladite surface stimulée de telle sorte que les irrégularités de surface de la surface de stimulation soient en regard de la face de la surface stimulée portant ledit ou lesdits éléments piézoélectriques, et la surface stimulée et la surface de stimulation étant maintenues à une distance telle qu'au moins une partie des irrégularités de surface de la surface de stimulation soient aptes appuyer sur ledit ou lesdits éléments piézoélectriques de la surface stimulée, le déplacement de la surface de stimulation par rapport à la surface stimulée provoquant des déformations successives dudit ou desdits éléments piézoélectriques par appui des irrégularités de surface sur ceux-ci et la génération d'électricité par effet piézoélectrique direct, ledit système comprenant en outre un moyen de récupération de l'énergie électrique ainsi générée.Korean patent application KR20130048588 discloses an apparatus and method for recovering piezoelectric energy for converting natural energy into electrical energy by converting mechanical energy into electrical energy by a piezoelectric module and by converting natural energy. in mechanical energy by the rotation of a helix. However, this apparatus, while using rotational movement through a propeller, utilizes the impact of protrusions on piezoelectric elements and not the compression of the piezoelectric elements by friction. In addition, this device does not allow to slow the speed of rotation of the axis of the propeller when it is too important. Chinese patent application CN203584684 discloses a piezoelectric effect-based wind-driven generator comprising a cylinder-shaped casing and at least one group of pressurized electricity generating modules disposed on the inner wall of the casing. envelope and actuated by the rotation of a helix. However, this generator, while using rotational movement through a helix, uses the impact of a second helix on piezoelectric elements and not the compression of the piezoelectric elements by friction. In addition, this generator does not make it possible to slow down the speed of rotation of the axis of the propeller when this is too great. The present invention aims to solve the drawbacks of the prior art by proposing a turbine comprising inside thereof one or more piezoelectric elements which generate, by friction of a rotor on a stator, a electrical energy, in addition to the electrical energy generated by an alternator through the rotation of the rotor of the turbine, the friction also making it possible to slow down the speed of rotation of the rotor axis of the turbine when it is too important, the turbine further comprising an elastic return system so that no friction exists between the rotor and the stator when the rotor of the turbine is not rotating. The subject of the present invention is therefore a system for generating electricity by a direct piezoelectric effect, characterized in that it comprises a stimulated surface bearing on one of its faces at least one piezoelectric element, and a stimulation surface presenting surface irregularities, said stimulation surface being displaced with respect to said stimulated surface such that the surface irregularities of the stimulation surface are opposite the surface of the stimulated surface carrying said piezoelectric element or elements, and the surface stimulated and the stimulation surface being held at a distance such that at least a portion of the surface irregularities of the stimulation surface are able to press against said piezoelectric element (s) of the stimulated surface, the displacement of the stimulation surface relative to on the stimulated surface causing successive deformations said one or more piezoelectric elements by supporting surface irregularities thereon and direct piezoelectric power generation, said system further comprising means for recovering electrical energy thereby generated.
Une irrégularité de surface peut par exemple être constituée par une ou plusieurs saillies de la surface de stimulation par rapport à un plan de base de la surface de stimulation.For example, a surface irregularity may be one or more projections of the stimulation surface relative to a base plane of the stimulation surface.
Selon un mode de réalisation, la surface stimulée et la surface de stimulation sont planes, la surface de stimulation étant déplacée en translation sur la surface stimulée.According to one embodiment, the stimulated surface and the stimulation surface are flat, the stimulation surface being displaced in translation on the stimulated surface.
Selon un mode de réalisation, la surface stimulée et la surface de stimulation ont des formes coniques ou tronconiques complémentaires, la surface de stimulation portant sur sa surface interne les irrégularités de surface tournant autour de la surface stimulée portant ledit ou lesdits éléments piézoélectriques sur sa surface externe, ou la surface de stimulation portant sur sa surface externe les irrégularités de surface tournant l'intérieur de la surface stimulée portant ledit ou lesdits éléments piézoélectriques sur sa surface interne.According to one embodiment, the stimulated surface and the stimulation surface have complementary conical or frustoconical shapes, the stimulation surface carrying on its inner surface the surface irregularities rotating around the stimulated surface carrying said piezoelectric element (s) on its surface. external, or the stimulation surface bearing on its outer surface the surface irregularities rotating inside the stimulated surface carrying said piezoelectric element (s) on its inner surface.
Selon un mode de réalisation, les irrégularités de surface sont des ondulations, de préférence à longueur d'onde constante. L'invention a également pour objet une turbine comprenant un stator, un rotor ayant un moyeu sur l'axe de rotation du rotor, ledit moyeu portant au moins deux pales de telle sorte qu'un flux de fluide sur lesdites pales entraîne la rotation du rotor à l'intérieur du stator, caractérisée par le fait que le rotor est monté déplaçable en translation sur son axe de rotation, un système de rappel élastique étant monté sur l'axe de rotation du rotor pour s'opposer au déplacement en translation du rotor résultant de la force exercée sur les pales par le flux de fluide, l'une de la surface externe du rotor en regard du stator ou de la surface interne du stator en regard du rotor portant en outre un ou plusieurs éléments piézoélectriques, l'autre de la surface externe du rotor en regard du stator ou de la surface interne du stator en regard du rotor présentant une ou plusieurs irrégularités de surface pour former un système de génération d'électricité par effet piézoélectrique direct tel que défini ci-dessus, de telle sorte que la rotation du rotor à l'intérieur du stator provoque une déformation du ou des 5 éléments piézoélectriques pour une génération d'électricité par effet piézoélectrique direct, le système de rappel élastique étant couplé au rotor de telle sorte que moins il y a de flux de fluide sur les pales, moins il y a de frottement entre la surface externe du rotor et la surface 10 interne du stator. Ainsi, le frottement de la surface externe du rotor sur la surface interne du stator lorsque le rotor est en rotation permet la génération d'une énergie électrique supplémentaire par l'intermédiaire du ou des éléments 15 piézoélectriques, le ou les éléments piézoélectriques étant comprimés par la surface externe du rotor en rotation ou par la surface interne du stator et générant ainsi une énergie électrique, le rendement énergétique de la turbine est ainsi amélioré. 20 De plus, le frottement du rotor sur le stator permet de freiner la vitesse de rotation du rotor de la turbine lorsque celle-ci devient trop importante par l'intermédiaire du fait que plus la force exercée sur les pales par le flux de fluide est importante, plus le 25 frottement entre la surface externe du rotor et la surface interne du stator est important, évitant ainsi tout risque d'emballement de la vitesse de rotation. La mobilité en translation du rotor sur son axe de rotation, couplée au système de rappel élastique, permet 30 en outre, lorsque le flux de fluide le permet, d'augmenter la pression de la surface externe du rotor sur la surface interne du stator, et donc de générer plus d'électricité.According to one embodiment, the surface irregularities are corrugations, preferably at constant wavelength. The invention also relates to a turbine comprising a stator, a rotor having a hub on the axis of rotation of the rotor, said hub carrying at least two blades so that a fluid flow on said blades causes rotation of the rotor. rotor inside the stator, characterized in that the rotor is mounted displaceable in translation on its axis of rotation, an elastic return system being mounted on the axis of rotation of the rotor to oppose the translational movement of the rotor. rotor resulting from the force exerted on the blades by the fluid flow, one of the outer surface of the rotor opposite the stator or the internal surface of the stator opposite the rotor carrying in addition one or more piezoelectric elements, the other of the outer surface of the rotor facing the stator or the inner surface of the stator opposite the rotor having one or more surface irregularities to form a system for generating electricity by a piezo effect direct oelectric as defined above, so that the rotation of the rotor inside the stator causes a deformation of the piezoelectric element or elements for a direct piezoelectric effect electricity generation, the elastic return system being coupled to the rotor so that the less fluid flow on the blades, the less friction there is between the outer surface of the rotor and the inner surface of the stator. Thus, the friction of the outer surface of the rotor with the inner surface of the stator when the rotor is rotating allows the generation of additional electrical energy through the piezoelectric element (s), the piezoelectric element (s) being compressed by the outer surface of the rotating rotor or the inner surface of the stator and thus generating electrical energy, the energy efficiency of the turbine is thus improved. In addition, the friction of the rotor on the stator makes it possible to slow down the rotational speed of the rotor of the turbine when it becomes too large through the fact that the greater the force exerted on the blades by the fluid flow is The greater the friction between the outer surface of the rotor and the inner surface of the stator is important, thus avoiding any risk of runaway speed. The mobility in translation of the rotor on its axis of rotation, coupled to the elastic return system, furthermore makes it possible, when the flow of fluid allows it, to increase the pressure of the external surface of the rotor on the internal surface of the stator. and therefore to generate more electricity.
En outre, le système de rappel élastique de la turbine permet d'éliminer le frottement entre le rotor et le stator lorsque le flux de fluide sur les pales est nul, le rotor de la turbine étant ainsi libre à la rotation car sans frottement. Contrairement aux dispositifs de générateur électromagnétique, cette turbine est efficace même en tournant à faible vitesse. Selon une caractéristique particulière de 10 l'invention, la ou les irrégularités de surface sont des ondulations, de préférence de longueur d'onde constante. Ainsi, la surface ondulée du rotor ou du stator permet de comprimer et décomprimer périodiquement le ou les éléments piézoélectriques lors de la rotation du rotor, 15 permettant ainsi la génération d'une énergie électrique par le ou les éléments piézoélectriques. Les ondulations peuvent être sur tout ou partie de la surface présentant des irrégularités de surface, être rectilignes ou inclinées, à pas constant ou non. 20 Selon une caractéristique particulière de l'invention, le ou les éléments piézoélectriques sont des éléments piézoélectriques discrets. Ainsi, plusieurs éléments piézoélectriques discrets peuvent être disposés uniformément sur la surface 25 interne du stator ou la surface externe du rotor, ou une feuille piézoélectrique unique peut être disposée sur la surface interne du stator ou la surface externe du rotor, permettant ainsi un recouvrement optimal de la surface interne du stator ou la surface externe du rotor par un ou 30 des éléments piézoélectriques. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le système de rappel élastique est un ressort de rappel disposé sur l'extrémité de l'axe de rotation du rotor opposée au moyeu et en appui contre la surface interne du stator, ou plus généralement en appui contre un élément fixe par rapport au stator. Ainsi, lorsque la vitesse de rotation du rotor 5 est importante le ressort de rappel se comprime, permettant ainsi le frottement du rotor sur le stator, et lorsque la vitesse de rotation du rotor est faible le ressort se décomprime, permettant ainsi au rotor de retourner dans sa position d'origine sans frottement avec le stator, le rotor 10 devenant ainsi libre à la rotation. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le rotor a une forme tronconique, le stator ayant une volume interne de forme tronconique complémentaire dans lequel tourne le rotor. 15 Ainsi, la surface de frottement de la surface externe du rotor sur la surface interne du stator est optimale, toute la surface externe du rotor frottant sur toute la surface interne du stator lorsque le rotor est en rotation à une vitesse élevée, la production d'énergie 20 électrique par le ou les éléments piézoélectriques étant ainsi optimale. En outre, la forme tronconique conjuguée au système de rappel élastique permet avantageusement d'augmenter ou de diminuer la pression de la surface 25 externe du rotor sur la surface interne du stator par simple déplacement en translation du rotor selon son axe de rotation. Les ondulations peuvent être formées sur la surface externe du rotor, inclinées par rapport à l'axe de 30 rotation du rotor, dans le sens contraire du sens de rotation normal du rotor, pour permettre de créer une force s'opposant à la force de poussée du rotor dans le stator générée par le flux de fluide sur les pales.In addition, the elastic return system of the turbine eliminates the friction between the rotor and the stator when the fluid flow on the blades is zero, the rotor of the turbine thus being free to rotate because without friction. Unlike electromagnetic generator devices, this turbine is efficient even at low speed. According to a particular characteristic of the invention, the surface irregularity or irregularities are corrugations, preferably of constant wavelength. Thus, the corrugated surface of the rotor or stator makes it possible to periodically compress and decompress the piezoelectric element or elements during the rotation of the rotor, thus enabling the generation of electrical energy by the piezoelectric element or elements. The corrugations may be on all or part of the surface having surface irregularities, being rectilinear or inclined, constant pitch or not. According to a particular characteristic of the invention, the piezoelectric element or elements are discrete piezoelectric elements. Thus, a plurality of discrete piezoelectric elements may be uniformly disposed on the inner surface of the stator or the outer surface of the rotor, or a single piezoelectric sheet may be disposed on the inner surface of the stator or the outer surface of the rotor, thereby allowing optimal recovery. the inner surface of the stator or the outer surface of the rotor by one or more piezoelectric elements. According to a particular characteristic of the invention, the elastic return system is a return spring disposed on the end of the axis of rotation of the rotor opposite the hub and resting against the internal surface of the stator, or more generally in support against a fixed element relative to the stator. Thus, when the rotational speed of the rotor 5 is high the return spring is compressed, thus allowing the rotor to rub on the stator, and when the speed of rotation of the rotor is low the spring decompresses, thus allowing the rotor to return in its original position without friction with the stator, the rotor 10 thus becoming free to rotate. According to a first embodiment of the invention, the rotor has a frustoconical shape, the stator having an internal volume of complementary frustoconical shape in which the rotor rotates. Thus, the friction surface of the outer surface of the rotor on the inner surface of the stator is optimal, the entire outer surface of the rotor rubbing over the entire inner surface of the stator when the rotor is rotating at a high speed, the production of electrical energy by the piezoelectric element or elements being thus optimal. In addition, the frustoconical shape combined with the elastic return system advantageously makes it possible to increase or decrease the pressure of the outer surface of the rotor on the inner surface of the stator by simple displacement in translation of the rotor along its axis of rotation. The corrugations may be formed on the outer surface of the rotor, inclined relative to the rotational axis of the rotor, in the opposite direction of the normal direction of rotation of the rotor, to allow a force opposing the force of the rotor to be created. rotor thrust in the stator generated by the fluid flow on the blades.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, la surface externe du rotor est constituée par une ou plusieurs plaques en forme d'arc de cylindre ayant pour axe l'axe de rotation du rotor, chacune articulée par 5 une ou plusieurs bielles à l'axe de rotation du rotor, chaque bielle étant sollicitée par un moyen de rappel élastique à l'encontre du système de rappel élastique pour écarter les plaques de l'axe de rotation du rotor avec l'augmentation de la force exercée par le flux de fluide 10 sur les pales. Ainsi, l'articulation de la ou des plaques par bielle permet à la ou aux plaques de se déplacer vers la surface interne du stator lorsque le flux de fluide est suffisant pour pousser l'axe du rotor à l'intérieur du 15 stator, la ou les plaques frottant ainsi sur le éléments piézoélectriques disposés sur la surface du stator, ces derniers générant ainsi une électrique, le moyen de rappel élastique sur les permettant de moduler la pression exercée par les ou les interne énergie bielles plaques 20 sur la surface interne du stator, ladite pression augmentant avec l'augmentation du flux de fluide sur les pales. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le ou les éléments piézoélectriques sont tous 25 reliés ensemble par l'intermédiaire d'un câblage. Ainsi, toute l'énergie électrique produite par le ou les éléments piézoélectriques peut être récupérée par l'intermédiaire de ce câblage. Selon une caractéristique particulière de 30 l'invention, la turbine comprend en outre un circuit de redressement afin de redresser le courant généré par le ou les éléments piézoélectriques, le circuit de redressement étant relié à chaque élément piézoélectrique par l'intermédiaire du câblage, le circuit de redressement étant de préférence un circuit RLC (résistance-inductancecondensateur). Ainsi, l'électricité produite par le ou les 5 éléments piézoélectriques ayant deux phases produisant chacune un courant de sens opposé selon la compression ou le relâchement du ou des éléments piézoélectriques par les irrégularités de surface, le circuit de redressement permet de redresser le courant généré par le ou les éléments 10 piézoélectriques pour son utilisation ultérieure. Selon une première variante de l'invention, la turbine comprend en outre un moyen de stockage afin de stocker le courant redressé en provenance du circuit de redressement, le moyen de stockage étant de préférence une 15 batterie ou un ou plusieurs condensateurs. Ainsi, dans le cas où le courant généré par le ou les éléments piézoélectriques n'est pas utilisé immédiatement, le dispositif de stockage permet de stocker le courant redressé afin de l'utiliser ultérieurement. 20 Selon une seconde variante de l'invention, le courant redressé en provenance du circuit de redressement est directement envoyé vers un réseau électrique auquel est relié la turbine. La turbine peut également comprendre en outre un 25 alternateur pour convertir en énergie électrique l'énergie provenant de la rotation des pales entraînée par le flux de fluide sur celle-ci. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la turbine est l'une parmi une turbine 30 hydraulique, une turbine à gaz de combustion, une turbine aéronautique et une éolienne. Ainsi, l'invention permet de transformer une énergie éolienne ou hydraulique en une énergie électrique, par l'intermédiaire de la rotation de l'axe du rotor de la turbine et par l'intermédiaire également du frottement du rotor sur le stator lorsque le flux de fluide sur les pales est suffisant.According to a second embodiment of the invention, the outer surface of the rotor is constituted by one or more plates in the form of a cylinder arc having for axis the axis of rotation of the rotor, each articulated by one or more connecting rods. the axis of rotation of the rotor, each connecting rod being biased by an elastic return means against the elastic return system to move the plates away from the axis of rotation of the rotor with the increase of the force exerted by the flow of fluid 10 on the blades. Thus, the articulation of the plate or plates by connecting rod allows the plate (s) to move towards the internal surface of the stator when the fluid flow is sufficient to push the axis of the rotor inside the stator. or the plates thus rubbing on the piezoelectric elements disposed on the surface of the stator, the latter thus generating an electrical, the elastic return means on them to modulate the pressure exerted by the internal or internal energy connecting rods 20 on the inner surface of the stator, said pressure increasing with increasing fluid flow on the blades. According to a particular characteristic of the invention, the piezoelectric element or elements are all connected together by means of a wiring. Thus, all the electrical energy produced by the piezoelectric element or elements can be recovered via this wiring. According to a particular characteristic of the invention, the turbine further comprises a rectifying circuit for rectifying the current generated by the piezoelectric element or elements, the rectifying circuit being connected to each piezoelectric element via the wiring, the rectifying circuit being preferably an RLC circuit (resistance-inductancecondensateur). Thus, the electricity produced by the piezoelectric element or elements having two phases each producing a current of opposite direction depending on the compression or relaxation of the piezoelectric element or elements by the surface irregularities, the rectifying circuit makes it possible to rectify the current generated. by the piezoelectric element (s) for its further use. According to a first variant of the invention, the turbine further comprises storage means for storing the rectified current from the rectifying circuit, the storage means being preferably a battery or one or more capacitors. Thus, in the case where the current generated by the piezoelectric element or elements is not used immediately, the storage device makes it possible to store the rectified current for later use. According to a second variant of the invention, the rectified current from the rectifying circuit is directly sent to an electrical network to which the turbine is connected. The turbine may further include an alternator for converting energy from the blade rotation driven by the fluid flow thereon to electrical energy. According to a particular characteristic of the invention, the turbine is one of a hydraulic turbine, a combustion gas turbine, an aeronautical turbine and a wind turbine. Thus, the invention makes it possible to transform a wind or hydraulic energy into an electrical energy, by means of the rotation of the rotor axis of the turbine and also by the friction of the rotor on the stator when the flow fluid on the blades is sufficient.
Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre illustratif et non limitatif, deux modes de réalisation préférés, avec référence aux dessins annexés. Sur ces dessins : - la Figure 1 est une vue en coupe d'un élément piézoélectrique non comprimé par une surface ondulée ; - la Figure 2 est une vue en coupe de l'élément piézoélectrique de la Figure 1 comprimé par la surface ondulée ; - la Figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une turbine selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; - la Figure 4 est une vue la turbine selon l'axe CC de la Figure 3 ; - la Figure 5 est une vue en perspective du rotor de la turbine de la Figure 3 ; - la Figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une turbine selon un second mode de réalisation de la présente invention ; et - la Figure 7 est une vue en coupe transversale de la turbine selon l'axe CC de la Figure 6. Si l'on se réfère aux Figures 1 et 2, on peut 30 voir qu'il y est représenté un système de génération d'énergie par effet piézoélectrique direct selon la présente invention, ledit système comprenant un élément en coupe transversale de piézoélectrique 1 comprimé ou non par une surface ondulée 2. L'utilisation du phénomène piézoélectrique direct dans un mouvement de rotation repose sur l'utilisation d'une surface ondulée 2 se déplaçant localement parallèlement à un support 3 dans une cavité 3a duquel est disposé l'élément piézoélectrique 1. La Figure 1 représente l'élément piézoélectrique 1 en position non comprimée et la Figure 2 représente 10 l'élément piézoélectrique 1 comprimé par la surface ondulée 2 contre le fond de la cavité 3a comme suite à la translation longitudinale de la surface ondulée 2 par rapport au support 3. L'élément piézoélectrique 1 comporte deux 15 électrodes 4 disposées respectivement au niveau des deux pôles de l'élément piézoélectrique 1. Les deux électrodes 4 recueillent l'électricité produite par les compressions et relâchements successifs de l'élément piézoélectrique 1 produits par déplacement 20 relatif de la surface ondulée 2 par rapport au support 3. La quantité de courant produite par l'élément piézoélectrique 1 est fonction de la force mécanique qui s'y applique. Cette relation non linéaire fait que plus la force est importante, plus la déformation de l'élément 25 piézoélectrique 1 est importante, et plus le courant produit en conséquence est important. Cette invention utilise ce principe appliqué à la transformation d'énergie mécanique d'un flux de fluide (éolien ou hydraulique par exemple) en énergie électrique 30 grâce à la rotation de pales d'un rotor dans ce flux de fluide. Il est à noter que bien qu'une ondulation ait été représentée sur les Figures 1 et 2, toutes irrégularités de surface, telle que des saillies, des dents de plus ou moins grandes dimensions, ou des ondulations à longueur d'onde variable, sont envisagées dans le cadre de la présente invention.To better illustrate the object of the present invention will be described below, by way of illustration and not limited to two preferred embodiments, with reference to the accompanying drawings. In these drawings: - Figure 1 is a sectional view of a piezoelectric element uncompressed by a corrugated surface; Figure 2 is a sectional view of the piezoelectric element of Figure 1 compressed by the corrugated surface; - Figure 3 is a longitudinal sectional view of a turbine according to a first embodiment of the present invention; - Figure 4 is a view the turbine along the axis CC of Figure 3; Figure 5 is a perspective view of the rotor of the turbine of Figure 3; - Figure 6 is a longitudinal sectional view of a turbine according to a second embodiment of the present invention; and Figure 7 is a cross-sectional view of the turbine along the axis CC of Figure 6. Referring to Figures 1 and 2, it can be seen that there is shown a generating system direct piezoelectric effect of the present invention, said system comprising a piezoelectric cross-section element 1 compressed or not by a corrugated surface 2. The use of the direct piezoelectric phenomenon in a rotational movement is based on the use of a corrugated surface 2 moving locally parallel to a support 3 in a cavity 3a of which the piezoelectric element 1 is arranged. FIG. 1 represents the piezoelectric element 1 in the uncompressed position and FIG. 2 represents the piezoelectric element 1 compressed by the corrugated surface 2 against the bottom of the cavity 3a as a result of the longitudinal translation of the corrugated surface 2 relative to the support 3. The piezo element 1 comprises two electrodes 4 disposed respectively at the two poles of the piezoelectric element 1. The two electrodes 4 collect the electricity produced by the successive compressions and releases of the piezoelectric element 1 produced by relative displacement of the surface. corrugated 2 relative to the support 3. The amount of current produced by the piezoelectric element 1 is a function of the mechanical force that applies thereto. This non-linear relationship means that the greater the force, the greater the deformation of the piezoelectric element 1, and the greater the current produced accordingly. This invention uses this principle applied to the transformation of mechanical energy of a fluid flow (wind or hydraulic for example) into electrical energy 30 through the rotation of blades of a rotor in this fluid flow. It should be noted that although a ripple has been shown in FIGS. 1 and 2, all surface irregularities, such as projections, teeth of greater or lesser dimensions, or variable wavelength ripples, are considered in the context of the present invention.
Si l'on se réfère aux Figures 3 à 5, on peut voir qu'il y est représenté une turbine 5 selon un premier mode de réalisation de la présente invention. La turbine 5 comprend un rotor 6 rotatif l'intérieur d'un stator 7, le rotor 6 présentant un moyeu 8 en saillie du stator 7, aligné sur l'axe de rotation 9 du rotor 6 et portant au moins deux pales 10, un flux de fluide sur les pales 10 entraînant la rotation du rotor 6 à l'intérieur du stator 7 et ainsi la génération d'énergie électrique par l'intermédiaire d'un alternateur (non représenté sur les Figures 3 et 4), plusieurs éléments piézoélectriques 11 étant en outre disposés sur la surface interne 12 du stator 7 de telle sorte que lorsque le rotor 6 est en rotation, de l'énergie électrique est également générée par frottement de la surface externe 13 du rotor 6 sur la surface interne 12 du stator 7. Le rotor 6 est couplé à un système de rappel élastique 14 monté sur l'axe de rotation 9 du rotor 6 et s'opposant à la force exercée par le flux de fluide sur les pales 10, le rotor 6 étant déplaçable en translation selon son axe de rotation 9 et monté dans le stator 7 de telle sorte que plus la force exercée sur les pales 10 par le flux de fluide est importante, plus le frottement entre la surface externe 13 du rotor 6 et la surface interne 12 du stator 7 est important, le système de rappel élastique 14 permettant de ramener le rotor 6 à une position d'origine, dans laquelle la pression exercée par la surface externe 13 du rotor 6 sur la surface interne 12 du stator 7 est minimale, lorsque le flux de fluide sur les pales 10 est nul. Il est à noter que la turbine 5 peut être l'une parmi une turbine hydraulique, une turbine à gaz de 5 combustion, une turbine aéronautique et une éolienne. La surface externe 13 du rotor 6 est ondulée afin de comprimer et relâcher périodiquement les éléments piézoélectriques 11 lors de la rotation du rotor 6, permettant ainsi la génération d'une énergie électrique par 10 les éléments piézoélectriques 11. Il est à noter que la surface externe 13 du rotor 6 pourrait être d'une forme non uniforme quelconque telle que comportant des dents, disposées régulièrement ou non, sans s'écarter du cadre de la présente invention. 15 Les éléments piézoélectriques 11 sont des éléments piézoélectriques discrets mais pourraient également être sous forme d'une feuille piézoélectrique unique, sans s'écarter du cadre de la présente invention. En outre, également sans s'écarter du cadre de la 20 présente invention, les éléments piézoélectriques 11 pourraient être disposés sur la surface externe 13 du rotor 6, et les ondulations sur la surface interne 12 du stator 7, l'électricité étant alors récupérée par un câblage dans le rotor 6 relié à un joint tournant. 25 Le système de rappel élastique 14 est un ressort de rappel disposé sur l'extrémité de l'axe de rotation 9 du rotor 6 opposée au moyeu 8 et en appui contre la surface interne 12 du stator 7. Selon ce premier mode de réalisation de la 30 présente invention, l'intérieur du stator 7 et le rotor 6 ont des formes tronconiques complémentaires, le rotor 6 de forme tronconique étant disposé dans un volume de forme tronconique complémentaire formé à l'intérieur du stator 7.Referring to Figures 3 to 5, it can be seen that there is shown a turbine 5 according to a first embodiment of the present invention. The turbine 5 comprises a rotor 6 rotating inside a stator 7, the rotor 6 having a hub 8 projecting from the stator 7, aligned on the axis of rotation 9 of the rotor 6 and carrying at least two blades 10, a flow of fluid on the blades 10 driving the rotation of the rotor 6 inside the stator 7 and thus the generation of electrical energy via an alternator (not shown in FIGS. 3 and 4), a plurality of piezoelectric elements 11 being further disposed on the inner surface 12 of the stator 7 so that when the rotor 6 is rotating, electrical energy is also generated by friction of the outer surface 13 of the rotor 6 on the inner surface 12 of the stator 7. The rotor 6 is coupled to an elastic return system 14 mounted on the axis of rotation 9 of the rotor 6 and opposing the force exerted by the fluid flow on the blades 10, the rotor 6 being displaceable in translation according to its axis of rotation 9 and mounted d in the stator 7 so that the greater the force exerted on the blades 10 by the fluid flow, the greater the friction between the outer surface 13 of the rotor 6 and the inner surface 12 of the stator 7 is important, the return system elastic 14 for returning the rotor 6 to an original position, in which the pressure exerted by the outer surface 13 of the rotor 6 on the inner surface 12 of the stator 7 is minimal, when the fluid flow on the blades 10 is zero . It should be noted that the turbine 5 may be one of a hydraulic turbine, a combustion gas turbine, an aeronautical turbine and a wind turbine. The outer surface 13 of the rotor 6 is corrugated to periodically compress and release the piezoelectric elements 11 during the rotation of the rotor 6, thereby enabling the generation of electrical energy by the piezoelectric elements 11. It should be noted that the surface external 13 of the rotor 6 could be of any non-uniform shape such that having teeth, arranged regularly or not, without departing from the scope of the present invention. The piezoelectric elements 11 are discrete piezoelectric elements but could also be in the form of a single piezoelectric sheet, without departing from the scope of the present invention. Furthermore, also without departing from the scope of the present invention, the piezoelectric elements 11 could be disposed on the outer surface 13 of the rotor 6, and the corrugations on the inner surface 12 of the stator 7, the electricity then being recovered. by a wiring in the rotor 6 connected to a rotating joint. The elastic return system 14 is a return spring disposed on the end of the axis of rotation 9 of the rotor 6 opposite the hub 8 and bears against the inner surface 12 of the stator 7. According to this first embodiment of the present invention, the interior of the stator 7 and the rotor 6 have complementary frustoconical shapes, the frustoconical rotor 6 being disposed in a complementary frustoconical shaped volume formed inside the stator 7.
Le frottement de la surface externe 13 du rotor 6 sur la surface interne 12 du stator 7, lorsque le rotor 6 est en rotation, permet la génération d'une énergie électrique supplémentaire par l'intermédiaire des éléments piézoélectriques 11, les éléments piézoélectriques 11 étant comprimés par la surface externe 13 du rotor 6 en rotation et générant ainsi une énergie électrique. De plus, le frottement du rotor 6 sur le stator 7 permet de freiner la vitesse de rotation du rotor 6 de la turbine 5 lorsque celle-ci devient trop importante par l'intermédiaire du fait que plus la force exercée sur les pales 10 par le flux de fluide est importante, plus le frottement entre la surface externe 13 du rotor 6 et la surface interne 12 du stator 7 est important, évitant ainsi tout risque d'emballement de la vitesse de rotation du rotor 6. En outre, le système de rappel élastique 14 de la turbine permet d'éliminer le frottement entre le rotor 6 et le stator 7 lorsque le flux de fluide sur les pales 10 est nul, le rotor 6 de la turbine 5 étant ainsi libre à la rotation car sans frottement. Les éléments piézoélectriques 11 sont tous reliés ensemble par l'intermédiaire d'un câblage (non représenté sur les Figures 3 à 5).The friction of the outer surface 13 of the rotor 6 on the inner surface 12 of the stator 7, when the rotor 6 is rotating, allows the generation of additional electrical energy via the piezoelectric elements 11, the piezoelectric elements 11 being compressed by the outer surface 13 of the rotor 6 in rotation and thereby generating electrical energy. In addition, the friction of the rotor 6 on the stator 7 makes it possible to slow down the speed of rotation of the rotor 6 of the turbine 5 when the latter becomes too large, by virtue of the fact that the greater the force exerted on the blades 10 by the fluid flow is important, more friction between the outer surface 13 of the rotor 6 and the inner surface 12 of the stator 7 is important, thus avoiding any risk of runaway speed of rotation of the rotor 6. In addition, the system of elastic return 14 of the turbine eliminates the friction between the rotor 6 and the stator 7 when the fluid flow on the blades 10 is zero, the rotor 6 of the turbine 5 is thus free to rotate because without friction. The piezoelectric elements 11 are all connected together via wiring (not shown in Figures 3 to 5).
La turbine 5 comprend en outre un circuit de redressement (non représenté sur les Figures 3 à 5) afin de redresser le courant généré par les éléments piézoélectriques 11, le circuit de redressement étant relié à chaque élément piézoélectrique 11 par l'intermédiaire du câblage, le circuit de redressement étant, de préférence, un circuit RLC, le courant redressé étant ensuite soit stocké dans un moyen de stockage (non représenté sur les Figures 3 5), soit directement envoyé vers un réseau électrique auquel est relié la turbine 5. Si l'on se réfère plus particulièrement à la Figure 5, on peut voir qu'il y est représenté le rotor 6 de 5 la turbine 5 selon le premier mode de réalisation de la présente invention. Le rotor 6 possède une forme tronconique dont la surface externe 13 est ondulée, l'axe de rotation 9 du rotor 6 étant disposé longitudinalement au centre de la 10 forme tronconique. Les ondulations sont disposées de manière oblique par rapport à l'axe de rotation 9 du rotor 6 sur la surface externe 13 du rotor 6 afin de comprimer et relâcher périodiquement, lors de la rotation du rotor 6, les 15 éléments piézoélectriques 11 disposés sur la surface interne 12 du stator 7. Les ondulations pourraient également s'étendre de manière rectiligne dans la direction de l'axe de rotation du rotor 6, sans s'éloigner du cadre de la présente invention.The turbine 5 further comprises a rectifying circuit (not shown in FIGS. 3 to 5) for rectifying the current generated by the piezoelectric elements 11, the rectifying circuit being connected to each piezoelectric element 11 via the wiring, the rectifying circuit is preferably an RLC circuit, the rectified current then being stored in storage means (not shown in FIGS. 35), or directly sent to an electrical network to which the turbine 5 is connected. Referring more particularly to Figure 5, it can be seen that there is shown the rotor 6 of the turbine 5 according to the first embodiment of the present invention. The rotor 6 has a frustoconical shape whose outer surface 13 is undulated, the axis of rotation 9 of the rotor 6 being disposed longitudinally in the center of the frustoconical shape. The corrugations are arranged obliquely with respect to the axis of rotation 9 of the rotor 6 on the outer surface 13 of the rotor 6 in order to periodically compress and release, during the rotation of the rotor 6, the piezoelectric elements 11 arranged on the internal surface 12 of the stator 7. The corrugations could also extend rectilinear in the direction of the axis of rotation of the rotor 6, without departing from the scope of the present invention.
20 Si l'on se réfère aux Figures 6 et 7, on peut voir qu'il y est représenté une turbine 105 selon un second mode de réalisation de la présente invention. Les éléments communs entre le premier mode de réalisation de l'invention sur les Figures 3, 4 et 5 et ce 25 second mode de réalisation de l'invention portent le même chiffre de référence auquel on a ajouté 100, et ne seront pas décrits plus en détail ici lorsqu'ils sont de structures identiques. La turbine 105 selon le second mode de 30 réalisation de l'invention est identique à la turbine 5 selon le premier mode de réalisation de l'invention, l'exception du fait que la surface externe 113 du rotor 106 est constituée par des plaques 116 en forme d'arc de cylindre ayant pour axe l'axe de rotation 109 du rotor 106, chacune articulée par une ou plusieurs bielles 117 à l'axe de rotation 109 du rotor 106. L'articulation des plaques 116 par bielle 117 permet aux plaques 116 de se déplacer vers la surface interne 112 du stator 107 lorsque le flux de fluide sur les pales 110 est suffisant pour pousser l'axe du rotor 109 à l'intérieur du stator 107, les plaques 116 frottant ainsi sur les éléments piézoélectriques 111 disposés sur la surface interne 112 du stator 107, ces derniers générant ainsi une énergie électrique. Les bielles 117 sont munis d'un moyen de rappel élastique type ressort, sollicitant les plaques 116 à l'opposé de l'axe de rotation 109. Ainsi, plus il y a de flux de fluide sur les pales 110, plus les plaques 116 appuient sur la surface interne 112 du stator 107. Le ressort 114 s'oppose à la force exercée par le flux de fluide sur les pales 110. Lorsque le flux de fluide sur les pales 110 diminue, le ressort 114 exerce un déplacement en translation du rotor 106 selon son axe de rotation, lequel déplacement rapproche les plaques 116 de l'axe de rotation 109 par l'intermédiaire des bielles 117, diminuant ainsi la pression des plaques 116 sur la surface interne 112 du stator 107. Il est à noter que la surface externe 113 du 25 rotor 106 pourrait ne comporter qu'une seule plaque 116, sans s'écarter du cadre de la présente invention. Les surfaces externes 113 des plaques 116 sont également ondulées, les ondulations étant formées obliques comme dans le premier mode de réalisation.Referring to Figures 6 and 7, it can be seen that there is shown a turbine 105 according to a second embodiment of the present invention. The elements common to the first embodiment of the invention in FIGS. 3, 4 and 5 and this second embodiment of the invention bear the same reference numeral to which 100 has been added, and will not be described further. in detail here when they are of identical structures. The turbine 105 according to the second embodiment of the invention is identical to the turbine 5 according to the first embodiment of the invention, except that the outer surface 113 of the rotor 106 is constituted by plates 116 in the form of a cylinder arc having as its axis the axis of rotation 109 of the rotor 106, each articulated by one or more rods 117 to the axis of rotation 109 of the rotor 106. The articulation of the plates 116 by rod 117 allows the plates 116 to move towards the inner surface 112 of the stator 107 when the flow of fluid on the blades 110 is sufficient to push the axis of the rotor 109 inside the stator 107, the plates 116 thus rubbing on the piezoelectric elements 111 disposed on the inner surface 112 of the stator 107, the latter thereby generating an electrical energy. The connecting rods 117 are provided with a spring-type elastic return means biasing the plates 116 away from the axis of rotation 109. Thus, the more fluid flows on the blades 110, the more the plates 116 rest on the inner surface 112 of the stator 107. The spring 114 opposes the force exerted by the fluid flow on the blades 110. When the fluid flow on the blades 110 decreases, the spring 114 exerts a displacement in translation of the rotor 106 along its axis of rotation, which displacement brings the plates 116 of the axis of rotation 109 by means of the connecting rods 117, thus reducing the pressure of the plates 116 on the inner surface 112 of the stator 107. It should be noted that the outer surface 113 of the rotor 106 could have only one plate 116, without departing from the scope of the present invention. The outer surfaces 113 of the plates 116 are also corrugated, the corrugations being obliquely formed as in the first embodiment.
30 Comme dans le premier mode de réalisation également, les ondulations pourraient être formées sur la surface interne 113 du stator 107, les éléments piézoélectriques 111 étant disposés sur les plaques 116.As in the first embodiment also, the corrugations could be formed on the inner surface 113 of the stator 107, the piezoelectric elements 111 being arranged on the plates 116.
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