FR3096740A1 - Convertisseur d'energie a cycles combines notamment pour vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

L’invention porte sur un convertisseur d'énergie (10), notamment pour véhicule automobile, comportant: - un système à turbine à gaz (11) comportant une chambre de combustion (14) et une turbine (15) destinée à être entraînée par des gaz de sortie de la chambre de combustion (14), ladite turbine (15) étant destinée à entraîner un générateur électrique (16) pour produire de l’électricité, et - un système à cycle à vapeur (12) comportant un évaporateur (17) pour récupérer la chaleur de gaz en sortie de la turbine (15) du système à turbine, ledit évaporateur (17) étant apte à produire de la vapeur se détendant dans une autre turbine (18), ainsi qu'une pompe (19) pour faire circuler un liquide en sortie d'un condenseur (20) vers ledit évaporateur (17), - le système à turbine à gaz (11) comportant un réservoir d'air comprimé à haute pression (21) destiné à alimenter la chambre de combustion (14). Figure 2

Description

CONVERTISSEUR D'ENERGIE A CYCLES COMBINES NOTAMMENT POUR VEHICULE AUTOMOBILE
La présente invention porte sur un convertisseur d'énergie à cycles combinés, notamment pour véhicule automobile. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les dispositifs de prolongation d'autonomie (dits systèmes "range extender" en anglais) pour produire de l'énergie électrique afin de recharger une batterie utilisée pour alimenter une machine électrique destinée à assurer une traction du véhicule automobile.
Comme cela est illustré par la figure 1, la demanderesse a développé un convertisseur d'énergie 10 comportant un système à turbine à gaz 11 combiné avec un système à cycle à vapeur 12, dit boucle de Rankine.
Le système à turbine à gaz 11 comporte généralement un compresseur 13 destiné à comprimer un gaz, par exemple de l'air, pour alimenter une chambre de combustion 14 dont les gaz de sortie sont destinés à entraîner une turbine 15 connectée à un générateur électrique 16 pour produire de l’électricité.
Le système à cycle à vapeur 12 récupère la chaleur des gaz en sortie de la turbine 15. A cet effet, le système à cycle à vapeur 12 comporte un évaporateur 17 pour récupérer la chaleur des gaz en sortie de la turbine 15. L'évaporateur 17 est apte à produire de la vapeur se détendant dans une turbine 18 destinée à entraîner un générateur électrique 16. Une pompe 19 permet de faire circuler un liquide caloporteur, notamment de l'eau, en sortie d'un condenseur 20 vers l'évaporateur 17.
Le travail de compression réalisé en amont de la chambre de combustion 14 est toutefois loin d’être idéal. Une compression idéale est une compression minimisant l'énergie entre un niveau de pression initial et un niveau de pression final. Thermodynamiquement, une compression idéale est une compression isotherme. Toutefois, une telle compression ne peut pas être assurée dans le cas des machines à turbines à gaz, dans la mesure où la durée de refroidissement lors de la compression n'est pas assez longue.
Même si les compressions sont réalisées via un échangeur thermique, il n'est pas possible d'atteindre une compression idéale. En conséquence, le rendement du convertisseur d'énergie reste loin du rendement idéal de Carnot. Le rendement des cycles combinés pour des applications de production d’énergie est inférieur à 50% pour des applications automobiles.
L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un convertisseur d'énergie, notamment pour véhicule automobile, comportant:
- un système à turbine à gaz comportant une chambre de combustion et une turbine destinée à être entraînée par des gaz de sortie de la chambre de combustion, ladite turbine étant destinée à entraîner un générateur électrique pour produire de l’électricité, et
- un système à cycle à vapeur comportant un évaporateur pour récupérer la chaleur de gaz en sortie de la turbine du système à turbine, ledit évaporateur étant apte à produire de la vapeur se détendant dans une autre turbine, ainsi qu'une pompe pour faire circuler un liquide en sortie d'un condenseur vers ledit évaporateur,
- le système à turbine à gaz comportant un réservoir d'air comprimé à haute pression destiné à alimenter la chambre de combustion. Le réservoir pourra être rechargeable par une source externe d'air comprimé ou remplaçable par un nouveau réservoir rempli d'air.
L'invention permet ainsi, grâce à l'intégration du réservoir d'air comprimé à la place du compresseur classique, d'améliorer le travail net et le rendement du convertisseur d'énergie qui dépasse 75%. La consommation énergétique du convertisseur est donc réduite. Dans le cas des applications automobiles, l'invention présente l'avantage de disposer d'une durée de charge plus courte que celle des batteries électriques. En outre, le conducteur pourra adapter sa charge d’air comprimé en fonction de son trajet. Par exemple, si le conducteur parcourt 100km par jour et qu’il a besoin de 75kg d’air comprimé pour couvrir cette distance (un indicateur de type jauge pouvant indiquer l’autonomie du véhicule en fonction de la masse d’air), il n’aura pas à remplir complètement le réservoir. L'invention permet ainsi d'adapter la masse du véhicule en fonction du besoin d'autonomie alors qu'un véhicule électrique aura toujours la même masse. L'invention présente également un avantage de coût par rapport à un véhicule à batterie de grande capacité.
Selon une réalisation, ledit convertisseur d'énergie comporte une vanne de détente ou une turbine de détente disposée entre le réservoir d'air comprimé à haute pression et la chambre de combustion.
Selon une réalisation, ledit convertisseur d'énergie comporte un échangeur thermique couplé à une sortie de la turbine de détente pour refroidir un espace.
Selon une réalisation, ledit convertisseur d'énergie comporte un échangeur thermique couplé au condenseur du système à cycle à vapeur pour réchauffer un espace.
Selon une réalisation, ledit convertisseur d'énergie comporte un échangeur thermique couplé à une sortie de l'évaporateur du système à cycle à vapeur.
Selon une réalisation, ledit convertisseur d'énergie comporte un compresseur d’air de secours destiné à être activé lorsque le réservoir d'air comprimé à haute pression est vide.
Selon une réalisation, le système à turbine à gaz comporte au moins une chambre de post-combustion située en aval de la chambre de combustion et associée à une turbine connectée au générateur électrique.
Selon une réalisation, la turbine du système à turbine à gaz et la turbine du système à cycle à vapeur sont couplées à un même arbre, dit arbre principal, connecté au générateur électrique.
Selon une réalisation, ledit convertisseur d'énergie comporte un embrayage pour désaccoupler la turbine de détente par rapport à l'arbre principal lorsque le réservoir d'air comprimé à haute pression est vide.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile de type électrique ou hybride comportant un convertisseur d'énergie tel que précédemment défini.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un convertisseur d'énergie à cycles combinés;
La figure 2 est une représentation schématique d'un convertisseur d'énergie selon l'invention;
La figure 3 est une représentation schématique d'une première variante de réalisation du convertisseur d'énergie selon l'invention;
La figure 4 est une représentation schématique d'une deuxième variante de réalisation du convertisseur d'énergie selon l'invention;
La figure 5 est une représentation schématique d'une troisième variante de réalisation du convertisseur d'énergie selon l'invention;
La figure 6 est une représentation schématique d'une quatrième variante de réalisation du convertisseur d'énergie selon l'invention;
La figure 7 est une représentation schématique d'une cinquième variante de réalisation du convertisseur d'énergie selon l'invention;
La figure 8 est une représentation schématique d'une sixième variante de réalisation du convertisseur d'énergie selon l'invention;
La figure 9 est une représentation schématique d'une septième variante de réalisation du convertisseur d'énergie selon l'invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La figure 2 montre un convertisseur d'énergie 10, notamment pour véhicule automobile, comportant un système à turbine à gaz 11 comprenant une chambre de combustion 14 et une turbine 15 destinée à être entraînée par les gaz de sortie de la chambre de combustion 14. La turbine 15 est destinée à entraîner un générateur électrique 16 afin de produire de l'électricité.
Un réservoir d'air comprimé à haute pression 21 est destiné à alimenter la chambre de combustion 14. Une pression de stockage dans le réservoir 21 est de préférence comprise entre 300 bars et 500 bars, et vaut de préférence de l'ordre de 400 bars. Par "de l'ordre de", on entend une variation de plus ou moins 10% autour de cette valeur. Le volume, la masse, et la pression de stockage pourront être adaptés en fonction des besoins de l’application.
Le réservoir pourra être rechargeable par une source externe d'air comprimé ou remplaçable par un nouveau réservoir rempli d'air. Ainsi, lorsqu’il est vide, le réservoir d'air comprimé 21 pourra être rechargé par une source d'air externe au véhicule au cours d’une opération de recharge plus rapide que celle d'une batterie électrique ou, le cas échéant, remplacé par un nouveau réservoir rempli d’air comprimé à haute pression.
Par ailleurs, le convertisseur d'énergie 10 comporte un système à cycle à vapeur 12, dit boucle Rankine, dans lequel circule un fluide, par exemple de l'eau ou tout autre fluide caloporteur adapté à l’application. Le système à cycle à vapeur 12 comporte un évaporateur 17 pour récupérer la chaleur des gaz en sortie de la turbine 15. L'évaporateur 17 est apte à produire de la vapeur se détendant dans une turbine 18 destinée à entraîner un générateur électrique 16 pour produire de l’électricité. Une pompe 19 permet de faire circuler le liquide en sortie d'un condenseur 20 vers l'évaporateur 17.
Une vanne de détente 22 est disposée entre le réservoir 21 et la chambre de combustion 14.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, le convertisseur d'énergie 10 permet de récupérer le travail de détente de l’air comprimé et de produire du froid via la détente d’air comprimé dans une turbine de détente 23. En effet, la détente d’air dans la turbine 23 disposée entre le réservoir 21 et la chambre de combustion 14 permet de réduire la température de l'air. Suivant le taux de détente (défini par le rapport entre la pression dans le réservoir 21 et la pression cible dans la chambre de combustion 14), il est possible d'atteindre des températures très faibles. On pourra utiliser un échangeur thermique 25 couplé à la turbine de détente 23 pour refroidir un espace, notamment l'habitacle du véhicule. L'échangeur thermique 25 est intégré à une boucle thermique comprenant également une pompe 26 et un deuxième échangeur thermique 27.
Par ailleurs, de l’énergie thermique est évacuée via le condenseur 20 vers l’extérieur. Cette énergie pourra être utilisée pour réchauffer un espace, tel que l’habitacle du véhicule en cas de besoin de chauffage. A cet effet, un échangeur thermique 29 est couplé au condenseur 20. Cet échangeur thermique 29 est intégré dans une boucle thermique 28 comportant un réchauffeur de cabine 30, un radiateur du véhicule 31, ainsi qu'une pompe 32.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, on récupère l’énergie évacuée à la fois par le condenseur 20 et contenue dans les gaz chaud issus de la turbine 15. Cela permet d’assurer le besoin de chauffage sur un véhicule et d’augmenter par conséquence l’autonomie par rapport à un véhicule électrique. A cet effet, un échangeur thermique 33 est couplé à une sortie de l'évaporateur 17. L'échangeur thermique 33 est intégré à la boucle thermique 28.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, le système à turbine à gaz 11 comporte au moins une chambre de post-combustion 14', c'est-à-dire une deuxième chambre de combustion, située en aval de la chambre de combustion 14 et associée à une deuxième turbine 15 ' connectée au générateur électrique 16. Cela permet de réduire le débit d’air nécessaire et d’augmenter par conséquence l’autonomie du système.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, le convertisseur d'énergie 10 est équipé d’un compresseur d’air de secours 35 (dit compresseur de "back-up" en anglais) pour fonctionner dans un mode cycle combiné normal. Ainsi, lorsque le réservoir d'air comprimé à haute pression 21 est rempli, la machine pourra fonctionner sans besoin du compresseur de secours 35. L’air comprimé se détend alors dans la turbine de détente 23 et crée un travail mais aussi du froid à température très faible (négative) en sortie de la turbine de détente 23. En effet, l’air se détend dans la turbine 23 et produit un travail donc sa température diminue. Cet air froid est introduit dans l'échangeur thermique 25 pour produire du froid pour le véhicule automobile, comme indiqué précédemment.
Lorsque le réservoir d'air comprimé 21 est vide, le compresseur d’air de secours 35 est activé, de sorte que le convertisseur 10 fonctionne dans un mode cycle combiné normal. Ce mode de fonctionnement est un mode dégradé par rapport à la mise en œuvre du cycle combiné avec un réservoir 21 rempli d'air comprimé.
Dans le mode de réalisation des figures 6 et 7, la turbine ou les turbines 15, 15' entraînées par les gaz de sorties d'une chambre de combustion 14 ou 14' correspondante, ainsi que la turbine 18 du système à cycle à vapeur 12 sont couplées sur un même arbre 37, dit arbre principal, connecté au générateur électrique 16. Cela permet de simplifier le système, dans la mesure où il nécessite une seule génératrice électrique 16. La turbine de détente 23 pourra également être couplée à l'arbre principal 37, tel que cela est montré sur les figures 8 et 9.
Dans le mode de réalisation de la figure 9, un embrayage 38 est prévu pour pouvoir accoupler la turbine de détente 23 avec l'arbre principal 37 lorsque le réservoir d'air comprimé 21 est plein et pour pouvoir désaccoupler la turbine de détente 23 par rapport à l'arbre principal 37 lorsque le réservoir d'air comprimé 21 est vide. Il sera alors possible d'activer le compresseur de secours 35 pour faire fonctionner le système à cycle à turbine à gaz selon un cycle classique.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile de type électrique ou hybride comportant un convertisseur d'énergie 10 tel que précédemment défini. Le convertisseur d'énergie 10 est configuré pour entraîner un générateur électrique 16 destiné à alimenter au moins une batterie du véhicule par l'intermédiaire d'un convertisseur alternatif/continu, notamment de type redresseur tel qu'un pont de diodes. La batterie est destinée à alimenter une machine électrique tournante de traction permettant d'assurer la traction d'un des trains du véhicule automobile. La machine électrique tournante étant de type polyphasée, on utilise un convertisseur, tel qu'un onduleur, pour transformer le courant continu issu de la batterie en un courant alternatif alimentant la machine électrique dans le cas où la machine électrique est une machine alternative. En variante, l'onduleur pourra être supprimé dans le cas où la machine électrique est une machine à courant continu.
Le véhicule automobile pourra être équipé d’une batterie d’une dizaine de kilowattheures (kWh) afin de disposer d'une autonomie de l’ordre de 50 à 60 km dans les villes.

Claims (10)

  1. Convertisseur d'énergie (10), notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte:
    - un système à turbine à gaz (11) comportant une chambre de combustion (14) et une turbine (15) destinée à être entraînée par des gaz de sortie de la chambre de combustion (14), ladite turbine (15) étant destinée à entraîner un générateur électrique (16) pour produire de l’électricité, et
    - un système à cycle à vapeur (12) comportant un évaporateur (17) pour récupérer la chaleur de gaz en sortie de la turbine (15) du système à turbine, ledit évaporateur (17) étant apte à produire de la vapeur se détendant dans une autre turbine (18), ainsi qu'une pompe (19) pour faire circuler un liquide en sortie d'un condenseur (20) vers ledit évaporateur (17),
    - le système à turbine à gaz (11) comportant un réservoir d'air comprimé à haute pression (21) destiné à alimenter la chambre de combustion (14).
  2. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne de détente (22) ou une turbine de détente (23) disposée entre le réservoir d'air comprimé à haute pression (21) et la chambre de combustion (14).
  3. Convertisseur d'énergie selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur thermique (25) couplé à une sortie de la turbine de détente (23) pour refroidir un espace.
  4. Convertisseur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur thermique (29) couplé au condenseur (20) du système à cycle à vapeur pour réchauffer un espace.
  5. Convertisseur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur thermique (33) couplé à une sortie de l'évaporateur (17) du système à cycle à vapeur (12).
  6. Convertisseur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur d’air de secours (35) destiné à être activé lorsque le réservoir d'air comprimé à haute pression (21) est vide.
  7. Convertisseur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le système à turbine à gaz (11) comporte au moins une chambre de post-combustion (14') située en aval de la chambre de combustion (14) et associée à une turbine (15') connectée au générateur électrique (16).
  8. Convertisseur d'énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la turbine (15) du système à turbine à gaz (11) et la turbine (18) du système à cycle à vapeur (12) sont couplées à un même arbre (37), dit arbre principal, connecté au générateur électrique (16).
  9. Convertisseur d'énergie selon les revendications 2 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte un embrayage (38) pour désaccoupler la turbine de détente (23) par rapport à l'arbre principal (37) lorsque le réservoir d'air comprimé à haute pression (21) est vide.
  10. Véhicule automobile de type électrique ou hybride comportant un convertisseur d'énergie (10) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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