FR3114202A1

FR3114202A1 - Convertisseur d’énergie à partir d’au moins une source d’émission radiative, comprenant un plateau ajouré à faces horizontales, en rotation à l’horizontal dans une enveloppe cylindrique de confinement.

Info

Publication number: FR3114202A1
Application number: FR2009295A
Authority: FR
Inventors: Méryl Brothier; Thibaud Delahaye
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-09-14
Also published as: FR3114202B1; WO2022053464A1

Abstract

Convertisseur d’énergie à partir d’au moins une source d’émission radiative, comprenant un plateau ajouré à faces horizontales, en rotation à l’horizontal dans une enveloppe cylindrique de confinement. L’invention concerne essentiellement un convertisseur (10) d’énergie radiative en énergie électrique dont la partie qui va générer les forces de rotation à partir d’une source d’énergie radiative, est confinée dans une enveloppe (2) régulée en pression et qui est formée à partir d’un plateau ajouré (6), dont les ajours sont éventuellement comblés par un isolant thermique et dont les surfaces actives coplanaires à émissivité différenciée (50, 51), qui sont en regard de la source d’énergie, forment en quelque sorte des pales toutes maintenues mécaniquement entre elles mais pas nécessairement sur le diamètre extérieur du plateau. Figure pour l’abrégé : Fig.3

Description

Convertisseur d’énergie à partir d’au moins une source d’émission radiative, comprenant un plateau ajouré à faces horizontales, en rotation à l’horizontal dans une enveloppe cylindrique de confinement.

La présente invention concerne le domaine des convertisseurs d’énergie à partir de tout type de source d’émission radiative qui peut être solaire ou du type chaleur fatale.

La présente invention vise principalement à améliorer le rendement énergétique fourni par les convertisseurs selon l’état de l’art.

L’invention permet de générer de l’énergie électrique même en l’absence ponctuelle de source radiative externe.

L’énergie rayonnante, ou énergie radiative, est la seule énergie qui peut se propager dans le vide, en l’absence de matière. Elle repose sur le principe du rayonnement électromagnétique, lui-même basé sur un déplacement de photons. L’énergie lumineuse (domaine de longueur d’onde visible) et thermique (infrarouge) est de l’énergie radiative.

A ce jour, les panneaux photovoltaïques (PV) constituent la technologie la plus répandue qui convertit l’énergie radiative en électricité. Quel que soit leur rendement intrinsèque qui n’a cessé d’augmenter depuis de nombreuses années, les panneaux PV, présentent plusieurs inconvénients majeurs que l’on peut résumer ainsi:

ils sont opérants et efficaces seulement pour des longueurs d’ondes particulières,
leurs temps de retour énergétique (temps de production nécessaire pour que l’énergie produite dépasse celle nécessairement dépensée pour élaborer les matériaux constitutifs des panneaux) est long, typiquement de l’ordre de 3 à 5 ans,
ils présentent une perte de rendement avec le temps,
leur taux de disponibilité est relativement faible (environ 15%).

D’autres systèmes ont été imaginés mais peu exploités industriellement ou seulement pour des applications de niche très spécifiques à rendement énergétique très réduit.

Ces systèmes reposent sur l’exploitation de l’énergie radiative qui peut provoquer un glissement thermique susceptible de générer une force au droit de la surface sur laquelle s’applique le gradient thermique.

Le brevet US182172 divulgue l’un de ces systèmes le plus ancien, qui a été popularisé sous le terme de radiomètre de Crookes, sans qu’à l’époque de sa conception, l’ensemble des forces réellement mises en jeu pour induire la rotation des pales constitutives du système n’ait été de fait précisé.

On a schématisé en figures 1 et 2, un tel radiomètre de Crookes, globalement désigné par la référence 1. Le radiomètre 1 comprend une enveloppe de confinement 2 maintenue sous atmosphère raréfiée, un axe vertical 3 qui forme un pivot ponctuel supportant un moyeu 4 que lequel est fixé un nombre de quatre pales 5 à section en losange, qui s’étendent à 90° les unes des autres et chacune à la verticale dans l’enveloppe 2. Chacune des pales 5 comprend une face principale 50 qui est réfléchissante (émissivité proche de 0) et à l’opposé une face principale 51 qui est sombre (émissivité proche de 1). Lorsqu’elles sont soumises à un flux thermique, par exemple le rayonnement solaire, elles se mettent à tourner autour du pivot 3 selon la flèche symbolisée en , de telle sorte que les faces sombres 51 sont soumises à une force résultante normale à leur surface.

Tel que conçu initialement, le radiomètre 1 de Crookes ne peut pas générer un couple mécanique suffisamment important pour être considéré comme un générateur d’énergie viable pour des applications industrielles ou même pratiques. En effet, il est possible de démontrer que la force radiométrique générée au droit des pales 5 est de l’ordre de 10^-6N.

Cette force résulte d’une pression dite radiométrique qui est fonction de la pression de radiation (pression exercée par les photons au droit de la surface de la pale) à un paramètre près, qui est le ratio de la vitesse de la lumière dans le milieu considéré sur la vitesse des molécules de gaz au sein de l’enveloppe de confinement, comme indiqué par l’équation 1.

[Equ 1]

dans laquelle

Pradiométrique : pression radiométrique exercée sur une surface donnée,

Pradiation : pression de radiation exercée sur une surface donnée par une intensité de radiation donnée,

c : vitesse de la lumière dans le vide,

u : vitesse des molécules au proche voisinage de la surface soumise aux radiations.

Pour augmenter l’énergie récupérable, le brevet US4410805 a proposé de multiplier le nombre de pales et par là la somme des forces générées. Néanmoins cette augmentation de pâles ne permet pas une augmentation suffisante de l’énergie récupérable.

Il a également été proposé la concentration préalable du flux radiatif, par exemple dans la demande de brevet US2015/0013337. Ici encore, le rendement énergétique reste limité.

De manière générale, les performances théoriques visées par les systèmes de conversion d’énergie radiative qui ont déjà été proposé, ont été très loin d’être atteintes, du fait principalement d’une compréhension insuffisante des différents mécanismes mis en jeu, en particulier avant la publication [1] qui a pour la première fois explicité analytiquement l’influence des forces de résistance sur la poussée radiométrique.

De fait, seule la force de surface radiométrique a réellement été prise en compte.

Et, il a pu être démontré que ce n’est pas tant la surface que le périmètre développé par la surface soumise aux radiations qui rentre en ligne de compte : [2].

Ainsi, plus que l’augmentation de la surface développée par les pales via leur nombre comme proposé par le brevet US4410805, une autre manière d’augmenter l’énergie récupérable est d’augmenter le périmètre des surfaces au droit desquelles un gradient de température est imposé.

Ceci se traduit par l’équation 2 qui relie la force exercée sur la surface soumise à gradient thermique au périmètre qu’elle développe.

[Equ 2]

P : pression moyenne au droit de la surface d’une pale,

p : périmètre développé par la surface d’une pale,

λ : libre parcours moyen du gaz,

Th : Température de la face chaude (sombre),

Tc : température de la face froide (réfléchissante),

T : température moyenne de la pale,

l : épaisseur de la pale.

Ainsi, le périmètre développé est un paramètre de premier ordre pour augmenter l’intensité des forces permettant de mettre en rotation des pales dans un système de conversion d’énergie radiative.

Plusieurs brevets, notamment le brevet US 4397150, ont proposé d’augmenter le périmètre développé des pales en les perforant, et qu’elles soient en environnement ouvert ou dans une enveloppe de confinement.

Avec le progrès de la micro voire la nano-fabrication, il est désormais possible de réaliser des perforations de diamètre voisin du libre parcours moyen du gaz. Il est par ailleurs nécessaire que l’épaisseur de la pale soit très faible, i.e. de l’ordre de grandeur du libre parcours moyen, tout en étant isolante et rigide, comme proposé dans les demandes de brevet US2006/001569A1 et WO2007/002600A1.

Pour le cas où une pale soumise à gradient aurait un taux de perforation égal à 50% et dont le diamètre des trous serait de l’ordre du libre parcours moyen des molécules de gaz présentes au proche voisinage de la pale, la poussée développée par unité de surface d’une telle pale est donnée par l’équation 3 suivante:

[Equ 3]

dans laquelle :

n : nombre de molécules de gaz par unité de volume,

k_B: constante de Boltzmann,

R : rayon des perforations de la pale,

λ : libre parcours moyen du gaz,

Th : Température de la face chaude (sombre),

Tc : température de la face froide (réfléchissante).

Néanmoins, les systèmes à pales perforées n’ont jamais été réellement opérationnels, du fait de performances réelles bien inférieures aux performances théoriques.

D’une part, certains systèmes à pales perforées décrits rajoutent des composants lourds qui en grèvent les performances. Par exemple, dans les demandes US2006/001569A1 et WO2007/002600A1, des modules Peltier à fonction de refroidissement/chauffe sont intégrés dans les pales, et l’agencement des connectiques électriques en tant que tel est rédhibitoire pour augmenter les performances.

D’autre part, comme déjà évoqué, ces systèmes ne tiennent pas compte de la réalité des forces opposées à celles générant la rotation des pales.

La somme des forces s’appliquant sur une pale est un équilibre entre la force de surface radiométrique, les forces de bord, qui sont dans le même sens que la force de surface radiométrique, les forces de frottement induites par le pivot, et enfin, la force de freinage, appelée également force de cisaillement, qui est une autre force s’opposant au mouvement.

La force de cisaillement est induite par la transpiration thermique et s’applique sur la surface latérale de la pale dans la direction de la face froide (réfléchissante) vers la face chaude (sombre), ce qui freine de fait le mouvement de rotation de la pale.

Il a été mis en évidence que cette force de cisaillement devient visible surtout à faible nombre de Knudsen (Kn) : voir la publication [3], notamment la .

Le brevet US9705383B1 propose un convertisseur d’énergie radiative à quatre pales qui s’étendent et dont la rotation se fait dans un plan horizontal, directement en contact avec l’environnement extérieur. Les forces de cisaillement ne sont que partiellement réduites dans un tel convertisseur.

Par ailleurs, différents moyens de conversion de l’énergie de rotation de pales en électricité ont déjà été envisagés.

Le brevet US4926037 propose ainsi un coupleur mécanique.

La demande de brevet US2014/159377A1 décrit un convertisseur électromagnétique.

Le brevet US9705383B1 précité divulgue l’agencement d’un aimant permanent en dessous du plan de rotation horizontal des pales qui intègrent chacune en leur sein un fil conducteur relié au support des pales formant un premier contact électrique, les pales étant entourées d’une couronne fixe électriquement conductrice reliée à un deuxième contact électrique. Lorsque les pales sont en rotation, leurs fils conducteurs sont soumis à un flux de champ magnétique variable à partir du flux de l’aimant permanent, et génèrent ainsi un courant électrique entre le premier et le deuxième contact.

Il existe un besoin pour améliorer encore les convertisseurs d’énergie radiative en énergie électrique, notamment afin d’augmenter encore les forces générant la rotation des pales relativement aux forces opposées, en vue d’augmenter leur rendement de conversion.

De manière plus générale, il existe un besoin d’un convertisseur d’énergie radiative en énergie électrique, qui puisse à la fois :

- optimiser le niveau d’énergie récupérable pour une source radiative donnée,

- être mis en œuvre aisément à une échelle supérieure à celle prévue jusqu’à présent, afin de générer des niveaux d’énergie électrique significatifs,

- générer de l’électricité en continu, même en cas de variation d’intensité ponctuelle de la source radiative.

Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce(s) besoin(s).

Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un convertisseur d’énergie radiative en énergie électrique, comprenant :

- une enveloppe de confinement à pression interne contrôlée, l’enveloppe étant de forme axisymétrique autour d’un axe de symétrie et dont au moins une partie est transparente vis-à-vis de la source radiative à valoriser;

- un support de convertisseur s'étendant selon l’axe de symétrie de l’enveloppe ;

- un moyeu monté à l’extrémité libre du support en définissant un plan de rotation perpendiculaire à l’axe de symétrie;

- un plateau ajouré dont la partie pleine est formée de motifs élémentaires maintenus mécaniquement entre eux et répétés angulairement tout autour du moyeu en étant agencés à l’intérieur de l’enveloppe de confinement, au moins une partie de chaque motif élémentaire étant fixée au moyeu, les faces principales des motifs étant parallèles au plan de rotation , chaque motif élémentaire comprenant au moins deux couples de surfaces coplanaires rectangulaires, d’émissivité distincte entre elles et de même longueur entres elles, les au moins deux couples étant de longueur différente entre eux et distants angulairement l’un de l’autre en étant maintenus mécaniquement entre eux par au moins une jonction au niveau de l’extrémité la plus proche du moyeu et/ou de celle la plus éloignée du moyeu qui définit le diamètre extérieur du plateau, la répétition des motifs élémentaires étant configurée pour avoir une surface de moindre émissivité angulairement adjacente à une surface de plus grande émissivité.

Selon une configuration avantageuse, l’axe de symétrie de l’enveloppe de confinement est agencé à la verticale. Dans cette configuration, le plan de rotation du plateau ajouré est donc horizontal.

Deux couples adjacents de surfaces coplanaires sont distants par un évidement débouchant ou par un matériau isolant thermique intercalé entre eux. Le fait d’ajourer ou d’intercaler un isolant thermique permet limiter l’influence thermique d’un couple sur l’autre adjacent, qui peut être celui du même motif élémentaire ou celui d’un motif répété adjacent.

Ainsi, l’invention concerne essentiellement un convertisseur dont la partie qui va générer les forces de rotation à partir d’une source d’énergie radiative, est confinée dans une enveloppe régulée en pression et qui est formée à partir d’un plateau ajouré, dont les ajours sont éventuellement comblés par un isolant thermique et dont les surfaces actives coplanaires à émissivité différenciée, qui sont en regard de la source d’énergie, forment en quelque sorte des pales toutes maintenues mécaniquement entre elles mais pas nécessairement sur le diamètre extérieur du plateau.

Avec des surfaces actives parallèles au plan horizontal de rotation, les forces qui induisent la rotation le sont par le gradient de température entre les deux surfaces d’émissivité différenciée.

Ces forces induites par le gradient au droit de l’interface entre la face claire (réfléchissante) et la face foncée sont optimisées en multipliant les interfaces par la répétition des motifs élémentaires tout en imposant un isolement entre les motifs répétés, afin de ne pas perturber le gradient par conduction d’un motif sur l’autre. Cet isolement peut être assuré par un évidement débouchant ou un matériau isolant thermique, afin d’éviter la conduction et d’optimiser la quantité de motifs répétables par unité de surface.

Dans le cadre de l’invention, un évidement peut être de taille réduite, typiquement de quelques centaines de nanomètres ou quelques microns à minima voire à quelques millimètres à dizaines de millimètres en fonction de la longueur caractéristique du gradient thermique présent au-dessus des faces des motifs. Cela permet d’optimiser le taux d’occupation des motifs sur une surface apparente donnée.

Pour chaque couple de surfaces coplanaires, la largeur de la face claire est de préférence égales ou quasi-égale à celle de la face sombre. Cette largeur est avantageusement de l’ordre de grandeur de celle du gradient thermique pour permettre d’exploiter le plus efficacement possible le flux radiatif. En effet, pour des largeurs de faces très grandes par rapport à celles du gradient thermique, une part non négligeable de la surface des motifs n’est pas opérante. Inversement, pour des largeurs de motifs trop petites comparativement à celle du gradient thermique, ce dernier n’est pas valorisé d’une manière optimale et des perturbations d’une face à l’autre peuvent apparaître.

Si une configuration de convertisseur selon l’invention développe à priori moins de forces qu’une configuration selon l’état de l’art à plan de pales perpendiculaires au plan de rotation, la multiplication des interfaces entre faces claires/sombres grâce au motif répété sur toute la circonférence du plateau, permet de les optimiser avec un périmètre développé très long et de les adapter à des applications que ne peut pas atteindre une configuration à pales perpendiculaires selon l’état de l’art.

Plus particulièrement, un convertisseur selon l’invention permet de récupérer une part importante d’un flux radiatif émis par une source de chaleur fatale en se plaquant par exemple contre une paroi environnante en faisant office d’écrantage thermique.

Une application privilégiée peut être une installation industrielle telle qu’un foyer d’incinérateur, une cimenterie, un bain de fonderie…

Selon un mode de réalisation avantageux, chaque motif élémentaire comprend au moins quatre couples de surfaces coplanaires de longueur différentes entre eux et répartis sur un secteur angulaire de 45° du plateau, un premier couple étant de longueur égale au rayon R du plateau, un deuxième couple étant de longueur égale à ¾*R, un troisième couple étant de longueur égale à 1/2*R, un quatrième couple étant de longueur égale à 1/8*R, la répartition des couples étant symétrique de part et d’autre du couple de longueur égale 1/2*R avec une distance linéaire (amin) entre deux couples adjacents égale à environ 1/11*R.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’enveloppe de confinement est constituée par un cylindre droit fermé à ses deux extrémités longitudinales par un disque dont au moins celui en regard des surfaces coplanaires est transparent. Au moins un des deux disques peut être traversé avec étanchéité par le support de convertisseur.

Selon ce mode, avantageusement, le diamètre D et la hauteur H du cylindre droit sont déterminés de sorte que 1/100 < H/D < 1/10. Un tel rapport est avantageux car on minimise ainsi le volume de confinement à établir autour du plateau ajouré et on réduit au maximum les forces de frottement entre ce dernier et l’enveloppe de confinement. Autrement dit, avec un volume optimisé du cylindre droit pour le confinement des motifs du plateau permet de minimiser les forces de freinage tangentielles. En effet, avec un rapport H/D comme ci-dessus, le jeu entre les motifs du plateau et les parois délimitant le volume de confinement de ces dernières est le plus faible possible. L’impact de la taille d’une enveloppe de confinement a été montré : [4]. Plus précisément encore, la force radiométrique est inversement proportionnelle à la distance entre la paroi de l’enveloppe de confinement et les motifs du plateau.

Par ailleurs, lorsque la pression augmente, l’effet de la distance à la paroi tend à s’accroitre car le gradient thermique devient plus accentué.

Selon un premier mode de réalisation avantageux pour la conversion électromagnétique, le convertisseur comprend en outre :

- une pluralité d’aimants permanents fixés individuellement sur un des couples de surfaces coplanaires;

- au moins une bobine d’induction fixe et centrée sur l’axe de symétrie de l’enveloppe, la(les) bobine(s) étant agencée(s) en regard des aimants permanents de sorte que la rotation du plateau ajouré générée par une source d’énergie radiative génère une force électromotrice dans la(les) bobine(s).

Selon un deuxième mode de réalisation avantageux pour la conversion électromagnétique, le support de convertisseur est un arbre monté rotatif autour duquel est fixé le moyeu;

le convertisseur comprend en outre :

- une pluralité d’aimants permanents fixés et répartis angulairement tout autour de l’arbre rotatif;

- au moins une bobine d’induction et centrée sur l’axe de symétrie de l’enveloppe, la(les) bobine(s) étant agencée(s) en regard des aimants permanents en étant agencée de sorte que la rotation du plateau ajouré générée par une source d’énergie radiative génère une force électromotrice dans la bobine.

Ainsi le champ magnétique généré pas les aimants permanents en rotation juste à l’aplomb des spires de bobine d’induction génère un courant électrique induit dans celles-ci.

Selon une variante de réalisation, le convertisseur comprend une seule bobine d’induction de forme torique.

De préférence, l’espace entre les aimants permanents et une bobine d’induction étant inférieur à 1 mm. Un espace si faible entre les aimants et les spires de bobine permet d’optimiser la conversion de l’énergie cinétique des couples de surfaces coplanaires rectangulaires en rotation en énergie électrique.

Le support de convertisseur peut être un support fixe. La liaison entre le support fixe et le moyeu est conçue de telle sorte qu’elle limite les frottements pour faciliter la rotation du plateau.

Plusieurs variantes avantageuses peuvent être prévues :

- le support fixe peut être en liaison ponctuelle avec le moyeu. De préférence, on choisit alors des matériaux induisant des coefficients de frottement statique et dynamique très faibles, typiquement de l’ordre de 0,1 voire de quelques centièmes. Il peut s’agir de matériaux comme le verre, l’acier poli, voire le téflon ou d’autres polymères anti-frictionnels ;

- le support fixe et le moyeu peuvent comprendre chacun une sphère aimantée, les deux sphères aimantées étant en contact mutuel. Cette variante peut être choisie notamment lorsque le plateau ajouré est de faible poids ;

- le moyeu et les couples de surfaces coplanaires peuvent être supportées par au moins un palier magnétique dont une partie est fixée au support fixe et l’autre à au moins une partie des couples de surfaces coplanaires rectangulaires.

Pour faciliter la stabilité de la rotation du plateau ajouré, le moyeu et le plateau sont avantageusement agencés de sorte que leur centre de gravité soit à une côte verticale en dessous du point ou plan de liaison avec le support de convertisseur ou l’arbre rotatif.

Selon une première variante de réalisation, au moins une partie des couples de surfaces coplanaires rectangulaires peut être en matériau poreux.

Le matériau poreux peut être une céramique, de préférence choisie parmi l’alumine, la mullite, le carbure de tungstène ou une combinaison de ceux-ci.

Selon une deuxième variante, la partie des couples de surfaces coplanaires rectangulaires est un film polymérique.

Le polymère du film peut être choisi parmi le polyéthylène (PE), le polystyrène (PS), le polyméthacrylate de méthyl (PMMA) ou une combinaison de ceux-ci.

Selon une troisième variante, la partie des couples de surfaces coplanaires rectangulaires est une feuille de métal ductile.

Le métal ductile de la feuille peut être choisi parmi l’or ou l’argent.

Selon un mode de réalisation avantageux, au moins une partie des couples de surfaces coplanaires rectangulaires est revêtue d’au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction endo ou exothermique.

De préférence, les surfaces de moindre émissivité sont revêtues d’au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction endothermique tandis que les surfaces de plus grande émissivité étant revêtues d’au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction exothermique.

Ces réactions endo et exothermique permettent d’entretenir voire amplifier l’écart de température entre les faces sombres et claires des couples de surfaces coplanaires du fait des chaleurs de réactions cédées ou absorbées.

Le revêtement catalytique peut être choisi parmi les sels de chlorure, les hydrures ou une combinaison de ceux-ci.

Une variante de réalisation du système de régulation peut consister en un moyen de mesure sans contact de la température des couples de surfaces coplanaires, de préférence un pyromètre laser et un moyen de chauffage au moins de la paroi interne de l’enveloppe de confinement dont le fonctionnement est asservi aux mesures du moyen de mesure sans contact de la température.

L’invention a également pour objet l’utilisation d’un convertisseur tel que décrit précédemment pour convertir l’énergie provenant d’une source lumineuse et/ou d’une source thermique en électricité.

La source thermique peut être une source de chaleur fatale telle qu'un foyer d’incinérateur, une cimenterie, un bain de fonderie…

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.

la est une vue schématique de côté d’un radiomètre de Crookes.

la est une vue de dessus de la .

la est une vue schématique en perspective d’un exemple de convertisseur d’énergie radiative en énergie électrique selon l’invention.

la est une vue de dessus d’un couple de surfaces coplanaires à émissivité distincte formant une partie pleine d’un plateau ajouré conforme à l’invention.

la est une vue schématique du dessus d’un plateau ajouré du convertisseur selon un mode de réalisation avantageux.

la est une vue de détail d’une portion angulaire du plateau selon la montrant les motifs élémentaires de surfaces coplanaires.

la reprend schématiquement la et montre l’agencement relatif entre couples de surface coplanaires.

la est une représentation du dessus d’une portion angulaire d’un plateau ajouré avec les jonctions de maintien mécaniques entre couples de surfaces coplanaires adjacents.

la est une vue schématique du dessus montrant une réalisation avantageuse d’un plateau ajouré avec des motifs élémentaires de couples de surfaces coplanaires.

la est un exemple d’implantation d’un convertisseur selon l’invention à proximité d’un foyer de chaleur fatale en tant que source d’énergie radiative.

la est une vue schématique en perspective d’une variante de convertisseur selon l’invention.

la est une vue de détail montrant une variante de réalisation de liaison ponctuelle entre un support fixe de convertisseur et le moyeu auquel est fixée une partie des couples de surfaces coplanaires rectangulaires du plateau.

la est une vue de détail montrant une autre variante de réalisation de liaison ponctuelle entre un support fixe de convertisseur et le moyeu auquel est fixée une partie des

couples de surfaces coplanaires rectangulaires du plateau.

la est une vue de côté montrant une variante de liaison par palier magnétique entre un support fixe de convertisseur et le moyeu auquel est fixée une partie des couples de surfaces coplanaires rectangulaires du plateau.

la illustre une variante avec revêtement catalytique pour des réactions endothermique et exothermique au sein d’un couple de surface coplanaire rectangulaire selon l’invention.

la illustre sous forme d’une courbe l’évolution de la vitesse de rotation en fonction de la pression régnant au sein d’une enveloppe de confinement conforme à l’invention.

la illustre sous forme d’une courbe l’évolution du libre parcours moyen en fonction de la pression, de la température et de la nature du gaz considéré au sein d’une enveloppe de confinement conforme à l’invention.

Description détaillée

Dans l’ensemble de la présente demande, les termes «dessous », « dessus», « inférieur» et «supérieur» sont à comprendre par référence par rapport à l’agencement horizontal du plateau ajouré du convertisseur selon l’invention et le support à la vertical dans une configuration à une côte en dessous du plateau.

Un même élément selon l’état de l’art et selon l’invention est désigné par une même référence numérique.

Les figures 1 et 2 relatives à un radiomètre de Crookes ont déjà été décrites en préambule. Elles ne sont donc pas commentées ci-après.

On a illustré à la un exemple de convertisseur 10 d’énergie radiative selon l’invention.

Il comprend une enveloppe de confinement 2 à pression interne contrôlée, sous la forme d’un cylindre droit fermé à ses deux extrémités longitudinales par un disque 20, 21.

Un support de convertisseur 3 s'étend selon l’axe de symétrie de l’enveloppe. Le support 3 est fixe dans l’exemple illustré de la , un moyeu 4 étant monté en rotation autour du support. Au moins un des deux disques 20, 21 peut être traversé avec étanchéité par le support 3.

Selon l’invention, le convertisseur 10 comprend un plateau ajouré 6 dont la partie pleine 5 est formée de motifs élémentaires (M) maintenus mécaniquement entre elles et répétés angulairement tout autour du moyeu 4 en étant agencés à l’intérieur de l’enveloppe de confinement 2. En outre, au moins une partie de chaque motif élémentaire M est fixée au moyeu 4.

Les faces principales des motifs sont parallèles au plan de rotation horizontal, comme illustré aux figures 5 à 5B.

Un motif élémentaire M comprend quatre couples 5.1 ; 5.2 ; 5.3 ; 5.4 de surfaces coplanaires rectangulaires 50,51, d’émissivité distincte entre elles et de même longueur entres elles.

Ici tous quatre couples 5.1 ; 5.2 ; 5.3 ; 5.4 sont de longueur différente entre eux et distants angulairement l’un de l’autre en étant maintenus mécaniquement entre eux par au moins une jonction au niveau de l’extrémité la plus proche du moyeu et/ou de celle la plus éloignée du moyeu 4 qui définit le diamètre extérieur du plateau.

Comme illustré, la répétition du motif M est configurée pour avoir sur toute la périphérie du plateau une surface de moindre émissivité 51 (face sombre) angulairement adjacente à une surface de plus grande émissivité 50 (face claire). De préférence, la face 50 est à émissivité la plus faible possible, au moins inférieure à 0,2, pour réfléchir au mieux l’énergie radiative alors que la face 51 est à émissivité supérieur à 0,8, de préférence proche de 1 dans les gammes de longueur d’ondes de rayonnement visées, i.e. le spectre visible et l’infrarouge.

Dans chaque motif M et entre deux motifs adjacents M, deux couples adjacents sont distants l’un de l’autre par un évidement débouchant 60. On peut aussi remplir cet évidement par un matériau isolant thermique intercalé entre eux. Cette isolement permet de ne pas perturber le gradient thermique par conduction d’un motif sur l’autre.

Le disque de l’enveloppe de confinement qui doit laisser passer l’énergie de la source radiative, par exemple le disque supérieur 20, est transparent à son rayonnement et les faces coplanaires 50, 51 sont en regard de celui-ci. Le disque transparent peut être réalisé en verre, quartz, polycarbonate en fonction du niveau de température au droit de la face transparente. La paroi latérale 22 de l’enveloppe et l’autre disque 21 peuvent être transparents ou opaques et par exemple être en métal, de type acier inoxydable.

La montre schématiquement pour un couple donné de surfaces coplanaires 50, 51, la force résultante, symbolisée par la flèche, qui oriente la rotation du plateau 6 vers le front d’attaque de la face claire 50 car les gradients de température F4 et F3 ne s’appliquent pas sur la même surface. Le gradient de température F3 est appliqué en dehors des surfaces ce qui conduit à une résultante comme représentée par la flèche de la . La résultante des gradients thermiques F1 et F2 correspond quant à eux à une force résultante nulle car la configuration dans ce cas est pleinement symétrique.

Le diamètre D et la hauteur H du cylindre droit sont déterminés de sorte que le rapport H/D est 1/100 < H/D < 1/10.

Pour assurer la conversion de l’énergie cinétique de rotation du plateau 6 en énergie électrique, il est prévu une pluralité d’aimants permanents 7 sont fixés individuellement sur une des couples de surfaces coplanaires qui sont à l’aplomb d’une bobine d’induction fixe 8 sous la forme d’un tore centré sur l’axe du cylindre droit 2. Les aimants permanents peuvent par exemple être fixées par action magnétique sur une armature annulaire disposée en périphérie du plateau, puisque celui-ci n’a pas une limite forte d’épaisseur.

Ainsi, lors de la rotation du plateau ajouré 6, chacun des aimants permanents 7 qui se déplace, génère une force électromotrice dans les spires 80 de la bobine 8 et donc induit un courant électrique dans celle-ci.

L’entrefer optimal Δ, c’est-à-dire l’espacement entre les aimants permanents 7 et les spires 80 de la bobine 7 est inférieur à 1mm.

Un exemple de jonctions entre deux couples adjacents 5.1, 5.2 d’un motif M et avec celui adjacent est montré en . Au sein d’un motif M, une première jonction mécanique 9.1 lie l’extrémité intérieure du couple 5.2 de moindre longueur avec une portion centrale du couple 5.1 de plus grande longueur et une deuxième jonction mécanique 9.2 lie l’extrémité extérieure du couple 5.2 de moindre longueur avec celle du couple 5.1 de plus grande longueur. L’emplacement de cette deuxième jonction mécanique 9.2 peut correspondre au diamètre extérieur du plateau 6.

La montre un agencement optimal de couples de longueur différente 5.1 à 5.4 d’un même motif, qui permet d’augmenter considérablement le périmètre développé de surfaces du plateau 6.

Ici, chaque motif élémentaire M est constitué d’au moins quatre couples 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 de surfaces coplanaires de longueur différentes entre eux et répartis sur un secteur angulaire de 45° du plateau.

Un premier couple 5.1 est de longueur égale au rayon R du plateau.

Un deuxième couple 5.2 est de longueur égale à ¾*R.

Un troisième couple 5.3 est de longueur égale à 1/2*R,.

Enfin, un quatrième couple 5.4 de longueur égale à 1/8*R.

La répartition des couples étant symétrique de part et d’autre du couple 5.3 de longueur égale 1/2*R avec une distance linéaire (amin) entre deux couples adjacents égale à environ 1/11*R.

La répartition symétrique permet à la fois de simplifier la fabrication du plateau 6 et d’optimiser le périmètre développé par unité de surface.

A titre d’exemple, pour une distance minimale entre deux couples adjacents d’un même motif de l’ordre du centimètre, on peut obtenir un périmètre développé de l’ordre de 60 m/m².

Pour une vitesse de rotation de l’ordre de 10 m/s, la puissance ainsi récupérée par un plateau ajouré 6 selon l’invention est de l’ordre de 1 W.

Pour dimensionner le plateau 6, on prend en compte la longueur caractéristique et le gradient thermique associé, à partir de la caractérisation d’un profil de température, ce qui la distance induit a_minpour une surface donnée.

La est un schéma de principe de l’implantation d’un convertisseur 10 selon l’invention à proximité d’une source de chaleur fatale, qui peut être un foyer d’incinérateur, bain de fonderie,…

Le convertisseur 10 très compact peut être aisément monté au plafond d’un réfractaire 11 et intercepte un angle solide 12 du rayonnement thermique du foyer.

Un alternateur 13 agencé à proximité du convertisseur 10, à l’extérieur du réfractaire 11 fournir du courant électrique généré dans la bobine 8.

La est une variante de réalisation de la partie conversion électromagnétique du convertisseur 10, qui est ici déportée.

Plus précisément, le support est un arbre rotatif 3 et les aimants permanents 7 sont déportés du plateau 6 en étant solidaire en rotation avec l’arbre 3. Les aimants permanents 7 peuvent par exemple être répartis angulairement autour d’un disque 30 en bout d’arbre rotatif 3. La bobine 8 quant à elle reste fixe. L’entrefer optimal Δ entre les aimants permanents 7 et la bobine 8 reste le même, i.e. inférieur à 1mm.

Dans cette variante, on veille à ce que le passage de l’arbre 3 au travers de l’enveloppe de confinement 2 soit étanche pour maintenir le niveau de dépression souhaitable au sein du volume de l’enveloppe 2. Pour obtenir une bonne étanchéité dynamique, on peut définir un accouplement entre moyeu 4/plateau 6 et l’arbre rotatif 3 par un système de pallier magnétique.

Les figures 10 à 12 montrent différentes variantes de réalisation pour minimiser les frottements entre support fixe 3 et moyeu 4/plateau 6, afin d’optimiser encore l’énergie cinétique de rotation du plateau.

Sur la , le moyeu 4 peut être sous la forme d’une sphère magnétisable qui vient en contact avec une sphère 31 en bout de support 3, elle-même aimantée par un aimant permanent 32 au sein du support 3.

Sur la , une aiguille pivot 33 en bout de support 3 est en contact ponctuel avec le moyeu 4.

Sur la , un système 14 de paliers magnétiques dont une partie est fixée sur le plateau ajouré et l’autre est solidaire du support 3 permet de garantir la rotation du plateau à l’horizontal sans contact mécanique.

Pour faciliter la stabilité de la rotation du plateau 6, on prévoit avantageusement que la liaison entre le support-pivot 3 et le plateau 6 garantit à ce dernier un centre de gravité à une cote inférieure à celle de l’extrémité du support-pivot 3.

Les surfaces coplanaires 5 du plateau 6 sont avantageusement à la fois de grande longueur, faiblement conductrices thermiques, perforés avec des perforations de très faibles diamètres tout en étant rigides.

La porosité et en même temps la faible conductivité thermique transversale peuvent être assurées par une céramique poreuse. La porosité de la céramique peut avantageusement choisie de telle sorte que la plaque découpée ou élaborée selon une épaisseur donnée, de l’ordre du micron à quelques microns, peut développer sans usinage particulier une porosité traversante de diamètre moyen de l’ordre du libre parcours moyen des gaz. Pour ce faire, il est envisageable d’additiver des poudres céramiques avec un porogène, puis après une compaction uniaxiale, réaliser un déliantage/frittage du cru obtenu afin aboutir à des porosités traversante adéquate et de diamètre micrométrique.

La rigidité des couples de surfaces coplanaires 5 peut être assurée par la structure même du matériau constitutif, qui est non ductile.

On peut aussi partir de matériaux souples, tel qu’un film polymère, par exemple en PTFE, que l’on rigidifie par un support et/ou une tension radiale donnée et/ou par réticulation. Bien entendu, l’intensité de cette tension ne doit pas provoquer sa rupture.

On peut aussi envisager d’adjoindre d’une armature rigide qui permet également de mieux maîtriser le jeu entre la paroi du volume clos de l’enveloppe de confinement 2 et les couples de surfaces coplanaires 5. La maîtrise de ce jeu permet de limiter les forces de freinage induites par le gradient de température, c’est-à-dire la force tangentielle.

Le matériau constitutif des couples de surfaces coplanaires 5 peut être un catalyseur de réaction(s) exothermique(s) au niveau des faces sombres 51 et endothermique(s) au niveau des faces claires 50, afin d’entretenir voire amplifier l’écart de température entre ces faces du fait des chaleurs de réactions cédées ou absorbées.

La illustre ces réactions et le cyclage thermique et thermodynamique exploité au niveau des faces 50, 51 des couples de surfaces coplanaires respectivement en matériau constitutif, réactif A, C. En appliquant une quantité de chaleur à A, il se convertit en B toujours solide qui génère également un gaz. La face 50 où se produit la réaction endothermique étant plus froide que la face 51 où se produit la réaction exothermique et sachant que le régime est celui du glissement thermique, un flux de matière gazeux va s’établir de la face froide 50 vers la face chaude 51 et le gaz produit au niveau de la face froide va se trouver disponible pour réagir avec le matériau C constitutif de la face 51 où se produit la réaction exothermique. Le gaz va alors s’y absorber pour donner le réactif D et générer une quantité de chaleur qui va renforcer le gradient de température entre les deux faces 50, 51.

Le volume fini du cylindre de confinement 2 a, lors du fonctionnement du convertisseur, une pression régulée à une valeur consigne cible. On peut utiliser pour cela un système de pompage pouvant atteindre des vides secondaires, primaires ou travailler à pression atmosphérique voire quelques bars le cas échéant. Le système peut comprendre deux types distincts de pompe, par exemple une pompe turbo-moléculaire et une pompe à palette, en fonction du niveau de pression à atteindre. On peut prévoir en outre un système d’alimentation en gaz relié à l’intérieur du cylindre de confinement. Le gaz et la pression sont avantageusement choisis de telle sorte d’ajuster la valeur du libre parcours moyen de ce gaz.

Par ailleurs, il existe un optimum de de force globale résultante en fonction de la pression, comme montré sur la , issue de la publication [6]. En effet, en l’absence de molécules de gaz, les couples de surfaces coplanaires ne sont pas soumises à des impacts moléculaires permettant la rotation du plateau et inversement, en cas de pression trop importante, la transpiration thermique est réduite et les forces de frottements (trainée) plus importantes.

Cette présente une allure classique d’évolution de la vitesse de rotation des pales d’un radiomètre selon l’état de l’art en fonction de la pression régnant au sein de l’enveloppe l’entourant. Au même titre que le convertisseur selon la présente invention, cette illustre qu’ il existe une gamme de pressions pour laquelle la vitesse de rotation du radiomètre est optimale en toute cohérence avec ce qui peut être montré théoriquement.

Un système de réglage de la pression du volume de l’enveloppe de confinement permet de piloter la valeur du libre parcours moyen des molécules de gaz contenu au sein de ce volume.

La présente cette évolution du libre parcours moyen en fonction de la pression mais aussi de la température et de la nature du gaz.

Il est ainsi possible de montrer que le diamètre de perforations des couples de surfaces coplanaires 5 peut varier d’une centaine de nanomètres à quelques microns pour des pressions variant respectivement du bar à quelques centaines de Pa.

L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Liste des références citées

[1] : M. Scandurra et ali., Physical Review E 75 026308 (2007).

[2] : A. Ketsdever et al., «Radiometric phenomena : from the 19th to the 21st Century», vacuum 86 (2012) 1644-1662).

[3] : S.F. Gimelsheim et al., «Analysis and Applications of Radiometeric Forces in Rarefied Gas Flows», 27th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Monterey, CA, 10-15 July 2010.

[4] : G. Hettner, «Zeitschrift fur Physik», 30 258-267 (1924).

[5] : A. Pereira et al., «Laser-Fabricated porous alumina membranes (LF-PAM) for the preparation of metal nanodot arrays, » Small (2008).

[6] : http://www.u3p.net/projets/contrib/TIPE_Vivien_Parmentier.pdf.

Claims

Convertisseur (10) d’énergie radiative en énergie électrique, comprenant :
une enveloppe de confinement (2) à pression interne contrôlée, l’enveloppe étant de forme axisymétrique autour d’un axe de symétrie et dont au moins une partie est transparente vis-à-vis de la source radiative à valoriser;

un support de convertisseur (3) s'étendant selon l’axe de symétrie de l’enveloppe ;

un moyeu (4) monté à l’extrémité libre du support en définissant un plan de rotation perpendiculaire à l’axe de symétrie;

un plateau ajouré (6) dont la partie pleine est formée de motifs élémentaires (M) maintenus mécaniquement entre eux et répétés angulairement tout autour du moyeu en étant agencés à l’intérieur de l’enveloppe de confinement, au moins une partie de chaque motif élémentaire étant fixée au moyeu, les faces principales des motifs étant parallèles au plan de rotation , chaque motif élémentaire comprenant au moins deux couples (5 ; 5.1 ; 5.2 ; 5.3 ; 5.4) de surfaces coplanaires rectangulaires (50, 51), d’émissivité distincte entre elles et de même longueur entres elles, les au moins deux couples étant de longueur différente entre eux et distants angulairement l’un de l’autre en étant maintenus mécaniquement entre eux par au moins une jonction au niveau de l’extrémité la plus proche du moyeu et/ou de celle la plus éloignée du moyeu qui définit le diamètre extérieur du plateau, la répétition des motifs élémentaires étant configurée pour avoir une surface de moindre émissivité angulairement adjacente à une surface de plus grande émissivité.
Convertisseur (10) selon la revendication 1, deux couples adjacents de surfaces coplanaires, étant distants par un évidement débouchant (60) ou par un matériau isolant thermique intercalé entre eux.
Convertisseur (10) selon la revendication 1 ou 2, chaque motif élémentaire comprenant au moins quatre couples (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) de surfaces coplanaires de longueur différentes entre eux et répartis sur un secteur angulaire de 45° du plateau, un premier couple étant de longueur égale au rayon R du plateau, un deuxième couple étant de longueur égale à ¾*R, un troisième couple étant de longueur égale à 1/2*R, un quatrième couple étant de longueur égale à 1/8*R, la répartition des couples étant symétrique de part et d’autre du couple de longueur égale 1/2*R avec une distance linéaire (amin) entre deux couples adjacents égale à environ 1/11*R.
Convertisseur (10) selon l’une des revendications précédentes, l’enveloppe de confinement étant constituée par un cylindre droit fermé à ses deux extrémités longitudinales par un disque (20, 21) dont au moins celui (20) en regard des surfaces coplanaires est transparent.
Convertisseur selon la revendication 4, le diamètre D et la hauteur H du cylindre droit étant déterminés de sorte que 1/100 < H/D < 1/10.
Convertisseur selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre :
une pluralité d’aimants permanents fixés individuellement sur un couples de surfaces coplanaires ;

au moins une bobine d’induction fixe et centrée sur l’axe de symétrie de l’enveloppe, la(les) bobine(s) étant agencée(s) en regard des aimants permanents de sorte que la du plateau ajouré générée par une source d’énergie radiative génère une force électromotrice dans la(les) bobine(s).
Convertisseur selon l’une des revendications 1 à 5, le support de convertisseur étant un arbre monté rotatif autour duquel est fixé le moyeu; le convertisseur comprenant en outre :
- une pluralité d’aimants permanents fixés et répartis angulairement tout autour de l’arbre rotatif;
- au moins une bobine d’induction et centrée sur l’axe de symétrie de l’enveloppe, la(les) bobine(s) étant agencée(s) en regard des aimants permanents en étant agencée de sorte que la rotation du plateau ajouré générée par une source d’énergie radiative génère une force électromotrice dans la bobine.
Convertisseur selon l’une des revendications 6 ou 7, comprenant une seule bobine d’induction de forme torique.
Convertisseur selon l’une des revendications 6 à 8, l’espace (Δ) entre les aimants permanents et une bobine d’induction étant inférieur à 1mm.
Convertisseur selon l’une des revendications 1 à 6, le support de convertisseur étant un support fixe.
Convertisseur selon la revendication 10, le support fixe étant en liaison ponctuelle avec le moyeu.
Convertisseur selon la revendication 10, le support fixe et le moyeu comprenant chacun une sphère aimantée, les deux sphères aimantées étant en contact mutuel.
Convertisseur selon la revendication 10, le moyeu et les couples de surfaces coplanaires étant supportés par au moins un palier magnétique dont une partie est fixée au support fixe et l’autre à au moins une partie de couples de surfaces coplanaires.
Convertisseur selon l’une des revendications précédentes, le moyeu et le plateau ajouré étant agencés de sorte que leur centre de gravité soit à une côte verticale en dessous du point ou plan de liaison avec le support de convertisseur ou l’arbre rotatif.
Convertisseur selon l’une des revendications précédentes, au moins une partie des couples de surfaces coplanaires étant un matériau poreux.
Convertisseur selon la revendication 15, le matériau poreux étant une céramique, de préférence choisie parmi l’alumine, la mulite, le carbure de tungstène ou une combinaison de ceux-ci.
Convertisseur selon l’une des revendications 1 à 15, au moins une partie des couples de surfaces coplanaires étant un film polymérique.
Convertisseur selon la revendication 17, le polymère du film étant choisi parmi le polyéthylène (PE), le polystyrène (PS), le polyméthacrylate de méthyl (PMMA) ou une combinaison de ceux-ci.
Convertisseur selon la revendication 18, au moins une partie des couples de surfaces coplanaires étant une feuille de métal ductile.
Convertisseur selon la revendication 19, le métal ductile de la feuille étant choisi parmi l’or ou l’argent.
Convertisseur selon l’une des revendications précédentes, au moins une partie des couples de surfaces coplanaires étant revêtue d’au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction endo ou exothermique.
Convertisseur selon la revendication 21, les surfaces de moindre émissivité étant revêtues d’au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction endothermique tandis que les surfaces de plus grande émissivité étant revêtues d’au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction exothermique.
Convertisseur selon la revendication 21 ou 22, le revêtement catalytique étant choisi parmi les sels de chlorure, les hydrures ou une combinaison de ceux-ci.
Convertisseur selon l’une des revendications précédentes, comprenant un système de régulation en température de l’enveloppe de confinement
Convertisseur selon la revendication 24, le système de régulation comprenant un moyen de mesure sans contact de la température des couples de surfaces coplanaires , de préférence un pyromètre laser et un moyen de chauffage au moins de la paroi interne de l’enveloppe de confinement dont le fonctionnement est asservi aux mesures du moyen de mesure sans contact de la température.
Utilisation d’un convertisseur selon l’une des revendications précédentes pour convertir l’énergie provenant d’une source lumineuse et/ou d’une source thermique en électricité.
Utilisation selon la revendication 26, la source thermique étant une source de chaleur fatale telle qu'un foyer d’incinérateur, une cimenterie, un bain de fonderie…