FR3138928A1 - Centrale de conversion d’énergie renouvelable - Google Patents

Abstract

Centrale de conversion d’énergie renouvelable comportant : – une tour creuse (5) s’étendant selon un axe vertical (2) et présentant une ouverture inférieure (31) et une ouverture supérieure (32) ; – des moyens de conversion de l’énergie d’un flux d’air ascendant dans la tour creuse (5) ; – une interface d’échange thermique (19) disposée dans une enceinte d’apport thermique (6) de forme sensiblement tronconique dont la section diminue avec la hauteur, l’enceinte d’apport thermique (6) comportant : une ouverture supérieure (33) qui est raccordée à l’ouverture inférieure (31) de la tour creuse (5), l’enceinte d’apport thermique (6) et la tour creuse (5) délimitant ensemble un espace interne (35) ; une fenêtre (8) en matériau perméable à la lumière disposée en vis-à-vis de l’interface d’échange thermique (19) ; une ouverture d’entrée d’air (7). Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Centrale de conversion d’énergie renouvelable

L’invention concerne le domaine de la production d’énergie et concerne plus particulièrement la production d’une énergie exploitable, telle que l’énergie électrique, à partir de la conversion d’énergies renouvelables telles que l’énergie éolienne, l’énergie solaire, et l’énergie géothermique.

ART ANTÉRIEUR

Il existe une nécessité pour chaque pays de varier son bouquet énergétique en incluant davantage d’énergies renouvelables (ENR) telle que les énergies provenant du soleil, du vent, de la chaleur de la terre, des chutes d’eau, des marées, etc. Ces sources d’énergie considérées comme inépuisables à l’échelle du temps humain n’engendrent pas ou peu de déchets ou d’émissions polluantes. Elles se distinguent des énergies fossiles polluantes et dont les stocks diminuent. Ces énergies renouvelables sont de plus résilientes, notamment en cas de crise.

Il existe de nombreux dispositifs permettant de convertir des énergies renouvelables, notamment les énergies solaires et éoliennes. Parmi ceux-ci, il existe des centrales de conversion d’énergie renouvelable adaptées à tirer parti d’un flux d’air ascendant créé par l’échauffement de l’air.

La demande de brevet WO2006/018587 décrit une telle centrale de conversion d’énergie renouvelable. Cependant, cette centrale présente un faible rendement, une faible plage d’utilisation, et nécessite pour sa mise en œuvre la construction d’une tour de grande hauteur (200 à 300 mètres de haut), ce qui la rend onéreuse, vulnérable aux conditions climatiques extrêmes (vents violents et sècheresses), et gênante pour la navigation aérienne.

L’invention a pour but d’améliorer les centrales de conversion d’énergie renouvelable de l’art antérieur.

À cet effet, l’invention vise une centrale de conversion d’énergie renouvelable comportant :
– une tour creuse s’étendant selon un axe vertical et présentant une ouverture inférieure et une ouverture supérieure ;
– des moyens de conversion de l’énergie d’un flux d’air ascendant dans la tour creuse ;
– une interface d’échange thermique disposée dans une enceinte d’apport thermique de forme sensiblement tronconique dont la section diminue avec la hauteur, l’enceinte d’apport thermique comportant : une ouverture supérieure qui est raccordée à l’ouverture inférieure de la tour creuse, l’enceinte d’apport thermique et la tour creuse délimitant ensemble un espace interne ; une fenêtre en matériau perméable à la lumière disposée en vis-a-vis de l’interface d’échange thermique ; une ouverture d’entrée d’air.

La centrale selon l’invention permet la production d’énergie, telle que de l’énergie électrique ou mécanique à partir d’au moins deux sources d’énergies renouvelables combinées : l’énergie solaire et l’énergie éolienne. Optionnellement, la centrale peut également tirer parti de l’énergie géothermique.

L’invention garantit une conversion d’énergie efficiente et de haute disponibilité pour des installations de taille réduite. Une installation de hauteur totale de l’ordre de 5 à 8 mètres de haut suffit pour une production d’énergie locale.

L’invention tire parti de la différence de température entre deux points situés à la normale l’un de l’autre, le premier proche du sol et le deuxième à une hauteur donnée. La différence de température entre ces deux points crée un flux ascendant, éventuellement avec une tendance tourbillonnante. Ce phénomène thermodynamique est ici renforcé par une synergie :
– avec un effet de serre qui a lieu dans l’enceinte d’apport thermique ; et
– avec un flux d’air issu des vents auxquels est exposée la centrale, ces flux pouvant être captés par des conduits externes d’injection d’air.

Les sources d’énergie que sont le rayonnement solaire et la force du vent sont ainsi combinées dans la production d’énergie. De plus, l’énergie géothermique peut participer à cette synergie.

La centrale selon l’invention permet de plus de lisser la production d’énergie, en maintenant une production même en l’absence d’une des sources d’énergie à convertir.

La centrale selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :

– l’ouverture d’entrée d’air s’étend angulairement sur tout le périmètre de l’enceinte d’apport thermique ;

– l’interface d’échange thermique comporte une paroi convexe centrale définissant une chambre d’accumulation thermique ;

– l’interface d’échange thermique comporte une collerette plane en conduction thermique avec ladite paroi convexe centrale, et formant un socle d’appui sur le sol ;

– la centrale comporte un accumulateur de chaleur disposé dans la chambre d’accumulation thermique ;

– l’accumulateur de chaleur comporte une portion supérieure dont la forme est complémentaire de ladite paroi convexe centrale, et une portion inférieure enterrée sous l’interface d’échange thermique ;

– l’accumulateur de chaleur comporte des tiges de liaison géothermique saillantes ;

– la centrale comporte au moins un conduit externe d’injection d’air qui comporte : une entrée débouchant à proximité de l’ouverture d’entrée d’air à une première position angulaire autour de l’axe vertical ; et une sortie qui est raccordée audit espace interne, à une deuxième position angulaire autour de l’axe vertical, le conduit externe d’injection d’air cheminant à l’extérieur de l’enceinte d’apport thermique et de la tour creuse, de ladite première position angulaire à ladite deuxième position angulaire ;

– lesdits moyens de conversion de l’énergie d’un flux d’air ascendant dans la tour creuse comportent un dispositif d’hélice adapté à être mis en rotation par un tel flux d’air ascendant ;

– ledit dispositif d’hélice comporte une structure hélicoïdale en liaison pivot avec une face interne de la tour creuse.

PRÉSENTATION DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

– la est une vue en perspective d’une centrale de conversion d’énergie renouvelable, selon l’invention ;

– la est une vue en coupe de la centrale de la ;

– la , la , la , la et la illustrent le dispositif d’obturation de la centrale ;

– la représente la centrale vue de dessus ;

– la représente l’injecteur d’un conduit externe d’injection d’air de la centrale ;

– la est une vue en coupe de la tour creuse de la centrale ;

– la est une vue schématique de principe du dispositif d’hélice de la centrale ;

– la représente le dispositif d’hélice de la centrale ;

– la illustre un exemple de pale du dispositif d’hélice ;

– la , la , et la illustrent un autre exemple de pale du dispositif d’hélice ;

– la , la et la illustrent le dispositif d’hélice avec les pales des figures 14 à 16.

Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

La est une vue générale en perspective d’une centrale de conversion 1 d’énergie renouvelable selon l’invention. Cette figure est une vue générale simplifiée montrant les principaux éléments externes de la centrale de conversion 1.

Une telle centrale de conversion 1 a des dimensions de préférence d’environ 5 à 8 mètres de hauteur pour un diamètre dans sa section maximale de 2,5 à 3 mètres. Une centrale de conversion 1 présentant de telles dimensions permet la production d’énergie pour une maison individuelle ou un petit habitat collectif et peut aisément être implantée au sol dans des zones habitables, voire sur les toitures ou autres espaces perdus. Un rendement attendu pour une journée ensoleillée d’été avec un vent de 0 à 12 km/h serait de l’ordre de 10 à 15 Kw/h. Cette énergie est ainsi fournie par des éléments à échelle réduite en comparaison avec les tours de conversion d’énergie de l’art antérieur, et ne nécessite pas les bâtis et œuvres imposantes courants dans ce domaine.

La centrale de conversion 1 comporte deux parties principales : une partie inférieure 3 destinée à son alimentation en air et une partie supérieure 4 dans laquelle a lieu la conversion d’énergie.

La partie supérieure 4 comporte une tour creuse 5 dont la forme est tronconique et s’évase vers le haut, c’est-à-dire que sa section augmente avec la hauteur. La tour creuse 5 s’étend selon un axe 2 vertical (voir la vue en coupe de la ) entre une ouverture inférieure 31 et une ouverture supérieure 32, et contribue ainsi à délimiter un espace interne 35. La tour creuse 5 est maintenue par rapport au sol grâce à des jambes 52 fixées au sol et rapportées sur la partie supérieure de la tour creuse 5. Trois jambes 52 peuvent être prévues sur la périphérie de la tour creuse 5 (sur la seules deux de ces jambes 52 sont visibles).

La partie inférieure 3 comporte une enceinte d’apport thermique 6 de forme tronconique s’évasant vers le bas c’est-à-dire présentant, à l’inverse de la tour creuse 5, une section se réduisant avec la hauteur. L’enceinte d’apport thermique 6 comporte une ouverture d’entrée d’air 7 couvrant tout son pourtour. L’ouverture 7 est constituée ici d’une fente circulaire horizontale, centrée sur l’axe 2, entre le sol et la paroi de l’enceinte d’apport thermique 6. Dans cet exemple, l’ouverture d’entrée d’air 7 est interrompue par des nervures de support 20 optionnelles, qui peuvent supporter le reste de la centrale 1 en complément des jambes 52.

En variante, l’ouverture d’entrée d’air 7 peut être ininterrompue, le reste de la centrale 1 étant maintenu au-dessus du sol uniquement par les jambes 52 fixées au sol et soutenant la tour creuse 5. Inversement, si le dimensionnement des nervures de support 20 est adapté, la centrale 1 peut être dépourvue de jambes 52 et être soutenue uniquement sur ces nervures de support 20.

L’enceinte d’apport thermique 6 comporte de plus des fenêtres 8 faites d’un matériau perméable à la lumière, permettant au rayonnement solaire de pénétrer et réchauffer l’air et les éléments se trouvant à l’intérieur de l’enceinte d’apport thermique 6. Les fenêtres 8 sont par exemple réalisées par des ouvertures dans la paroi, comblées par des plaques de matériau transparent ou translucide tel que PMMA, polycarbonate, verre armé, etc. En variante, la paroi de l’enceinte d’apport thermique 6 peut elle-même être constituée d’un matériau transparent ou translucide pour réaliser de ce fait la fonction des fenêtres 8.

Par ailleurs, la centrale de conversion 1 comporte au moins un conduit externe d’injection d’air 9, et de préférence au moins deux de ces conduits, qui chemine par l’extérieur de l’enceinte d’apport thermique 6, le long de la paroi, selon une trajectoire sensiblement en portion de spirale, pour venir se raccorder à l’espace interne défini par la tour creuse 5 et l’enceinte d’apport thermique 6. Le conduit externe d’injection d’air 9 comporte une entrée 10 débouchant au-dessus des ouvertures d’entrée d’air 7 et orientée horizontalement de manière à capter les flux d’air générés par le vent. À son autre extrémité, le conduit externe d’injection d’air 9 comporte une sortie 11 au niveau de laquelle le conduit traverse la paroi de la tour creuse 5 ou de l’enceinte d’apport thermique 6 et débouche dans l’espace interne 35. Dans le présent exemple, la sortie 11 traverse la paroi de l’enceinte d’apport thermique 6, juste sous sa jonction avec la tour creuse 5. Le conduit externe d’injection d’air 9 chemine ainsi à l’extérieur de l’enceinte d’apport thermique 6 et de la tour creuse 5, d’une première position angulaire (la position angulaire de l’entrée 10) à une deuxième position angulaire (la position angulaire de la sortie 11).

Ainsi, de l’air peut entrer par aspiration dans la centrale de conversion 1 par une large ouverture d’entrée d’air 7, et de l’air peut aussi entrer par soufflage par les entrées 10 du conduit externe d’injection d’air 9.

Sur la vue schématique de la , la centrale de conversion 1 ne comporte qu’un seul conduit externe d’injection d’air 9 pour simplifier le dessin. De préférence, la centrale 1 comporte trois conduits externes d’injection d’air 9 régulièrement disposés sur le périmètre de l’enceinte d’apport thermique 6, c’est-à-dire que les entrées 10 des trois conduits externes d’injection d'air 9 sont situées à une position angulaire de 120° les uns des autres autour de l’axe 2. Les trois conduits externes d’injection d'air 9, sont identiques à celui illustré, si ce n’est qu’ils sont décalés angulairement d’un tiers de tour.

La est une vue en coupe schématique de la centrale de conversion 1. Cette vue permet d’identifier les éléments fonctionnels présents à l’intérieur de la centrale de conversion 1 et de rendre compte du cheminement des flux d’air.

L’enceinte d’apport thermique 6 comporte une ouverture supérieure 33 de même section que l’ouverture inférieure 31 de la tour creuse 5, et la centrale 1 est assemblée de sorte que ces deux ouvertures soient raccordées.

La centrale 1 comporte de plus un dispositif d’obturation 12 permettant de limiter voire de fermer les entrées d’air au sein de la centrale 1, en vue d’adapter son alimentation en air à la force du vent et pour cesser son service lorsque le vent est trop fort et représente un danger.

Dans le présent exemple, le dispositif d’obturation 12 comporte un anneau 13 entourant l’enceinte d’apport thermique 6 et adapté à refermer les entrées 10 des conduits externes d’injection d’air 9 et l’ouverture d’entrée d’air 7.

L’anneau 13 (schématiquement représenté sur la vue de principe de la ) est dimensionné et disposé pour ne pas gêner le rayonnement solaire sur les fenêtres 8. Par exemple, l’anneau 13 est placé suffisamment haut au-dessus de l’enceinte d’apport thermique 6, ou l’anneau 13 peut être placé à la hauteur illustrée sur les figures, en étant lui-même transparent ou translucide si nécessaire, mais présente cependant une masse suffisante lui permettant de s’abaisser sous l’effet de son propre poids, lorsqu’il est relâché.

Le dispositif d’obturation 12 est agencé de sorte que l’anneau 13 soit mobile verticalement entre une position d’ouverture maximale (celle illustrée à la ) dans laquelle l’entrée 10 des conduits externes d’injection d’air 9 et l’ouverture d’entrée d’air 7 soient libres et disposent de toute leur section d’entrée efficace.

Le dispositif d’obturation 12 comporte des moyens permettant de maintenir l’anneau 13 dans cette position d’ouverture maximale et permettant de le déplacer et de le positionner dans toute position intermédiaire entre cette position d’ouverture maximale et une position de fermeture totale. Ces moyens de déplacement et de maintien sont schématisés sur la par un câble 17 et une poulie 18, de sorte qu’une traction ou un relâchement du câble 17 par toute motorisation adéquate entraine une levée ou un abaissement de l’anneau 13. En pratique, l’anneau 13 pourrait être monté par tout moyen connu permettant son déplacement le long de glissières et la motorisation du dispositif d’obturation 12.

La est une vue partielle similaire à la vue de la et montrant le dispositif d’obturation 12 en position de fermeture des conduits externes d’injection d’air 9.

La est la même vue que la , pour une position de fermeture totale du dispositif d’obturation. Dans cette position, l’anneau 13 ferme de plus l’ouverture d’entrée d’air 7.

L’anneau 13 peut occuper toute position intermédiaire permettant une obturation partielle des entrées d’air, afin de réguler l’entrée d’air en l’adaptant aux conditions atmosphériques et notamment la vitesse du vent.

Le dispositif d’obturation peut par exemple être piloté suivant le schéma suivant :
– pour un vent de 70 km/h l’anneau 13 est baissé jusqu’à 20 % de fermeture des entrées 10 ;
– pour un vent de 75 km/h l’anneau 13 est baissé jusqu’à 40 % de fermeture des entrées 10 ;
– pour un vent de 78 km/h l’anneau 13 est baissé jusqu’à 60 % de fermeture des entrées 10 ;
– pour un vent de 80 km/h l’anneau 13 est baissé jusqu’à 80 % de fermeture des entrées 10 ;
– à partir de 82 km/h de vitesse de vent, l’anneau 13 est mis dans sa position de fermeture des entrées 10 des conduits externes d’injection d’air 9, pour protéger les transmissions et éviter un bruit qui deviendrait trop aigu et trop fort.

Le rôle des conduits externes d’injection d’air 9 n’est en effet pas de capter le maximum de flux venteux, mais de fournir au niveau de la tour creuse un flux d’air issu du flux venteux qui entre en synergie avec les mouvements d’air ascendant.

Le pilotage de l’anneau 13 en tant qu’obturateur des entées 10 des conduits externes d’injection d’air 9 est par exemple réalisé sur la base de données fournies par un capteur tel qu’un anémomètre.

Le câble 17 (ou les câbles, le cas échéant) pourra de plus jouer le rôle de fusible. Il peut être dimensionné pour se rompre, par exemple, au-delà de 100 km/h de vitesse de vent et placer ainsi directement l’anneau 13 en position de fermeture totale.

En variante, cette régulation du flux d’air peut être réalisée par tout autre moyen que l’anneau ici décrit, tel que par exemple des volets motorisés ouvrant et fermant, situés aussi bien sur les ouvertures d’entrée d’air 7 que sur les entrées 10 des conduits externes d’injection d’air 9, et pilotés en conséquence.

La illustre une variante de réalisation de l’anneau 13 qui est ici adapté à obturer simultanément les conduits externes d’injection d’air 9 et l’ouverture d’entrée d’air 7, variante qui peut être avantageuse dans certains cas, par exemple pour des zones soumises à des vents violents. Selon cette variante, l’anneau 13 comporte autant d’ouvertures 14, traversant sa paroi, que de conduits externes d’injection d’air 9. Dans le présent exemple relatif à trois conduits externes d’injection d'air 9, l’anneau 13 comporte ainsi trois de ces ouvertures 14 réparties angulairement sur la périphérie de l’anneau 13, c’est-à-dire à une position angulaire de 120° les uns des autres.

Les figures 6 et 7 sont des vues en coupe illustrant le fonctionnement du dispositif d’obturation 12 selon cette variante. Sur la , l’anneau 13 est en position d’ouverture maximale dans laquelle une ouverture 14 est positionnée en vis-à-vis de l’entrée 10 de chaque conduit externe d’injection d’air 9, et l’anneau 13 est à l’écart de l’ouverture d’entrée d’air 7.

Sur la , l’anneau 13 est en position de fermeture totale, obturant à la fois les conduits externes d’injection d’air 9 et l’ouverture d’entrée d’air 7.

Toutes les positions intermédiaires entre les positions des figures 6 et 7 permettent simultanément d’obturer partiellement les conduits externes d’injection d'air 9 et l’ouverture d’entrée d’air 7. Cette variante permet ainsi, si tel est l’effet recherché, d’obturer simultanément les conduits externes d’injection d'air 9 et les ouvertures d’entrée d’air 7.

En référence de nouveau à la , l’enceinte d’apport thermique 6 contient une interface d’échange thermique 19 qui permet de réchauffer l’air entrant dans la centrale 1 par les ouvertures d’entrée d’air 7.

L’interface d’échange thermique 19 comporte une paroi convexe centrale 21 qui définit une chambre d’accumulation thermique 22. Dans le présent exemple, la paroi convexe centrale 21 comporte une première portion formée par un cône central 23 qui est entouré par une portion périphérique 24 tronconique qui entoure ce cône central 23 et qui est caractérisée par un angle de cône plus ouvert que celui du cône central 23.

La paroi convexe centrale 21 est prolongée par une collerette plane 25 entourant la paroi convexe centrale 21 et s’étendant au-delà du profil défini par l’enceinte d’apport thermique 6, vers l’extérieur. En variante, notamment pour les pays froids, la collerette plane 25 peut s’arrêter au raz du profil défini par l’enceinte d’apport thermique 6. Dans le présent exemple, la collerette plane 25 est directement un prolongement de la paroi convexe centrale 21, ces parois étant ainsi réalisées par le même matériau mis en forme. En variante, la collerette plane 25 peut-être discontinue et faite d’un matériau différent, tant que cette collerette plane 25 est en conduction thermique avec la paroi convexe centrale 21.

La paroi convexe centrale 21 est destinée à capter et transmettre la chaleur fournie par le rayonnement solaire à travers les fenêtres 8. À cet effet, la paroi convexe centrale 21 est réalisée dans un matériau bon conducteur thermique tel que le cuivre. Cette paroi convexe centrale 21 en cuivre est de préférence recouverte d’un revêtement noir mat favorisant le captage de chaleur.

La centrale 1 comporte de plus un accumulateur de chaleur disposé dans la chambre d’accumulation thermique 22. Dans le présent exemple, cet accumulateur de chaleur est constitué par une roche 26 qui comporte une portion supérieure dont la forme a été taillée pour être complémentaire de la paroi convexe centrale 21, et également de la collerette plane 25. La portion supérieure de la roche 26 vient ainsi au contact, au plus proche, de la paroi convexe centrale 21 et de la collerette plane 25 pour assurer une conductivité thermique optimale de ces parois vers la roche 26.

La roche 26 comporte de plus une portion inférieure qui est enterrée sur le site recevant la centrale 1 (le niveau du sol est en effet défini sur la par la collerette plane 25 qui repose sur le sol). La roche 26 est ainsi réchauffée grâce à l’interface d’échange thermique 19 lui fournissant de la chaleur provenant du rayonnement solaire, et bénéficie de plus de la chaleur d’origine géothermique en sous-sol, notamment pendant la saison froide.

De plus, la roche 26 comporte de préférence des tiges 27 de liaison géothermique saillantes. Les tiges 27 sont réalisées en un matériau de conductivité thermique élevée et sont par exemple mises en œuvre en perçant la roche d’un trou borgne d’une longueur s’étendant jusqu’à proximité de la portion supérieure de la roche 26, et en y emmanchant en force des tiges métalliques. Ces tiges 27 sont saillantes de la roche 26 vers le bas et pénètrent dans le sol suivant une profondeur suffisante pour une application de géothermie (qui peut généralement aller jusqu’à plusieurs dizaines de mètres).

La illustre par ailleurs également l’agencement des conduits externes d’injection d’air 9. L’entrée 10 de chaque conduit externe d’injection d’air 9 est positionnée de manière à capter un flux d’air généré par le vent qui, de manière continue ou intermittente, est amené à entrer par l’entrée 10. Chaque entrée 10 débouche à proximité de l’ouverture d’entrée d’air 7, c’est-à-dire qu’elle débouche à une hauteur maximale correspondant à la moitié de la hauteur de l’enceinte d’apport thermique 6, l’ouverture d’entrée d’air 7 débouchant au raz du sol. Un seul conduit externe d’injection d’air 9 est représenté , étant entendu que les trois conduits externes d’injection d'air 9 couvrent tout le pourtour de la centrale 1, et que au moins une entrée 10 reçoit ainsi un flux venteux, lorsque le vent souffle. Non seulement au moins une entrée 10 est toujours alimentée en vent lorsque ce dernier souffle, mais de plus, il est improbable que les trois entrées soient alimentées en même temps. Un déséquilibre volontaire est ainsi créé lorsque le vent souffle : seul un, voire deux, conduits externes d’injection d’air 9 sont significativement actifs à un instant donné.

Chaque conduit externe d’injection d’air 9 comporte un corps 28 qui canalise le flux d’air. Ce corps 28 est de profil tronconique c’est-à-dire que sa section diminue régulièrement en direction de la sortie 11. Le corps 28 chemine sur la surface de l’enceinte d’apport thermique 6 suivant une portion de spirale.

La illustre un exemple de disposition des trois conduits externes d’injection d’air 9. Cette figure est une vue schématique de dessus selon la coupe VIII-VIII de la . Chaque conduit externe d’injection d’air 9 s’étend sur 1/4 de tour entre son entrée 10 et sa sortie 11. Les trois entrées 10, et respectivement les trois sorties 11, sont positionnées à 120º les unes des autres. La fournit un exemple où les entrées 10 sont orientées sensiblement tangentiellement à la paroi de l’enceinte d’apport thermique 6. La est quant à elle relative à un autre exemple de réalisation où les sorties 10 sont orientées radialement par rapport à l’axe 2. Quoi qu’il en soit, au moins une entrée 10 est toujours adaptée à recevoir le flux venteux lorsque le vent souffle.

La illustre par ailleurs l’agencement angulaire des fenêtres 8 qui sont ici disposées uniquement sur la moitié de la circonférence de l’enceinte d’apport thermique 6, pour correspondre à l’ensoleillement attendu compte tenu de la trajectoire du soleil au lieu considéré. La centrale 1 sera implantée et fixée au sol (dans cet exemple grâce notamment aux jambes 52), de sorte que le secteur angulaire de l’enceinte d’apport thermique 6 qui est pourvu des fenêtres 8 sera orienté géographiquement pour être en vis-à-vis de la trajectoire solaire, ce qui permet d’exposer les fenêtres au rayonnement solaire, et de garder au maximum la chaleur dans l’enceinte d’apport thermique 6 en présentant une paroi sans fenêtre dans la direction à l’ombre. Par exemple, cette portion angulaire munie des fenêtres 8 sera orientée vers le sud dans l’hémisphère nord.

Par ailleurs, la portion angulaire de l’enceinte d’apport thermique 6 qui est dépourvue de fenêtres 8 peut être orientée pour tirer parti du rayonnement thermique fourni par exemple par un mur à proximité duquel la centrale de conversion 1 est éventuellement implantée.

En variante, les fenêtres 8 peuvent être prévues sur tout le pourtour de l’enceinte d’apport thermique 6. Une seule fenêtre 8 peut-être de plus prévue sur tout le pourtour de l’enceinte d’apport thermique 6, dans la mesure où la paroi transparente ou translucide correspondante soit dimensionnée pour supporter les contraintes mécaniques relatives notamment au poids à supporter en raison de la présence de la tour creuse 2 sur la partie supérieure de la centrale 1, en complément des jambes 52 données ici en exemple.

Le reste de la paroi de l’enceinte d’apport thermique 6, en dehors des fenêtres 8, est de préférence réalisé en un matériau de conductivité thermique importante. Dans le présent exemple, l’enceinte d’apport thermique 6 est réalisée en cuivre et sa surface est recouverte d’un revêtement noir mat pour maximiser le captage de chaleur de la même manière que la paroi convexe centrale 21.

En référence de nouveau à la , chaque conduit externe d’injection d’air 9 comporte, au niveau de la sortie 11, un injecteur d’air 29. La est une vue partielle en coupe selon la coupe IX-IX de la , et illustre l’agencement de l’extrémité du conduit externe d’injection d’air 9. L’extrémité du conduit externe d’injection d’air 9 traverse la paroi de l’enceinte d’apport thermique 6 à la faveur d’un orifice 30 situé à une hauteur correspondant au sommet de l’enceinte d’apport thermique 6, sous la base de la tour creuse 5, c’est-à-dire juste en dessous de la jonction entre l’ouverture inférieure 31 de la tour creuse 5 et l’ouverture supérieure 33 de l’enceinte d’apport thermique 6.

De l’autre côté de la paroi, l’injecteur d’air 29 dirige le flux d’air provenant du conduit externe d’injection d’air 9 grâce à une buse 34 dont le diamètre correspond à la section de passage la plus faible de tout le conduit externe d’injection d’air 9 pour prolonger l’effet Venturi déjà obtenu par la section décroissante du conduit externe d’injection d’air 9. La buse 34 est orientée verticalement et pointe vers le haut, de manière à diriger un flux d’air concentré et accéléré vers le haut.

Ainsi, chaque conduit externe d’injection d’air 9 est adapté à capter un flux venteux selon un angle d’incidence qui permet au vent de s’engouffrer par l’entrée 10 correspondante, il accélère la vitesse de ce fluide et diffuse ensuite ce flux d’air verticalement vers le haut à l’intérieur de l’espace interne 35.

En variante, en fonction des moyens de conversion d’énergie prévus dans la tour creuse 5, l’injection d’air peut se faire à d’autres altitudes, par exemple une altitude plus basse sur l’enceinte d’apport thermique 6. Selon une autre variante, l’injection d’air peut se faire en traversant la paroi de la tour creuse 5, à une altitude plus ou moins importante dans la tour creuse, tant que les buses 34 pointent sur au moins une portion des moyens de conversion d’énergie dans la tour creuse 5.

La illustre de plus des moyens de conversion de l’énergie d’un flux d’air ascendant dans la tour creuse qui sont disposés dans l’espace interne 35. Ces moyens de conversion peuvent être réalisés par tout dispositif adapté à transformer en énergie mécanique exploitable l’énergie relative à l’ascension d’un flux d’air à l’intérieur de la tour creuse 5. Dans le présent exemple, ces moyens de conversion sont constitués d’un dispositif d’hélice 36 comportant des pales 37 montées sur un arbre central 47 qui est en liaison pivot avec la tour creuse 5 grâce à des paliers 45 maintenus par des tirants 46 (trois tirants radiaux 46 permettent de maintenir chaque palier 45 à l’axe 2).

Les pales 37 du dispositif d’hélice 36 sont distribuées de manière régulière en tournant autour de l’axe 2.

En variante, les moyens de conversion d’énergie peuvent être tout autre dispositif réalisant cette fonction tel que, par exemple, une hélice classique montée sur l’axe 44 en libre rotation. Les figures 10 à 19 décrivent par ailleurs d’autres exemples de tels moyens de conversion d’énergie.

La tour creuse 5 est destinée à exploiter les flux d’air dont le mouvement est notamment favorisé par la différence de température entre deux points situés à la normale l’un de l’autre. La paroi externe de la tour creuse 5 est ainsi de préférence peinte en dégradé avec une bande blanche finale sur sa partie supérieure, et une bande noire initiale sur sa partie inférieure pour maintenir une température plus élevée, pour contribuer au gradient de température garantissant une température plus élevée à la base de la tour creuse et plus fraiche sur sa partie supérieure (à proximité de l’ouverture supérieure 32).

La centrale 1 présente ainsi une section centrale (au niveau de la jonction de l’enceinte d’apport thermique 6 et de la tour creuse 5) qui est inférieure à sa section d’entrée (à la base de l’enceinte d’apport thermique 6), et cette section centrale est également inférieure à la section de sortie (sur l’ouverture supérieure 32 de la tour creuse 5).

Les figures 10 à 13 illustrent un exemple de dispositif d’hélice 36 particulièrement avantageux, comportant un dispositif d’hélice avec structure hélicoïdale adaptée à tirer parti du caractère tourbillonnant que peut présenter le flux d’air ascendant, sous l’effet de perturbations, de la force de Coriolis, ou de tout autre phénomène, et ce avec des frottements limités. La est une vue schématique en coupe de la tour creuse 5. Selon cette réalisation, le dispositif d’hélice 36 comporte une double structure hélicoïdale faite de deux bandes 38A et 38B de matériau rigide tel que du Kevlar (marque déposée) longeant, sans la toucher, la face interne de la paroi de la tour creuse 5 selon une trajectoire hélicoïdale. La illustre seulement une de ces bandes hélicoïdales 38A pour des raisons de clarté de la figure. Les deux bandes hélicoïdales 38A, 38B cheminent selon une trajectoire hélicoïdale le long de la face interne de la tour creuse, en étant agencées de manière diamétralement opposée. Ainsi, chaque portion de bande hélicoïdale est disposée en vis-à-vis d’une portion correspondante de l’autre bande hélicoïdale située sur le diamètre opposé.

La illustre ce principe d’agencement des pales. Cette figure représente une courbe hélicoïde en trois dimensions. Les deux bandes hélicoïdales 38A, 38B forment les deux rebords de cette courbe. Les pales 37 du dispositif (qui sont par exemple en fibres de carbone) sont schématisées sur cette par de simples lignes s’étendant chacune d’une bande hélicoïdale 38A à l’autre 38B.

La est une illustration mathématique de principe illustrant le positionnement des pales 37 au sein de la structure hélicoïdale, et la la complète en illustrant la structure hélicoïdale telle qu’elle se présente réellement, avec les deux bandes hélicoïdales 38A, 38B formant un profil tronconique se resserrant vers le bas, pour suivre la forme de l’espace interne 35 de la tour creuse 5. Les pales 37 sont simplifiées pour simplement montrer leur trajectoire rectiligne entre les deux bandes hélicoïdales 38A, 38B.

Le dispositif d’hélice 36 comporte ainsi une pluralité de pales 37 angulairement décalées les unes par rapport aux autres, à la manière d’un escalier.

La représente un premier exemple de pale 37 et illustre la forme de chaque pale 37, qui sont toutes identiques si ce n’est leur longueur qui est fonction de leur altitude compte tenu du profil de cône de la tour creuse 5. Chaque pale 37 est fait d’une lame de matériau rigide et léger, par exemple un composite à fibres de carbone. Cette lame comporte un premier rebord 48 qui est fixé verticalement sur l’une des bandes hélicoïdales 38A et comporte un deuxième rebord 49 également fixé verticalement sur le deuxième rebord 38B. Entre ces deux rebords, la lame est vrillée d’un demi-tour.

En référence de nouveau à la , la double structure hélicoïdale est terminée par un anneau supérieur 39 et par un anneau inférieur 40 qui sont tous deux montés rotatifs sur la face interne de la tour creuse 5, pour réaliser la liaison pivot d’axe 2 entre le dispositif d’hélice 36 et la tour creuse 5.

Les deux anneaux 39, 40 présentent un pourtour extérieur dont le profil est adapté à l’angle de cône de la tour creuse 5 et sont montés rotatifs contre les parois de la tour creuse 5 par des moyens de liaison en rotation. Pour chaque anneau 39, 40, ces moyens sont de préférence constitués de trois galets 41 (dont la fonction est schématisée par des billes sur la ) fixés sur l’anneau, et répartis angulairement sur la circonférence de l’anneau, c’est-à-dire à 120º les uns des autres. Ces trois galets 41 permettent un mouvement de roulement sur la paroi de la tour creuse 5, l’anneau reposant par gravité sur les faces internes de la paroi de la tour creuse 5 grâce à l’angle du cône.

L’ensemble du dispositif d’hélice 36, avec ses nombreuses pales 37, est ainsi en liaison pivot avec la tour creuse 5 sans axe central, et avec peu de frottements.

L’ensemble de la structure hélicoïdale 38 avec les anneaux 39, 40 est impérativement léger pour présenter une faible inertie. Les bandes hélicoïdales 38A, 38B peuvent également être réalisées en fibres de carbone et les galets 41 sont des galets avec roulements à billes à faible friction. Le dispositif d’hélice 36 est ainsi sensible même à des flux de vent de faible vitesse, et le déséquilibre induit par le travail des trois conduits externes d’injection d’air 9 favorise sa rotation.

La illustre de plus les moyens dont dispose la centrale 1 pour transformer l’énergie du mouvement de rotation du dispositif d’hélice 36 en énergie exploitable, qui sera fournie finalement par la centrale 1.

Dans le présent exemple, l’anneau supérieur 39 comporte une roue dentée interne 42 sur toute sa circonférence intérieure. Un pignon 43 est maintenu en liaison pivot par rapport à la tour creuse 5 et engrène sur la roue dentée 42, de sorte que la rotation du dispositif d’hélice 36 entraine la rotation de l’arbre 44 portant le pignon 43. La rotation de l’arbre 44 est directement exploitable par tout moyen de conversion d’énergie telle qu’une machine électrique transformant l’énergie de cette rotation en énergie électrique (non représentée).

La illustre un autre exemple de réalisation des pales 37, qui présentent ici une forme particulièrement adaptée à la conversion d’énergie dans le contexte présenté, et adaptable sur le dispositif d’hélice décrit en référence aux figures 10 à 12.

Sur cette , une pale 37 est représentée avant son montage sur les bandes hélicoïdales 38A, 38B, et donc avant son vrillage. La pale 37 est réalisée, comme précédemment, en matériau léger et résistant tel qu’un composite à fibres de carbone, et est assez flexible pour être vrillée. Alternativement, la pale 37 peut être vrillée à chaud ou directement par construction (par exemple par moulage). La pale 37 comporte une lame centrale 50 ainsi que deux lames périphériques 51 qui s’étendent de part et d’autre de la lame centrale 50. Les lames périphériques présentent une longueur d’environ la moitié de la longueur de la lame centrale 50, et sont adjacentes à des rebords opposés 48, 49 de la lame centrale 50.

La est une vue de face de la lame de la . Elle illustre les angles que font les lames périphériques 51 avec la lame centrale 50. Dans le présent exemple, cet angle α est sensiblement de 140º.

La est une vue similaire à la , mais pour une pale 37 vrillée, dans la configuration où elle se trouve après son montage final sur les bandes hélicoïdales 38A, 38B.

Le vrillage fait en sorte qu’un premier rebord 48 de la pale 37 soit fixé à l’une des bandes hélicoïdales 38A, 38B de sorte que la lame périphérique 51 forme un angle β avec le bord de la bande hélicoïdale correspondante (ce bord étant schématisé par une ligne en pointillés sur la ). Dans le présent exemple, l’angle β est sensiblement de 20º.

De plus, le vrillage fait en sorte que le deuxième rebord 49 de la pale 37 soit fixé à la bande hélicoïdale 38A, 38B opposée, de sorte que la lame périphérique 51 forme le même angle β avec le bord de la bande hélicoïdale correspondante (ce bord de l’autre bande hélicoïdale étant également schématisé par une ligne en pointillés sur la ).

Les figures 17 à 19 sont des vues schématiques, en perspective, du dispositif d’hélice 36 avec la pale 37 des figures 14 à 16.

La est une vue de dessus montrant un nombre volontairement limité des pales 37, pour clarifier la figure. Dans la réalité, les pales s’étendent hélicoïdalement sur toute la hauteur du dispositif d’hélice 36, selon la structure illustrée aux figures 11 et 12. Les figures 18 et 19 sont également des vues similaires en perspective, selon un autre angle de vue.

La fixation des rebords des pales 37 se fait sur les bandes hélicoïdales 38A, 38B, sous forme de zigzags alternant une crête au niveau du passage d’une lame périphérique 51 à la lame centrale de la pale 37 suivante, et un creux au niveau de la jonction entre la lame périphérique 51 et la lame centrale 50 d’une même pale 37.

La centrale 1 qui vient d’être décrite fonctionne de la manière indiquée ci-après.

Le rayonnement solaire réchauffe à la fois la paroi de l’enceinte d’apport thermique 6 et l’intérieur de cette enceinte en traversant les fenêtres 8. Cette chaleur réchauffe d’une part l’air qui est présent à l’intérieur de l’enceinte d’apport thermique 6, et réchauffe d’autre part la paroi convexe centrale 21 qui transmet cette chaleur à la roche 26. La roche 26 bénéficie de plus de l’effet géothermique, plus particulièrement durant la saison froide grâce aux tiges de liaison géothermique saillantes 27 qui ont déjà élevé préalablement la température de la roche 26 à la température des couches plus profondes du sol. La roche 26 va ainsi emmagasiner de la chaleur, surtout pendant les phases d’ensoleillement les plus intenses.

Durant les phases d’ensoleillement moins prononcé, et durant la nuit, la roche 26 va restituer la chaleur accumulée en la transmettant à la paroi convexe centrale 21 qui réchauffe l’air présent à l’intérieur de l’enceinte d’apport thermique 6.

La paroi convexe centrale 21 est donc une interface d’échange thermique dans les deux sens, aussi bien pour transmettre de la chaleur à la roche 26 que pour restituer cette chaleur à l’air.

L’air présent dans l’enceinte d’apport thermique 6 est ainsi régulièrement réchauffé, de manière lissée dans le temps, par le rayonnement solaire, par la paroi de l’enceinte d’apport thermique 6, par la paroi convexe centrale 21, ou par plusieurs de ces éléments. Cet air chaud s’élève ainsi dans l’enceinte d’apport thermique 6 et voit sa vitesse augmenter grâce à l’effet Venturi procuré par la forme tronconique de l’enceinte d’apport thermique 6 dont la section diminue vers le haut. La montée de l’air au sein de l’enceinte d’apport thermique 6 entraine une entrée d’air frais par les ouvertures d’entrée d’air 7.

Un flux d’air ascendant d’origine thermodynamique pénètre donc ensuite, en sortant de l’enceinte d’apport thermique 6, dans l’espace interne de la tour creuse 5 qui est un espace dont la section augmente avec la hauteur.

Simultanément, la centrale 1 bénéficie du vent qui est éventuellement présent quel que soit l’angle d’incidence par lequel il vient frapper la centrale 1 grâce à la disposition des conduits externes d’injection d’air 9. Le vent est donc capté par au moins un conduit externe d’injection d’air 9, et canalisé en remontant en spirale en direction de la tour creuse 5, tout en étant accéléré par l’effet Venturi procuré par la diminution de section du conduit externe d’injection d’air 9. Le flux d’air ainsi produit est injecté verticalement dans l’espace interne 35, de manière déséquilibrée entre les trois injecteurs 29.

Le flux d’air ascendant provenant de l’enceinte d’origine thermodynamique peut éventuellement être animé d’un mouvement en spirale, par exemple compte tenu des forces de Coriolis s’appliquant éventuellement. Quelle que soit la trajectoire de ce flux d’air ascendant, son effet est combiné en synergie avec l’injection d’air verticale qui procure une accélération et un complément, créant dans la tour creuse 5 un flux d’air ascendant à même de mettre en rotation de manière efficiente le dispositif d’hélice 36 pour produire de l’énergie récupérée au niveau de la rotation de l’arbre 44. L’évasement de la tour creuse vers le haut permet de présenter à ce flux ascendant des pales avec un bras de levier allant en augmentant au fur et à mesure que le flux perd de sa force.

Des variantes de réalisation peuvent être envisagées. Par exemple, en fonction de la hauteur et de la masse de la centrale 1, la partie supérieure de la tour creuse 5 peut être maintenue par d’autres éléments que des jambes 52, par exemple par des fixations sur un mur ou tout autre construction.

Claims (10)

1. Centrale de conversion d’énergie renouvelable comportant :
   – une tour creuse (5) s’étendant selon un axe vertical (2) et présentant une ouverture inférieure (31) et une ouverture supérieure (32) ;
   – des moyens de conversion de l’énergie d’un flux d’air ascendant dans la tour creuse (5) ;
   cette centrale de conversion d’énergie étant caractérisée en ce qu’elle comporte une interface d’échange thermique (19) disposée dans une enceinte d’apport thermique (6) de forme sensiblement tronconique dont la section diminue avec la hauteur, l’enceinte d’apport thermique (6) comportant :
   – une ouverture supérieure (33) qui est raccordée à l’ouverture inférieure (31) de la tour creuse (5), l’enceinte d’apport thermique (6) et la tour creuse (5) délimitant ensemble un espace interne (35) ;
   – une fenêtre (8) en matériau perméable à la lumière disposée en vis-à-vis de l’interface d’échange thermique (19) ;
   – une ouverture d’entrée d’air (7).
2. Centrale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’ouverture d’entrée d’air (7) s’étend angulairement sur tout le périmètre de l’enceinte d’apport thermique (6).
3. Centrale de conversion d’énergie renouvelable selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’interface d’échange thermique (19) comporte une paroi convexe centrale (21) définissant une chambre d’accumulation thermique (22).
4. Centrale de conversion d’énergie renouvelable selon la revendication 3, caractérisée en ce que l’interface d’échange thermique (19) comporte une collerette plane (25) en conduction thermique avec ladite paroi convexe centrale (21), et formant un socle d’appui sur le sol.
5. Centrale de conversion d’énergie renouvelable selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce qu’elle comporte un accumulateur de chaleur disposé dans la chambre d’accumulation thermique (22).
6. Centrale de conversion d’énergie renouvelable selon la revendication 5, caractérisée en ce que l’accumulateur de chaleur comporte une portion supérieure dont la forme est complémentaire de ladite paroi convexe centrale (21), et une portion inférieure enterrée sous l’interface d’échange thermique (19).
7. Centrale de conversion d’énergie renouvelable selon l’une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que l’accumulateur de chaleur comporte des tiges de liaison géothermique saillantes (27).
8. Centrale de conversion d’énergie renouvelable selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un conduit externe d’injection d’air (9) qui comporte : une entrée (10) débouchant à proximité de l’ouverture d’entrée d’air (7) à une première position angulaire autour de l’axe vertical (2) ; et une sortie (11) qui est raccordée audit espace interne (35), à une deuxième position angulaire autour de l’axe vertical (2), le conduit externe d’injection d’air (9) cheminant à l’extérieur de l’enceinte d’apport thermique (6) et de la tour creuse (5), de ladite première position angulaire à ladite deuxième position angulaire.
9. Centrale de conversion d’énergie renouvelable selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens de conversion de l’énergie d’un flux d’air ascendant dans la tour creuse comportent un dispositif d’hélice (36) adapté à être mis en rotation par un tel flux d’air ascendant.
10. Centrale de conversion d’énergie renouvelable selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit dispositif d’hélice (36) comporte une structure hélicoïdale en liaison pivot avec une face interne de la tour creuse (5).