WO2007112519A1 - Production d’electricite a partir d’energies basses temperatures - Google Patents

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WO2007112519A1 PCT/BE2006/000119 BE2006000119W WO2007112519A1 WO 2007112519 A1 WO2007112519 A1 WO 2007112519A1 BE 2006000119 W BE2006000119 W BE 2006000119W WO 2007112519 A1 WO2007112519 A1 WO 2007112519A1
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Definitions

  • the present invention relates to an arrangement and a method for the exploitation of low temperature energies with electricity generation by artificial wind and medium speed turbines.
  • the soft energies used for the production of electricity are essentially those of the wind, by use of large diameter wind turbines.
  • the choice of large diameters is based on the fact that the energy that can be captured is a function of the catchment area, in other words the square of the diameter of the blades of the wind turbine.
  • the present invention aims to provide a more flexible improved system that allows to recover more energy by transforming the "wind" system into a particular "turbine” system.
  • Wind turbines used today are limited to wind speeds below 80 or 90 km / h, for the reasons explained above.
  • RPM speed of the order of 20 to 30 km / h.
  • Gas turbines operate on their own with much higher gas velocities, generally subsonic of the order of 800 Km / h (the aircraft engines can exceed the speed of sound) and the yields are much higher.
  • the system presented below is for its part at an intermediate level of speeds (of the order of one hundred to three hundred km / h) and, according to a main characteristic, uses several stages of fins (and not wind turbines). ) significantly improving the yield.
  • the present invention thus relates to such a system.
  • the object of the invention is to propose a system designed to produce electricity mechanically from the recovery of calories conveyed inside a system of heat exchangers fixed on several floors, ie in factions.
  • stages of fixed heat exchangers comprising fins or blades fixed on a central, vertical and rotary axis, which axis extends down to become the axis of a generator. electricity located in the lower part.
  • a greater or lesser speed acceleration can be achieved by providing an air intake section (at the base) much higher than the air outlet section (at the top).
  • fig. 1 represents a vertical half-section of an arrangement according to the invention.
  • the figs. 2 and 3 show a horizontal section of a blade stage (plane A of Fig. 1) presented in two embodiments: multiple blades and multiple overlapping blades. The choice is made according to the dimensions of the installation and the wind speeds reached.
  • the system is formed of a tower composed of two concentric cylinders 1, 2 having the same central vertical axis 20.
  • the level of air heating at ground level is the first level of heating (actually "preheating"), where the annular air inlet section 7 is larger. than output 8, hence the appearance of an acceleration phenomenon.
  • the air is preheated in 9 before passing through one heat exchanger 10a of the first stage El to be heated again before entering the stage E2, one 'of the first level of turbine blades.
  • the “even stages” are movable, and rotate around the vertical center axis 20 of the tower, thus constituting the “turbine” part of the system. They consist of turbine blades or vanes 40, welded to the inner cylinder 2 of the system so as to be driven by a rotational movement produced by the force of the hot air 30 which rises at speeds which can be much higher than the speed of the wind turbines.
  • the exchangers 10 are fixed directly on the outer cylinder 1, and can be cantilevered or placed if necessary -in the case of large dimensions- on the central axis by means of a support 12 of ball bearings or of an equivalent arrangement (since
  • the axis will rotate and the heat exchangers are fixed).
  • turbine blade vanes 40 are fixed directly and, preferably only, on inner cylinder 2, just like the blades of a turbine on their rotary support.
  • Fig. 1 however illustrates the case where the ends of the blades rest on annular consoles 3.
  • the heat transfer liquid 4 circulating in thermally insulated pipes, is fed to the highest exchanger 10d, and from there it descends to supply successively and in sequence the other exchangers 10c, 10b and 10a from the top to the the lowest.
  • This circulation of the liquid 4 is in a natural way, as the natural circulation of hot water from the central heating of a building, but can be "helped" by one or a few circulation pumps that will give the movement a constant rhythm.
  • the air that is drawn into the bottom of the system is at the outside air temperature and has the same degree of hygrometry.
  • the air In contact with the fins of the first heat exchanger (preheating) at the floor where circulates the coolant which has already lost much of its temperature, the air is preheated. As a result, it expands, thus creating an overpressure that pushes this air upwardly through said preheating fins before passing through the heat exchanger of the stage E1 and the blades 40 of the turbine at the level of 1 E2 floor.
  • a storage means can be provided for the coolant, for example in thermally insulated tanks.
  • the heat of the heat transfer fluid can come from different sources, for example a geothermal source, solar collectors or the heat recovery of an industrial process.
  • the liquid can be heated during the day in a circuit separate from that of the daytime operation and stored in one or more reservoirs in order to be used at night (the outside air being less hot, this will therefore give a better yield which at least partially compensates for the losses due to cooling of the coolant during storage).
  • the coolant consists of ordinary water which circulates in finned tubes aligned on the bottom of the the mine, pipes whose outer surface is protected from chemical attack for example by a suitable paint.
  • the invention therefore describes a transmission system and fractional recovery of the energy of a coolant causing an artificial wind, particularly flexible and efficient. It will be understood that many variations can be made to the device of the invention described below without departing from the scope of the invention. It is thus possible to provide, in particular at startup, progressive clutch means of the different levels of blades relative to the rotor.

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Abstract

L'invention se rapporte à un système de production d'énergie à partir d'un fluide caloporteur (4), comprenant un générateur d'électricité (13) associé à une turbine (2) alimentée par un flux d'air (30) admis à la base d'une tour. La tour est munie de différents étages de pales (40) , solidarisées à un axe central (2) actionnant le générateur, et en alternance, d'étages d'échangeurs de chaleur (10). Les dites pales sont actionnées par la montée de l'air réchauffé au fur et à mesure de son ascension dans la tour en créant ainsi un vent vertical artificiel. Le fluide caloporteur (4) alimente les échangeurs de chaleur (10) en descendant à travers ceux-ci à partir de celui situé au plus haut niveau.

Description

Production d'électricité à partir d'énergies basses températures
La présente invention concerne un arrangement et un procédé pour l'exploitation d'énergies basses températures avec production d'électricité par vent artificiel et turbines moyennes vitesses.
A l'heure actuelle, les énergies douces utilisées pour la production d'électricité sont essentiellement celles du vent, par usage d'éoliennes de grands diamètres.
Le choix des grands diamètres est basé sur le fait que l'énergie captable est fonction de la surface de captage, autrement dit du carré du diamètre des pales de l'éolienne.
Mais ce choix judicieux a ses limites car l'augmentation de l'inertie du système avec l'augmentation du diamètre (et celui du nombre de pales) , fait perdre la récupération de l'énergie des vitesses de vents faibles (la vitesse minimum à partir de laquelle l'éolienne peut produire du courant augmente) .
Or, cette énergie est aussi fonction du cube de la vitesse du vent, mais l'homme n'est maître ni de la vitesse des vents ni de leur direction. Au plus le diamètre sera grand, au plus l'éolienne devra être haute. Le moment de flexion à l'encastrement (à la base) du pylône de support deviendra important et obligera à mettre les éoliennes "en drapeau" pour des vitesses de moins en moins importantes, ce qui fait que la "fenêtre" des vents utilisables se réduira fortement .
il existe actuellement un assez grand nombre de publications relatives à l'utilisation d'un phénomène connu depuis longtemps, qui est celui de la montée de l'air chaud. Ces publications décrivent des dispositifs permettant de capter l'énergie de ces vents artificiels par l'usage M' éoliennes" ou de turbines à l'intérieur d'une sorte de cheminée avec effet de tirage, dont le bénéfice majeur est d'avoir un vent de direction constante.
A titre d'exemples ont peut citer les documents de brevets GB 2302139, DE 19831492 et DE 3636248.
Toutefois, la rentabilité de pareils systèmes n'a pas permis leurs applications jusqu'à présent. La situation pourrait changer en fonction de 1 ' augmentation du prix du baril de pétrole. Le rendement des installations devient alors un facteur prédominant.
Le présente invention a pour but de proposer un système amélioré plus souple et qui permet de récupérer plus d'énergie en transformant le système "éolien" en un système "turbine" particulier.
Les éoliennes utilisées de nos jours sont limitées à des vitesses de vents en dessous de 80 ou 90 Km/h, et ce pour les raisons expliquées ci-dessus.
Les vitesses "de régime" sont en général de l'ordre de 20 à 30 Km/h. Les turbines à gaz fonctionnent quand à elles avec des vitesses de gaz beaucoup plus élevées, généralement subsoniques de l'ordre de 800 Km/h (les moteurs d'avions pouvant dépasser la vitesse du son) et les rendements sont nettement plus importants .
Le système présenté ci-après se situe pour sa part à un niveau intermédiaire de vitesses (de l'ordre de cent à trois cent Km/h) et, selon une caractéristique principale, utilise plusieurs étages d'ailettes (et non d'éoliennes) améliorant nettement le rendement.
La présente invention concerne donc un tel système.
De manière générale, l'invention a en effet pour but de proposer un système conçu pour produire de l'électricité par voie mécanique à partir de la récupération des calories véhiculées à l'intérieur d'un système d'échangeurs de chaleur fixés sur plusieurs étages, c'est à dire de manière factionnées. Les autres caractéristiques sont décrites dans les revendications annexées.
Entre ces étages d'échangeurs de chaleur fixes viennent s'intercaler des étages comportant des ailettes ou pales fixées sur un axe central, vertical et rotatif, axe qui se prolonge vers le bas jusqu'à devenir l'axe d'un générateur d'électricité situé en partie basse.
Selon un aspect de l'invention, une accélération de vitesse plus ou moins importante peut être obtenue en aménageant une section d'entrée d'air (à la base) nettement plus élevée que la section de sortie de l'air (au sommet) . Un mode de réalisation est décrit ci-après, à titre d'exemple uniquement, en se référant aux dessins en annexe dans lesquels :
la fig. 1 représente une demi-coupe verticale d'un arrangement selon l'invention.
les figs. 2 et 3 représentent une coupe horizontale d'un étage de pales (plan A de la fig. 1) présentée sous deux formes de réalisation : pales multiples et pales multiples à recouvrement . Le choix se fait en fonction des dimensions de l'installation et des vitesses de vents atteintes.
Le système est formé d'une tour composée de deux cylindres concentriques 1, 2 ayant le même axe vertical central 20.
Un courant d'air artificiel 30, qui est un courant ascendant d'air chaud, est obtenu a partir du contact de l'air avec les parois métalliques fixes d'échangeurs de chaleur 10 (systèmes à ailettes) situés sur plusieurs étages de la tour ( par exemple le niveau du sol et les "érages impairs"), placés entre le cylindre extérieur 1 et le cylindre intérieur 2.
Le niveau de chauffage de l'air 30 se trouvant au niveau du sol représente le premier niveau 9 de chauffage (en réalité un "préchauffage"), à l'endroit où la section annulaire 7 d'entrée de l'air est plus grande que sortie 8, d'où l'apparition d'un phénomène d'accélération. A ce niveau, l'air est préchauffé en 9 avant de passer par 1 ' échangeur 10a du premier étage El pour être chauffé à nouveau avant de pénétrer dans l'étage E2 , celui 'du premier niveau de pales de turbine. Les «étages pairs» sont mobiles, et tournent autour de l'axe central vertical 20 de la tour, constituant ainsi la partie «turbine» du système. Ils sont constitués d'ailettes ou pales 40 de turbines, soudées sur le cylindre intérieur 2 du système de façon à être entraînées par un mouvement de rotation produit par la force de l'air chaud 30 qui monte à des vitesses pouvant être beaucoup plus élevées que celles des vitesses de régime des éoliennes .
Les échangeurs 10 sont fixés directement sur le cylindre extérieur 1, et peuvent être en encorbellement ou posés si nécessaire -dans les cas de grandes dimensions- sur l'axe central par l'intermédiaire d'un support 12 de roulements à billes ou d'un arrangement équivalent (étant donné que
1 ' axe sera amené à tourner et que les échangeurs de chaleur sont fixes) .
Par contre, les ailettes-pales 40 de turbine sont fixées directement et, de préférence uniquement, sur le cylindre intérieur 2, exactement comme les ailettes d'une turbine sur leur support rotatif. La fig. 1 illustre cependant le cas ou les extrémités des pales reposent sur des consoles annulaires 3.
Le liquide caloporteur 4, circulant dans des canalisations thermiquement isolées, est amené vers 1 ' échangeur le plus haut 1Od, et de là il redescend pour alimenter successivement et dans l'ordre les autres échangeurs 10c, 10b et 10a en partant du plus haut vers le plus bas. Cette circulation du liquide 4 se fait de façon naturelle, comme la circulation naturelle d'eau chaude du chauffage central d'un immeuble, mais peut être "aidée" par une ou quelques pompes de circulation qui donneront au mouvement un rythme constant .
Dans sa descente, le liquide caloporteur 4 perd petit à petit ses calories qui sont transférées à l'air environnant .
L'air qui est aspiré dans le bas du système est à la température de l'air extérieur et présente un même degré d'hygrométrie.
Au contact des ailettes du premier échangeur (préchauffage) au niveau du sol où circule le liquide caloporteur qui a déjà perdu une bonne partie de sa température, l'air est préchauffé. De ce fait il se dilate créant ainsi une surpression qui pousse cet air vers le dessus à travers les dites ailettes de préchauffage avant de passer à travers 1 ' échangeur de chaleur de l'étage El puis les pales 40 de la turbine au niveau de 1 ' étage E2.
De ce fait, il y aura transfert d'énergie par création d'un mouvement circulaire du cylindre central 2, et qui se traduit par une détente et une baisse de température de l'air.
L'air va alors se déplacer vers l'étage impair E3, où il va se trouver en contact avec d'autres échangeurs de chaleur où circule le liquide caloporteur qui est à une température supérieure à celle de l'étage El. Le cycle est ainsi relancé: chauffage supplémentaire, nouvelle surpression, passage à travers les ailettes de l'étage E4, mouvement de rotation supplémentaire imprimé à l'axe, détente et baisse de la température de l'air.
II en est ainsi de suite jusqu'à atteindre la toute dernière turbine où, après avoir cédé une partie de son énergie, l'air chaud sera évacué dans l'atmosphère.
Il est clair que ce système permet une meilleure utilisation de l'air lorsqu'il passe le premier niveau de rotation (ce qui "contourne" le blocage décrit par Besse) . Ce système s'apparente, dans son principe, à celui des turbines à cycles combinés qui ont un rendement global plus important que les turbines simples.
La somme des efforts transmis aux pales de la turbine vont ainsi se cumuler pour imprimer au cylindre central 2 (le rotor du système) un mouvement de rotation qui, via le générateur situé sur son socle au bas de la tour, fournira un courant électrique important car basé sur la vitesse de sortie (l'énergie étant fonction du cube de cette vitesse) .
On notera que dans sa rotation le générateur 13 va dégager de la chaleur. Etant donné la position du générateur dans la tour, il est évident que cette chaleur va être transmise à l'air ambiant, récupérant ainsi une quantité d'énergie qui peut être estimée pour un cas particulier à 2%.
Afin de pouvoir utiliser ce système de façon permanente lorsque c'est nécessaire, on peut prévoir un moyen de stockage pour le liquide caloporteur, par exemple dans des réservoirs isolés thermiquement . La chaleur du fluide caloporteur peut provenir de différentes sources, par exemple une source géothermique, des capteurs solaires ou la récupération de chaleur d'un processus industriel .
Lorsque, pour le chauffage du liquide caloporteur 4, on fait appel à de l'énergie solaire par exemple, le liquide peut être chauffé le jour dans un circuit séparé de celui du fonctionnement diurne et stocké dans un ou plusieurs réservoirs afin d'être utilisé la nuit (l'air extérieur étant moins chaud, ceci donnera par conséquent un rendement meilleur ce qui compense au moins partiellement les pertes dues au refroidissement du liquide caloporteur lors de son stockage) .
Lorsque, pour le chauffage du liquide caloporteur, on fait appel à de l'énergie géothermique, le chauffage et le stockage se feront avantageusement autrement : le liquide caloporteur est constitué d'eau ordinaire qui circule dans des tuyaux à ailettes alignés sur le fond de la mine, tuyaux dont la surface extérieure est protégée des attaques chimiques par exemple par une peinture appropriée .
Comme il faudra un certain temps pour "pomper" les calories de la mine vers le liquide caloporteur, il suffira de prévoir plusieurs réseaux de tuyaux. Si, par exemple, il faut 16 heures pour amener le liquide caloporteur à la température de l'eau du fond de la mine (par exemple 800C), il suffirait alors de prévoir trois réseaux de tuyaux (8 heures pour "vider" les calories d'un réseau et 16 heures pour les récupérer dans le fond de la mine, durant ces 16 heures les deux autres réseaux prenant la relève) . Ainsi, trois réseaux permettent un fonctionnement 24h/24. Vu la constance de la vitesse de rotation (réglable par simple réglage du débit du liquide caloporteur) , le courant électrique obtenu est synchrone et, moyennant une régulation simple (et existante) peut être directement envoyé dans le circuit de distribution, que ce soit en basse, moyenne ou haute tension.
L'invention décrit donc un système de transmission et récupération fractionnée de l'énergie d'un fluide caloporteur provoquant un vent artificiel, particulièrement souple et efficace. On comprendra que de nombreuses variantes peuvent être apportées au dispositif de l'invention décrit ci-dessous sans sortir du cadre de l'invention. On peut ainsi prévoir, en particulier au démarrage, des moyens d'embrayage progressif des différent niveaux, de pales par rapport au rotor.

Claims

Revendications
1. Système de production d'énergie à partir d'un fluide caloporteur (4) comprenant un générateur d'électricité (13) associé à une turbine (2) alimentée par un flux d'air (30) admis à la base d'une tour caractérisé en ce que la tour est munie de différent étages de pales (40) , solidarisées à un axe central (2) actionnant le générateur, et en alternance, d'étages d'échangeurs de chaleur (10), lesdites pales étant actionnées par la montée de l'air réchauffé au fur et a mesure de son ascension dans la tour, le fluide caloporteur (4) alimentant les échangeurs de chaleur (10) en descendant à travers ceux-ci à partir de celui situé au plus haut niveau .
2. Système selon la revendication 1 dans lequel la tour et l'axe sont cylindriques et co-axiaux.
3. Système selon la revendication 2 dans lequel les échangeurs (10) sont fixés sur le cylindre extérieur (1) en encorbellement .
4. Système selon la revendication 3 dans lequel les extrémités intérieures des échangeurs reposent sur 1 ' axe central par l'intermédiaire d'un roulement à billes ou moyen équivalent .
5. Système selon n'importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce que les pales sont du type à recouvrement .
6. Système selon n'importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce que l'entrée d'air à la base de la tour comprend un système de préchauffage, de préférence par ledit liquide caloporteur.
7. Système selon n'importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend entre 3 et 10 étages d'échangeurs de pales (40) situés entre des étages d'échangeurs (10) .
8. Système selon n'importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce que la section d'entrée (7) d'air à la base de la tour est sensiblement plus importante que la section (8) de sortie d'air au sommet de la tour.
9. Système selon n'importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stockage du fluide caloporteur.
10. Système selon n'importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce que la chaleur du fluide caloporteur (4) provient d'un capteur solaire ou d'une source géothermique.
11. Système selon la revendication 10 dans lequel' la source de chaleur est géothermique et dans lequel il est prévu trois réseaux de tuyaux disposé au fond d'une mine, éventuellement désaffectée.
12. Système selon n'importe laquelle des revendications précédentes dans lequel le fluide caloporteur est l'eau.
13. Système selon n'importe laquelle des revendications précédentes dans lequel le courant électrique produit est synchrone .
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