WO2016066939A1 - Dispositif de conversion d'energie mecanique d'ondes sonores en electricite - Google Patents

Dispositif de conversion d'energie mecanique d'ondes sonores en electricite Download PDF

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WO2016066939A1
WO2016066939A1 PCT/FR2015/052868 FR2015052868W WO2016066939A1 WO 2016066939 A1 WO2016066939 A1 WO 2016066939A1 FR 2015052868 W FR2015052868 W FR 2015052868W WO 2016066939 A1 WO2016066939 A1 WO 2016066939A1
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WO
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electrode
cavity
infrasound
electrodes
generator
Prior art date
Application number
PCT/FR2015/052868
Other languages
English (en)
Inventor
Christophe DUMAS
Swami ISA
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Global Energy Parliament Research Centre
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives, Global Energy Parliament Research Centre filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Publication of WO2016066939A1 publication Critical patent/WO2016066939A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M14/00—Electrochemical current or voltage generators not provided for in groups H01M6/00 - H01M12/00; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00

Definitions

  • the present application relates to a device for converting the mechanical energy of sound waves into electricity.
  • the patent application US 2014/265726 discloses a device for converting sound waves into electrical energy from a double system of piezoelectric electrodes placed symmetrically.
  • the patent application EP 1 981 117 discloses an electrical generation device from a water layer.
  • the device comprises two electrodes enclosing a cavity filled with water.
  • the electrodes have a nano-structured surface.
  • a disadvantage is that the sound waves used by the device can constitute a noise nuisance.
  • Another disadvantage is that the conversion efficiency may be low.
  • Another disadvantage is that the intensity of the current supplied by the conversion device may be low.
  • An object of an embodiment is to overcome all or part of the disadvantages of the energy conversion devices described above.
  • Another object of an embodiment is that the efficiency of the conversion device is increased relative to the energy conversion devices described above.
  • Another object of an embodiment is that the intensity of the current supplied by the conversion device is increased relative to the energy conversion devices described above.
  • Another object of an embodiment is that the sound waves, whose energy is converted by the energy conversion device, do not constitute a noise nuisance.
  • an embodiment provides a device for converting sound waves into electricity comprising a first electrode and a second electrode connected to a source of voltage or current and intended to be connected to a load, the first and second electrodes defining between a cavity for receiving infrasound and partially filled with a powder of a semiconductor material and an electrolyte comprising a colloidal dispersion of electrically charged diamond nanoparticles in a dispersing liquid medium comprising water.
  • each of the first and second electrodes comprises a support covered with a boron-doped nanocrystalline diamond film.
  • the distance between the first and second electrodes is between 1 mm and 10 mm.
  • the electrolyte comprises from 3% to 10% by weight of electrically charged diamond nanoparticles.
  • the first electrode is contained in the second electrode.
  • the first electrode comprises a first surface and the second electrode comprises a second surface, the first and second surfaces delimiting the cavity, the first surface being convex and the second surface being concave.
  • each of the first and second electrodes is in the form of a sphere, an ellipsoid or an ovoid.
  • the zeta voltage of electrically charged diamond nanoparticles is between 30 mV and 80 mV.
  • the device further comprises an infrasound generator adapted to generate infrasound in the cavity.
  • the infrasound generator is remote from the first and second electrodes.
  • the infrasound generator comprises a piezoelectric device in contact with the first or the second electrode.
  • the device further comprises a control module of the infrasound generator adapted to alternately extinguish the infrasound generator and activate the infrasound generator for the emission in the infrasound cavity successively to at least first and second different frequencies.
  • An embodiment also provides a method of converting sound waves into electricity for powering a load, comprising the steps of: providing a first electrode and a second electrode defining between them a cavity partially filled with a powder of a semiconductor material and an electrolyte comprising a colloidal dispersion of electrically charged diamond nanoparticles in a liquid dispersing medium comprising water;
  • the method furthermore comprises, in a repeated manner, the succession of the following steps:
  • the step comprises exposing the cavity to infrasounds successively to at least first, second and third different frequencies.
  • Figures 1 and 2 are sectional views of an embodiment of an energy conversion device
  • FIGS 3 and 4 are sectional views of another embodiment of an energy conversion device
  • Figures 5 to 9 are signal evolution curves of an embodiment of a control method of the energy conversion device shown in Figures 3 and 4;
  • Figures 10, 11 and 12 are sectional views of other embodiments of an energy conversion device.
  • particles as used in the context of the present application must be understood in a broad sense and corresponds not only to compact particles having more or less a spherical shape but also to angular particles, flattened particles, flake-shaped particles, fiber-shaped particles, or fibrous particles, etc. It will be understood that the "size" of the particles in the context of the present application means the smallest transverse dimension of the particles. For example, in the case of fiber-shaped particles, the size of the particles corresponds to the diameter of the fibers.
  • particles of a material particles taken individually, that is to say the unitary elements of the material, knowing that the material may be in the form of agglomerates of particles.
  • average size of particles is meant according to the present application the size which is greater than the size of 50% by volume of the particles and smaller than the size of 50% by volume of the particles. This corresponds to d5 Q.
  • Particle size can be measured by laser granulometry using, for example, a Malvern Mastersizer 2000.
  • Figures 1 and 2 are sectional views of an embodiment of a device 10 for converting mechanical energy from sound waves into electricity.
  • the section plane of FIG. 1 is, by way of example, a vertical plane and corresponds to line II of FIG. 2 and the section plane of FIG. is, for example, a horizontal plane and corresponds to the line II-II of Figure 1.
  • the device 10 comprises a first electrode 12 having a surface 13 and a second electrode 14 having a surface 15, the two surfaces 13, 15 being opposite each other and delimiting between them a cavity 16.
  • the electrodes 12, 14 are shaped so as not to present sharp angles.
  • the surface 13 may correspond to a convex closed surface.
  • the surface 15 may correspond to a concave closed surface.
  • the electrode 12 can then be disposed inside the electrode 14.
  • the electrode 12 is then called the internal electrode and the electrode 14 is called the external electrode.
  • the electrodes 12, 14 may be symmetrical in revolution about an axis A, which for example is vertical.
  • each electrode 12, 14 has the shape of a sphere, an ellipsoid or an ovoid.
  • the electrode 12 is a solid piece.
  • the electrode 12 may correspond to a hollow part.
  • the distance between the two electrodes 12 and 14 depends on the size of the system and can vary from 1 mm to 10 mm, preferably from 3 mm to 5 mm for a diameter of
  • a liquid electrolyte 18 is disposed in the cavity 16.
  • a powder 19 of a semiconductor material is disposed in the cavity 16.
  • the powder 19 can sediment at the bottom of the cavity 16.
  • the powder 19 has sufficient porosity to allow the passage of the electrolyte 18.
  • the cavity 16 is not completely filled with the electrolyte 18 and the powder 19, a fraction 20, called gaseous fraction in the following description, the cavity 16 being filled with a gas or a mixture of gases.
  • the volume of the electrolyte 18 is between 25% and 35% by volume of the total volume of the cavity 16.
  • the volume of the powder 19 is between 15% and 25% by volume of the total volume of the cavity 16.
  • the volume of the gaseous fraction 20 may vary during the operation of the device 10.
  • the composition of the gaseous fraction 20 may vary during the operation of the device 10.
  • the gas fraction 20 may contain a neutral gas, a mixture of neutral gases or be filled with air.
  • the gaseous fraction 20 may be at atmospheric pressure.
  • a conductor 22 is connected to the internal electrode 12.
  • a conductor 24 is connected to the external electrode 14, preferably on the side of the electrode 14 opposite the conductor 22.
  • the conductor 22 passes through the external electrode 14 and the cavity 16.
  • An insulating sheath 26 electrically isolates the conductor 22 from the contents of the cavity 16 and the external electrode 14.
  • the conductor 22 and the insulating sheath 26 can, in addition, maintain the spacing between the inner electrode 12 and the outer electrode 14.
  • the term "U" is the voltage between the conductors 22 and 24.
  • an assembly comprising a diode 30 in series with a voltage source 32 is mounted between the conductors 22 and 24.
  • the cathode of the diode 30 is connected to the conductor 22
  • the anode of the diode 30 is connected to the positive terminal of the voltage source 32
  • the negative terminal of the voltage source 32 is connected to the conductor 24.
  • the current through the diode 30 is called the.
  • the device 10 is intended for the supply of electricity to a load 34 which is connected between the conductors 22 and 24, in parallel with the assembly comprising the diode 30 and the voltage source 32.
  • the current flowing through the load 34 is called Ib.
  • the device 10 further comprises an infrasonic generator 36.
  • An infrasound is a sound whose frequency is less than 20 Hz.
  • the infrasound is not audible by the human being. and therefore do not constitute a noise nuisance.
  • the generator 36 provides infrasound at a frequency of between 0.5 Hz and 20 Hz.
  • the generator 36 can be adapted to emit infrasounds at a single frequency or to emit infrasounds at several separate frequencies or in a frequency range.
  • the power of the infrasound provided by the generator 36 is between 200 W and 800 W.
  • the infrasound generator 36 can be applied in contact with the outer electrode 14 or be placed at a distance from the electrode 14, for example at a distance between 1 cm and 10 cm. The infrasounds reach the electrode 14 which they make vibrate and propagate in the cavity 16.
  • the infrasound generator 36 can be controlled by a signal S] _ provided by a control module 38.
  • the control module 38 includes, for example, a processor.
  • the control module 38 may further comprise a non-volatile memory in which is stored a sequence of instructions which control the operation of the control module 38 when they are executed by the processor of the control module 38.
  • command 38 can correspond to a computer.
  • the control module 38 can be realized by a dedicated electronic circuit.
  • the control module 38 may comprise a man-machine interface comprising for example a display screen, a keyboard, a mouse, etc.
  • the signal S ] _ may be an analog or digital signal depending on the type of infrasound generator 36 used.
  • the source of infrasound corresponds to a source external to the conversion device 10.
  • the infrasound source is then not controlled by the control module 38.
  • the infrasound can be emitted by a single source or by multiple sources. Examples of infrasound sources are rotating machines, eg air conditioners, fans, pumps, compressors, drying machines, grinders, concrete centrifuges, etc.
  • each electrode 12, 14 comprises a film 40, 42 of nanocrystalline diamond formed on a support, for example a conductive or semiconductor material, and is called a diamond electrode.
  • a nanocrystalline material has a crystalline structure with medium-sized crystals less than 100 nm.
  • the diamond film 40, 42 of each electrode 12, 14 is oriented on the side of the electrolyte 18.
  • the thickness of the diamond film 40, 42 can vary from 2 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the diamond film 40, 42 may be boron doped, for example with a boron concentration ranging from 10 -9 atoms / cm 2 to 10 1 atoms / cm 2.
  • the support may be selected from the group consisting of titanium, zirconium, niobium, molybdenum, tantalum or tungsten.
  • the electrolyte 18 corresponds to a colloidal dispersion of electrically charged diamond particles of nanometric size in a dispersing medium.
  • the dispersing medium may be water or a mixture of water and methanol.
  • the dispersing medium comprises orally water.
  • An acid can be added to the dispersing medium to bring its pH to a value between 3 and 4.
  • the zeta potential of the diamond nanoparticles is between 30 mV and 80 mV, preferably between 40 mV and 60 mV. mV.
  • the electrolyte contains from 3% to 10% by mass of charged diamond nanoparticles.
  • the average size of the charged nanoparticles can be between 2 nm and 700 nm.
  • the charged diamond nanoparticles are hydrogenated diamond nanoparticles. This can be achieved by placing a diamond powder in a hydrogen plasma.
  • the average size of the hydrogenated diamond nanoparticles is between 2 nm and 10 nm, preferably between 4 nm and 6 nm.
  • the charged diamond nanoparticles are nanoparticles on the surface of which a polyelectrolyte is adsorbed.
  • a polyelectrolyte is a polymer whose repeating unit comprises at least one electrolyte group which dissociates in solution making the polymer electrically charged.
  • polyelectrolyte is a polycationic polymer of the polyquaternium type.
  • the average size of charged nanoparticles on the surface of which a polyelectrolyte is adsorbed is between 400 nm and 700 nm, preferably between 500 nm and 600 nm.
  • the powder 19 is a powder of a semiconductor material which, when used to produce a diode, makes it possible to obtain a PN junction whose threshold voltage is of the order of the voltage supplied. by the voltage source 32.
  • the powder 19 comprises particles comprising, for the most part, silicon carbide (SiC), in particular boron-doped silicon carbide.
  • the average particle size of the powder 19 may be between 50 nm and 2 ⁇ m.
  • Figures 3 and 4 are sectional views of another embodiment of a power conversion device 50.
  • the section plane of FIG. 3 is, by way of example, a vertical plane and corresponds to line III-III of FIG. 4 and the sectional plane of FIG. 4 is, by way of example, a plane horizontal and corresponds to line IV-IV of Figure 3.
  • the device 50 comprises all the elements of the device 10 except that the infrasound generator 36 is replaced by an infrasound generator 52 arranged in contact with the electrode 14 and controlled by a signal S2 provided by the module control 38.
  • the generator 52 is adapted to vibrate the electrode 14 at a frequency between 0.5 Hz and 20 Hz, which causes the propagation of infrasound in the cavity 16.
  • the infrasound generator 52 comprises at least one band of a piezoelectric material attached to the outer surface of the electrode 14.
  • the piezoelectric material is PZT.
  • the infrasound generator 52 comprises a nano-diamond coating on the outer surface of the electrode 14 with an electric coil etched on this surface.
  • the signal S2 may then be a voltage applied between the two ends of the piezoelectric strip 52.
  • the signal S2 may correspond to the absolute value of a sinusoidal function.
  • the signal S2 may be chosen so that the generator 52 vibrates the electrode 14, which causes the generation of infrasound in the cavity 16.
  • control method of the conversion device 10 or 50 comprises a repetition of cycles, each cycle comprising the following two successive steps (a) and (b):
  • the duration of each step (b) is between 2 and 10 seconds, preferably between 3 and 9 seconds, more preferably between 4 and 8 seconds. According to one embodiment, the duration of each step (a) is between 6 and 15 seconds, preferably between 7 and 14 seconds, more preferably between 8 and 13 seconds.
  • infrasounds at different wavelengths are successively transmitted. For example, there is successively emission of infrasound at a first frequency for a first duration, infrasound at a second frequency for a second duration and infrasound at a third frequency for a third duration.
  • the first frequency is strictly less than the second frequency and the second frequency is strictly less than the third frequency.
  • the first, second and third frequencies of the infrasounds correspond respectively substantially to the resonance frequency of the dihydrogen obtained during the electrolysis, to the resonance frequency of the electrolyte 18 and to the resonance frequency of the material. semiconductor of the powder 19. At least some of these frequencies depend in particular on the geometry of the electrodes 12 and 14 and the volume of electrolyte 16. They can be determined by varying step by step the frequency of infrasound provided by the generator 36 or 52 and measuring the current flowing through the load 34, the maximum current being obtained at the resonance. This method can make it possible, for each of the first, second and third frequencies, to determine a single resonance frequency or a frequency range for which the resonance is substantially obtained.
  • the dispersing medium of the electrolyte comprises water, the following oxidation reaction (1) occurs at the electrode 12 or 14 corresponding to the anode:
  • step (b) in the presence of infrasound, the electrolysis reaction (3) described above is amplified in 1 electrolyte.
  • the electrically charged diamond nanoparticles absorb the mechanical energy of the infrasounds and then behave as a catalyst for the electrolysis reaction (3) of the water contained in the electrolyte 18.
  • step (a) and in step (b) production of dihydrogen and dioxygen.
  • step (b) in the presence of infrasound, the electrolyte 18 is observed to ionize the gaseous dihydrogen according to the following relation (4):
  • the gaseous dihydrogen comes into resonance under the action of infrasound, the energy absorbed by the dihydrogen molecules causing their ionization.
  • the electrons produced by this reaction are blocked by the charged diamond nanoparticles of the electrolyte 18.
  • the device 10 or 50 then behaves like a hydrogen fuel cell and the electrons are stored in the particles of the powder 19 of the semiconductor material. .
  • step (a) the charges stored in the powder 19 of the semiconductor material are released and must flow through a circuit outside the electrolyte 18 formed by the electrodes 12, 14, the conductors 22, 24 and the charge 34.
  • the flow of the current Ib in the charge 34 is thus observed.
  • the direction of flow of the current Ib is imposed by the voltage U due to the voltage source 32.
  • the diode 30 protects the voltage source 32 during the circulation of current Ib.
  • the dimensions of the electrodes 12 and 14 and the volume of electrolyte 16 are selected as a function of the intensity of the desired current. For example, for a volume of electrolyte 16 between 50 and 100 ml, a gap between the electrodes 12 and 14 of between 3 mm and 5 mm, electrodes 12, 14 in the shape of an ellipsoid with the inner surface of the external electrode 14 having a minor axis of between 50 mm and 65 mm and a major axis of between 85 mm and 105 mm, it is possible to obtain a current whose intensity varies from 100 A to 300 A during each step ( b). Advantageously, strong currents can be obtained.
  • the efficiency of the conversion device 10, 50 corresponding to the ratio between the electrical energy supplied by the conversion device and the electrical energy consumed for the conversion device may be greater than 50%.
  • the device 10 may advantageously be used for remote feeding of the load 34.
  • the electrodes 12 and 14 corresponded to curved molybdenum walls coated with a boron-doped diamond-coated nanocrystalline film 40, 42 with a dopant concentration of 5 ⁇ 10 6 atoms / cm 2.
  • the gap between the electrodes 12 and 14 was 3 mm.
  • the electrodes 12, 14 were ellipsoid-shaped with the inner surface of the outer electrode 14 having a minor axis of 55.6 mm and a major axis of 90 mm.
  • the volume of electrolyte 18 was equal to 12 ml, ie 30% of the volume of the cavity 16.
  • the volume of the Sic powder 19 was 8 ml, ie 20% of the volume of the cavity 16.
  • the diamond nanoparticles in 1 electrolyte 18 were hydrogenated diamond nanoparticles having an average size of 4 nm.
  • the dispersing medium was water.
  • Electrolyte 18 comprised 3% by weight of diamond nanoparticles.
  • the generator 38 provided a sound signal successively at a frequency of 4.2 Hz, 7 Hz and 10.5 Hz and at a power of 300 W.
  • the load 34 was a resistance of 0.1 ohm.
  • the source 32 was a voltage source of 3 V.
  • FIGS. 5, 6, 7 and 8 respectively represent the evolution curves of the signal S2, of the voltage U, of the current Ia and of the current Ib during the second test.
  • Figure 9 is an enlarged view of Figure 5.
  • the signal S2 was zero, which means that there was no infrasound emission in the cavity.
  • the signal S2 followed a function corresponding to a succession in absolute value of sinusoids.
  • the signal S2 included a first PI phase with pulsations at a first frequency, for example 36 pulses at 4.2 Hz, a second phase PII with pulsations at a second frequency, for example 18 pulses at 7 Hz, and a third phase PIII with pulsations at a rate of third frequency, for example 9 pulses at 10.5 Hz.
  • FIG. 6 represents an evolution curve of the voltage U between the conductors 22 and 24 during the second test.
  • the voltage U was substantially constant and equal to about 3 V.
  • FIG. 7 represents a curve of evolution of the current la supplied by the source 32 during the second test. During each step (a) and (b), the current was of the order of 3 A.
  • FIG. 8 represents a curve of evolution of the current Ib passing through the load 34 during the second test.
  • the current Ib was equal to 0 A.
  • the current Ib was about 100 A. A current of high intensity was obtained.
  • FIGS 5 and 8 show that the production of electricity takes place during the phases where the signal S2 is zero. This electricity production is therefore intermittent.
  • Fig. 10 is a sectional view of another embodiment of a power conversion device 60.
  • the device 60 comprises two copies of the resonant cavity of the device 50 shown in FIGS. 3 and 4.
  • the common elements of each resonant cavity 50 1 and 50 b of the device 60 with the resonant cavity of the device 50 are designated by the same references to which the indices "A" or "B" are added.
  • the infrasound generators 52 1 and 52 ⁇ are represented in the form of bands.
  • the resonant cavities 50 and 50 ⁇ ⁇ are advantageously connected electrically in series, the conductor 22 being connected to the electrode 12 ⁇ , the conductor 24 being connected to the electrode 12 ⁇ , and a conductor 62 connecting the electrode 14 ⁇ to the electrode 12 ⁇ .
  • Each signal S2 and S2B has the same shape as the signal S2. However, the phases where the signals S2A e t are zero are alternated. The electricity production is then continuous.
  • Fig. 11 is a sectional view of another embodiment of a power conversion device 70.
  • the device 70 is divided into two equal parts and the electrical production takes place alternately in the upper part and then in the lower part.
  • the device 70 comprises all the elements of the device 50 shown in FIGS. 3 and 4 except that the ultrasound generator 52 is replaced by two ultrasonic generators 72 and 74, one on the upper part of the electrode 14, the other on the lower part of the electrode 14.
  • the signal S2 is replaced by a signal S3 which is applied alternately to each ultrasound generator 72, 74.
  • it is necessary to have a homogeneous medium in the cavity 16.
  • the cavity 16 is filled with a gaseous mixture 76.
  • the gas mixture 76 being heated to high temperature, a plasma is created.
  • the signal S3 comprises a single resonance frequency. As previously described, this frequency is always in the infrasound frequency range. It is advantageously between 3 Hz and 15 Hz.
  • each generator 72, 74 may comprise a winding of turns disposed on the external face of the electrode 14.
  • the electrical signal S3 passing through the turns then creates an electromagnetic field which confines the plasma in the up or down part of the the cavity 16.
  • the energy dissipated by joule effect in the turns compensates for thermal losses and keeps the plasma at a constant temperature.
  • the initiation of the plasma can be done using an electric pulse.
  • the gaseous mixture 76 can be composed of dihydrogen, carbon dioxide and silver vapor. As the gas mixture is heated to high temperature, an ionization of the gas takes place creating a plasma.
  • the hydrogen gas decomposes as follows:
  • reaction (8) feeds reaction (6).
  • the oxygen produced by the reaction (8) reacts with the carbon monoxide produced in the reaction (7) to form carbon dioxide according to the following reaction:
  • the carbon dioxide produced by the reaction (9) feeds the reaction (7).
  • the silver vapor acts as a catalyst according to the following reaction:
  • the resonance frequency of the gas mixture 76 can be determined by stepwise varying the frequency of the infrasounds provided by each generator 72, 74 and measuring the current through the load 34, the maximum current being obtained at resonance. This method may allow the determination of a single resonant frequency or a frequency range for which the resonance is substantially obtained.
  • the control method of the conversion device 70 comprises steps (c), (d) and (e).
  • step (c) the gas mixture 76 is heated to high temperature by the energy dissipated by the turns of the generators 72, 74.
  • step (d) the generator 72 receives the signal S3 and the generator 74 does not receive a signal, so a first part of the gas mixture 76 present in the cavity 16, for example the upper half, receives infrasound.
  • an electrical pulse can help initiate the plasma.
  • step (e) the generator 74 receives the signal S3 and the generator 72 receives no signal, so that a second part of the gas mixture 76 present in the cavity 16, for example the lower half, receives infrasound. Steps (d) and (e) can be applied alternately again.
  • step (d) or (e) in the presence of infrasound, the catalytic reaction (10) described above is amplified in the gas mixture 76.
  • the charged silver ions absorb the mechanical energy of infrasound and then behave as a catalyst for the steam electrolysis reaction (8) contained in the gas mixture (53).
  • the silver ion plays the same role as the nano-diamonds positively charged in the reactions (1) to (5) described above.
  • the difference in voltage between the two electrodes 12 and 14 will preferentially circulate the electrons in the plasma and create a circulation current in the resistor 34.
  • Fig. 12 is a sectional view of another embodiment of a power conversion device 80.
  • the device 80 for converting energy comprises all the elements of the device 70 shown in FIG. 11, with the difference that the internal electrode 12 is replaced by two internal electrodes 12 'and 12 "located at the foci of the external electrode 14.
  • This method advantageously makes it possible to increase the power of the signal by amplifying it by virtue of the particular geometry of the ellipse.

Landscapes

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Abstract

Dispositif (10) de conversion d'ondes sonores en électricité comprenant des première et deuxième électrodes (12, 14) reliées à une source de tension ou de courant (32) et destinées à être reliées à une charge (34), les première et deuxième électrodes délimitant entre elles une cavité (16) destinée à recevoir des infrasons et partiellement remplie d'une poudre (19) d'un matériau semiconducteur et d'un électrolyte (18) comprenant une dispersion colloïdale de nanoparticules de diamant chargées électriquement dans un milieu liquide dispersant comprenant de l'eau ou contenant un mélange gazeux susceptible de former un plasma, le mélange gazeux comprenant au moins un métal sous forme gazeuse.

Description

DISPOSITIF DE CONVERSION D ' ENERGIE MECANIQUE D 'ONDES SONORES EN
ELECTRICITE
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR14/60523 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente demande concerne un dispositif de conversion de l'énergie mécanique d'ondes sonores en électricité.
Exposé de l'art antérieur
La publication "Sound-Driven Piezoelectric Nanowire- Based Nanogenerators" de Seung Nam Cha et al. (Advanced Materials, 2010, 22, 4726-4730) décrit un exemple de dispositif de conversion de l'énergie mécanique d'ondes sonores en électricité. Les ondes sonores utilisées sont des ondes sonores audibles. Le dispositif comprend des fils nanométriques en oxyde de zinc qui transforment l'énergie mécanique des ondes sonores en électricité par effet piézoélectrique .
La demande de brevet US 2014/265726 divulgue un dispositif de conversion d'ondes sonores en énergie électrique à partir d'un double système d'électrodes piézoélectriques placées symétriquement .
La demande de brevet EP 1 981 117 divulgue un dispositif de génération électrique à partir d'une couche d'eau. Le dispositif comprend deux électrodes enfermant une cavité remplie d'eau. Les électrodes ont une surface nano-structurée .
Un inconvénient est que les ondes sonores utilisées par le dispositif peuvent constituer une nuisance sonore.
Un autre inconvénient est que le rendement de conversion peut être faible.
Un autre inconvénient est que l'intensité du courant fourni par le dispositif de conversion peut être faible.
Résumé
Un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs de conversion d'énergie décrits précédemment.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que le rendement du dispositif de conversion est augmenté par rapport aux dispositifs de conversion d'énergie décrits précédemment.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que l'intensité du courant fourni par le dispositif de conversion est augmentée par rapport aux dispositifs de conversion d'énergie décrits précédemment.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que les ondes sonores, dont l'énergie est convertie par le dispositif de conversion d'énergie, ne constituent pas une nuisance sonore.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif de conversion d'ondes sonores en électricité comprenant une première électrode et une deuxième électrode reliées à une source de tension ou de courant et destinées à être reliées à une charge, les première et deuxième électrodes délimitant entre elles une cavité destinée à recevoir des infrasons et partiellement remplie d'une poudre d'un matériau semiconducteur et d'un électrolyte comprenant une dispersion colloïdale de nanoparticules de diamant chargées électriquement dans un milieu liquide dispersant comprenant de 1 ' eau.
Selon un mode de réalisation, chacune des première et deuxième électrodes comprend un support recouvert d'un film de diamant nanocristallin dopé au bore. Selon un mode de réalisation, l'écart entres les première et deuxième électrodes est compris entre 1 mm et 10 mm.
Selon un mode de réalisation, 1 ' électrolyte comprend de 3 % à 10 % en masse de nanoparticules de diamant chargées électriquement .
Selon un mode de réalisation, la première électrode est contenue dans la deuxième électrode.
Selon un mode de réalisation, la première électrode comprend une première surface et la deuxième électrode comprend une deuxième surface, les première et deuxième surfaces délimitant la cavité, la première surface étant convexe et la deuxième surface étant concave.
Selon un mode de réalisation, chacune des première et deuxième électrodes a la forme d'une sphère, d'un ellipsoïde ou d'un ovoïde.
Selon un mode de réalisation, la tension zêta des nanoparticules de diamant chargées électriquement est comprise entre 30 mV et 80 mV.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend, en outre, un générateur d'infrasons adapté à générer des infrasons dans la cavité.
Selon un mode de réalisation, le générateur d'infrasons est à distance des première et deuxième électrodes .
Selon un mode de réalisation, le générateur d'infrasons comprend un dispositif piézoélectrique au contact de la première ou de la deuxième électrode.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend, en outre, un module de commande du générateur d'infrasons adapté à alternativement éteindre le générateur d'infrasons et activer le générateur d'infrasons pour l'émission dans la cavité d'infrasons successivement à au moins des première et deuxième fréquences différentes.
Un mode de réalisation prévoit également un procédé de conversion d'ondes sonores en électricité pour l'alimentation d'une charge, comprenant les étapes suivantes : prévoir une première électrode et une deuxième électrode délimitant entre elles une cavité partiellement remplie d'une poudre d'un matériau semiconducteur et d'un électrolyte comprenant une dispersion colloïdale de nanoparticules de diamant chargées électriquement dans un milieu liquide dispersant comprenant de 1 ' eau ;
relier les première et deuxième électrodes à une source de tension ou de courant ; et
exposer la cavité à des infrasons.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, en outre, de façon répétée, la succession des étapes suivantes :
(a) ne pas exposer la cavité à des infrasons ; et
(b) exposer la cavité à des infrasons successivement à au moins des première et deuxième fréquences différentes.
Selon un mode de réalisation, l'étape comprend l'exposition de la cavité à des infrasons successivement à au moins des première, deuxième et troisième fréquences différentes. Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
les figures 1 et 2 sont des vues avec coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif de conversion d'énergie ;
les figures 3 et 4 sont des vues avec coupe d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de conversion d'énergie ;
les figures 5 à 9 sont des courbes d'évolution de signaux d'un mode de réalisation d'un procédé de commande du dispositif de conversion d'énergie représenté aux figures 3 et 4 ; et
les figures 10, 11 et 12 sont des vues avec coupe d'autres modes de réalisation d'un dispositif de conversion d' énergie .
Description détaillée
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. En outre, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation ont été représentés et sont décrits. En particulier, la structure et le fonctionnement d'un générateur d'infrasons et d'un dispositif piézoélectrique sont connus de l'homme de l'art et ne sont pas décrits. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près".
Le terme "particule" tel qu'utilisé dans le cadre de la présente demande doit être compris dans un sens large et correspond non seulement à des particules compactes ayant plus ou moins une forme sphérique mais aussi à des particules anguleuses, des particules aplaties, des particules en forme de flocons, des particules en forme de fibres, ou des particules fibreuses, etc. On comprendra que la "taille" des particules dans le cadre de la présente demande signifie la plus petite dimension transversale des particules. A titre d'exemple, dans le cas de particules en forme de fibres, la taille des particules correspond au diamètre des fibres. On entend par particules d'un matériau les particules prises individuellement, c'est-à-dire les éléments unitaires du matériau, sachant que le matériau peut se présenter sous la forme d' agglomérats de particules .
Par l'expression "taille moyenne" de particules, on entend selon la présente demande la taille qui est supérieure à la taille de 50 % en volume des particules et inférieure à la taille de 50 % en volume des particules. Ceci correspond au d5Q. La granulométrie des particules peut être mesurée par granulométrie laser en utilisant, par exemple, un Malvern Mastersizer 2000.
Les figures 1 et 2 sont des vues avec coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif 10 de conversion d'énergie mécanique d'ondes sonores en électricité. Le plan de coupe de la figure 1 est, à titre d'exemple, un plan vertical et correspond à la ligne I-I de la figure 2 et le plan de coupe de la figure 2 est, à titre d'exemple, un plan horizontal et correspond à la ligne II-II de la figure 1.
Le dispositif 10 comprend une première électrode 12 ayant une surface 13 et une deuxième électrode 14 ayant une surface 15, les deux surfaces 13, 15 étant en regard l'une de l'autre et délimitant entre elles une cavité 16. De préférence, les électrodes 12, 14 sont mises en forme de façon à ne pas présenter d'angles vifs. La surface 13 peut correspondre à une surface fermée convexe. La surface 15 peut correspondre à une surface fermée concave. L'électrode 12 peut alors être disposée à l'intérieur de l'électrode 14. L'électrode 12 est alors appelée électrode interne et l'électrode 14 est appelée électrode externe. Les électrodes 12, 14 peuvent être à symétrie de révolution autour d'un axe A, qui à titre d'exemple est vertical. Selon un mode de réalisation, chaque électrode 12, 14 a la forme d'une sphère, d'un ellipsoïde ou d'un ovoïde. En figure 1, l'électrode 12 est une pièce pleine. A titre de variante, l'électrode 12 peut correspondre à une pièce creuse. L'écart entre les deux électrodes 12 et 14 dépend de la taille du système et peut varier de 1 mm à 10 mm, de préférence de 3 mm à 5 mm pour un diamètre de 50 mm.
Un électrolyte liquide 18 est disposé dans la cavité 16. De plus, une poudre 19 d'un matériau semiconducteur est disposée dans la cavité 16. La poudre 19 peut sédimenter au fond de la cavité 16. Toutefois, la poudre 19 a une porosité suffisante pour permettre le passage de 1 ' électrolyte 18. La cavité 16 n'est pas remplie complètement avec 1 ' électrolyte 18 et la poudre 19, une fraction 20, appelée fraction gazeuse dans la suite de la description, de la cavité 16 étant remplie d'un gaz ou d'un mélange de gaz. Le volume de 1 ' électrolyte 18 est compris entre 25 % et 35 % en volume du volume total de la cavité 16. Le volume de la poudre 19 est compris entre 15 % et 25 % en volume du volume total de la cavité 16. Le volume de la fraction gazeuse 20 peut varier au cours du fonctionnement du dispositif 10. En outre, la composition de la fraction gazeuse 20 peut varier au cours du fonctionnement du dispositif 10. A titre d'exemple, avant le premier fonctionnement du dispositif 10, la fraction gazeuse 20 peut contenir un gaz neutre, un mélange de gaz neutres ou être remplie d'air. A titre d'exemple, avant le premier fonctionnement du dispositif 10, la fraction gazeuse 20 peut être à la pression atmosphérique .
Un conducteur 22 est connecté à l'électrode interne 12. Un conducteur 24 est connecté à l'électrode externe 14, de préférence, du côté de l'électrode 14 opposé au conducteur 22. Pour atteindre l'électrode interne 12, le conducteur 22 traverse l'électrode externe 14 et la cavité 16. Une gaine isolante 26 isole électriquement le conducteur 22 du contenu de la cavité 16 et de l'électrode externe 14. Le conducteur 22 et la gaine isolante 26 peuvent, en outre, maintenir l'écartement entre l'électrode interne 12 et l'électrode externe 14. On appelle "U" la tension entre les conducteurs 22 et 24.
Selon un mode de réalisation, un ensemble comprenant une diode 30 en série avec une source de tension 32 est monté entre les conducteurs 22 et 24. A titre d'exemple, la cathode de la diode 30 est reliée au conducteur 22, l'anode de la diode 30 est reliée à la borne positive de la source de tension 32 et la borne négative de la source de tension 32 est reliée au conducteur 24. Le courant traversant la diode 30 est appelé la.
Le dispositif 10 est destiné à la fourniture d'électricité à une charge 34 qui est connectée entre les conducteurs 22 et 24, en parallèle de l'ensemble comprenant la diode 30 et la source de tension 32. Le courant traversant la charge 34 est appelé Ib.
Selon un mode de réalisation, le dispositif 10 comprend, en outre, un générateur d'infrasons 36. Un infrason est un son dont la fréquence est inférieure à 20 Hz. De façon avantageuse, les infrasons ne sont pas audibles par l'être humain et ne constituent donc pas une nuisance sonore. De préférence, le générateur 36 fournit des infrasons à une fréquence comprise entre 0,5 Hz et 20 Hz. Le générateur 36 peut être adapté à émettre des infrasons à une seule fréquence ou à émettre des infrasons à plusieurs fréquences distinctes ou dans une plage de fréquences. Selon un mode de réalisation, la puissance des infrasons fournis par le générateur 36 est comprise entre 200 W et 800 W. Le générateur d'infrasons 36 peut être appliqué au contact de l'électrode extérieure 14 ou être placé à distance de l'électrode extérieure 14, par exemple à une distance comprise entre 1 cm et 10 cm. Les infrasons atteignent l'électrode 14 qu'ils font vibrer et se propagent dans la cavité 16.
Le générateur d'infrasons 36 peut être commandé par un signal S]_ fourni par un module de commande 38. Le module de commande 38 comprend, par exemple, un processeur. Le module de commande 38 peut, en outre, comprendre une mémoire non volatile dans laquelle est stockée une suite d'instructions qui commandent le fonctionnement du module de commande 38 lorsqu'elles sont exécutées par le processeur du module de commande 38. Le module de commande 38 peut correspondre à un ordinateur. A titre de variante, le module de commande 38 peut être réalisé par un circuit électronique dédié. Le module de commande 38 peut comprendre une interface homme-machine comportant par exemple un écran d'affichage, un clavier, une souris, etc. Le signal S]_ peut être un signal analogique ou numérique selon le type de générateur 36 d'infrasons utilisé.
Selon un autre mode de réalisation, la source d'infrasons correspond à une source externe au dispositif de conversion 10. La source d'infrasons n'est alors pas commandée par le module de commande 38. Les infrasons peuvent être émis par une source unique ou par des sources multiples. Des exemples de sources d'infrasons sont les machines tournantes, par exemple les climatiseurs, les ventilateurs, les pompes, les compresseurs, les machines à sécher, les broyeurs, les centrifugeuses à béton, etc.
Selon un mode de réalisation, chaque électrode 12, 14 comprend un film 40, 42 de diamant nanocristallin formé sur un support, par exemple un matériau conducteur ou semiconducteur, et est appelée électrode de diamant. Un matériau nanocristallin a une structure cristalline avec des cristaux de taille moyenne inférieure à 100 nm. Le film 40, 42 de diamant de chaque électrode 12, 14 est orienté du côté de 1 ' électrolyte 18. L'épaisseur du film 40, 42 de diamant peut varier de 2 um à 3 um. Le film 40, 42 de diamant peut être dopé au bore, par exemple avec une concentration de bore qui varie de 10^-9 atomes/cm-^ à 10^1 atomes/cm-^. Le support peut être choisi parmi le groupe comprenant le titane, le zirconium, le niobium, le molybdène, le tantale ou le tungstène.
Selon un mode de réalisation, 1 ' électrolyte 18 correspond à une dispersion colloïdale de particules de diamant chargées électriquement de taille nanométrique dans un milieu dispersant. Le milieu dispersant peut être de l'eau ou un mélange d'eau et de méthanol. De préférence, le milieu dispersant comprend ma oritairement de l'eau. Un acide peut être ajouté au milieu dispersant pour amener son pH à une valeur comprise entre 3 et 4. Selon un mode de réalisation, le potentiel zêta des nanoparticules de diamant est compris entre 30 mV et 80 mV, de préférence entre 40 mV et 60 mV. Selon un mode de réalisation, 1 ' électrolyte contient de 3 % à 10 % en masse de nanoparticules de diamant chargées .
La taille moyenne des nanoparticules chargées peut être comprise entre 2 nm et 700 nm. Selon un mode de réalisation, les nanoparticules de diamant chargées sont des nanoparticules de diamant hydrogénées . Ceci peut être obtenu en plaçant une poudre de diamant dans un plasma d'hydrogène. La taille moyenne des nanoparticules de diamant hydrogénées est comprise entre 2 nm et 10 nm, de préférence entre 4 nm et 6 nm. Selon un mode de réalisation, les nanoparticules de diamant chargées sont des nanoparticules à la surface desquelles un polyélectrolyte est adsorbé. Un polyélectrolyte est un polymère dont le motif de répétition comprend au moins un groupe électrolyte qui se dissocie en solution rendant le polymère chargé électriquement. Un exemple de polyélectrolyte est un polymère polycationique du type polyquaternium. La taille moyenne des nanoparticules de diamant chargées à la surface desquelles un polyélectrolyte est adsorbé est comprise entre 400 nm et 700 nm, de préférence entre 500 nm et 600 nm.
Selon un mode de réalisation, la poudre 19 est une poudre d'un matériau semiconducteur qui, lorsqu'il est utilisé pour réaliser une diode, permet d'obtenir une jonction PN dont la tension de seuil est de l'ordre de la tension fournie par la source de tension 32. A titre d'exemple, la poudre 19 comprend des particules comprenant ma oritairement du carbure de silicium (SiC) , notamment du carbure de silicium dopé au bore. La taille moyenne des particules de la poudre 19 peut être comprise entre 50 nm et 2 um.
Les figures 3 et 4 sont des vues avec coupe d'un autre mode de réalisation d'un dispositif 50 de conversion d'énergie. Le plan de coupe de la figure 3 est, à titre d'exemple, un plan vertical et correspond à la ligne III-III de la figure 4 et le plan de coupe de la figure 4 est, à titre d'exemple, un plan horizontal et correspond à la ligne IV-IV de la figure 3.
Les éléments communs avec le dispositif 10 représenté sur les figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes références. Le dispositif 50 comprend l'ensemble des éléments du dispositif 10 à la différence que le générateur d'infrasons 36 est remplacé par un générateur d'infrasons 52 disposé au contact de l'électrode 14 et commandé par un signal S2 fourni par le module de commande 38. Le générateur 52 est adapté à faire vibrer l'électrode 14 à une fréquence comprise entre 0,5 Hz et 20 Hz, ce qui entraîne la propagation d'infrasons dans la cavité 16.
Selon un mode de réalisation, le générateur d'infrasons 52 comprend au moins une bande d'un matériau piézoélectrique fixée à la surface externe de l'électrode 14. A titre d'exemple, le matériau piézoélectrique est le PZT. Selon un autre mode de réalisation, le générateur d'infrasons 52 comprend un revêtement en nano-diamant sur la surface externe de l'électrode 14 avec un bobinage électrique gravé sur cette surface. Le signal S2 peut alors être une tension appliquée entre les deux extrémités de la bande piézoélectrique 52. Le signal S2 peut correspondre à la valeur absolue d'une fonction sinusoïdale. Le signal S2 peut être choisi pour que le générateur 52 mette en vibration l'électrode 14, ce qui entraîne la génération d'infrasons dans la cavité 16.
Selon un mode de réalisation, le procédé de commande du dispositif de conversion 10 ou 50 comprend une répétition de cycles, chaque cycle comprenant les deux étapes successives (a) et (b) suivantes :
(a) absence d'émission d'infrasons dans la cavité 16 ; et
(b) émission d'infrasons dans la cavité 16.
Selon un mode de réalisation, la durée de chaque étape (b) est comprise entre 2 et 10 secondes, de préférence entre 3 et 9 secondes, plus préférentiellement entre 4 et 8 secondes. Selon un mode de réalisation, la durée de chaque étape (a) est comprise entre 6 et 15 secondes, de préférence entre 7 et 14 secondes, plus préférentiellement entre 8 et 13 secondes.
Selon un mode de réalisation, à chaque étape (b) , des infrasons à des longueurs d'onde différentes sont successivement émis. A titre d'exemple, il y a successivement émission d'infrasons à une première fréquence pendant une première durée, d'infrasons à une deuxième fréquence pendant une deuxième durée et d'infrasons à une troisième fréquence pendant une troisième durée. A titre d'exemple, la première fréquence est strictement inférieure à la deuxième fréquence et la deuxième fréquence est strictement inférieure à la troisième fréquence.
Selon un mode de réalisation, les première, deuxième et troisième fréquences des infrasons correspondent respectivement sensiblement à la fréquence de résonance du dihydrogène obtenu lors de 1 ' électrolyse, à la fréquence de résonance de 1' électrolyte 18 et à la fréquence de résonance du matériau semiconducteur de la poudre 19. Au moins certaines de ces fréquences dépendent notamment de la géométrie des électrodes 12 et 14 et du volume d' électrolyte 16. Elles peuvent être déterminées en faisant varier pas à pas la fréquence des infrasons fournis par le générateur 36 ou 52 et en mesurant le courant traversant la charge 34, le courant maximal étant obtenu à la résonance. Ce procédé peut permettre, pour chacune des première, deuxième et troisième fréquences, la détermination d'une fréquence de résonance unique ou d'une plage de fréquences pour lesquelles la résonance est sensiblement obtenue.
A l'étape (a) et à l'étape (b) , la source de tension 32 impose une différence de potentiel entre les électrodes 22 et 24. Cette différence est suffisamment importante pour qu'il se produise des réactions d' électrolyse du milieu dispersant de 1 ' électrolyte 18. Lorsque le milieu dispersant de 1 ' électrolyte comprend de l'eau, la réaction d'oxydation (1) suivante se produit à l'électrode 12 ou 14 correspondant à l'anode :
2H20(1) -> 02(g) + 4H+(aq) + 4e~ (1) Lorsque le milieu dispersant de 1 ' électrolyte comprend de l'eau, la réaction de réduction (2) suivante se produit à l'électrode 12 ou 14 correspondant à l'anode :
2H20(1) + 2e~ -> H2(g) + 20H~ (aq) (2) On a donc globalement une réaction d' électrolyse de l'eau contenue dans 1 ' électrolyte 18 selon la réaction (3) suivante :
2H20(1) -> 02(g) + H2(g) (3) A l'étape (b) , en présence d'infrasons, la réaction d' électrolyse (3) décrite précédemment est amplifiée dans 1 ' électrolyte . Une explication serait que les nanoparticules de diamant chargées électriquement absorbent l'énergie mécanique des infrasons et se comportent alors comme un catalyseur de la réaction (3) d' électrolyse de l'eau contenue dans 1 ' électrolyte 18. Il y donc, à l'étape (a) et à l'étape (b) , production de dihydrogène et de dioxygène .
De plus, à l'étape (b) , en présence d'infrasons, on observe dans 1 ' électrolyte 18 une ionisation du dihydrogène gazeux selon la relation (4) suivante :
2H2(g) -> 4H+(aq) + 4e~ (4)
Une explication serait que le dihydrogène gazeux entre en résonance sous l'action des infrasons, l'énergie absorbée par les molécules de dihydrogène entraînant leur ionisation. Les électrons produits par cette réaction sont bloqués par les nanoparticules de diamant chargées de 1 ' électrolyte 18. Le dispositif 10 ou 50 se comporte alors comme une pile à combustible à hydrogène et les électrons sont stockés dans les particules de la poudre 19 du matériau semiconducteur.
A l'étape (a), les charges stockées dans la poudre 19 du matériau semiconducteur sont libérées et doivent circuler par un circuit à l'extérieur de 1 ' électrolyte 18 formé par les électrodes 12, 14, les conducteurs 22, 24 et la charge 34. On observe donc la circulation du courant Ib dans la charge 34. Le sens de circulation du courant Ib est imposé par la tension U due à la source de tension 32. La diode 30 protège la source de tension 32 lors de la circulation du courant Ib. A l'électrode jouant le rôle de cathode, on observe alors la réaction suivante :
02(g) + 4H+(aq) + 4e~ -> 2H20(1) (5)
Les dimensions des électrodes 12 et 14 et le volume d' électrolyte 16 sont sélectionnés en fonction de l'intensité du courant souhaitée. A titre d'exemple, pour un volume d' électrolyte 16 compris entre 50 et 100 ml, un écart entre les électrodes 12 et 14 compris entre 3 mm et 5 mm, des électrodes 12, 14 en forme d'ellipsoïde avec la surface interne de l'électrode externe 14 ayant un petit axe compris entre 50 mm et 65 mm et un grand axe compris entre 85 mm et 105 mm, il peut être obtenu un courant dont l'intensité varie de 100 A à 300 A pendant chaque étape (b) . De façon avantageuse, de forts courants peuvent être obtenus.
Le rendement du dispositif de conversion 10, 50, correspondant au rapport entre l'énergie électrique fournie par le dispositif de conversion et l'énergie électrique consommée pour le dispositif de conversion peut être supérieure à 50 %. Le dispositif 10 peut, de façon avantageuse, être utilisé pour l'alimentation à distance de la charge 34.
Des essais ont été réalisés avec le dispositif 50 représenté sur les figures 3 et 4. Pour ces essais, les électrodes 12 et 14 correspondaient à des parois courbes de molybdène plaquées d'un film 40, 42 nanocristallin de diamant dopé au bore avec une concentration de dopants de 5.10^0 atomes/cm-^. L'écart entre les électrodes 12 et 14 était de 3 mm. Les électrodes 12, 14 étaient en forme d'ellipsoïde avec la surface interne de l'électrode externe 14 ayant un petit axe de 55,6 mm et un grand axe de 90 mm. Le volume d' électrolyte 18 était égal à 12 ml soit 30 % du volume de la cavité 16. Le volume de la poudre 19 de Sic était de 8 ml soit 20 % du volume de la cavité 16. Les nanoparticules de diamant dans 1 ' électrolyte 18 étaient des nanoparticules de diamant hydrogénées ayant une taille moyenne de 4 nm. Le milieu dispersant était l'eau. L' électrolyte 18 comprenait 3 % en masse de nanoparticules de diamant. Le générateur 38 fournissait un signal sonore successivement à une fréquence de 4,2 Hz, 7 Hz et 10,5 Hz et à une puissance de 300 W. Pour les essais, la charge 34 était une résistance de 0,1 ohm. La source 32 était une source de tension de 3 V.
Un premier essai a été réalisé dans lequel la source de tension 32 n'était pas présente. Aucun courant Ib n'a été mesuré traversant la charge 34. Les inventeurs ont donc mis en évidence qu'il est nécessaire d'amorcer la réaction d' électrolyse de l'eau par la source de tension 32 pour que les réactions (4) et (5) décrites précédemment se produisent en présence d'infrasons.
Un deuxième essai a été réalisé dans lequel la durée de chaque étape (b) avec émission d'infrasons était de 6 secondes et la durée de chaque étape (a) sans émission d'infrasons était de 10,7 secondes.
Les figures 5, 6, 7 et 8 représentent respectivement les courbes d'évolution du signal S2, de la tension U, du courant la et du courant Ib pendant le deuxième essai. La figure 9 est une vue agrandie de la figure 5.
Comme cela apparaît sur les figures 5 et 9, pendant chaque étape (a), le signal S2 était nul, ce qui signifie qu'il n'y avait pas d'émission d'infrasons dans la cavité. Pendant chaque étape (b) , le signal S2 suivait une fonction correspondant à une succession en valeur absolue de sinusoïdes. Pour le deuxième essai, à chaque étape (b) , le signal S2 comprenait une première phase PI avec des pulsations à une première fréquence, par exemple 36 pulsations à 4,2 Hz, une deuxième phase PII avec des pulsations à une deuxième fréquence, par exemple 18 pulsations à 7 Hz, et une troisième phase PIII avec des pulsations à une troisième fréquence, par exemple 9 pulsations à 10,5 Hz.
La figure 6 représente une courbe d'évolution de la tension U entre les conducteurs 22 et 24 pendant le deuxième essai. La tension U était sensiblement constante et égale à environ 3 V.
La figure 7 représente une courbe d'évolution du courant la fourni par la source 32 pendant le deuxième essai. Pendant chaque étape (a) et (b) , le courant la était de l'ordre de 3 A.
La figure 8 représente une courbe d'évolution du courant Ib traversant la charge 34 pendant le deuxième essai. Pendant chaque étape (b) , le courant Ib était égal à 0 A. Pendant chaque étape (a), le courant Ib était d'environ 100 A. Un courant d'intensité élevé a été obtenu.
Les figures 5 et 8 montrent que la production d'électricité a lieu pendant les phases où le signal S2 est nul. Cette production d'électricité est donc intermittente.
La figure 10 est une vue avec coupe d'un autre mode de réalisation d'un dispositif 60 de conversion d'énergie. Le dispositif 60 comprend deux exemplaires de la cavité résonnante du dispositif 50 représenté sur les figures 3 et 4. Les éléments communs de chaque cavité résonnante 50^ et 50β du dispositif 60 avec la cavité résonnante du dispositif 50 sont désignés par les mêmes références auxquelles sont ajoutés les indices "A" ou "B" . En figure 10, les générateurs d'infrasons 52^ et 52β sont représentés sous forme de bandes. Les cavités résonnantes 50^ et 50β sont, de manière avantageuse, reliées électriquement en série, le conducteur 22 étant connecté à l'électrode 12^, le conducteur 24 étant connecté à l'électrode 12β, et un conducteur 62 connectant l'électrode 14^ à l'électrode 12β. Chaque signal S2 et S2B a la même forme que le signal S2. Toutefois, les phases où les signaux S2A et sont nuls sont alternées. La production électrique est alors continue.
La figure 11 est une vue avec coupe d'un autre mode de réalisation d'un dispositif 70 de conversion d'énergie. Le dispositif 70 est sectorisé en deux parties égales et la production électrique a lieu alternativement dans la partie supérieure puis dans la partie inférieure. Le dispositif 70 comprend l'ensemble des éléments du dispositif 50 représenté sur les figures 3 et 4 à la différence que le générateur d'ultrasons 52 est remplacé par deux générateurs d'ultrasons 72 et 74, l'un sur la partie supérieure de l'électrode 14, l'autre sur la partie inférieure de l'électrode 14. En outre, le signal S2 est remplacé par un signal S3 qui est appliqué alternativement à chaque générateur d'ultrasons 72, 74. Dans le présent mode de réalisation, il est nécessaire d'avoir un milieu homogène dans la cavité 16. Pour cela, la cavité 16 est remplie d'un mélange gazeux 76. Le mélange gazeux 76 étant porté à haute température, un plasma est créé. Ce plasma étant homogène, le signal S3 comporte une seule fréquence de résonance. Comme cela a été décrit précédemment, cette fréquence est toujours dans la gamme de fréquence des infrasons. Elle est avantageusement comprise entre 3 Hz et 15 Hz.
Avantageusement, chaque générateur 72, 74 peut comprendre un enroulement de spires disposé sur la face externe de l'électrode 14. Le signal électrique S3 passant dans les spires crée alors un champ électromagnétique qui confine le plasma dans la partie en regard haut ou bas de la cavité 16. De plus, l'énergie dissipée par effet joule dans les spires permet de compenser les pertes thermiques et maintient le plasma à une température constante .
De manière avantageuse, l'initiation du plasma peut se faire à l'aide d'une impulsion électrique.
Le mélange gazeux 76 peut être composé de dihydrogène, de gaz carbonique et de vapeur d'argent. Le mélange gazeux étant porté à haute température, une ionisation du gaz s'opère créant un plasma. Le gaz de dihydrogène se décompose de la manière suivante :
H2 (g) -> 2H+ (g) + 2e~ (6)
Les ions hydrogène et les électrons produits par la réaction (6) vont ensuite réagir avec le gaz carbonique selon la réaction suivante :
C02(g) + 2H+(g) + 2e~ -> CO(g) + H20(g) (7)
L' électrolyse de la vapeur d'eau est réalisée à l'aide des électrodes 12 et 14 selon la réaction suivante :
H20(g) -> 1/2 02(g) + H2 (g) (8)
Le dihydrogène produit par la réaction (8) alimente la réaction ( 6) .
Le dioxygène produit par la réaction (8) réagit avec le monoxyde de carbone produit dans la réaction (7) pour former du gaz carbonique selon la réaction suivante :
CO(g) + 1/2 02(g) -> C02 (g) (9)
Le gaz carbonique produit par la réaction (9) alimente la réaction (7) .
La vapeur d' argent sert de catalyseur selon la réaction suivante :
2Ag(g) -> 2Ag+ (g) + 2e~ (10) La fréquence de résonance du mélange gazeux 76 peut être déterminée en faisant varier pas à pas la fréquence des infrasons fournis par chaque générateur 72, 74 et en mesurant le courant traversant la charge 34, le courant maximal étant obtenu à la résonance. Ce procédé peut permettre la détermination d'une fréquence de résonance unique ou d'une plage de fréquences pour lesquelles la résonance est sensiblement obtenue.
Selon un mode de réalisation, le procédé de commande du dispositif de conversion 70 comprend des étapes (c) , (d) et (e) . A l'étape (c) , le mélange gazeux 76 est porté à haute température grâce à l'énergie dissipée par les spires des générateurs 72, 74. A l'étape (d) , le générateur 72 reçoit le signal S3 et le générateur 74 ne reçoit pas de signal, de sorte qu'une première partie du mélange gazeux 76 présent dans la cavité 16, par exemple la moitié supérieure, reçoit des infrasons. Au début de cette étape, une impulsion électrique peut aider à initier le plasma. A l'étape (e) , le générateur 74 reçoit le signal S3 et le générateur 72 ne reçoit pas de signal, de sorte qu'une deuxième partie du mélange gazeux 76 présent dans la cavité 16, par exemple la moitié inférieure, reçoit des infrasons. Les étapes (d) et (e) peuvent de nouveau être appliquées alternativement.
A l'étape (d) ou (e) , en présence d'infrasons, la réaction de catalyse (10) décrite précédemment est amplifiée dans le mélange gazeux 76. Une explication serait que les ions argent chargés absorbent l'énergie mécanique des infrasons et se comportent alors comme un catalyseur de la réaction (8) d' électrolyse de vapeur d'eau contenue dans le mélange gazeux (53) . L'ion argent joue le même rôle que les nano-diamants chargés positivement dans les réactions (1) à (5) décrites précédemment.
La différence de tension entre les deux électrodes 12 et 14 va faire circuler préférentiellement les électrons dans le plasma et créer un courant de circulation dans la résistance 34.
La figure 12 est une vue avec coupe d'un autre mode de réalisation d'un dispositif 80 de conversion d'énergie. Le dispositif 80 de conversion d'énergie comprend l'ensemble des éléments du dispositif 70 représenté en figure 11 à la différence que l'électrode interne 12 est remplacée par deux électrodes internes 12' et 12" localisées aux foyers de l'électrode externe 14. Dans ce cas, chaque électrode interne 12', 12" est commandée pour émettre le même son que le générateur d'ultrasons 72, 74 qui lui est opposé. Ce procédé permet de façon avantageuse d'augmenter la puissance du signal en amplifiant celui-ci grâce à la géométrie particulière de l'ellipse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10 ; 50) de conversion d'ondes sonores en électricité comprenant une première électrode (12) et une deuxième électrode (14) reliées à une source de tension ou de courant (32) et destinées à être reliées à une charge (34), les première et deuxième électrodes délimitant entre elles une cavité
(16) destinée à recevoir des infrasons et partiellement remplie d'une poudre (19) d'un matériau semiconducteur et d'un électrolyte
(18) comprenant une dispersion colloïdale de nanoparticules de diamant chargées électriquement dans un milieu liquide dispersant comprenant de l'eau ou contenant un mélange gazeux susceptible de former un plasma, le mélange gazeux comprenant au moins un métal sous forme gazeuse.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chacune des première et deuxième électrodes (12, 14) comprend un support recouvert d'un film (40, 42) de diamant nanocristallin dopé au bore .
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'écart entres les première et deuxième électrodes (12, 14) est compris entre 1 mm et 10 mm.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel 1 ' électrolyte (18) comprend de 3 % à 10 % en masse de nanoparticules de diamant chargées électriquement.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première électrode (12) est contenue dans la deuxième électrode (14) .
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la première électrode (12) comprend une première surface (13) et la deuxième électrode (14) comprend une deuxième surface (15) , les première et deuxième surfaces délimitant la cavité (16) , la première surface étant convexe et la deuxième surface étant concave .
7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, dans lequel chacune des première et deuxième électrodes (12, 14) a la forme d'une sphère, d'un ellipsoïde ou d'un ovoïde.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la tension zêta des nanoparticules de diamant chargées électriquement est comprise entre 30 mV et 80 mV.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant, en outre, au moins un générateur d'infrasons (36 ; 52) adapté à générer des infrasons dans la cavité (16) .
10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le générateur d'infrasons (36) est à distance des première et deuxième électrodes (12, 14) .
11. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le générateur d'infrasons (52) comprend un dispositif piézo¬ électrique, notamment ayant la forme de spires, au contact de la première ou de la deuxième électrode (12, 14) .
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, comprenant, en outre, un module (38) de commande du générateur d'infrasons (36 ; 52) adapté à alternativement éteindre le générateur d'infrasons et activer le générateur d'infrasons pour l'émission dans la cavité (16) d'infrasons successivement à au moins des première et deuxième fréquences différentes.
13. Procédé de conversion d'ondes sonores en électricité pour l'alimentation d'une charge (34), comprenant les étapes suivantes :
prévoir une première électrode (12) et une deuxième électrode (14) délimitant entre elles une cavité (16) partiellement remplie d'une poudre (19) d'un matériau semiconducteur et d'un électrolyte (18) comprenant une dispersion colloïdale de nanoparticules de diamant chargées électriquement dans un milieu liquide dispersant comprenant de l'eau ou contenant un mélange gazeux susceptible de former un plasma, le mélange gazeux comprenant au moins un métal sous forme gazeuse ;
relier les première et deuxième électrodes à une source de tension ou de courant (32) ; et
exposer la cavité à des infrasons.
14. Procédé selon la revendication 13, comprenant, en outre, de façon répétée, la succession des étapes suivantes : (a) ne pas exposer la cavité à des infrasons ; et
(b) exposer la cavité à des infrasons successivement à au moins des première et deuxième fréquences différentes.
15. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'étape (b) comprend l'exposition de la cavité (16) à des infrasons successivement à au moins des première, deuxième et troisième fréquences différentes dans le cas où la cavité comprend 1 ' électrolyte et à une fréquence unique dans le cas où la cavité comprend le mélange gazeux susceptible de former un plasma.
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