WO2022053467A1 - Generator generating energy from at least one radiation emitting source,the generator being in the form of blades which have vertical faces and rotate horizontally in a substantially toroidal containment casing - Google Patents
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- F03G7/008—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for characterised by the actuating element
- F03G7/016—Photosensitive actuators, e.g. using the principle of Crookes radiometer
Definitions
- the present invention relates to the field of energy converters from any type of radiative emission source which may be solar or of the waste heat type.
- the present invention aims mainly to improve the energy efficiency provided by the converters according to the state of the art.
- the invention makes it possible to generate electrical energy even in the occasional absence of an external radiative source.
- Radiant energy is the only energy that can propagate in a vacuum, in the absence of matter. It is based on the principle of electromagnetic radiation, itself based on the movement of photons. Light (visible wavelength range) and thermal (infrared) energy is radiative energy.
- PV panels are the most widespread technology that converts radiative energy into electricity. Regardless of their intrinsic efficiency, which has been steadily increasing for many years, PV panels have several major drawbacks that can be summarized as follows:
- Patent US182172 discloses one of these oldest systems, which has been popularized under the term Crookes radiometer, without at the time of its design, all the forces actually brought into play to induce the rotation of the blades making up the system has not been specified.
- FIG. 1 and 2 schematically show such a Crookes radiometer, generally designated by the reference 1.
- the radiometer 1 comprises a confinement envelope 2 maintained under a rarefied atmosphere, a vertical axis 3 which forms a point pivot supporting a hub 4 that which is fixed a number of four blades 5 with a diamond section, which extend at 90 ° from each other and each vertically in the casing 2.
- Each of the blades 5 comprises a main face 50 which is reflective (emissivity close to 0) and on the opposite side a main face 51 which is dark (emissivity close to 1).
- a heat flux for example solar radiation
- they begin to rotate around the pivot 3 according to the arrow symbolized in FIG. 2, so that the dark faces 51 are subjected to a resultant force normal to their area.
- Crookes Radiometer 1 cannot generate a large enough mechanical torque to be considered a viable power generator for industrial or even practical applications. Indeed, it is possible to demonstrate that the radiometric force generated in line with the blades 5 is of the order of 10 -6 N.
- This force results from a so-called radiometric pressure which is a function of the radiation pressure (pressure exerted by the photons at the surface of the blade) to within one parameter, which is the ratio of the speed of light in the medium considered on the velocity of the gas molecules within the confinement envelope, as given by equation 1.
- Patent US4410805 proposed to multiply the number of blades and thereby the sum of the forces generated. However, this increase in blades does not allow a sufficient increase in the recoverable energy.
- equation 2 which connects the force exerted on the surface subjected to thermal gradient to the perimeter which it develops.
- Th Temperature of the hot face (dark)
- Tc temperature of the cold face (reflecting)
- T average temperature of the blade
- l thickness of the blade
- the perimeter developed is a first-order parameter for increasing the intensity of the forces making it possible to set the blades in rotation in a radiative energy conversion system.
- Several patents, in particular US Pat. No. 4,397,150, have proposed increasing the developed perimeter of the blades by perforating them, and whether they are in an open environment or in a containment envelope.
- R radius of the blade perforations
- ⁇ mean gas free path
- Th Temperature of the hot face (dark)
- Tc temperature of the cold face (reflecting).
- the sum of the forces acting on a blade is in effect a balance between the radiometric surface force, the edge forces, which are in the same direction as the surface force radiometric, the friction forces induced by the pivot, and finally, the braking force, also called shear force, which is another force opposing the movement.
- the shearing force is induced by thermal transpiration and is applied on the side surface of the blade in the direction of the cold (reflecting) face towards the hot (dark) face, which actually slows down the rotational movement of the blade. blade.
- Patent US9705383B1 proposes a radiative energy converter with four blades which extend and whose rotation takes place in a horizontal plane, directly in contact with the external environment. Shear forces are only partially reduced in such a converter.
- Patent US4926037 thus proposes a mechanical coupler.
- Patent application US2014/159377A1 describes an electromagnetic converter.
- the general object of the invention is then to respond at least in part to this (these) need(s).
- the invention firstly relates to a converter of radiative energy into electrical energy, comprising:
- the envelope being of axisymmetric shape around a vertical axis of symmetry, the envelope comprising a torus and of which at least a part is transparent with respect to the radiative source at value;
- a plurality of blades each fixed to the hub by a blade support, the blades being distributed angularly around the hub while being arranged inside the torus of the containment envelope, the main faces of the blades being orthogonal to the plane of rotation horizontal, one of the main faces of at least part of the blades comprising an emissivity surface distinct from the other of the main faces, the section of the blades being homothetic to that of the torus of the containment envelope with a clearance E between each blade and the inner wall of the substantially constant torus.
- the blades are evenly distributed angularly around the hub.
- the emissivity surface of one of the main faces of the blades has an emissivity value close to 1 while that of the other of the main faces has a value close to 0.
- the invention essentially relates to a converter with vertical blades generating the rotational forces from a source of radiative energy, which are confined in a pressure-regulated envelope whose peripheral part is in the form of a torus with section homothetic to that of the blades with a very low and constant clearance between the internal wall of the torus and the blades.
- the clearance E and the characteristic length L of each blade are determined so that 10 -6 ⁇ /L ⁇ 10 -2 .
- Such a ratio is advantageous because the confinement volume to be established around the blades is thus minimized (material saving, size limitation) and the applied braking forces generated at the end of the blades are reduced to a minimum, i.e. i.e. in the close vicinity of the containment envelope.
- a ratio ⁇ /L as above, the clearance between the blades and the walls delimiting the confinement volume of the latter is as low as possible.
- the impact of the size of a blade confinement envelope has been shown: [4]. More precisely still, the radiometric force is inversely proportional to the distance between the wall of the containment envelope and the blades.
- the confinement volume can have a regulated wall temperature close to the average temperature of the blades. This reduction in the braking force is made possible by an attenuation of the thermal gradient thus obtained at the blade tips.
- characteristic length of a blade we mean here and in the context of the invention, the usual meaning mentioned for example in the publication [5], ie "the characteristic length L of a solid (a shape) F arbitrary (bounded) can be defined as the ratio of its volume to its area or better as this ratio multiplied by twice the dimension of the surrounding space. »
- the Knudsen number characterizing the flow regime of the fluid inside the casing on the blades, is between 0.1 and 0.5
- the blades have a tapered profile at their periphery. This makes it possible to minimize both the temperature gradient and the surface on which this braking force is applied.
- the converter further comprises:
- the coil(s) being arranged facing the permanent magnets so that the rotation of the blades generated by a radiative energy source generates an electromotive force in the coil(s).
- the magnetic field generated by the rotating permanent magnets just above the turns of the induction coil generates an electric current induced therein.
- the converter support may be a fixed support.
- the connection between the fixed support and the hub is designed in such a way that it limits friction to facilitate the rotation of the blades.
- the fixed support can be in a point connection with the hub.
- materials are then chosen which induce very low coefficients of static and dynamic friction, typically of the order of 0.1 or even a few hundredths. These may be materials such as glass, polished steel, even Teflon or other anti-friction polymers;
- the fixed support and the hub can each comprise a magnetic sphere, the two magnetic spheres being in mutual contact.
- This variant can be chosen in particular when the blades with their support are of low mass;
- the hub and the blades can be supported by at least one magnetic bearing, one part of which is fixed to the fixed support and the other to at least one part of the blades.
- the converter support is a rotatably mounted shaft around which the hub is fixed; the converter further includes:
- the coil(s) being arranged opposite the permanent magnets being arranged so that the rotation of the blades generated by a radiative energy source generates an electromotive force in the coil.
- the space between the permanent magnets and an induction coil is less than 1mm.
- Such a small space between the magnets and the coil turns makes it possible to optimize the conversion of the kinetic energy of the rotating blades into electrical energy.
- each extension arm consists of two arm portions at 90° to each other, one portion of which is integral with a blade which extends vertically and the other portion which extends horizontally. at the end of which is fixed a permanent magnet.
- the converter comprises a plurality of pairs of fixed induction coils centered on the axis of symmetry of the envelope, the coils of each pair being arranged two-by-two parallel, so that the rotation of the blades moves the permanent magnets between the coils of each pair.
- the converter comprises a radiative flux concentration system.
- the radiative flux concentration system can consist of:
- the radiative source is the sun or a source emitting in the visible spectrum and at least part in a spectrum belonging to the infrared.
- a Fresnel lens arranged at the level of the hub of the blades, so as to receive all or part of the radiation collected by the concentration system, and at least one mirror arranged at the level of a blade, so as to receive all or part of the radiation from the lens to direct it onto the faces of the blades with less emissivity.
- the hub and the blades are advantageously arranged so that their center of gravity is at a vertical height below the point or plane of connection with the converter support or the rotary shaft.
- the thickness of the blades being between 100 nm to 100 ⁇ m.
- At least part of the blades comprises several through holes, arranged approximately parallel to each other in the direction of the thickness of the blade.
- the part of the blades is a porous material comprising at least certain emerging porosities.
- the porous material can be a ceramic, preferably chosen from alumina, mullite, tungsten carbide or a combination thereof.
- the part of the blades being a polymeric film with open perforations.
- the polymer of the film can be chosen from polyethylene (PE), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA) or a combination thereof.
- the part of the blades is a very ductile sheet of metal comprising at least some emerging perforations.
- the highly ductile sheet metal can be chosen from gold or silver.
- At least part of the blades is (are) coated with at least one catalytic coating suitable for implementing an endo or exothermic reaction.
- the surfaces of lower emissivity are coated with at least one catalytic coating suitable for implementing an endothermic reaction while the surfaces of higher emissivity being coated with at least one catalytic coating suitable for implementing an exothermic reaction .
- the catalytic coating can be selected from chloride salts, hydrides or a combination thereof. at least part of the blades having a free end, the profile of which is tapered in the direction of the containment envelope.
- the converter comprises a system for regulating the temperature of the containment envelope.
- An alternative embodiment of the regulation system may consist of a means for measuring the temperature of the blades without contact, preferably a laser pyrometer and a means for heating at least the internal wall of the containment envelope, the operation of which is controlled to the measurements of the non-contact measuring means of the temperature of the blades.
- the management of games in motion, in particular the E game can be difficult to achieve easily.
- the temperature regulation system will make it possible to ensure a wall temperature close to the value of the average temperature of the blades in order to make it possible to minimize the shearing force induced by the thermal gradient at the tip of the blade.
- the rotational torque generated can be monitored by a sensor and can communicate with the temperature regulation system of the wall of the confinement toroid to adapt the temperature of the latter as needed.
- Another subject of the invention is the use of a converter as described previously for converting the energy coming from a light source and/or from a thermal source into electricity.
- the thermal source can be a fatal heat source such as an incinerator hearth, a cement plant, a foundry bath, etc.
- Figure 1 is a schematic side view of a Crookes radiometer.
- Figure 2 is a top view of Figure 1.
- Figure 3 is a schematic perspective view of an example of a converter of radiative energy into electrical energy according to the invention.
- FIG 4 is a detail view of Figure 3 showing the very small and constant space between a blade and the torus of the containment envelope of the converter according to the invention.
- Figure 5 is a view of a square blade section according to the invention.
- Figure 6 is a view of a blade diamond section according to the invention.
- Figure 7 is a side view of a blade variant with a tapered profile at its end
- FIG 8 is a schematic view from above showing the increase in the linear velocity in the middle of the blade for the same radiometric force applied to blades at different distances from the point of rotation.
- Figure 9 is. a schematic view from above illustrating the influence of an extra length obtained by an extension arm on the linear speed of rotation of a permanent magnet fixed thereto
- Figure 10 is a schematic perspective view of an embodiment of the converter according to the invention showing the electromagnetic conversion part with permanent magnets and induction coils.
- FIG 11 illustrates in the form of a curve the evolution of the value of the magnetic field according to the air gap, that is to say the distance between the face of a permanent magnet and a coil turn.
- Figure 12 is a detail view showing an alternative embodiment of a point connection between a fixed converter support and the hub to which part of the plate blades is fixed.
- FIG 13 is a detail view showing another alternative embodiment of a point connection between a fixed converter support and the hub to which part of the plate blades is fixed.
- Figure 14 is a side view showing a variant of connection by magnetic bearing between a fixed converter support and the hub to which part of the blades of the platter is fixed.
- FIG 15 illustrates a perforated blade variant according to the invention.
- FIG 16A illustrates a first step in making another variant of perforated blade according to the invention.
- FIG. 16B illustrates a second stage of production of this other variant of perforated blade according to the invention.
- FIG. 16C illustrates a first stage of production of this other variant of perforated blade according to the invention.
- Figure 17 illustrates a variant with catalytic coating for endothermic and exothermic reactions within a blade according to the invention.
- FIG. 18 illustrates in the form of a curve the evolution of the speed of rotation as a function of the pressure prevailing within a containment envelope in accordance with the invention.
- FIG. 20 illustrates in the form of a curve the temperature of the faces of a blade according to the invention exposed (dark face) and not exposed (dark face) to a constant heat flux, the faces being thermally insulated.
- FIG. 21 illustrates in the form of a curve the temperature of the exposed face of a blade according to the invention and the evolution of the incident heat flow.
- FIG. 22 illustrates in the form of a curve the evolution of the resultant force per unit of perimeter developed and per degree of temperature gradient applied to the right of the blades according to the invention.
- Figure 23 illustrates an integrated containment vessel wall temperature control system according to the invention.
- Figure 24 is a schematic top view of a converter according to the invention provided with a radiative flux concentration system.
- Figure 25 is a side view of Figure 24.
- FIG. 10 An example of radiative energy converter 10 according to the invention is illustrated in FIG.
- It comprises a containment envelope 2 with controlled internal pressure, in the form of a torus 20 in its peripheral part and two parallel discs 21, 22 in its central part.
- the two discs 21, 22 define with the inside of the torus the closed volume of the containment envelope.
- a converter support 3 extends along the axis of symmetry of the envelope.
- the support 3 is fixed in the example shown in Figure 3, a hub 4 rotatably mounted around the support. At least one of the two discs 21, 22 can be crossed with sealing by the support 3.
- the converter 10 comprises a plurality of blades 5 each fixed to the hub 4 by a blade support 6.
- the blades 5 are distributed angularly around the hub 4 while being arranged inside the torus 20 of the confinement envelope, the main faces of the blades being orthogonal to the horizontal plane of rotation.
- the blade supports 6 are arranged between the two discs 21, 22 of the containment envelope.
- one of the main faces 50 comprises an emissivity surface higher than the other of the main faces 51.
- the section of the blades 5 is similar to that of the torus 20 with a play ⁇ between each blade and the internal wall of the torus which is substantially constant and very small.
- the blades 5 and torus 20 have a circular section but any section can be considered.
- it can be a square section ( Figure 5) or a diamond section ( Figure 6).
- the clearance E and the characteristic length L of each blade are determined so that the ratio E/L is between 10 -6 and 10 -2 .
- the support 6 of the blades is of reduced length because for a given force applied to the blades, the speed of rotation (in rad/s) will be all the greater as the distance from the axis of rotation will be small.
- a blade 5 further from the center of rotation induces a greater linear speed in the end in the middle or at the tip of the blade, this latter speed changing in order of magnitude like the square root of the ratio of length of the blade to large radius d shaft (R2) and that of the small radius blade (R1), as shown in figure 8.
- a variant consists in providing extension arms outside the blades.
- Such extension arms make it possible, for a given linear speed of rotation of the blades (V1), to have an increased linear speed of rotation of the permanent magnets 7 (Vx), according to the following equation: [Equ 5] with :
- R length equivalent to the sum of the radius of the arm of the blade and its own length
- ⁇ x excess length induced by the extension arm 60.
- Figure 10 illustrates a configuration of the electromagnetic force generation system from the kinetic force of rotation of the blades 5.
- the system comprises a plurality of permanent magnets 7 individually fixed at the end of one of the extension arms 60 of the blades 5.
- each extension arm 60 consists of two arm portions 600, 601 at 90° to each other, one portion 600 of which is integral with a blade which extends vertically and the other portion 601 which extends horizontally at the end of which is fixed a permanent magnet 7.
- each permanent magnet 7 comes sequentially into a space between two fixed induction coils 8.
- each of the permanent magnets 7 which moves generates an electromotive force in the turns 80 of the coils 8 and therefore induces an electric current therein.
- the optimum air gap ⁇ that is to say the spacing between the permanent magnets 7 and the turns 80 of the coils 8 is less than 1 mm.
- the conversion of the momentum of the blades 5 into electromotive force (em) induced due to the variation of the magnetic field through the n turns 80 is according to the following formula:
- ⁇ magnetic field generated by magnets 7
- n total number of turns 80.
- the expected electromotive force expressed as a function of the rotation speed and the distance from the axis of rotation of the magnets can be expressed in view of the following elements:
- ⁇ BS, i.e.:
- Vx linear velocity of the permanent magnet
- ⁇ t the time taken by the permanent magnet between two coils 8
- l width of the permanent magnet.
- the magnetic field B is a function of the air gap distance z between the surface of the permanent magnet 7 and the surface of the turns 80 according to the following equation: [Equ 9] with
- Br remanent field, independent of the geometry of the magnet
- z distance to the surface of the pole on the axis of symmetry
- the turns 80 are therefore preferably incorporated/ integrated in a base/support (So) of the converter 10 as shown in FIG. 10.
- An adjustment system with several degrees of freedom can be provided to control the gap distance between permanent magnets 7 and turns 80.
- the mechanical power developed is a function of the force developed for a given speed of rotation according to the following equation:
- Vx 10 m/s.
- Figures 12 to 14 show different embodiments to minimize friction between fixed support 3 and hub 4/supports 6 of the blades, in order to further optimize the kinetic energy of rotation of the blades.
- the hub 4 can be in the form of a magnetizable sphere which comes into contact with a sphere 31 at the end of the support 3, itself magnetized by a permanent magnet 32 within the support 3.
- a pivot needle 33 at the end of support 3 is in point contact with hub 4.
- a system 11 of magnetic bearings, one part of which is fixed to the blade plate and the other is integral with the support 3, makes it possible to guarantee the rotation of the plate horizontally without mechanical contact.
- connection between the pivot support 3 and the blades 6 to guarantee the latter a center of gravity at a level lower than that of the end of the pivot bracket 3.
- the blades 5 are advantageously both very long, poorly thermally conductive, perforated with perforations of very small diameters while being rigid.
- the porosity and at the same time the low transverse thermal conductivity can be ensured by a porous ceramic.
- the porosity of the ceramic can advantageously be chosen so that the plate cut or produced according to a given thickness, of the order of a micron to a few microns, can develop without particular machining a through porosity with an average diameter of the order of the free path. gas medium. To do this, it is possible to add ceramic powders with a porogen, then after uniaxial compaction, debinding/sintering the raw material obtained in order to achieve adequate through-porosity and a micrometric diameter.
- the thickness E of the blade can be very small, typically a few microns with through perforations 500 typically with a diameter of the order of a micron.
- Another method for producing perforated blades may consist in using a perforating laser, for example a Femto-second laser, which potentially periodically impacts a blade surface.
- a perforating laser for example a Femto-second laser
- FIGS. 16A to 16C Another process that can be envisaged is a nanofabrication process, that known by the acronym LF-PAM (“Laser-Fabricated Porous Alumina Membranes”), as explained in the publication [6].
- LF-PAM Laser-Fabricated Porous Alumina Membranes
- FIGS. 16A to 16C The main steps of this process are shown in FIGS. 16A to 16C: a substrate 5, typically made of alumina, initially coated with a monolayer of spherical nanoparticles Bi is placed on a support S. A laser impacts the monolayer to create nano perforations / micrometric 500 in the substrate 5, which once detached from the support S, reveals emerging perforations 500.
- the rigidity of the blades 5 can be ensured by the very structure of the constituent material, which is non-ductile. It is also possible to start from flexible materials, such as a polymer film, for example made of PTFE, which is stiffened by a support and/or a given radial tension and/or by crosslinking. Of course, the intensity of this tension should not cause it to break
- the constituent material of the blades 5 can be a catalyst for exothermic reaction(s) at the level of the dark faces 51 and endothermic(s) at the level of the light faces 50, in order to maintain or even amplify the temperature difference between these faces due to the heat of reactions released or absorbed.
- Figure 17 illustrates these reactions and the thermal and thermodynamic cycling exploited at the level of the faces 50, 51 of the blades respectively in constituent material, reactive A, C.
- A By applying a quantity of heat to A, it is converted into B which is still solid which generates also a gas.
- the face 50 where the endothermic reaction occurs being colder than the face 51 where the exothermic reaction occurs and knowing that the regime is that of thermal sliding, a flow of gaseous material will be established from the cold face 50 towards the face hot 51 and the gas produced at the cold face will be available to react with the constituent material C of the face 51 where the exothermic reaction occurs.
- the gas will then be absorbed therein to give the reagent D and generate a quantity of heat which will reinforce the temperature gradient between the two faces 50, 51.
- the finished volume of the containment envelope 2 has, during the operation of the converter, a pressure regulated at a target setpoint value. It is possible to use for this a pumping system capable of reaching secondary or primary vacuums or working at atmospheric pressure or even a few bars if necessary.
- the system can comprise two distinct types of pump, for example a turbo-molecular pump and a vane pump, depending on the level of pressure to be reached.
- This figure 18 shows a classic evolution of the speed of rotation of the blades of a radiometer according to the state of the art as a function of the pressure prevailing within the envelope surrounding it.
- this figure 14 illustrates that there is a range of pressures for which the speed of rotation of the radiometer is optimal in full consistency with what can be shown theoretically.
- a system for adjusting the pressure of the volume of the confinement envelope makes it possible to control the value of the mean free path of the molecules of gas contained within this volume.
- Figure 19 shows this evolution of the mean free path as a function of the pressure but also of the temperature and the nature of the gas.
- the diameter of the perforations of the blades 5 can vary from a hundred nanometers to a few microns for pressures varying respectively from bar to a few hundred Pa.
- the increase in temperature is also favorable to the increase in the read mean path, which can also constitute an adjustment parameter beyond the pressure.
- perforations 500 of the order of 130 nm can be targeted for an operating pressure of the casing of 2 to 1 bar.
- the temperature gradient on the two opposite faces 50, 51 of the blades, of distinct emissivity, induces the driving force.
- a heat balance at the level of the blade makes it possible to establish that the rise in temperature of an elementary volume of the blade subjected to a flow on one of these faces is due to the net heat contribution resulting from the incident heat flow. and losses induced by convection and radiation.
- Tf temperature of the cold face 50 of the blade.
- a blade 5 can be considered as isothermal along the axis of its thickness.
- the temperature of the plate is strongly dependent on time in the case where the incident heat flux ⁇ th begins to be applied and/or if this flux is variable as a function of time.
- FIG. 21 shows the evolution of the temperature of the hot face 51 Tc of a blade according to the invention, as well as the evolution of the incident heat flux.
- the radiometric force FN can be expressed as follows:
- F is independent of the gas density and therefore of the pressure, as long as e is less than or equal to ⁇ .
- ⁇ is a function of the pressure
- the thickness of the blade should be reduced when the pressure increases.
Landscapes
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Abstract
The invention essentially relates to an energy converter (10) that converts radiant energy into electrical energy and has vertical blades which generate rotational forces from a radiant energy source and which are confined in a pressure-controlled casing, the peripheral part of the casing being in the form of a torus having a cross-section that is homothetic to that of the blades with a very small and constant clearance between the inner wall of the torus and the blades.
Description
Description Description
Titre : Générateur d'énergie à partir d'au moins une source d'émission radiative, du type pales à faces verticales, en rotation à l'horizontal dans une enveloppe de confinement de forme essentiellement torique. Title: Energy generator from at least one radiative emission source, of the blade type with vertical faces, rotating horizontally in a containment envelope of essentially toric shape.
Domaine technique Technical area
La présente invention concerne le domaine des convertisseurs d'énergie à partir de tout type de source d'émission radiative qui peut être solaire ou du type chaleur fatale. The present invention relates to the field of energy converters from any type of radiative emission source which may be solar or of the waste heat type.
La présente invention vise principalement à améliorer le rendement énergétique fourni par les convertisseurs selon l'état de l'art. The present invention aims mainly to improve the energy efficiency provided by the converters according to the state of the art.
L'invention permet de générer de l'énergie électrique même en l'absence ponctuelle de source radiative externe. The invention makes it possible to generate electrical energy even in the occasional absence of an external radiative source.
Technique antérieure Prior technique
L'énergie rayonnante, ou énergie radiative, est la seule énergie qui peut se propager dans le vide, en l'absence de matière. Elle repose sur le principe du rayonnement électromagnétique, lui-même basé sur un déplacement de photons. L'énergie lumineuse (domaine de longueur d'onde visible) et thermique (infrarouge) est de l'énergie radiative. Radiant energy, or radiative energy, is the only energy that can propagate in a vacuum, in the absence of matter. It is based on the principle of electromagnetic radiation, itself based on the movement of photons. Light (visible wavelength range) and thermal (infrared) energy is radiative energy.
A ce jour, les panneaux photovoltaïques (PV) constituent la technologie la plus répandue qui convertit l'énergie radiative en électricité. Quel que soit leur rendement intrinsèque qui n'a cessé d'augmenter depuis de nombreuses années, les panneaux PV, présentent plusieurs inconvénients majeurs que l'on peut résumer ainsi: To date, photovoltaic (PV) panels are the most widespread technology that converts radiative energy into electricity. Regardless of their intrinsic efficiency, which has been steadily increasing for many years, PV panels have several major drawbacks that can be summarized as follows:
- ils sont opérants et efficaces seulement pour des longueurs d'ondes particulières, - they are effective and efficient only for particular wavelengths,
- leurs temps de retour énergétique (temps de production nécessaire pour que l'énergie produite dépasse celle nécessairement dépensée pour élaborer les matériaux constitutifs des panneaux) est long, typiquement de l'ordre de 3 à 5 ans, - their energy payback time (production time required for the energy produced to exceed that necessarily spent to develop the constituent materials of the panels) is long, typically around 3 to 5 years,
- ils présentent une perte de rendement avec le temps, - they show a loss of yield over time,
- leur taux de disponibilité est relativement faible (environ 15%). - their availability rate is relatively low (about 15%).
D'autres systèmes ont été imaginés mais peu exploités industriellement ou seulement pour des applications de niche très spécifiques à rendement énergétique très réduit. Other systems have been imagined but little used industrially or only for very specific niche applications with very low energy efficiency.
Ces systèmes reposent sur l'exploitation de l'énergie radiative qui peut provoquer un glissement thermique susceptible de générer une force au droit de la surface sur laquelle s'applique le gradient thermique.
Le brevet US182172 divulgue l'un de ces systèmes le plus ancien, qui a été popularisé sous le terme de radiomètre de Crookes, sans qu'à l'époque de sa conception, l'ensemble des forces réellement mises en jeu pour induire la rotation des pales constitutives du système n'ait été de fait précisé. These systems are based on the exploitation of radiative energy which can cause a thermal slip likely to generate a force in line with the surface on which the thermal gradient is applied. Patent US182172 discloses one of these oldest systems, which has been popularized under the term Crookes radiometer, without at the time of its design, all the forces actually brought into play to induce the rotation of the blades making up the system has not been specified.
On a schématisé en figures 1 et 2, un tel radiomètre de Crookes, globalement désigné par la référence 1. Le radiomètre 1 comprend une enveloppe de confinement 2 maintenue sous atmosphère raréfiée, un axe vertical 3 qui forme un pivot ponctuel supportant un moyeu 4 que lequel est fixé un nombre de quatre pales 5 à section en losange, qui s'étendent à 90° les unes des autres et chacune à la verticale dans l'enveloppe 2. Chacune des pales 5 comprend une face principale 50 qui est réfléchissante (émissivité proche de 0) et à l'opposé une face principale 51 qui est sombre (émissivité proche de 1). Lorsqu'elles sont soumises à un flux thermique, par exemple le rayonnement solaire, elles se mettent à tourner autour du pivot 3 selon la flèche symbolisée en figure 2, de telle sorte que les faces sombres 51 sont soumises à une force résultante normale à leur surface. Figures 1 and 2 schematically show such a Crookes radiometer, generally designated by the reference 1. The radiometer 1 comprises a confinement envelope 2 maintained under a rarefied atmosphere, a vertical axis 3 which forms a point pivot supporting a hub 4 that which is fixed a number of four blades 5 with a diamond section, which extend at 90 ° from each other and each vertically in the casing 2. Each of the blades 5 comprises a main face 50 which is reflective (emissivity close to 0) and on the opposite side a main face 51 which is dark (emissivity close to 1). When they are subjected to a heat flux, for example solar radiation, they begin to rotate around the pivot 3 according to the arrow symbolized in FIG. 2, so that the dark faces 51 are subjected to a resultant force normal to their area.
Tel que conçu initialement, le radiomètre 1 de Crookes ne peut pas générer un couple mécanique suffisamment important pour être considéré comme un générateur d'énergie viable pour des applications industrielles ou même pratiques. En effet, il est possible de démontrer que la force radiométrique générée au droit des pales 5 est de l'ordre de 10-6 N.As originally designed, Crookes Radiometer 1 cannot generate a large enough mechanical torque to be considered a viable power generator for industrial or even practical applications. Indeed, it is possible to demonstrate that the radiometric force generated in line with the blades 5 is of the order of 10 -6 N.
Cette force résulte d'une pression dite radiométrique qui est fonction de la pression de radiation (pression exercée par les photons au droit de la surface de la pale) à un paramètre près, qui est le ratio de la vitesse de la lumière dans le milieu considéré sur la vitesse des molécules de gaz au sein de l'enveloppe de confinement, comme indiqué par l'équation 1. This force results from a so-called radiometric pressure which is a function of the radiation pressure (pressure exerted by the photons at the surface of the blade) to within one parameter, which is the ratio of the speed of light in the medium considered on the velocity of the gas molecules within the confinement envelope, as given by equation 1.
[Equ 1] [Eq 1]
Pradiométrique ~Pradiation.c/u dans laquelle Pradiometric ~Pradiation.c/u in which
Pradiométrique : pression radiométrique exercée sur une surface donnée, Pradiometric: radiometric pressure exerted on a given surface,
Pradiation : pression de radiation exercée sur une surface donnée par une intensité de radiation donnée, c : vitesse de la lumière dans le vide, u : vitesse des molécules au proche voisinage de la surface soumise aux radiations.
Pour augmenter l'énergie récupérable, le brevet US4410805 a proposé de multiplier le nombre de pales et par là la somme des forces générées. Néanmoins cette augmentation de pâles ne permet pas une augmentation suffisante de l'énergie récupérable. Pradiation: radiation pressure exerted on a given surface by a given radiation intensity, c: speed of light in vacuum, u: speed of molecules in the close vicinity of the surface subjected to radiation. To increase the recoverable energy, patent US4410805 proposed to multiply the number of blades and thereby the sum of the forces generated. However, this increase in blades does not allow a sufficient increase in the recoverable energy.
Il a également été proposé la concentration préalable du flux radiatif, par exemple dans la demande de brevet US2015/0013337. Ici encore, le rendement énergétique reste limité.Prior concentration of the radiative flux has also been proposed, for example in patent application US2015/0013337. Here again, the energy efficiency remains limited.
De manière générale, les performances théoriques visées par les systèmes de conversion d'énergie radiative qui ont déjà été proposé, ont été très loin d'être atteintes, du fait principalement d'une compréhension insuffisante des différents mécanismes mis en jeu, en particulier avant la publication [1] qui a pour la première fois explicité analytiquement l'influence des forces de résistance sur la poussée radiométrique. In general, the theoretical performances targeted by the radiative energy conversion systems which have already been proposed have been very far from being achieved, mainly due to an insufficient understanding of the various mechanisms involved, in particular before publication [1] which for the first time analytically explained the influence of resistance forces on radiometric thrust.
De fait, seule la force de surface radiométrique a réellement été prise en compte. In fact, only the radiometric surface force was really taken into account.
Et, il a pu être démontré que ce n'est pas tant la surface que le périmètre développé par la surface soumise aux radiations qui rentre en ligne de compte : [2]. And, it has been demonstrated that it is not so much the surface as the perimeter developed by the surface subjected to radiation that is taken into account: [2].
Ainsi, plus que l'augmentation de la surface développée par les pales via leur nombre comme proposé par le brevet US4410805, une autre manière d'augmenter l'énergie récupérable est d'augmenter le périmètre des surfaces au droit desquelles un gradient de température est imposé. Thus, more than the increase in the surface developed by the blades via their number as proposed by patent US4410805, another way of increasing the recoverable energy is to increase the perimeter of the surfaces at the right of which a temperature gradient is imposed.
Ceci se traduit par l'équation 2 qui relie la force exercée sur la surface soumise à gradient thermique au périmètre qu'elle développe. This results in equation 2 which connects the force exerted on the surface subjected to thermal gradient to the perimeter which it develops.
P : pression moyenne au droit de la surface d'une pale, p : périmètre développé par la surface d'une pale, λ : libre parcours moyen du gaz, P: mean pressure at the surface of a blade, p: perimeter developed by the surface of a blade, λ: mean free path of the gas,
Th : Température de la face chaude (sombre), Tc : température de la face froide (réfléchissante), Th: Temperature of the hot face (dark), Tc: temperature of the cold face (reflecting),
T : température moyenne de la pale, l : épaisseur de la pale. T: average temperature of the blade, l: thickness of the blade.
Ainsi, le périmètre développé est un paramètre de premier ordre pour augmenter l'intensité des forces permettant de mettre en rotation des pales dans un système de conversion d'énergie radiative.
Plusieurs brevets, notamment le brevet US 4397150, ont proposé d'augmenter le périmètre développé des pales en les perforant, et qu'elles soient en environnement ouvert ou dans une enveloppe de confinement. Thus, the perimeter developed is a first-order parameter for increasing the intensity of the forces making it possible to set the blades in rotation in a radiative energy conversion system. Several patents, in particular US Pat. No. 4,397,150, have proposed increasing the developed perimeter of the blades by perforating them, and whether they are in an open environment or in a containment envelope.
Avec le progrès de la micro voire la nano-fabrication, il est désormais possible de réaliser des perforations de diamètre voisin du libre parcours moyen du gaz. Il est par ailleurs nécessaire que l'épaisseur de la pale soit très faible, i.e. de l'ordre de grandeur du libre parcours moyen, tout en étant isolante et rigide, comme proposé dans les demandes de brevet US2006/001569A1 et W02007/002600A1. With the progress of micro or even nano-fabrication, it is now possible to produce perforations with a diameter close to the average free path of the gas. It is also necessary for the thickness of the blade to be very small, i.e. of the order of magnitude of the mean free path, while being insulating and rigid, as proposed in patent applications US2006/001569A1 and WO2007/002600A1.
Pour le cas où une pale soumise à gradient aurait un taux de perforation égal à 50% et dont le diamètre des trous serait de l'ordre du libre parcours moyen des molécules de gaz présentes au proche voisinage de la pale, la poussée développée par unité de surface d'une telle pale est donnée par l'équation 3 suivante: For the case where a blade subjected to a gradient would have a perforation rate equal to 50% and whose diameter of the holes would be of the order of the mean free path of the gas molecules present in the close vicinity of the blade, the thrust developed per unit surface of such a blade is given by the following equation 3:
[Equ 3]
dans laquelle : n : nombre de molécules de gaz par unité de volume, kB : constante de Boltzmann, [Eq 3] where: n: number of gas molecules per unit volume, k B : Boltzmann constant,
R : rayon des perforations de la pale, λ : libre parcours moyen du gaz, R: radius of the blade perforations, λ: mean gas free path,
Th : Température de la face chaude (sombre), Tc : température de la face froide (réfléchissante). Th: Temperature of the hot face (dark), Tc: temperature of the cold face (reflecting).
Néanmoins, les systèmes à pales perforées n'ont jamais été réellement opérationnels, du fait de performances réelles bien inférieures aux performances théoriques. Nevertheless, perforated blade systems have never really been operational, due to real performance that is much lower than theoretical performance.
D'une part, certains systèmes à pales perforées décrits rajoutent des composants lourds qui en grèvent les performances. Par exemple, dans les demandes US2006/001569A1 et WO2007/002600A1, des modules Peltier à fonction de refroidis sement/chauffe sont intégrés au droit des surfaces soumises au flux radiatif, et l'agencement des connectiques électriques en tant que tel est rédhibitoire pour augmenter les performances. On the one hand, certain systems with perforated blades described add heavy components which burden their performance. For example, in applications US2006/001569A1 and WO2007/002600A1, Peltier modules with a cooling/heating function are integrated in line with the surfaces subjected to the radiative flux, and the arrangement of the electrical connectors as such is prohibitive to increase performances.
D'autre part, comme déjà évoqué, ces systèmes ne tiennent pas compte de la réalité des forces opposées à celles générant la rotation des pales. On the other hand, as already mentioned, these systems do not take into account the reality of the forces opposing those generating the rotation of the blades.
La somme des forces s'appliquant sur une pale est en effet un équilibre entre la force de surface radiométrique, les forces de bord, qui sont dans le même sens que la force de surface
radiométrique, les forces de frottement induites par le pivot, et enfin, la force de freinage, appelée également force de cisaillement, qui est une autre force s'opposant au mouvement. La force de cisaillement est induite par la transpiration thermique et s'applique sur la surface latérale de la pale dans la direction de la face froide (réfléchissante) vers la face chaude (sombre), ce qui freine de fait le mouvement de rotation de la pale. The sum of the forces acting on a blade is in effect a balance between the radiometric surface force, the edge forces, which are in the same direction as the surface force radiometric, the friction forces induced by the pivot, and finally, the braking force, also called shear force, which is another force opposing the movement. The shearing force is induced by thermal transpiration and is applied on the side surface of the blade in the direction of the cold (reflecting) face towards the hot (dark) face, which actually slows down the rotational movement of the blade. blade.
Il a été mis en évidence que cette force de cisaillement devient notable surtout à faible nombre de Knudsen (Kn) : voir la publication [3], notamment la figure 4. It has been demonstrated that this shearing force becomes significant especially at low Knudsen number (Kn): see publication [3], in particular figure 4.
Le brevet US9705383B1 propose un convertisseur d'énergie radiative à quatre pales qui s'étendent et dont la rotation se fait dans un plan horizontal, directement en contact avec l'environnement extérieur. Les forces de cisaillement ne sont que partiellement réduites dans un tel convertisseur. Patent US9705383B1 proposes a radiative energy converter with four blades which extend and whose rotation takes place in a horizontal plane, directly in contact with the external environment. Shear forces are only partially reduced in such a converter.
Par ailleurs, différents moyens de conversion de l'énergie de rotation de pales en électricité ont déjà été envisagés. Furthermore, various means of converting the rotational energy of blades into electricity have already been envisaged.
Le brevet US4926037 propose ainsi un coupleur mécanique. Patent US4926037 thus proposes a mechanical coupler.
La demande de brevet US2014/159377A1 décrit un convertisseur électromagnétique. Patent application US2014/159377A1 describes an electromagnetic converter.
Le brevet US9705383B1 précité divulgue l'agencement d'un aimant permanent en dessous du plan de rotation horizontal des pales qui intègrent chacune en leur sein un fil conducteur relié au support des pales formant un premier contact électrique, les pales étant entourées d'une couronne fixe électriquement conductrice reliée à un deuxième contact électrique. Lorsque les pales sont en rotation, leurs fils conducteurs sont soumis à un flux de champ magnétique variable à partir du flux de l'aimant permanent, et génèrent ainsi un courant électrique entre le premier et le deuxième contact. The aforementioned patent US9705383B1 discloses the arrangement of a permanent magnet below the horizontal plane of rotation of the blades which each incorporate within them a conductive wire connected to the support of the blades forming a first electrical contact, the blades being surrounded by a ring fixed electrically conductive connected to a second electrical contact. When the blades are rotating, their conductive wires are subjected to a magnetic field flux varying from the flux of the permanent magnet, and thus generate an electric current between the first and the second contact.
Il existe un besoin pour améliorer encore les convertisseurs d'énergie radiative en énergie électrique, notamment afin d'augmenter encore les forces générant la rotation des pales relativement aux forces opposées, en vue d'augmenter leur rendement de conversion. There is a need to further improve converters of radiative energy into electrical energy, in particular in order to further increase the forces generating the rotation of the blades relative to the opposing forces, with a view to increasing their conversion efficiency.
De manière plus générale, il existe un besoin d'un convertisseur d'énergie radiative en énergie électrique, qui puisse à la fois : More generally, there is a need for a converter of radiative energy into electrical energy, which can both:
- optimiser le niveau d'énergie récupérable pour une source radiative donnée, - optimize the level of recoverable energy for a given radiative source,
- être mis en œuvre aisément à une échelle supérieure à celle prévue jusqu'à présent, afin de générer des niveaux d'énergie électrique significatifs, - be easily implemented on a larger scale than that planned so far, in order to generate significant levels of electrical energy,
- générer de l'électricité en continu, même en cas de variation d'intensité ponctuelle de la source radiative.
Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce(s) besoin(s).- generate electricity continuously, even in the event of a variation in the intensity of the radiative source. The general object of the invention is then to respond at least in part to this (these) need(s).
Exposé de l'invention Disclosure of Invention
Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un convertisseur d'énergie radiative en énergie électrique, comprenant : To do this, the invention firstly relates to a converter of radiative energy into electrical energy, comprising:
- une enveloppe de confinement à pression interne contrôlée, l'enveloppe étant de forme axisymétrique autour d'un axe de symétrie vertical, l'enveloppe comprenant un tore et dont au moins une partie est transparente vis-à-vis de la source radiative à valoriser; - a confinement envelope with controlled internal pressure, the envelope being of axisymmetric shape around a vertical axis of symmetry, the envelope comprising a torus and of which at least a part is transparent with respect to the radiative source at value;
- un support de convertisseur s'étendant selon l'axe de symétrie de l'enveloppe ; - A converter support extending along the axis of symmetry of the casing;
- un moyeu monté à l'extrémité libre du support en définissant un plan de rotation horizontal;- a hub mounted at the free end of the support, defining a horizontal plane of rotation;
- une pluralité de pales fixées chacune au moyeu par un support de pale, les pales étant réparties angulairement autour du moyeu en étant agencées à l'intérieur du tore de l'enveloppe de confinement, les faces principales des pales étant orthogonales au plan de rotation horizontal, une des faces principales d'au moins une partie des pales comprenant une surface d'émissivité distincte de l'autre des faces principales, la section des pales étant homothétique de celle du tore de l'enveloppe de confinement avec un jeu E entre chaque pale et la paroi interne du tore sensiblement constant. - a plurality of blades each fixed to the hub by a blade support, the blades being distributed angularly around the hub while being arranged inside the torus of the containment envelope, the main faces of the blades being orthogonal to the plane of rotation horizontal, one of the main faces of at least part of the blades comprising an emissivity surface distinct from the other of the main faces, the section of the blades being homothetic to that of the torus of the containment envelope with a clearance E between each blade and the inner wall of the substantially constant torus.
De préférence, les pales sont équiréparties angulairement autour du moyeu. Preferably, the blades are evenly distributed angularly around the hub.
De préférence encore, la surface d'émissivité d'une des faces principales des pales a une valeur d'émissivité proche de 1 tandis que celle de l'autre des faces principales a une valeur proche de 0. Preferably again, the emissivity surface of one of the main faces of the blades has an emissivity value close to 1 while that of the other of the main faces has a value close to 0.
Ainsi, l'invention concerne essentiellement en un convertisseur avec des pales verticales générant les forces de rotation à partir d'une source d'énergie radiative, qui sont confinées dans une enveloppe régulée en pression dont la partie périphérique est en forme de tore à section homothétique à celle des pales avec un jeu très faible et constant entre la paroi interne du tore et les pales. Thus, the invention essentially relates to a converter with vertical blades generating the rotational forces from a source of radiative energy, which are confined in a pressure-regulated envelope whose peripheral part is in the form of a torus with section homothetic to that of the blades with a very low and constant clearance between the internal wall of the torus and the blades.
Avantageusement, le jeu E et la longueur caractéristique L de chaque pale sont déterminés de sorte que 10-6< ε/L < 10-2. Advantageously, the clearance E and the characteristic length L of each blade are determined so that 10 -6 <ε/L <10 -2 .
Un tel rapport est avantageux car on minimise ainsi le volume de confinement à établir autour des pales (économie matière, limitation de l'encombrement) et on réduit au maximum les forces de freinage appliquées générées à l'extrémité des pales c'est-à-dire au proche voisinage de l'enveloppe de confinement. Autrement dit, avec un volume optimisé du cylindre droit pour le confinement des pales permet de minimiser les forces de freinage
tangentielles. En effet, avec un rapport ε/L comme ci-dessus, le jeu entre les pales et les parois délimitant le volume de confinement de ces dernières est le plus faible possible. L'impact de la taille d'une enveloppe de confinement des pales a été montré : [4]. Plus précisément encore, la force radiométrique est inversement proportionnelle à la distance entre la paroi de l'enveloppe de confinement et les pales. Such a ratio is advantageous because the confinement volume to be established around the blades is thus minimized (material saving, size limitation) and the applied braking forces generated at the end of the blades are reduced to a minimum, i.e. i.e. in the close vicinity of the containment envelope. In other words, with an optimized volume of the right cylinder for the containment of the blades makes it possible to minimize the braking forces tangential. Indeed, with a ratio ε/L as above, the clearance between the blades and the walls delimiting the confinement volume of the latter is as low as possible. The impact of the size of a blade confinement envelope has been shown: [4]. More precisely still, the radiometric force is inversely proportional to the distance between the wall of the containment envelope and the blades.
Par ailleurs, lorsque la pression augmente, l'effet de la distance à la paroi tend à s'accroitre car le gradient thermique devient plus accentué. Moreover, when the pressure increases, the effect of the distance from the wall tends to increase because the thermal gradient becomes more accentuated.
Également, avantageusement, afin de réduire la force de freinage exercée en bout de pales, le volume de confinement peut avoir une température régulée de paroi proche de la température moyenne des pales. Cette diminution de la force de freinage est rendue possible par une atténuation du gradient thermique ainsi obtenu en bout de pales. Also, advantageously, in order to reduce the braking force exerted at the blade tips, the confinement volume can have a regulated wall temperature close to the average temperature of the blades. This reduction in the braking force is made possible by an attenuation of the thermal gradient thus obtained at the blade tips.
Par « longueur caractéristique » d'une pale, on entend ici et dans le cadre de l'invention, le sens usuel mentionné par exemple dans la publication [5], i.e. « la longueur caractéristique L d’un solide (une forme) F quelconque (borné) peut se définir comme le rapport de son volume par son aire ou mieux comme ce rapport multiplié par le double de la dimension de l’espace ambiant. » By "characteristic length" of a blade, we mean here and in the context of the invention, the usual meaning mentioned for example in the publication [5], ie "the characteristic length L of a solid (a shape) F arbitrary (bounded) can be defined as the ratio of its volume to its area or better as this ratio multiplied by twice the dimension of the surrounding space. »
Une autre longueur caractéristique représentative peut être donnée par l'équation suivante : L = 1/3(L + l + h) : avec : Another representative characteristic length can be given by the following equation: L = 1/3(L + l + h): with:
L, 1 et h la longueur, la largeur et la hauteur du solide pouvant être défini par ces dimensions. Avantageusement, le nombre de Knudsen, caractérisant le régime d'écoulement du fluide à l'intérieur de l'enveloppe sur les pales, est compris 0,1 et 0,5 L, 1 and h the length, width and height of the solid that can be defined by these dimensions. Advantageously, the Knudsen number, characterizing the flow regime of the fluid inside the casing on the blades, is between 0.1 and 0.5
Selon une caractéristique avantageuse, les pales ont un profil effilé à leur périphérie. Cela permet de minimiser à la fois le gradient de température et la surface sur laquelle s'applique cette force de freinage. According to an advantageous characteristic, the blades have a tapered profile at their periphery. This makes it possible to minimize both the temperature gradient and the surface on which this braking force is applied.
Selon un premier mode de réalisation avantageux pour la conversion électromagnétique, le convertisseur comprend en outre : According to a first advantageous embodiment for the electromagnetic conversion, the converter further comprises:
- une pluralité d'aimants permanents fixés individuellement sur une des pales ; - a plurality of permanent magnets individually attached to one of the blades;
- au moins une bobine d'induction fixe et centrée sur l'axe de symétrie de l'enveloppe, la(les) bobine(s) étant agencée(s) en regard des aimants permanents de sorte que la rotation des pales générée par une source d'énergie radiative génère une force électromotrice dans la(les) bobine(s).
Ainsi le champ magnétique généré pas les aimants permanents en rotation juste à l'aplomb des spires de bobine d'induction génère un courant électrique induit dans celles-ci. - at least one induction coil fixed and centered on the axis of symmetry of the casing, the coil(s) being arranged facing the permanent magnets so that the rotation of the blades generated by a radiative energy source generates an electromotive force in the coil(s). Thus the magnetic field generated by the rotating permanent magnets just above the turns of the induction coil generates an electric current induced therein.
Le support de convertisseur peut être un support fixe. La liaison entre le support fixe et le moyeu est conçue de telle sorte qu'elle limite les frottements pour faciliter la rotation des pales. The converter support may be a fixed support. The connection between the fixed support and the hub is designed in such a way that it limits friction to facilitate the rotation of the blades.
Plusieurs variantes avantageuses peuvent être prévues : Several advantageous variants can be provided:
- le support fixe peut être en liaison ponctuelle avec le moyeu. De préférence, on choisit alors des matériaux induisant des coefficients de frottement statique et dynamique très faibles, typiquement de l'ordre de 0,1 voire de quelques centièmes. Il peut s'agir de matériaux comme le verre, l'acier poli, voire le téflon ou d'autres polymères anti- frictionnels; - the fixed support can be in a point connection with the hub. Preferably, materials are then chosen which induce very low coefficients of static and dynamic friction, typically of the order of 0.1 or even a few hundredths. These may be materials such as glass, polished steel, even Teflon or other anti-friction polymers;
- le support fixe et le moyeu peuvent comprendre chacun une sphère aimantée, les deux sphères aimantées étant en contact mutuel. Cette variante peut être choisie notamment lorsque les pales avec leur support sont de faible masse ; - the fixed support and the hub can each comprise a magnetic sphere, the two magnetic spheres being in mutual contact. This variant can be chosen in particular when the blades with their support are of low mass;
- le moyeu et les pales peuvent être supportées par au moins un palier magnétique dont une partie est fixée au support fixe et l'autre à au moins une partie de pales. - the hub and the blades can be supported by at least one magnetic bearing, one part of which is fixed to the fixed support and the other to at least one part of the blades.
Selon un deuxième mode, le support de convertisseur est un arbre monté rotatif autour duquel est fixé le moyeu; le convertisseur comprend en outre : According to a second embodiment, the converter support is a rotatably mounted shaft around which the hub is fixed; the converter further includes:
- une pluralité d'aimants permanents fixés et répartis angulairement tout autour de l'arbre rotatif; - a plurality of permanent magnets fixed and angularly distributed all around the rotating shaft;
- au moins une bobine d'induction et centrée sur l'axe de symétrie de l'enveloppe, la(les) bobine(s) étant agencée(s) en regard des aimants permanents en étant agencée de sorte que la rotation des pales générée par une source d'énergie radiative génère une force électromotrice dans la bobine. - at least one induction coil and centered on the axis of symmetry of the casing, the coil(s) being arranged opposite the permanent magnets being arranged so that the rotation of the blades generated by a radiative energy source generates an electromotive force in the coil.
De préférence, l'espace entre les aimants permanents et une bobine d'induction est inférieur à 1mm. Un espace si faible entre les aimants et les spires de bobine permet d'optimiser la conversion de l'énergie cinétique des pales en rotation en énergie électrique. Preferably, the space between the permanent magnets and an induction coil is less than 1mm. Such a small space between the magnets and the coil turns makes it possible to optimize the conversion of the kinetic energy of the rotating blades into electrical energy.
Selon un mode de réalisation avantageux, au moins une partie des pales est prolongée chacune radialement par un bras de rallonge qui s'étend radialement à l'extérieur des pales Les aimants permanents sont avantageusement fixés individuellement sur un des bras de rallonge. Grâce à cela, la vitesse relative des aimants par rapport à la (aux) bobine(s) de génération de la force électromotrice recherchées est encore augmentée.
Selon une variante de réalisation, chaque bras de rallonge est constitué par deux portions de bras à 90° l'un de l'autre dont une portion solidaire d'une pale qui s'étend verticalement et l'autre portion qui s'étend horizontalement à l'extrémité duquel est fixé un aimant permanent. According to an advantageous embodiment, at least a part of the blades is each extended radially by an extension arm which extends radially outside the blades. The permanent magnets are advantageously fixed individually on one of the extension arms. Thanks to this, the relative speed of the magnets with respect to the coil(s) for generating the electromotive force sought is further increased. According to a variant embodiment, each extension arm consists of two arm portions at 90° to each other, one portion of which is integral with a blade which extends vertically and the other portion which extends horizontally. at the end of which is fixed a permanent magnet.
Selon un mode de réalisation avantageux, le convertisseur comprend une pluralité de paires de bobines d'induction fixes et centrées sur l'axe de symétrie de l'enveloppe, les bobines de chaque paire étant agencées deux-à-deux parallèles, de sorte que la rotation des pales déplace les aimants permanents entre les bobines de chaque paire. According to an advantageous embodiment, the converter comprises a plurality of pairs of fixed induction coils centered on the axis of symmetry of the envelope, the coils of each pair being arranged two-by-two parallel, so that the rotation of the blades moves the permanent magnets between the coils of each pair.
Avantageusement, le convertisseur comprend un système de concentration du flux radiatif. Par exemple, le système de concentration du flux radiatif peut être constitué: Advantageously, the converter comprises a radiative flux concentration system. For example, the radiative flux concentration system can consist of:
- soit d'un système de miroirs focalisant la source radiative en direction d'un foyer,- either a system of mirrors focusing the radiative source in the direction of a focal point,
- soit d'une surface réfléchissante de forme globalement parabolique faisant converger la source radiative vers son foyer au niveau duquel peuvent être placées des lentilles convergentes permettant d'orienter tout ou partie du flux radiatif collecté vers un système visant à distribuer ce flux radiatif au droit des faces des pales à émissivité de surface la plus faible. - either a reflective surface of generally parabolic shape causing the radiative source to converge towards its focus at the level of which can be placed convergent lenses making it possible to direct all or part of the radiative flux collected towards a system aiming to distribute this radiative flux to the right faces of the blades with the lowest surface emissivity.
Ces deux configurations sont avantageusement exploitées dans le cas où la source radiative est le soleil ou une source émettant dans le spectre visible et une partie au moins dans un spectre appartenant aux infra-rouges. These two configurations are advantageously exploited in the case where the radiative source is the sun or a source emitting in the visible spectrum and at least part in a spectrum belonging to the infrared.
En tant que système de distribution, on peut prévoir avantageusement une lentille de Fresnel agencée au niveau du moyeu de pales, de sorte à recevoir tout ou partie du rayonnement collecté par le système de concentration, et au moins un miroir agencé au niveau d'une pale, de sorte à recevoir tout ou partir du rayonnement de la lentille pour la diriger sur les faces de moindre émissivité des pales. As a distribution system, it is possible advantageously to provide a Fresnel lens arranged at the level of the hub of the blades, so as to receive all or part of the radiation collected by the concentration system, and at least one mirror arranged at the level of a blade, so as to receive all or part of the radiation from the lens to direct it onto the faces of the blades with less emissivity.
Pour faciliter la stabilité de la rotation du plateau, le moyeu et les pales sont avantageusement agencés de sorte que leur centre de gravité soit à une côte verticale en dessous du point ou plan de liaison avec le support de convertisseur ou l'arbre rotatif. To facilitate the stability of the rotation of the platter, the hub and the blades are advantageously arranged so that their center of gravity is at a vertical height below the point or plane of connection with the converter support or the rotary shaft.
De préférence, l'épaisseur des pales étant compris entre 100nm à 100μm. Preferably, the thickness of the blades being between 100 nm to 100 μm.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, au moins une partie des pales comprend plusieurs trous débouchants, agencés approximativement parallèlement les uns par rapport aux autres dans le sens de l'épaisseur de la pale.
Selon ce mode et une première variante de réalisation, la partie des pales est un matériau poreux comprenant au moins certaines porosités débouchantes. According to another advantageous embodiment, at least part of the blades comprises several through holes, arranged approximately parallel to each other in the direction of the thickness of the blade. According to this mode and a first variant embodiment, the part of the blades is a porous material comprising at least certain emerging porosities.
Le matériau poreux peut être une céramique, de préférence choisie parmi l'alumine, la mullite, le carbure de tungstène ou une combinaison de ceux-ci. The porous material can be a ceramic, preferably chosen from alumina, mullite, tungsten carbide or a combination thereof.
Selon une deuxième variante, la partie des pales étant un film polymérique à perforations débouchantes. According to a second variant, the part of the blades being a polymeric film with open perforations.
Le polymère du film peut être choisi parmi le polyéthylène (PE), le polystyrène (PS), le polyméthacrylate de méthyl (PMMA) ou une combinaison de ceux-ci. The polymer of the film can be chosen from polyethylene (PE), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA) or a combination thereof.
Selon une troisième variante, la partie des pales est une feuille de métal très ductile comprenant au moins certaines perforations débouchantes. According to a third variant, the part of the blades is a very ductile sheet of metal comprising at least some emerging perforations.
Le métal très ductile de la feuille peut être choisi parmi l'or ou l'argent. The highly ductile sheet metal can be chosen from gold or silver.
Selon un mode de réalisation avantageux, au moins une partie des pales est(sont) revêtue(s) d'au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction endo ou exothermique. According to an advantageous embodiment, at least part of the blades is (are) coated with at least one catalytic coating suitable for implementing an endo or exothermic reaction.
De préférence, les surfaces de moindre émissivité sont revêtues d'au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction endothermique tandis que les surfaces de plus grande émissivité étant revêtues d'au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction exothermique. Preferably, the surfaces of lower emissivity are coated with at least one catalytic coating suitable for implementing an endothermic reaction while the surfaces of higher emissivity being coated with at least one catalytic coating suitable for implementing an exothermic reaction .
Ces réactions endo et exothermique permettent d'entretenir voire amplifier l'écart de température entre les faces sombres et claires des pales du fait des chaleurs de réactions cédées ou absorbées. These endo and exothermic reactions make it possible to maintain or even amplify the temperature difference between the dark and light faces of the blades due to the reaction heat released or absorbed.
Le revêtement catalytique peut être choisi parmi les sels de chlorure, les hydrures ou une combinaison de ceux-ci. au moins une partie des pales ayant une extrémité libre, dont le profil est effilé en direction de l'enveloppe de confinement. The catalytic coating can be selected from chloride salts, hydrides or a combination thereof. at least part of the blades having a free end, the profile of which is tapered in the direction of the containment envelope.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le convertisseur comprend un système de régulation en température de l'enveloppe de confinement. According to another advantageous embodiment, the converter comprises a system for regulating the temperature of the containment envelope.
Une variante de réalisation du système de régulation peut consister en un moyen de mesure sans contact de la température des pales, de préférence un pyromètre laser et un moyen de chauffage au moins de la paroi interne de l'enveloppe de confinement dont le fonctionnement est asservi aux mesures du moyen de mesure sans contact de la température des pales.
La gestion des jeux en mouvement, en particulier le jeu E peut être délicate à réaliser aisée. Dans ce cas, le système de régulation en température va permettre d'assurer une température de paroi proche de la valeur de la température moyenne des pales afin de permettre de minimiser la force de cisaillement induite par le gradient thermique en bout de pale. An alternative embodiment of the regulation system may consist of a means for measuring the temperature of the blades without contact, preferably a laser pyrometer and a means for heating at least the internal wall of the containment envelope, the operation of which is controlled to the measurements of the non-contact measuring means of the temperature of the blades. The management of games in motion, in particular the E game can be difficult to achieve easily. In this case, the temperature regulation system will make it possible to ensure a wall temperature close to the value of the average temperature of the blades in order to make it possible to minimize the shearing force induced by the thermal gradient at the tip of the blade.
Pour ce faire, un suivi du couple de rotation généré pourra être assuré par un capteur et communiquer avec le système de régulation de la température de la paroi du tore de confinement pour adapter la température de cette dernière au besoin. To do this, the rotational torque generated can be monitored by a sensor and can communicate with the temperature regulation system of the wall of the confinement toroid to adapt the temperature of the latter as needed.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'un convertisseur tel que décrit précédemment pour convertir l'énergie provenant d'une source lumineuse et/ou d'une source thermique en électricité. Another subject of the invention is the use of a converter as described previously for converting the energy coming from a light source and/or from a thermal source into electricity.
La source thermique peut être une source de chaleur fatale telle qu'un foyer d'incinérateur, une cimenterie, un bain de fonderie... The thermal source can be a fatal heat source such as an incinerator hearth, a cement plant, a foundry bath, etc.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes. Other advantages and characteristics will emerge better on reading the detailed description, given by way of illustration and not limitation, with reference to the following figures.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
[Fig 1] la figure 1 est une vue schématique de côté d'un radiomètre de Crookes. [Fig 1] Figure 1 is a schematic side view of a Crookes radiometer.
[Fig 2] la figure 2 est une vue de dessus de la figure 1. [Fig 2] Figure 2 is a top view of Figure 1.
[Fig 3] la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un exemple de convertisseur d'énergie radiative en énergie électrique selon l'invention. [Fig 3] Figure 3 is a schematic perspective view of an example of a converter of radiative energy into electrical energy according to the invention.
[Fig 4] la figure 4 est une vue de détail de la figure 3 montrant l'espace très faible et constant entre une pale et le tore de l'enveloppe de confinement du convertisseur selon l'invention. [Fig 5] la figure 5 est une vue d'une section carrée de pale conforme à l'invention. [Fig 4] Figure 4 is a detail view of Figure 3 showing the very small and constant space between a blade and the torus of the containment envelope of the converter according to the invention. [Fig 5] Figure 5 is a view of a square blade section according to the invention.
[Fig 6] la figure 6 est une vue d'une section losange de pale conforme à l'invention. [Fig 6] Figure 6 is a view of a blade diamond section according to the invention.
[Fig 7] la figure 7 est une vue de côté d'une variante de pale à profil effilé à son extrémité[Fig 7] Figure 7 is a side view of a blade variant with a tapered profile at its end
[Fig 8] la figure 8 est une vue schématique du dessus montrant l'augmentation de la vitesse linéique en milieu de pale pour une même force radiométrique appliquée sur des pales à distance différente du point de rotation. [Fig 8] Figure 8 is a schematic view from above showing the increase in the linear velocity in the middle of the blade for the same radiometric force applied to blades at different distances from the point of rotation.
[Fig 9] la figure 9 est. une vue schématique du dessus illustrant l'influence d'une surlongueur obtenue par un bras de rallonge sur la vitesse linéique de rotation d'un aimant permanent qui y est fixé
[Fig 10] la figure 10 est une vue schématique en perspective d'un mode de réalisation du convertisseur selon l'invention montrant la partie de conversion électromagnétique avec aimants permanents et bobines d'induction. [Fig 9] Figure 9 is. a schematic view from above illustrating the influence of an extra length obtained by an extension arm on the linear speed of rotation of a permanent magnet fixed thereto [Fig 10] Figure 10 is a schematic perspective view of an embodiment of the converter according to the invention showing the electromagnetic conversion part with permanent magnets and induction coils.
[Fig 11] la figure 11 illustre sous forme d'une courbe l'évolution de la valeur du champ magnétique en fonction de l'entrefer, c'est-à-dire de la distance entre face d'un aimant permanent et d'un spire de bobine. [Fig 11] figure 11 illustrates in the form of a curve the evolution of the value of the magnetic field according to the air gap, that is to say the distance between the face of a permanent magnet and a coil turn.
[Fig 12] la figure 12 est une vue de détail montrant une variante de réalisation de liaison ponctuelle entre un support fixe de convertisseur et le moyeu auquel est fixée une partie des pales du plateau. [Fig 12] Figure 12 is a detail view showing an alternative embodiment of a point connection between a fixed converter support and the hub to which part of the plate blades is fixed.
[Fig 13] la figure 13 est une vue de détail montrant une autre variante de réalisation de liaison ponctuelle entre un support fixe de convertisseur et le moyeu auquel est fixée une partie des pales du plateau. [Fig 13] Figure 13 is a detail view showing another alternative embodiment of a point connection between a fixed converter support and the hub to which part of the plate blades is fixed.
[Fig 14] la figure 14 est une vue de côté montrant une variante de liaison par palier magnétique entre un support fixe de convertisseur et le moyeu auquel est fixée une partie des pales du plateau. [Fig 14] Figure 14 is a side view showing a variant of connection by magnetic bearing between a fixed converter support and the hub to which part of the blades of the platter is fixed.
[Fig 15] la figure 15 illustre une variante de pale perforée selon l'invention. [Fig 15] Figure 15 illustrates a perforated blade variant according to the invention.
[Fig 16A] la figure 16A illustre une première étape de réalisation d'une autre variante de pale perforée selon l'invention. [Fig 16A] Figure 16A illustrates a first step in making another variant of perforated blade according to the invention.
[Fig 16B] la figure 16B illustre une deuxième étape de réalisation de cette autre variante de pale perforée selon l'invention. [FIG 16B] FIG. 16B illustrates a second stage of production of this other variant of perforated blade according to the invention.
[Fig 16C] la figure 16C illustre une première étape de réalisation de cette autre variante de pale perforée selon l'invention. [FIG 16C] FIG. 16C illustrates a first stage of production of this other variant of perforated blade according to the invention.
[Fig 17] la figure 17 illustre une variante avec revêtement catalytique pour des réactions endothermique et exothermique au sein d'une pale selon l'invention. [Fig 17] Figure 17 illustrates a variant with catalytic coating for endothermic and exothermic reactions within a blade according to the invention.
[Fig 18] la figure 18 illustre sous forme d'une courbe l'évolution de la vitesse de rotation en fonction de la pression régnant au sein d'une enveloppe de confinement conforme à l'invention. [FIG 18] FIG. 18 illustrates in the form of a curve the evolution of the speed of rotation as a function of the pressure prevailing within a containment envelope in accordance with the invention.
[Fig 19] la figure 19 illustre sous forme d'une courbe l'évolution du libre parcours moyen en fonction de la pression, de la température et de la nature du gaz considéré au sein d'une enveloppe de confinement conforme à l'invention.
[Fig 20] la figure 20 illustre sous forme d'une courbe la température des faces d'une pale selon l'invention exposée (face sombre) et non exposée (face sombre) à une flux thermique constant, les faces étant isolées thermiquement. [Fig 19] figure 19 illustrates in the form of a curve the evolution of the mean free path as a function of the pressure, the temperature and the nature of the gas considered within a containment envelope in accordance with the invention . [FIG 20] FIG. 20 illustrates in the form of a curve the temperature of the faces of a blade according to the invention exposed (dark face) and not exposed (dark face) to a constant heat flux, the faces being thermally insulated.
[Fig 21] la figure 21 illustre sous forme d'une courbe la température de la face exposée d'une pale selon l'invention et l'évolution du flux de chaleur incident. [FIG 21] FIG. 21 illustrates in the form of a curve the temperature of the exposed face of a blade according to the invention and the evolution of the incident heat flow.
[Fig 22] la figure 22 illustre sous forme d'une courbe l'évolution de la force résultante par unité de périmètre développé et par degré de gradient de température appliqué au droit des pales selon l'invention. [FIG 22] FIG. 22 illustrates in the form of a curve the evolution of the resultant force per unit of perimeter developed and per degree of temperature gradient applied to the right of the blades according to the invention.
[Fig 23] la figure 23 illustre un système de régulation intégrée de la température de paroi de l'enveloppe de confinement selon l'invention. [Fig 23] Figure 23 illustrates an integrated containment vessel wall temperature control system according to the invention.
[Fig 24] la figure 24 est une vue schématique du dessus d'un convertisseur selon l'invention muni d'un système de concentration du flux radiatif. [Fig 24] Figure 24 is a schematic top view of a converter according to the invention provided with a radiative flux concentration system.
[Fig 25] la figure 25 est une vue de côté de la figure 24. [Fig 25] Figure 25 is a side view of Figure 24.
Description détaillée detailed description
Dans l'ensemble de la présente demande, les termes «dessous », « dessus», « inférieur» et «supérieur» sont à comprendre par référence par rapport à l'agencement horizontal des supports de pales du convertisseur selon l'invention et les pales à la verticale. Throughout this application, the terms "below", "above", "lower" and "upper" are to be understood by reference to the horizontal arrangement of the blade supports of the converter according to the invention and the vertical blades.
Un même élément selon l'état de l'art et selon l'invention est désigné par une même référence numérique. The same element according to the state of the art and according to the invention is designated by the same numerical reference.
Les figures 1 et 2 relatives à un radiomètre de Crookes ont déjà été décrites en préambule. Elles ne sont donc pas commentées ci-après. Figures 1 and 2 relating to a Crookes radiometer have already been described in the preamble. They are therefore not commented on below.
On a illustré à la figure 3 un exemple de convertisseur 10 d'énergie radiative selon l'invention. An example of radiative energy converter 10 according to the invention is illustrated in FIG.
Il comprend une enveloppe de confinement 2 à pression interne contrôlée, sous la forme d'un tore 20 dans sa partie périphérique et de deux disques parallèles 21, 22 dans sa partie centrale. Les deux disques 21, 22 définissent avec l'intérieur du tore le volume clos de l'enveloppe de confinement. It comprises a containment envelope 2 with controlled internal pressure, in the form of a torus 20 in its peripheral part and two parallel discs 21, 22 in its central part. The two discs 21, 22 define with the inside of the torus the closed volume of the containment envelope.
Un support de convertisseur 3 s'étend selon l'axe de symétrie de l'enveloppe. Le support 3 est fixe dans l'exemple illustré de la figure 3, un moyeu 4 monté en rotation autour du support. Au moins un des deux disques 21, 22 peut être traversé avec étanchéité par le support 3.
Le convertisseur 10 comprend une pluralité de pales 5 fixées chacune au moyeu 4 par un support de pale 6. A converter support 3 extends along the axis of symmetry of the envelope. The support 3 is fixed in the example shown in Figure 3, a hub 4 rotatably mounted around the support. At least one of the two discs 21, 22 can be crossed with sealing by the support 3. The converter 10 comprises a plurality of blades 5 each fixed to the hub 4 by a blade support 6.
Les pales 5 sont réparties angulairement autour du moyeu 4 en étant agencées à l'intérieur du tore 20 de l'enveloppe de confinement, les faces principales des pales étant orthogonales au plan de rotation horizontal. The blades 5 are distributed angularly around the hub 4 while being arranged inside the torus 20 of the confinement envelope, the main faces of the blades being orthogonal to the horizontal plane of rotation.
Les supports de pales 6 sont agencés entre les deux disques 21, 22 de l'enveloppe de confinement. The blade supports 6 are arranged between the two discs 21, 22 of the containment envelope.
Pour chaque pale 5, une des faces principales 50 comprend une surface d'émissivité supérieure de l'autre des faces principales 51. For each blade 5, one of the main faces 50 comprises an emissivity surface higher than the other of the main faces 51.
Selon l'invention, comme illustré en figures 1 et 2, la section des pales 5 est homothétique de celle du tore 20 avec un jeu ε entre chaque pale et la paroi interne du tore sensiblement constant et très faible. According to the invention, as illustrated in FIGS. 1 and 2, the section of the blades 5 is similar to that of the torus 20 with a play ε between each blade and the internal wall of the torus which is substantially constant and very small.
Dans l'exemple illustré des figures 1 et 2, les pales 5 et tore 20 ont une section circulaire mais toutes sections peuvent être envisagées. Par exemple, il peut s'agir d'une section carrée (figure 5) ou d'une section losange (figure 6). In the example illustrated in FIGS. 1 and 2, the blades 5 and torus 20 have a circular section but any section can be considered. For example, it can be a square section (Figure 5) or a diamond section (Figure 6).
Le jeu E et la longueur caractéristique L de chaque pale sont déterminés de sorte que le rapport E /L soit compris entre 10-6 et 10-2. The clearance E and the characteristic length L of each blade are determined so that the ratio E/L is between 10 -6 and 10 -2 .
Des profils effilés spécifiques sur la périphérie des pales 5 peuvent être réalisés pour minimiser à la fois le gradient de température et la surface sur laquelle s'applique la force de freinage. Un exemple de profils effilés est montré en figure 7. Specific tapered profiles on the periphery of the blades 5 can be made to minimize both the temperature gradient and the surface on which the braking force is applied. An example of tapered profiles is shown in figure 7.
Le support 6 des pales est d'une longueur réduite car pour une force donnée appliquée sur les pales, la vitesse de rotation (en rad/s) sera d'autant plus grande que la distance à l'axe de rotation sera petite. The support 6 of the blades is of reduced length because for a given force applied to the blades, the speed of rotation (in rad/s) will be all the greater as the distance from the axis of rotation will be small.
Néanmoins, une pale 5 plus distante du centre de rotation induit une vitesse linéique plus importante au final en milieu ou en bout de pale, cette dernière vitesse évoluant en ordre de grandeur comme la racine carrée du rapport de longueur de la pale à grand rayon d'arbre (R2) et celui de la pale à faible rayon (R1), comme illustré en figure 8. Nevertheless, a blade 5 further from the center of rotation induces a greater linear speed in the end in the middle or at the tip of the blade, this latter speed changing in order of magnitude like the square root of the ratio of length of the blade to large radius d shaft (R2) and that of the small radius blade (R1), as shown in figure 8.
Ceci peut se traduire par l'équation suivante : This can be translated into the following equation:
[Equ 4]
où V2 est la vitesse linéique de la pale à grand rayon R2, et V1 celle à faible rayon R1.
Pour assurer la conversion de l'énergie cinétique de rotation des pales 5 en énergie électrique, il est recherché de générer un courant électrique par déplacement rapide d'aimants permanents 7 solidaires des pales 5 au proche voisinage de bobines d'induction 8 (spires). [Eq 4] where V2 is the linear speed of the blade with large radius R2, and V1 that with small radius R1. To ensure the conversion of the kinetic energy of rotation of the blades 5 into electrical energy, it is desired to generate an electric current by rapid displacement of permanent magnets 7 secured to the blades 5 in the close vicinity of induction coils 8 (turns) .
Il n'est pas pertinent d'avoir des supports 6 trop longs car cela impacterait aussi le rapport du volume du tore 20 de confinement sur la surface des pales 5. It is not relevant to have supports 6 that are too long because this would also impact the ratio of the volume of the torus 20 of confinement to the surface of the blades 5.
Par conséquent, pour rester sur des valeurs limitées de longueurs de supports de pale 6 tout en démultipliant la vitesse d'entrainement des aimants permanents 7, une variante consiste à prévoir des bras de rallonge à l'extérieur des pales. De tels bras de rallonge permettent pour une vitesse de rotation linéique des pales donnée (V1), d'avoir une vitesse linéique de rotation des aimants permanents 7 accrue (Vx), selon l'équation suivante : [Equ 5]
avec : Consequently, in order to remain within limited values of the lengths of blade supports 6 while increasing the drive speed of the permanent magnets 7, a variant consists in providing extension arms outside the blades. Such extension arms make it possible, for a given linear speed of rotation of the blades (V1), to have an increased linear speed of rotation of the permanent magnets 7 (Vx), according to the following equation: [Equ 5] with :
R : longueur équivalent à la somme du rayon du bras de la pale et de sa propre longueur Δx : surlongueur induite par le bras de rallonge 60. R: length equivalent to the sum of the radius of the arm of the blade and its own length Δx: excess length induced by the extension arm 60.
Une telle configuration avec un bras de rallonge 60 est schématisée en figure 9. Such a configuration with an extension arm 60 is shown schematically in Figure 9.
La figure 10 illustre une configuration du système de génération de force électromagnétique à partir de la force cinétique de rotation des pales 5. Figure 10 illustrates a configuration of the electromagnetic force generation system from the kinetic force of rotation of the blades 5.
Le système comprend une pluralité d'aimants permanents 7 fixés individuellement en bout d'un de bras de rallonge 60 des pales 5. The system comprises a plurality of permanent magnets 7 individually fixed at the end of one of the extension arms 60 of the blades 5.
Dans l'exemple illustré, chaque bras de rallonge 60 est constitué par deux portions de bras 600, 601 à 90° l'un de l'autre dont une portion 600 solidaire d'une pale qui s'étend verticalement et l'autre portion 601 qui s'étend horizontalement à l'extrémité duquel est fixé un aimant permanent 7. In the example illustrated, each extension arm 60 consists of two arm portions 600, 601 at 90° to each other, one portion 600 of which is integral with a blade which extends vertically and the other portion 601 which extends horizontally at the end of which is fixed a permanent magnet 7.
Lors de la rotation des pales 5, chaque aimant permanent 7 vient séquentiellement dans un espace entre deux bobines d'inductions fixes 8. During the rotation of the blades 5, each permanent magnet 7 comes sequentially into a space between two fixed induction coils 8.
Ainsi, lors de la rotation des pales, chacun des aimants permanents 7 qui se déplace, génère une force électromotrice dans les spires 80 des bobines 8 et donc induit un courant électrique dans celle-ci. Thus, during the rotation of the blades, each of the permanent magnets 7 which moves, generates an electromotive force in the turns 80 of the coils 8 and therefore induces an electric current therein.
L'entrefer optimal Δ, c'est-à-dire l'espacement entre les aimants permanents 7 et les spires 80 des bobines 8 est inférieur à 1mm.
La conversion de la quantité de mouvement des pales 5 en force électromotrice (em) induite du fait de la variation du champ magnétique au travers des n spires 80 est selon la formule suivante : The optimum air gap Δ, that is to say the spacing between the permanent magnets 7 and the turns 80 of the coils 8 is less than 1 mm. The conversion of the momentum of the blades 5 into electromotive force (em) induced due to the variation of the magnetic field through the n turns 80 is according to the following formula:
Φ : champ magnétique généré par les aimants 7, n : nombre total de spires 80. Φ: magnetic field generated by magnets 7, n: total number of turns 80.
La force électromotrice attendue exprimée en fonction de la vitesse de rotation et de la distance à l'axe de rotation des aimants peut être exprimé au vu des éléments suivants :The expected electromotive force expressed as a function of the rotation speed and the distance from the axis of rotation of the magnets can be expressed in view of the following elements:
Φ = BS, soit : Φ = BS, i.e.:
Or, le champ magnétique B est indépendant du temps, d'où dB/dt = 0 Sachant par ailleurs que la surface vue par le champ magnétique est : S = Vx.Δt.l avec : However, the magnetic field B is independent of time, hence dB/dt = 0 Knowing also that the surface seen by the magnetic field is: S = Vx.Δt.l with:
Vx : vitesse linéique de l'aimant permanent, Vx: linear velocity of the permanent magnet,
Δt : le temps mis par l'aimant permanent entre deux bobines 8, l : largeur de l'aimant permanent. Δt: the time taken by the permanent magnet between two coils 8, l: width of the permanent magnet.
Cela donne l'équation suivante. This gives the following equation.
Par ailleurs le champ magnétique B est fonction de la distance z d'entrefer entre la surface de l'aimant permanent 7 et la surface des spires 80 selon l'équation suivante : [Equ 9]
avec Furthermore, the magnetic field B is a function of the air gap distance z between the surface of the permanent magnet 7 and the surface of the turns 80 according to the following equation: [Equ 9] with
Br : champ rémanent, indépendant de la géométrie de l'aimant,
z : distance à la surface du pôle sur l'axe de symétrie, Br: remanent field, independent of the geometry of the magnet, z: distance to the surface of the pole on the axis of symmetry,
L : longueur de l'aimant, L: length of the magnet,
W : largeur de l'aimant W: magnet width
D : épaisseur de l'aimant. D: thickness of the magnet.
L'évolution du champ magnétique B en fonction de la cote/distance de l'entrefer entre un aimant permanent et une spire 80 est montrée en figure 11, étant précisé que le champ rémanent Br est égal 1,5 T. The evolution of the magnetic field B as a function of the height/distance of the air gap between a permanent magnet and a turn 80 is shown in figure 11, it being specified that the remanent field Br is equal to 1.5 T.
A titre indicatif, en considérant : As an indication, considering:
- une cote d'entrefer entre aimant permanent 7 et spires 80 égale à 0,5 mm, - an air gap dimension between permanent magnet 7 and turns 80 equal to 0.5 mm,
- un champ B de l'ordre de 0,4 T - a field B of the order of 0.4 T
- une largeur de la spire 1, égale à 20mm - a width of the turn 1, equal to 20mm
- une vitesse en bout de bras de rallonge Vx =θ.R avec θ = 40 rad/s et R = 0,5 m alors, dΦ > /dt = B.1.Vx est égal à 0,25. - a speed at the end of the extension arm Vx =θ.R with θ = 40 rad/s and R = 0.5 m then, dΦ > /dt = B.1.Vx is equal to 0.25.
Cela correspond pour un nombre de 100 spires, à une force électromotrice eM de l'ordre de 25 Volts. This corresponds for a number of 100 turns, to an electromotive force eM of the order of 25 Volts.
Dans l'exemple illustré, il est prévu deux étages de spires 80 entre lesquelles chaque aimant permanent peut se déplacer. In the example illustrated, there are two stages of turns 80 between which each permanent magnet can move.
On peut donc obtenir une force électromotrice eM de l'ordre de 50 V. It is therefore possible to obtain an electromotive force eM of the order of 50 V.
Pour être compatible avec un réseau électrique de fréquence (f) 50 Hz, les pales 6 pourront tourner à une fréquence fa de 15 Hz, car a = F/np avec np, nombre de paires égal à 4 dans l'exemple soit huit aimants permanents 7. To be compatible with an electrical network of frequency (f) 50 Hz, the blades 6 can rotate at a frequency fa of 15 Hz, because a=F/np with np, number of pairs equal to 4 in the example, i.e. eight magnets permanent 7.
Pour avoir une force électromotrice la plus importante possible pour des caractéristiques d'aimant données, il est important de pouvoir minimiser la distance entre les aimants 7 et les spires 8. pour optimiser le champ magnétique B. Les spires 80 sont donc de préférence incorporées/intégrées dans un socle/support (So) du convertisseur 10 comme montré en figure 10. On peut prévoir un système de réglage à plusieurs degrés de liberté pour maîtriser la distance d'entrefer entre aimants permanents 7 et spires 80. To have the greatest possible electromotive force for given magnet characteristics, it is important to be able to minimize the distance between the magnets 7 and the turns 8, in order to optimize the magnetic field B. The turns 80 are therefore preferably incorporated/ integrated in a base/support (So) of the converter 10 as shown in FIG. 10. An adjustment system with several degrees of freedom can be provided to control the gap distance between permanent magnets 7 and turns 80.
La puissance mécanique développée est fonction de la force développée pour une vitesse de rotation donnée selon l'équation suivante : The mechanical power developed is a function of the force developed for a given speed of rotation according to the following equation:
[Equ 10] [Eq 10]
PM=F.Vx dans laquelle :
F est la force motrice nette développée par le convertisseur 10 dont les pales 5 tournent à la vitesse Vx. PM=F.Vx in which: F is the net driving force developed by the converter 10 whose blades 5 rotate at the speed Vx.
Avec les valeurs numériques de l'exemple précité, Vx = 10 m/s. With the numerical values of the aforementioned example, Vx=10 m/s.
En considérant que F peut être approché à une valeur de l'ordre de 10-8 N/mm/°C, on obtient pour des valeurs des composants du convertisseur 10, des caractéristiques chiffrées selon le tableau 1 ci-dessous. By considering that F can be approximated to a value of the order of 10 −8 N/mm/°C, one obtains for the values of the components of the converter 10, characteristics quantified according to table 1 below.
Les figures 12 à 14 montrent différentes variantes de réalisation pour minimiser les frottements entre support fixe 3 et moyeu 4/supports 6 de pales, afin d'optimiser encore l'énergie cinétique de rotation des pales. Figures 12 to 14 show different embodiments to minimize friction between fixed support 3 and hub 4/supports 6 of the blades, in order to further optimize the kinetic energy of rotation of the blades.
Sur la figure 12, le moyeu 4 peut être sous la forme d'une sphère magnétisable qui vient en contact avec une sphère 31 en bout de support 3, elle-même aimantée par un aimant permanent 32 au sein du support 3. Sur la figure 13, une aiguille pivot 33 en bout de support 3 est en contact ponctuel avec le moyeu 4.
Sur la figure 14, un système 11 de paliers magnétiques dont une partie est fixée sur le plateau de pales et l'autre est solidaire du support 3 permet de garantir la rotation du plateau à l'horizontal sans contact mécanique. In FIG. 12, the hub 4 can be in the form of a magnetizable sphere which comes into contact with a sphere 31 at the end of the support 3, itself magnetized by a permanent magnet 32 within the support 3. In the figure 13, a pivot needle 33 at the end of support 3 is in point contact with hub 4. In FIG. 14, a system 11 of magnetic bearings, one part of which is fixed to the blade plate and the other is integral with the support 3, makes it possible to guarantee the rotation of the plate horizontally without mechanical contact.
Pour faciliter la stabilité de la rotation des pales 5 avec leur support 5, on prévoit avantageusement que la liaison entre le support-pivot 3 et les pales 6 garantit à ce dernier un centre de gravité à une cote inférieure à celle de l'extrémité du support-pivot 3. To facilitate the stability of the rotation of the blades 5 with their support 5, provision is advantageously made for the connection between the pivot support 3 and the blades 6 to guarantee the latter a center of gravity at a level lower than that of the end of the pivot bracket 3.
Les pales 5 sont avantageusement à la fois de grande longueur, faiblement conductrices thermiques, perforées avec des perforations de très faibles diamètres tout en étant rigides.The blades 5 are advantageously both very long, poorly thermally conductive, perforated with perforations of very small diameters while being rigid.
La porosité et en même temps la faible conductivité thermique transversale peuvent être assurées par une céramique poreuse. La porosité de la céramique peut avantageusement choisie de telle sorte que la plaque découpée ou élaborée selon une épaisseur donnée, de l'ordre du micron à quelques microns, peut développer sans usinage particulier une porosité traversante de diamètre moyen de l'ordre du libre parcours moyen des gaz. Pour ce faire, il est envisageable d'additiver des poudres céramiques avec un porogène, puis après une compaction uniaxiale, réaliser un déliantage/frittage du cru obtenu afin aboutir à des porosités traversante adéquate et de diamètre micrométrique. The porosity and at the same time the low transverse thermal conductivity can be ensured by a porous ceramic. The porosity of the ceramic can advantageously be chosen so that the plate cut or produced according to a given thickness, of the order of a micron to a few microns, can develop without particular machining a through porosity with an average diameter of the order of the free path. gas medium. To do this, it is possible to add ceramic powders with a porogen, then after uniaxial compaction, debinding/sintering the raw material obtained in order to achieve adequate through-porosity and a micrometric diameter.
Un exemple d'une pale 5 réalisée par ce process est montré en figure 15 : l'épaisseur E de la pale peut être très faible typiquement de quelques microns avec des perforations traversantes 500 typiquement de diamètre de l'ordre du micron. An example of a blade 5 produced by this process is shown in FIG. 15: the thickness E of the blade can be very small, typically a few microns with through perforations 500 typically with a diameter of the order of a micron.
Un autre procédé de réalisation de pales perforations peut consister à utiliser un laser perforant, par exemple un laser Femto-seconde, qui vient impacter d'une manière périodique potentiellement une surface de pale. Another method for producing perforated blades may consist in using a perforating laser, for example a Femto-second laser, which potentially periodically impacts a blade surface.
Un autre procédé envisageable est un procédé de nanofabrication celui connu sous l'acronyme LF-PAM (« Laser-Fabricated Porous Alumina Membranes »), comme explicité dans la publication [6] . Les principales étapes de ce procédé sont montrées en figures 16A à 16C : un substrat 5, typiquement en alumine, revêtu initialement d'une monocouche de nanoparticules sphériques Bi est posé sur un support S. Un laser vient impacter la monocouche pour créer des perforations nano/micrométriques 500 dans le substrat 5, qui une fois décollé du support S, laisse apparaître des perforations débouchantes 500. Another process that can be envisaged is a nanofabrication process, that known by the acronym LF-PAM (“Laser-Fabricated Porous Alumina Membranes”), as explained in the publication [6]. The main steps of this process are shown in FIGS. 16A to 16C: a substrate 5, typically made of alumina, initially coated with a monolayer of spherical nanoparticles Bi is placed on a support S. A laser impacts the monolayer to create nano perforations / micrometric 500 in the substrate 5, which once detached from the support S, reveals emerging perforations 500.
La rigidité des pales 5 peut être assurée par la structure même du matériau constitutif, qui est non ductile.
On peut aussi partir de matériaux souples, tel qu'un film polymère, par exemple en PTFE, que l'on rigidifie par un support et/ou une tension radiale donnée et/ou par réticulation. Bien entendu, l'intensité de cette tension ne doit pas provoquer sa rupture The rigidity of the blades 5 can be ensured by the very structure of the constituent material, which is non-ductile. It is also possible to start from flexible materials, such as a polymer film, for example made of PTFE, which is stiffened by a support and/or a given radial tension and/or by crosslinking. Of course, the intensity of this tension should not cause it to break
On peut aussi envisager d'adjoindre d'une armature rigide qui permet également de mieux maîtriser le jeu entre la paroi du volume clos de l'enveloppe de confinement 2 et les pales 5. La maîtrise de ce jeu permet de limiter les forces de freinage induites par le gradient de température, c'est-à-dire la force tangentielle. It is also possible to consider adding a rigid frame which also makes it possible to better control the clearance between the wall of the closed volume of the containment envelope 2 and the blades 5. The control of this clearance makes it possible to limit the braking forces induced by the temperature gradient, i.e. the tangential force.
Le matériau constitutif des pales 5 peut être un catalyseur de réaction(s) exothermique(s) au niveau des faces sombres 51 et endothermique(s) au niveau des faces claires 50, afin d'entretenir voire amplifier l'écart de température entre ces faces du fait des chaleurs de réactions cédées ou absorbées. The constituent material of the blades 5 can be a catalyst for exothermic reaction(s) at the level of the dark faces 51 and endothermic(s) at the level of the light faces 50, in order to maintain or even amplify the temperature difference between these faces due to the heat of reactions released or absorbed.
La figure 17 illustre ces réactions et le cyclage thermique et thermodynamique exploité au niveau des faces 50, 51 des pales respectivement en matériau constitutif, réactif A, C. En appliquant une quantité de chaleur à A, il se convertit en B toujours solide qui génère également un gaz. La face 50 où se produit la réaction endothermique étant plus froide que la face 51 où se produit la réaction exothermique et sachant que le régime est celui du glissement thermique, un flux de matière gazeux va s'établir de la face froide 50 vers la face chaude 51 et le gaz produit au niveau de la face froide va se trouver disponible pour réagir avec le matériau C constitutif de la face 51 où se produit la réaction exothermique. Le gaz va alors s'y absorber pour donner le réactif D et générer une quantité de chaleur qui va renforcer le gradient de température entre les deux faces 50, 51. Figure 17 illustrates these reactions and the thermal and thermodynamic cycling exploited at the level of the faces 50, 51 of the blades respectively in constituent material, reactive A, C. By applying a quantity of heat to A, it is converted into B which is still solid which generates also a gas. The face 50 where the endothermic reaction occurs being colder than the face 51 where the exothermic reaction occurs and knowing that the regime is that of thermal sliding, a flow of gaseous material will be established from the cold face 50 towards the face hot 51 and the gas produced at the cold face will be available to react with the constituent material C of the face 51 where the exothermic reaction occurs. The gas will then be absorbed therein to give the reagent D and generate a quantity of heat which will reinforce the temperature gradient between the two faces 50, 51.
Le volume fini de l'enveloppe de confinement 2 a, lors du fonctionnement du convertisseur, une pression régulée à une valeur consigne cible. On peut utiliser pour cela un système de pompage pouvant atteindre des vides secondaires, primaires ou travailler à pression atmosphérique voire quelques bars le cas échéant. Le système peut comprendre deux types distincts de pompe, par exemple une pompe turbo-moléculaire et une pompe à palette, en fonction du niveau de pression à atteindre. On peut prévoir en outre un système d'alimentation en gaz relié à l'intérieur de l'enveloppe de confinement. Le gaz et la pression sont avantageusement choisis de telle sorte d'ajuster la valeur du libre parcours moyen de ce gaz. The finished volume of the containment envelope 2 has, during the operation of the converter, a pressure regulated at a target setpoint value. It is possible to use for this a pumping system capable of reaching secondary or primary vacuums or working at atmospheric pressure or even a few bars if necessary. The system can comprise two distinct types of pump, for example a turbo-molecular pump and a vane pump, depending on the level of pressure to be reached. It is also possible to provide a gas supply system connected to the interior of the containment envelope. The gas and the pressure are advantageously chosen so as to adjust the value of the mean free path of this gas.
Par ailleurs, il existe un optimum de de force globale résultante en fonction de la pression, comme montré sur la figure 18, issue de la publication [7]. En effet, en l'absence de
molécules de gaz, les pales ne sont pas soumises à des impacts moléculaires permettant la rotation des pales et inversement, en cas de pression trop importante, la transpiration thermique est réduite et les forces de frottements (trainée) plus importantes. Moreover, there is an optimum of the overall resultant force as a function of the pressure, as shown in figure 18, taken from the publication [7]. Indeed, in the absence of molecules of gas, the blades are not subjected to molecular impacts allowing the rotation of the blades and vice versa, in the event of too much pressure, thermal transpiration is reduced and the friction forces (drag) greater.
Cette figure 18 présente une allure classique d'évolution de la vitesse de rotation des pales d'un radiomètre selon l'état de l'art en fonction de la pression régnant au sein de l'enveloppe l'entourant. Au même titre que le convertisseur selon la présente invention, cette figure 14 illustre qu' il existe une gamme de pressions pour laquelle la vitesse de rotation du radiomètre est optimale en toute cohérence avec ce qui peut être montré thoriquement.This figure 18 shows a classic evolution of the speed of rotation of the blades of a radiometer according to the state of the art as a function of the pressure prevailing within the envelope surrounding it. In the same way as the converter according to the present invention, this figure 14 illustrates that there is a range of pressures for which the speed of rotation of the radiometer is optimal in full consistency with what can be shown theoretically.
Un système de réglage de la pression du volume de l'enveloppe de confinement permet de piloter la valeur du libre parcours moyen des molécules de gaz contenu au sein de ce volume. La figure 19 présente cette évolution du libre parcours moyen en fonction de la pression mais aussi de la température et de la nature du gaz. A system for adjusting the pressure of the volume of the confinement envelope makes it possible to control the value of the mean free path of the molecules of gas contained within this volume. Figure 19 shows this evolution of the mean free path as a function of the pressure but also of the temperature and the nature of the gas.
Il est ainsi possible de montrer que le diamètre de perforations des pales 5 peut varier d'une centaine de nanomètres à quelques microns pour des pressions variant respectivement du bar à quelques centaines de Pa. It is thus possible to show that the diameter of the perforations of the blades 5 can vary from a hundred nanometers to a few microns for pressures varying respectively from bar to a few hundred Pa.
L'augmentation de température est également favorable à l'augmentation du lire parcours moyen ce qui peut également constituer un paramètre d'ajustement au-delà de la pression.The increase in temperature is also favorable to the increase in the read mean path, which can also constitute an adjustment parameter beyond the pressure.
A titre indicatif, des perforations 500 de l'ordre de 130 nm peuvent être visées pour une pression de fonctionnement de l'enveloppe 2 à 1 bar. As an indication, perforations 500 of the order of 130 nm can be targeted for an operating pressure of the casing of 2 to 1 bar.
Le gradient de température sur les deux faces opposées 50, 51 des pales, d'émissivité distincte induit la force motrice. The temperature gradient on the two opposite faces 50, 51 of the blades, of distinct emissivity, induces the driving force.
Afin d'estimer le niveau de ce gradient thermique, on considère ici la pale d'épaisseur e, de conductivité thermique λc, et soumise à une flux thermique noté Φ th. In order to estimate the level of this thermal gradient, we consider here the blade of thickness e, of thermal conductivity λc, and subjected to a thermal flow denoted Φ th.
Un bilan thermique au niveau de la pale permet d'établir que l'élévation de température d'un volume élémentaire de la pale soumise à un flux sur l'une de ces faces est due à l'apport thermique net résultant du flux thermique incident et des pertes induites par convection et rayonnement. A heat balance at the level of the blade makes it possible to establish that the rise in temperature of an elementary volume of the blade subjected to a flow on one of these faces is due to the net heat contribution resulting from the incident heat flow. and losses induced by convection and radiation.
En supposant que le flux ré-émis par la pale est négligeable comparativement à la convection et au flux thermique incident (hypothèse corps noir) on peut poser l'équation suivante: [Equ 11]
avec : Assuming that the flux re-emitted by the blade is negligible compared to the convection and the incident heat flux (black body hypothesis) we can pose the following equation: [Equ 11] with :
S : surface d'échange développée par une pale perforée, S: exchange surface developed by a perforated blade,
Tf : température de la face froide 50 de pale. Tf: temperature of the cold face 50 of the blade.
Une pale 5 peut être considérée comme isotherme selon l'axe de son épaisseur. A blade 5 can be considered as isothermal along the axis of its thickness.
En revanche, la température de la plaque est fortement fonction du temps dans le cas où le flux thermique incident Φ th commence à être appliqué et/ou si ce flux est variable en fonction du temps. On the other hand, the temperature of the plate is strongly dependent on time in the case where the incident heat flux Φ th begins to be applied and/or if this flux is variable as a function of time.
Dans le cas où le flux Φ th est constant, on peut tirer du bilan thermique précédemment posé l'expression suivante de la variation de la température après un temps t d'exposition de la place au flux Φ th : In the case where the flux Φ th is constant, the following expression of the temperature variation after a time t of exposure of the space to the flux Φ th can be drawn from the heat balance previously posed:
A titre indicatif, on peut considérer les valeurs suivantes des paramètres, ce qui correspond à une face de la pale avec du PTFE comme matière constitutive : e = 1 μm Φ th = 20 W/m2 h = 0,3 W/m2/°C ρ = 2,16 g/cm3 As an indication, the following values of the parameters can be considered, which corresponds to a face of the blade with PTFE as constituent material: e = 1 μm Φ th = 20 W/m 2 h = 0.3 W/m 2 /°C ρ = 2.16 g/cm 3
Cp = 0,25 W/m/°C. Cp = 0.25W/m/°C.
Avec ces valeurs, on obtient un profil montré d'établissement de la température de la face chaude 51 de la pale chaude en fonction du temps pour une température de la pale froide de 50°C, illustré en figure 20. With these values, we obtain a profile shown for the establishment of the temperature of the hot face 51 of the hot blade as a function of time for a temperature of the cold blade of 50° C., illustrated in figure 20.
Dans le cas où le flux thermique imposé est instationnaire et périodique car éclairage des faces sombres 51 d'une manière intermittente, le bilan thermique dans la même approche que celle vue précédemment permet d'aboutir à l'expression suivante de la température Tc de la face chaude 50 de la pale exposée : In the case where the heat flux imposed is unsteady and periodic because the dark faces 51 are illuminated intermittently, the heat balance in the same approach as that seen previously makes it possible to arrive at the following expression for the temperature Tc of the hot face 50 of the exposed blade:
[Equ 13]
avec :
Q = Φ th/(ρ.Cp.e) w : 2.π .f f : fréquence du flux thermique (=1/Tth) φ : déphasage défini comme suit : tanφ = (h/(ρCpe))/w sinφ = (h/(pCpe))/[(h/(ρCpe))2+w2)]1/2 cosφ = w/[(h/(pCpe))2+w2)]1/2 [Eq 13] with : Q = Φ th/(ρ.Cp.e) w: 2.π .ff: heat flux frequency (=1/Tth) φ: phase shift defined as follows: tanφ = (h/(ρCpe))/w sinφ = (h/(pCpe))/[(h/(ρCpe)) 2 +w 2 )] 1/2 cosφ = w/[(h/(pCpe)) 2 +w 2 )] 1/2
La figure 21 montre l'évolution de la température de la face chaude 51 Tc d'une pale l'invention, ainsi que l'évolution du flux de chaleur incident. FIG. 21 shows the evolution of the temperature of the hot face 51 Tc of a blade according to the invention, as well as the evolution of the incident heat flux.
Afin d'estimer la force générée dans le cas de figure présentée ci-avant, il est nécessaire de rappeler l'expression des forces s'appliquant sur les pales. In order to estimate the force generated in the scenario presented above, it is necessary to recall the expression of the forces applied to the blades.
Pour la force de friction appliquée tangentiellement (FT) à la pale, l'expression suivante, utilisée dans la publication [1] peut être utilisée : For the frictional force applied tangentially (FT) to the blade, the following expression, used in publication [1] can be used:
[Equ 14]
avec : α E : coefficient d'accommodation énergétique, p : périmètre développé par la pale, σ: diamètre des molécules de gaz présente dans le volume de l'enveloppe de confinement[Eq 14] with: α E : energy accommodation coefficient, p: perimeter developed by the blade, σ: diameter of the gas molecules present in the volume of the containment envelope
La force radiométrique FN peut s'exprimée comme suit : The radiometric force FN can be expressed as follows:
On en déduit alors la composante globale pouvant être attendue sur une pale 5 : [Equ 16]
k : constante de Boltzmann. We then deduce the global component that can be expected on a blade 5: [Equ 16] k: Boltzmann constant.
F est indépendant de la densité du gaz et donc de la pression, aussi longtemps que e est inférieur ou égal à λ. F is independent of the gas density and therefore of the pressure, as long as e is less than or equal to λ.
Or, λ est fonction de la pression, l'épaisseur de la pale devrait être diminuée lorsque la pression augmente. However, λ is a function of the pressure, the thickness of the blade should be reduced when the pressure increases.
Dans le cas où l'enveloppe de confinement 2 est remplie d'azote, pour une pression de 100 Pa et à la température de 300K, et pour une épaisseur de pale équivalente au libre parcours moyen (soit ici 93 μ), la force par unité de périmètre de la pale est de l'ordre de 2.10-8 N/mm. La figure 22 donne l'évolution de la force nette par unité de périmètre développé et par degré de gradient de température appliqué au droit des pales. In the case where the containment envelope 2 is filled with nitrogen, for a pressure of 100 Pa and at a temperature of 300 K, and for a blade thickness equivalent to the mean free path (i.e. here 93 μ), the force by perimeter unit of the blade is of the order of 2.10 -8 N/mm. Figure 22 gives the evolution of the net force per unit of perimeter developed and per degree of temperature gradient applied to the right of the blades.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. The invention is not limited to the examples which have just been described; it is in particular possible to combine together characteristics of the examples illustrated within variants not illustrated.
D'autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Other variants and improvements can be envisaged without departing from the scope of the invention.
Liste des références citées List of cited references
[1] : M. Scandurra et ali., Physical Review E 75 026308 (2007). [1]: M. Scandurra et al., Physical Review E 75 026308 (2007).
[2] : A. Ketsdever et al., « Radiometric phenomena : from the 19th to the 21st Century », vacuum 86 (2012) 1644-1662). [3] : S.F. Gimelsheim et al., « Analysis and Applications of Radiometeric Forces in Rarefied[2]: A. Ketsdever et al., “Radiometric phenomena: from the 19th to the 21st Century”, vacuum 86 (2012) 1644-1662). [3]: S.F. Gimelsheim et al., “Analysis and Applications of Radiometric Forces in Rarefied
Gas Flows », 27th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Monterey, CA, 10- 15 July 2010. Gas Flows”, 27th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Monterey, CA, 10-15 July 2010.
[4] : G. Hettner, « Zeitschrift fur Physik », 30 258-267 (1924). [4]: G. Hettner, “Zeitschrift fur Physik”, 30 258-267 (1924).
[5] : A.Curnier, «Mécanique des solides déformables» Presse Polytechnique et Universitaires romands, ISBN 2-88074-544-6, 2005 (page 407). [5]: A.Curnier, “Mechanics of deformable solids” Polytechnic Press and Universitaires romands, ISBN 2-88074-544-6, 2005 (page 407).
[6] : A. Pereira et al., « Laser-Fabricated porous alumina membranes (LF-PAM) for the preparation of metal nanodot arrays, » Small (2008). [6]: A. Pereira et al., “Laser-Fabricated porous alumina membranes (LF-PAM) for the preparation of metal nanodot arrays,” Small (2008).
[7]: http://www.u3p.net/projets/contrib/TIPE_Vivien_Parmentier.pdf
[7]: http://www.u3p.net/projets/contrib/TIPE_Vivien_Parmentier.pdf
Claims
1. Convertisseur (10) d'énergie radiative en énergie électrique, comprenant : 1. Converter (10) of radiative energy into electrical energy, comprising:
- une enveloppe de confinement (2) à pression interne contrôlée, l'enveloppe étant de forme axisymétrique autour d'un axe de symétrie vertical, l'enveloppe comprenant un tore (20) et dont au moins une partie est transparente vis-à-vis de la source radiative à valoriser; - a containment envelope (2) with controlled internal pressure, the envelope being of axisymmetric shape around a vertical axis of symmetry, the envelope comprising a torus (20) and of which at least a part is transparent vis-à-vis view of the radiative source to be enhanced;
- un support de convertisseur (3) s'étendant selon l'axe de symétrie de l'enveloppe ; - a converter support (3) extending along the axis of symmetry of the casing;
- un moyeu (4) monté à l'extrémité libre du support en définissant un plan de rotation horizontal; - a hub (4) mounted at the free end of the support, defining a horizontal plane of rotation;
- une pluralité de pales (5) fixées chacune au moyeu par un support de pale (6), les pales étant réparties angulairement autour du moyeu en étant agencées à l'intérieur du tore de l'enveloppe de confinement, les faces principales des pales étant orthogonales au plan de rotation horizontal, une des faces principales d'au moins une partie des pales comprenant une surface d'émissivité distincte de l'autre des faces principales, la section des pales étant homothétique de celle du tore de l'enveloppe de confinement avec un jeu ε entre chaque pale et la paroi interne du tore sensiblement constant. - a plurality of blades (5) each fixed to the hub by a blade support (6), the blades being distributed angularly around the hub while being arranged inside the torus of the confinement envelope, the main faces of the blades being orthogonal to the horizontal plane of rotation, one of the main faces of at least part of the blades comprising an emissivity surface distinct from the other of the main faces, the section of the blades being homothetic to that of the torus of the envelope of confinement with a clearance ε between each blade and the internal wall of the substantially constant torus.
2. Convertisseur selon la revendication 1, les pales étant équiréparties angulairement autour du moyeu. 2. Converter according to claim 1, the blades being equidistributed angularly around the hub.
3. Convertisseur selon la revendication 1 ou 2, le jeu ε et la longueur caractéristique L de chaque pale étant déterminés de sorte que 10-6< ε /L < 10-2. 3. Converter according to claim 1 or 2, the clearance ε and the characteristic length L of each blade being determined so that 10 -6 <ε /L <10 -2 .
4. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, comprenant un système (200) de régulation en température de l'enveloppe de confinement. 4. Converter according to one of the preceding claims, comprising a system (200) for regulating the temperature of the containment envelope.
5. Convertisseur selon la revendication 4, le système de régulation comprenant un moyen de mesure sans contact (201) de la température des pales, de préférence un pyromètre laser et un moyen de chauffage (204) au moins de la paroi interne de l'enveloppe de confinement dont le fonctionnement est asservi aux mesures du moyen de mesure sans contact de la température des pales. 5. Converter according to claim 4, the control system comprising a non-contact measuring means (201) of the temperature of the blades, preferably a laser pyrometer and a heating means (204) at least of the internal wall of the containment envelope whose operation is controlled by the measurements of the means of non-contact measurement of the temperature of the blades.
6. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, le nombre de Knudsen, caractérisant le régime d'écoulement du fluide à l'intérieur de l'enveloppe sur les pales, étant compris 0,1 et 0,5. 6. Converter according to one of the preceding claims, the Knudsen number, characterizing the flow rate of the fluid inside the casing on the blades, being between 0.1 and 0.5.
7. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, les pales ayant un profil effilé à leur périphérie. 7. Converter according to one of the preceding claims, the blades having a tapered profile at their periphery.
8. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre :
- une pluralité d'aimants permanents solidaires individuellement d'une des pales ; 8. Converter according to one of the preceding claims, further comprising: - A plurality of permanent magnets individually secured to one of the blades;
- au moins une bobine d'induction fixe et centrée sur l'axe de symétrie de l'enveloppe, la(les) bobine(s) étant agencée(s) en regard des aimants permanents de sorte que la rotation des pales générée par une source d'énergie radiative génère une force électromotrice dans la(les) bobine(s). - at least one induction coil fixed and centered on the axis of symmetry of the casing, the coil(s) being arranged facing the permanent magnets so that the rotation of the blades generated by a radiative energy source generates an electromotive force in the coil(s).
9. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, le support fixe de convertisseur étant en liaison ponctuelle avec le moyeu. 9. Converter according to one of the preceding claims, the converter fixed support being in point connection with the hub.
10. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 9, le support fixe de convertisseur et le moyeu comprenant chacun une sphère aimantée, les deux sphères aimantées étant en contact mutuel. 10. Converter according to one of claims 1 to 9, the fixed converter support and the hub each comprising a magnetic sphere, the two magnetic spheres being in mutual contact.
11. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 9, le moyeu et les pales étant supportées par au moins un palier magnétique dont une partie est fixée au support de convertisseur fixe et l'autre aux supports de pales. 11. Converter according to one of claims 1 to 9, the hub and the blades being supported by at least one magnetic bearing, part of which is fixed to the fixed converter support and the other to the blade supports.
12. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 8, le support de convertisseur étant un arbre monté rotatif autour duquel est fixé le moyeu; le convertisseur comprenant en outre :12. Converter according to one of claims 1 to 8, the converter support being a rotatably mounted shaft around which the hub is fixed; the converter further comprising:
- une pluralité d'aimants permanents fixés et répartis angulairement tout autour de l'arbre rotatif; - a plurality of permanent magnets fixed and angularly distributed all around the rotating shaft;
- au moins une bobine d'induction et centrée sur l'axe de symétrie de l'enveloppe, la(les) bobine(s) étant agencée(s) en regard des aimants permanents en étant agencée de sorte que la rotation des pales générée par une source d'énergie radiative génère une force électromotrice dans la bobine. - at least one induction coil and centered on the axis of symmetry of the casing, the coil(s) being arranged opposite the permanent magnets being arranged so that the rotation of the blades generated by a radiative energy source generates an electromotive force in the coil.
13. Convertisseur selon la revendication 8 à 12, l'espace (Δ) entre les aimants permanents et une bobine d'induction étant inférieur à 1mm. 13. Converter according to claim 8 to 12, the space (Δ) between the permanent magnets and an induction coil being less than 1 mm.
14. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, au moins une partie des pales étant prolongée chacune radialement par un bras de rallonge qui s'étend radialement à l'extérieur des pales. 14. Converter according to one of the preceding claims, at least a portion of the blades each being extended radially by an extension arm which extends radially outside the blades.
15. Convertisseur selon la revendication 14 en combinaison avec la revendication 8 ou 12, les aimants permanents étant fixés individuellement sur un des bras de rallonge. 15. Converter according to claim 14 in combination with claim 8 or 12, the permanent magnets being fixed individually on one of the extension arms.
16. Convertis seur selon la revendication 15 , chaque bras de rallonge étant constitué par deux portions de bras à 90° l'un de l'autre dont une portion solidaire d'une pale qui s'étend verticalement et l'autre portion qui s'étend horizontalement à l'extrémité duquel est fixé un aimant permanent.
16. Converter according to claim 15, each extension arm consisting of two arm portions at 90° to each other, one portion of which is integral with a blade which extends vertically and the other portion which is extends horizontally at the end of which is fixed a permanent magnet.
17. Convertisseur selon la revendication 15 ou 16, comprenant une pluralité de paires de bobines d'induction fixes et centrées sur l'axe de symétrie de l'enveloppe, les bobines de chaque paire étant agencées deux-à-deux parallèles, de sorte que la rotation des pales déplace les aimants permanents entre les bobines de chaque paire. 17. Converter according to claim 15 or 16, comprising a plurality of pairs of induction coils fixed and centered on the axis of symmetry of the envelope, the coils of each pair being arranged two-by-two parallel, so that the rotation of the blades moves the permanent magnets between the coils of each pair.
18. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, comprenant un système de concentration du flux radiatif. 18. Converter according to one of the preceding claims, comprising a radiative flux concentration system.
19. Convertisseur selon la revendication 18, comprenant une lentille de Fresnel agencée au niveau du moyeu de pales, de sorte à recevoir tout ou partie du rayonnement collecté par le système de concentration, et au moins un miroir agencé au niveau d'une pale, de sorte à recevoir tout ou partir du rayonnement de la lentille pour la diriger sur les faces de moindre émissivité des pales. 19. Converter according to claim 18, comprising a Fresnel lens arranged at the level of the blade hub, so as to receive all or part of the radiation collected by the concentration system, and at least one mirror arranged at the level of a blade, so as to receive all or part of the radiation from the lens in order to direct it onto the faces of the blades with less emissivity.
20. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, le moyeu et les pales étant agencés de sorte que leur centre de gravité soit à une côte verticale en dessous du point ou plan de liaison avec le support de convertisseur. 20. Converter according to one of the preceding claims, the hub and the blades being arranged so that their center of gravity is at a vertical elevation below the point or plane of connection with the converter support.
21. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, l'épaisseur des pales étant compris entre lOOnm à 100μm. 21. Converter according to one of the preceding claims, the thickness of the blades being between lOOnm to 100 μm.
22. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, au moins une partie des pales comprenant plusieurs trous débouchants, agencés approximativement parallèlement les uns par rapport aux autres dans le sens de l'épaisseur de la pale. 22. Converter according to one of the preceding claims, at least part of the blades comprising several through holes, arranged approximately parallel to each other in the direction of the thickness of the blade.
23. Convertisseur selon la revendication 22, la partie des pales étant un matériau poreux comprenant au moins certaines porosités débouchantes. 23. Converter according to claim 22, the part of the blades being a porous material comprising at least some emerging porosities.
24. Convertisseur selon la revendication 23, le matériau poreux étant une céramique, de préférence choisie parmi l'alumine, la mullite, le carbure de tungstène ou une combinaison de ceux-ci. 24. Converter according to claim 23, the porous material being a ceramic, preferably chosen from alumina, mullite, tungsten carbide or a combination thereof.
25. Convertisseur selon la revendication 24, la partie des pales étant un film polymérique à perforations débouchantes. 25. Converter according to claim 24, the part of the blades being a polymeric film with open perforations.
26. Convertisseur selon la revendication 25, le polymère du film étant choisi parmi le polyéthylène (PE), le polystyrène (PS), le polyméthacrylate de méthyl (PMMA) ou une combinaison de ceux-ci. 26. Converter according to claim 25, the polymer of the film being chosen from polyethylene (PE), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA) or a combination thereof.
27. Convertisseur selon la revendication 22, la partie des pales étant une feuille de métal très ductile comprenant au moins certaines perforations débouchantes.
27. Converter according to claim 22, the portion of the blades being a sheet of highly ductile metal comprising at least some open perforations.
28. Convertisseur selon la revendication 27, le métal très ductile de la feuille étant choisi parmi l'or ou l'argent. 28. Converter according to claim 27, the highly ductile metal of the sheet being chosen from gold or silver.
29. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, au moins une partie des pales étant revêtue(s) d'au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction endo ou exothermique. 29. Converter according to one of the preceding claims, at least a portion of the blades being coated with at least one catalytic coating suitable for implementing an endo or exothermic reaction.
30. Convertisseur selon la revendication 29, les surfaces de moindre émissivité étant revêtues d'au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction endothermique tandis que les surfaces de plus grande émissivité étant revêtues d'au moins un revêtement catalytique adapté pour mettre en œuvre une réaction exothermique. 30. Converter according to claim 29, the surfaces of lower emissivity being coated with at least one catalytic coating suitable for implementing an endothermic reaction while the surfaces of higher emissivity being coated with at least one catalytic coating suitable for carry out an exothermic reaction.
31. Convertisseur selon la revendication 29 ou 30, le revêtement catalytique étant choisi parmi les sels de chlorure, les hydrures ou une combinaison de ceux-ci. 31. Converter according to claim 29 or 30, the catalytic coating being chosen from chloride salts, hydrides or a combination thereof.
32. Utilisation d'un convertisseur selon l'une des revendications précédentes pour convertir l'énergie provenant d'une source lumineuse et/ou d'une source thermique en électricité.32. Use of a converter according to one of the preceding claims for converting the energy originating from a light source and/or from a heat source into electricity.
33. Utilisation selon la revendication 32, la source thermique étant une source de chaleur fatale telle qu'un foyer d'incinérateur, un bain de fonderie...
33. Use according to claim 32, the heat source being a waste heat source such as an incinerator hearth, a foundry bath, etc.
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