FR2803884A1 - Production d'electricite sans impact sur l'effet de serre, utilisant de l'air comme fluide moteur et des pistons de grandes dimensions, et acceptant une source chaude a basse temperature - Google Patents

Abstract

L'invention consiste à convertir en énergie mécanique, puis en électricité, la chaleur du rayonnement solaire ou d'autres sources de chaleur à basse température et bas prix, en utilisant, à grande échelle, l'air comme fluide moteur.La chaleur est soit disponible sous forme d'eau chaude inutilisée sinon, soit captée dans des bassins solaires d'une surface de plusieurs km2 , soit directement recueillie par l'air d'une verrière solaire de superficie environ 1 km2 . Dans les deux premiers cas, la chaleur est d'abord transmise par humidification à de l'air froid qui se détend ensuite dans un bâtiment de structure analogue à celle d'un moteur thermique à deux ou quatre temps (ici, trois) ou à celle d'un moteur à piston rotatif.L'air, soit provenant de ce bâtiment, soit sortant d'une verrière solaire, est transféré dans des montgolfières d'un volume d'environ 10 hm3, par l'intermédiaire de manches à air de longueur au moins égale à 100 m, ce qui permet de laisser les montgolfières en altitude.La puissance mécanique développée est de plusieurs dizaines de MW.

Description

<B><U>I. PRINCIPES</U></B> GENERAUX La présente invention a pour objectif de contribuer à la lutte contre l'effet de serre. Elle décrit, à titre principal, un nouveau mode de production d'électricité d'origine solaire. Accessoirement, elle peut également contribuer à l'efficacité énergétique de modes de pro duction d'électricité existants (centrales thermiques ou nucléaires), ainsi qu'à la valorisation sous forme électrique d'autres énergies disponibles sous relativement basse température, telles que l'énergie géothermique.

<B><U>A. Description des principes utilisés</U></B> <U>1. Nature du</U> fluide <U>moteur</U> En matière d'énergies d'origine solaire (outre l'énergie hydraulique), les pistes les plus explorées sont : la biomasse, l'énergie éolienne, le solaire photovoltaïque, les systèmes à focalisation sphérique ou cylindrique, les bassins solaires. (En matière d'économies d'énergie, on note également un regain d'intérêt pour les dirigeables dans le domaine du fret aérien non urgent - ex : livraison de machines en des lieux difficilement accessibles. Ceci rejoint la présente invention à la fois pour cette fonction, et pour la maîtrise de grandes enveloppes de gaz plus légers que l'air).

L'invention repose sur un autre principe, empruntant à l'éolien et aux bassins solaires. Le capteur d'énergie est, comme pour les systèmes à focalisation, un corps noir exposé au soleil (sans focalisation, car, l'objectif n'étant pas de faire tourner une turbine, il n'est pas nécessaire de dépasser les 100 ), le fluide moteur est, comme pour l'éolien, l'air atmosphérique sec ou humide, et le phénomène permettant de passer de l'un à l'autre est, à titre principal, la loi des gaz parfaits (une augmentation de température provoque, soit une dilatation à pression constante, soit une augmentation de pression à volume constant).

Les turbines à air sont peu utilisées car, pour que l'énergie par m' soit significative et que le débit en m3/s soit important, il faudrait que la pression soit nettement supérieure à la pression atmosphérique, ce qui nécessiterait un effort de compression antagoniste avec l'effet de détente que l'on veut capter.

Ces difficultés liées aux turbines n'empêchent cependant pas d'utiliser l'air comme fluide moteur si deux conditions sont réunies : un grand volume et un piston dont la course est longue. <U>2. Utilisation de montgolfières</U> Dans le cas où on dispose même d'un très grand volume et d'un piston avec une très longue course, on peut se contenter d'une très faible différence de pression, telle que celle résultant de la différence de masse volumique de deux colonnes d'air, d'une ou quelques centaines de mètres de hauteur, avec des différences de températures de quelques dizaines de degrés. C'est le cas avec de grandes montgolfières (typiquement plusieurs hm' à plusieurs dizaines djjm', c'est-à-dire plusieurs milliers à dizaines de milliers de tonnes d'air, et une poussée de 1000 à 10 000 t, et une puissance de quelques dizaines de MW pour des vitesses de l'ordre du m/s), remplies d'air chauffé à une température de 50 à 80 , soit par passage dans une verrière tapissée de corps noirs d'une surface de l'ordre du km' et bénéficiant de l'effet de serre des vitres, soit par vaporisation d'eau de 60 à 90 .

La course de ces "pistons" est de l'ordre de plusieurs km, c'est-à-dire en fait l'épais seur de la couche troposphérique utile, où la pression atmosphérique n'est pas trop faible. La courbe de température en fonction de la pression, c'est-à-dire de l'altitude, respecte une loi de détente adiabatique, ce qui également le cas de l'atmosphère externe si elle est en équilibre thermique vis-à-vis de la convection. Le rapport de la densité interne à la densité externe évolue de la manière la plus favorable dans le cas où l'atmosphère extérieure est sèche (absence de nuages, par ailleurs utile pour avoir un bon ensoleillement) tandis que l'air de la montgolfière est humide : dans ce cas, on domestique en fait un cumulus artifi ciel, pour en capter la force ascensionnelle.

Dans le cas moins favorable où le comportement de l'air interne et de l'air externe est le même, on a déjà une relation identique entre pression et température (PI-r.T7 = cte pour un air sec), donc un rapport de masses volumiques entre l'intérieur et l'extérieur qui reste constant, et une traction vers le haut qui ne décroît que dans la mesure où la masse d'air contenue dans le ballon diminue.

En compensant la tare de la montgolfière par des ballons complémentaires, gonflés à l'hélium ou à l'hydrogène (avec ignifugation), la force tractrice peut être égale ou supérieure à la poussée d'Archimède de l'air chaud emprisonné (mais on perd l'équivalent à la redescente - de même, l'effet de la masse des câbles suspendus au ballon s'annule entre la montée et la descente).

L'optimisation des facteurs de production conduit, dans une première phase de mon tée, à accepter que la montgolfière se dilate sous l'effet de la baisse de pression, puis, dans une seconde phase, à relâcher de l'air chaud, car un volume supplémentaire de montgolfière ne serait pas rentabilisé sur les derniers km.

Une production continue d'énergie électrique, et même une puissance constante (ou répondant parfaitement à la demande d'un réseau) est possible si différents ballons se relaient (y compris la nuit grâce au stockage de la chaleur diurne et à la baisse de la température extérieure). Chaque ballon est relié à une ou plusieurs machines à courant continu, fonctionnant en génératrices pour la montée et en moteurs pour la redescente. La conversion de ces courants continus en courant alternatif acceptable par le réseau peut être obtenue par l'intermédiaire d'un ou plusieurs moteurs à courant continu, entraînant un alternateur.

3. Site<U>d'implantation</U> le mieux<U>adapté</U> à la course des montgolfières Comme on l'a vu, il est préférable que l'on aie â l'extérieur de la montgolfière une décroissance de la température avec l'altitude correspondant à la loi du gradient adiabatique sec. Il faut donc chercher à implanter les verrières dans les régions où l'air est sec et où il existe régulièrement des mouvements d'air ayant une composante verticale non nulle. La circulation atmosphérique mondiale étant organisée en cellules de convection, il est donc préférable d'être à la limite de ces cellules, plutôt qu'au milieu, où les mouvements sont essentiellement horizontaux (ce qui pose par ailleurs des problèmes de prise au vent des ballons et des difficultés à les faire revenir au-dessus de leur base de départ). Les zones favorables sont qualifiées de "calmes".

Les plus indiqués sont les "calmes subtropicaux", où l'on a à la fois de l'air sec, des besoins en eau douce, de la convection verticale, et peu de convection horizontale. Leur seul inconvénient est d'être surmontés par des courants jets ("jet-streams") aux altitudes desquels (10 000 m et au-dessus) il est exclu que des montgolfières puissent s'aventurer. Les régions les plus favorables sont donc les suivantes : sud de la Méditerranée, Moyen- Orient, Mexique, Australie, Afrique du sud-ouest, certaines régions d'Amérique du Sud.

Le développement de la présente invention peut être envisagé dans ces régions dans la logique économique suivante : il s'agit dans de nombreux cas de pays producteurs de combustibles fossiles. Leur utilisation devra rapidement, compte-tenu de l'effet de serre, être fortement pénalisée (taxe sur le C02, ou tout mécanisme équivalent : permis à polluer échangeable, etc.). L'existence d'une ressource de substitution bien adaptée à ces pays pour rait rendre cette évolution, indispensable mais encore sujette à de difficiles négociations internationales, plus facilement acceptable (l'exportation de cette énergie pourra être facili tée par le développement des piles à combustible).

<U>4. Utilisation d'air humide et association de la fonction de dessalement d'eau de mer</U> L'ensemble des conditions technico-économiques requises (zones situées à une distance moyenne de villes assez peuplées, au climat stable et ensoleillé, dans lesquelles le soleil est proche du zénith, et où la valeur du terrain nu est faible), est rempli par un certain nombre de déserts côtiers. II est donc justifié de chercher à associer la fonction de produc tion d'électricité, décrite dans ce qui précède, à la fonction de dessalement d'eau de mer. Ceci peut être réalisé à l'aide de "douches" dans lesquelles de l'eau salée est éva porée dans l'air, fluide moteur, dont on remplit les montgolfières. Ceci accroît en même temps, à volume de montgolfière constant, la production d'électricité, pour diverses raisons dont la plus importante est le fait qu'arrivée à une altitude où le refroidissement conduit à la condensation de l'eau, la montgolfière se transforme en nuage, mais dont les circulations d'air sont bloquées à son sommet et captées par son enveloppe. La chaleur dégagée par cette condensation limite très fortement la diminution de la température avec l'altitude, alors que cette diminution est plus forte à l'extérieur de la montgolfière. Le différentiel de température par rapport à l'extérieur augmente donc, ce qui renforce la poussée d'Archimède de la montgolfière.

La récupération de l'eau douce ainsi condensée peut apporter des recettes complé mentaires de l'ordre de 10 % de l'électricité produite.

<U>5. Production de l'eau chaude utilisée</U> Le chauffage de l'air par évaporation d'eau assez chaude (60 à 90 ) est en lui-même une source d'économies. D'assez grandes quantités d'eau à cette température sont en effet souvent disponibles sans être valorisées ou peuvent être produites à bas prix. C'est le cas pour l'eau de refroidissement des centrales électriques thermiques ou nucléaires. Des gise ments géothermiques relativement éloignés des villes peuvent également être valorisés de cette manière.

Enfin, la captation de l'énergie solaire peut également se faire, à l'aide d'eau de la même gamme de températures, grâce à la technique des bassins solaires. La couche d'eau à chauffer, de salinité élevée, se trouve au fond d'un bassin ; elle est isolée thermiquement de l'atmosphère par d'autres couches, et notamment, en surface, une couche d'eau froide, qui perd peu de chaleur par évaporation, et peu salée, l'ensemble étant stable par rapport à la pesanteur, et donc anticonvectif La couche d'eau de fond, en accumulant la chaleur, permet un fonctionnement nocturne de l'ensemble.

L'invention pourrait être considérée comme une variante des bassins solaires. Les différences sont cependant importantes, et résultent du fait que de nombreux cycles, souvent fermés, sont fortement modifiés et fréquemment transformés en cycles ouverts.

Dans les bassins solaires classiques, l'eau chaude du fond du bassin cède sa chaleur dans un échangeur. Ici, on peut utiliser sa propre vaporisation pour remplir cette fonction, avec sans doute un meilleur rendement. Le fluide moteur des bassins solaires effectue également un cycle fermé (ce peut être de l'eau sous une pression inférieure à une atmosphère, ou tout autre fluide bouillant à moins de 100 C), imposé par l'existence de la turbine. Ici, le fluide moteur est l'air de la montgolfière, qui est relâché à haute altitude (à une température qui joue le rôle de source froide bien froide), l'eau douce étant seule récupérée. <U>6. Vaporisation Préalable de l'ea</U>u â volume constant Les principales caractéristiques décrites ci-dessus (utilisation de l'eau comme fluide caloporteur et de l'air saturé en vapeur d'eau comme fluide moteur ; sans turbine ; à l'aide de dispositifs de grandes dimensions, notamment de grandes enveloppes de gaz ; fonction nant dans des déserts côtiers ; sous assez faible pression ; à des vitesses limitées ; à partir d'une source chaude d'assez basse température, mais utilisant une source froide plus froide que ce qui est habituellement le cas ; et produisant finalement une puissance importante et de l'eau douce en quantité non négligeable) se retrouvent dans le dispositif complémentaire suivant Le fluide moteur est là encore l'air, mais, de manière à améliorer le rendement, on peut le récolter à la fin de la nuit, à l'heure la plus froide (et qui est effectivement très froide dans les déserts), et le stocker pour la journée sous des "couvertures" réfléchissant le rayonnement solaire et qui, soit ferment des réservoirs naturels (gorges, cirques, ... ), soit se déforment en dôme comme les bâches utilisées pour l'ensilage vert, mais avec ici des dimensions qui peuvent aller jusqu'au dixième de km'.

Une "usine à air" est constituée de locaux capables de résister à des différences de pression de l'ordre d'1/2 atmosphère et équipés d'un piston de grande taille (plusieurs cen taines de m2) à chacune de leurs deux extrémités. Un de ces pistons, qui n'aura à travailler que sous des différences de pression limitées, et qui peut donc être mû par un procédé banal (vérins pneumatiques ou hydrauliques, étanchéité assurée par des soufflets) permet l'admission et l'échappement, toutes les minutes environ, par dizaines de milliers de m', de l'air, fluide moteur.

Cet air, initialement froid (;e 0 C) et/ou précomprimé par le retour du piston moteur, est chauffé comme au point n 4 ci-dessus (douches à eau chaude), de telle sorte que, sa température s'élevant approximativement à 60 C, il atteint une pression de l'ordre de 1,2 atmosphère, à laquelle s'ajoute la pression de vapeur saturante de l'eau (0,1 à 0,2 atm). Il peut alors se détendre, en une grosse fraction de minute, en poussant le piston moteur avec une force se mesurant en 107 N sur une course de quelques dizaines de mètres. On retrouve une puissance de l'ordre d'une à quelques dizaines de MW.

Cette puissance est produite en continu dès lors que l'on a plusieurs "cylindres" ain si équipés de pistons, et qui travaillent à tour de rôle. En coordonnant ces cylindres et en collectant ces puissances d'une manière analogue à celle qui est mise en oeuvre pour les moteurs thermiques à deux ou quatre temps ("moteurs à explosion"), on obtient un seul mouvement circulaire à peu près uniforme, entraînant de manière régulière un seul générateur électrique (ou trois machines : génératrice à courant continu, moteur à courant continu, alternateur, si l'on souhaite une qualité optimale d'alimentation d'un réseau).

L'air humide ayant ainsi subi une détente d'environ 1,4 atm à 1 atm, sans avoir perdu beaucoup de sa vapeur d'eau, il est disponible pour alimenter les montgolfières, et se détendre ainsi de 1 à 0,5 atm. Les "usines à air" s'intercalent ainsi, pratiquement sans inci dence sur la suite des événements, entre la gestion de l'eau chaude et celle du "cumulus artificiel", en apportant un gain en puissance électrique.

<U>7. Rendement</U> thermodynamique <U>et</U> économique Bien que le fluide moteur exécute un cycle ouvert, le rendement de la montgolfière n'est pas sans relation avec celui d'un cycle de Carnot, à condition qu'il ne soit pas calculé en prenant comme source froide l'air ambiant, mais l'air de haute altitude dans lequel la montgolfière se vide. Ce rendement est donc à peu près proportionnel à l'altitude maximale atteinte. Avec un air sec et une altitude maximale égale à 2/3 du zo de l'équation du gra dient adiabatique sec, soit 5760 m, on obtient en théorie un rendement thermodynamique proche de 18 %.

L'utilisation d'air humide permet d'obtenir, à volume de montgolfière inchangé, une puissance plus élevée même si la température de départ est inférieure ; par contre, le rendement global est inférieur du fait de la faible valorisation d'une partie de la chaleur latente de vaporisation, mais ceci se compense avec le coût bien inférieur de la captation de la chaleur du soleil par un bassin solaire, par rapport à des verrières. Cette perte de chaleur latente est moindre avec l' "usine à air" fonctionnant avec une réserve d'air nocturne, ce qui permet de rajouter une puissance de l'ordre d'un tiers de celle de la montgolfière.

Un rendement final de l'ordre de la moitié des chiffres ci-dessus (compte tenu des pertes thermiques au moment du chauffage de l'air ou de l'eau par le soleil) serait inférieur à ce qu'on obtient avec des cellules photovoltaïques ou les systèmes à focalisation cylin drique, mais, sur des sites où la surface au sol est loin d'être la ressource la plus rare, ce critère n'est pas essentiel. L'important est surtout d'obtenir le coût en capital du kW.,., le plus faible, et, objectif ultime, un coût (amortissement du capital et coût de fonctionne ment) compétitif avec çelui des énergies fossiles, une fois leurs coûts externes correctement internalisés (taxe sur le C02).

<B><U>B. Comparaison avec les techniques concurrentes</U></B> Par rapport au photovoltaïque, l'avantage peut résider dans le fait que le m2 (et donc le km2), d'une part de verrière (avec ses fondations, sa structure, ses bassins d'eau pour le stockage de chaleur, et sa "peinture noire") ou a fortiori de bassin solaire, et d'autre part d'enveloppe de montgolfière (la surface de toile est inférieure à celle de capteur de rayonne ment) coûte nettement moins cher que le m2 de silicium, monocristallin, polycristallin ou amorphe, découpé en tranches fines et dopé. Il y a en fait complémentarité : le photovol taïque, divisible à l'infini sans perte d'économies d'échelle, a son avenir dans la production autonome d'électricité dans des endroits difficilement connectables au réseau ; le système décrit ici est, par nature, une énergie centralisée. Les systèmes à focalisation des rayons solaires comportent deux variantes. La focalisation sphérique n'a pour but que d'obtenir des températures très élevées, pour des utilisations de haute technologie. La focalisation cylindrique permet de chauffer de l'eau pour la transformer en vapeur de pression assez élevée, bien adaptée à l'alimentation d'un couple turbine - alternateur. Leur coût au km' est cependant élevé, d'une part à cause de la nécessité de miroirs de bonne qualité, et du fait que l'on doit gérer des circulations de fluide dans environ 1 m de tuyauterie par mètre linéaire de miroir cylindrique, soit de l'ordre de 100 km de tuyau par km2. Ici, il y a simplement de grandes circulations d'air ou d'eau, à travers des structures beaucoup moins ramifiées.

Les "bassins solaires", mis à contribution pour la présente invention, ont la même logique de surface au sol importante, compensant l'obtention de chaleur à relativement basse température, et cherchant à obtenir un coût du kW installé plus faible que pour les systèmes à focalisation et haute température. Leurs développements actuels sont soit le chauffage urbain, ce qui est parfaitement rationnel, soit la production d'électricité avec turbine. La particularité de l'invention est d'aller au bout de sa logique, en abandonnant l'idée de faire travailler une turbine, c'est-à-dire un passage étroit et également limité longi tudinalement, nécessitant des vitesses et des densités élevées peu compatibles avec l'utilisa tion de chaleur basse température. Les mêmes remarques valent pour l'utilisation de l'éner gie des mers (systèmes fonctionnant entre la température de surface, de l'ordre de 25 C, et celle du fond des océans, inférieure de 20 ).

Enfin, par rapport à l'éolien, l'avantage est une captation beaucoup plus systéma tique de la puissance éolienne, à sa source même. De plus, les éoliennes fonctionnant surtout par temps agité, et le système proposé ici par temps ensoleillé et calme, il y a plus complémentarité que compétition entre ces deux modes de valorisation de l'énergie solaire. <B><U>II. PRODUCTION</U></B> D'ELECTRICITE <B><U>ET</U></B> EVENTUELLEMENT <B><U>D'EAU DOUCE A</U></B> <B><U>LAIDE DE</U></B> MONTGOLFIERES <B><U>A. Structure des montgolfières</U></B> <U>1. Objectifs à atteindre</U> Compte tenu des tensions auxquelles elle doit être soumise en tant que ballon captif exerçant une forte traction à la montée et redescendant à vide, de l'objectif théorique d'un fonctionnement par presque tous les temps, de la longue durée pendant laquelle elle doit être amortie, et surtout de ses dimensions, la montgolfière nécessite qu'une attention toute particulière soit portée à sa structure, à sa prise au vent, à son montage et à sa maintenance. La toile risque d'être soumise à des efforts particuliers, en ses différents points d'ancrage, si elle "claque" au vent. Il faut donc d'une part trouver une forme, surtout une fois vidée, qui évite de tels claquements, et d'autre part bien répartir les efforts (la traction elle-même étant au maximum réservée aux câbles tracteurs, ou de préférence à des sangles -<B>CE</B> infra) sur les pourtours de chaque pièce (si on veut une montgolfière démontable), tout en créant des structures dissipatrices permettant d'amortir les chocs et oscillations susceptibles d'engendrer des résonances.

La recherche générale d'un bon rendement énergétique et financier (ce qui nécessite la plus grande continuité possible dans la production), et la difficulté à prévoir des comportements dynamiques dans des situations mal connues, conduiront logiquement à s'approcher des limites de rupture, notamment sur les prototypes. Compte tenu des coûts importants des matériaux mis en oeuvre et de l'imperfection d'une gestion par réparations (qui laissent subsister des points de faiblesse), ces ruptures doivent se produire au niveau de l'assemblage des différentes pièces. Comme la fixation d'une chaussure sur un ski, cet assemblage doit à la fois bien tenir dans des conditions normales d'utilisation, et, en cas d'efforts excessifs, céder de manière réversible pour protéger les autres éléments dont la rupture serait irréversible. De plus, il doit pouvoir être libéré sans grand effort par une action que seul l'utilisateur peut provoquer.

Enfin, toujours dans la perspective de réalisation de prototypes, la construction par éléments modulaires peut permettre de réutiliser les éléments d'un petit prototype, pour en construire un plus gros.

<U>2. Choix d'une</U> structure <U>relativement rigide mais légère</U> Après avoir vidé la montgolfière de son air chaud et sauf à la regonfler (au sommet puis au fur et à mesure de sa descente) d'air à peu près identique à celui présent dans l'atmosphère voisine, ce qui nécessite un dispositif d'introduction et de mise sous pression d'air, le fait de la redescendre pose le problème d'une enveloppe flottant et claquant au vent, ce qui, comme pour les voiles d'un bateau, accélère le vieillissement de la toile.

Il faut donc que, même dégonflée, la montgolfière présente une enveloppe extérieu re à peu près tendue et, si possible, légèrement convexe.

Ceci est possible si elle est constituée autour de 2 armatures circulaires délimitant un cylindre vertical (éventuellement un peu ventru, avec un tissu extensible sous l'effet de la pression de l'air chaud). Le vidage consistera ainsi à rapprocher ces deux armatures, et les enveloppes latérales se replieront, de préférence sans se déplacer complètement vers le centre de la montgolfière, mais en formant au contraire des plis d'une dizaine de mètres de large entre ces deux armatures. Des amorces d'ondulation pourront être imposées à la toile, par exemple sous forme de boudins horizontaux très extensibles, remplis d'hélium, fixés à l'enveloppe (côté interne) de telle manière qu'ils lui imposent une partie de leur courbure ; leur rôle serait également d'éviter la fatigue du tissu par pliage, au niveau de ces ondula- tions en position repliée. Egalement dans le but d'inciter le tissu à se replier dans la position souhaitée, les fuseaux pourront être de largeur légèrement variable. Ainsi, les endroits les plus étroits, qui seront légèrement sous tension, auront tendance à se replier en premier vers l'intérieur du ballon, tandis que les passages les plus larges, qui coïncideront avec la présence des boudins d'hélium, resteront naturellement du côté externe, leur courbure dirigée vers l'intérieur (c fig. 1 et 1 bis).

Une fois dégonflée, la montgolfière présentera des surfaces supérieure et inférieure (disques) à peu près identiques à ce qu'elles sont en position gonflée, et un bord extérieur constitué de la réunion des armatures initialement situées sur les deux arêtes du cylindres. Convenablement biseautées, ces armatures permettront à la montgolfière d'offrir une prise au vent latéral assez faible, son comportement étant alors intermédiaire entre ceux d'un dirigeable, de la voilure d'un gros bateau à voile remontant face au vent, et d'une aile d'un gros avion. Ceci permet d'envisager, compte tenu du nombre de commandes disponibles (une par sangle), un fonctionnement même par vent relativement intense.

Ces armatures circulaires pourront être renforcées par trois à six rayons, notamment sur la face supérieure, au centre de laquelle est prévu un dispositif de contrôle des sorties d'air par le sommet de la montgolfière. Elles ne devraient, en fonctionnement normal, être soumises qu'à de faibles contraintes, la principale d'entre elles étant une force de compres sion à peu près constante sur toute leur circonférence. Elles seront aisément montables et démontables, compte tenu de leurs caractéristiques développées ci-dessous.

S'il s'avère très utile que la toile des faces supérieure et inférieure soit convexe, en dépit de la compression de l'air résiduel au cours de la redescente, les gaz auxiliaires (H2 ou He) pourront être répartis dans des lentilles de tissu sous tension (la face interne étant la plus tendue), capables de conserver un profil aérodynamique même en perdant une partie de leur volume.

<U>3. Constitution des briques solides</U> Chaque élément de ces armatures sera un arc de cercle dont les extrémités seront des faces radiales (donc non parallèles) contribuant à la stabilité de l'ensemble comme le font les pierres d'une voûte et notamment la clé de voûte. Les principales contraintes seront donc, à titre principal, une contrainte de compression dans le sens de la longueur de cet élément, et, à titre secondaire, des contraintes de décrochement (notamment d'éjection vers l'extérieur) au niveau des liaisons avec les éléments adjacents. La meilleure stabilité sera obtenue si on a une régularité des concordances entre ces éléments solides démontables, les éléments textiles démontables (point suivant) et les sangles (ou câbles) tractrices.

Chaque élément pourra donc avoir une largeur et une épaisseur de 5 à 20 mètres, et une longueur deux à trois fois supérieure. Compte tenu de ces dimensions, des faibles contraintes subies, et du fait qu'il est de toute manière prévu d'alléger l'ensemble de la montgolfière en utilisant de l'hélium ou de l'hydrogène, on peut envisager que ces éléments (structure interne + enveloppe, résistant à ou accompagnant la baisse de pression de l'air environnant, et permettant de remplir le reste du volume de gaz léger) soient quasiment aussi légers que l'air au sol, ce qui serait un avantage considérable pour leur manipulation, et autoriserait du même fait le recours aux plus grandes dimensions qui, en retour, permet tent d'obtenir les mêmes performances mécaniques avec une masse volumique moyenne encore plus faible.

Ainsi, un élément à section à peu près triangulaire (car le profil de l'armature doit présenter un biseau aérodynamique), de 20 x 20 x 50 m permet d'utiliser près de 12 tonnes de matière solide. Dans ces conditions, un résultat relativement rigide et résistant semble pouvoir être obtenu, avec deux options : une structure fortement triangulée (assemblage triangulé d'éléments eux-mêmes triangulés, etc.) en matériau résistant et léger (duralumin, fibre de carbone, etc.) ; on peut également imaginer d'utiliser une structure beaucoup plus massive, réalisée dans un matériau tel que le polystyrène expansé, où l'air serait remplacé par l'hélium ou même l'hydrogène (substituer de l'hydrogène à de l'air - à moins que le polystyrène expansé normal soit réalisé à l'aide d'azote - revient à ajouter un combustible mais à retirer un comburant ; il n'est pas certain que le résultat soit considérablement plus inflammable ; on peut aussi envisager, pour des raisons d'économies, un coeur en polysty rène à l'hydrogène, entouré d'une couche de polystyrène à l'hélium).

Les techniques proposées ici peuvent d'ailleurs intéresser l'industrie, renaissante, du dirigeable.

L'assemblage des différentes briques entre elles peut se faire par tout moyen qui respecte l'analogie avec les fixations de ski, exposée plus haut. Il est cependant nécessaire de respecter l'enveloppe étanche de chaque élément. Un procédé de clipage par clavette (sur tube mais sans contact direct avec lui) est par exemple envisageable. On peut égale ment utiliser le principe des ventouses, développé ci-dessous.

<U>4. Assemblage des textiles</U> La concentration des contraintes subies par les textiles, et donc des risques de rup ture, au niveau de toute discontinuité dans une pièce de tissu, notamment à leurs extrémités mais aussi à l'endroit des coutures, milite pour la fabrication de grandes pièces. Leur taille ne peut cependant être celle de la montgolfière elle-même. Il semble là aussi nécessaire de prévoir une structure en éléments démontables, avec des fixations dont la limite de rupture est élevée mais inférieure à celle de la toile elle-même.

Des fixations par Velcro peuvent remplir ces conditions, mais ne satisfont pas au dernier critère posé au point 1<I>("elles doivent pouvoir</I> être <I>libérées sans</I> grand <I>effort par</I> <I>une action que seul l'utilisateur peut provoquer").</I> Une adaptation du principe des fermetu res à glissière satisfait ce critère, mais il devra être vérifié qu'elle satisfait aussi celui d'une rupture réversible, avec une valeur de rupture élevée et stable dans le temps. A défaut, une solution pourrait être celle d'une fixation par des ventouses linéaires (même fonctionne- ment et même schéma en coupe qu'une ventouse circulaire, mais symétrie par translation au lieu de symétrie par rotation).

Une telle liaison pourrait être complétée par des baguettes semi-rigides, fixées à la toile, et munies d'aimants, d'une rémanence suffisante, qui assureraient, par temps normal, une façade totalement lisse. En cas de rafale de vent, ces aimants céderaient, puis la liaison se reformerait spontanément, comme quand on sépare une double hélice d'ADN. Ce dispo sitif contribuerait ainsi, d'une part à réduire quasiment à néant la fatigue en fonctionnement normal de la ligne de glissières ou de ventouses et des coutures associées, d'autre part à la dissipation d'énergie en cas de fortes turbulences sur l'enveloppe textile.

Le même principe pourrait être utilisé pour gérer la période délicate du gonflage de la montgolfière, où elle se trouve dans un état intermédiaire entre ses états gonflé et dégon flé, et où elle ne bénéficie des protections contre le vent d'aucun de ses deux états. Le repliage de l'enveloppe selon les ondulations décrites plus haut pourrait être maintenu par des lignes aimantées, qui ne céderaient qu'une par une, et seulement quand la pression interne de l'enveloppe serait suffisante. A aucun moment, la montgolfière ne présenterait le spectacle d'une enveloppe textile laissée à elle-même.

Les structures décrites ci-dessus ayant une masse linéaire assez importante, source de déformations de la toile (notamment celles en position verticale), cette masse pourra être compensée par la poussée d'Archiméde d'un boudin expansible rempli d'hélium.

L'ensemble de ces dispositifs constituant un facteur de coût important, les dimensions des pièces de tissu devront rester aussi grandes que possible compte tenu des contraintes de montage et de démontage.

<U>5.</U> Appendice <U>inférieur à utiliser par vent faible</U> Le coût de la montgolfière résultant en grande partie des dispositifs ci-dessus, qui sont principalement destinés à assurer sa longévité en dépit de l'action du vent, il est permis de se demander si l'on pourrait avoir deux configurations possibles, l'une à coût relative ment élevé et assurant la quasi-continuité du service public de fourniture d'électricité, et l'autre fonctionnant seulement par temps stable mais produisant de la puissance moins chère.

La réponse est positive. Le "noyau dur" de la montgolfière est constitué par les deux armatures circulaires décrites plus haut, ainsi que par l'enveloppe textile en cylindre qui les rejoint et qui se replie entre elles ; lui seul peut fonctionner par temps venteux. Par contre, par temps stable, rien n'interdit de déployer sous la montgolfière une large jupe de tissu peu coûteux et peu travaillé, qui accroît notablement son volume. Ce n'est pas lui qui sera sou mis aux efforts les plus importants, mais le sommet de la montgolfière, dont la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur est proportionnel à la différence de densité et à la hauteur de colonne d'air, depuis le niveau où les pressions sont égales (c'est-à-dire la base de cette jupe) jusqu'au sommet.

Cet accroissement de volume peut correspondre à une injection plus grande d'air chaud, donc à des prélèvements plus importants dans la source de chaleur (en ce qui concerne les verrières ou bassins solaires, il y a souvent plus de soleil et moins de fuites thermiques quand il y a moins de vent), mais aussi à une conservation plus longue, au sein du système, d'une masse d'air qui serait initialement introduite dans le sel "noyau dur" et qui se dilate, donc déborde de la montgolfière, au fur et à mesure que la pression diminue.

Par contre, une fois qu'il aura complètement rempli cette jupe, l'air de la montgol fière en expansion devra être conduit à s'échapper par le haut, afin de ne pas déstabiliser la montgolfière par des remontées d'air chaud le long de son enveloppe. Ce dispositif est rappelé plus bas, notamment en ce qui concerne sa contribution à la récupération d'eau dou ce (dans les cas où cette fonctionnalité est développée - dans les mêmes circonstances, la jupe pourra également être munie à sa base d'un système de collecte de la pluie créée dans la montgolfière).

<U>6. Caractéristiques</U> thermiques <U>des montgolfières</U> Compte tenu de son volume et de la relativement courte durée des ascensions, la conservation de la chaleur dans le ballon ne devrait pas poser de problème majeur. Si nécessaire, on peut lutter contre les pertes par convection et conduction en suspendant au plafond du ballon des toiles très légères qui se comportent comme des "pelures" supplé mentaires à proximité de l'enveloppe, en haut comme sur les côtés. Si l'air, en particulier humide, s'avère un émetteur important dans l'infrarouge, les pelures pourront être conçues pour arrêter ce rayonnement, et le ballon pourra être recouvert intérieurement d'un matériau réfléchissant dans la même gamme de longueur d'onde. Ceci a également l'avantage de permettre, par photographie infrarouge, de localiser de l'extérieur une fuite d'air chaud.

On peut se demander si l'ascension de la montgolfière vers des altitudes élevées pourrait poser des problèmes de givre, susceptible par exemple de bloquer les dispositifs d'ouverture ou de fermeture du sommet du ballon, de déploiement de la jupe décrite ci- dessus, etc.. Il pourra être nécessaire de prévoir un réchauffage de ces mécanismes.

<U>B. Fonctionnement des montgolfières stricto sensu</U> <U>1. Position de</U> remplissage <U>de la montgolfière</U> Bien qfl soit recommandé de les utiliser dans des régions où, en moyenne, la circulation d'air est plus verticale qu'horizontale, une des difficultés possibles des montgol- fières tient à l'effet du vent lors des phases de démarrage et d'arrimage au moment du retour. Se cumulent alors en effet les contraintes : d'une gestion toujours délicate, en dépit des aménagements proposés plus haut, de phase de remplissage au cours de laquelle le ballon n'est ni dans la position tout à fait fermée décrite plus haut, ni totalement gonflé ; du fait qu'il est "captif' ; et de la proximité du sol, qui accroît vraisemblablement les turbu lences de l'air ainsi que sa charge en sable.

Les deux dernières de ces trois contraintes peuvent être réduites en adaptant la structure et le mode opératoire du ballon, par analogie avec la technique, utilisée en avia tion, du ravitaillement en vol. Il s'agit en effet d'éviter au ballon proprement dit de s'approcher trop près du sol (100 ou 200 m). Le ravitaillement, c'est-à-dire le rechargement en air chaud, se fait par un tuyau textile d'un rayon de l'ordre d'une ou quelques dizaines de mètres, solidaire de la montgolfière (de préférence de son sommet). Il est guidé, au moyen de contacts libres (anneaux), par les sangles ou câbles extérieurs à la montgolfière, et sa base est recueillie par un entonnoir qui le dirige vers le système d'arrimage. II subit lui- même des tensions et vieillit donc vite, mais sa superficie (donc son coût), autorise un renouvellement plus fréquent, car elle est nettement plus faible que celle du ballon lui- même.

Ainsi, le remplissage du ballon devant de toute manière se faire à partir d'un assemblage temporaire de deux pièces (par exemple deux anneaux, l'un lié au sol, l'autre au ballon, dont l'ajustement final serait obtenu par attraction ferromagnétique), il est préfé rable que ce ne soit pas le ballon lui-même qui soit soumis aux contraintes fortes liées à la nécessité de fixer cet anneau d'arrimage qui constituerait lui-même, notamment en cas de rafales de vent à proximité du sol, un élément de concentration de ces contraintes, et donc de fragilisation de la toile.

Un autre inconvénient lié à la présence de vent est la possibilité d'oscillations de grande ampleur, dues à un phénomène de résonance, des câbles tracteurs (leur éventuel remplacement par des sangles nécessite d'adapter le dispositif décrit ci-dessous). Cela peut non seulement les fragiliser, mais nuire à leur bonne entrée dans les bâtiments au sol, et à leur bon enroulement sur les tambours, le risque majeur étant une sortie de la gorge de la première poulie sur laquelle ils passent. De ce point de vue, plusieurs poulies convenable ment agencées peuvent "cerner" le câble en occupant la totalité des 360 autour de lui.

Cependant, un tel dispositif ne lutte pas par lui-même contre la propagation d'oscil lations importantes vers les machines. Il est donc nécessaire de lutter spécifiquement contre la résonance, ce qui passe classiquement par la mise en place de systèmes d'amortissement fluide de coefficients adaptés aux différentes fréquences de résonance des câbles ou sangles (qui varient en permanence puisque les tensions et longueurs varient également).

Puisque la fonction principale des câbles est de pouvoir se translater longitudinale ment, ces dispositifs d'amortissement n'agissent que transversalement. Ils s'interposent donc entre le bâti et la "première poulie" citée plus haut. Des répliques permettent égale ment un amortissement au niveau de poulies inférieures, de manière notamment à éviter la transmission d'oscillations dont la longueur de fuseau serait accordée à la distance située entre cette "première poulie" et la deuxième, dans le cas où cette dernière serait liée de manière rigide au bâti.

<U>2. Remplissage en air chaud des montgolfières et démarrage</U> Les "tuyaux de ravitaillement en vol" décrits plus haut mettent à profit le principe des "cheminées solaires" : l'air chaud y monte, puis, une fois qu'ils sont entièrement remplis, la différence de densité qui en résulte génère, pour toute leur hauteur de colonne d'air, une différence de pression qui crée un appel permettant un remplissage de la mont golfière en un temps comparable à celui de sa montée (de l'ordre d'une heure), en dépit du diamètre relativement faible de ces tuyaux.

L'air chaud entrant doit pouvoir remplir la montgolfière sans effort, mais également sans aspiration excessive. Dans la mesure où les câbles ou sangles tractrices sont reliées au sommet de la montgolfière, la question se pose de la redescente de la structure circulaire inférieure lors du remplissage. Le système des baguettes magnétiques qui cèdent une par une, décrit en p.11, permet d'éviter une descente trop rapide de l'armature inférieure, qui conduirait la montgolfière à se remplir d'abord d'air froid qui serait ensuite refoulé par l'air chaud supérieur, avec un risque de mélange.

En complément, la recherche de la plus grande neutralité de l'action de la pesanteur conduit à nouveau à proposer que l'armature inférieure soit, grâce à un important remplis sage en gaz légers, globalement presque aussi légère que l'air, la même propriété pouvant même être envisagée pour l'enveloppe latérale du ballon. Ces caractéristiques permettraient de plus à ces éléments de remonter sans efforts et donc ne pas gêner le vidage du ballon (par le haut et toujours sur la base du principe que l'air plus chaud monte) une fois son ascension terminée.

3.<U>Analyse</U> de la montée des<U>montgolfières</U> et dimensionnement La densité de l'air au sol, pour une pression d'une atmosphère et une température de 300 K (27 C), est de ((29 g/mol)/(22,41/mol)) # (273I300) =1,178 kg/m3.

<I>a) Montgolfière à air sec</I> La formule du gradient adiabatique sec s'écrit : (1 - 2z/74) = (p/po)2/7 = T/To = (p/po)2/$ (les coefficients 7/2, 2/7 ou 2/5 provenant du fait que l'air est considéré comme un gaz diatomique). zo est égale à la pression au sol divisée par la masse volumique au sol et l'accélération de la pesanteur, soit

Le calcul théoriquement le plus simple est celui pour lequel à la fois l'atmosphère extérieure, et l'air du ballon, suivent cette équation, ce qui exclut notamment que l'air soit chauffé à l'eau (dans ce cas, l'ordre de grandeur peut être estimé à partir du résultat ci- dessous, en rajoutant les avantages décrits de manière qualitative au point suivant).

Pour une altitude maximale égale à 2z,/3, divisée en une moitié à masse constante et une moitié à volume constant, on obtient un rendement thermodynamique de (2I7) #((l/3)+(19/21) # (1-(17/19)m)), soit (1,25)/7, ou encore 17,86 %.

On remarque que ce résultat ne dépend pas de la température initiale de l'air inté rieur (naturellement, le rendement économique en dépend).

Au total, pour une course utile de l'ordre de 5760 m en 1 h (+ 1 ou 2 h pour le retour et les manoeuvres de gonflage d'air chaud), on a une vitesse moyenne de 1,6 m/s par ballon (une vitesse de montée élevée accroît la difficulté des manceuvres et la résistance de l'air extérieur mais réduit les fuites de chaleur, et augmente la puissance ou permet l'utilisation plus fréquente de ballons qui peuvent donc être plus petits ... ).

Une montgolfière de 10 hm' au départ (augmentant jusqu'à 12,84 hm' à 2880 m, puis restant constante) ne semble pas irréaliste : un an après la première montgolfière (1783) en avait été construite une de 23 000 m', qui s'est élevée de<B>1000</B> m. Il est vraisem blablement possible de gagner un facteur 10 dans toutes les directions en deux siècles. La NASA a un projet de ballon stratosphérique (ULDB) de 60 m de rayon environ, soit près de 1 hm' ("Pour la Science", mars 2000, p. 43 et 29).

La puissance s'estime ainsi, pour une montgolfière de 10 hm3 gonflée d'air sec à 87'C (360'K): la diminution relative de densité de l'intérieur par rapport à l'extérieur, entre 300 et 360 K, est de 60 / 360 =<B>1/6</B> ; la densité de l'air à 300 K étant de 1,178 kg/m', la diminution est de<B>1,178/6</B> = 0,196 kg/m' ; soit pour une montgolfière de 10 hm3 : 1960 t, ou 19,2 MNewton. La montgolfière se dilate jusqu'à la moitié environ de la course, puis travaille à volume constant et en acceptant des sorties d'air pendant la deuxième partie, ce qui perd 6,25 % du rendement théorique global. Pour une vitesse de 1,6 m/s, on a donc une puissance de l'ordre de 19,2 = 1,6 = 0,9375 = 28,8 MW (la production en continu de cette puissance suppose que différentes montgolfières se relaient de telle manière qu'il y en ait toujours une en traction).

<I>b) Montgolfières à air saturé de vapeur d'eau</I> A volume de montgolfière constant, et indépendamment de l'intérêt économique qu'il y a à utiliser de la chaleur captée ou transportée par l'eau, les gains en puissance résul tant de l'utilisation de montgolfières gonflées avec de l'air fortement chargé en humidité sont les suivants - la vapeur d'eau est plus légère que l'air (masse molaire 18 contre 29) ; - arrivée à une altitude où le refroidissement conduit à la condensation de l'eau, la montgolfière se transforme en nuage, mais dont les circulations d'air sont bloquées à la base et au sommet (ce qui évite la formation d'un trop grand champ électrostatique par friction de l'air sur les gouttes d'eau, et donc les éclairs). Le moteur de ces circulations, à savoir le fait que cette condensation libère de la chaleur latente de vaporisation et que la diminution de la température avec l'altitude est plus lente que sur la courbe du gradient a diabatique sec, est donc capté par la montgolfière. Celle-ci peut alors repartir de plus belle, avec moins de gaz mais un différentiel de température par rapport à l'extérieur plus fort ; - le fait que la montgolfière contienne alors moins de gaz résout partiellement le problème de la limitation de son volume et de la perte de Joules résultant de la libération prématurée d'air chaud dans l'atmosphère<B>;</B> - une très forte saturation en eau permet de faire pleuvoir le nuage formé dans la montgolfière. L'énergie potentielle gravitationnelle de cette pluie peut aussi être récupérée, en gonflant les ballons auxiliaires d'une quantité d'hydrogène ou d'hélium supplémentaire, dont la poussée d'Archimède compense le poids de l'eau recueillie. Cette compensation joue lors de la partie de la montée qui a lieu après la condensation, et lors de la descente, mais pas lors de la première partie de la montée. On a donc, sur ce trajet, d'une longueur égale à l'altitude à laquelle a lieu la condensation, une force ascensionnelle égale au poids de cette eau, et donc une production d'énergie égale à son énergie potentielle gravitationnelle. Ceci consiste en fait, après avoir créé de l'énergie éolienne artificielle, à faire de même en matière d'énergie hydroélectrique.

L'ensemble des avantages ci-dessus permet d'augmenter la puissance que l'on peut produire avec une montgolfière ou de diminuer sa taille à puissance constante. Par contre, dans la mesure où on est obligé de condenser à haute altitude de la vapeur d'eau, qui n'aura donc pas pu transmettre sa chaleur à l'air (qui reste le principal fluide moteur) dès les premiers moments de fonctionnement de la montgolfière, le rendement thermodynamique théorique est moins bon qu'avec de l'air sec.

Cet inconvénient est compensé par des considérations économiques, telles que le plus faible coût de captage de l'énergie solaire dans des bassins solaires que dans des verrières à air, ou la production d'eau douce en complément de la production d'électricité. Cette eau (ou une cargaison supplémentaire compensée par les ballons à gaz légers), correctement refroidie lors de son passage à haute altitude, voire transformée en glace, peut même alimenter un réseau de climatisation à eau glacée, notamment pour la salle des machines, les bureaux de contrôle, etc. <U>4. Retour des montgolfières et arrimage</U> Le dégonflage complet du ballon se fait par le haut (l'air intérieur restant plus léger que l'air extérieur), entraînant sans difficulté l'armature inférieure et l'enveloppe si elles sont été allégées à l'air de gaz légers. Dans le cas où l'air est humide, la récupération de l'eau suppose d'organiser un mélange turbulent entre air extérieur froid et air intérieur tiède et humide. L'énergie nécessaire aux manoeuvres d'ouverture et de fermeture des orifices (ainsi qu'à un éventuel dégivrage) provient de quelques batteries alimentées par des cellules photovoltaïques.

Si la montgolfière dégonflée redescend sous l'effet de son propre poids, rien ne per met de la ramener à son point de départ exact. II faut donc qu'elle reste un peu plus légère que l'air, grâce à un peu plus d%élium ou dmydrogène que ce qui est nécessaire pour com penser le poids exact de la tare, de façon à ce que la ou les génératrices, fonctionnant en moteur (à une puissance 10 ou 20 fois inférieure), puissent la tirer dans la bonne direction.

Pour que la redescente se fasse dans de bonnes conditions, il faut que la tension des câbles soit d'autant plus grande que le vent est fort. Cependant, il n'est pas nécessaire que l'excès de gaz légers soit calculé pour des valeurs de vents qui ne sont que rarement attein tes, car il est également possible, dans ces cas, d'obtenir une tension élevée en ne vidant pas complètement la montgolfière de son air chaud une fois l'ascension terminée.

Le nombre de câbles ou sangles permet d'exercer des tractions différenciées selon leur position par rapport au vent, pour placer la montgolfière le plus possible à la verticale de la sortie de l'air chaud. Le "tuyau de ravitaillement en vol" est guidé par ces câbles ou sangles ; pour les derniers mètres, une attraction ferromagnétique permet le positionnement exact de l'anneau situé à sa base, sur un anneau équivalent situé au sommet de la bouche de sortie de l'air.

La redescente peut se faire à une vitesse plus grande que la montée (par exemple grâce à un changement de vitesse mécanique, type marche arrière, entre les tambours et la machine à courant continu), notamment de manière à ce qu'aucune montgolfière voisine, en cours d'ascension, ne se trouve à une hauteur importante en même temps que celle qui redescend, éliminant ainsi tout risque d'embrouillage des câbles même en cas de sautes de vent imprévues. <B><U>C. Installations au sol</U></B> <U>1. Transformation de la puissance-de</U> traction <U>en</U> puissance <U>électrique</U> Le ballon transmet sa force par l'intermédiaire de câbles ou de sangles qui doivent être isolants afin de ne pas jouer le rôle de paratonnerre ; pas trop lourds afin de ne pas fai re rapidement chuter le rendement de l'installation ; tout en fonctionnant assez loin de leurs limites élastiques de manière à rester de longueur à peu près constante ; et de préférence hydrophobes. L'inconvénient des câbles est qu'ils génèrent un pli net, et donc des tensions et un vieillissement non négligeables, sur le tissu de la montgolfière, une fois celle-ci bien gonflée. Ces effets peuvent être réduits en remplaçant de tels câbles par des sangles (de préférence légèrement moins tendues sur les bords qu'au centre). Leur inconvénient est d'offrir une plus grande surface aux facteurs de vieillissement (rayonnement solaire, vent de sable, etc.) - corrélativement, leur forme est moins épaisse donc il y a moins de fibres profondément à l'abri des mêmes intempéries.

Avant prise en compte du poids des câbles ou sangles suspendus au ballon, sa force ascensionnelle est constante (air sec) ou croissante (air humide) tant qu'il n'est pas à son volume maximum et qu'il peut donc, parallèlement à la diminution de pression, se dilater en gardant une quantité d'air constante. La force s'infléchit ensuite en fonction de la masse d'air perdue.

On peut alors souhaiter, soit une puissance électrique constante, ce qui nécessite que la vitesse augmente avec l'altitude dans la seconde partie de la course, soit une vitesse constante, la puissance diminuant alors. (Dans la pratique, pour une optimisation avec plusieurs montgolfières fonctionnant en parallèle, les grandes phases de régimes de puis sances différents pourront être moyennées à l'aide de déphasages entre ces montgolfières, et la vitesse de chaque ballon pourra être à peu près constante, permettant aux diverses machines de travailler, notamment dans la première moitié de la montée, dans des condi tions proches des valeurs nominales ; par contre, des ajustements de détail de la puissance pourront être obtenus par l'intermédiaire des vitesses, comme décrit plus bas).

A ces contraintes s'ajoutent celles liées au fait que le déroulement du câble ou de la sangle sur un tambour se fait avec un rayon qui diminue au cours de la montée, augmentant encore la vitesse de rotation de l'arbre.

L'ensemble de ces données, ainsi que le fait que la même machine doit pouvoir ramener le ballon en luttant contre la poussée d'Archimède des poches d'hydrogène ou d'hélium (assurant ainsi, grâce à la tension des câbles, un bon guidage vers la verticale de la cheminée solaire), imposent le recours à une génératrice à courant continu, éventuellement reliée ensuite à un moteur à courant continu qui entraînerait (avec une centralisation de la puissance de plusieurs ballons) un alternateur à la rotation parfaitement synchronisée au réseau. La longueur de la sangle ou du câble tracteur, de 5 à 6 km, leur tension, de l'ordre de 20 MNewton, et leur section (identique qu'il s'agisse de sangles ou de câbles) non négli geable, nécessitent d'examiner leur enroulement sur le tambour. Sa largeur serait, comme son diamètre, de quelques mètres, et pourrait coïncider avec celle des sangles.

La question de savoir quel axe peut supporter de tels efforts, peut se résoudre par une absence d'axe. Partant du principe que, s'il y avait un axe, il serait nécessairement mon té sur roulement à billes (cylindriques), et que ces roulements devraient être les plus gros possibles pour résister aux forces appliquées, il suffit de leur donner la taille du tambour lui-même ; l'axe devient dès lors inutile. Ne reste que le tambour, qui constitue un rotor cylindrique évoluant à l'intérieur d'un stator avec lequel le seul contact est constitué par ces billes.

Une ou deux roues dentées situées également à la circonférence des bases du tam bour peuvent ensuite transmettre la puissance à une ou plusieurs roues dentées plus petites, dont les axes sont moins longs, et ne sont donc pas soumis à la contrainte exercée sur le tambour lui-même. La suite de la chaîne de démultiplication ne pose pas de problème.

Les contacts par roulement à billes ne sont possibles qu'aux deux extrémités du tambour, ce qui exclut, pour des raisons mécaniques, que ce tambour soit trop large. Son rayon ne peut par ailleurs pas être gigantesque. L'enroulement se fait donc nécessairement sur un assez grand nombre de couches, et donc avec une épaisseur cumulée non négligea ble, et un rayon d'enroulement assez variable, inconvénient qui s'ajoute, comme on l'a vu à la page précédente, à la diminution de la force en fin de course. Certes, l'utilisation d'une machine à courant continu permet de compenser cet effet en variant l'excitation, mais si on le fait sur une trop grande plage, on s'éloigne trop du point de fonctionnement nominal.

Ce problème se résout donc de manière d'autant plus aisée que le nombre de câbles ou de sangles est grand, effet qui peut être pris en compte dans la détermination du nombre de fuseaux de la montgolfières et du nombre d'éléments des structures circulaires rigides formant les arêtes du cylindre auquel ressemblera cette montgolfière.

Si l'on souhaite utiliser des câbles et moins de génératrices que de câbles, il sera nécessaire de pouvoir connecter mécaniquement les tambours tout en permettant le contrô le de chaque câble. Il faudra alors que les enroulements se fassent de manière parfaitement coordonnée (passage de la lé" couche à la 2ème, de la 2@me à la 3"e, etc...). Des empreintes des câbles peuvent, dans ce but, être préformées sur les tambours.

Des asservissements peuvent contrôler la longueur de ces câbles en les faisant passer, entre les tambours et leur sortie dans l'atmosphère, par des poulies que l'on pourra déplacer : collectivement, de manière à lutter contre le vent (et ce sera d'autant plus facile que les points de sortie seront plus espacés) ; et, individuellement, le contrôle de la tension et de la longueur de chaque câble permet de détecter des anomalies, par rapport à ses voisins immédiats (indice d'une déformation de l'enveloppe du ballon, due par exemple à une déchirure, ou d'une élongation du câble lui-même), et par rapport au côté opposé (problème d'horizontalité de la base et du sommet du ballon, qui peut être corrigé par des tractions horizontales différentielles sur les câbles concernés). Dans l'hypothèse où l'on remplace les tambours par des sangles, les poulies devront être adaptées à leur largeur, et précédées par de vastes entonnoirs.

Il ne semble pas y avoir de grand inconvénient à ce que, pendant le remplissage de la montgolfière, les tambours soient mécaniquement immobilisés et non pas maintenus en tension à l'aide des machines électriques. En effet, au moment de laisser repartir le ballon, son accélération sera au plus égale à celle de la pesanteur, multipliée par l'écart relatif de densités (20 % au maximum), soit moins de 2 mls2.

<U>2. Gestion globale des</U> puissances, <U>des vitesses et des durées de cycles</U> La plupart des technologies utilisées sont assez rustiques, mais des moyens modernes doivent également être utilisés. Les ballons doivent communiquer avec la base pour transmettre des informations sur leur état, leur orientation, le vent, etc. Il doivent aussi en recevoir pour commencer et arrêter de se vider au bon moment. Ces communications se font par radio, les câbles étant nécessairement des isolants électriques.

Sur un "champ" de production d'énergie solaire, on peut naturellement construire plusieurs bases de pilotages de montgolfières, permettant d'assurer une puissance électrique ininterrompue, et quasi-constante. La gestion de cet ensemble a naturellement vocation à être automatisée, la correction des aléas résultant des mécanismes d'asservissement, et la performance technique et économique de l'ensemble devant être optimisée par des calculs informatiques adéquats.

Derrière les machines qui fonctionnent en génératrices pendant la montée des bal lons et en moteurs pour les faire redescendre, on place d'autres machines à courant continu, fonctionnant en moteurs, puis un ou des alternateurs. Le fait d'avoir dans la chaîne électro mécanique deux machines à courant continu permet deux réglages par l'excitation du rotor, donc une commande facile de la vitesse de montée des ballons, qui puisse se faire de façon totalement indépendante des variables électromécaniques de l'alternateur final.

Cependant, l'inertie du fluide moteur en train de travailler et du "piston", c'est-à- dire, ici, du contenu du ballon et de son enveloppe, est beaucoup plus grande que pour une turbine normale. Or, la force ascensionnelle du ballon n'étant pas modulable à court terme, l'adaptation de la puissance fournie à une augmentation de la puissance appelée passe nécessairement par une augmentation de sa vitesse. Pour ce faire, il faut dans un premier temps laisser le ballon accélérer, c'est-à-dire lui demander de produire moins de force, et donc moins de puissance dans l'immédiat. Avec un rapport F/m de 1,6 m/sI et une vitesse de 1,6 m/s, pour augmenter la puissance de 5 % en 1s, il faut accepter de produire 5 % de force en moins pendant ce temps ; donc, pour gagner 1 MW en 1s, il faudrait avoir 1,5 MJ en réserve. Les réserves de puissance les plus massives utilisent le stockage irréversible d'éner gie chimique. On pourrait éventuellement faire appel à des turbines à gaz si elles sont capables d'accélérer très rapidement pour s'adapter à la pointe de demande. Mais on peut également alimenter de gros électrolyseurs (alumine, chlorure de sodium fondu, eau). Un prélèvement sur cette réserve, sous forme d'une réduction de l'intensité continue dédiée à ces électrolyseurs, permet de fournir immédiatement la puissance transitoire nécessaire à une réaction efficace du système de montgolfières.

Ces difficultés correspondent uniquement à des problèmes résultant de variations brusques de la puissance extérieure appelée. En ce qui concerne la compensation de puissance entre différentes unités d'un même ensemble, les systèmes de commandes et d'asservissement doivent comprendre des fonctions d'anticipation des changements de régime (utilisation des machines en moteurs pour ramener le ballon vers le bas ; éventuelle mise en tension, démarrage et fin de la course ascensionnelle ; passage du régime à volume croissant et force constante, au régime à volume constant et force décroissante).

L'adaptation â une pointe de puissance appelée sur une échelle de temps de quel ques heures et non plus de quelques secondes peut se faire par une augmentation de toutes les vitesses et un raccourcissement de tous les cycles - le système consomme alors plus que prévu (ou stocke moins) la chaleur accumulée dans les réservoirs d'eau, en attendant l'effet inverse à un autre moment de la journée ou de la semaine.

Pour des variations plus durables, il n'y a pas d'autre solution que de faire appel à d'autres sources d'énergie ou de construire des unités supplémentaires.

<B><U>III. PRODUCTION DE L'AIR UTILISE COMME FLUIDE MOTEUR</U></B> <B><U>A. Chauffage de l'air dans des verrières solaires</U></B> <U>1. Transformation de l'énergie</U> radiative <U>en chaleur</U> La température de 87'C (augmentation de<B>60'</B> par rapport à la température am biante) prise comme hypothèse pour les calculs de dimensionnement effectués précédem ment est cohérente avec le fait que la température d'équilibre d'une surface noire avec une faible réémission dans l'infrarouge (effet de serre d'une verrière plus éventuellement traite ment de surface adéquat) peut atteindre 200 C.

Le principe recherché est l'utilisation de matériaux les moins sophistiqués et donc les moins chers possibles : verrière métallique sur fondations standard, "radiateurs" au sens électrotechnique du terme, réservoirs d'accumulation de chaleur pour fonctionnement 24 h/24, remplis d'eau ou constitués de roches, prise d'air avec dépoussiéreurs simples, etc. On peut éviter d'installer de gros ventilateurs si l'air est aspiré à l'entrée de la montgolfière par effet de "cheminée solaire" (l'air chaud monte), ce qui résulte soit du cylindre textile de "ravitaillement en vol" (p. 14), soit de la construction d'une cheminée solaire en dur, au centre de la verrière.

L'augmentation de la température de l'air et donc du rendement peut se faire : en uti lisant des doubles vitrages (ce qui a pour inconvénient d'augmenter les pertes par réflexion) en luttant contre ces pertes en utilisant des vitres inclinées (fixes) ou orientables (mobiles) vers le sud (pour l'hémisphère nord), et/ou orientables par rapport à la direction est-ouest, et/ou traitées antireflet sur une ou plusieurs de leurs surfaces ; en améliorant la non-réémis- sion dans l'infrarouge des capteurs ; en utilisant du verre plus épais, dans un but de meilleu re isolation thermique, que ce qui est strictement nécessaire d'un point de vue mécanique.

Ces améliorations seront plus utiles si l'air rejoint la montgolfière en deux temps un préchauffage dans une verrière normale, puis un deuxième chauffage, avec une tempéra ture d'équilibre plus élevée, dans une verrière améliorée.

Par ailleurs, si le coût (amortissement de l'investissement et coût de fonctionnement confondus) des verrières s'avérait important par rapport à celui des montgolfières, on peut éviter les rejets dans l'atmosphère ambiante d'air déjà un peu chauffé (inévitables, en raison de la dilatation de l'air, dans un système à une seule montgolfière), en s'arrangeant pour qu'il y ait toujours ou presque toujours une montgolfière dans laquelle puisse se déverser cet excès d'air résultant de la dilatation.

Ceci est possible en installant, sur la même verrière chauffante, deux ou trois montgolfières se relayant de manière à ce que la durée d'une montée coïncide avec le chauffage d'une couche d'air. Bien que la redescente rapide permette d'éviter qu'il y ait deux montgolfières en même temps à des altitudes supérieures à environ 2000 m, on peut, pour supprimer tout risque que leurs câbles s'embrouillent, ne pas utiliser une verrière de forme massive, mais la constituer en deux ou trois unités reliées par un ou trois vastes couloirs (eux aussi capteurs de chaleur de manière à ce que leur coût ne soit pas un coût supplémen taire improductif) permettant des courants d'air égalisateurs de pressions.

On verra au point suivant qu'une telle utilisation plus fréquente de l'air chaud produit par la verrière permet également d'en réduire le volume, c'est-à-dire la "hauteur de plafond", ce qui peut être aussi générateur d'économies.

S'il s'accompagne d'une grande réduction de coûts, un chauffage préalable moyen nement efficace peut être admis. Cela consiste à remplacer les vitres par de simples filets, beaucoup plus légers, mais aptes à remplir à peu près le rôle d'obstacle à l'échappement de l'air chaud vers le haut. Pour ce faire, il faudrait que l'air soit guidé, et maintenu en légère souspression par rapport à l'atmosphère, depuis son entrée dans le système et jusqu'à des verrières finales (ou l'évaporateur d'eau - Cf. partie suivante ; pour cette raison, la reven- dication correspondante est placée en position n 40), par de larges et lents ventilateurs, qui prélèveraient sans doute une puissance négligeable sur la production de la montgolfière.

Les échanges thermiques avec les panneaux noirs (légèrement pentes et surélevés pour éviter l'ensablement) situés au sol seraient également améliorés par ces ventilateurs, dans la mesure où, tournant tous dans le même sens, ils donneraient aux lignes de courant une forme hélicoïdale permettant de varier les parties du flux en contact avec ces corps noirs. Cependant, on peut aussi envisager d'autres configurations. Par exemple, chaque rangée de ventilateurs pourrait n'en comprendre qu'un sur deux. La rangée suivante serait décalée transversalement de la largeur d'un ventilateur, comblant ainsi les lacunes de la précédente rangée. Rien ne s'opposerait dans ce cas à ce que le sens de rotation des pales s'inverse d'une rangée à l'autre.

L'inconvénient de cette solution est naturellement que l'on perd l'effet de serre lié aux vitres (à l'inverse, on évite les pertes par réflexion, et le facteur de transmission d'un filet peut se comparer avantageusement à celui d'une vitre ou d'un double vitrage).

Cet effet de serre est fondé sur l'absorption par le verre des rayonnements infrarou ges réémis par les corps noirs chauffés. La question se pose alors du devenir de cette cha leur captée dans le verre, et de son transfert par conduction aux masses d'air environnantes. Dans un double vitrage, la vitre inférieure cède (vers le haut) son énergie à une lame d'air suffisamment mince pour ne pas convecter. Par contre, la conduction n'est pas arrêtée. Une autre option consiste à placer cette vitre inférieure à mi-hauteur de la verrière. La chaleur cédée par cette vitre est alors transférée à de l'air qui, certes, convecte un peu, mais peut en revanche être déversé dans la montgolfière. Mélanger cet air moins chaud à l'air plus chaud inférieur n'est pas aberrant, car le rendement thermodynamique ne dépend pas de l'augmen tation de température de l'air (cycle ouvert), seule la limitation du volume des montgolfiè res impose le recours à un air qui ne soit pas trop tiède.

Pour un système à deux ou trois verrières reliées entre elles, et autant de dispositifs d'envol de montgolfières, les sas latéraux d'entrée d'air et les circulations d'air au sein de la verrière peuvent être réglables, de manière à ralentir les arrivées de l'unité la plus proche, et à accélérer celles des arrivées les plus lointaines, pour que chaque montgolfière, quel que soit son lieu de départ, se remplisse de la quasi-totalité de l'air de la verrière.

<U>2.</U> Dimensionnement <U>et intérêt de relier ensemble plusieurs verrières</U> La surface de verrière nécessaire pour permettre à une montgolfière de fonctionner peut s'estimer ainsi : la puissance reçue, perpendiculairement, avec un bon ensoleillement, peut être prise égale à 0,9 kW/M2 . En moyenne sur 12 heures, compte tenu de l'inclinaison du soleil, il reste 0,4 kW/M2 ; sur 24 h : 0,2 kW/m2. Si on estime à 50 % l'ensemble des pertes thermiques (réflexion à l'entrée, réémission dans l'infrarouge, conduction du verre ou des isolants thermiques placés sous la verrière, etc.), il reste 0,1 kW/m2, ou 100 MW/kmz. Le rendement thermodynamique de montgolfières montant à z,,/3 avec une masse constante puis à 2z,,/3 avec un volume constant, étant de 17,86 %, la puissance mécanique obtenue est de 17,86 MWIkm2. La puissance envisagée plus haut (28,8 MW divisés par deux si on suppose que l'on a une seule montgolfière par verrière et qu'elle ne travaille qu'une heure sur deux) avec une vitesse de 1,6 m/s nécessite donc une surface de capteurs de 14,4/17,86 = 0,81 km2 (chiffre à majorer légèrement dans le cas où on relâche dans l'atmosphère une partie de l'air chauffé qui, à cause de la dilatation, ne peut rester dans la verrière tant que la montgolfière n'a pas été remise en place pour le récupérer).

Comme celle de 100 MW /km2, la puissance de 14,4 MW est une moyenne sur 24 h. La puissance appelée étant plus faible la nuit, on pourra atteindre des valeurs de 16,8 MW et 12 MW avec des différences de température par rapport à l'extérieur de 70 et 50 (soit des températures réelles de l'air de plus de 110 et de moins de 60 , car il fait froid la nuit dans les déserts). Pour des écarts entre les puissances nocturnes et diurnes encore plus grands, il faudra augmenter la vitesse des montgolfières le jour et la diminuer la nuit.

L'épaisseur de la couche d'air pouvant être chauffée de 27 à 87 C en une durée de d heures se détermine à l'aide de la capacité calorifique à pression constante : CP = 7/2 nR ; Cp/n = 7/2 R = 7/2 # 8,32 J/ .mol = 29,12 J/ .mol. Pour ramener à un m3 à 27 C, on divise par (22,4 # 300 /273) = 24,6<B>1,</B> soit : 29,12 J/ = 24,6 1= 1,183 kJ/ .m3. Connaissant la puis sance reçue déjà calculée plus haut : 0,1 kW/m2 en moyenne sur 24 h, ainsi que la durée d'un chauffage (égale au double de celle d'une ascension) : d heures, on reçoit, par m2, l'énergie moyenne<B>:</B> d # 3600 s - 0,1 kW = d - 360 kJ/m2. Pour augmenter de 60 la tempé rature de l'air ambiant, il faut que son épaisseur soit de e = d # 360 J/m2 /<B>(601</B> # 1,183.103 J/ .m3) = d # 6 / 1,183 = 5,1 d, en mètres.

Il s'agit de l'épaisseur d'air à 27 C (V.,,, = 24,61). Si on veut vérifier que le volume de la montgolfière au départ est bien de 10 hm', il faut tenir compte de la dilatation, puis qu'elle part avec de l'air à 87 , et on a un volume de : 0,81 km2 # (360 / 300) # 5,1d = 5 d, l'unité étant des km2.m, c'est-à-dire des hm3. Avec d = 2, on trouve bien 10 hm3.

La formule e = 5,1d montre qu'il faut arbitrer entre la vitesse de montée (trop rapi de, elle rend le pilotage mécanique plus délicat) et l'épaisseur de la verrière. Des valeurs raisonnables semblent : 10 m de haut, pour d = 2, soit 1 h de montée (d'où la vitesse moyenne de 1,6 m/s, ou 5,76 km/h), autant pour la descente, l'arrimage, le regonflage.

On peut aussi éliminer le coefficient 2 qui affecte la durée de montée, en installant, sur la même verrière chauffante (de forme décrite plus haut), deux ou trois montgolfières se relayant de manière à ce que la durée d'une montée coïncide avec le chauffage d'une couche d'air. On peut alors avoir, à la fois, une hauteur de verrière limitée à 5 m et une vitesse de 1,6 m/s (la puissance est alors de 28,8 MW et la surface de 1,62 km2), ou 10 m et 0,8 mis (la puissance reste de 14,4 MW et la surface de 0,81 km2), ou toutes valeurs de hauteur de verrière et de vitesse dont le produit vaut 8, la puissance et la surface variant, tant que l'on conserve un écart de température de 60 et un volume de départ des montgolfières de 10 hm', proportionnellement à la vitesse.

On sait également<B>(CE</B> supra) que cette variante permet d'éviter de laisser échapper de l'air au fur et à mesure de sa dilatation, car, avec un espace unique et trois montgolfières, il y en a toujours une au sol que l'on peut commencer à gonfler, sous le seul effet de la dilatation (avant de terminer le gonflage avec tout l'air présent dans la verrière, en le remplaçant par de l'air frais).

Les calculs ci-dessus supposent, comme on l'a vu en vérification, que l'on vide tout l'air de la verrière en une seule fois dans le ballon, ce qui permet de limiter la hauteur de verrière. Cependant, à proximité des dispositifs d'envol des montgolfières, ou dans les couloirs reliant plusieurs unités au sein d'une même verrière, il est préférable d'avoir des hauteurs plus grandes, car le flux d'air en mouvement se concentre sur une largeur plus faible. On peut donc avoir un volume d'air de la verrière légèrement supérieur à celui du ballon ; l'air déjà chauffé mais en excédent restera "sur le quai", dans ces mêmes zones situées à proximité de la bouche de sortie ou dans les couloirs reliant plusieurs unités.

Comme discuté précédemment, il serait donc tout indiqué d'avoir à ces endroits des verrières de meilleure qualité thermique. Or, la hauteur de verrière optimale est justement proportionnelle à la quantité de chaleur par m2 captée par le système. Tout se combine donc favorablement puisque, partant de l'idée qu'il faudrait â ces endroits une hauteur plus élevée, on retrouve la même conclusion à la fin.

<U>3. Stockage de la chaleur et isolation thermique du sol</U> Le stockage de la chaleur est nécessaire à la continuité de la production d'électricité et à la satisfaction des besoins diurnes <I>I</I> nocturnes et par temps ensoleillé<I>I</I> couvert. Bien que ne soit pas la seule possible, le stockage dans le sol est une option intéressante. La question se pose cependant de savoir si la conductibilité thermique du sol est suffisante. Or, pour obtenir le meilleur rendement, on est également conduit à se poser la question inverse cette conductibilité n'est-elle pas trop forte et ne va-t-on pas avoir des pertes thermiques importantes par le bas ? En réalité, la surfaces des verrières (N.B. - pas celle des couloirs de liaison entre unités différentes d'une même verrière) est telle que, jusqu'à plusieurs dizaines de mètres, le réchauffement du sol par conduction ne se traduit pas par une fuite vers le milieu exté rieur. Il doit donc être considéré comme un stockage de chaleur à très long terme (équilibré en fin de compte par le flux de chaleur géothermique), et non pas comme une perte. Il sera donc plus économique de ne pas prévoir d'isolation horizontale sous la verrière, mais tout au plus une jupe circulaire isolante â son pourtour, d'une dizaine de mètres vers le bas, stoppant les fuites latérales. <B>B.</B><U>Vaporisation</U><B>d'eau</B><U>moyennement</U><B>chaude dans l'air</B> L'intérêt d'utiliser de l'air humide comme fluide moteur a été mis en évidence au point b) du Il - B - 3 (dimensionnement), p. 16. Dans un premier temps, ceci génère un gain dû à la plus faible densité de la vapeur d'eau par rapport à l'air. Puis, à une altitude où le refroidissement conduit l'eau à se condenser, la montgolfière se transforme en nuage. La chaleur latente de vaporisation libérée par la condensation fait que la diminution de la tem pérature interne de la montgolfière est plus lente que celle de l'air externe, ce qui permet au différentiel de température d'augmenter. Le nuage formé dans la montgolfière peut enfin pleuvoir, ce qui peut remplir une fonction de dessalement d'eau de mer, et, de plus, l'éner gie potentielle gravitationnelle de cette pluie peut être récupérée.

Cet air humide est obtenu en réalisant une "douche" d'eau chaude (soit en la laissant tomber à partir d'une surface percée de petits trous, sans qu'il soit nécessaire de la mettre en pression, soit en créant de fins jets d'eau, dirigés vers le haut, obliquement ou latéralement, qui se divisent en gouttelettes.

<U>1. Utilisation de bassins solaires</U> Sous réserve des sources d'énergie alternatives proposées au point suivant, l'utilisation de bassins solaires est un moyen naturel de produire l'eau chaude nécessitée par la production d'air humide chaud (et d'associer la fonction de production d'électricité à la fonction de dessalement d'eau de mer).

En effet, la production d'eau salée chaude à bas prix est la caractéristique des bas sins solaires. La couche d'eau à chauffer, de salinité élevée, se trouve au fond d'un bassin ; elle est isolée thermiquement de l'atmosphère par d'autres couches, et notamment, en surface, une couche d'eau froide, qui perd peu de chaleur par évaporation, et peu salée, l'ensemble étant stable par rapport à la pesanteur, et donc anticonvectif La couche d'eau de fond joue également le rôle d'accumulateur de chaleur.

Cependant, ici, la structure des différentes couches d'eau doit être considérée de manière dynamique et non plus statique. La chaleur de l'eau chaude du fond du bassin n'est pas recueillie par l'intermédiaire d'un échangeur thermique, c'est cette eau qui est recueillie pour être vaporisée dans l'air alimentant les montgolfières.

En conception de base, on la renvoie à son point de départ, plus froide mais aussi en quantité plus faible (une partie s'est évaporée dans l'air moteur) et encore plus salée. La conservation des quantités totales d'eau et de sel du bassin est assurée par le fait qu'une partie de cette eau très salée est également renvoyée à la mer ou à des marais salants, tandis que de l'eau de mer froide, de même salinité que la couche supérieure du bassin, y est déversée. Ceci crée un léger flux d'eau de haut en bas, avec deux conséquences bénéfiques. En premier lieu, il n'y a plus à s'inquiéter de la diffusion de sel de bas en haut, et la différence de salinité (donc la stabilité de la structure en couches) est maintenue.

En second lieu, la chaleur des couches intermédiaires, résultant de l'absorption des rayons solaires et de la conduction en provenance du corps noir, est lentement renvoyée vers le bas. Elle est ainsi mieux valorisée. De plus, la couche de surface ne joue plus le rôle de source froide, et donc cède peu de chaleur et de vapeur d'eau à l'atmosphère, évitant ainsi que la différence de masse volumique et de gradient de température entre l'intérieur et l'extérieur du ballon soit réduite.

L'eau chaude est récoltée à l'aide de gros tuyaux percés, roulant au fond de l'eau sur des pistes en dur (si cette condition n'était pas réalisable, on pourrait équiper ces tuyaux de ballasts de manière à leur assurer une quasi-flottaison). Les tuyaux balayent des secteurs angulaires de manière à assurer dans de bonnes conditions, au centre de rotation, l'évacua tion de l'eau. Si l'entraînement se fait depuis la rive, ce devraient être de simples secteurs angulaires, avec retour à vide au point de départ (donc il faut plusieurs secteurs pour alimenter un même évaporateur). (On peut aussi envisager un mouvement circulaire perma nent, type bassins des stations d'épuration d'eaux usées, mais la question de l'entraînement du tuyau est plus délicate). Les arrivées d'eau se font dans la foulée. La conception de base décrite ci-dessus nécessite donc trois tuyaux parallèles, en triangle, le retour d'eau très salée et tiède se faisant juste derrière la récolte d'eau chaude, avec l'alimentation en eau de mer fraîche à la surface.

Cependant, cette conception n'est optimale qu'en cas de diffusion importante du sel du bas vers le haut (par principe, la structure en couches de salinités différentes bloque toute convection), dont il n'est pas certain qu'elle se produise spontanément. A défaut, la couche inférieure verra sa salinité augmenter jusqu'à une valeur très importante, peu pro pice à son évaporation et à son dessalement. II peut donc être opportun de mélanger cette eau de retour avec de l'eau de mer initiale, de manière à ce que son titre en sel soit à peine supérieur à celui de l'eau chaude prélevée. Cependant, dans le cas d'un bassin solaire à rela tivement haute température, ceci conduit â réinjecter de l'eau assez froide exactement là où, une heure plus tard, on voudra à nouveau prélever de l'eau chaude.

Il serait donc préférable de réinjecter de l'eau à mi-hauteur, de manière à ce que la couche du fond soit remplacée par celle qui lui était immédiatement supérieure, déjà assez chaude. Cependant, si l'on respecte scrupuleusement le principe de maintien de la quantité totale de sel (et d'eau) du bassin, la salinité de la couche ainsi réinjectée à mi-hauteur sera au moins égale à celle de la couche prélevée au fond, et donc elle tombera elle aussi au fond.

Mais le même principe peut souffrir des exceptions momentanées, à condition qu'en moyenne sur 24 h (voire plus), les quantités de sel et d'eau prélevées et réinjectées sont égales. Ainsi, à certaines plages horaires où il est nécessaire de préserver la chaleur de la couche inférieure et des couches immédiatement voisines, on réinjectera dans une couche médiane de l'eau de retour suffisamment mélangée avec de l'eau peu salée, pour que sa den- sité lui permette de ne pas tomber au fond. Et, à d'autres périodes, on réinjectera de l'eau très salée, en homogénéisant l'ensemble des couches inférieures, de manière à reconstituer le gradient de salinité normal sans que la couche inférieure soit excessivement salée.

La détermination des heures optimales pour ces deux comportements peut dépendre de l'ensoleillement, des besoins en électricité du réseau, du fait que les montgolfières sont plus efficaces la nuit parce que l'air extérieur est plus froid donc plus lourd.

On peut également alterner les rôles de plusieurs bassins. L'un produira de l'eau très chaude, servant au dernier chauffage de l'air, pendant que l'autre se contentera de donner de l'eau moyennement tiède, servant au premier chauffage, jusqu'à ce qu'on échange ces rôles pour rétablir les caractéristiques moyennes (quantités totales d'eau et de sel) de chacun d'entre eux.

Une variante du même principe consiste à utiliser un bassin de préchauffage dont l'eau alimente, par le fond, le bassin à haute température, l'eau de ce dernier étant d'abord utilisée pour chauffer de l'air déjà préchauffé, puis, ayant ainsi perdu une partie de sa cha leur, pour préchauffer de l'air froid et sec. (Ce schéma est thermodynamiquement équiva lent au principe décrit au paragraphe précédent ; il présente l'intérêt de réduire les transferts d'eau entre bassins solaires et douches d'évaporation, les remplaçant par des transferts de bassin à bassin et de douche à douche).

Par ailleurs, le renforcement du rendement thermodynamique du bassin solaire, peut éventuellement être recherché à l'aide des mêmes outils que pour les verrières : orientation oblique de la surface qui peut résulter de l'existence d'ondes se propageant à la surface ; couche supplémentaire d'isolant thermique, antireflet et / ou antiévaporation. Ce dernier point doit être également considéré dans la mesure où le rendement du ballon lui-même est meilleur dans une atmosphère sèche.

<U>2. Autres origines possibles d'eau chaude</U> Comme précisé en introduction, il est possible de contribuer à la lutte contre l'effet de serre en développant l'énergie solaire, mais aussi en améliorant l'efficacité énergétique de modes de production d'électricité existants (centrales thermiques ou nucléaires), ou en valorisant sous forme électrique d'autres formes d'énergie renouvelables, telles que l'éner gie géothermique.

Ce dernier point rejoint la logique de l'invention consistant à proposer un revenu de substitution aux pays actuellement producteurs d'hydrocarbures, l'énergie géothermique pouvant provenir d'anciens puits de pétrole, aujourd'hui épuisés, où l'on injecterait de l'eau froide pour l'extraire ultérieurement, plus chaude. Plus généralement, toute source abondante de chaleur basse température qui a l'eau pour fluide caloporteur et qui ne trouve pas une utilité adaptée sous forme de chauffage d'habitations ou de serres, de process industriels, etc., peut être valorisée dans le cadre de la présente invention.

En particulier, la chaleur basse température produite par les grosses centrales électriques thermiques ou nucléaires peut alimenter, soit les "usines à air" décrites au point suivant, soit les montgolfières, soit les deux.

Un bon rendement de ces étages secondaires de production d'électricité peut passer par une légère baisse de rendement de l'étage primaire ou par des investissements complé mentaires en matière de contacts thermiques, de sorte que l'eau sortant des échangeurs qui refroidissent la vapeur des turbines soit un peu moins froide que dans ces installations telles qu'elles sont aujourd'hui conçues. Cependant, la présente invention peut par ailleurs aider à satisfaire aux contraintes de faible perturbation du milieu (notamment quand il s'agit de rivières) de prélèvement (amélioration du pourcentage d'eau restituée) ou de rejet (bon refroidissement de l'eau rejetée). Il n'est donc pas exclu de faire fonctionner l'usine à air et/ou les montgolfières à partir d'eau pas trop froide sans nuire globalement au bon fonctionnement de la centrale, dont les caractéristiques du circuit de refroidissement ne résultent pas uniquement de la volonté d'avoir un échange thermique de source froide à la plus basse température possible.

En ce qui concerne l'utilisation des "usines à air" décrites au point suivant, non pas dans les pays envisagés ci-dessus, mais dans les pays industrialisés, leur alimentation en air très froid sera possible, même de jour, durant les vagues de froid où la demande d'élec tricité est la plus forte. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir les importants moyens de stockage d'air froid développés plus bas.

Dans le cas de centrales nucléaires, les montgolfières peuvent être développées de manière autonome, comme décrit précédemment ; on peut cependant aussi envisager de transformer en "cheminées solaires", remplaçant les tuyaux de ravitaillement en vol, les tours de refroidissement qui assurent déjà, en fait, la fonction de création de cumulus artificiels, sans en récupérer la force ascensionnelle.

3. Amélioration du rendement <U>par la vaporisation de l'eau à volume</U> constant Les caractéristiques les plus prometteuses de l'invention, telles qu'elles résultent de la description ci-dessus, étant les suivantes : utilisation d'eau chaude, éventuellement salée, disponible à une température de l'ordre de 60 à 100 C, pour un coût modéré ; évaporation de cette eau, sous forme de "douches", permettant de chauffer et de saturer en vapeur d'eau des quantités importantes d'air, destinées à servir de fluide moteur ; refroidissement très limité de cet air au cours de sa détente, dû à la présence de la vapeur d'eau, dont la con densation apporte la chaleur nécessaire à ce quasi-maintien de sa température ; utilisation de cet air saturé en vapeur d'eau, dans une montgolfière dont le fonctionnement est comparable à celui d'un cumulus artificiel, de façon à en capter, à titre principal, la force ascensionnelle, et à titre accessoire, l'eau douce obtenue par condensation de la vapeur, les mêmes caractéristiques d'utilisation de l'eau comme fluide caloporteur et de l'air saturé en vapeur d'eau comme fluide moteur, sans turbine, à l'aide de dispositifs de grandes dimensions (notamment de grandes enveloppes de gaz), fonctionnant dans des déserts côtiers, sous assez faible pression, à des vitesses limitées, à partir d'une source chaude d'assez basse température, mais utilisant une source froide plus froide que ce qui est habi tuellement le cas, et produisant finalement une puissance importante et éventuellement de l'eau douce en quantité non négligeable, se retrouvent dans le dispositif décrit ci-dessous.

Bien qu'utilisant les mêmes principes que les montgolfières, il n'est pas concurrent, mais complémentaire. En effet, on fait ici travailler l'air entre 1,4 atm et 1 atm. La montgol fière, elle, le fait travailler entre 1 atm et 0,5 atm. On peut donc récupérer l'air à la sortie d'un système pour l'utiliser dans l'autre. Ceci est d'autant plus justifié que, si l'on cherche à travailler à des températures pas trop faibles (donc avec une pression de vapeur saturante relativement importante), aucun de ces deux systèmes ne consomme avec une bonne ren tabilité thermodynamique toute la chaleur latente de vaporisation de l'eau provenant des bassins solaires. Par contre, en les utilisant successivement, elle est mieux valorisée. De plus, l'existence d'une usine fonctionnant entièrement au sol garantit la continuité d'une partie au moins de la production d'électricité, même par très grand vent La puissance produite par cette "usine à air" étant, pour le même flux d'air humide, de l'ordre du tiers de celle des montgolfières, pour une industrialisation qui semble du même ordre de difficultés et de coûts, elle constitue a priori un élément accessoire à intégrer au système de montgolfières. Cependant, en raison notamment de sa position antérieure dans la chaîne de l'air humide, et des matériaux peut-être moins innovants à mettre en oeuvre, il ne peut être exclu qu'une telle usine (prototype réduit ou bâtiment de taille réelle) soit construite avant les montgolfières. C'est pourquoi la protection revendiquée par le présent brevet porte aussi bien sur cette usine, en tant qu'elle serait intégrée dans la chaîne de l'air humide qui débouche sur les montgolfières, ou qu'elle serait autonome et libérant dans l'atmosphère l'air humide expulsé par la phase "échappement".

<I>a) Principe de l' "usine à air"</I> De l'air soit ambiant, soit de préférence plus froid (Cf. infra, point f), est transféré, toutes les minutes environ, par dizaines de milliers de m', dans des locaux capables de résister à des différences de pression de l'ordre d'1/2 atmosphère et équipés d'un piston de grande taille (plusieurs centaines de m2) à chacune de leurs deux extrémités.

Un de ces pistons, qui n'aura à travailler que sous des différences de pression limi tées, et qui peut donc être mu par un procédé banal (vérins pneumatiques ou hydrauliques, étanchéité assurée par des soufflets) permet l'admission et l'échappement du fluide moteur. Ce dernier (l'air initialement ambiant ou froid) peut être pré-comprimé par le retour du piston moteur, puis est chauffé comme au début du point B ci-dessus (douches à eau chau de). Pour de l'air froid mais non pré-comprimé, sa température passe approximativement de 0 C à 60 C, d'où une augmentation de pression d'air de plus de 0,2 atmosphère, à laquelle s'ajoute la pression de vapeur saturante de l'eau (0,1 à 0,2 atm).

Cet air peut alors se détendre, en une grosse fraction de minute, en poussant l'autre piston avec une force se mesurant en 107 N sur une course de quelques dizaines de mètres. On retrouve une puissance de l'ordre d'une à quelques dizaines de MW. (Cette recette est la seule certaine ; la production d'eau douce dépend de si la condensation se produit sous forme de gouttes assez grosses pour tomber immédiatement sur le sol et se remélanger avec l'eau salée du chauffage, ou si ces gouttes restent en suspension et peuvent être recueillies sur des filtres lors de la phase d'échappement).

Cette puissance est produite en continu dès lors que l'on a plusieurs "cylindres" ain si équipés de pistons, et qui travaillent à tour de rôle. Il est même possible de coordonner ces cylindres et de collecter ces puissances d'une manière analogue à celle qui est mise en aeuvre pour les moteurs thermiques à deux ou quatre temps ("moteurs à explosion") : on obtient finalement un seul mouvement circulaire à peu près uniforme, entraînant de maniè re régulière un seul générateur électrique (ou trois machines : génératrice à courant continu, moteur à courant continu, alternateur, si l'on souhaite une qualité optimale d'alimentation d'un réseau).

Le mouvement alternatif du piston peut se décomposer en trois phases principales pendant environ un quart de cycle, la détente du gaz pousse le piston qui entraîne le reste de la chaîne de transmission, jusqu'à la génératrice électrique ; pendant le quart suivant, le retour de la bielle et donc du piston permet les phases d'échappement complet de l'air (le piston arrière venant à la rencontre du piston moteur) et d'admission d'air froid (le piston moteur recule, mais le piston arrière recule encore plus vite - la succession de ces phases étant rapide, on peut même prévoir que, plutôt que d'être freiné puis remis en mouvement en sens inverse, le piston arrière "rebondisse" sur le piston moteur qui serait équipé de ressorts assez souples).

Enfin, il semble nécessaire d'obtenir une assez bonne stabilisation du piston pendant la moitié du cycle. En effet, le rendement est optimal si la vaporisation de l'eau se fait en une durée pas trop faible (au moins une minute) et avec un volume assez stable (on peut cependant utiliser le piston pour comprimer l'air avant de le chauffer et de vaporiser l'eau, comme on le verra plus loin, et ces deux phases peuvent légèrement s'interpénétrer ; il est de plus utile de commencer la détente du gaz un peu avant la fin du chauffage, de manière à écrêter la courbe de pression, et ainsi réduire les spécifications de tenue à la pression, qui sont un facteur de coût important).

Pour obtenir cette stabilisation de chaque piston pendant environ la moitié de son cycle, tout en transformant son cycle en mouvement de rotation et sa force motrice en couple moteur aussi constant que possible une fois additionnées les contributions des différents "cylindres", il est nécessaire d'adapter le principe bielle-manivelle. Trois solu tions sont présentées aux trois points suivants.

(Une dernière homogénéisation peut venir de l'utilisation de volants d'inertie, qui devront être capables de fournir ou d'absorber de 10 à 100 MJ sans variations trop impor tantes de leur vitesse de rotation - une énergie cinétique de 1000 MJ correspond par exem ple à 40 tonnes réparties à 7 m d'un axe tournant à S tours/s, ou à 110 tonnes à 3 tr/s. On a de ce point de vue une bonne complémentarité avec la régulation de la vitesse et de la puis sance des montgolfières : aux échelles de temps inférieures à la seconde, on peut prélever la puissance nécessaire sur les volants d'inertie, et non pas sur les électrolyseurs envisagés p. 19 - 20 pour soulager la montgolfière et lui permettre d'accélérer ; de quelques secondes à quelques dizaines de secondes, c'est à l'inverse l'accélération de la montgolfière qui soulage l'usine à air et lui permet de restocker de l'énergie cinétique de rotation ; au-delà de la minute, un renforcement du flux de chaleur en provenance des bassins solaires permet à la fois d'augmenter la puissance électrique de l'usine à air, et le flux d'air humide produit par cette dernière, qui doit se stabiliser à un niveau plus élevé si les montgolfières doivent continuer à tourner plus vite avec un volume inchangé).

<I>b) Première variante du principe bielle-manivelle : manivelle à rainure</I> La première solution consiste à utiliser comme manivelle un disque (dans la prati que largement évidé) équipé d'une rainure allant du centre jusqu'à un point proche de la périphérie (figure 2). L'extrémité de la bielle se loge dans cette rainure ; pendant un demi- tour, elle reste au centre du disque : ceci permet la stabilisation du piston pendant la moitié du cycle, que l'on recherchait ; pendant un quart de tour, la détente du gaz pousse la bielle qui entraîne le disque ; et pendant le dernier quart, le retour de la bielle et donc du piston permet les phases d'échappement et d'admission.

Les inconvénients de cette solution sont que c'est le rayon du disque qui est égal à la course du piston (donc son diamètre est égal au double), et que la trajectoire des différentes bielles empêche que ces disques soient mécaniquement solidaires par un lien fixe.

Ils peuvent cependant être coaxiaux (autour d'un axe vertical) et tourner à la même vitesse. Ils sont soutenus, maintenus en place (selon le principe décrit au point II - C - 1, p. 19, maintien des tambours d'enroulement des câbles ou sangles des montgolfières) et solidarisés par leurs circonférences, qui sont équipées, à l'exception de la face inférieure du disque inférieur et de la face supérieure du disque supérieur, de pistes dentées légèrement déversées vers l'extérieur. Des roues dentées dont les axes horizontaux sont solidaires du bâti, constituent avec ces pistes des engrenages coniques, et assurent ainsi à la fois l'homo généisation des mouvements (les vitesses de rotation seront rigoureusement égales, bien qu'en sens opposé d'un disque à l'autre), et, pour l'une d'entre elles, la transmission du cou ple (réduit puisque la vitesse de rotation sera amplifiée) à un arbre horizontal qui alimente lui-même, après un ou plusieurs autres étages de démultiplication, le générateur électrique (alternateur ou machine à courant continu). Un disque peut porter deux rainures, une sur sa face inférieure et une sur sa face su périeure. Au total, on peut par exemple avoir quatre disques, et donc huit pistons, dont deux travaillent en même temps, l'un au début de sa détente, et l'autre à la fin, donc avec une force inférieure. Le nombre de huit pistons permet donc un certain lissage de la puis sance transmise, qui peut encore être amélioré en adaptant la forme des rainures à l'évolu tion de la force produite (elles n'ont été représentées sous forme rectiligne, dans la figure 2, que par souci de simplification - par ailleurs, elles pourront être équipées de ressorts, de manière à éviter que la manivelle ne passe brutalement d'une extrémité à l'autre de cette rainure).

<I>c) Deuxième variante du principe bielle-manivelle : utilisation d'engrena-</I> <I>ges non circulaires</I> La deuxième solution consiste, une fois le mouvement alternatif de la bielle conver ti en mouvement circulaire de la manivelle, à utiliser des engrenages non circulaires, ou circulaires mais excentrés. On peut ainsi élargir, dans la courbe donnant l'abscisse du pis ton en fonction du temps (avant cette transformation, cette courbe est approximativement une sinusoïde), le palier d'abscisse minimale.

Un exemple classique d'engrenages non circulaires est constitué par une paire d'ellipses identiques, tournant chacune autour de son foyer, lesquels sont séparés par une distance égale au grand axe des ellipses. Cette géométrie convient assez bien ici (Cf. fig. 3), bien qu'il soit possible de modifier légèrement ces contours de manière à obtenir, sur l'en semble des cylindres et pistons, le meilleur lissage, sur un cycle, du solde entre la puissance produite et la puissance consommée. Par ailleurs, en variant l'excentricité des ellipses de base, on peut choisir le nombre de cylindres, de bielles et de paires d'engrenages, tout en conservant cet objectif de lissage de la puissance.

Le principal problème est le suivant : quelle que soit la variante mécanique proposée, dès lors que la phase de poussée du piston succède à celle que l'on a voulu élargir (quasi-immobilité permettant la vaporisation de l'eau chaude), cette phase de poussée du piston (pour laquelle les deux ellipses sont accolées par leurs grands côtés) conduit à une traction d'une ellipse par l'autre, et non pas à une poussée (il y a naturellement roulement de l'une sur l'autre, mais la non-circularité des engrenages fait que la force n'a pas seulement une composante tangentielle ; ici, la composante normale tend à séparer les engrenages et non à les solidariser).

Il faut donc créer une liaison bilatérale mobile. Celle-ci prendra la forme d'un petit chariot à roues horizontales (fig. 4), formant deux ou trois paires de tenailles entre lesquel les seront enserrées des pistes de roulement verticales intérieures à chaque ellipse dentée. La robustesse de ce chariot et de ses roues devra être telle qu'il transmette une grande partie de la poussée totale du piston (sa composante normale). Il est exclu que son roulement puisse résulter de la simple avancée des points de contact des deux ellipses : le fait qu'à l'arrière, celles-ci aient tendance à s'écarter, peut très difficilement être transformé en mouvement vers l'avant du chariot. Il faudra donc qu'il soit motorisé, et asservi à suivre le déplacement de ce point de contact (le plus simple étant un asservissement commandé par la différence d'écartement entre sa paire de roues avant et sa paire de roues arrière).

Le diamètre du cercle décrit par la manivelle est égal à la course du piston, donc son rayon est égal à la moitié de cette course. Les engrenages sont en position horizontale, les "cylindres" sont répartis autour d'un axe central vertical, auquel sont fixés, les uns au- dessus des autres, tous les engrenages suiveurs de chaque paire (la cohésion de cet ensemble pourra résulter non seulement de la fixation de chaque engrenage à un arbre cylindrique, mais aussi de liaisons directes, donc bénéficiant d'un bras de levier plus important, d'un engrenage au suivant). Le mouvement peut ensuite être démultiplié et transféré à des machines électriques d'axe horizontal, à l'aide d'engrenages classiques.

<I>d)</I> Troisième <I>variante du principe bielle-manivelle :</I> connexion <I>alternative</I> <I>de la bielle à deux</I> pistons <I>en opposition de phase</I> Le même but (obtenir l'immobilité du piston moteur pendant la fraction du cycle environ sa moitié - pendant laquelle l'air froid est chauffé et saturé en vapeur d'eau par l'eau chaude des "douches") peut éventuellement être atteint par une troisième variante : deux "cylindres" voisins fonctionnent avec un déphasage d'un demi-cycle, de telle sorte que la même bielle est connectée la moitié du temps au piston d'un de ces cylindres et l'autre moitié au piston de l'autre cylindre. Cette bielle a donc un mouvement tout à fait classique et entraine sans caractéristiques particulières autres que les grandes dimensions (on retrou ve cependant ici une articulation qui décrit un cercle dont le diamètre, et non plus le rayon, est égal à la course du piston) du système, une manivelle "normale".

En particulier, contrairement à la première variante, il est possible d'avoir un seul solide jouant le rôle de toutes les manivelles : ce peut être un grand vilebrequin, dans le cas où les différents "cylindres" sont disposés côte à côte des deux côtés d'un axe horizontal, ou bien un axe vertical unique avec des cylindres disposés en cercle autour du disque qui porte cette manivelle collective de manière excentrée (dans ce dernier cas, les deux cylin dres en opposition de phase doivent de préférence être situés l'un au-dessus de l'autre).

La difficulté de cette solution technique réside dans le fait qu'il ne suffit pas de désaccoupler un piston de la bielle au moment où on accouple l'autre ; il faut, de manière parfaitement synchronisée, verrouiller le piston que l'on désaccouple et déverrouiller celui que l'on accouple, ce qui nécessite un système de commande (par exemple pneumatique) suffisamment ramifié, puissant, rapide et fiable.

<I>e) Quatrième variante du</I> principe <I>bielle-manivelle : utilisation de</I> <I>mouvements</I> quasi-épicycloïdaux Le but recherché étant simplement que le piston reste à peu près immobile pendant la phase de chauffage de l'air, il n'est pas absolument nécessaire que la bielle soit privée de tous ses degrés de liberté. Elle peut donc décrire un cercle autour de son point d'attache au piston (avec ceci de particulier que la concavité de ce cercle est du côté extérieur de l'ensemble de la trajectoire de l'articulation bielle-manivelle).

Une telle forme correspond à celle d'une épicycloïde (mouvement d'un point d'un cercle qui roule sans glisser à l'intérieur d'un cercle fixe -<B>CE</B> fig. 5). Celle-ci doit être à trois pointes, de telle sorte qu'un côté corresponde au chauffage, un à la détente, et un aux phases sous pression atmosphérique (échappement - admission). Une symétrie d'ordre trois est obtenue si le cercle intérieur a une circonférence, donc un rayon, trois fois plus faible que le cercle extérieur fixe.

Le point de ce cercle intérieur qui décrit l'épicycloïde, joue le rôle de manivelle. On peut rajouter une variable d'ajustement en admettant que l'articulation bielle-manivelle soit située à une distance r, de l'axe de la manivelle, distincte du rayon r du cercle de roulement (de toute manière, cette articulation ayant nécessairement un certain volume, elle devait forcément se trouver à un niveau différent de celui de ce cercle - Cf. fig. 6).

On peut alors rechercher un optimum. Théoriquement, le résultat à atteindre est un rayon de courbure de la trajectoire quasiment constant autour de chaque passage le plus rapproché du centre. Il est obtenu pour une valeur de r, égale à 0,8 r. Or, ceci conduit à une longueur de bielle égale à 10,8 r (soit 1,8 fois le diamètre du cercle extérieur fixe).

Cependant, de larges variations sont possibles sans beaucoup dégrader la qualité de cet optimum. Ainsi, une longueur de bielle (il s'agit de la distance entre l'axe de la manivelle et l'articulation avec le piston) égale à 1,05 fois le diamètre du cercle extérieur, ce qui est optimal en termes d'encombrement, combinée avec un rayon r, égal à 1,06 r, génèrent certes de petites oscillations de la position du piston pendant le chauffage, mais celles-ci restent inférieures à 1 % de sa course, ce qui est tout à fait admissible. La fig. 5 correspond à cette solution.

La symétrie d'ordre trois permet d'associer un nombre quelconque de cylindres, du moment que c'est un multiple de trois (en pratique, ce sera 3, 6 ou à la rigueur 9). Chaque groupe de trois cylindres, répartis à 120 et déphasés d'un tiers de période, a ses trois bielles reliées à une manivelle unique. Les une (pour 3 bielles), deux (pour 6) ou trois (pour 9) manivelles sont réunies en un vilebrequin vertical. Vues de dessus, sur le cercle de rayon r,, dont le centre décrit lui-même un cercle de rayon 2 r, elles sont réparties à 180 ou à 120 (Cf. fig. 7).

L'utilité d'avoir 2 ou 3 jeux de trois cylindres et trois bielles, résulte du fait que, pendant l'intervalle de temps non négligeable passé au voisinage d'une pointe de l'épicycloïde (a fortiori si celle-ci a été transformée en boucle avec r, supérieur à r), aucun des trois cylindres ne travaille (ceci résulte du fait que la période de quasi-immobilisation du piston est, grâce à ces petites boucles, de l'ordre d'un demi-cycle, ce qui est en soi une bonne chose ; cependant, la période de poussée ne pouvant être égale qu'à la moitié du restant, on constate que trois fois un quart ne fait pas 100 %). Seul le travail d'un des cylindres du ou des autres jeux assure la continuité de la force motrice (ce qui ne dispense pas d'avoir un volant d'inertie aussi puissant que pour les variantes précédentes).

Par contre, l'inconvénient<B>(CE</B> fig. 7) est que les cylindres sont beaucoup plus étroits que larges, ce qui n'est pas optimal en matière de surface de matériau résistant à la pression, pour un volume donné.

La fig. 6 décrit la réalisation concrète de ce principe. On constate qu'il y a une deuxième roue dentée de rayon r, au centre du système. Sa fonction est triple - en tournant sur elle-même sans se translater, elle contraint la roue dentée du vilebrequin à rester dans une couronne de rayons intérieur r et extérieur 3r, ce qui assure le maintien du contact avec le cercle extérieur, et donc la trajectoire quasi-épicycloïdale des articulations bielle-manivelle - toujours du fait qu'elle tourne sur elle-même sans se translater, contrairement au vilebrequin, elle permet d'en recueillir le mouvement et de le transmettre à un arbre horizontal ; - enfin, elle tourne deux fois plus vite que le vilebrequin, dont le mouvement de rotation (distinct de sa translation sur une trajectoire circulaire) était déjà deux fois plus rapide que le mouvement de l'articulation bielle-manivelle, lui même de période égale au cycle chauffage- détente - échappement - admission. On a ainsi pris une avance d'un facteur 4 sur les démultiplications ultérieures (un rapport encore plus élevé pourrait être obtenu en utilisant deux roues dentées différentes pour le vilebrequin : une de rayon r pour le contact intérieur avec le cercle fixe de rayon 3r, et une de rayon compris entre r et 2r, pour la transmission à un pignon central ; cependant, il n'est pas certain que cette solution présente plus d'avantages que d'inconvénients).

Les cylindres (côté pistons) étant toujours remplis d'air à une pression égale ou supérieure à celle de l'air ambiant, les poussées sont toujours exercées vers le centre du dispositif. Ceci a deux conséquences, auxquelles il est remédié par une solution unique<B>(CE</B> fig. 6).

D'une part, les bâtis de ces cylindres sont soumis à ces tensions importantes, et il est utile de les renforcer, entre autres, en reliant les linteaux de leurs faces avant, qui forment un triangle, un hexagone ou un ennéagone. L'obtention d'une meilleure rigidité pour cet ensemble passe par la réalisation d'un treillis sur toute sa surface, qui constitue donc un plafond pour le dispositif précédemment décrit.

D'autre part, le vilebrequin est, dans sa partie supérieure, soumis à des forces horizontales dont la résultante est dirigée vers le centre du dispositif, ce qui le déséquilibre et exerce une poussée sur la pièce centrale. Afin d'éviter de renforcer encore cette pièce pour la rigidifier, à grand prix (de même que le vilebrequin lui-même), on peut prolonger ce dernier vers le haut, et le terminer par un picot retrouvant l'axe du vilebrequin, ce qui lui assure un mouvement de translation circulaire de rayon 2r, et donc la possibilité de s'appuyer sur une piste pratiquée dans le plafond défini ci-dessus, par l'intermédiaire d'une roue montée (par rapport à ce picot, lui-même en rotation) sur roulement, et roulant sans glisser sur la piste ménagée dans le plafond.

Cette solution peut éventuellement avoir comme conséquence de rendre superflues les autres adaptations représentées sur la figure 6 et destinées à réduire la fatigue de la structure centrale et des engrenages : et le fait d'utiliser deux niveaux de contact sans glissement, un seul ou les deux étant équipés de roues dentées ; et le fait de rajouter un autre cylindre symétrique de celui portant le vilebrequin, mais étant dépourvu lui-même de manivelle (on pourrait imaginer que chacun de ces cylindres porte une manivelle, par exemple pour mieux répartir les efforts ; cependant, l'axe de la manivelle liée au jeu de bielles supérieur serait balayée par les bielles inférieures. La solution proposée en fig. 6 résulte du fait que, comme pour la solution du tir par le centre de l'hélice pour les anciens avions de chasse, la seule zone qui n'est pas balayée par les bielles et qui peut donc assurer la liaison avec le jeu suivant, est celle qui se trouve à l'intérieur de la manivelle).

La même solution serait possible à la base du vilebrequin, pour autant que le problème de poussée vers le centre se pose avec la même acuité, ce qui ne semble pas être le cas compte tenu de l'éloignement des manivelles et du nombre de contacts déjà existants. Elle n'est donc pas mise en oeuvre dans la fig. 6.

La rigidité du vilebrequin lui-même est obtenue grâce à un élargissement important des manivelles, notamment de celle inférieure. Bien que cela puisse conduire à ce qu'elles débordent du reste du dispositif de recueil de la puissance mécanique, il n'y a pas de problème d'encombrement tant que leur rayon reste inférieur à 1,5 r, car elles rentrent (cercle grisé sur la fig. 7 qui, comme la fig. 6, correspond au cas le plus défavorable) là où le piston a justement reculé pour revenir à sa position la plus en retrait, et car la forme en "point de rebroussement" des épicycloïdes leur permet de ressortir par là où elles sont entrées sans se déplacer transversalement, donc en respectant les structures de guidage des pistons.

Pour les différents roulements, on a classiquement deux options : soit les billes ou rouleaux mettent directement en contact les deux pièces à relier, avec cet inconvénient qu'elles ne sont fixes par rapport à aucune de ces deux pièces et qu'il en faut donc un cercle complet, soit les mêmes billes ou rouleaux sont montés sur un axe lui-même lié à une des deux pièces par un roulement à billes plus petit.

Dans les deux cas, il apparaît difficile d'assurer un contact direct (à l'aide d'un seul roulement) entre le bâti et la base du vilebrequin, dont la trajectoire est épicycloïdale. Ce mouvement étant la composition de deux mouvements de rotation, la solution consiste à interposer une pièce ayant un seul de ces mouvements. Cette pièce est l'anneau elliptique plat de la fig. 6, bien visible sur la vue de dessus, et qui est bien en rotation de période T par rapport au bâti, le vilebrequin étant en rotation de période T/2 par rapport à lui (cet anneau assure par ailleurs un guidage supplémentaire de la base du vilebrequin, garantis sant que son axe décrit bien le cercle de rayon 2r).

*Enfin, on note (sur la fig. 7, par exemple) que les trois bielles d'une même manivel le font toujours au moins un angle de 90 entre elles. La transmission de la poussée n'est donc pas limitée à une couronne horizontale de faible épaisseur, comme on pourrait le croire d'après la fig. 6, mais peut s'exercer, dans la limite des 90 , sur une hauteur plus conséquente, ce qui est mécaniquement préférable. Seule une mince couronne fait le tour complet de la manivelle, ce qui n'est pas gênant puisque, le cylindre étant toujours au moins à la pression atmosphérique, la bielle ne travaille jamais en traction.

<I>Adaptation du moteur à piston rotatif</I> Il est également possible de s'inspirer du moteur à piston rotatif et non plus du moteur à deux ou quatre temps classique, ce qui permet de s'affranchir du système bielle- manivelle.

Le rotor comprend un nombre NI de pistons<B>(Ni</B> =10 sur la figure 8) qui, comme dans une pompe à palettes, sont soumis à une force (de préférence d'origine pneumatique) dirigée vers l'extérieur, qui les plaque en permanence contre la paroi du stator. Cette der nière a une section non circulaire, dont le profil peut être assez librement choisi, en parti culier pour satisfaire aux mêmes critères que précédemment (obtenir un couple à peu près constant et laisser un temps assez long de chauffage de l'air à volume à peu près constant).

Ce profil peut présenter une symétrie d'ordre N2 (N2 = 3 sur la fig. 8, ce qui permet de détailler toutes les phases ; mais rien n'empêche d'avoir N2 = 1 (pas de symétrie), ou N2 = 2). Dès lors que<B>Ni</B> et N2 sont deux nombres premiers entre eux, on revient dans une situation identique (mis à part cette rotation de un<B>N2</B> ,ne de tour) tous les l/ N1.N2 tours (ici, tous les<B>301"</B> de tour), et tous les Niéme (ici, tous les dixièmes) de cycle admission chauffage - détente - échappement.

Comme on le voit sur la fig. 8, le chauffage à volume constant est obtenu par le déplacement d'une cellule dans un passage à largeur constante relativement long.

La détente commence quand le piston avant de cette cellule rencontre un élargis sement du côté du stator. On a ainsi, simultanément, un accroissement du volume à la disposition de l'air de cette cellule, et une surface de piston plus grande à l'avant qu'à l'arrière, ce qui permet bien de pousser le rotor dans le sens de la rotation, puisque cette cellule est précisément, à ce moment-là, celle dont la pression est la plus grande.

L'échappement et l'admission commencent quand les pistons avant et arrière de cette cellule sont de même largeur (son volume a alors atteint son maximum, puisqu'il va ensuite diminuer, proportionnellement à la différence de surface entre ces deux pistons, laquelle différence change de signe). Cet échappement et cette admission, qui doivent avoir lieu en même temps, peuvent être organisés selon deux modalités.

La première, représentée sur la fig. 8, consiste à introduire, depuis le stator, une paroi temporaire fixe, juste derrière le piston avant. L'échappement se fera à l'arrière de cette paroi, jusqu'à l'arrivée du piston suivant (la paroi provisoire se rétractera alors le temps de son passage), tandis que l'admission se fera juste à l'avant de cette paroi.

La deuxième consiste à tirer parti des différences de masse volumique de l'air froid et de l'air chaud. On peut ainsi, dans un compartiment non séparé, extraire l'air chaud par le haut et introduire l'air froid par le bas, sans trop risquer qu'ils se mélangent.

Une des principales difficultés réside dans le contact entre les pistons tournants et les parois (latérale et, si, elles ne sont pas solidaires du rotor, inférieure et supérieure) du stator. Ce contact doit à la fois être étanche (avec des différences de pression jusqu'à '/2 atm.), générer peu de frottement, et passer sur la surface percée qui constitue la "douche".

En ce qui concerne ce dernier point, on peut envisager que le plancher des cellules soit solidaire du rotor, de même que le système d'alimentation en eau chaude et l'évacuation de l'eau tiédie, ce qui permettrait que la surface percée ne soit jamais en contact avec un piston tournant. Il serait simplement nécessaire d'allumer et d'éteindre cette douche aux bons moments, et non pas de se contenter du passage automatique de la cellule en coïnci- dence avec les douches (fixes) dans le passage à largeur constante.

Par ailleurs, la lenteur du process permet d'imaginer un système de contact entre le piston mobile et le stator, en "chenille" : il n'y a aucun glissement, simplement deux contacts souples, à la manière d'un balai d'essuie-glace perpendiculaire à un pare-brise. Chacun assure l'étanchéité une grosse moitié du temps, et se décolle, pour avancer, deux fois plus vite que le piston lui-même, l'autre moitié du temps.

L'ensemble des dispositifs ci-dessus peuvent être transposés à toute variante qui échangerait les rôles du stator et du rotor (rotor extérieur au stator, pistons non rotatifs se repliant dans le stator et assurant un contact glissant sur la surface du rotor qui aurait un profil non circulaire, etc.). Le principe de l'action et de la réaction assure en effet que dans toutes ces configurations, se développerait de toute manière un couple entre le rotor et le stator.

En ce qui concerne la transmission de la puissance aux machines électriques, les avantages du système sont la suppression du mécanisme bielle-manivelle, et la résolution par un simple choix de profil des problèmes du chauffage à volume constant de l'air et de la constance du couple produit. Les inconvénients sont la grande dimension du système sous pression et mobile, et la lenteur du rotor, d'où l'intérêt d'avoir N2 suffisamment faible. g) <I>Alimentation du</I> système <I>en air froid</I> Avec des "douches" permettant de chauffer l'air à<B>60'C,</B> le fait d'avoir l'air à une température initiale de 0 C au lieu de<B>30'C</B> permet d'obtenir en théorie deux fois plus de différence de pression, d'où une course du piston deux fois plus longue, et une production d'électricité par cycle du piston, quatre fois plus élevée. L'amélioration la plus efficace du rendement consiste donc â tirer profit de la conséquence de la très faible teneur en vapeur d'eau de l'air désertique : le fait que les nuits y sont très froides. L'alimentation en air de l'usine se fera donc de préférence à partir d'air nocturne, stocké avant l'aube (à l'heure la plus froide de la journée) dans un très grand volume (jusqu'à 0,1 km') et protégé du rayonnement solaire par une couverture réfléchissant la lumière et les infrarouges.

La surface d'enveloppe réfléchissante, et donc le coût du système, peut être réduite, à volume constant, s'il est possible de tirer parti d'un relief naturel : gorges courtes ou pouvant être fermées sur une certaine longueur, cirque, ou même simple falaise d'une à quelques centaines de mètres de haut. L'étanchéité du contact avec les parois rocheuses n'a pas besoin d'être parfaite, l'air froid ayant tendance à rester en bas et l'air chaud en haut ; la descente ou la remontée de la couverture réfléchissante peut donc se faire avec un guidage assez rustique, et se contenter d'accompagner la diminution du volume d'air froid consé cutif à sa consommation par l'usine.

Dans des sites sans relief, le stockage peut se faire dans un (ou plusieurs) très grand ballon (mais qui, contrairement aux montgolfières, resterait au sol). Comme pour les mont golfières, la partie supérieure du ballon peut être soutenue (ou constituée - Cf. ci-dessous) par des ballons auxiliaires à HZ ou He, de sorte que le "remplissage" ne nécessite pas de mise en pression, et consiste simplement en une remontée de ce couvercle aussi léger que l'air (avec des ouvertures sur le dessus ou sur les côtés, au choix). Une fois l'air ambiant un peu réchauffé, l'air froid peut être exploité en s'écoulant par simple gravité.

Vue de l'extérieur, l'enveloppe doit avoir une forme biseautée (se raccordant au sol pratiquement à l'horizontale), sur laquelle le vent ait le moins de prise. Cette couverture peut cependant, si nécessaire, être doublée à l'intérieur d'un véritable ballon, aplati mais constituant une enveloppe fermée. La solution la plus élégante, et qui peut même être relativement économique en raison de la minimisation des tensions qu'elle implique, con siste, par analogie avec les caractéristiques de la construction de la montgolfière, à réaliser ces couvertures à partir d'éléments (par exemple des parallélépipèdes en toile étanche, remplis d'HZ ou d'He) globalement presque aussi légers que l'air de manière à faciliter leur manipulation, et fixés les uns aux autres par des systèmes tels que les glissières ou ventou ses, et baguettes magnétiques, décrites plus haut.

Cette couverture doit être totalement horizontale le soir et dans la première moitié de la nuit, et au contraire assez fortement bombée (tout en offrant une prise au vent mini male) le matin, quand l'air est le plus froid, et le rester une bonne partie de la journée, tant que le gaz des éléments définis ci-dessus (qui peut avoir un meilleur contact thermique avec l'air froid situé sous lui qu'avec l'air atmosphérique qui le surnage) reste également assez froid. Il en résulte, entre le jour et la nuit, une courbure variable, et une différence de superficie, principalement répartie dans les zones de plus forte pente.

Cette contrainte peut être gérée de la manière suivante (Cf. fig. 9) Une bonne partie de la différence de surface peut résulter d'un phénomène d'anti- dilatation : un élément qui, froid, présente une section rectangulaire, a tendance, quand le gaz qu'il renferme se dilate, à se rapprocher d'une forme qui maximise son volume à sur face constante, c'est-à-dire une section carrée. Sa dimension horizontale diminue donc avec la température. Pour profiter de cet effet tout en maintenant une prise au vent minimale, il faut soit trouver un moyen de recouvrir l'ensemble de la zone de couvertures glissantes, soit que les différents éléments concernés soient connectés principalement, au milieu des parois à joindre, par des liaisons fortes (glissières, ventouses ou équivalent) et, en surface, par des liaisons réversibles (baguettes magnétiques) à plusieurs niveaux.

La courbure convexe est obtenue, sur un élément intermédiaire entre ceux qui viennent d'être décrits, et les éléments "normaux" qui constituent le sommet de la couver ture, grâce à l'utilisation, à la jonction avec les éléments antidilatants, des mêmes liaisons magnétiques, non pas à la fois en haut et en bas des parois à joindre, mais seulement en haut : le différentiel de longueur (en coupe sur la fig. 9 ; en réalité, de surface) entre les faces inférieure et supérieure suffit à engendrer la courbure recherchée.

La courbure concave peut être obtenue, soit par application du principe inverse de celui qui vient d'être décrit, soit, plus simplement, en n'utilisant pas, dans les zones corres pondantes, des ballons à gaz légers, mais une simple toile tendue.

<I>h)</I> Eventualité <I>d'une compression préalable de l'air introduit dans l'usine</I> Pour comprimer par exemple de 10 % (0,1 atm) l'air frais introduit dans le cylindre, ce qui réduit son volume de 7 % (PVy = cte, avec y = 1,4) et augmente sa température de 3 %, soit 8 à 9 K, il faut fournir un travail égal à 0,05 atm x 0,07 V. L'augmentation de pression sous l'effet du chauffage par la douche est amputée de l'effet des 3 % déjà obtenus sur la température. Au lieu d'augmenter de 20 %, elle augmentera de : 10 % + (20% - 3%), soit environ 27 %. On rajoute dans les deux cas la pression de vapeur saturante de l'eau (0,2 atm), ce qui donne 0,47 atm au lieu de 0,4.

La détente (toujours à peu prés isotherme compte tenu de la condensation de la vapeur d'eau) se fera avec une amplitude de 43,5 % de V;";t (47 % de 93 % de V) au lieu de 40 %. En approximant ces isothermes par des segments de droites, le travail net produit sera, mesuré en atm x V;n;t, de : (%z x 43,5 % x 47 %) - (0,05 x 0,07), soit 0,098, au lieu de %Zx40%x40%=0,08. Cette amélioration du rendement s'explique par le fait que l'on relâche de l'air un peu moins chaud et chargé en vapeur d'eau, puisque la détente est plus longue, et par le fait que le chauffage de l'air a été un peu moins irréversible, puisqu'on chauffe de l'air initia lement un peu moins froid.

S'il s'avère que les coûts induits par le stockage de l'air froid, la tenue en pression de l'usine, et l'allongement de la course du piston, sont importants, le principe décrit ci-dessus et l'utilisation de l'air nocturne peuvent être utilisés en alternance : la nuit, on utilise l'air ambiant, ce qui permet de rentabiliser au maximum la tenue à 1,4 atm obtenue en partant de 0 C ; le jour, on atteint la même limite avec une plus faible montée en pression due au chauffage par l'eau chaude, puisqu'on part d'air moins froid, mais on la remplace par une pré-compression â la fin de l'admission de l'air frais, et l'eau des bassins solaires étant un peu plus chaude le jour, on obtient à peu près la même puissance, sans supporter le coût du stockage.

A l'inverse, si les coûts du stockage de l'air froid, de la tenue en pression de l'usine et de la longueur de course, sont faibles, la pré-compression de l'air complémentaire et l'utilisation de l'air nocturne stocké peuvent être utilisés de manière conjointe : chaque avantage de l'un et de l'autre joue à la fois sur la puissance atteinte et sur la course du piston, donc, en théorie, le rendement de l'ensemble est proportionnel au carré de l'écart de pression obtenu : chaque gain, en froideur de source froide comme en précompression de l'air, rend encore plus profitable le gain suivant, qu'il provienne du même effet ou de l'autre.

Dans un cas comme dans l'autre, seul un calcul technico-économique complet per mettrait de savoir de combien doit être la compression préalable, qui complexifie égale ment l'enchaînement des phases d'échappement, d'admission et de chauffage de l'air, ainsi que la géométrie permettant d'obtenir le couple le plus stable à la sortie de l'ensemble des pistons.

<U>4. Modification de la</U> structure <U>interne des montgolfières</U> La pertinence du chauffage par vaporisation d'eau ne provient pas principalement du fait qu'il augmente la température de l'air, mais surtout du fait qu'il peut ensuite presque l'empêcher totalement de diminuer lors d'une détente adiabatique. Si, pour une raison quelconque, le dispositif décrit au point 3 ci-dessus ne pouvait être réalisé, la même logi que pourrait conduire à modifier la structure interne des montgolfières, selon le principe suivant La vaporisation d'une mole d'eau consomme 40670 Joules. Si, dans une montgolfiè re, on la condense en fin de course, on obtient, lors de la montée, une poussée d'Archimède de l'ordre de 11 g (29 g -18 g), et, au sommet, 18 g d'eau dont on récupérera l'énergie poten tielle. Pour une course de 5760 m, on obtient 1637 J. Par contre, si cette mole se vaporise immédiatement, elle permet d'augmenter de 1,4 la température de 1000 moles d'air (ou de 14 celle de<B>100</B> moles, etc.). Il en résulte (à 300 K) une poussée d'Archimède de 135 g (différence de masse volumique de 5,5 g/m', appliquée à 24,6 m'), et un gain de 7617 J. (En fait un peu moins, car on commence à vider la montgolfière avant qu'elle n'atteigne le sommet de sa course ; mais on a quand même le quadruple des 1637 J obtenus plus haut). Il apparaît clairement que l'avantage du principe de chauffage à l'eau réside essentiellement dans le fait de stabiliser la température interne du ballon grâce à la chaleur latente de vaporisation.

II semble donc souhaitable d'éviter l'effet de dilution de la vapeur d'eau qui, en diminuant sa pression partielle (qui est égale à sa pression de vapeur saturante), réduit sa température de stabilisation (de 12 pour un mélange à 50/50). Ceci est possible en remplissant la montgolfière de quelques milliers de longs cylindres verticaux, de l'ordre <B>d' l</B> m de rayon et d'une hauteur égale à celle de la montgolfière, qui seront seuls remplis d'air humide. Le reste sera rempli d'air sec, bénéficiant de la chaleur latente de l'air humide sans diminuer sa concentration en vapeur d'eau.

En fait, la conception de base du système (remplissage complet et vidage complet par de l'air saturé en vapeur d'eau, tare rendue négative par l'utilisation de ballons auxiliai res à gaz légers) possède trois inconvénients, que l'on peut supprimer, non pas bien sûr sans contrepartie, mais en acceptant cette conception légèrement différente de la montgolfière.

Si on veut que la montgolfière fournisse une force importante lors des derniers kilomètres de course, il faut que l'air intérieur reste assez chaud (au moins 30 , si possible plus pour un bon rendement) et humide. Or, comme on l'a vu, c'est dans son humidité que réside la plus grande partie de son énergie (chaleur latente). Il est donc dommage de la relâcher dans la haute atmosphère, en pure perte. Au moins peut-on essayer de récupérer l'eau douce qu'il contient mais ceci nécessite un dispositif de mélange avec l'air froid extérieur, qui accroît la complexité de l'ensemble.

D'où les trois inconvénients que l'on peut essayer de supprimer : l'impossibilité de récupérer une partie de la chaleur latente de vaporisation, la difficulté de récupérer l'eau douce correspondante, et les ballons d'hydrogène ou d'hélium.

Les ballons d'hydrogène peuvent être supprimés si on accepte que la montgolfière ne redescende pas totalement à vide, mais avec un résidu d'air chaud. L'idée est alors de ne relâcher en pure perte que de l'air, certes relativement chaud, mais sec, et de conserver l'air humide (cette option est donc à peu près exclusive celle des "usines à air", puisque celles-ci produisaient en permanence de l'air humide dont le débouché était l'ensemble des mont golfières). C'est là la meilleure utilisation des longs boyaux cités plus haut, remplis d'un air humide qui seul repasse par la "douche" pour relever son taux d'humidité, le reste étant de l'air sec que l'on introduit au sol et que l'on libère à 6000 m d'altitude.

A condition que les échanges thermiques entre les deux parties de la montgolfières soient bons, la stabilisation de la température du ballon grâce à la chaleur latente de la vapeur d'eau peut être obtenue à partir de l'ordre d'un dixième du volume total : le volume d'air à faire passer sous la "douche" est donc plus faible, et on peut utiliser de l'eau de température de plus en plus élevée, jusqu'à près de 100 , pour obtenir une température de montgolfière proche de cette valeur, sans avoir à regretter que cette amélioration se traduise par des pertes de chaleur de vaporisation de plus en plus grandes lors du vidage de la montgolfière au sommet de sa course.

I.<B>PRINCIPES GÉNÉRAUX</B> <B>A. Description des principes</B> utilisés <B>1</B> 1. Nature du fluide moteur 1 2. Utilisation de montgolfières 2 3. Site d'implantation le mieux adapté à la course des montgolfières 3 4. Utilisation d'air humide et association de la fonction de dessalement d'eau de mer 3 5. Production de l'eau chaude utilisée 4 6. Vaporisation préalable de l'eau à volume constant 5 7. Rendement thermodynamique et économique 6 <B>B. Comparaison avec les techniques concurrentes 6</B> II.<B>PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ ET ÉVENTUELLEMENT D'EAU</B> <B>DOUCE A L'AIDE DE MONTGOLFIÈRES 7</B> <B>A. Structure des</B> montgolfières 7 <B>1.</B> Objectifs à atteindre 7 2. Choix d'une structure relativement rigide mais légère 8 3. Constitution des briques solides 9 4. Assemblage des textiles 10 5. Appendice inférieur à utiliser par vent faible 11 6. Caractéristiques thermiques des montgolfières 12 <B>B. Fonctionnement des</B> montgolfières <B>stricto sensu 12</B> 1. Position de remplissage de la montgolfière 12 2. Remplissage en air chaud des montgolfières et démarrage 14 3. Analyse de la montée des montgolfières et dimensionnement 14 a) Montgolfière à air sec 14 b) Montgolfières à air saturé de vapeur d'eau 15 4. Retour des montgolfières et arrimage 17 <B>C.</B> Installations <B>au sol 18</B> 1. Transformation de la puissance de traction en puissance électrique 18 2. Gestion globale des puissances, des vitesses et des durées de cycles 20 <B>III. PRODUCTION DE L'AIR UTILISÉ COMME FLUIDE MOTEUR 21</B> <B>A.</B> Chauffage <B>de l'air dans des</B> verrières <B>solaires 21</B> 1. Transformation de l'énergie radiative en chaleur 21 2. Dimensionnement et intérêt de relier ensemble plusieurs verrières 23 3. Stockage de la chaleur et isolation thermique du sol 25 <B>B. Vaporisation d'eau moyennement chaude dans l'air 26</B> 1. Utilisation de bassins solaires 26 2. Autres origines possibles d'eau chaude 28 3. Amélioration du rendement énergétique par la vaporisation de l'eau à volume constant29 a) Principe de l' "usine à air" 30 b) Première variante du principe bielle-manivelle : manivelle à rainure 32 c) Deuxième variante du principe bielle-manivelle : utilisation d'engrenages non circulaires 33 d) Troisième variante du principe bielle-manivelle : connexion alternative de la bielle à deux pistons en opposition de phase 34 e) Quatrième variante du principe bielle-manivelle : utilisation de mouvements quasi- épicycloïdaux 34 f) Adaptation du moteur à piston rotatif 38 g) Alimentation du système en air froid 40 h) Eventualité d'une compression préalable de l'air introduit dans l'usine 41 4. Modification de la structure interne des montgolfières 42 <B>REVENDICATIONS (1 À 62) 41</B>

Claims (14)

REVENDICATIONS

1) Dispositif de production d'énergie mécanique ou d'électricité, ayant pour origine une source d'énergie disponible avec un coût faible mais à basse température, caractérisé en ce que: le fluide moteur est l'air atmosphérique chauffé au contact de cette source d'énergie; le "piston" est constitué de montgolfières dont la course peut s'étendre sur plusieurs km, utilisant ainsi la haute troposphère comme source froide.

2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tare des montgolfières est nulle ou négative grâce à l'utilisation de ballons auxiliaires gonflés par un gaz léger (hydrogène ou hélium).

3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le meilleur rendement est obtenu par une course dont la première partie se fait avec une quantité d'air constante et un volume croissant, et la seconde partie avec un volume constant et une quantité d'air décroissante.

4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la montgolfière est constituée autour de 2 armatures circulaires qui, en position fermée, renferment la toile, la protègent du vent, et constituent un bord extérieur biseauté offrant une prise au vent latéral assez faible et qui, en position déployée, délimitent un cylindre vertical de toile préparé à se replier en formant des plis d'une dizaine de mètres de large entre ces deux armatures, à partir d'amorces d'ondulation, par exemple sous forme de boudin horizontaux très extensibles, remplis d'hélium, imposant à l'enveloppe une partie de leur courbure, et/ou d'une géométrie des fuseaux alternant des endroits plus étroits et des passages plus larges.

5) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ces armatures sont constituées d'éléments qui, de manière à être aisément manipulables, sont presque aus si légers que l'air grâce à l'utilisation d'hydrogène ou d'hélium, substitué à l'air dans la fabrication de polystyrène expansé et/ou remplissant les vides d'une structure rigide réalisée par exemple en aluminium ou un de ses alliages.

6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces textiles constituant la montgolfière sont reliées par des fixations dont la limite de rupture est élevée mais inférieure à celle de la toile elle-même, et pouvant être fermées ou ouvertes sans effort par une action que seul l'utilisateur peut provoquer, telles que des fermetures â glissière, ou des ventouses linéaires.

7) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les liaisons qui y sont décrites sont complétées par des baguettes fixées à la toile et munies d'aimants assurant, par temps normal, une façade lisse, mais capables, en cas de rafale de vent, de céder puis de revenir en position fermée en ayant dissipé une partie de l'énergie transmise à la toile par les turbulences de l'air.

8) Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse linéaire des structures décrites ci-dessus, source de déformations de la toile, est compensée par la poussée d'Archimède d'un boudin expansible rempli d'hélium.

9) Dispositif selon l'une quelconque des cinq revendications précédentes, carac térisé en ce que les plis horizontaux cités à la revendication n 4 sont doublés de baguettes magnétiques identiques à celles de la revendication n 8, de telle manière que le remplis sage de la montgolfière se fasse en faisant céder (réversiblement) une par une ces liaisons, ce qui permet d'éviter qu'en cours de remplissage sa paroi soit vulnérable au vent.

10) Dispositif selon l'une quelconque des six revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une large jupe de tissu peu coûteux et peu travaillé, car destinée à fonctionner seulement par temps stable, peut être déployée sous la montgolfière de manière à accroître son volume, permettant ainsi soit une injection plus grande d'air chaud, soit une conser vation plus longue au sein du système, de la masse d'air initialement introduite et qui, comme cela est noté à la revendication n 3, se dilate, donc déborde de la montgolfière, au fur et à mesure que la pression diminue.

11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conservation de la chaleur dans le ballon pourra résulter d'une réduction des pertes par convection et conduction grâce à la suspension au "plafond" du ballon des toiles très légères qui se comportent comme des "pelures" supplémentaires à proximité de l'enve loppe, et d'une réduction des pertes par rayonnement infrarouge grâce à l'opacité des mêmes pelures, ou à l'application à l'intérieur du ballon d'un matériau réfléchissant.

12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, sans qu'il soit nécessaire de ramener la montgolfière elle-même au sol ou à proche distance de celui-ci, son rechargement en air chaud se fait par un cylindre textile, guidé au moyen de contacts libres (anneaux) par les câbles (ou sangles) extérieurs à la montgolfière, et dont la base est recueillie par un entonnoir qui le dirige vers le système d'arrimage.

13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour le ravitaillement en air chaud de la montgolfière (qu'il se fasse de manière directe ou selon le dispositif prévu à la revendication précédente), pour les derniers mètres avant l'assemblage, une attraction ferromagnétique permet le positionnement exact de l'an neau situé à la base de la montgolfière ou du cylindre textile de la revendication précéden te, sur un anneau équivalent situé au sommet de la bouche de sortie de l'air chaud au sol.

14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour lutter contre la possibilité d'oscillations de grande ampleur des câbles trac teurs, la première poulie sur laquelle ils passent est constituée en fait de plusieurs poulies cernant le câble en occupant la totalité des 360 autour de lui. <B>15)</B> Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que des systèmes d'amortissement fluide de coefficients adaptés aux différentes fréquences possibles de réso nance des câbles s'interposent dans la liaison par laquelle la "première poulie" citée à la revendication précédente est fixée au bâti, et également au niveau de poulies inférieures. 16) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, de manière à exercer des contraintes plus faibles sur la montgolfière et notamment sur sa toile, les câbles tracteurs sont remplacées par de larges sangles contenant autant de fibres et transmettant globalement la même traction à des tambours identiques, les disposi tifs prévus aux deux précédentes revendications étant adaptés en conséquence. 17) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tambour d'enroulement du câble (ou de sangle) tracteur n'est pas fixé à l'installa tion par un axe, mais par deux roulements à billes, dont le rayon intérieur est égal au rayon extérieur du tambour. 18) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de câbles ou sangles est calculé en tenant compte du fait que leur enrou lement sur les tambours (en nombre égal) est d'autant plus facile que ce nombre est grand. 19) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour que les enroulements se fassent de manière parfaitement coordonnée, et qu'ainsi les tambours puissent être connectés mécaniquement tout en permettant le contrôle de chaque câble, les empreintes des câbles sont préformées sur les tambours. 20) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des mécanismes de contrôle et de correction de la verticalité du ballon et de la tension de chaque câble par rapport à ses voisins immédiats. 21) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour un meilleur contrôle de la montgolfière depuis le sol, les câbles tracteurs rejoi gnent le sol en étant fortement écartés les uns par rapport aux autres. 22) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans la phase transitoire où la puissance appelée augmente (mutatis mutandis, dimi nue) brusquement et où une correction consistant à laisser les montgolfières accélérer pour augmenter la puissance produite aurait dans un premier temps l'effet inverse, la puissance nécessaire est prélevée sur la consommation de gros électrolyseurs utilisant, concurrem ment au réseau, l'énergie produite. 23) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide moteur est l'air atmosphérique simplement chauffé par passage dans une verrière dont le sol est tapissé de corps noirs. 24) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le sas de sor tie de la verrière fonctionne sur le principe des cheminées solaires, de manière à aspirer l'air sans qu'il soit nécessaire de placer de nombreux ventilateurs. 25) Dispositif selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, caracté risé en ce que la verrière est reliée thermiquement avec des masses importantes (par exem ple d'eau) permettant un stockage de la chaleur, et donc un fonctionnement à la fois diurne, par temps ensoleillé ou couvert, et nocturne. 26) Dispositif selon l'une quelconque des trois revendications précédentes, caracté risé en ce que plusieurs ballons peuvent être gonflés à partir de la même verrière, permet tant qu'il y ait à tout instant ou presque à tout instant un ballon arrimé à la verrière, et que la dilatation de l'air trouve dans ce ballon un exutoire. 27) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les sas latéraux d'entrée d'air et les circulations d'air au sein de la verrière sont réglables, de manière à ralentir les arrivées de l'unité la plus proche, et à accélérer celles des arrivées les plus lointaines, pour que chaque montgolfière, quel que soit son lieu de départ, se remplisse de la totalité ou de la quasi-totalité de l'air de la verrière. 28) Dispositif selon l'une quelconque des cinq revendications précédentes, caracté risé en ce que l'utilisation de procédés d'amélioration de la captation de la chaleur du rayonnement solaire est localisée de manière préférentielle dans les zones où l'air arrive après avoir circulé plus longtemps dans des parties plus externes de la verrière, et où, par ailleurs, il est nécessaire, pour des raisons d'écoulement de l'air, que la verrière ait une hauteur plus grande. 29) Dispositif selon l'une quelconque des six revendications précédentes, caractérisé en ce que l'effet de double vitrage peut être optimisé en plaçant à mi-hauteur ou à une hauteur intermédiaire quelconque, la 2è` vitre. 30) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air de la montgolfière est chargé en humidité par l'évaporation (dans des "douches") d'eau provenant de toute source de chaleur basse température dont l'eau est le fluide calo- porteur, qui est disponible en grande quantité, et n'est pas rentabilisée autrement, cette hu midité permettant de réduire dans un premier temps la masse molaire moyenne du mélange de gaz de la montgolfière, puis d'obtenir une condensation à l'intérieur de la montgolfière, ce qui permet tout à la fois de récupérer de l'eau douce (notamment si l'eau évaporée était salée) et riche en énergie potentielle gravitationnelle, d'augmenter l'écart relatif de tempé rature entre l'air intérieur et l'air extérieur en récupérant la chaleur latente de vaporisation, et de contribuer à résoudre le dilemme de l'augmentation de la taille maximale de la mont golfière ou de la perte de gaz chauds. 31) Dispositif selon la revendication précédente et la revendication n 2, caractérisé en ce que la valorisation de l'énergie potentielle gravitationnelle résulte d'une plus grande quantité d'hydrogène ou d1élium dans les ballons auxiliaires, intégralement compensée, lors de la partie de la montée qui a lieu après la condensation et lors de descente, par le poids de l'eau condensée (recueillie à la base du ballon ainsi qu'à la base de la "jupe" décrite à la revendication n 10), mais non compensée lors de la première partie de la montée, ce qui se traduit par une force ascensionnelle supplémentaire équivalant au poids de cette eau, sur une distance égale à l'altitude à laquelle a lieu la condensation. 32) Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que l'eau salée à évaporer est chauffée selon la technique connue sous le nom de "bassins solaires". 33) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'amélioration du comportement de la surface des bassins solaires peut résulter de l'existence d'ondes se propageant à la surface ou d'une couche supplémentaire d'isolant thermique, antireflet et/ou antiévaporation. 34) Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que l'eau chaude est récoltée au fond des bassins solaires à l'aide de gros tuyaux percés, balayant des secteurs angulaires, solidairement avec des dispositifs permettant, à diverses hauteurs, le retour d'une partie de l'eau tiédie et enrichie en sel, et l'adjonction d'eau de mer nouvelle. 35) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les paramè tres (hauteur, éventuels mélanges) de la réinjection de l'eau enrichie en sel et de l'eau de mer nouvelle sont modulables (dès lors qu'en moyenne, on remette autant d'eau et de sel qu'on en prélève) en fonction du temps ou d'autres choix de gestion, notamment la possi bilité d'utiliser un bassin de préchauffage dont l'eau alimente, par le fond, un bassin à plus haute température. 36) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 23 à 28 et 32 à 35, carac térisé en ce que l'isolation thermique vers le sol pourra, sans inconvénient majeur, être réduite à une jupe circulaire isolante au pourtour du capteur d'énergie solaire (verrière ou bassin), d'une dizaine de mètres vers le bas, stoppant les fuites latérales, dispensant d'une isolation horizontale sous le capteur, puisque les flux de chaleur dans cette direction peuvent être considérées comme du stockage à long terme plutôt que comme des pertes. 37) Dispositif selon les revendications n 30 et 31, caractérisé en ce que le chauffa ge de l'eau (salée ou non) résulte de l'utilisation de l'énergie géothermique. 38) Dispositif selon les revendications n 30 et 31, caractérisé en ce que le chauf fage de l'eau (salée ou non) résulte de l'utilisation de la chaleur de source froide des centrales électriques thermiques ou nucléaires. 39) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un dispositif particulier de vaporisation de l'eau dans l'air atmosphérique n'est pas nécessaire dans le cas des centrales à tours de refroidissement à eau, lesquelles peuvent de surcroît jouer le rôle de cheminées solaires permettant l'envol et la gestion des montgolfières. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air est préchauffé par contact avec des panneaux noirs, sous des filets aptes à rem plir la fonction d'obstacle à l'échappement de l'air chaud vers le haut dans la mesure où l'air est guidé et maintenu en légère souspression par rapport à l'atmosphère, par des ventilateurs 41) Dispositif selon les huit revendications précédentes à l'exception de la dernière, caractérisé en ce que le chauffage de l'air, fluide moteur, et sa saturation en vapeur d'eau, peuvent être utilisés, à terre, dans des "cylindres" de dimensions raisonnables (quelques 104 m3) dans des cycles de quelques minutes, où il est chauffé et humidifié à volume constant, puis subit une détente qui génère la puissance motrice ensuite transformée en puissance électrique, et peut enfin, soit être relâché directement dans l'atmosphère, soit alimenter (directement ou après un nouvel enrichissement en vapeur d'eau) les montgolfières décrites aux revendications 1 à 22 et 30 et 31. 42) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que plusieurs cellules déphasées constituent un ensemble qui, de manière continue et aussi régulière que possible, absorbe de l'air froid et de l'eau chaude, produit de l'électricité, et relâche de l'air tiède encore humide. 43) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la collecte des puissances mécaniques successives se fait par analogie avec les différents cylindres d'un moteur à explosion, avec cette différence que la manivelle est remplacée par un disque équipé d'une rainure, reliant le centre du disque à un point proche de sa circonférence, et où peut se déplacer l'extrémité de la bielle, de telle sorte que pendant la moitié du cycle, le piston reste immobile, ce qui permet de chauffer et d'humidifier l'air à volume constant (Cf. fig. 2). 44) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les disques horizontaux décrits ci-dessus, pouvant présenter une rainure sur chacune de leurs faces, sont disposés les uns au-dessus des autres, et tournent en sens inverse mais à la même vitesse du fait de leur lien par des roues dentées coniques roulant entre des pistes situées sur et sous la circonférence de ces disques, l'une de ces roues assurant la transmission du couple total vers les machines électriques. 45) Dispositif selon la revendication n 42 (et donc alternative aux deux reven dications précédentes), caractérisé par l'utilisation d'un système bielle-manivelle prolongé par une roue dentée non circulaire entraînant une roue dentée complémentaire, à la fois par contact tangentiel et, pour la composante normale de la force, à l'aide d'un chariot mobile, la quasi-immobilisation du piston pendant près de la moitié du cycle, résultant d'un fort élargissement du palier d'abscisse minimale du piston au cours du cycle, grâce à l'utili sation de ces engrenages non circulaires (Cf. fig. 3). 46) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le chariot est motorisé et asservi â la différence d'écartement entre sa paire de roues avant et sa paire de roues arrière. 47) Dispositif selon la revendication n 42, caractérisé en ce que deux "cylindres" voisins fonctionnent avec un déphasage d'un demi-cycle, de telle sorte que la même bielle est connectée la moitié du temps au piston d'un de ces cylindres et l'autre moitié au piston de l'autre cylindre, et entraîne une manivelle "normale", dans le sens où il est possible d'avoir un seul solide réunissant toutes les manivelles. 48) Dispositif selon la revendication n 42, décrit par les figures 5, 6 et 7 et caracté risé par le fait que les articulations bielles-manivelles décrivent des trajectoires quasi épicycloïdales à trois pointes, dont un des côtés est assimilable à un arc de cercle et permet une quasi-immobilité du piston pendant la phase de chauffage de l'air, qui peut ainsi se dérouler pendant un tiers à une moitié d'un cycle, la puissance produite par trois cylindres de chauffage de l'air, répartis à 120 et déphasés d'un tiers de période, étant transmise par trois bielles à la même manivelle, puis à un vilebrequin vertical solidaire d'une piste (ou roue dentée) circulaire et horizontale roulant sans glisser à l'intérieur d'un cercle fixe de rayon triple 49) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le vilebrequin vertical décrit précédemment et dont l'axe suit le cercle de rayon 2 r, réunit n manivelles réparties autour de cet axe, sur un cercle de rayon r,, selon des angles de<B>360'</B> / n. 50) Dispositif selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, caracté risé en ce que la transmission de la puissance mécanique se fait ensuite par l'intermédiaire d'une pièce d'axe vertical situé au centre du dispositif, de même rayon ou de rayon inférieur à celui de la roue dentée (solidaire du vilebrequin) qui l'entraîne, et donc faisant au moins 4 tours en un cycle chauffage- détente - échappement - admission. 51) Dispositif selon l'une quelconque des trois revendications précédentes, caracté risé en ce que le vilebrequin est prolongé vers le haut, et terminé par un picot qui, par l'intermédiaire d'un anneau roulant sans glisser sur une piste pratiquée dans une structure fixe formant plafond, s'appuie sur cette structure et donc sur le bâti 52) Dispositif selon l'une quelconque des quatre revendications précédentes, carac térisé en ce que le roulement de la base du vilebrequin sur le bâti se fait par l'intermédiaire de l'anneau elliptique plat de la fig. 6, ce qui permet la composition de deux mouvements de rotation, réalisable à l'aide de roulements ordinaires, contrairement au mouvement épicycloïdal du vilebrequin lui-même par rapport au bâti. 53)Dispositif selon l'une quelconque des douze revendications précédentes, caracté risé en ce que les phases d'admission et d'échappement du fluide moteur se font à l'aide d'un piston arrière non soumis à des efforts importants lors de ses mouvements. 54) Dispositif selon les revendications 41 ou 42, caractérisé, comme le montre la figure 8, en ce que : l' "usine à air" est constituée d'un rotor comprenant des pistons soumis à une force dirigée vers l'extérieur, qui les plaque en permanence contre la paroi du stator, dont le profil peut être librement choisi, notamment pour laisser un temps assez long de chauffage de l'air à volume à peu près constant grâce au déplacement d'une cellule dans un passage à largeur constante relativement long ; la détente a lieu quand le piston avant de cette cellule rencontre un élargissement du côté du stator, et jusqu'à ce que ses pistons avant et arrière soient de même largeur ; commencent alors l'échappement et l'admission, qui doivent avoir lieu en même temps, ce qui peut s'organiser en introduisant, depuis le stator, une paroi temporaire fixe, juste derrière le piston avant, derrière laquelle se fera l'échappement, tandis que l'admission se fera juste à l'avant de cette paroi ; l'ensemble des dispositifs ci-dessus peuvent être transposés à toute variante qui échangerait les rôles du stator et du rotor (rotor extérieur au stator, pistons non rotatifs se repliant dans le stator et assurant un contact glissant sur la surface du rotor qui aurait un profil non circulaire, etc.). 55) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la paroi temporaire fixe est supprimée, l'air froid et de l'air chaud coexistant dans un compartiment non séparé, qui se remplit d'air froid par le bas tandis que l'air chaud est extrait par le haut. 56) Dispositif selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, caracté risé en ce que le contact entre les pistons tournants et la ou les parois du stator se fait "en chenille", sans aucun glissement, mais avec deux contacts souples, comme un balai d'essuie-glace perpendiculaire à un pare-brise, chacun assurant l'étanchéité la moitié du temps, et se déplaçant l'autre moitié. 57) Dispositif selon l'une quelconque des seize revendications précédentes, caracté risé en ce que la détente peut commencer avant la fin du chauffage, ce qui permet d'écrêter la courbe de pression et de réduire les spécifications de résistance à la pression. 58) Dispositif selon l'une quelconque des dix-sept revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air introduit dans l'usine est collecté avant l'aube sous de très grandes couvertures réfléchissantes (visible et infrarouge), formant un dôme au sol ou fermant un escarpement naturel (gorge, ... ) et utilisé tout au long de la journée avec une très basse température initiale, donc une relativement grande augmentation de température au cours du chauffage par l'eau chaude, augmentation à laquelle sont proportionnelles la différence de pression obtenue et la variation de volume au cours de la détente. 59) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, par analogie avec les caractéristiques des éléments de la montgolfière, la couvertures permettant la collecte et la conservation de l'air froid nocturne devant alimenter les "usines à air" est constituée d'éléments en toile étanche, remplis d'H2 ou d'He) globalement presque aussi légers que l'air de manière à faciliter leur manipulation, et fixés les uns aux autres par des systèmes tels que les glissières ou ventouses, et baguettes magnétiques, décrites dans les revendications 6 et 7. 60) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, dans le cas d'une couverture devant former un dôme, la géométrie de ces éléments, ainsi que leurs systèmes de liaisons, permettent de profiter du fait que le dôme est le plus accentué aux heures où le gaz de ses éléments est, notamment grâce aux contacts avec l'air intérieur, le plus froid, et qu'inversement, la couverture est aplatie quand ses éléments sont réchauffés, de manière à ce que ces adaptations se fassent sans générer de fortes tensions, à l'aide des principes exposés en p. 41 de la description et illustrés par la figure 9. 61) Dispositif selon l'une quelconque des vingt revendications précédentes, caracté risé en ce qu'après la fin de la phase d'admission, le piston moteur peut être utilisé pour une pré-compression de l'air frais, avant le début du chauffage, ce qui, en acceptant une détente plus longue et une augmentation des spécifications de résistance à la pression, permet d'augmenter le rendement de l'usine, en augmentant la puissance sans augmenter la quantité de chaleur consommée et sans augmenter dans des proportions aussi grandes la quantité d'air froid introduite. 62) Dispositif selon l'une quelconque des revendications n 30 à 38, caractérisé en ce que les montgolfières sont remplies de longs cylindres verticaux, seuls remplis d'air humide (ce qui permet au reste d'être rempli d'air sec bénéficiant de la chaleur latente de l'air humi de sans diminuer sa concentration en vapeur d'eau) et destinés à être seuls vidés une fois la montgolfière arrivée au sommet de sa course, l'air humide des boyaux étant réenrichi en vapeur d'eau à son retour à terre.