FR2954478A1 - Systeme eolien multi turbines pour la production d'eau et d'energie - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système pour la production d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif concentrateur d'énergie éolienne en forme de convergent (10) dont la sortie communique avec l'entrée d'un élément de condensation (11) comportant une pluralité de cols de venturi (113).

Description

La présente invention concerne le domaine de la production d'eau et d'énergie mécanique à partir de l'énergie éolienne à l'aide d'un dispositif comprenant un élément venturi et une batterie de turbines, précédés d'un concentrateur d'énergie et suivis éventuellement d'un système d'extraction d'air.

ART ANTERIEUR Systèmes thermodynamiques Partant du principe que l'air est toujours chargé d'eau, l'entreprise Dutch Rainmaker, originaire de la région de la Frise aux Pays-Bas, a créé une éolienne capable de produire de l'eau potable à partir d'un refroidissement de l'air. La totalité de l'énergie créée par les pales de l'éolienne est consacrée à la production d'eau. La turbine actionne un compresseur relié à un système frigorifique installé dans le pylône supportant l'éolienne. Un ventilateur aspire l'air par le bas et l'amène à traverser ce système, entraînant la condensation de l'eau présente dans l'air. Les gouttes d'eau produites coulent alors le long des parois et sont stockées dans un réservoir. L'eau ainsi recueillie peut être utilisée comme eau potable ou d'irrigation.

Une éolienne de ce type a déjà été construite à Wetsalt (Harlingen) afin de vérifier la quantité d'eau produite. Le prototype produit environ 500 litres d'eau par jour, mais une installation plus imposante pourrait produire de 7 à 8 m3 d'eau par jour. Marc Parent, climaticien à la tête d'Eole Water, a mis au point un système de production d'eau à partir d'une éolienne qui aspire l'air du vent et dont l'énergie est utilisée pour faire fonctionner un système frigorifique nécessaire à la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air. L'eau condensée est traitée par des filtres puis récupérée dans une cuve incorporée à l'éolienne. Le tout est réalisé sans aucun rejet de CO2, contrairement à d'autres mécanismes de retraitement des eaux, comme le dessalement de l'eau de mer. Dessalement de l'eau de mer L'entreprise Dutch Rainmaker a aussi créé une autre version de son éolienne, qui produit également de l'eau potable mais cette fois à partir d'eau salée ou polluée. Cette dernière est pompée et réchauffée par un échangeur de chaleur actionné grâce aux pales de l'éolienne. La vapeur ainsi créée est ensuite refroidie, produisant de l'eau pure qui coule vers un réservoir de stockage. Le rendement de ce système atteindrait 50 à 60 m3 d'eau par jour.

Ainsi, la présente invention concerne un système pour la production d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif concentrateur d'énergie éolienne en forme de convergent dont la sortie communique avec l'entrée d'un élément de condensation comportant une pluralité de cols de venturi. La sortie dudit concentrateur peut communiquer également avec l'entrée d'un élément 10 machine comportant une pluralité de turbines de captation de l'énergie éolienne. Les turbines et les cols peuvent être assemblés pour former la section de sortie dudit concentrateur convergent. Une partie de l'air du concentrateur peut être dévié de l'amont desdits cols et turbines vers l'aval pour activer des moyens d'extraction d'air. 15 La sortie de l'élément de condensation et/ou de l'élément machine peut communiquer avec l'entrée d'un extracteur d'air en forme de divergent. L'extracteur d'air peut être entouré d'un convergent de façon à diffuser un courant d'air dans ledit extracteur d'air. Le système peut comporter des moyens de contrôle et de commande du fonctionnement des 20 turbines et/ou des cols en fonction de la vitesse du vent. Les moyens de contrôle et de commande du fonctionnement des turbines et/ou des cols peuvent comporter des moyens de réglage de l'ouverture ou de la fermeture de l'entrée desdits turbines et/ou cols. Le système peut comporter des moyens de captage de l'eau condensée disposés en sortie des 25 cols de venturi. Les turbines et/ou les cols peuvent être assemblés dans un élément de section carrée, rectangulaire ou circulaire. Le concentrateur d'énergie peut comporter des moyens de déviation de l'air hors dudit concentrateur.

Les moyens de déviation peuvent comporter des volets commandés en fonction de la vitesse du vent. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de 5 la description qui suit, d'exemples de réalisations, nullement limitatifs et illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: la figure 1 montre schématiquement un système selon une variante de l'invention, la figure 2 montre une variante de forme d'un concentrateur d'énergie éolienne, les figures 3a et 3b montrent schématiquement un moyen d'orientation d'un 10 concentrateur, la figure 4 montre une autre variante de concentrateur, la figure 5 illustre en coupe les éléments venturis, la figure 6 donne l'évolution de la température à l'entrée des venturis, la figure 7 montre schématiquement les éléments venturis et collecteurs d'eau, 15 les figures 8 et 9 montrent des moyens de collecte de l'eau, les figures 10a et 10b montre schématiquement les éléments venturis et collecteurs d'eau incurvés, la figure 11 illustre "l'effet booster", la figure 12 donne la pression partielle de l'eau en fonction de la température, 20 la figure 13 montre l'élément machine et les entrées de venturis, les figures 14a et 14b montrent en coupe l'élément machine, les venturis et les collecteurs d'eau, les figures 15a et 15b montrent schématiquement un élément machine comportant un assemblage d'une pluralité de turbines, 25 les figures 16a et 16b montrent une variante d'assemblage de turbines en cercle, la figure 17 montre schématiquement un élément de turbine, les figures 18a et 18b montrent en exemple des dispositions de turbines dans l'élément machine et des volets dans le concentrateur, - les figures 19a et 19b montrent schématiquement un extracteur d'air, la figure 20 illustre une variante d'extracteur d'air. DESCRIPTION DE L'INVENTION.

Le système faisant l'objet de l'invention vise principalement à produire de l'eau à partir de la vapeur d'eau contenue dans l'air et l'énergie cinétique du vent, à l'aide d'un système pouvant comprendre en amont, un élément convergent (concentrateur d'énergie), en aval, un élément divergent (diffusion de l'air) et entre les deux un élément venturi, où l'eau est portée dans une condition permettant sa condensation. Il peut comporter en aval une unité d'extraction d'air pour faciliter l'écoulement de l'air dans le venturi. Le système est à même de fonctionner lorsque la vitesse du vent est suffisamment importante (suffisamment d'énergie apportée par le vent pour la création d'une détente de l'air conduisant à un abaissement significatif de la température), l'humidité relative est suffisamment élevée (point de rosée atteint dans le venturi) et la température est suffisamment élevée (quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air significative). Le système peut avantageusement être combiné avec des moyens pour la production de l'énergie. Dans les conditions atmosphériques moyennes, il peut produire soit de l'eau, soit de l'énergie. Toutefois, le système peut produire à la fois de l'eau et de l'énergie mécanique dans une condition de vitesse de vent particulièrement élevée.

Une mise en oeuvre du système est représentée figure 1, elle comprend, dans la direction du vent (9), cinq éléments principaux : en amont, un élément concentrateur d'énergie 10 et collecteur d'air humide se présente sous la forme d'un cône convergent. Le vent s'engouffre dans ce premier élément au travers de la surface la plus grande 15 et ressort de cet élément au travers de la surface la plus petite 16. Lors de la traversée du convergent, la vitesse augmente inversement proportionnellement à la surface tandis que la pression statique et la température diminuent selon une loi quasi isentropique reposant sur une quasi conservation de l'énergie transportée par le vent. La règle de la proportionnalité reste vraie dans le cas d'un fluide incompressible. Dans le cas d'un fluide compressible, la variation est seulement approchée. La variation de vitesse fait intervenir, le facteur isentropique et le nombre de Mach. en aval de l'élément concentrateur 10, un élément machine 11 regroupe plusieurs turbines captant une partie de l'énergie cinétique de l'air au travers de l'aire d'entrée 116.b et entraînant divers types de machines convertissant l'énergie mécanique disponible en bout d'arbre des turbines en énergie électrique (alternateurs) ou potentielle (pression ou hauteur au travers de compresseurs ou de pompes). en aval de l'élément machine 10 et entouré par l'élément 11, l'élément 113 constitue le col du venturi du dispositif pour la condensation d'eau. L'entrée de l'élément de condensation 113 se fait au travers de l'aire 116.a. Cet élément peut être constitué à l'intérieur d'un ou plusieurs cols de venturi. L'ensemble des aires 116.a et 116.b constitue l'aire de sortie 16 de l'élément 10. en aval de l'élément 113, l'élément 114 permet le captage de l'eau. L'entrée de l'élément 114 se fait au travers de l'aire 118. Cet élément peut être constitué d'un ou plusieurs systèmes de venturi montés en parallèle. L'ensemble des aires 117.a et 117.b constitue l'aire d'entrée de l'élément extracteur d'air 12. en aval des éléments 11 et 114, un élément d'extraction 12 permet l'évacuation de l'air absorbé par le convergent et ralenti, à la fois par les éléments venturi et par le groupe de machines ayant capté une partie de l'énergie cinétique de l'air. L'air entrant au niveau de la surface (17, 117.a et 117.b) est évacué au travers de l'aire élargie de la surface 18. Lors de la traversée du divergent, la vitesse diminue inversement proportionnellement à la surface tandis que la pression statique et la température augmentent selon une loi quasi isentropique reposant sur la conservation de l'énergie disponible entre les surfaces 17 et 18. Le divergent peut être entouré d'une enveloppe convergente de plus grande dimension que le concentrateur d'énergie amont de façon à capter une énergie cinétique supplémentaire non captée par le concentrateur amont et ainsi activer l'évacuation de l'air dans le divergent. Caractéristiques de l'élément concentrateur d'énergie 10 L'élément d'entrée, collecteur d'air humide et d'énergie, est conçu de façon à permettre la collecte de l'air dans des directions aussi larges que possible. A cet effet, l'élément d'entrée peut être mobile et orientable en fonction de la direction du vent 9 tandis que les éléments "venturi" et "turbine" restent essentiellement fixes. Toutefois, ils peuvent également être mobiles dans le cadre de l'invention. L'élément d'entrée peut également comprendre plusieurs lobes fixes orientés dans différentes directions du vent. D'une façon générale, l'élément d'entrée est constitué d'une entrée de grande ouverture pour la capture d'un maximum d'énergie et d'une sortie de plus faible ouverture en vue d'une réduction en dimension de l'élément machine tournante. Le rapport des surfaces sortie ù entrée est dimensionné de façon à limiter les risques engendrés par un effet venturi, par exemple, une température en sortie de l'élément d'entrée trop basse avec les risques associés de gel ou d'une trop grande condensation d'eau (érosion, corrosion).

L'élément d'entrée peut être conçu sous une forme rigoureusement conique avec des surfaces d'entrée et de sortie, circulaires, carrées, rectangulaires, ou sous la forme de tout autre polygone. La figure 2 montre une autre configuration dans laquelle l'élément d'entrée est globalement convergent mais non strictement conique. Il est, par exemple, constitué de trois parties distinctes : une première partie cylindrique de grande ouverture, une seconde partie avec restriction progressive et une troisième partie cylindrique de petite ouverture adaptée à l'entrée de l'élément machine 11 situé en aval. La première partie, à paroi parallèle à l'écoulement, a pour propriété de limiter l'impact de l'air sur les parois comme cela peut se produire dans le cas d'un élément strictement conique provoquant une perte d'énergie ainsi qu'un contournement de l'air autour de l'élément d'entrée. Les parois des trois parties de l'élément d'entrée, ainsi que celle de l'élément machine, sont tangentielles à leur raccordement limitant les pertes d'énergie en ces points. Compte tenu de l'orientation variable de la direction du vent, l'élément d'entrée 10 peut être conçu pour être mobile et orienté dans la direction du vent 9, tandis que l'élément 11 25 regroupant les machines, ainsi que l'élément d'évacuation de l'air 12, restent essentiellement fixes. Toutefois, ces deux éléments peuvent également être mobiles et orientables, dans le cadre de l'invention. Les figures 3a et 3b illustrent schématiquement cette variante. Le déplacement de l'élément d'entrée peut, par exemple, être assuré par des roues situées sous l'élément d'entrée (non représentées) et actionnées par des moteurs électriques. Il peut encore 30 être assuré par des câbles fixés sur le cône et reliés à des treuils. Ces treuils sont, par exemple, asservis, le raccourcissement (tensionnement) de certains câbles ou l'allongement (détensionnement) d'autres câbles permettant le déplacement du cône en fonction de la direction du vent. Dans ce cas, le cône peut aussi être monté sur roues libres (non entraînées par moteur). Les éléments 10 et 11 sont reliés entre eux par un élément déformable 19 ou un empilement de sections rigides pouvant coulisser entre elles. Dans les deux cas, l'élément 19 reliant les 5 éléments 10 et 11 est suffisamment étanche à l'air. Le système d'orientation est conçu pour permettre un déplacement angulaire de l'ordre de 90 degrés de part et d'autre d'une direction axiale. Pour certaines régions soumises à des changements relativement rapides de la direction du 10 vent, l'élément d'entrée 10 peut être conçu, par exemple, avec un assemblage de plusieurs lobes fixes orientés chacun dans une direction azimutale privilégiée. La figure 4 montre un exemple de réalisation. La courbure des lobes est conçue de façon à alimenter l'élément machine 11 dans l'axe principal de l'équipement. 15 Caractéristiques de l'élément col de venturi (référence 113, figure 5) L'élément col de venturi requis pour le captage de l'eau peut être monté seul ou en association avec l'élément machine requis pour une production d'énergie. L'élément col de venturi est constitué d'un ensemble de cols élémentaires 70 montés en parallèle. Dans la direction transversale à l'écoulement, la forme des cols peut s'apparenter à 20 une forme rectangulaire ou circulaire. L'invention ne se limite toutefois pas à ces configurations géométriques. Dans le cas d'un montage rectangulaire, l'élément principal 113 est constitué d'un ensemble d'éléments 70 avec une section sensiblement carrée. Chaque col élémentaire est éventuellement précédé d'un cône d'adaptation pour faciliter la distribution de l'écoulement 25 entre l'élément concentrateur d'énergie et l'élément venturi. Lors de la traversée du convergent, la vitesse augmente inversement proportionnellement à la surface tandis que la pression statique et la température diminuent selon une loi quasi isentropique reposant sur une quasi conservation de l'énergie transportée par le vent. La chute de température dépend essentiellement de la vitesse du vent à l'entrée 15 de l'élément d'entrée 30 10 et du rapport des surfaces entre la sortie 16 et l'entrée 15 du convergent 10.

Dans la mesure où toutes les turbines et tous les venturis sont mis en service (cas d'une vitesse du vent maximum), la température à l'entrée du venturi est donnée par le rapport des surfaces entre la sortie 16 et l'entrée 15 du convergent 10. Dans la mesure où toutes les entrées des turbines sont fermées (turbines hors service) et tous les venturis élémentaires sont ouverts (cas d'une vitesse du vent moyenne), la température à l'entrée du venturi est donnée par le rapport des surfaces entre l'entrée du venturi 116.a et l'entrée 15 du convergent 10. Dans les cas intermédiaires où seulement une partie des turbines et seulement une partie des venturis sont mises en service, la température à l'entrée des venturis est donnée par le rapport 10 des aires des surfaces 116.a et 116.b mises en service et de l'air d'entrée 15 du convergent 10. La figure 6 représente l'évolution de la température à l'entrée des venturis pour deux vitesses à l'entrée de l'élément 10 (courbe 1 : 10 m/s et courbe 2 : 20 m/s) en fonction du rapport des surfaces (116.a et 116.b mises en service) et 15. Ainsi à l'entrée de l'élément 10, pour une température de 20 °C et : 15 une vitesse de 10 mis, la température à l'entrée du venturi reste supérieure à 18°c pour un rapport des surfaces supérieur à 0.2 chutant brutalement en deçà de cette valeur. La température est respectivement de 10, 0 et -10°C pour un rapport des surfaces de 0.075, 0.06 et 0.055. une vitesse de 20 mis, la température à l'entrée du venturi reste supérieure à 18°C pour 20 un rapport des surfaces supérieur à 0.35 chutant brutalement en deçà de cette valeur. La température est respectivement de 10, 0 et -10°C pour un rapport des surfaces de 0.16, 0.12 et 0.11. Compte tenu des conditions requises pour la condensation d'eau, la température à l'entrée des venturis est ajustée en fonction de la vitesse du vent et de la température à l'entrée de 25 l'élément 10 par l'intermédiaire du rapport des surfaces. Ainsi pour une température à l'entrée du venturi trop élevée correspondant soit à une vitesse du vent trop faible, soit à une humidité relative trop faible, soit à une température trop élevée à l'entrée de l'élément 10, la section du col est diminuée par la fermeture d'un ou plusieurs cols élémentaires. A l'inverse, pour une température à l'entrée du venturi trop faible 30 correspondant soit à une vitesse du vent trop élevée, soit à une humidité relative trop élevée, soit à une température trop faible à l'entrée de l'élément 10, la section du col est augmentée par l'ouverture d'un ou plusieurs cols élémentaires.

Comme il est montré sur la figure 6 représentant la chute de température en fonction de la vitesse du vent et du rapport des aires entrée du venturi/entrée du convergent 10, la variation de température, tout d'abord, très lente pour une valeur du rapport des aires élevée (vitesse en sortie relativement éloignée de la vitesse du son) est par la suite très rapide lorsque la valeur du rapport des aires est faible (vitesse en sortie s'approchant de la vitesse du son). De façon à réguler finement la température dans le col du venturi, plusieurs moyens peuvent être utilisés : - le col principal est constitué de plusieurs cols élémentaires pouvant être ouverts ou fermés indépendamment les uns des autres, les cols élémentaires présentent différentes sections de passage : grande, moyenne et petite pour un réglage grossier, moyen et fin de la température, un ou plusieurs cols secondaires peuvent comprendre des vannes de réglage de façon à régler l'aire de passage.

On distinguera deux systèmes de venturi et de capture d'eau : un système essentiellement rectiligne, un système essentiellement incurvé. Canaux venturi 113 et collecte d'eau 114 rectilignes (Figure 7) La fonction de l'élément venturi est de créer une condition favorable à la condensation de l'eau. Toutefois, la condensation de l'eau n'étant pas instantanée, elle ne se produit qu'en très faible quantité dans cet élément. Par ailleurs, il n'est pas souhaitable que la condensation de l'eau se produise dans un canal de faible section d'aire où la vitesse d'écoulement de l'air est très élevée et peu favorable au dépôt des gouttelettes d'eau sur les parois comme à leur croissance. La longueur de l'élément venturi est dimensionnée de façon à ce que la cinétique de la condensation (retard à la condensation) permette la condensation dans la partie aval de l'élément venturi. Cette longueur est, bien entendu, dépendante d'une grande quantité de paramètres connus de l'homme du métier : la température et l'humidité relative à l'entrée de l'élément 10 ainsi que la température à l'entrée du venturi.

L'élément venturi 113 peut être composé de cols élémentaires 70 parallélépipédiques. Ils peuvent être également convergents de façon à accentuer l'abaissement de la température le long de l'écoulement favorisant la condensation de l'eau. Contrairement à l'élément 113, l'élément 114 est fortement divergent en vue d'une collecte de l'eau dans cette section. Bien que l'augmentation de la section de passage entraîne une élévation de la température correspondant à une situation d'évaporation d'eau elle même conditionnée par la cinétique à l'évaporation (retard à l'évaporation), la longueur du canal 114 est dimensionnée de façon à ce que l'eau ne puisse s'évaporer de façon significative dans cette section. La longueur de l'élément 114 est déterminée similairement à celle de l'élément 113 de façon à ce que l'évaporation ne se produise que dans la partie aval, voire, en aval de l'élément 114. Comme il est mentionné plus haut, l'élément 113 est dimensionné de façon à ce que la condensation de l'eau (nucléation et croissance des gouttelettes) se produise en aval de l'élément 113 et, par conséquent, dans l'élément 114 avant que la réalisation de l'évaporation ne devienne prépondérante sur la condensation en aval de l'élément 114. A cet effet, l'élément 114 comprend des éléments internes 115 servant au dépôt des gouttelettes ainsi qu'à la collecte de l'eau. La vapeur d'eau sortant de l'élément 113 étant dans une phase de condensation effective et l'air étant fortement ralenti par l'augmentation de la section de passage, les conditions sont alors remplies pour le dépôt et la croissance des gouttelettes sur les parois de l'élément 114, en particulier, sur les parois des éléments 115. Les éléments 115 sont légèrement inclinés par rapport à l'axe des canaux 113 et 114 de façon à ce que l'air 9a ainsi que les gouttelettes transportées par l'air viennent impacter les éléments 115. La figure 8 montre les éléments 115 qui comprennent sur leur surface des rainures 116 dans lesquelles vient s'accumuler l'eau en provenance des gouttelettes ruisselant à la surface des éléments 115. L'eau est collectée à l'intérieur des éléments 115 et évacuée de façon classique par l'intermédiaire de conduits 117 vers l'extérieur des éléments 115 puis de l'élément 114 (Figure 9).

Canaux venturi 113 et collecte d'eau 114 incurvés (Figure 10a et 10b) La fonction de l'élément venturi est de créer une condition favorable à la condensation de l'eau. Toutefois, la condensation de l'eau n'étant pas instantanée, elle ne se produit qu'en très faible quantité dans cet élément. Comme dans le cas précédent, la longueur de l'élément venturi est dimensionnée de façon à ce que la cinétique de la condensation (retard à la condensation) permette la condensation effective dans sa partie aval. Bien que la quantité d'eau en formation soit relativement faible dans ce premier élément, il est incurvé de façon à créer une force centrifuge bien en amont de l'élément 114 permettant la séparation des fluides de différente densité, l'air et l'eau circulant préférentiellement sur les parties, respectivement, interne et externe du conduit incurvé.

Comme mentionné dans le cas de canaux rectilignes, contrairement à l'élément 113, l'élément 114 est fortement divergent en vue d'une collecte de l'eau dans cette section. Bien que l'augmentation de la section de passage entraîne une élévation de la température correspondant à une situation d'évaporation d'eau elle même conditionnée par la cinétique à l'évaporation (retard à l'évaporation), la longueur du canal 114 est dimensionnée de façon à ce que l'eau ne puisse s'évaporer de façon significative dans cette section. La longueur de l'élément 114 est déterminée similairement à celle de l'élément 113 de façon à ce que l'évaporation ne se produise que dans la partie aval, voire, en aval de l'élément 114. Dans les figures l0a et 10b, l'axe principal de la sortie du conduit 114 est parallèle à l'axe principal de l'entrée du conduit 113 mais situé dans un plan différent. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, ces axes peuvent couvrir toutes les situations allant d'axes non parallèles et dans des plans différents à des axes colinéaires. Effet booster en l'aval de l'élément venturi La condensation de l'eau à l'intérieur du venturi et de l'élément collecte d'eau engendre un transfert de chaleur de la phase condensée (l'eau) vers la phase non condensée (l'air partiellement humide) et, par conséquent, à une augmentation de l'énergie interne de l'air circulant dans ces canaux. La transmission progressive de la chaleur engendre une dilatation de l'air et, par conséquent, une augmentation de la vitesse de passage de l'air dans ces canaux. La figure 11 illustre "l'effet booster" dans le cadre de production d'eau. L'eau condensée au sein des venturis 113 et 114 (condensation et collecte) est extraite du milieu intérieur pour être évacuée vers l'extérieur. Au cours du processus de condensation d'eau, la chaleur latente Hi est libérée et restituée à la phase non condensée. Cette chaleur contribue à augmenter la température du gaz en sortie du venturi , à dilater son volume et, par conséquent, sa vitesse et son énergie cinétique. En conclusion, si le système à venturi ne devait pas subir de pertes de charge et si la surface de la section de sortie était égale à celle de l'entrée, l'énergie potentielle en sortie serait égale à celle de l'entrée tandis que l'énergie cinétique en sortie serait supérieure à celle de l'entrée du fait de la conversion d'une énergie interne en chaleur et de l'absence de pertes. Sur la base de l'hypothèse précédente, une énergie cinétique Ec2 > Ecl contribue à faciliter l'écoulement du fluide au travers du venturi (prise en compte des pertes de charge et des pertes par décollement).

Exemple: Condensation d'eau Lorsque de l'air contenant de la vapeur d'eau est refroidi, la fraction de vapeur d'eau correspondant à une humidité relative supérieure à 100% condense dans un état d'équilibre thermodynamique. La quantité d'eau condensée est déterminée en fonction de la pression partielle d'eau correspondant à l'état avant refroidissement et celui après refroidissement comme il est connu de l'homme du métier. La figure 12 donne la pression partielle de l'eau (en bar- en ordonnée) en fonction de la température (°C- en abscisse), dans le cas d'une humidité relative de 100%. Considérons une aire de 10000 m2 balayée par un vent avec une vitesse de 20 m/s 20 transportant un air à une température de 35°C et une humidité relative 100%. Dans ces conditions, le volume et la masse d'air sec sont, respectivement, de 190000 m3/s et 245000 kg/s tandis le volume (état vapeur) et la masse d'eau sèche sont, respectivement, de 10900 m3/s et 8780 kg/s. Si la température est diminuée de 35 à 20°C, le volume (état vapeur) et la masse d'eau sèche 25 sont réduits, respectivement, à 5860 m3/s et 4710 kg/s faisant, par conséquent, condenser environ 4000 kg d'eau dans les conditions d'équilibre. La quantité d'eau condensable dans le système à venturi dépend de la chute en température et, par conséquent, du diamètre du venturi (relativement au diamètre du système concentrateur d'énergie), aux aspects cinétiques liés en grande partie à la longueur du venturi ainsi qu'à 30 l'efficacité du système de captage d'eau.

Intégration de l'élément machine et de l'élément col de venturi Les éléments machine et col de venturi en vue de la production, respectivement, d'énergie et d'eau peuvent être intégrés dans le montage en aval du système concentrateur d'énergie. Toutefois, ces éléments peuvent fonctionner simultanément ou indépendamment les uns des autres selon les priorités de fourniture et selon les conditions atmosphériques et de stockage. Quelques exemples ou tendances sont donnés ci-dessous à titre indicatif : par vent faible, un seul élément (ou une partie d'un élément) sera mis en fonctionnement pour la fourniture soit d'une faible quantité d'eau soit d'une faible quantité d'énergie. Par vent très élevé, il pourra être envisagé de faire fonctionner les deux (ou une partie des deux) simultanément. par température élevée et humidité relative élevée, il pourra être avantageux de donner la priorité au système de production d'eau et dans le cas contraire au système de production d'énergie. un fort stockage d'air et un faible stockage d'eau pourra conduire au fonctionnement du système de production d'eau et dans le cas contraire au système de production d'énergie. La figure 13 montre en vue de face un élément concentrateur d'énergie en direction de l'élément turbine 11 et de l'élément venturi 113 composés d'éléments 70 disposés au centre de l'élément turbine.

Les figures 14a et 14b montrent en vue de coupe longitudinale des éléments concentrateur d'énergie 10, machines 11, venturis 113 et collecteur d'eau 114. La vue représente un ensemble de machines et de cols montés sous la forme d'un cône en aval de l'élément concentrateur d'énergie de façon à faciliter l'écoulement de l'extérieur vers l'intérieur de l'élément concentrateur d'énergie et plus particulièrement, lorsque les venturis sont les seuls en fonctionnement (turbines hors service). Caractéristiques de l'élément machine 1l: Cet élément est constitué d'un ensemble de machines pouvant être montées, par exemple, en rectangle ou en cercle. L'invention ne se limite pas à ces exemples de configurations 30 géométriques. - Montage rectangulaire (Figures 15a et 15b): L'élément principal 11 est constitué d'un ensemble de blocs élémentaires 20 sensiblement de section carrée. La section carrée comprend en amont un cône 21 alimentant une section cylindrique dans laquelle se trouvent les pales (ou aubes) des turbines. Les pales 22 des turbines entraînent par un arbre 24 une machine 25 absorbant l'énergie fournie par les pales. Les machines entraînées par les turbines peuvent être, par exemple, des alternateurs pour la fourniture d'énergie électrique, des compresseurs pour la compression d'un gaz (air ou autre) ou des pompes pour le relevage de la hauteur hydrostatique d'un liquide. Les rotors peuvent éventuellement être désaccouplés individuellement en vue de la maintenance d'un élément de machines tournantes. La figure 15b représente une coupe selon AA' de la figure 15a. 10 - Montage circulaire (Figures 16a et 16b): L'élément machine principal 11 est constitué d'un ensemble de blocs élémentaires en forme de secteurs angulaires. Chaque secteur comprend en amont un cône 31 collectant l'air et alimentant une section cylindrique 33 dans laquelle se trouvent les pales (ou aubes) des turbines. Les pales 32 des turbines entraînent par un arbre 34, soit une machine absorbant 15 directement l'énergie, soit un pignon d'engrenage 35. L'ensemble des engrenages 35 peut entraîner une couronne d'engrenage 36. Sur cette couronne, d'autres pignons d'engrenage peuvent entraîner des alternateurs, des compresseurs ou des pompes (non représentés). Ces machines sont de préférence montées sur l'extérieur de la couronne de façon à ne pas perturber l'écoulement d'air au travers des éléments turbines. 20 Les machines entraînantes (turbines) ou entraînées peuvent être désaccouplées au niveau des engrènements (secondaires ou principal) de façon à permettre le démontage d'une ou plusieurs machines, par exemple pour leur maintenance. Comparées à des éoliennes à pales, les turbines de la présente invention sont de très petit diamètre, 10 à 100 fois plus petit que celui d'une pale classique et peuvent, par conséquent, 25 tourner à une vitesse considérablement plus élevée que celle d'une éolienne à pales. Cette vitesse peut être de l'ordre, ou un multiple, de 1500 tours/min (pour les pays alimentés en 50 Hz) ou 1800 tours/min (pour les pays alimentés en 60 Hz). Ces vitesses sont admissibles pour deux raisons principales: adaptation aérodynamique possible à ces vitesses, 30 - pas de fortes contraintes centrifuges limitant la rotation des turbines à de faible vitesse comme c'est le cas avec une éolienne à pales conventionnelle.

Compte tenu de cette vitesse de rotation élevée, les turbines peuvent entraîner en direct les machines absorbant l'énergie que ce soit des alternateurs, des compresseurs ou des pompes sans nécessiter la présence de multiplicateurs de vitesse.

Diffuseur en sortie d'un élément de turbine (Figure 17): De façon à limiter les pertes par diffusion en aval d'un élément de turbine, chaque élément est suivi d'un élément diffuseur 23 ayant une forme divergente. Cet élément permet, par ailleurs, de limiter les pertes par mélange entre plusieurs éléments adjacents.

Système comprenant un très grand nombre de turbines et contrôle du système: De façon à faciliter l'écoulement de l'air en amont de chaque turbine, les turbines sont montées les unes par rapport aux autres sous la forme d'un cône, ou sensiblement conique, dans le prolongement du cône d'entrée 10 (Figures 18a et 18b). Ainsi, les turbines montées sur les parties extérieures périphériques sont montées selon la figure 18a. Les turbines dans un plan passant par l'axe du cône sont montées selon la figure 18b. Le nombre d'éléments turbines en fonctionnement est défini selon la vitesse du vent, de façon à obtenir une vitesse proche de la vitesse optimum en amont de chaque turbine individuelle. Ainsi, cela permet de s'approcher d'un fonctionnement à vitesse constante et toujours proche du rendement optimum. Certaines turbines sont, par conséquent, arrêtées ou démarrées pour le maintien de ce paramètre en amont des turbines en fonctionnement, à l'aide de moyens électroniques de contrôle et de commande permettant d'asservir le nombre de turbines en fonction de la vitesse du vent. La stratégie peut être: Par vent faible, la plupart des turbines sont à l'arrêt jusqu'au maintien en rotation d'une seule turbine pour un vent à l'entrée du cône 10 avec une vitesse correspondant à la condition minimum. Cette vitesse minimum est très inférieure à la vitesse minimum requise par une éolienne à pales conventionnelle compte tenu des dimensions relatives de chaque rotor. Par ailleurs, une turbine fonctionnant avec une vitesse d'air optimum en amont de son rotor (vitesse en amont du cône au prorata des surfaces) opère avec un rendement aérodynamique élevé très nettement supérieur au rendement d'une éolienne à pales à la vitesse de vent correspondant au décollage des pales et à un rendement voisin de zéro. Dans cette situation, les entrées d'air des turbines à l'arrêt sont fermées (système de fermeture non représenté sur les schémas) de façon à concentrer l'air au niveau de la, ou des turbines, en fonctionnement. Par vent élevé, la plupart des turbines sont en fonctionnement jusqu'à la mise en service de la totalité des turbines par vitesse de vent très élevée (vitesse maximum).

Cette facilité permet de recueillir de l'énergie à une vitesse de vent très élevée contrairement à une éolienne à pales conventionnelle qui est, soit arrêtée, soit plafonnée en puissance pour une question de protection mécanique de certains éléments (principalement les pales). Ce fonctionnement des turbines est obtenu avec un rendement aérodynamique optimum au niveau de chaque turbine, la vitesse de l'air à l'entrée de chaque turbine étant optimum. Par une vitesse de vent dépassant celle correspondant à la mise en service de toutes les turbines (fonctionnement théorique des turbines au delà de la vitesse et de la puissance optimum), des moyens d'ouverture 110 (Figures 18a et 18b) disposés dans la paroi du cône d'entrée sont actionnés de façon à dévier une partie de l'air (donc de son énergie) vers l'extérieur du cône d'entrée (des turbines) et ainsi maintenir une vitesse optimum à l'entrée de chaque turbine. Ces moyens de contournement d'air sont actionnés de façon naturelle, par exemple, sous l'effet de la pression du vent (force supérieure à la force de rappel d'un ressort) ou de façon contrôlée (système motorisé), de façon à maintenir une vitesse optimum au niveau des turbines.

Par vent moyen, les turbines sont mises en service en fonction de la vitesse du vent sur la base d'un fonctionnement des turbines avec une vitesse de rotation optimum (rendement optimum). Un trop grand nombre de turbines en fonctionnement aurait tendance à faire fonctionner les turbines en sous régime (vitesse trop lente avec rendement diminué). A l'inverse, un nombre insuffisant de turbines en fonctionnement aurait tendance à faire fonctionner les turbines en sur régime (vitesse trop élevée avec un rendement diminué associé à des contraintes mécaniques élevées). Les turbines sont mises en service ou arrêtées, par l'utilisation, par exemple de volets en amont ou en aval des turbines de façon à faciliter ou interrompre le flux d'air. L'ouverture de ces volets est éventuellement ajustable de façon à contrôler la vitesse ou la puissance captée au niveau de chaque turbine. L'ouverture totale ou partielle des volets est régit par un système de contrôle en fonction des conditions atmosphériques, du choix des turbines (disponibilité ù maintenance ù localisation au niveau de leur disposition matricielle) et des besoins énergétiques (production d'électricité ou stockage de l'énergie).

Caractéristiques de l'élément d'extraction d'air 12 (Figures 1, 19a, 19b, 20): Les éléments machines, venturi et collecteur d'eau peuvent être suivis d'un extracteur d'air de façon à faciliter l'écoulement au travers de ces éléments.

L'air sortant de l'élément turbine par la surface 17 pénètre à l'intérieur du cône de sortie divergent. Au cours de la traversée du cône de sortie, la vitesse d'écoulement est progressivement diminuée et la pression statique augmentée facilitant ainsi son évacuation du cône de sortie au travers de la surface 18. Pour faciliter la sortie de l'air, l'angle du cône divergent est limité à une valeur faible, comme 10 il est connu de l'homme du métier, pour limiter les pertes par décollement de la veine. Pour faciliter la sortie de l'air, le cône de sortie est enveloppé d'un second cône 40 (Figure 19a), ce dernier, convergent et d'ouverture orientée dans la direction du vent. L'enveloppe conique présente une surface d'entrée 45 supérieure à celle de l'entrée 15 du cône d'entrée convergent 10 et également supérieure à celle de la sortie 18 du cône de sortie divergent 12.

15 L'air pénétrant par l'entrée 45 de l'enveloppe 40 est dirigé par des conduits 51 (figure 20) vers des éléments 50 diffusant l'air extérieur avec une énergie cinétique élevée vers l'intérieur du cône de sortie en vue de l'entraînement de l'air sortant de l'élément turbine 11 avec une énergie cinétique plus faible. L'air pénètre dans les conduits 51 par des orifices de grande dimension 47.

20 Des orifices de plus petite dimension 46 à la surface de l'entrée 45, comme à la surface de la partie extérieure du cône de sortie 12 permettent l'entrée d'air à l'intérieur de ce cône sans l'utilisation de conduit en vue de l'entraînement de l'air à proximité de la paroi du cône de sortie (figure 19b). Les éléments 50 sont montés à intervalle régulier à l'intérieur du cône de sortie 12. Ils sont 25 alimentés par les conduits 51 et 49 transférant l'air extérieur vers l'intérieur du cône provenant, pour les conduits 51, des parties latérales et, pour les conduits 49, de la partie supérieure du cône de sortie. L'air introduit dans les éléments 50 est redistribué à l'intérieur du cône de sortie au travers d'orifices 48 (figure 20).

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1) Système pour la production d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif concentrateur d'énergie éolienne en forme de convergent (10) dont la sortie communique avec l'entrée d'un élément de condensation comportant une pluralité de cols de venturi (113).
2. 2) Système selon la revendication 1, dans lequel la sortie dudit concentrateur communique également avec l'entrée d'un élément machine (11) comportant une pluralité de turbines (20) de captation de l'énergie éolienne.
3. 3) Système selon la revendication 2, dans lequel les turbines et les cols sont assemblés pour former la section de sortie dudit concentrateur convergent.
4. 4) Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel une partie de l'air du concentrateur est dévié de l'amont desdits cols et turbines vers l'aval pour activer des moyens d'extraction d'air ((12).
5. 5) Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la sortie de l'élément de condensation et/ou de l'élément machine communique avec l'entrée d'un extracteur d'air en forme de divergent.
6. 6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit extracteur d'air est entouré d'un convergent (40) de façon à diffuser un courant d'air dans ledit extracteur d'air.
7. 7) Système selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens de contrôle et de commande du fonctionnement des turbines et/ou des cols en fonction de la vitesse du vent.
8. 8) Système selon la revendication 7, dans lequel les moyens de contrôle et de commande du fonctionnement des turbines et/ou des cols comportent des moyens de réglage de l'ouverture ou de la fermeture de l'entrée desdits turbines et/ou cols.
9. 9) Système selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens de captage de l'eau condensée disposés en sortie des cols de venturi.
10. 10) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites turbines et/ou les cols sont assemblés dans un élément de section carrée, rectangulaire ou circulaire.
11. 11) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit concentrateur d'énergie comporte des moyens de déviation de l'air hors dudit concentrateur.
12. 12) Système selon la revendication 11, dans lequel lesdits moyens de déviation comportent des volets commandés en fonction de la vitesse du vent.