LU100895B1 - Appareils et procédés d'accumulation et de récupération d'énergie - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un appareil destiné à accumuler et à récupérer de l'énergie thermique grâce à l'utilisation d'un matériau à changement de phase (PCM), comprenant des unités thermo-conductrices, des sources d'énergie destinées à fournir l'énergie thermique au PCM, un système de gaz inerte, des couches d'isolation et un élément d'enceinte externe. L'unité conductrice présente au moins une tranchée destinée à contenir le PCM. Cette tranchée présente des parois longitudinales opposées, sensiblement incurvées, et des parois latérales se rejoignant au niveau d'une base, présentant ainsi une plus grande capacité de résistance à la pression interne. Selon certains modes de réalisation, les unités conductrices sont conçues pour maximiser le rapport volumique du PCM au matériau conducteur. Selon un mode de réalisation, la tranchée est partiellement elliptique dans une section transversale plane qui est perpendiculaire à un axe majeur ou à un axe mineur de la tranchée. L'appareil est en contact thermique avec un système de conversion d'énergie thermique pour transférer l'énergie thermique récupérée à un système de conversion d'énergie thermique qui convertit l'énergie thermique récupérée en énergie électrique.
Description
APPAREILS ET PROCÉDÉS D'ACCUMULATION ET DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne de manière générale le domaine du stockage de l'énergie thermique. Plus particulièrement, la présente invention concerne un appareil et des procédés d’accumulation et de récupération d’énergie thermique grâce à l’utilisation d’un matériau à changement de phase.
CONTEXTE L’énergie solaire et l’énergie éolienne font partie des ressources énergétiques renouvelables qui constituent une alternative bienvenue aux ressources énergétiques non renouvelables polluantes pour l’environnement. Les énergies solaire et éolienne sont des sources d’énergie intermittentes. La normalisation d’une telle production d’énergie est possible en intégrant des solutions de stockage d’énergie à de telles sources d’énergie. À l’heure actuelle, l’énergie peut être stockée par l’intermédiaire d’un stockage à air comprimé, d’une accumulation par pompage hydraulique, d’un stockage d’énergie à base d'hydrogène ou de batteries. Mais les obstacles au stockage d’énergie à l’échelle commerciale ont été attribués à la densité énergétique, à l’efficacité et aux coûts élevés. Une solution rentable qui résout les problèmes mentionnés ci-dessus est souhaitable afin d’amener efficacement la production d’énergie renouvelable dans l’arène de la production d’énergie de base.
La présente invention concerne un appareil et des procédés d’accumulation et de récupération d’énergie thermique utilisant un matériau à changement de phase. L’invention décrite ici convertit de l’énergie électrique, dérivée d’une source d’énergie externe telle qu’une énergie solaire ou éolienne, en énergie thermique. L’énergie thermique est stockée dans le matériau à changement de phase et convertie ultérieurement en énergie mécanique/électrique par un système de conversion d’énergie thermique. L’appareil décrit comprend une unité thermo-conductrice comportant une ou plusieurs tranchées pour contenir le matériau à changement de phase, la tranchée étant conçue pour présenter une plus grande capacité de résistance à la pression interne par rapport aux tranchées ayant des parois parallèles ou des récipients à parois cylindriques. Selon des modes de réalisation préférés, les unités conductrices sont conçues de manière à maximiser le rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur. BREF RÉSUMÉ
Ce qui suit présente un résumé simplifié de la description afin de fournir une compréhension de base au lecteur. Ce résumé ne constitue pas une vue d’ensemble détaillée de la description et n’identifie pas les éléments clés/critiques de l’invention, ni ne délimite la portée de l’invention. Son seul but est de présenter certains concepts divulgués ici sous une forme simplifiée, en prélude à la description plus détaillée qui est présentée plus tard.
Des modes de réalisation à titre d’exemples de la présente invention concernent des unités thermo-conductrices constituées d’un matériau thermiquement stable et thermiquement conducteur approprié pour un transfert efficace d’énergie thermique. L’unité conductrice comprend un corps comportant une ou plusieurs tranchées destinée à contenir un matériau à changement de phase. La tranchée est définie par une ou plusieurs paires de parois longitudinales opposées et une ou plusieurs paires de parois latérales opposées se rejoignant au niveau d’une base, ladite tranchée ayant une forme et une taille prédéterminées, ladite tranchée présentant une plus grande capacité de résistance à la pression interne par rapport à une tranchée définie par des parois parallèles ou un récipient ayant des parois cylindriques. Selon certains modes de réalisation, l’unité conductrice comprend en outre un couvercle qui recouvre sensiblement une surface supérieure du corps. Selon des modes de réalisation préférés, les unités conductrices sont conçues de manière à maximiser le rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur. Selon des modes de réalisation préférés, les parois longitudinales et latérales sont incurvées. Selon un mode de réalisation préféré, la tranchée est partiellement elliptique dans une section transversale plane, ladite section transversale étant perpendiculaire à un axe principal de la tranchée.
Des modes de réalisation à titre d’exemples de la présente invention concernent des procédés de fabrication d’unités thermo-conductrices. Le procédé commence par la fourniture d’un ou de plusieurs blocs de matériau thermiquement stable et thermiquement conducteur approprié pour un transfert efficace d’énergie thermique. L’étape suivante consiste à usiner une ou plusieurs tranchées sur le bloc, ladite tranchée étant définie par une ou plusieurs paires de parois longitudinales opposées et une ou plusieurs paires de parois latérales opposées se rejoignant au niveau d’une base. La tranchée présente une forme et une taille prédéterminées. La tranchée est conçue pour contenir un matériau à changement de phase et pour présenter une plus grande capacité de résistance à la pression interne par rapport à une tranchée définie par des parois parallèles ou un contenant ayant des parois cylindriques. Le procédé comprend en outre une étape facultative consistant à fixer les blocs ensemble au moyen d’attaches mécaniques ou d’adhésifs appropriés, cette étape facultative pouvant être effectuée avant ou après l’usinage de la tranchée. Le procédé comprend en outre une autre étape facultative à utiliser dans le cas de plusieurs blocs. Les espaces entre les blocs sont scellés par un matériau d’étanchéité approprié, le matériau d’étanchéité étant conçu pour empêcher une fuite du matériau à changement de phase fondu. Selon des modes de réalisation préférés, les unités conductrices sont conçues de manière à maximiser le rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur.
Des modes de réalisation à titre d’exemples de la présente invention concernent un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie thermique. L’appareil comprend une ou plusieurs unités thermo-conductrices telles que décrites dans le paragraphe précédent, une ou plusieurs sources d’énergie pour fournir de l’énergie thermique au matériau à changement de phase, un système de gaz inerte pour fournir et maintenir une atmosphère inerte à l’intérieur de l’appareil, une ou plusieurs couches d’isolation et un élément d’enceinte externe. Selon des modes de réalisation préférés, le matériau conducteur de l’unité conductrice est du graphite fritté et le matériau à changement de phase est une composition à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes.
Selon un mode de réalisation particulier, la source d’énergie comprend un ou plusieurs éléments chauffants qui convertissent l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en énergie thermique par chauffage résistif, chauffant ainsi l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase. Selon un mode de réalisation particulier, la source d’énergie comprend un système générateur de micro-ondes. Le système générateur de micro-ondes est conçu pour convertir de l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en micro-ondes, chauffant ainsi l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase. Selon un mode de réalisation particulier, la source d’énergie comprend un système de génération de plasma qui est conçu pour générer du plasma à partir du gaz inerte au moyen d’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe. Le plasma chauffe l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase.
Le système de gaz inerte comprend une source de gaz inerte pour fournir un gaz inerte, une unité d’alimentation en gaz inerte qui est reliée à la source de gaz inerte pour alimenter le gaz inerte provenant de la source de gaz inerte dans l’appareil et une unité de régulation de flux de gaz pour réguler l’écoulement du gaz inerte dans l’appareil et hors de l’appareil.
Les couches isolantes entourent sensiblement l’unité conductrice pour minimiser la perte d’énergie thermique à partir de l’appareil. L’élément d’enceinte externe englobe sensiblement la couche d’isolation pour maintenir une atmosphère étanche à l’air dans l’appareil et pour assurer l’intégrité structurelle de l’appareil. L’appareil est conçu pour accumuler et récupérer de l’énergie thermique en utilisant un matériau à changement de phase. L’appareil est en contact thermique avec un ou plusieurs systèmes de conversion d’énergie thermique pour le transfert de l’énergie thermique depuis l’intérieur de l’unité conductrice jusqu’au système de conversion d’énergie thermique, ledit système de conversion d’énergie thermique convertissant l’énergie thermique récupérée en énergie mécanique/électrique.
Des modes de réalisation à titre d’exemples de la présente invention concernent des procédés d’accumulation et de récupération d’énergie thermique. Le procédé commence par fournir un appareil tel que décrit par les paragraphes précédents. L’étape suivante consiste à fournir de l’énergie thermique au matériau à changement de phase au moyen de la source d’énergie. L’énergie thermique est absorbée par le matériau à changement de phase lors de la transition de la phase solide à la phase liquide, stockant ainsi l’énergie thermique. L’énergie thermique stockée est extraite lors de la transition de la phase liquide à la phase solide du matériau à changement de phase. L’énergie thermique libérée est transférée au système de conversion d’énergie thermique par l’intermédiaire de l’unité conductrice. L’énergie thermique extraite est utilisée par le système de conversion d’énergie thermique pour la conversion en énergie mécanique/électrique.
Un objet de la présente invention est de décrire un appareil et des procédés d’accumulation et de récupération d’énergie thermique qui exploitent efficacement différentes formes d’énergie.
Un autre objet encore, de la présente invention, est de décrire un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie thermique qui présente une plus grande capacité de résistance à la pression interne en raison des transitions de phase du matériau à changement de phase par rapport à un appareil classique. Un autre objet de la présente invention est de décrire une unité conductrice qui est conçue pour maximiser le rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur selon certains modes de réalisation.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D’autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront à l’homme du métier à la lecture de la description détaillée suivante des modes de réalisation préférés, conjointement aux dessins qui l’accompagne, dans lesquels des références numériques similaires ont été utilisées pour désigner des éléments similaires, et dans lesquels :
La figure 1A est une représentation simpliste d’une configuration de plusieurs blocs, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 1B est une représentation simpliste d’une configuration de plusieurs blocs, conformément à un autre mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 1C est une représentation simpliste d’une section transversale d’unités thermo-conductrices, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 1D est une représentation simpliste d’une section longitudinale d’une unité thermo-conductrice, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 2A est une représentation simpliste d’une vue isométrique d’une unité thermo-conductrice montrant une tranchée en forme de bateau, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 2B est une représentation simpliste d’une vue isométrique d’une unité thermo-conductrice avec des rainures circonférentielles, conformément à un autre mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 2C est une représentation simpliste d’une vue de face en coupe transversale d’une tranchée et la figure 2D est une représentation simpliste d’une vue latérale en coupe transversale de la tranchée, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 2E est une représentation simpliste d’une vue isométrique d’une unité thermo-conductrice, selon encore un autre mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
Les figures 2F, 2G et 2H représentent respectivement, une vue latérale, une vue de dessus et une vue de face de l’unité thermo-conductrice représentée sur la figure 2E.
La figure 3 est une représentation schématique d’un élément chauffant en graphite fritté, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 4 est une représentation schématique d’une chambre d’expansion flexible connectée à un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 5 est une représentation schématique d’une coupe longitudinale d’un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 6A est une représentation schématique d’une coupe longitudinale d’un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie, conformément à un autre mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 6B est une représentation schématique d’une vue en coupe d’une partie de l’appareil d’accumulation et de récupération d’énergie de la figure 6A montrant l’association de l’élément connecteur avec la tête du moteur Stirling.
La figure 7 est une représentation schématique d’une coupe transversale d’un moyen d’étanchéité hermétique à l’air présent dans la paroi de l’enceinte, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 8A est une représentation schématique d’un appareil ayant un système générateur de micro-ondes, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 8B est une représentation schématique d’un appareil ayant un système de génération de plasma à base de micro-ondes, conformément à un autre mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description.
La figure 9A est une représentation simpliste d’une vue isométrique d’une unité thermo-conductrice avec une tranchée de type ellipsoïde, conformément à un exemple de réalisation non limitatif de la présente description.
La figure 9B est une représentation simpliste d’une autre vue isométrique de l’unité conductrice présentée sur la figure 9A représentant la limite de chaleur d’entrée.
Les figures 9C, 9D et 9E représentent respectivement, une vue latérale, une vue de dessus et une vue de face de l’unité thermo-conductrice représentée sur la figure 9A.
Les figures 10A et 10B représentent respectivement, les régimes thermiques d’entrée et de sortie, pour l’unité conductrice représentée sur la figure 9A.
La figure 11 représente la distribution des mailles à travers l’unité conductrice représentée sur la figure 9A.
La figure 12 représente le profil de température de la surface de l’unité conductrice représentée sur la figure 9A. Temps = 84 540 s Surface : Température (K)
La figure 13 représente l’apparence des contours isothermes à travers l’unité conductrice représentée sur la figure 9A. Temps = 85 560 s Isosurface : Température (K)
La figure 14 représente la contrainte maximale (Pa) sur les surfaces de l’unité conductrice présentée sur la figure 9A dans différentes vues. Temps = 60 s Surface : contrainte de von Mises (Pa)
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Il est entendu que la présente description n’est pas limitée dans son application aux détails de la construction et à la disposition des composants énoncés dans la description suivante ou illustrés dans les dessins. La présente invention se prête à d’autres modes de réalisation et est apte à être mise en pratique ou réalisée de diverses manières. En outre, il est entendu que la phraséologie et la terminologie utilisées ici le sont à des fins de description et ne doivent pas être considérées comme limitatives. L’utilisation de « incluant », « comprenant » ou « ayant » et leurs variations dans la présente description vise à englober les éléments énumérés ci-après et leurs équivalents, ainsi que des éléments supplémentaires. Les termes « un » et « une » ne désignent pas ici une limitation de quantité, mais désignent plutôt la présence d’au moins un des éléments de référence. En outre, l’utilisation des termes « premier », « deuxième » et « troisième », et similaires, ne désigne ici aucun ordre, quantité ou importance, mais sert plutôt à distinguer un élément d’un autre.
La présente invention concerne un appareil et des procédés d’accumulation et de récupération d’énergie thermique grâce à l’utilisation d’un matériau à changement de phase. La présente invention décrit en outre des unités thermoconductrices et des procédés associés appropriés pour l’appareil ci-dessus. Selon différents modes de réalisation à titre d’exemples non limitatifs de la présente invention, des unités thermo-conductrices constituées d’un matériau thermiquement stable et thermiquement conducteur approprié pour un transfert efficace d’énergie thermique sont décrites. L’unité conductrice comprend un corps comportant une ou plusieurs tranchées pour contenir un matériau à changement de phase. La tranchée est définie par une ou plusieurs paires de parois longitudinales opposées et une ou plusieurs paires de parois latérales opposées se rejoignant au niveau d’une base, ladite tranchée ayant une forme et une taille prédéterminées, ladite tranchée ayant une plus grande capacité de résistance à la pression interne par rapport à une tranchée définie par des parois parallèles ou un contenant ayant des parois cylindriques. Selon certains modes de réalisation, l’unité conductrice comprend en outre un couvercle qui recouvre sensiblement une surface supérieure du corps. Le terme « unité conductrice » mentionné dans cette description fait référence soit au corps seul, soit au corps avec le couvercle sans limiter la portée de la présente description. Selon des modes de réalisation préférés, les unités conductrices sont conçues de manière à maximiser le rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur. Selon des modes de réalisation préférés, les parois longitudinales et latérales sont incurvées. Selon un mode de réalisation préféré, la tranchée est partiellement elliptique dans une section transversale plane, ladite section transversale étant perpendiculaire à un axe majeur ou à un axe mineur de la tranchée. Selon un autre mode de réalisation, la tranchée présente une forme sensiblement partiellement ellipsoïdale.
Selon des modes de réalisation préférés, le matériau conducteur de l’unité conductrice est du graphite fritté et le matériau à changement de phase est une composition à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes. Le terme « silicium » utilisé ici en référence aux compositions de matériau à changement de phase désigne généralement des compositions à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes.
Conformément à différents modes de réalisation à titre d’exemples non limitatifs de la présente invention, des procédés de fabrication d’unités thermoconductrices sont décrits. Le procédé commence par la fourniture d’un ou de plusieurs blocs de matériau thermiquement stable et thermiquement conducteur approprié pour un transfert efficace d’énergie thermique. Les blocs peuvent être des blocs moulés ou des blocs extrudés. L’étape suivante consiste à former au moins une partie d’une tranchée sur le bloc, ladite tranchée ayant une forme et une taille prédéterminées. Selon certains modes de réalisation, des blocs avec une ou plusieurs tranchées formées lors de leur fabrication peuvent en outre être usinés pour obtenir la géométrie souhaitée de la tranchée. Le procédé comprend en outre une étape facultative consistant à fixer les blocs ensemble au moyen d’attaches mécaniques ou d’adhésifs appropriés, cette étape facultative pouvant être effectuée avant ou après l’usinage de la tranchée. Le procédé comprend en outre une autre étape facultative à utiliser dans le cas de blocs multiples, dans laquelle les espaces entre les blocs sont scellés par un matériau d’étanchéité approprié, le matériau d’étanchéité étant conçu pour empêcher une fuite du matériau à changement de phase fondu. Selon des modes de réalisation préférés, les unités conductrices sont conçues de manière à maximiser le rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur.
Selon certains modes de réalisation, les blocs sont moulés avec la forme souhaitée de la tranchée, ce qui annule l’étape d’usinage des blocs pour créer une tranchée. Selon certains modes de réalisation, les unités conductrices de formes souhaitées sont moulées à partir d’un seul bloc. Selon certains modes de réalisation, les unités conductrices sont moulées sous forme de blocs distincts et simplement fixées ensemble pour obtenir la forme souhaitée.
Les tranchées sont obtenues par extrusion ou par moulage de l’unité conductrice à la forme souhaitée de la tranchée et par un usinage supplémentaire selon les besoins pour obtenir la tranchée de forme elliptique. Selon différents modes de réalisation à titre d’exemples non limitatifs de la présente invention, un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie thermique est décrit. L’appareil comprend une ou plusieurs unités thermoconductrices, une ou plusieurs sources d’énergie pour fournir de l’énergie thermique au matériau à changement de phase, un système de gaz inerte pour fournir et maintenir une atmosphère inerte dans l’appareil, une ou plusieurs couches d’isolation et un élément d’enceinte externe.
Selon un mode de réalisation particulier, la source d’énergie comprend un ou plusieurs éléments chauffants qui convertissent l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en énergie thermique par chauffage résistif, chauffant ainsi l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase. Selon un mode de réalisation particulier, la source d’énergie comprend un système générateur de micro-ondes. Le système générateur de micro-ondes est conçu pour convertir l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en micro-ondes, chauffant ainsi l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase. Selon un mode de réalisation particulier, la source d’énergie comprend un système de génération de plasma qui est conçu pour générer du plasma à partir du gaz inerte au moyen de l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe. Le plasma chauffe l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase.
Les couches isolantes entourent sensiblement l’unité conductrice pour empêcher/minimiser la perte d’énergie thermique à partir de l’appareil. L’élément d’enceinte externe englobe sensiblement la couche d’isolation pour maintenir une atmosphère étanche à l’air dans l’appareil et pour assurer l’intégrité structurelle de l’appareil. L’appareil est conçu pour accumuler et récupérer de l’énergie thermique en utilisant un matériau à changement de phase. L’appareil est en contact thermique avec un système de conversion d’énergie thermique pour transférer l’énergie thermique récupérée au système de conversion d’énergie thermique, ledit système de conversion d’énergie thermique convertissant l’énergie thermique récupérée en énergie mécanique/électrique.
Les unités thermo-conductrices sont constituées d’un matériau thermoconducteur, hautement thermiquement stable, tel que du graphite fritté pour un transfert efficace d’énergie thermique. Les unités conductrices sont constituées soit d’un seul bloc de graphite fritté, soit de multiples blocs de graphite fritté qui sont assemblés ensemble. Plusieurs blocs de graphite sont préférés aux blocs simples pour faciliter la fabrication. Dans de tels modes de réalisation où plusieurs blocs de graphite sont utilisés, deux blocs ou plus sont empilés côte à côte et/ou les uns au-dessus des autres pour obtenir les dimensions souhaitées des unités thermo-conductrices.
Les blocs empilés peuvent être fixés les uns aux autres par des moyens de fixation mécaniques, ou par liaison thermique avec des adhésifs à haute température ou les deux. Selon un mode de réalisation préféré, des écrous et des boulons sont utilisés pour fixer ensemble les blocs. Les écrous et les boulons peuvent être en carbure de tungstène, en composite de carbone-carbone, en graphite ou en tout autre matériau approprié connu dans la technique qui peut supporter des températures élevées allant jusqu’à 1 600 °C et qui présente un faible coefficient de dilatation thermique sans limiter la portée de la présente description.
Plusieurs blocs, bien que solidement fixés, peuvent comporter des espaces intermédiaires susceptibles de provoquer une fuite du matériau à changement de phase fondu. Afin d’empêcher une telle fuite, on utilise, selon certains modes de réalisation, n’importe quel matériau d’étanchéité à base de colle ou pâte eutectique à base de silicium qui présente un point de fusion supérieur à celui du matériau à changement de phase. Selon des modes de réalisation qui utilisent du silicium comme matériau à changement de phase, le silicium fondu qui fuit dans les interstices et/ou les pores de la tranchée lors de la fusion initiale réagit avec le carbone dans l’unité conductrice en graphite fritté pour former du carbure de silicium. Le carbure de silicium a une température de fusion de plus de 2 500 °C qui est supérieure à la température interne maximale atteinte dans l’appareil, agissant ainsi comme un matériau d’étanchéité qui empêche toute fuite supplémentaire du matériau de silicium. Le carbure de silicium formé sur la surface de la tranchée selon ces modes de réalisation sert également de régulateur de flux d’énergie thermique où l’énergie thermique du matériau à changement de phase à l’unité conductrice est régulée en raison de la présence de la couche de carbure de silicium. Selon certains modes de réalisation, l’épaisseur des couches de carbure de silicium n’est que de quelques microns. La grande surface de la tranchée permet à l’énergie thermique souhaitée de circuler vers le système de conversion d’énergie thermique. L’épaisseur de la couche dépend de la concentration de silicium dans le matériau à changement de phase.
En se référant aux figures 1A et 1B, celles-ci représentent la configuration de plusieurs blocs qui sont empilés ensemble pour fabriquer une unité thermoconductrice. Sur la figure 1A, les blocs 102a à c sont empilés les uns sur les autres et sur la figure 1 B, les blocs 202a à i sont empilés les uns sur les autres ainsi que côte à côte pour former les dimensions souhaitées de l’unité conductrice.
En se référant à la figure 1C, celle-ci représente une coupe transversale des unités thermo-conductrices 104a, b et c comportant plusieurs blocs 302a, b et c, chacun des blocs comportant une tranchée correspondante 106a, b et c. En se référant à la figure 1D, celle-ci représente une coupe longitudinale d’une unité thermo-conductrice 404 comportant de multiples blocs 402a, b et c, dans laquelle le matériau de substrat est retiré des multiples blocs pour créer une seule tranchée 406. Selon certains modes de réalisation, de multiples tranchées sont définies dans un seul bloc de l’unité conductrice. Le nombre et la configuration des blocs et des tranchées dans une unité conductrice peuvent varier sans limiter la portée de la présente description.
La tranchée comporte deux parois longitudinales opposées et deux parois latérales opposées. Selon des modes de réalisation préférés, les parois longitudinales et les parois latérales sont incurvées. Selon certains modes de réalisation, les parois longitudinales et les parois latérales ne sont pas parallèles. Selon certains modes de réalisation, les parois sont inclinées vers une base. Selon certains modes de réalisation, la partie supérieure de la tranchée a des dimensions plus larges et plus longues que la partie inférieure de la tranchée. Les deux parois longitudinales sont inclinées selon un angle l’une par rapport à l’autre et se rejoignent au niveau d’une base de la tranchée. La base de la tranchée est pointue, incurvée/arrondie ou sensiblement plane/plate. L’angle préféré auquel les deux parois longitudinales se rejoignent au niveau de la base est d’environ 50 ° à 110 ° en fonction de la taille de l’unité conductrice. Selon certains modes de réalisation, les tranchées comportent une ou plusieurs rainures circonférentielles. La forme de la tranchée et les rainures circonférentielles de la tranchée facilitent le contrôle de la montée en pression associée à l’effet de sublimation du matériau à changement de phase.
En se référant à la figure 2A, celle-ci représente un corps 204 d’une unité thermo-conductrice avec une tranchée 206 destinée à contenir un matériau à changement de phase. La tranchée 206 est en forme de bateau et comporte deux parois longitudinales opposées 208 et deux parois latérales opposées 210. La base 212 de la tranchée 206 ne touche pas le fond 214 du corps 204 de l’unité conductrice. Une surface supérieure 205 du corps 204 est conçue pour être sensiblement recouverte par un couvercle (couvercle non représenté sur la figure) afin d’empêcher le déversement du matériau à changement de phase et d’empêcher la perte de chaleur.
En se référant à la figure 2B, celle-ci représente une unité thermo-conductrice 304 avec une tranchée en forme de bateau 306 destinée à contenir un matériau à changement de phase. La tranchée comporte deux rainures circonférentielles 316a et b, une rainure disposée dans la partie supérieure 318 et une autre rainure disposée dans la partie inférieure 320 de la tranchée 306. Les unités thermo-conductrices peuvent avoir une ou plusieurs des rainures circonférentielles mentionnées ci-dessus sans limiter la portée de la présente description.
En se référant à la figure 2C, celle-ci représente une vue de face en coupe transversale d’une tranchée et, en se référant à la figure 2D, il s’agit d’une vue latérale en coupe transversale de la tranchée, conformément à un mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description. Ces figures représentent une tranchée sensiblement ellipsoïdale dans une unité conductrice 24.
Plusieurs surfaces incurvées elliptiques sont obtenues à la suite de l’usinage du bloc conducteur pour obtenir la géométrie souhaitée des tranchées.
En se référant à la figure 2E, celle-ci représente une vue isométrique d’une unité thermo-conductrice, conformément à encore un autre mode de réalisation à titre d’exemple non limitatif de la présente description. Différentes vues de l’unité conductrice sont représentées sur les figures 2F, 2G et 2H.
Les éléments chauffants sont des éléments chauffants en céramique, des éléments chauffants en métal, des éléments chauffants en graphite fritté ou tout autre élément chauffant connu dans la technique qui peut convertir l’énergie électrique en énergie thermique par chauffage résistif sans limiter la portée de la présente description. La source d’énergie externe est l’énergie solaire, l’énergie éolienne ou d’autres formes d’énergie sans limiter la portée de la présente description. Le courant électrique qui est alimenté aux éléments chauffants peut être un courant continu ou un courant alternatif. Par exemple, le courant électrique pourrait être un courant continu provenant d’un réseau photovoltaïque ou un courant alternatif provenant d’une éolienne. Le courant alternatif ou le courant continu doit être correctement redressé pour répondre aux exigences et aux spécifications du type d’élément chauffant qui est utilisé. L’énergie thermique qui est générée par l’élément chauffant est couplée thermiquement au matériau à changement de phase ou est conduite à travers l’unité thermo-conductrice jusqu’au matériau à changement de phase. Les éléments chauffants sont en contact thermique avec l’unité conductrice et peuvent être placés à l’intérieur de l’unité dans des renfoncements ou à proximité/attenant aux côtés/au sommet des unités conductrices. Les éléments chauffants peuvent être positionnés dans n’importe quelle orientation dans l’unité conductrice, c’est-à-dire horizontalement, verticalement ou selon tout angle souhaité, comme cela peut être approprié pour faciliter un transfert efficace de l’énergie thermique à l’unité conductrice. Selon des modes de réalisation préférés, les éléments chauffants ne sont pas en contact physique direct avec le matériau à changement de phase mais, selon certains modes de réalisation, sont disposés dans des couvercles au-dessus des tranchées contenant le matériau à changement de phase dans n’importe quelle orientation appropriée qui facilite le transfert efficace de l’énergie thermique directement au matériau à changement de phase.
Le système de gaz inerte de l’appareil est conçu pour fournir et maintenir une atmosphère inerte à l’intérieur de l’appareil étant donné les températures ambiantes élevées dans l’appareil et la nature combustible du graphite en présence d’oxygène. L’atmosphère inerte est fournie par l’un quelconque ou un mélange des gaz suivants comprenant l’azote, l’argon, l’hélium ou le dioxyde de carbone. Tout autre gaz ou mélange gazeux connu dans la technique qui peut fournir une atmosphère inerte non réactive et qui peut réduire les niveaux d’oxygène libre dans l’appareil peut être utilisé sans limiter la portée de la présente description. Le terme « gaz inerte » utilisé ci-après dans cette description fait référence à un seul gaz ou à un mélange gazeux.
Le système de gaz inerte est composé d’une source de gaz inerte destinée à fournir un gaz inerte, d’une unité d’alimentation en gaz inerte qui est reliée à la source de gaz inerte pour alimenter le gaz inerte provenant de la source de gaz inerte dans l’appareil et d’une unité de régulation de flux de gaz pour réguler l’écoulement du gaz inerte dans l’appareil et hors de l’appareil. Selon certains modes de réalisation, le gaz inerte provenant de la source de gaz inerte est alimenté dans une partie fermée de l’appareil par l’unité d’alimentation en gaz inerte de manière contrôlée afin de créer une atmosphère inerte dans l’unité conductrice et autour de cette dernière. La nature poreuse du graphite fritté dans l’unité thermo-conductrice facilite la dispersion du gaz inerte. Selon certains modes de réalisation, les éléments chauffants en graphite fritté comportent un ou plusieurs canaux creux pour faciliter davantage la dispersion du gaz inerte. Selon certains modes de réalisation, le système de gaz inerte comprend en outre une unité de recyclage de gaz inerte destinée à piéger le gaz inerte sortant de l’appareil et à réapprovisionner le gaz inerte piégé dans l’appareil. Selon certains modes de réalisation, l’unité de recyclage de gaz inerte comprend une chambre d’expansion flexible qui est conçue pour capturer et recycler le gaz inerte pendant les cycles de charge et de décharge. Le volume d’expansion de la chambre est proportionnel au volume dilaté du gaz inerte chaud. La source de gaz inerte et la chambre d’expansion sont placées à l’extérieur de la partie fermée de l’appareil et sont reliées à la partie fermée par des tuyaux. La partie fermée est rendue étanche à l’air pour maintenir l’atmosphère inerte par un moyen d’étanchéité hermétique à l’air.
En se référant à la figure 3, celle-ci représente un élément chauffant en graphite fritté 322 avec un canal creux 324 passant à travers l’élément poreux 322. Le canal 324 est conçu pour alimenter le gaz inerte dans l’appareil de manière à créer une atmosphère inerte à l’intérieur de la partie fermée de l’appareil. Une extrémité inférieure de l’élément chauffant 322 est scellée par un élément d’étanchéité 326 de l’élément chauffant.
En se référant à la figure 4, celle-ci représente une chambre d’expansion flexible 428 connectée à un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie 432 par un tuyau de gaz inerte 430. À des températures élevées, le volume du gaz inerte à l’intérieur de l’appareil 432 se dilate presque trois fois et le gaz détendu est capturé à partir de l’appareil 432 par la chambre d’expansion 428 à travers le tuyau de gaz inerte 430. À des températures plus basses, le volume de gaz à l’intérieur de l’appareil 432 diminue et le gaz inerte 434 provenant de la chambre d’expansion 428 est recyclé dans l’appareil 432 par le tuyau de gaz inerte 430 en raison de la pression atmosphérique exercée sur la chambre d’expansion flexible 428.
La température interne de l’appareil peut dépasser 1 600 °C. L’appareil est pourvu d’une ou de plusieurs couches d’isolation et d’une paroi d’enceinte extérieure pour empêcher la perte de chaleur. Tout matériau d’isolation connu dans la technique qui est non hygroscopique et qui est capable de résister à des températures d’au moins 1 600 °C peut être utilisé sans limiter la portée de la présente description. Le graphite est utilisé comme matériau isolant à face chaude selon certains modes de réalisation préférés.
Le matériau à changement de phase est une composition à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes. Toutes les compositions à base de silicium qui contiennent des quantités négligeables de fer peuvent être utilisées comme matériau à changement de phase sans limiter la portée de la présente description, bien qu’un silicium de grande pureté soit préférable entre tous. L’énergie thermique stockée dans le matériau à changement de phase est récupérée par l’intermédiaire de l’unité thermo-conductrice et transférée à des moteurs thermiques et/ou à des échangeurs de chaleur. Selon certains modes de réalisation, les sections de réception de chaleur des moteurs thermiques sont remplacées par des échangeurs de chaleur. Parmi les moteurs thermiques, le moteur Stirling est préféré, bien que tout autre moteur thermique à cycle fermé ou ouvert puisse être utilisé sans limiter la portée de la présente description. Les sections de réception de chaleur/échangeurs de chaleur sont connectés aux unités conductrices de manière à faciliter le transfert maximum de chaleur par conduction/convection ou infrarouge vers lesdits moteurs thermiques et/ou échangeurs de chaleur.
Selon certains modes de réalisation, les unités thermo-conductrices sont connectées à un ou plusieurs moteurs thermiques/échangeurs de chaleur soit directement, soit par l’intermédiaire d’éléments connecteurs, où les moteurs thermiques/échangeurs de chaleur convertissent l’énergie thermique qui est récupérée en énergie mécanique/électrique.
Selon certains modes de réalisation, l’appareil comprend en outre un moyen de réduction de vibration destiné à minimiser le transfert des vibrations des moteurs thermiques à l’unité thermo-conductrice. Selon un mode de réalisation particulier, un joint en silicone annulaire souple est utilisé comme moyen de réduction de vibration. D’autres matériaux souples connus dans la technique qui peuvent résister aux températures internes élevées de l’appareil peuvent être utilisés pour le joint sans limiter la portée de la présente description. Tout autre moyen de réduction de vibration connu dans la technique, tel que des joints toriques ou des soufflets qui peuvent résister aux températures internes élevées de l’appareil, peut être utilisé sans limiter la portée de la présente description.
En se référant à la figure 5, celle-ci représente une coupe longitudinale d’un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie 532. La tranchée 506 de l’unité thermo-conductrice 504 contient une composition à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes 536. L’unité thermo-conductrice selon ce mode de réalisation particulier est fabriquée à partir de blocs de graphite fritté. L’appareil 532 comporte des éléments chauffants en céramique 542a et b qui sont disposés de manière adjacente aux côtés de l’unité conductrice en graphite fritté. L’unité conductrice avec les éléments chauffants 542 est entourée par une première couche d’isolant à face chaude 538 suivie de plusieurs couches d’isolant 540 et complètement enfermée par un élément d’enceinte 544 d’une manière étanche à l’air.
En se référant aux figures 6A et 6B, l’appareil d’accumulation et de récupération d’énergie 632 comporte des éléments chauffants en graphite fritté 622 qui sont disposés horizontalement dans le couvercle 623 au-dessus de l’embouchure de la tranchée 606 contenant une composition à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes 636. Les figures représentent, en outre, un élément connecteur 646 qui connecte une tête du moteur Stirling 648 à l’unité conductrice 604. Un joint annulaire souple en silicium 650 est utilisé en tant que moyen de réduction de vibration qui est conçu pour réduire le transfert des vibrations du moteur Stirling à l’unité conductrice. L’élément connecteur 646, selon ce mode de réalisation particulier, est un graphite fritté de haute qualité avec un coefficient de transfert thermique plus élevé par rapport à l’unité conductrice en graphite fritté 604. L’élément connecteur en graphite fritté de haute qualité 646 se présente sous la forme d’une extension tubulaire cylindrique selon ce mode de réalisation particulier, bien que toute autre forme connue dans la technique telle qu’une mèche en graphite qui faciliterait un transfert thermique efficace puisse être utilisée sans limiter la portée de la présente description. Selon ce mode de réalisation, l’unité conductrice est fabriquée à partir de graphite fritté de faible qualité ayant un coefficient de transfert thermique d’environ 160 W/m2K et l’élément connecteur 646 est fabriqué à partir de graphite fritté de haute qualité ayant un coefficient de transfert thermique d’environ 300 W/m2K L’utilisation de graphite fritté de haute qualité pour l’ensemble de l’unité conductrice n’est pas réalisable compte tenu du coût élevé du matériau. La conception de l’appareil selon ce mode de réalisation est économique et assure en même temps un transfert efficace de l’énergie thermique au moteur thermique.
En se référant à la figure 7, celle-ci représente une vue en coupe transversale d’un moyen d’étanchéité hermétique à l’air présent dans l’élément/la paroi d’enceinte de l’appareil. Selon ce mode de réalisation particulier, la paroi d’enceinte de l’appareil comporte un élément de couvercle supérieur 752 avec une bride supérieure 756 et un élément de corps inférieur 754 avec une bride inférieure 758. Les brides supérieure et inférieure 756 et 758 forment une saillie externe autour de la paroi. Une tige d’espacement en acier 760 et un joint en silicium comprimé 762 présents entre les brides, 756 et 758, autour du bord extérieur de la paroi d’enceinte forment le moyen d’étanchéité hermétique à l’air de l’appareil. Comme on peut le voir sur la figure, les brides 756 et 758 sont en outre fixées par une pluralité d’éléments de fixation à écrous et à boulons 764. Le système générateur de micro-ondes est conçu pour convertir l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en micro-ondes, chauffant ainsi l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase. Les microondes transmettent de l’énergie au gaz inerte qui entoure l’unité conductrice et, par conséquent, le transfert d’énergie est multidimensionnel en ce qui concerne l’unité conductrice. Essentiellement, la fréquence des micro-ondes peut être réglée pour répondre directement aux besoins de chauffage de l’unité conductrice. La même chose peut être appliquée pour chauffer directement le matériau à changement de phase.
En se référant à la figure 8A, celle-ci représente un appareil 832 ayant un système générateur de micro-ondes. Selon ce mode de réalisation, le gaz inerte provenant d’une source de gaz inerte 872 est alimenté dans la partie fermée de l’appareil 844. Le but du gaz inerte selon ce mode de réalisation est uniquement d’empêcher la combustion du bloc conducteur. L’énergie à stocker est convertie en micro-ondes par le générateur de micro-ondes 866. Les microondes sont transmises à travers un guide d’onde 870 dans la partie fermée de l’appareil. Les micro-ondes qui sont générées par un générateur de microondes 866 sont réglées par un syntoniseur 868 pour chauffer soit l’unité conductrice, soit le matériau à changement de phase.
Les micro-ondes, si elles sont couplées au gaz inerte présent dans l’appareil, convertissent le gaz en un état de plasma. Un tel état est ensuite utilisé pour chauffer le matériau à changement de phase soit directement, soit par l’intermédiaire de l’unité conductrice.
Selon un mode de réalisation particulier, la source d’énergie comprend un système de génération de plasma qui est conçu pour générer du plasma à partir du gaz inerte au moyen de la transmission d’une énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe. Le plasma chauffe l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase. Le plasma peut être généré à l’aide du gaz inerte en utilisant n’importe quel procédé connu dans la technique sans limiter la portée de la présente description.
En se référant à la figure 8B, celle-ci représente un appareil 932 ayant un système de génération de plasma à base de micro-ondes où le gaz inerte provenant d’une source de gaz inerte 972 est converti en plasma avant d’être alimenté dans la partie fermée de l’appareil 944 ou à l’entrée de cette dernière. Comme décrit dans le mode de réalisation précédent, les micro-ondes qui sont générées par le générateur de micro-ondes 966 sont réglées par un syntoniseur 968 et transmises par un guide d’onde 970 dans la torche à plasma 974 pour chauffer le gaz inerte et le convertir en un état de plasma avant d'être alimenté à travers la paroi d’enceinte de l’appareil.
Selon différents modes de réalisation à titre d’exemples non limitatifs de la présente description, des procédés pour accumuler et récupérer de l’énergie thermique sont décrits. Le procédé commence par fournir l’appareil d’accumulation et de récupération d’énergie thermique tel que décrit ici. L’étape suivante consiste à fournir de l’énergie thermique au matériau à changement de phase au moyen de la source d’énergie. L’énergie thermique est absorbée par le matériau à changement de phase lors de la transition de la phase solide à la phase liquide, stockant ainsi l’énergie thermique. L’énergie thermique stockée est récupérée à partir du matériau à changement de phase, ledit matériau à changement de phase libérant l’énergie thermique stockée lors de la transition de la phase liquide à la phase solide. L’énergie thermique récupérée est transférée à un ou plusieurs systèmes de conversion d’énergie thermique par l’intermédiaire de l’unité conductrice. Selon certains modes de réalisation, le transfert de l’énergie thermique de l’unité conductrice au système de conversion d’énergie thermique se produit par l’intermédiaire d’un ou de plusieurs éléments connecteurs. Le système de conversion d’énergie thermique comprend un ou plusieurs échangeurs de chaleur et/ou moteurs thermiques connectés de manière fonctionnelle à des générateurs. L’énergie thermique récupérée est utilisée par le système de conversion d’énergie thermique pour la conversion en énergie mécanique/électrique.
Exemple :
Modélisation 3D informatisée du transfert de chaleur et de la mécanique des solides dans une unité conductrice de type ellipsoïde
En se référant aux figures 9A et 9B, une unité thermo-conductrice 904 comportant une tranchée de type ellipsoïde (partielle) 906 avec du silicium, comprenant une source de chaleur d’entrée 907 et des éléments consommant de la chaleur de sortie 948, à savoir, dix moteurs Stirling sont utilisés pour ce modèle 3D d’analyse thermique. En se référant aux figures 9C, 9D et 9E, celles-ci représentent différentes vues de l’unité conductrice utilisée dans ce modèle. Le module de transfert de chaleur du logiciel de simulation COMSOL Multiphysics est utilisé pour cette modélisation. Outre l’analyse thermique, une analyse de contrainte/déformation est également effectuée.
Transfert de chaleur dans les solides :
La chaleur pénètre dans l’unité conductrice 904 à partir de la limite de source de chaleur d’entrée, diffuse à travers les domaines de graphite et de silicium et sort de l’endroit où se trouvent les dix moteurs Stirling. Ce modèle traite 10 heures de chaleur d’entrée et 24 heures de chaleur de sortie de l’unité conductrice 904. La figure 9B représente la limite de source de chaleur d’entrée 907. À cette limite, la chaleur d’entrée est égale à la conduction. Les tableaux 1 et 2 traitent des conditions à la limite de la source de chaleur d’entrée et la figure 10A illustre un régime thermique d’entrée. Les tableaux 3 et 4 traitent des conditions limites de la chaleur sortant des moteurs thermiques et la figure 10B illustre un régime thermique de sortie.
Tableau 1 : Conditions limites de chaleur d’entrée
Tableau 2 : Régime thermique d’entrée
Tableau 3 : Conditions limites de chaleur de sortie
Tableau 4 ; Régime thermique de sortie
À l’exception des limites d’entrée et de sortie, le reste de l’unité est considéré comme étant couvert par une isolation thermique sur laquelle la conduction est égale à zéro.
Transfert de chaleur avec le PCM :
Pour le silicium qui est considéré comme étant le PCM dans cette étude, un paramètre de Θ représente le rapport de changement de phase, qui est évalué entre 1, pour le solide et 0, pour le liquide. Les propriétés physiques du PCM sont évaluées de manière dynamique selon les équations suivantes :
Température initiale
La température initiale au début du calcul est supposée égale à 923,15 K (650 °C), dans toute l’unité conductrice. Mécanique des solides
Une partie de l’objectif de modélisation étant d’étudier les contraintes thermiques et les déformations thermiques, un module de mécanique des solides est intégré à ce modèle. À cette fin, le graphite et le silicium sont tous deux considérés comme des matériaux élastiques linéaires. Le tableau 5 comprend ces propriétés thermomécaniques requises pour cette modélisation.
Tableau 5
Contraintes fixes
Dans ce modèle, toutes les faces externes (à l’exception de la surface supérieure de l’unité conductrice) et toutes les interfaces entre le graphite et le silicium sont supposées être des contraintes fixes.
Maillage
Avant de commencer le calcul, il est essentiel de sélectionner une distribution optimisée des mailles pour différents domaines de géométrie. Pour cette étude, une taille de maillage grossier pour le domaine du silicium et pour le domaine du graphite sont prises en compte. La figure 11 illustre la distribution des mailles à travers l’unité conductrice. Étude informatique
Une énorme différence finie en fonction du temps conjointement à une méthode de calcul par éléments finis, sont effectuées de manière non linéaire sur toute la géométrie à travers le maillage optimisé. Les séquences temporelles pour le calcul sont considérées comme indiqué ci-dessous :
Temps : plage (0, 60, 86 400)
Cela signifie que du temps zéro à 24 heures, les données sont enregistrées à intervalles de 60 secondes.
La modélisation limite avec des tolérances relatives de 5 %. Résultats et discussion
Changement de phase
Le résultat de la modélisation prédit un changement de phase dans le domaine du silicium. Les résultats ont montré qu’avec cette chaleur d’entrée très élevée, la phase de silicium se transforme rapidement en phase liquide après une minute.
Profil de température
Le résultat de la modélisation montre comment le profil de température à travers l’unité conductrice change au fil du temps. À titre d’exemple, après 24 heures, un profil de température de la surface de l’unité conductrice est illustré comme sur la figure 12. À ce moment, la température maximale et la température minimale ie long de l’unité conductrice sont de 1 000 K et de 600 K qui se trouvent respectivement, sur la chaleur d’entrée et aux extrémités des moteurs Stirling.
Contours isothermes L’apparence des contours isothermes à travers l’unité conductrice est illustrée sur la figure 13. Comme le montre cette figure, après 24 heures, le gradient de température augmente près des moteurs Stirling au fur et à mesure de leur consommation de chaleur.
Contrainte (à l’état solide)
La figure 14 montre différentes vues de l’unité conductrice et la contrainte générée après 60" lorsque le silicium solide est sur le point d’être fondu. Cette figure montre clairement que, bien que la contrainte maximale dans le système dépasse 1,4 GPa, la contrainte maximale générée sur les interfaces de graphite et de silicium atteint en moyenne 355 MPa.
Bien que la présente description ait été décrite selon les termes de certains modes de réalisation préférés et de leurs illustrations, d’autres modes de réalisation et modifications des modes de réalisation préférés peuvent être possibles, qui sont dans les principes et l’esprit de l’invention. Les descriptions et les figures ci-dessus doivent donc être considérées comme illustratives et non restrictives.
Ainsi, la portée de la présente description est définie par les revendications en annexe et comprend à la fois les combinaisons et les sous-combinaisons des diverses caractéristiques décrites ci-dessus, ainsi que leurs variations et leurs modifications, qui apparaîtraient à l'homme du métier à la lecture de la description qui précède.
Claims (65)
1. Unité thermo-conductrice comprenant un corps comportant au moins une tranchée destinée à contenir un matériau à changement de phase, ladite tranchée étant définie par au moins une paire de parois longitudinales opposées et au moins une paire de parois latérales opposées se rejoignant au niveau d’une base, ladite tranchée ayant une forme et une taille prédéterminées, ladite tranchée ayant une plus grande capacité de résistance à la pression interne par rapport à une tranchée définie par des parois parallèles ou cylindriques, ladite unité conductrice étant constituée d’un matériau thermiquement stable et thermiquement conducteur approprié pour un transfert efficace d’énergie thermique.
2. Unité conductrice selon la revendication 1, comprenant en outre un couvercle recouvrant sensiblement une surface supérieure du corps.
3. Unité conductrice selon la revendication 1, étant conçue pour maximiser un rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur.
4. Unité conductrice selon la revendication 1, dans laquelle les parois longitudinales et les parois latérales sont sensiblement incurvées.
5. Unité conductrice selon la revendication 4, dans laquelle la tranchée est partiellement elliptique dans une section transversale plane, ladite section transversale étant perpendiculaire à un axe majeur et/ou à un axe mineur de la tranchée.
6. Unité conductrice selon la revendication 4, dans laquelle la tranchée présente une forme sensiblement partiellement ellipsoïdale.
7. Unité conductrice selon la revendication 1, dans laquelle le matériau conducteur est du graphite fritté.
8. Unité conductrice selon la revendication 1, étant fabriquée à partir d’une pluralité de blocs du matériau conducteur.
9. Unité conductrice selon la revendication 8, dans laquelle les blocs sont fixés les uns aux autres par une attache mécanique et/ou un adhésif approprié.
10. Unité conductrice selon la revendications, dans laquelle au moins un espace entre les blocs est scellé avec un matériau d’étanchéité approprié, ledit matériau d’étanchéité étant conçu pour empêcher une fuite du matériau à changement de phase à l’état fondu.
11. Unité conductrice selon la revendication 1, comportant une pluralité de tranchées définies dans un seul bloc du matériau conducteur.
12. Unité conductrice selon la revendication 1, dans laquelle la tranchée comprend au moins une rainure circonférentielle pour contrôler la montée en pression associée à la transition de phase du matériau à changement de phase.
13. Unité conductrice selon la revendication 1, dans laquelle le matériau à changement de phase comprend une composition à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes.
14. Procédé de fabrication d’une unité thermo-conductrice comprenant les étapes suivantes consistant : a) à fournir au moins un bloc d’un matériau thermiquement stable et thermiquement conducteur approprié pour un transfert efficace d’énergie thermique ; et b) à former au moins une partie d’une tranchée sur le bloc, ladite tranchée étant définie par au moins une paire de parois longitudinales opposées et au moins une paire de parois latérales opposées se rejoignant au niveau d’une base, ladite tranchée ayant une forme et une taille prédéterminées, ladite tranchée étant conçue pour contenir un matériau à changement de phase et pour présenter une plus grande capacité de résistance à la pression interne par rapport à une tranchée définie par des parois parallèles ou cylindriques.
15. Procédé selon la revendication 14, comprenant en outre une étape c) consistant à fixer une pluralité de blocs ensemble par au moins un élément de fixation mécanique et/ou un adhésif approprié, l’étape c) étant réalisée soit avant l’étape b), soit après l’étape b).
16. Procédé selon la revendication 15, comprenant en outre une étape d) consistant à sceller au moins un espace entre les blocs avec un matériau d’étanchéité approprié, ledit matériau d’étanchéité étant conçu pour empêcher une fuite du matériau à changement de phase à l’état fondu.
17. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l’unité conductrice est conçue pour maximiser un rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur.
18. Procédé selon la revendication 14, dans lequel le matériau conducteur est du graphite fritté.
19. Procédé selon la revendication 14, dans lequel les parois longitudinales et les parois latérales sont sensiblement incurvées.
20. Procédé selon la revendication 19, dans lequel la tranchée est partiellement elliptique dans une section transversale plane, ladite section transversale étant perpendiculaire à un axe majeur et/ou à un axe mineur de la tranchée.
21. Procédé selon la revendication 19, dans lequel la tranchée présente une forme sensiblement partiellement ellipsoïdale.
22. Procédé selon la revendication 14, dans lequel une pluralité de tranchées sont formées à l’intérieur de l’un des blocs du matériau conducteur.
23. Appareil d’accumulation et de récupération d’énergie thermique comprenant : a) au moins une unité thermo-conductrice comprenant un corps comportant au moins une tranchée destinée à contenir un matériau à changement de phase, ladite tranchée étant définie par au moins une paire de parois longitudinales opposées et au moins une paire de parois latérales opposées se rejoignant au niveau d’une base, ladite tranchée ayant une forme et une taille prédéterminées, ladite tranchée ayant une plus grande capacité de résistance à la pression interne par rapport à une tranchée définie par des parois parallèles ou cylindriques, ladite unité conductrice étant constituée d’un matériau thermiquement stable et thermiquement conducteur approprié pour un transfert efficace d’énergie thermique. b) au moins une source d’énergie pour fournir de l’énergie thermique au matériau à changement de phase ; c) un système de gaz inerte pour fournir et maintenir une atmosphère inerte à l’intérieur de l’appareil, ledit système de gaz inerte comprenant une source de gaz inerte pour fournir un gaz inerte, une unité d’alimentation en gaz inerte étant reliée à la source de gaz inerte pour alimenter le gaz inerte depuis la source de gaz inerte dans l'appareil et une unité de régulation de flux de gaz pour réguler l’écoulement du gaz inerte dans l’appareil et hors de l’appareil ; d) au moins une couche d’isolation entourant sensiblement l’unité conductrice pour minimiser la perte d’énergie thermique à partir de l’appareil ; et e) un élément d’enceinte externe englobant sensiblement la couche d’isolation pour maintenir une atmosphère étanche à l’air dans l’appareil et pour assurer l’intégrité structurelle de l’appareil, ledit appareil étant en contact thermique avec au moins un système de conversion d’énergie thermique transférant ainsi l'énergie thermique du matériau à changement de phase au système de conversion d'énergie thermique, ledit système de conversion d’énergie thermique convertissant l’énergie thermique en énergie électrique, ledit appareil étant conçu pour accumuler et récupérer l’énergie thermique en utilisant le matériau à changement de phase.
24. Appareil selon la revendication 23, dans lequel l’unité conductrice comprend en outre un couvercle recouvrant sensiblement une surface supérieure du corps.
25. Appareil selon la revendication 23, dans lequel l’unité conductrice est conçue pour maximiser un rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur.
26. Appareil selon la revendication 23, dans lequel les parois longitudinales et les parois latérales sont sensiblement incurvées.
27. Appareil selon la revendication 26, dans lequel la tranchée est partiellement elliptique dans une section transversale plane, ladite section transversale étant perpendiculaire à un axe majeur et/ou à un axe mineur de la tranchée.
28. Appareil selon la revendication 26, dans lequel la tranchée présente une forme sensiblement partiellement ellipsoïdale.
29. Appareil selon la revendication 23, dans lequel le matériau conducteur est du graphite fritté.
30. Appareil selon la revendication 23, dans lequel l’unité conductrice est fabriquée à partir d’une pluralité de blocs du matériau conducteur.
31. Appareil selon la revendication 30, dans lequel les blocs sont fixés les uns aux autres par une attache mécanique et/ou un adhésif approprié.
32. Appareil selon la revendication 30, dans lequel au moins un espace entre les blocs est scellé avec un matériau d’étanchéité approprié, ledit matériau d’étanchéité étant conçu pour empêcher une fuite du matériau à changement de phase à l’état fondu.
33. Appareil selon la revendication 23, dans lequel une couche de carbure de silicium formée sur la surface de la tranchée lors de la fusion initiale du matériau à changement de phase sert de régulateur de flux d’énergie thermique, ledit régulateur régulant le flux d’énergie thermique du matériau à changement de phase à l’unité conductrice.
34. Appareil selon la revendication 23, dans lequel l’unité conductrice comporte une pluralité de tranchées définies dans un seul bloc du matériau conducteur.
35. Appareil selon la revendication 23, dans lequel la tranchée comprend au moins une rainure circonférentielle pour contrôler la montée en pression associée à la transition de phase du matériau à changement de phase.
36. Appareil selon la revendication 23, dans lequel la source d’énergie comprend au moins un élément chauffant, l’élément chauffant étant conçu pour convertir l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en énergie thermique par chauffage résistif chauffant ainsi l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase, ledit élément chauffant étant en contact thermique avec le matériau à changement de phase et étant positionné dans n’importe quelle orientation appropriée pour fournir efficacement de l’énergie thermique au matériau à changement de phase.
37. Appareil selon la revendication 36, dans lequel l’élément chauffant est en contact thermique avec l’unité conductrice en étant intégré dans l’unité conductrice et/ou en étant positionné adjacent à l’unité conductrice, fournissant ainsi de l’énergie thermique au matériau à changement de phase par l'intermédiaire de l’unité conductrice.
38. Appareil selon la revendication 36, dans lequel l’élément chauffant est disposé dans une orientation horizontale au-dessus de la tranchée contenant le matériau à changement de phase.
39. Appareil selon la revendication 36, dans lequel l’élément chauffant est un élément chauffant sensiblement cylindrique en graphite fritté, ledit élément chauffant comprenant un canal poreux coaxial sensiblement cylindrique, aligné dans l’élément, le canal dudit élément chauffant étant conçu pour alimenter le gaz inerte dans l’appareil à partir de la source de gaz inerte afin de générer une atmosphère inerte à l’intérieur de l’appareil.
40. Appareil selon la revendication 23, dans lequel la source d’énergie comprend un système générateur de micro-ondes conçu pour convertir une énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en micro-ondes, lesdites micro-ondes chauffant l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase.
41. Appareil selon la revendication 23, dans lequel la source d’énergie comprend un système de génération de plasma conçu pour générer un plasma du gaz inerte au moyen de l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe, ledit plasma chauffant l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase.
42. Appareil selon la revendication 23, dans lequel le système de gaz inerte comprend en outre une unité de recyclage de gaz inerte pour piéger le gaz inerte sortant de l’appareil et pour réapprovisionner le gaz inerte dans l’appareil.
43. Appareil selon la revendication 23, dans lequel le système de conversion d’énergie thermique comprend un échangeur de chaleur et/ou un moteur thermique reliés de manière fonctionnelle à un générateur, convertissant ainsi l’énergie thermique en énergie électrique.
44. Appareil selon la revendication 23, comprenant en outre un élément connecteur pour transférer l’énergie thermique de l’unité conductrice au système de conversion d’énergie thermique.
45. Appareil selon la revendication 44, dans lequel l’élément connecteur est tubulaire et constitué de graphite fritté de haute qualité, ledit élément connecteur ayant un coefficient de transfert thermique associé à celui-ci, ledit coefficient de transfert thermique étant supérieur à un coefficient de transfert thermique du matériau conducteur, ledit élément connecteur facilitant un transfert thermique efficace de l’unité conductrice au système de conversion d’énergie thermique.
46. Appareil selon la revendication 23, dans lequel l’appareil comprend en outre un élément de réduction de vibration pour minimiser le transfert des vibrations du système de conversion d’énergie thermique à l’unité conductrice, ledit élément de réduction de vibration étant conçu pour supporter les températures élevées de l’appareil.
47. Appareil selon la revendication 23, dans lequel le matériau à changement de phase comprend une composition à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes.
48. Procédé pour accumuler et récupérer de l’énergie thermique, comprenant : a) fournir un appareil d’accumulation et de récupération d’énergie thermique comprenant : i) au moins une unité thermo-conductrice comprenant un corps comportant au moins une tranchée destinée à contenir un matériau à changement de phase, ladite tranchée étant définie par au moins une paire de parois longitudinales opposées et au moins une paire de parois latérales opposées se rejoignant au niveau d’une base, ladite tranchée ayant une forme et une taille prédéterminées, ladite tranchée ayant une plus grande capacité de résistance à la pression interne par rapport à une tranchée définie par des parois parallèles ou cylindriques, ladite unité conductrice étant constituée d’un matériau thermiquement stable et thermiquement conducteur approprié pour un transfert efficace d’énergie thermique ; ii) au moins une source d’énergie pour fournir de l’énergie thermique au matériau à changement de phase ; iii) un système de gaz inerte pour fournir et maintenir une atmosphère inerte à l’intérieur de l’appareil, ledit système de gaz inerte comprenant une source de gaz inerte pour fournir un gaz inerte, une unité d’alimentation en gaz inerte étant reliée à la source de gaz inerte pour alimenter le gaz inerte depuis la source de gaz inerte dans l'appareil et une unité de régulation de flux de gaz pour réguler l’écoulement du gaz inerte dans l’appareil et hors de l’appareil ; iv) au moins une couche d’isolation entourant sensiblement l’unité conductrice pour minimiser la perte d’énergie thermique à partir de l’appareil ; et v) un élément d’enceinte externe englobant sensiblement la couche d’isolation pour maintenir une atmosphère étanche à l’air dans l’appareil et pour assurer l’intégrité structurelle de l’appareil, ledit appareil étant en contact thermique avec au moins un système de conversion d’énergie thermique pour transférer l’énergie thermique au système de conversion d’énergie thermique, ledit système de conversion d’énergie thermique étant conçu pour convertir l’énergie thermique en énergie électrique, ledit appareil étant conçu pour accumuler et récupérer l’énergie thermique en utilisant le matériau à changement de phase ; b) fournir de l’énergie thermique au matériau à changement de phase au moyen de la source d’énergie ; c) stocker l’énergie thermique dans le matériau à changement de phase, ledit matériau à changement de phase absorbant l’énergie thermique lors d’une transition de la phase solide à la phase liquide ; d) récupérer l’énergie thermique à partir du matériau à changement de phase à travers l’unité conductrice ; et e) transférer l’énergie thermique au système de conversion d’énergie thermique pour la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique.
49. Procédé selon la revendication 48, dans lequel l’unité conductrice comprend en outre un couvercle recouvrant sensiblement une surface supérieure du corps.
50. Procédé selon la revendication 48, dans lequel l’unité conductrice est conçue pour maximiser un rapport volumique du matériau à changement de phase au matériau conducteur.
51. Procédé selon la revendication 48, dans lequel les parois longitudinales et les parois latérales sont sensiblement incurvées.
52. Procédé selon la revendication 51, dans lequel la tranchée est partiellement elliptique dans une section transversale plane, ladite section transversale étant perpendiculaire à un axe majeur et/ou à un axe mineur de la tranchée.
53. Procédé selon la revendication 51, dans lequel la tranchée présente une forme sensiblement partiellement ellipsoïdale.
54. Procédé selon la revendication 48, dans lequel le matériau conducteur est du graphite fritté.
55. Procédé selon la revendication 48, dans lequel une couche de carbure de silicium formée sur la surface de la tranchée lors de la fusion initiale du matériau à changement de phase sert de régulateur de flux d’énergie thermique, ledit régulateur régulant le flux d’énergie thermique du matériau à changement de phase à l’unité conductrice.
56. Procédé selon la revendication 48, dans lequel la tranchée comprend au moins une rainure circonférentielle pour contrôler la montée en pression associée à la transition de phase du matériau à changement de phase.
57. Procédé selon la revendication 48, dans lequel la source d’énergie comprend au moins un élément chauffant, l’élément chauffant étant conçu pour convertir l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en énergie thermique par chauffage résistif chauffant ainsi l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase, ledit élément chauffant étant en contact thermique avec le matériau à changement de phase et étant positionné dans n’importe quelle orientation appropriée pour fournir efficacement de l’énergie thermique au matériau à changement de phase.
58. Procédé selon la revendication 48, dans lequel la source d’énergie comprend un système générateur de micro-ondes conçu pour convertir une énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe en micro-ondes, lesdites micro-ondes chauffant l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase.
59. Procédé selon la revendication 48, dans lequel la source d’énergie comprend un système de génération de plasma conçu pour générer un plasma à partir du gaz inerte au moyen de l’énergie électrique provenant d’une source d’énergie externe, ledit plasma chauffant l’unité conductrice et/ou le matériau à changement de phase.
60. Procédé selon la revendication 48, dans lequel le système de gaz inerte comprend en outre une unité de recyclage de gaz inerte pour piéger le gaz inerte sortant de l’appareil et pour réapprovisionner le gaz inerte dans l’appareil.
61. Procédé selon la revendication 48, dans lequel le système de conversion d’énergie thermique comprend un échangeur de chaleur et/ou un moteur thermique reliés de manière fonctionnelle à un générateur, convertissant ainsi l’énergie thermique en énergie électrique.
62. Procédé selon la revendication 48, dans lequel l’appareil comprend en outre un élément connecteur pour transférer l’énergie thermique de l’unité conductrice au système de conversion d’énergie thermique.
63. Procédé selon la revendication 62, dans lequel l’élément connecteur est tubulaire et constitué de graphite fritté de haute qualité, ledit élément connecteur ayant un coefficient de transfert thermique associé à celui-ci, ledit coefficient de transfert thermique étant supérieur à un coefficient de transfert thermique du matériau conducteur, ledit élément connecteur facilitant un transfert thermique efficace de l’unité conductrice au système de conversion d’énergie thermique.
64. Procédé selon la revendication 48, dans lequel l’appareil comprend en outre un élément de réduction de vibration pour minimiser le transfert des vibrations du système de conversion thermique à l’unité conductrice, ledit élément de réduction de vibration étant conçu pour supporter les températures élevées de l’appareil.
65. Procédé selon la revendication 48, dans lequel le matériau à changement de phase comprend une composition à base de silicium présentant des transformations péritectoïdes.
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2019
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