hybride-stirling Stirling

LA  NOUVELLE  VOITURE  HYBRIDE


propulsion  100%  électrique

sans  consommer  de  carburant,  recharge  de  la  batterie  automatique  et  permanente


hybride


   LES MOYENS : l'association d'une batterie électrique, d'une pompe à chaleur, d'un moteur Stirling et d'un générateur électrique.

L'ensemble de propulsion n'est pas un dispositif qui aurait un rendement supérieur à 1.

  C'est l'utilisation de l'énergie calorifique dont regorge notre planète dans l'air ambiant.



la batterie fait démarrer l'ensemble ... et fournit de l'énergie lorsque le couple pompe à chaleur - moteur Stirling n'est pas suffisant,
la pompe à chaleur joue le rôle d'un amplificateur de l'énergie calorifique extraite de l'air ambiant,
le moteur Stirling convertit l'énergie calorifique qu'il reçoit de la pompe à chaleur en énergie mécanique qui permet au moteur Stirling de tourner,
le générateur électrique, entraîné en rotation par le moteur Stirling, convertit l'énergie mécanique en énergie électrique directement utilisable.

Stirling-énergie-renouvelable
(a) : comme il est possible de récupérer de l'énergie calorifique du générateur électrique en renvoyant la sortie réchauffée de son air de ventilation vers l'entrée 1 de la pompe à chaleur, il est possible de récupérer de l'énergie calorifique du moteur Stirling.
En effet le moteur Stirling ayant, dans ces conditions d'utilisation, un rendement bien inférieur à 100% (ou à 1), une importante quantité d'énergie calorifique n'est pas absorbée par le moteur pour la transformer en énergie mécanique.
Cette énergie calorifique est renvoyée vers l'entrée de la pompe à chaleur ce qui en augmente les performances et elle fournit plus d'énergie calorifique au moteur Stirling qui renvoie plus d'énergie à la pompe à chaleur et ainsi de suite. Même à vide, l'ensemble ne peut pas s'emballer. Un équilibre s'installe dû aux pertes croissantes et aux limites des possibilités techniques du moteur Stirling et de la pompe à chaleur.
(b) : on peut réaliser le même type de récupération pour le refroidissement du moteur Stirling.


Les possibilités actuelles:

Avec des matériels standards la limite de l'ensemble est la somme des limites de chaque élément :
- les batteries évoluent vite, leur poids baisse fortement pour des performances et une durée de vie élevées,
- les pompes à chaleur peuvent être améliorées surtout par la réduction du poids et la vitesse de rotation pilotée du compresseur.
- c'est dans le rendement des moteurs Stirling que prochainement des avancées importantes seront proposées à l'utilisateur,
- les générateurs électriques et les moteurs électriques peuvent être améliorés mais dès aujourd'hui on trouve des matériels très performants dont le rendement est au delà de 90% et même
   près de 100% (voir en bas de page le lien sur "le moteur synchrone expliqué par un TGViste").

Dans de très bonnes conditions les pompes à chaleur actuelles peuvent avoir un coefficient de performance (COP = Puissance restituée / Puissance absorbée) voisin de 7.
Elles peuvent fonctionner jusqu'à - 15 °C et au delà.
Théoriquement le COP peut atteindre 15, des progrès sont possibles.

      Configuration de base avec deux moteurs Stirling:

    Pour la récupération de 1 kW d'énergie calorifique contenue dans l'air, pertes comprises, en refroidissant l'air de 5C, il faut un débit d'air de 588 m³/heure.
    Le ventilateur, selon sa conception, absorbe 1 à 2% de l'énergie récupérée.
    Pour 40 kW cela représente 580 x 40 = 23 000m³/h.
    Le volume de liquide déplacé vers les moteurs Stirling est de l'ordre de 1.000 fois moins que le volume d'air.

    Lorsque le véhicule se déplace, plus il roule vite et plus il consomme d'énergie, plus la ventilation forcée de la PAC provenant de la vitesse du véhicule est élevée ce qui augmente les performances de la pompe à chaleur.

      Configuration avec récupération d'énergie:

    L'option du circuit (1), par exemple, permet à la fois
- de réduire la température de retour d'eau chaude ce qui permet une plus grande efficacité de l'échangeur avec le condenseur,
- d'augmenter la température de la source froide avec de l'énergie calorifique non utilisée par les moteurs Stirling, cédée à l'évaporateur de la pompe à chaleur qui la reportera sur la sortie chaude,
dans les deux cas c'est traduit par une augmentation du COP.

    L'option du circuit (2) permet au circuit froid, après avoir récupéré une partie de l'énergie fournie par le circuit chaud aux moteurs Stirling, d'en fournir une partie à la pompe à chaleur. Cette énergie calorifique supplémentaire améliore aussi le COP.

    Des dérivations (by-pass), non représentées, contrôlées par thermostats, permettent qu'en toutes circonstances ce soit le fluide de retour qui cède de l'énergie calorifique à la pompe à chaleur et non l'inverse.

    X : non illustré, le radiateur qui refroidit le boîtier électronique et éventuellement la batterie et le moteur de traction peut aussi fournir de l'énergie calorifique à la pompe à chaleur. Cette énergie est peu importante mais aucune énergie disponible n'est à négliger.
    Si elle n'est pas récupérée, cette énergie est perdue.



             Fonctionnement détaillé à voir ici


             Le respect du second principe de la thermodynamique, à voir ici


     Comparaison avec une éolienne à voir ici




      Exemple d'utilisation:  Pompe à chaleur (PAC) fournissant 100 kW avec un COP de 4 donc nécessitant 25 kW au démarrage:

Le véhicule a un poids total de 1500 kg, il nécessite en conduite entre 10 et 18 kWh suivant que la conduite se fait en ville ou sur route.

    Les moteurs Stirling ont respectivement un rendement de 30% et 10%.
    La capacité et le poids de la batterie sont: 5 kWh pour 45 kg.
    Les générateurs électriques, au rendement de 95%, correspondent aux puissances des moteurs Stirling.
    Le dispositif de charge produit au démarrage:
100 kWh x 40% (30% + 10% des Stirling) = 40 kWh x 0.95 (rendement alternateurs) = 38 kWh - 25 kWh (consommation de la PAC) = 13 kWh utilisables ce qui permet de faire rouler le véhicule.
Rapidement, avec la récupération d'énergie non transformée par les moteurs Stirling, le COP de la PAC passe à 5 ce qui implique qu'elle ne consomme plus que 20 kWh pour son fonctionnement.
On dispose donc de 5 kWh supplémentaires soit 13 + 5 = 18 kWh   sans tenir compte du fait que le rendement des moteurs Stirling augmente avec la température de fonctionnement côté chaud et donc la différence de température avec l'air ambiant.

La production d'énergie (18 kWh) est égale à la consommation maximum de la voiture (18 kWh / 100 km)
L'autonomie est donc illimitée en ville et sur route.


    Sur route ou sur autoroute,
- lorsque le véhicule nécessite plus de 18 kW dans une montée ou pour doubler, la batterie apporte un supplément de puissance puis se recharge en roulant dès que le véhicule nécessite moins de 18 kW de puissance en descente ou sur le plat ou en ralentissant ou à l'arrêt.
- la puissance maxi du moteur de traction est fonction des possibilités de la batterie; elle peut être, par exemple, de 60 kW si la batterie peut fournir 40 kW pendant une durée limitée, par exemple 200 A sous 200 V.

- la batterie permet aussi le démarrage du dispositif de charge lorsqu'il était arrété.

Durée de vie de la batterie de traction:
    La recharge de la batterie est commandée par l'électronique ce qui permet de procéder à la recharge dans les conditions les plus favorables pour la batterie ce qui augmente considérablement sa durée de vie.
    Les batteries au lithium ne craignent pas une décharge ou une charge rapide à forte intensité, ce qui leur est néfaste ce sont les charges trop élevées (tension maxi pour chaque élément qui constitue la batterie) et les décharges trop poussées (tension mini qu'il faut éviter).

    Lorsqu'on ne connaît pas les particularités des voitures électriques on peut s'étonner de la faible puissance nécessaire pour propulser le véhicule.
    Il ne faut la pas comparer à la puissance d'un moteur à explosion entre autres parce que le moteur électrique dispose d'un couple maximum dès le démarrage alors que le moteur à explosion nécessite de prendre des tours, de monter en puissance pour disposer d'un couple suffisant pour ne pas caler.
    La voiture électrique n'a pas d'embrayage et a des démarrages étonnants (si on accélère fort).
    La puissance indiquée pour un moteur à explosion est la puissance maximum qui est rarement utilisée, elle correspond à faire tourner le moteur à sa vitesse de rotation maximum.

Puissance disponible au démarrage
Puissance disponible en continu sans tenir compte du fait que le rendement
des moteurs Stirling augmente avec la température de fonctionnement.

  


D'autres configurations sont possibles.

Selon aussi le type de véhicule: utilitaire, tourisme/professionnel, tourisme.



La période 2011 - 2012 verra certainement le vrai démarrage de la voiture électrique avec les améliorations qui viendront au fil du temps au service de ce type de propulsion.

Le complément fourni par l'association  batterie - pompe à chaleur - moteur Stirling - générateur électrique  dans le but d'apporter l'énergie nécessaire au fonctionnement du véhicule est loin d'être au sommet de ses possibilités. Là aussi des progrès sont à accomplir et particulièrement en diminuant le poids de chacun des éléments de cette association pour les adapter à l'automobile. La seule limite pour un véhicule est le poids et les nouvelles techniques permettent de l'améliorer en le diminuant.

      L'énergie calorifique extraite du milieu ambiant est en majeure partie de l'énergie solaire indirecte fournie par le soleil qui chauffe l'atmosphère et la croute terrestres. Les planètes plus proches du soleil sont plus chaudes et les plus éloignées sont les plus froides.
L'activité volcanique ou l'activité humaine sur Terre peuvent être considérées comme marginales par rapport à l'énergie calorifique que nous envoie le soleil.

      On sait que pour l'énergie solaire directe captée par des panneaux solaires, des panneaux photovoltaïques ou des paraboles, quelle que soit la technique employée, on ne peut pas obtenir plus de 1 kW/m2 environ, dans de bonnes conditions, parce que c'est la puissance que nous envoie le soleil sous nos latitudes. Pour un véhicule, la surface à exposer par le système photovoltaïque est de plusieurs dizaines de mètres carrés ce qui n'est pas réaliste (100 m2 pour 100 kW dans de bonnes conditions et en convertissant la lumière avec un très haut rendement dont on est loin).
      En ce qui concerne l'énergie solaire indirecte, il ne s'agit plus de surface mais de volume de fluide utilisable (le milieu ambiant) et le dispositif peut puiser dans tout le milieu ambiant le jour, la nuit, par temps nuageux, l'été, l'hiver, sans occuper beaucoup de volume.
      Inutile de construire un capteur, il existe déjà, il est gigantesque, il est présent et accessible partout, c'est la Terre et son atmosphère, il n'y a qu'à se brancher et prélever des calories de l'air ambiant ou de l'eau.
     Voir en bas de page le lien "Energie solaire et effet de serre présentés par une spécialiste".
      Plus le dispositif est puissant plus il peut absorber d'énergie.

      L'énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif lui-même, avec ses pertes moyen par moyen, et à la production d'énergie mécanique et/ou électrique provient donc de l'énergie calorifique retirée du milieu ambiant grâce à la différence entre le grand volume de fluide aspiré et rejeté par rapport au faible volume de fluide dont la température est élevée ou abaissée. L'énergie solaire étant inépuisable à l'échelle humaine, ce dispositif peut fonctionner aujourd'hui et pendant longtemps.


Mieux que la simple installation d'air conditionné:

      Une petite partie des fluides fournis par la pompe à chaleur peut être utilisée par le dispositif pour le conditionnement d'air du véhicule.
      Que ce soit une fourniture d'air chaud ou d'air froid, le véhicule en stationnement peut maintenir une température "raisonnable" dans l'habitacle. On se rappelera que l'énergie solaire indirecte utilisée est abondante et gratuite.
      En plein été, quelles que soient les performances d'un dispositif de conditionnement d'air classique, si le véhicule est resté au soleil, l'intérieur peut être brûlant et il faut du temps pour que la température baisse, moteur en marche.
      Désormais il sera possible de programmer ou de commander à distance la "mise en température" au niveau choisi sans que le moteur tourne ni que le véhicule se déplace, sans consommer de carburant, sans polluer.


L'énergie solaire, quelques chiffres, ordres de grandeur, curiosités:

     En tenant compte que seulement la moitié de la Terre est éclairée par le soleil (jour) et que le rayonnement solaire est plus intense à l'équateur qu'aux pôles,
la Terre reçoit 1,5 milliards de TWh par an soit 1,5 milliard de milliards de kWh (1 TWh = 1 milliard de kWh (kilo Watt heure) ).
     La superficie de la Terre ( océans compris ) est de 510 millions de km² soit 510.000 milliards de m² ( 1 km² = 1.000 000 de m² ).
     Selon la latitude et la saison le rayonnement solaire correspond 800 à 2.800 kWh / m² / an.
     En supposant une population future de la Terre de 10 milliards d'habitants, ce rayonnement solaire offre à chaque habitant:
- 510.000 milliards de m² / 10 millards d'habitants = 51.000 m² (environ 5 hectares) par habitant de capteur naturel qui "stocke" automatiquement
et gratuitement une grande partie de cette énergie solaire dans le milieu ambiant en équilibre thermique, une partie étant réfléchie, une partie étant renvoyée par rayonnement,
une partie convertie par la photosynthèse, une autre est convertie dans les phénomènes atmosphériques,
- 1,5 milliards de TWh / 10 milliards d'habitants = 150 millions de kWh par an et par habitant (de tous âges) soit 400.000 kWh / jour / habitant.
     On peut vraiment dépenser de l'énergie solaire sans compter. Même en se forçant à gaspiller, on aura du mal à entamer cette énergie qui se renouvelle en permanence
et en principe pendant des milliards d'années.

Exemple:   une famille de 4 personnes consomme 400 kWh par jour pour tous ses besoins, le transport
                     (dont la voiture), le chauffage, la cuisine... soit 100 kWh par personne ce qui est beaucoup.
     Cette consommation c'est 4.000 fois moins que l'énergie que nous envoie le soleil chaque jour et par personne...
... pour chacun des 10 milliards d'habitants ...

Sur une moyenne annuelle de 342 W/m2 que la Terre reçoit du soleil, ces 100 kWh/jour représentent 0,08 W/m2

Ici aussi...à méditer ! !


          Pouvoir disposer d'autant d'énergie renouvelable que nécessaire permet une autre vision de la production et de la dépense d'énergie, une autre vision de l'écologie:


               consommer de l'énergie solaire indirecte est une participation à la lutte contre le réchauffement climatique:
- en ne rejetant pas du tout de gaz carbonique ( Zero Emission Vehicle ),
- en absorbant de l'air à la température ambiante et le rejetant refroidi.


Quelques points positifs :

     Les moteurs Stirling sont silencieux et n'émettent pas de pollution, ils sont endurants et demandent peu d'entretien.
     En cas d'accident d'un véhicule électrique, il n'y a pas de risque d'incendie, d'explosion, de pollution comme avec un carburant embarqué: essence, gazole,
          gaz (GPL, GLV), hydrogène (piles à combustible), ...
     Prélever de l'énergie calorifique de l'environnement est une participation à la lutte contre le réchauffement climatique.
     Le coût du pétrole et la pénurie ne sont plus une entrave à l'utilisation de l'automobile en toute liberté.
     Abondance de l'énergie calorifique qui, elle, est inépuisable partout sur la planète sans avoir à chercher une station pour faire le plein.


De nombreuses entreprises développent les pompes à chaleurs et les moteurs Stirling,
de nombreux brevets sont déposés dans ce domaine.

Dans l'immédiat les progrès à réaliser sont dans la diminution de poids du moteur Stirling,
ce qui n'est pas un obstacle pour une installation fixe.
Pour voir quelques améliorations en cours cliquez pour passez à la page Energie.


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LIENS :
Le moteur Stirling (1)
Le moteur Stirling (2)
Le moteur Stirling dans les sous-marins
La TOYOTA RAV4 EV électrique
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