Description :

Le contexte de l’invention est posé en termes d’augmentation de la durée de vie des batteries et de générer un courant électrique afin d’améliorer l’autonomie de la voiture électrique, hybride ou autonome pour une distance plus longue avant de les charger une nouvelle fois.

Partant du fait que l’amélioration de la batterie en variant ses caractéristiques chimiques (nature des constituants, plaques, surfaces de contact, etc.) a atteint ses limites, on a bon creusé la recherche à restituer une partie de l’énergie consommée par la voiture au cours de son déplacement.

La vision est donc orientée vers le domaine de recherche des différents modes de transfert d’énergie et ses lois de conservation. De là, découle la question suivante : y a-t- il la possibilité de récupérer une partie de l’énergie consommée ? La réponse est affirmative puisque les voitures thermiques actuelles sont dotées d’un alternateur lié à la roue motrice avec une courroie qui transforme une partie de l’énergie cinétique (forme de l’énergie mécanique) en énergie électromagnétique (forme de l’énergie électrique) et engendrant un courant induit permettant de charger la batterie. Ce procédé est absent dans la voiture électrique, hybride ou autonome.

Mais, dans aucune de ces voitures, il y a restitution de l’énergie mécanique en exploitant le vent créé par le mouvement de celles-ci dans l’air. La problématique consiste, donc, à trouver un procédé physique capable d’exploiter ce vent, non naturel appelé à cette occasion « vent mécanique », et son énergie cinétique pour le transformer en énergie électrique dans ces voitures. Ainsi, on récupère l’énergie mécanique du vent pour le transformer en énergie électrique qui engendre, à son tour, un courant s’ajoutant au courant principal délivré par la batterie, aller directement charger celle-ci ou faire fonctionner les accessoires de ces voitures (les feux, radio, CD, charger le téléphone portable, etc.)

Le procédé de transfert de l’énergie mécanique en énergie électrique est très connu depuis un siècle alors que l’exploitation du « vent mécanique » pour tourner une hélice liée à un alternateur est une idée nouvelle et inventive dans le domaine de l’industrie automobile en particulier pour la voiture électrique, hybride ou autonome. De là, découle l’originalité de l’invention de « l’alternateur à hélice ». En quelque sorte, c’est une nouvelle technologie hybride entre celle de l’éolienne et de l’alternateur actuel.

Dans la présente invention, l’alternateur n’est pas lié à l’arbre moteur mais placé à l’extérieur ou à l’intérieur de la voiture ; il utilise un autre procédé et une autre technologie. Dans ce cas de figure (1), l’alternateur est muni d’une hélice qui se met à tourner sous l’effet du vent de déplacement de la voiture qui sera focaliser par cerclage figure (2). Cette rotation est transmise à l’aimant par l’intermédiaire de l’axe de rotation (moyeu) de l’hélice avec la même vitesse angulaire et produit ainsi un courant induit dans la bobine de l’alternateur.

Pour augmenter aussi la valeur du courant, on utilise du fer doux entourant la bobine pour focaliser les lignes de champ et les rendre radiales. Comme on peut utiliser un électroaimant à polarité multiple au lieu d’un aimant naturel. (Voir figure 3).

Bien sûr, le nombre et l’emplacement de cet appareil dans la voiture doivent être bien étudiés :

Concernant l’emplacement, l’alternateur à hélice doit être fixé dans la face frontale de la voiture, à l’intérieur ou à l’extérieur de celle-ci, pour recevoir le maximum du "vent mécanique" permettant de tourner l’hélice de l’alternateur. (Voir figures 4 et 5)

Le nombre d’appareil utilisé est déterminé par l’intensité du courant que donne chaque appareil afin d’obtenir une intensité suffisante du courant, donc de l’énergie électrique suffisante permettant de charger les batteries, de faire fonctionner les accessoires et/ou d’alimenter directement le moteur d’une voiture électrique, hybride ou autonome.

L’alternateur à hélice concerné par cette invention pourrait exploiter tous les progrès accomplis dans la fabrication et la commercialisation des différents types d’alternateurs à condition de les adapter à notre invention.

Le vent doit faire tourner l’hélice de l’alternateur à une vitesse maximale possible, si non, on doit incorporer un multiplicateur de mouvement (donc de vitesse) qui augmente la vitesse de l’aimant par rapport à celle de l’hélice. Ainsi, l’aimant joue le rôle de rotor alors que la bobine joue le rôle de stator. Les rôles s’inversent dans un deuxième procédé possible, bien que le premier soit plus adéquat et adaptable facilement dans le montage et le démontage de l’alternateur dans la voiture. Ces deux procédés de technologie différente sont complémentaires.

Après avoir choisi le procédé qui donne l’intensité du courant induit (choix de l’aimant, cylindrique ou en forme de U et le nombre de spire de la bobine, etc.), on peut multiplier la valeur de l’intensité du courant en multipliant simplement le nombre d’alternateurs à hélice à placer dans la voiture concernée au même lieu ou/et dans des lieux différents de façon que ces alternateurs soient liés électriquement en dérivation, bien sûre. Dans le cas de la figure (4), on a placé 9 alternateurs à hélice (de diamètre d=0,1 m) dans la voiture, le courant global (i _t ) est 9 fois plus intense que celui d’un seul alternateur(i), donc : (i _t =9.i). Comme on peut placer 3 alternateurs à hélice (de diamètre d=0,5 m) à l’intérieur de la voiture, derrière le parechoc et devant le moteur électrique (Voir figure 5).

Un tel modèle de générateur de courant électrique est absent dans les voitures électriques ou hybrides actuelles, d’où la nouveauté inventive de ce procédé. En d’autres termes, la présente invention est une nouveauté dans ces voitures puisqu’elle permet de créer du courant en exploitant le vent de déplacement sans ralentir la vitesse de celles-ci.

Cet appareil comporte une hélice fabriquée en plastique dure (de type ABS ou tout autre matière synthétique dérivée du plastique) ou en métal léger comme de l’aluminium permettant de recevoir ce «vent mécanique» de la voiture et d’en transmettre une grande partie au système aimant- bobine par l’intermédiaire du moyeu de l’hélice.

Cette hélice prend une forme aérodynamique capable de récupérer le maximum du «vent mécanique», par l’intermédiaire de ses pales, pour mettre celle-ci en rotation autour de son moyeu avec le minimum de frottement ou d’échappement inutile de ce « vent mécanique ». Pour cela, la forme de l’hélice et le nombre de pales, leur angle de calage et leur profil doivent être étudiés du point de vue technologique afin d’obtenir un mouvement de rotation rapide dans le même plan de l’hélice (éviter un mouvement hélicoïdale par l’équilibrage de l’hélice et la répartition uniforme et homogène de sa masse) ; C’est l’un des aspects clef de l’invention. La transmission et le transfert d’énergie effectués par l’alternateur doivent permettre un rendement maximum. Ce rendement est le rapport entre l’énergie électrique induite dans la bobine engendrant un courant et l’énergie cinétique développée par le «vent mécanique» transmise à l’hélice. Cela représente la deuxième partie importante de la pièce inventée.

Bien que ces voitures soient écologiques, la durée d’autonomie est limitée par la capacité de ses batteries, la seule source d’énergie et la puissance du modèle du moteur choisi par le constructeur. Elle représente, ainsi, une contrainte à la liberté de l’utilisateur qui, à chaque fois, est obligé de s’immobiliser pour charger les batteries.

L’alternateur à hélice est une deuxième source d’énergie pour la voiture, il améliore l’autonomie de la voiture et il augmente la durée de vie de ses batteries avant de les charger une nouvelle fois. Ceci représente un avantage sur le plan technologique et écologique : une autonomie plus grande, une durée de vie de la batterie plus longue et plus de liberté et maîtrise du temps pour l’utilisateur.

Des calculs ont été faits selon la théorie de Betz pour évaluer la puissance mécanique récupérée (P = 0,3. d ² . v ³ ) par l’hélice à partir du vent mécanique (susceptible d’être transformé en énergie électrique) en fonction du diamètre « d » de l’hélice et de la vitesse « v » de la voiture (qui est la vitesse en amont du vent mécanique).

Ainsi, au cours du déplacement de la voiture, on distingue trois catégories de situations qui engendrent trois choix de vitesse pour une hélice de diamètre donné (d=10cm=0,1 m ou d’=50cm=0,5m) : c’est le déplacement en ville, hors de la ville ou sur l’autoroute. Dans chacune des trois situations, on a choisi la vitesse usuelle(v) correspondante à la vitesse la plus utilisée par les conducteurs ; puis, on a calculé la puissance développée (P) par l’hélice de l’alternateur inventé. Le tableau ci-contre récapitule ces résultats pour d=0,1m et d’=0,5m :

A partir de ce tableau, on conclut que le dédoublement de la vitesse augmente 8 fois la puissance récupérée par la voiture (P -8.P), il est équivalent à 8 alternateurs standards (d=0,1m). Par contre, si on quintuple le diamètre (d’=5d) de l’hélice de l’alternateur, il est équivalent énergiquement à 25 alternateurs standards placés sur la même voiture (P”=25.P).

Or la voiture électrique la plus simple est dotée d’un moteur de puissance de l’ordre de 50kw ; donc, en variant le nombre d’alternateurs à placer dans la voiture et le diamètre de l’hélice, on arrive à satisfaire le besoin énergétique de ces voitures tout en prenant en considération les limites de l’emplacement de ces alternateurs sans détériorer leur esthétique.

Ainsi, l’introduction de 3 alternateurs à hélice en dérivation, de diamètre d’=0,5 m, à l’intérieur de la voiture, permet de développer une puissance importante (indiquée dans la dernière ligne du tableau ci-dessus). La valeur de ces puissances est du même ordre de grandeur que la puissance du moteur sans jamais l’égaler puisque cette puissance récupérée contribue à charger la batterie à tout instant, à faire fonctionner ses accessoires ou injecter directement dans le circuit électrique du moteur, tout en supposant que la perte de puissance lors du transfert de la puissance mécanique en puissance électrique est négligeable.

Il y a ainsi un gain d’énergie restituée qui a un impact économique et social favorable et avantageux ; il a aussi, par la même occasion un effet positif sur l’environnement en encourageant l’achat des voitures non polluantes comme le cas des voitures électriques, hybrides ou autonomes.

Quant à la faisabilité de l’invention, elle ne demande pas une nouvelle technologie compliquée et coûteuse, mais une adaptation et une transformation de la technologie de l’alternateur actuel des voitures thermiques moyennant des modifications éventuelles au niveau de nombre de bobine, de l’électroaimant et bien d’autres pour obtenir l’alternateur à hélice concerné. En ce qui concerne l’hélice, la technologie actuelle de fabrication des ventilateurs du système de refroidissement des radiateurs des voitures thermiques est capable de l’adapter pour construire ce type d’hélice à condition de définir et de modéliser convenablement les caractéristiques de l’hélice demandée. Il est donc nécessaire et primordial de préciser le diamètre de l’hélice, longueur, largeur, l’épaisseur et profil de ses pales, leur angle d’inclinaison et leur surface de contact au vent, sans oublier la matière avec laquelle elle sera fabriquée pour optimiser la réception de l’énergie éolienne du « vent mécanique » et la transformer en énergie mécanique dans l’hélice et dans son moyeu.

C’est une hélice qui capte le maximum d’énergie éolienne du vent pour se mettre à tourner avec un maximum de vitesse de rotation. Elle est donc différente de l’hélice de propulsion des avions ou des bateaux comme elle est différente de l’hélice d’un ventilateur de refroidissement, actionné par le courant, qui aspire l’air pour l’envoyer sur le radiateur. Donc, la construction et le choix des caractéristiques de l’hélice sont capitaux dans le transfert d’énergie.

D’un point de vue financier, le prix de cet alternateur à hélice n’est pas loin de son homologue actuel du moteur thermique, majoré du prix de l’hélice qui sera proche du prix de l’hélice du ventilateur de refroidissement du moteur thermique. Il est fabriqué en ABS (L’Acrylonitrile Butadiène Styrène appelé couramment ABS) qui est un polymère thermoplastique présentant une bonne tenue aux chocs, rigide, léger et il se prête facilement au moulage et capable d’avoir une vitesse allant de10km/h jusqu’à une vitesse maximale de 200km/h sans subir une déformation, torsion ou vibration ; il doit persister en mouvement de rotation dans un plan perpendiculaire à son axe de rotation. Il est aussi catalogué et stratifié dans les règlements en vigueur de sécurité et fabriqué en matière non nuisible à la santé des utilisateurs (vendeur et acheteur). Comme elle peut être fabriquée d’une autre matière recyclable et non polluante.

Comme on l’a annoncé dès le début, le principal domaine d’application est celui de la construction automobile, surtout pour la voiture électrique, hybride ou autonome. Comme, il peut être utilisé pour tout corps en mouvement afin de restituer une partie de son énergie mécanique consommée.

Les utilisateurs potentiels seront au premier rang, tous les constructeurs d’automobiles, de camions et d’engins à propulsion électrique ou hybride, les constructeurs spécialisés dans la fabrication des composants électriques des voitures et les utilisateurs de ces voitures.

Ainsi, l’invention de l’alternateur à hélice va apporter une valeur ajoutée à son environnement technique par l’amélioration de la qualité et la performance de la voiture électrique ou hybride. Il encourage les utilisateurs à l’acheter au détriment de celle à moteur thermique, surtout que cette voiture est totalement écologique. Ainsi, il aide les entreprises à se recycler graduellement en construisant les deux types d’alternateurs celui des voitures thermiques et des voitures électriques pour se limiter à l’alternateur à hélice au futur quand les voitures thermiques ne seront plus en circulation et que leur construction s’arrête. Au niveau de la chaîne de fabrication, ils sont non loin de l’alternateur actuel. De même, on peut améliorer la performance de ce nouvel alternateur à hélice pour pouvoir donner une tension plus grande que celle de l’alternateur existant en augmentant le nombre de bobine du stator et la performance du rotor de l’hélice.

Actuellement, la construction de l’alternateur à hélice représente un élargissement de la gamme de fabrication de l’alternateur qui permet une augmentation de la capacité de l’entreprise et nécessite la création des postes d’emplois. Il aura aussi une retombée financière positive, une valeur ajoutée tant aux constructeurs qu’aux vendeurs et revendeurs à travers le monde. Dans ce cas, il faut conjuguer rendement, rentabilité, fiabilité et facilité d’incorporer ce procédé dans la construction de la voiture électrique, hybride ou autonome.

Cette invention permet de gagner de l’énergie, d’améliorer l’autonomie, le côté écologique de la voiture électrique, hybride ou autonome et d’augmenter la durée de vie ses batteries avant de les charger une nouvelle fois. On peut arriver même à diminuer le nombre de batterie incorporé dans la voiture pour ainsi alléger son poids. Toutefois, ceci reste valable quand la voiture se déplace avec une vitesse minimale de 50km/h et surtout quand on circule hors de la ville et sur l’autoroute.

La modélisation, la simulation et le prototypage ont permis d’établir un modèle performant qui peut être amélioré et consolidé lors de sa fabrication en série et sa commercialisation.

Pour la modélisation de cette hélice, on a utilisé une géométrie d’un profil de type NACA 4412 biconvexe dissymétrique pour permettre un bon écoulement du vent mécanique.

Mais pour optimiser la puissance reçue puis transformée par l’hélice, il faut choisir l’angle d’inclinaison des pales qui en réalité l’angle d’incidence entre la portance (Fz = ^p. s.. v ² . Cz) et la traînée (Fx = ^p. s. v ² . Cx) qui sont les forces responsables de la rotation de la pale, donc de l’hélice. L’étude théorique et expérimentale montre que l’optimisation de la rotation de la pale est conditionnée par l’optimisation du rapport entre ces deux forces (F _z /F _x =C _z /C _x ). D’après les graphiques de la figure 6, les variations de C _z et de C _x en fonction de l’angle d’incidence montrent que ce rapport est optimal si l’angle est 5,8 degré (6 degré).

Pour un angle compris entre 5 et 6 degré, on fait varier le nombre de pales qui est lié à surface de contact avec le vent ; le nombre de pales qui optimise cette puissance mécanique reçue par l’hélice est supérieur ou égale à 5. Tout en évitant un nombre important qui empêche le vent mécanique de sortir en aval et jouant ainsi le rôle d’un mur qui arrête le fonctionnement de l’hélice. On convient ainsi de choisir un nombre compris entre 5 et 7. Ainsi, on construit un prototype d’hélice de diamètre (d=0,5m), de profil NACA4412, d’angle d’inclinaison 6 degré et possédant 5 pales pour le premier prototype et 6 pales pour le deuxième (voir figure 7) afin de comparer leur résultat. Ces deux hélices sont fabriquées en ABS dont la masse est uniformément répartie et équilibrée sur l’hélice.