Tour solaire à vortex: fonctionnement

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La tour solaire à dépression: aspects scientifiques et techniques par François MAUGIS, Association Energie Environnement. (d’après les éléments fournis par la société SUMATEL)

1. Introduction

Le principe de fonctionnement de la tour à dépression du professeur français Edgard NAZARE qu’il avait baptisé « tour à vortex » ou « centrale aérothermique » (à rapprocher de l’ « Atmospheric Vortex Engine » de l’ingénieur canadien Louis MICHAUD), peut être abordé sous deux angles différents : l’approche « thermodynamique » ou l’approche « mécanique des fluides ».

1.1. L’approche thermodynamique (principe de Carnot)

On part du fait que la différence de température entre les couches hautes et basses de l’atmosphère, induit un rendement du cycle (quelques %) qui est appliqué à une quantité de chaleur évacuée par la tour en fonction de sa dimension et de la vitesse ascensionnelle de l’air. Cela donne globalement la puissance mécanique récupérable. Bien sûr des séries de paramètres modifient ces calculs, mais la ligne directrice est là. NAZARE conclu donc en disant que si l’équilibre archimédien est à une altitude donnée, il y a une température d’état.

La différence entre la température de l’air au niveau du sol (à l’entrée dans la tour) et la température de l’air en altitude, au niveau d’équilibre (au sommet du phénomène tourbillonnaire) constitue donc le cycle de Carnot.

1.2. L’approche « mécaniques des fluides » (équation de Bernoulli)

On part du fait que l’atmosphère depuis le sol, a une courbe d’état (température et humidité) qui induit ou non une cellule convective (nuage). La tour n’est présente que pour transformer la cellule convective en phénomène tourbillonnaire. Dans la nature, ce tourbillon ne peut s’établir que dans des conditions précises. Si ces conditions précises ne sont pas remplies, nous n’avons que des « bulles convectives » désordonnées. C’est l’équation de Bernoulli associée aux calculs de « perte de charge et couches limites » qui donne la puissance mécanique du système en fonction de la courbe d’état de l’atmosphère.

1.3. Résultats de ces deux approches

La société SUMATEL (evoquée dans ce document) a travaillé avec le professeur NAZARE sur la démarche « Carnot » durant des années. Elle travailla ensuite sur la démarche « mécanique des fluides » avec courbe d’état de l’atmosphère . Dans les deux cas elle a obtenu des résultats de puissance mécanique, très proches. En confirmant la réalité des premières hypothèses, cette cohérence des résultats a conforté l’entreprise SUMATEL dans la poursuite du projet et des efforts de recherche développement.

sumatel tour solaire
Prototype de tour solaire à Vortex réalisé par Sumatel

2. Mode de fonctionnement

C’est la différence de température entre l’air en altitude (sommet du tuba atmosphérique) et l’air à la base de la tour, qui fait fonctionner le système. Ce n’est pas, comme cela a été dit quelquefois par erreur, la différence de température entre la base et le sommet de la tour réelle.

La tour à vortex exploite « une bulle thermique naturelle » et donc la différence entre la densité de l’air entrant à la base de la tour et la densité de l’air au sommet du tuba. La mise en rotation de cette masse d’air permet de constituer une cheminée « fictive » (le tuba ou colonne d’air en rotation) de hauteur bien supérieure à celle de la tour (cheminée réelle), qui isole le phénomène de la loi « altitude-pression-température » et induit donc une altitude d’équilibre.

La puissance de la tour (mécanqiue des fludies Bernoulli) est fonction uniquement du produit : « différence de densité par hauteur du tuba ».

C’est la différence de température entre l’air au sol et l’air au sommet du tuba qui détermine la vitesse ascensionnelle de l’air.

Les calculs de NAZARE, ceux de SUMATEL, aussi bien que ceux confiés à « XJunior » et « Mathématiques Partenaire », confirment bien que les règles générales citées plus haut sont respectées. La tour à vortex fonctionne comme un phénomène atmosphérique naturel et répond aux mêmes règles et aux mêmes lois mathématiques que celles appliquées à ces phénomènes.

A ce jour, voici ce qui a pu être démontré :

  • le phénomène peut s’amorcer seul ou artificiellement
  • le phénomène peut s’auto-entretenir
  • le phénomène remonte dans l’atmosphère
  • le sens de rotation importe peu (Coriolis quasi nul)
  • Une masse d’air importante permet la stabilité et la puissance du phénomène et la hauteur du tuba
  • Seule la courbe d’état de l’atmosphère (température-humidité) et les courbes des adiabatiques et pseudo-adiabatiques règlent le phénomène
  • Le phénomène produit une puissance mécanique importante dont une partie seulement peut être exploitée (sous peine d’étouffement)
  • le phénomène produit de l’eau de condensation dans la tour, mais en faible quantité (écoulement diphasique)
  • le phénomène produit du froid en grande quantité (inférieur à 0°C dans le vortex à l’intérieur de la tour)
  • le phénomène crée des nuages d’altitude (fonction de la courbe d’état de l’atmosphère) et, dans certaines conditions, de la pluie

Les évolutions par rapport au projet initial du professeur Nazare

Les observations indiquées plus haut ont amené la société SUMATEL à modifier la géométrie de la tour en modifiant le rapport entre les deux section de passage de l’air (à la base de la tour et au col du venturi).

Pour Nazare, on devait avoir une section d’entrée d’air dix fois plus importante que la section du col du venturi, SUMATEL à ramené ce rapport à 7.

Pour une tour de 300m qui serait la taille d’un premier prototype opérationnel et réellement démonstratif, le débit d’air serait de 130 tonnes/seconde pour un delta de température (différence de température entre l’entrée d’air à la base de la tour et le sommet du phénomène tourbillonnaire) de 30°C et un taux d’humidité de 85%. Dans ce cas de figure, la puissance mécanique exploitable serait de 250MW, la vitesse de l’air serait de 4m/s à l’entrée de la tour au niveau du sol, et de 200 m/s (note: soit plus de 700 km/h!!) au col du venturi (diamètre 50 m au lieu de 30 calculé par Nazare) pour une inertie de 100 t/s.

Compte tenu de la taille de ces tours et des perturbations atmosphériques engendrées localement, (nébulosité, pluie ou bruine, refroidissement de l’air sur 2 à 3 km autour de la tour) il va de soi, comme l’indiquait Nazare, qu’elles seront implantées loin des agglomérations, et bien entendu, dans des régions chaudes.

En savoir plus:

Informations sur les travaux de SUMATEL
Télécharger des rapports et fichiers sur les tours solaires
– Coordonnées de l’Association Energie Environnement:

Association Energie Environnement
7 route de Fontaine Chaalis
60300 MONTLOGNON
energie.environnement@wanadoo.fr

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