FR3075330A1 - Systeme de production d'energie - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapport à un système de production d'énergie comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité caractérisé en ce que la génératrice d'électricité comporte un absorbeur (5) recevant l'énergie solaire pour chauffer un gaz de détente, ledit absorbeur (5) étant disposé dans une zone de chauffage optionnel par un bruleur (8).
Description
SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE
Domaine de 1'invention
La présente invention concerne le domaine de la production d'énergie solaire à partir d'un système de concentrateurs à miroirs de Fresnel assurant le chauffage d'un fluide caloporteur à des températures élevées, jusqu'à 500° voir plus de 700°C, dans une élément de collecte thermique présentant un tube absorbeur placé au foyer du concentrateur ou de la série de concentrateurs.
D 1 une manière générale, un dispositif de conversion d'énergie solaire a pour but de fournir une puissance utile en du rayonnement solaire 'est-à-dire transformant l'énergie comprend à cet effet un absorbeur, c physique ayant pour fonction de convertir capté. Il un élément
1'énergie électromagnétique solaire incidente en une autre forme d'énergie utile exploitable (par exemple de 1'énergie électrique dans le cas d'un module photovoltaïque ou d'un module thermoélectrique, de 1 'énergie thermique dans le cas d'un chauffe-eau solaire, etc). Or, la puissance utile délivrée par le dispositif dépend de plusieurs facteurs, dont l'efficacité de la conversion de l'absorbeur, la surface de l'absorbeur allouée à la captation du rayonnement solaire (ou « surface de captation ») et la puissance du rayonnement solaire incident sur l'absorbeur. L'efficacité de la conversion dépendant de la technologie employée pour réaliser l'absorbeur, pour une technologie donnée, la puissance utile est donc réglée par la surface allouée à la captation et la puissance du rayonnement.
Notamment, lorsque la surface allouée à la captation du rayonnement solaire est réduite, par exemple pour limiter le coût de l'absorbeur, il est usuel de concentrer la puissance du rayonnement solaire sur l'absorbeur au moyen d'un concentrateur solaire (par exemple un système Cassegrain, un miroir parabolique, une lentille de Fresnel standard ou linéaire, un ensemble de lentilles, etc.). Le concentrateur solaire est un système optique qui focalise le rayonnement solaire sur un plan focal et la surface de captation de
1'absorbeur, plane, est confondue avec le plan focal du concentrateur. La focalisation du rayonnement sur la surface de captation de 1'absorbeur permet ainsi de compenser la faible dimension de celle-ci
Toutefois, un dispositif de conversion d'énergie solaire à base de concentrateur solaire est sensible à l'angle d'incidence du rayonnement solaire, et ce d'autant plus que la surface de captation de 1'absorbeur est réduite. En effet, il existe toujours un angle d'incidence du rayonnement solaire, défini par rapport à l'axe optique du concentrateur solaire, au-delà duquel la focalisation n'est plus réalisée sur 1'absorbeur lui-même.
En outre, l'incidence du soleil varie tout au long de la journée, c'est pourquoi les systèmes de conversion solaire à concentration sont motorisés (e.g. à l'aide d'un traqueur) pour suivre la progression du soleil dans le ciel, afin de garantir une incidence normale du rayonnement solaire. Ce type de système nécessite cependant un suivi du soleil très précis, un léger décalage angulaire (e.g. 0,1°) par rapport au soleil se traduisant directement pour une chute importante des performances du dispositif.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet internationale WO 2005090873 décrivant un capteur solaire qui comprend un réflecteur de type concentrateur linéaire ainsi qu'un absorbeur espacé du réflecteur. L'absorbeur comprend un premier élément absorbeur espacé du réflecteur, lequel possède une surface orientée en direction du réflecteur pour recevoir le rayonnement solaire de celui-ci ainsi qu'un conduit transportant un fluide couplé au niveau thermique à la surface de l'absorbeur. L'absorbeur comprend également un second élément absorbeur possédant une surface absorbeuse orientée pour recevoir le rayonnement solaire directement transmis, et un conduit transportant un fluide couplé au niveau thermique à la surface absorbeuse du second élément absorbeur.
On connaît aussi la demande de brevet européen EP 3136018 concernant un système de conversion d'énergie solaire comprenant :
- un concentrateur solaire muni d'un axe optique et apte à focaliser un rayonnement solaire incident sur un plan focal;
- un miroir tronconique comprenant une grande base et une petite base, dans lequel la petite base est confondue avec le plan focal du concentrateur solaire, le sommet du miroir tronconique est disposé sur 1'axe optique du concentrateur solaire et la grande base est disposée entre la petite base et le concentrateur, de sorte que le concentrateur solaire et le miroir tronconique définissent ensemble une surface focale secondaire comprenant une portion inscrite dans la petite base du miroir tronconique et une portion tronconique inscrite dans le volume délimité par le miroir tronconique; et un absorbeur solaire inscrivant au moins partiellement la petite base du miroir tronconique ;
L'absorbeur solaire comporte en outre une portion inscrivant 1'intersection de la portion tronconique de la surface focale secondaire avec un plan contenant 1'axe optique du concentrateur solaire.
Une autre solution est décrite dans la demande de brevet W02006027438 concernant un dispositif de production d'hydrogène à l'aide d'énergie solaire basse énergie utilisant des capteurs solaires fonctionnant le jour pour produire un fluide chaud, et des dissipateurs thermiques fonctionnant la nuit pour produire un fluide froid, le fluide chaud et le fluide froid sont stockés dans des réservoirs distincts pour avoir en permanence une source chaude et une source froide , les capteurs solaires fonctionnent en circuit fermé avec le réservoir de stockage de fluide chaud avec un volume de fluide constant, les dissipateurs thermiques fonctionnent en circuit fermé avec le réservoir de stockage de fluide froid avec un volume de fluide constant, un circuit secondaire fermé contenant un fluide de travail est utilisé dans un cycle de Rankine.
Inconvénients de l'art antérieur
L'inconvénient des solutions de l'art antérieur est qu'en l'absence de soleil ou de couverture nuageuse, le niveau de production d'énergie diminue considérablement et ne permet plus fournir l'énergie attendue. Ces installations nécessitent de ce fait l'association à d'autres installations ou l'accès à un réseau électrique indépendant pour palier les ruptures de production aléatoires propre aux centrales solaires.
Par ailleurs, dans la solution décrite dans la demande de brevet W02006027438, des pertes importantes se produisent dans les circuits primaires et secondaires de fluide de travail.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne un système de production d'énergie comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité caractérisé en ce que la génératrice d'électricité comporte un absorbeur recevant l'énergie solaire pour chauffer un gaz de détente, ledit absorbeur étant disposé dans une zone de chauffage optionnel par un bruleur.
Avantageusement, le système selon l'invention présente toutes ou partie des caractéristiques suivantes :
- il comporte en outre des moyens d'hydrolyse.
les moyens de production d'électricité sont agencés pour recevoir de l'énergie thermique résultant de la recombinaison des produits d'hydrolyse en l'absence d'énergie solaire.
- le gaz dans machine à détente est placé au foyer d'un concentrateur.
il comporte en outre des moyens pour l'alimentation du moyen de production électrique par une source d'énergie additionnel de manière réversible.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de 1'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 représente une vue schématique d'une première réalisation de l'invention
- la figure 2 représente une vue schématique d'un deuxième exemple de réalisation.
Description schématique de l'invention
La figure 1 représente une vue schématique d'un premier exemple de réalisation
L'installation comprend un système de concentration solaire illustré de manière schématique dans l'exemple décrit par un capteur plan ( 1 ) formant un réseau de diffraction de type capteur Fresnel renvoyant le rayonnement solaire vers un concentrateur hémisphérique ( 2 ) monté sur une structure orientables pour concentrer le rayonnement un point circulaire
| situé au | niveau d'une | équipement | de capture formé par une | |
| enceinte | ( 3 ) sous vide | s'ouvrant | par une fenêtre en quartz | |
| (4). | ||||
| L'enceinte | ( 3) sous | vide définit une | cavité |
absorbante limitant les pertes par diffusion dans l'air. La fenêtre en quartz (4) est recouverte d'un revêtement antiréflexion dans le spectre adéquat pour éviter plus de 30% de pertes optiques/thermiques. L'isolation thermique générale peut être obtenue, par exemple, avec des aérogels, de la perlite expansée, ou encore certaines formes de carbone/graphites aux excellentes propriétés isolantes et d'un faible coût puisque s'agissant de matériaux abondants et recyclés.
L'enceinte (3) contient un absorbeur (5) réalisé en carbone/graphite et dendrites de tungstène sous une forme cristalline absorbant 98% du rayonnement infra-rouge et à un point de fusion supérieur à 3.400 °C.
L'agglomération des dendrites de tungstène sur le carbone/graphite est réalisée en couche mince et sous haute température, formant un carbure résistant. La surface de l'absorbeur (5) présente des microcavités réalisées lors du moulage, pour approcher les caractéristiques d'un corps noir.
L'enceinte (3) présente plusieurs interfaces avec des conduits (6 à 9) :
un conduit (6) pour la sortie d'air chaud ajustable en température pour le chauffage, la cuisson, et toutes opérations de métallurgie ou chimie industrielle. Ce conduit (6) permet le transfert maîtrisé à un équipement complémentaire pour l'utilisation de l'air chaud, et permet aussi de réduire la pression à l'intérieur de l'enceinte (3)
- un conduit (7) pour l'injection d'un brouillard d'eau qui sera soumis à une température de 2.500°C, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et O par craquage ou thermolyse de 11 eau permettant 11 obtention d'hydrogène et d'oxygène, en dissociant par la chaleur les atomes composant la molécule d'eau H20. Cette réaction thermochimique commençant à haute température (entre 850 °C et 900 °C) pour devenir complète vers 2 500 °C.
- un conduit (7) pour extraire un jet de molécules de masses différentes séparées ensuite par l'intermédiaire d'un dispositif de type vortex cyclonique générant deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène.
- un conduit (8) pour l'alimentation d'un brûleur ΗΗ0 précédemment stocké. Ce brûleur permet d'apporter un apport énergétique pour générer une flamme à environ 2.400°C permettant de faire fonctionner notre système la nuit ou par ciel couvert.
Le dispositif absorbeur est modulable, permettant ainsi l'utilisation de chaleur extérieure lorsque par exemple le réservoir HHO se trouve être vide.
Description d'un deuxième exemple de réalisation
La figure 2 représente une vue schématique d'un deuxième exemple de réalisation.
Il comprend comme dans l'exemple précédent une enceinte à atmosphère contrôlée (3) s'ouvrant par une fenêtre en quartz (4) et contenant un absorbeur (5). Cet absorbeur (5) produit une température élevée pour la thermolyse d'eau introduite dans l'enceinte (3) par brumisation. Il est également couplé thermiquement à un transformateur d'énergie (10). Ce transformateur d'énergie (10) peut être constitué par une chaudière à gaz Whispergen produisant de l'électricité (1KW) en cogénération associé à un dispositif de liquéfaction Stirling (ou autre) permettant de liquéfier les gaz produits (H2/HHO,) en vue de leur stockage, puis un appareil de réfrigération Stirling (ou autre) pour la production de froid travaillant en cogénération avec les inévitables pertes du liquéfacteur.
Un réservoir de stockage d'H2 liquéfié permet de disposer d'un vecteur énergétique lors de la nuit ou conditions météo défavorables, en vue de la réinjection via un brûleur. La séparation des composants gazeux obtenus par la thermolyse est assurée par une cellule séparatrice des gaz issus de la thermolyse, et qui peut être indifféremment un vortex supersonique, une électrolyse HT, une membrane protonique, etc.
L'absorbeur (5) est réalisé à titre d'exemple par pressage isostatique à partir de composés carbone/graphite de très faible coût, recouverts d'une couche de carbure adapté type silicium ou tungstène, associés par frittage superficiel en couches minces successives.
Dans l'exemple illustré par la figure 2, l'absorbeur (5) est couplé thermiquement à une génératrice d'électricité (10) constituée par une enceinte de confinement (11) isolée thermiquement à l'intérieur de laquelle est positionné un cylindre haute pression (12) coaxial. Ce cylindre haute pression (12) est également isolé thermiquement.
A l'intérieur de ce cylindre haute pression (12) se déplace un piston haute-pression (13) qui assure la compression cyclique d'un gaz actionnant un deuxième étage comprenant un piston basse-pression (14).
Des échangeurs à air ou à eau (15, 16) entourent les enceintes de confinement (11) et des bobines électriques (17).
Les pistons (13, 14) présentent une forme concave pour recevoir et canaliser le flux en son centre et limiter les déperditions et améliorer l'équilibrage mécanique.
La forme convexe sur une face (18) de l'absorbeur (5) permet de mieux répartir les contraintes de pression, tandis que l'autre face (19), concave, lui permet de collecter et piéger au mieux la lumière, cela quel que soit l'angle d'incidence, sa surface étant de surcroît surmontée de mini reliefs permettant de mieux piéger la lumière et accroître les échanges.
La composition générale en forme de cylindres imbriqués les uns dans les autres permet l'optimisation des surfaces et volumes, tout en minimisant les pertes de charge. D'autre part, ce type de disposition permet une fabrication mais aussi un assemblage aisés. Les étanchéités entre segments peuvent être réalisées par des joints graphites performants pour de hautes plages de température et d'un coût très bas.
Un éventuel étage additionnel de plus grande dimension pourrait utiliser avec des matériaux plus conventionnels tels que l'aluminium, le PTFE, aciers, fonte, etc.
L'isolation est réalisée par du « noir de fumée », issu d'une combustion incomplète, et présentant de bons pouvoirs isolants.
Le dispositif bénéficie d'une contre-réaction continûment ajustable par l'intermédiaire du générateur électrique qui remplace avantageusement le ressort mécanique ou la bielle par la f.c.e.m (force contre électromotrice). Ainsi, en faisant varier les paramètres électriques on dispose d'une course ajustable rendant possible le fonctionnement en mode de résonance.
Par ailleurs, l'asservissement électromagnétique des pistons pourrait permettre un démarrage plus aisé en agissant sur eux et initiant le processus de démarrage.
Ce type de moteur être réversible pour produire du froid, ou de la chaleur. Cette configuration est possible en utilisant le générateur électrique linéaire comme moteur via l'électronique de commande.
La liaison étanche (20) permettant de transmettre le travail mécanique vers l'extérieur de l'enceinte du transformateur peut être constituée par exemple à partir de bagues graphite renforcées au carbone, à plusieurs étages si nécessaire, le tout étant contenu dans une pressurisée du type à soufflet ou membrane.
enceinte
Claims (5)
- Revendic ations1 - Système de production d'énergie comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité caractérisé en ce que la génératrice d'électricité comporte un absorbeur (5) recevant l'énergie solaire pour chauffer un gaz de détente, ledit absorbeur (5) étant disposé dans une zone de chauffage comprenant un bruleur (8).
- 2 - Système de production d'énergie selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'hydrolyse.
- 3 - Système de production d'énergie selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens de production d'électricité sont agencés pour recevoir de l'énergie thermique résultant de la recombinaison des produits d'hydrolyse en l'absence d'énergie solaire.
- 4 - Système de production d'énergie selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz dans machine à détente (10) est placé au foyer d'un concentrateur (19).
- 5 - Système de production d'énergie selon la revendication 1 caractérisé en ce que qu'il comporte en outre des moyens pour l'alimentation du moyen de production électrique par une source d'énergie additionnelle.
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Citations (6)
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- 2017-12-14 FR FR1762190A patent/FR3075330B1/fr active Active
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