Brevet FR2300913A1 — publié le 19760910

La présente invention se rapporte à un dispositif permet tant de capter l'énergie solaire aux fins de production énergie sous toutes ses formes habituellement utilisées dans l'industrie(thermique,chimique,électrique,etc...) L'objet de l'invention est de réaliser par des moyens sim- ples dans leur principe,une source d'énergie dont l'investis# sement au Megawatt moyen Installé est très sensiblement inférieur à celui réalisé dans les centrales nucléaires et qui n'est la source d'aucun risque,pollution ou nuisance.Le coût de fonctionnement est bien évidemment très réduit en raison de la gratuité de la source d'énergie. De nombreux dispositifs de ce genre sont connus.On peut les classer en deux catégories: -Les uns utilisent directement le capteur d'énergie,san6 dispositif de concentration. il en résulte,pour ce dernier un prohibitif principalement dans le cas ou il est constitué de cellules photovoltaiqueSians les dispositifs type serre,le rendement est aussi mauvais en raison des inévitables fuites thermiques. -Les autres emploient des dispositifs de concentration, placés comme dans le cas précédent au niveau du sol. On améliore ainsi le rendement,mais on est tributaire du taut d'ensolei llement qui,dans les pays industrialisé,est généralement trop faible pour que le procédé soit viable.De plus,les conditions météorologiques et les pollutions diverses(pousssières)Font, pour les miroirs,des contraintes souvent insurmontPbles. Le dispositif selon l'invention permet d'éviter ces inconvéniants.En effe#;dans celui-ci le miroir est transporté à haute altitude au moyen d'un ballon aérostable.T)e cette fanon, l'énergie étant captée au dessus des nuages les censes,on dispose d'un taut d'ensolèillement qui est cuasiment oe cent pour cent.En outre,le flux énergétique est de 40 pour cent supériau mois d'aout,mais Fendant les mois d'hiver cette proportion est considérablement plus en raison du très long parcours des rayons solaires-du fait de leur inclinaison-dans l'atmosphère. Le dispositif selon l'invention permet donc,non seulement d'obtenir plus a 'ènergie,mais de l'obtenir de fanon plus fiable à heures régulières,éliminant ainsi le caractère aléatoire de cette source d'éaergie qui est probablement à l'origine de sa désaffection actuelle. Le dispositif,objet de l'invention,comporte un miroir do concentration dont la forme est une surface optique classique. Elle peut ètre cylindrique,sphérique,parabolique,elliptique etc...Il n'est d'ailleurs pas nécéssaire de réaliser cette surface avec une très grande précision car on ne cherchera pas dans le cas général à obtenir les températures maximum sur le capteur d'énergie,lequel capteur aura donc généralement une surface plus grande que l'image du soleil formée par le miroir. A la focale dudit miroir,on place le capteur d'énergie dont la fonction est double:D'une part il intercepte sinon la totalité,du moins la grande majorité du rayonnement solaire sur lui focalisé,d'autre part il contribue à assurer la transformation de l'énergie solaire en sa forme souhaitée.Il peut ainsi assurer le chauffage d'un fluide,générer de l'électri- cité par conversion directe,ètre le siège de transformationt- photochimiques ou simplement endothermiques permettant la crémation d'énergie chimique.Pour compenser le mouvement apparent du soleil deux méthodes peuvent ètre également être exploitées::oubien,le miroir étant fixe,on met en mouvement le capteur d'énergie,oubien le capteur est fixe par rappprt au miroir st c'est l'ensemble de ces deui derniers qui est mis en mouvement.Dans les deux cas on utilise un mécanisme de poursuite classique L'ensemble de ces appareillages est transporté à haute altitude au moyen d'un ballon aérosustenté qui peut être captif ou non.On s'élève ainsi dans la troposphère ou dans la stratosphère,jusqu'à surmonter tous les nuages gèlants,La paroi du ballon peut d'ailleurs ètre utilisée,selon une technique con nue,nour constituer de facon économique et légère le miroir. La moitié de la paroi est constituée d'une matière métalisée tandis que l'autre,qui est située coté soleil est simplement transparante. Un tel aisrositifslltilisant un ballon de 360 mètres de diamètre,situé à la latitude de Paris,fournirait,dans l'hypo thèse d'un rendement de 6C pour cent,une énergie de 65MW/en moyenne sur un jour),au mois de nuillet,de 43MW en mars ou en septembre,de 28MW en décembre.Ceci correspond à une moyenne annuelle de 43MW. L'invention sera de toute façon mieux comprise à l'aide des compléments de àescription et dessins ci-dessous annexés, lesquels compléments et dessins n'étant dcnnés ou'à titre indicatif et,Dien enrenau,nullement limitatif. Selon une première forme préférée de l'invention,le ballon I,à une forme sphèrique.Il est constitué d'une moitié d'enveloppe en matière métalisée,qui lorsque le ballon est gonflé,se tend formant un miroir spérique2.L'autre #oitié est constituée d'une paroi transparante 3 que traverse le rayonnement solaire avant d'atteindre le miroir.Ces deux sont soudées selon un plan équatorial qui est oriemté perpendiculairement aux rayons du soleil,grâce à deux sangles s'enroulant autour du ballon, selon deux cercles équatoriaux dont les plans sont rectangul- aires entre eux.Ces sangles 4 et 5,eont actionnées par les poulies 6 et 7,lesquelles poulies sont mues par des moteurs Electriques.Ces derniers sont commandés par un asservissement électronique qui comprend un détecteur d'orientation 8,qui fournit un signal d'erreur proportionnel au défaut d'orienta;- tion du miroir par rapport au soleil. Ces poulies et moteurs sont solidaires d'une plateforme 9,dont l'orientation est ellemême stabilisée par un gouvernail I0,lequel tout dans certains cas tourner autour de l'axe de ladite plateforme,contribuant ainsi à l'orientation du miroir capteur d'énergie II,est placé à la focale du miroir 2 où il reçoit le rayonnement foca liFé.Il est fixe par rapport au dit miroir. Dans le mode d'exécution pris comme exemple,le capteur d'énergie est utilisé pour le chauffage d'un fluide qui pe';t soit ètre transmis jusqu'au sol au moyen de canalisations isolantes thermiquement,ou il fait l'objet d'utilisations classiques(générateur de vapeur,chauffage domestique,machine thermique etc..),soit alimenter une machine thermique située sur la plateforme 9.Dans ce dernier cas,l'énergie thermique est transformée en électricité qui est alors facilement transportée au niveau du sol par des cables.La figure 2 donne le détail du capteur d'énergie.Le fluide froid,arrivant par la canalisation I2 au centre du disque I3 sur lequel il s'écoule radialement grace au carter I4 qui collecte le fluide chaud et permet son écoulement par la canalisation 15.La face externe du disnue I3 est absorbante pour le rayonnement visible et infrarouge(corps noir).Elle est soumise au flux solaire focalisé par le miroir. Suivant une autre forme préférée de l'invention,le ballon n'est plus maintenu captif,mais peut évoluer librement,grâce à des moteurs de propulsion à la façon d'un dirigeable.De cette sorte,on diminue considérablement les problèmes résultant de la présence de vent.Par exemple,un vent de I50km/heure peut occasionner sur un ballon de 300 m de diamètre,une traction de 50 T ce qui,bien que faible devant la force ascentionnelle(5.000T dans ce cas)est cependant de nature à déformer l'enveloppe,donc le miroir.Avec un ballon libre dont les déplacements sont déte# minés en tenant compte des vents rencontrés,le ballon peut devenir immooile par rapport à la masse gazeuse en mouvement,ce qui annule les contraintes dynamisme.Dans ces conditions do déplacement perpétuel,l'énergie est lors consacrée à la production d'hydrogène,lequel est facilement stocké dans la nacelle sous l'une des formes classioues(cryogénique,comprimé ou hydrures). dans cette nacelle se trouve l'usine de production. Les figures 3 et 4,données à titre indicatif et nullement limitatif.per- mettron de mieux comprendre l'invention.La figure 3 montre le ballon,sphérique dans ce cas encore,dont la partie réfléchisante I6 est orientée vers le bas,tandis que le ballon est fer mé par l'émi-shère transparent I7 qui se raccorde à la précédenpar le plan diamétral passant par A et B.Ce dernier est maintenu perpendiculaire aux rayons solaires grâce à un double mouvement.D'une part la nacelle est entraidée autour de son axe vertical par un mécanisme qui prena appui sur une direction fixe obtenue au moyen d'un gouvernail ou d'un parachute.En l'absence ce dispositif est inopérant et on utilisera alors des jets d'air comprimé placés sur la surface meme du ballon,tangentiellement à celui-ci,provocant ainsi une réaction qui entraine ce dernier D'autre part,des treuils 20,placé au sommet de la nacelle,per- mettent de modifier convenablement la longeur des cables de suspension 2I,provocant ainsi une rotation dudit plan autour d'un axe horizontal.Ces deux mouvements contrôlent parfaitement la position du ballon.Ils résultent d'un aservisse#ent électro nique dans la boucle duquel on trouve:I)un détecteur permettant de repérer la position du soleil par rapport au ballon,qui four nit un signal électrique proportionnel au défaut d'orientation sur deux voies correspondant aux deux axes de rotation cités plus haut.Des servo-moteurs associés à dew amplificateurs permettant d'obtenir la rotation du ballon(on a vu que dans certains cas ces moteurs pouvaient être remplacés par des jets d'air comprimés disposés tangeantiellement à l'enveloppe du ballon). Le capteur d'énergie est disposé en 22,au foyer du miroir I6. I1 est relié à la centrale d'épuration d'hydrogène 23 au moyen des tuyauteries 24 qui transportent l'oxygène et l'hydrogène fabriquésdans le capteur d'énergie ainsi que l'eau nécéssaire à cette transformation.A coté de la centrale 23,on trouve également toutes les machineries nécéssaires au maintien de la pression de gonflage du ballon,à a propulsion etc. la figure 4 détaille le capteur d'énergie.L#eau contenue dans le réservoir -25 au moyen d'une pompe à injection 26,dont le débit est asservi à la température du coeur 27.Cette eau est evaporée dans l'échangeur 28,ce qui permet le refroidissement du mélange hydrogène-oxygène issu du coeur où se produit la réaction de thermolyse.Cette vapeur d'eau contribue ensuite au refroidiss ment de l'enceinte 30,grâce à la canalisation 29 soudée sur celle-ci.la vapeur àinsi surchauffée est enfin admise dans l'é- changeur coaxial 3I,où elle est encore réchauffée par le mélan- ge hydrogène-oxygène issu du réacteur,à très haute température, récupérant ainsi au mieux l'énérgie thermique.la surface exter- ne 32,du réacteur est soumise au rayonnement solaire qui traverse la paroi transparente 33,de l'enceinte qui peut être main- tenue en dépression pour diminuer les fuites thermiques par convexion.La vapeur d'eau est amenée par un canal,au centre de la surface 32,où elle se trouve portée à la température de dissotiation.les gaz résultant de cette dissotiation sont ensuite de l'enceinte 30,par la canalisation 34 et séparés par voie chimique ou cryogénique.Dans certains cas,il peut être avantageux d'opérer cette dissotiation à plus basse température en employant un des nombreux cycles mis au point pour les réacteurs nucléaires à haute température.Dans ce cas on réalise la dissotiation d'une molécule hydrogénée convenable. Suivant une autre forme préférée de réalisation de l'inven tion,on utilise des ballon sphériques captifs,dont le dispositif d'orientation est simplifié,ainsi qu'il est montré à titre indicatif et nullement limitatif sur les dessins et descriptions ci-dessous annexés.l'orientation s'effectue seulement en azimut;;c'est à dire autour de l'axe x'-x,lequel axe est faiblement incliné autour de la verticale,en raison du vent,ainsi que l'on peut le voir sur la figure5.Comme dans les réalisations précédentes,cette orientation est obtenue au moyen d'un gouvernail 35 qui sert de référence à un mécanisme d'asservissement (direction fixe)qui assure la poutsuite angulaire du soleil,la direction de ce dernier étant repérée par un dispositif electro- optique convenable.Le ballon est encore constitué d'une émisphère réflectrice 36 et d'une émisphère transparente 37,seF3- rées par le plan diamétral de trace C.D,dont l'inclinaison est choisie de façon à être perpendiculaire à la hauteur moyenne du soleil.Le ballon n'étant plus orientable en hauteur,il n'est plus possible d'intercepter en permanence un flux maximum et il importe de réaliser le meilleur compromis possible entre les directions extrêmes du soleil.le rayonnement est focalisé dans un plan méridien selon un arc de cercle(C),concentrique au ballon.Le capteur d'énergie occupe donc cette position repérée en 36 énergie solaire ainsi captée peut ètre utilisée aux fins habituelles::chauffage de fluide,preduction d'électricité,génie chimique,production d'hydrogène etc..De cette façon,le capteur, dont la forme est assez allongée pour ètre toujours chauffé par le soleil,malgré la variation apparente de sa hauteur,peut revêtir des réalisations très variées.Nous en donnons,en figure 6, un exemple purent indicatif et,bien entendu,nullement limitatif.Des cellules photovoltaiques 39,sont disposées sur un support métallique 40,dont le refroidissement est assuré par la circulation dans les trous 4I,d'un fluide caloporteur qui arrive et part dans les canalisation 42.Ceci permet d'assurer le fonctionnement des cellules solaires,malgré l'intensité du flux thermique incident. Le dispositif,objet de l'invention,peut ètre utilisé pour la production d'énergie solaire,sous toute les formes utilisables dans l'industrie(électrique,calorifique,chimique,mécanique et...)et pour le chauffage des habitations,serres et locaux divers REVENDICATIONS I )-Dispositif permettant de capter l'énergie solaire aux fins de produire de l'énergie scus toutes les formes habituellement utilisées dans l'industrie(thermique,électrique,chimique etc...),et pour le chauffage des habitations,serres et locaux divers,caracté- risé en ce que le miroir de concentration du rayonnement est utilisé à haute altitude ou basse altitude,dans l'atmosphère terrestre,supporté par un ballon aérostable 20)-Dispositif selon la revendication I,caractérisé en ce que le ballon situé dans la troposphère ou la stratosphère,est maintenu captif au sol par un cable de liaison par où l'énergie est transportée sous forme électrique ou thermique. 30)-Dispositif selon la revendication I,caractérisé en ce que le ballon est dirigeable,et peut évoluer librement,produisant une énergie sous une forme convenable rour ètre stockée et transportée par ledit ballon(production d'hydrogène par exemple) 40)-Dispositif selon l'une des revendications I,2ou3,caractérisé en ce que le miroir est orientable dans toutes les directions et possède à sa focale un capteur fixe par rapport au miroir.l'orientation étant contrôlée en permanence par un asservissement de fanon à ce que le miroir soit toujours dans la meme position par rapport au soleil. 5 )-Dispositif selon l'une des revendications I,2 ou3, caratérisé en ce que le miroir est constitué par une partie de l'enveloppe du ballon convenablement traitée pour ètre réflectrice. 60)-Dispositif selon l'une des revendications I,2 ou 3,caractérisé en ce que le ballon est fixe,le mouvement apparent du soleil étant rattrapé par un déplacement du capteur d'énergie par rapport au miroir,selon un mouvement convenablement asservi pour que ce dernier intercepte en permanence les rayons solaires focalisés. 70)-Dispositif selon les revendications I,2ou 3 prises sépsrément, caractérisé en ce que 1é miroir est seulement mobile autour d'un axe,l'interception du rayonnement étant assurée par les grandes distensions du capteur d'énergie dans le plan constitué par l'axe de rotation et un un rayon solaire sécant. 8 )-Dispositif selon l'une des revendications I,2ou3,caractérisé en ce que le riroir est seulement mobile autour d'un axe,le capteur,de petite taille,se déplaçant dans un seul rlan,selon un mouvement conjugué à celui de rotation du miroir autour dudit axe grâce à un mécanisme convenablement asservi pour que le capteur d'énergie recoive en permanence le rayonnement sur lui focalisé. 9 )-Dispositif selon l'une des revendications I à 8,caractérisé en ce que le miroir de concentration peut ètre de forme cylindrique,sphérique,paraboloidique,ellipsoidique ou de toute autre forme susceptible de concentrer con#enablement la lumière. I0 )-Dispositif selon l'une des revendications I à 9,caractérisé en ce sue le capteur d'énergie est utilisé pour la production d'hydrogène à partir de la dissoeiation à haute température de la vapeur d'eau. II )-Dispositif selon l'une des revendications I à 9,caractérisé en ce que le capteur d'énergie est utilisé pour le chauffage de fluides divers I2 )-Dispositif selon l'une des revendications I à 9,caractérisé en ce que le capteur d'énergie est utilisé pour la rréation énergie chimique,en utilisant des réactions endothermiques ou photosensibles sous rayonnement solaire. 130)-Dispositif selon les revendications 1 à 9,prises séparément caractérisé en ce que le capteur d'énergie permet la conversion directe de l'énergie thermique déposée par le rayonnement solaire,en énergie électrique,au moyen de cellules photovoltaiques, ou par l'un des moyens connus:diode thermoionique,générateur magnétohydrodynamique,effet thermoélectrique etc...