Brevet FR2302488A1 — publié le 19760924

L'invention concerne l'utilisation de la chaleur solaire, notamment pour produire de l'énergie On sait que les dispositifs utilisant la chaleur solaire comme source thermique de base ne sont pas exploitables pendant les périodes de non-ensoleillement, et plus particulièrement en hiver. Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé des solutions faisant appel à des accumulateurs de chaleur capables d'enmagasiner une partie de la chaleur solaire pendant les périodes d'ensoleillement, et de la restituer en dehors des périodes d'ensoleillement, permettant ainsi d'étaler l'utilisation de la chaleur. L'invention a peur but de résoudre ce problème en met- tant à profit les propriétés des fluides caloporteurs, et en particulier des fluides å faible tension de vapeur à température éle- suée, pour réaliser le stockage de la chaleur solaire dans un réservoir a partir duquel s'effectue l'alimentation d'un dispositif uti- lisateur de chaleur, en périodes d'enseleillement et de non-ensoleillement. L'invention a pour objet un procédé d'utilisation de la chaleur solaire, notamment pour produire de énergie, suivant lequel en capte la chaleur solaire et on la transmet à un système récepteur, caractérisé en ce que l'on chauffe, à partir du système récepteur, un fluide caloporteur contenu dans un réservoir, de telle sorte qu'un niveau de séparation entre fluide chaud et fluide froid s'établisse à 1'intérieur du réservoir par la mise en circu- - lation du fluide caloporteur entre ledit réservoir et ledit systè- me récepteur, on prélève le fluide chaud à la partie haute du réservoir pour alimenter un dispositif utilisateur de chaleur, et on renvoie à la partie basse du réservoir le fluide caloporteur après que celui-ci ait cédé de la chaleur au dispositif utilisateur. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé que l'on vient de définir, cours portant des meyens pour capter la chaleur solaire et la transmettre a an système récepteur, caractérisée en ce qu'elle comporte, outre - un réservoir de stockage de chaleur rempli par un fluide caloporteur, - un circuit de charge du réservoir reliant la partie haute et La partie basse dudit réservoir au système récepteur, - des moyens pour faire circuler le fluide caloporteur à travers le circuit de charge, de telle sorte que le fluide caloporteur froid prélevé à la partie basse du réservoir soit renvoyé à la partie haute de celui-ci après avoir été chauffé par le système récepteur, - un dispositif utilisateur de chaleur, - un circuit de restitution de la chaleur stockée dans le réservoir, ledit circuit reliant la partie haute et la partie basse dudit réservoir au dispositif utilisateur de chaleur, - des moyens pour faire circuler le fluide caloporteur à travers le circuit de restitution, de telle sorte que le fluide caloporteur chaud prélevé à lapartie haute du réservoir soit renvoyé à la partie basse de celui-ci après avoir cédé de la chaleur au dispositif utilisateur de chaleur. bes moyens pour faire circuler le fluide caloporteur sont constitués par des pompes montées respectivement sur le circuit de charge et sur le circuit de restitution. Le dispositif utilisateur de chaleur est la chaudière d'une usine thermique génératrice d'énergie électrique, ladite chaudière étant alimentée en fluide de chauffage par le circuit de restitution de chaleur du réservoir de stockage. Le dispositif utilisateur de chaleur peut être une installation de chauffage, éventuellement alimentée en série ou en parallèle avec la chaudière de l'usine thermique génératrice d'énergie électrique De façon particulièrement avantageuse, l'installation selon l'invention comporte une chaudière auxiliaire, alimentée par combustible, ladite chaudière auxiliaire étant agencée pour fournir une chaleur d'appoint, en vue de charger le réservoir de stockage. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit, faite en regard du dessin annexé, concernant une forme particulière de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif. La figure unique représente, sous une forme schématique, une installation de production d'énergie électrique selon l'inven- tion. Sur la figure, on voit un miroir 1 apte à capter la chaleur rayonnée par le soleil et à la transmettre à un système récepteur constitué par un panneau 2 muni de tubes parcourus par un fluide caloporteur à faible tension de vapeur à température éle vée. Le panneau 2, formant échangeur solaire, est protégé du rayon nement vers l'espace ambiant par un écran transparent 3 assurant un effet de serre. Un réservoir 4, rempli par le fluide caloporteur, est relié, respectivement par sa partie haute et par sa partie basse, aux tubes du panneau 2 par des conduites 5 et 6 formant circuit de charge dudit réservoir. Chacune de ces conduites est munie d'une vanne permettant, le cas échéant, d'isoler le panneau 2 lorsqutil y a lieu d'effectuer une intervention sur celui-ci. Une pompe 7, montée sur la conduite 6, assure la circulation du fluide caloporteur à travers le circuit de charge. Le sens de circulation est tel que le fluide caloporteur froid, prélevé à la partie basse du réservoir 4 par la conduite 6, soit renvoyé à la partie haute du réservoir 4 par la conduite 5 après avoir été chauffé dans les tubes du panneau 2. Il s'établit de ce fait, à l'intérieur du réservoir 4, un niveau de séparation entre fluide chaud et fluide froid, comme dans le cas d'un chauffe-eau domestique. On a représenté sur la figure, une usine thermique génératrice d'énergie électrique comportant une chaudière 8 alimentée en fluide de chauffage à partir du réservoir 4, comme cela sera expliqué plus explicitement ci-après. Cette usine colporte, eu outre, une turbine 9 à laquelle la vapeur vive produite par la chaudière 8 est amenée par la conduite 10. Une conduite 11, sur laquelle est montée une pompe d'alimentation 12, amène à la chaudière 8 l'eau à vaporiser prélevée dans le condenseur 13 de la turbine 9. Cette dernière entraîne un alternateur 14. L'alimentation de la chaudière 8 en fluide de chauffage s'effectue par une conduite 15 au moyen de laquelle le fluide caloporteur chaud est prélevé à la partie haute du réservoir 4. Une conduite 16 renvoie à la partie basse dudit réservoir le fluide caloporteur après que celui-ci ait cédé de la chaleur pour produire la vaporisation de l'eau dans la chaudière 8. Les conduites 15 et 16 définissent le circuit de restitution de la chaleur stockée dans le réservoir 4 par le fluide caloporteur. La circulation de ce fluide à travers le circuit de restitution est assurée par une pompe 17 montée sur la conduite 16. Une chaudière auxiliaire 18, alimentée par combustible, est prévue pour fournir une chaleur d'appoint en vue d'assurer le chauffage du fluide caloporteur pendant les périodes de non-enso leillement prolongé, notamment en hiver Des conduites 19 et 20, chacune d'elles étant munie d'une vanne d'isolement, permettent de brancher c ette chaudière auxiliaire sur le circuit de charge, respectivement sur les conduites 5 et 6 de celui-ci. Grâce aux dispositions que l'on vient de décrire, différents cas d'exploitation peuvent Qtre envisagés. On peut prévoir une exploitation de l'installation a' régime constant, ou une exploitation à régime variable avec périodes de pointe. La puissance produite sera, bien entendu, variable dans l'un et l'autre cas entre le solstice d'hiver et le solstice d'été en l'absence de chauffage d'appoint. L'installation peut être avantageusement exploitée pour produire de la lumière. Dans ce cas, un chauffage d'appoint par combustible est indispensable en hiver, à moins que l'on n'utilise pas à cet effet toute la puissance disponible en été. L'étude de l'installation doit être définie pour chaque site particulier. Le site intervient, en effet, par un certain nombre de facteurs tels que le flux solaire moyen rayonné, la variation annuelle de la chaleur solaire fournie au cours d'une journée, la température de l'air ambiant et les variations de cette température au cours de 1'année L'étude de l'installation doit, en outre, prendre en compte les caractéristiques du fluide caloporteur, et notamment la valeur de la température maximale qu'il est susceptible d'admettre Le dimensionnement du réservoir de stockage est fonction de cette température. A titre d'exemple, on adoptera les conditions climatiques du site français d'Odeillo et, co e-fluide caloporteur, le produit connu sous le nom de "GIL0THERM". Le fluide froid est prélevé à la température de l82'C à la base d'un réservoir d'une capacité de 300 m3 ou de 500 m3 suivant les cas, et chauffé par un flux de 3 w/cm2, il est renvoyé à la température de 2640C à la partie supérieure du réservoir de stockage. Le panneau récepteur aura comme dimensions : 6 m sur 8 m. Du côté de l'utilisation, le fluide caloporteur est introduit dans une chaudière où il cède sa chaleur â de l'eau qui se vaporise à 1980C sous une pression de 15 bars et se surchauffe à 260 C.La vapeur engendrée par la chaudière alimen- te une turbine d'une puissance de 125, 300, 350 ou 600:kW suivant différents cas d'exploitation prévus. Si l'on utilise la chaleur pendant les seules heures d'ensoleillement, la puissance disponible est de l'ordre de 300kW p ar exemple. On peut aussi prévoir une exploitation à régime constant sur 24 heures, avec une puissance variable de 75 kW au solstice d'hiver à 125 kW au solstice d'été, le réservoir de stockage ayant une capacité de 300 m3. On peut également, avec cette même capacité1 prévoir une exploitation i régime variable au cours de la journée avec une peinte, soit un tiers de charge entre 7 h et 17 h et pleine charge entre 17 h et 22 h. La puissance variera entre 120kW en été et 70 kW en hiver à charge réduite, et entre 350 kW en été et 210 kW en hiver a pleine charge. L'exploitation pour la production de lumière pourra être prévue, avec une capacité de stockage de 500 m3, pour fournir une puissance de 600 kW en é#é entre 18 h et 23 h, et une puissance de 230 kv en hiver entre le h et 23 h. Dans ce dernier cas, un chauffage d'appoint par combustible est nécessaire en hiver, à moins que l'on n'utilise pas toute la puissance disponible en été. Dans les différents cas envisagés, on a admis un vide de 0,2 bar, correspondant à une température de 60 C dans un condenseur à air. lien que l'invention ait été décrite en référence h une ferme particulière de réalisation, il va de soi qu'elle n'y est on rien limitée et que des modifications pourront y être apportées sans sertir de son domaine. C'est ainsi que l'on pourra prévoir l'alimentation, a partir du réservoir de stockage de chaleur, d'un dispositif autre que la chaudière décrite, telle qu'une installation de chauffage. On pourra également prévoir l'alimentation simultanée, en série ou en parallèle, d'une telle installation de chauffage et d'une chaudière L'invention couvre de ce fait, outre l'exemple représenté, ses différentes variantes de réalisation possibles. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé d'utilisation de la chaleur solaire, notamment pour produire de l'énergie, suivant lequel on capte la chaleur solai re et on la transmet à un système récepteur, caractérisé en ce que l'on chauffe, à partir du système récepteur, un fluide calo porteur contenu dans un réservoir, de telle sorte qu'un niveau de séparation entre fluide chaud et fluide froid s'établisse à l'intérieur du réservoir par la mise en circulation du fluide caloporteur entre ledit réservoir et ledit système récepteur, on prélève le fluide chaud à la partie haute du réservoir pour alimenter un dispositif utilisateur de chaleur et on revoie à la partie basse du réservoir le fluide caloporteur après que celui-ci ait cédé de la chaleur au dispositif utilisateur. 2. Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, comportant des moyens pour capter la chaleur solaire et la transmettre à un système récepteur, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre: - un réservoir de stockage de chaleur-rempli par un fluide caloporteur, - un circuit de charge du réservoir reliant la partie haute et la partie basse dudit réservoir au système récepteur, - des moyens pour faire circuler le fluide caloporteur à travers le circuit de charge, de telle sorte que le fluide caloporteur froid prélevé à la partie basse du réservoir soit renvoyé à la partie haute de celui-ci après avoir été chauffé par le système récepteur, - un dispositif utilisateur de chaleur, - un circuit de restitution de la chaleur stockée dans le réser voir, ledit circuit reliant la partie haute et la partie basse dudit réservoir au dispositif utilisateur de chaleur, - des moyens pour faire circuler le fluide caloporteur à travers le circuit de restitution, de telle sorte que le fluide calo porteur chaud prélevé & la partie haute du réservoir soit renvoyé à la partie basse de celui-ci après avoir cédé de la chaleur au dispositif utilisateur de chaleur. 3. Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens pour faire circuler le fluide caloporteur sont cons titués par des pompes montées respectivemmnt sur le circuit de charge et sur le circuit de restitution. 4. Installation suivant l'une des revendications 2 ou 3, caracté risée en ce que le dispositif utilisateur de chaleur est la chaudière d'une usine thermique génératrice d'énergie électri que, ladite chaudière étant alimentée en fluide de chauffage par le circuit de restitution de chaleur du réservoir de stocka ge. 5. Installation suivant l'une des revendications 2 ou 3, carac térisée en ce que le dispositif utilisateur de chaleur est une installation de chauffage, ladite installation étant ali mentée en fluide de chauffage par le circuit de restitution de chaleur du réservoir de stockage. 6. Installation suivant les revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une chaudière et une installation de chauffage alimentées en série ou en parallèle à partir du réservoir de stockage. 7. Installation suivant l'une des revendications 2 à 6, carac térisée en ce qu'elle comporte une chaudière auxiliaire ali mentée par combustible, ladite chaudière auxiliaire étant agencée pour fournir une chaleur d'appoint en vue de charger le réservoir de stockage.