Brevet FR2356094A1 — publié le 19780120

La presente invention concerne des perfectionnements aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire en vue d'une utilisation industrielle et (ou) agricole. On sait que la captation de l'énergie solaire a fait l'objet de nombreux travaux conduisant à la realisation de nombreux prototypes de caractère experimental. Dans de nombreux dispositifs, on realise un groupement de capteurs concentrant l'énergie solaire sur un fluide recepteur de chaleur specifique élevée, comme l'eau par exemple. Dans certains de ces dispositifs, la concentration de l'energie est suffisante pour amener l'eau à se transformer en vapeur. Celle-ci est dirigee vers un récepteur comprenant une turbine et une génératrice produisant de l'erlec- trichite dont une partie est consommez irmediatement et dont une partie est stockee dans des accumulateurs. Dans un tel système la transformation de l'anergie calorifique en energie electrique s'ombre en general avec un rendement assez faible en raison de la faible difference de temperature existant entre la source chaude et la source froide du moteur utilise. Par ailleurs le stockage de l'energie electrique lui aussi est onéreux en raison du prix, du poids et du volume des accumulateurs usuels. Dans d'autres dispositifs, une partie de l'eau chaude est utilisée directement å assurer le chauffage d'une paroi rayonnante tandis que l'autre partie de l'eau chaude est stockée dans des rercipients isolants. Mais un bon isolement thermique est toujours onereux et finalement le rendement économique du système total demeure assez modéré. Enfin il est apparu que le principe consistant d recourir à un fluide caloporteur à chaleur specifique élevée mais demeurant par contre transparent dans de larges bandes du spectre solaire n > est pas particulièrement avantaeux. C'est pourquoi des inventeurs ont cherche à capter l'énergie solaire au moyen d'un fluide absorbant plus ou moins integraIement le rayonnement solaire. Pour pouvoir continuer à utiliser un fluide à chaleur spécifique elevee, on a souvent dissoud dans l'eau une teinture telle qu'un pigment de couleur noire. Cette solution n'ayant pas donne satisfaction, on a utilise comme fluide caloporteur des solvants organiques tels que l'alcool dans lesquels il est possible de dissoudre des substances absorbant de la lumière solaire, comne les goudrons par exemple. Les procédes permettent certainement une absorption plus complote de l'energie solaire mais la temperature de vaporisation de ces produits est relativement basse, de sorte que si l'on veut utiliser un fluide caloporteur suffisamment chaud, il est necessaire de le maintenir sous pression. Cette pression devient rapidement tres elevee des que la temperature s'relève et cette solution exigerait ltemploi d'un appareillage et de tubulures résistant à ces pressions, matériel trop onéreux pour ltusage rustique envisagé en général. Ces considérations semblent bloquer les dispositifs de captation de l'énergie solaire dans le domaine des installations a rendement médiocre puisque la différence de température entre la source chaude et la source froide semble condamnée à se limiter des valeurs faibles. La présente invention permet de sortir de cette impasse ;; elle se rapporte à la captation de lténergie solaire au moyen d'un fluide non transparent ou tout au moins peu transparent au rayonnement solaire et qui présente une température d'ébullition a pression atmosphérique beaucoup plus élevée que les fluides envisages précédemment. On peut alors mettre en oeuvre un récepteur d'6dergie fonctionnant entre deux sources présentant entre elles une grande différence de tenpérature sans recourir pour autant dans le circuit du fluide caloporteur. des pressions élevées entraînant l'emploi d'un appareillage complexe et coûteux. L'objet de l'invention est donc un perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire mettant en oeuvre un fluide caloporteur organique circulant dans une enceinte transparente au moins sur l'un de ses côtés au rayonnement solaire incident, reliée a un moyen de stockage et a un echangeur, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur organique orésente une teneur élevez en carbone et une température d'ébullition a pression atmosphérique supérieure a 1800C. On a trouvé avantageux en particulier d'utiliser des liquides organiques qui ont la propriété de s'opacifier lorsqu'ils sont portés à une température élevée. La présente invention concerne également aussi bien les dispositifs de captation sans concentration (a reflexion plane) que les dispositifs a concentration faisant usage de procédés optiquesn mettant en oeuvre des lentilles ou des miroirs ; dans ce cas le fluide capteur se trouve localisé dans l'espace où se produit la focalîsation du rayonnement solaire. Les dispositifs de captation eux-mnes peuvent être des dispositifs fixes ou au contraire des dispositifs assujettis à suivre le mouvement du soleil dans son mouvement relatif par rapport au gisement et (ou) au site de la centrale solaire. La pressente invention concerne également l'association du dispositif de captation de 1' anergie solaire avec un moyen de stockage de l'énergie sous forme thermique par le fluide lui- mne ainsi que par des matériaux solides baignes par ledit fluide. Ce stockage permettant une distribution ultérieure de l'énergie stockée suivant les besoins sous forme thermique, mécanique ou électrique. Diverses autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-dessous a titre d'exemple non limitatif d'un mode de réalisation décrit en référence a La figure I représentant en perspective cavalière un capteur associé à un miroir de concentration cylindrique. La figure 2 représentant schématiquement un exemple de groupement de capteurs à concentration assujettis à suivre le soleil dans son mouvement relatif par rapport au site. La figure 3 montrant un exemple d'association de capteurs du type décrit avec un moyen stockage thermique et une installation de production d'électricité. En référence à la figure 1, on décrit un capteur élémentaire comportant essentiellement un tube de verre I, type verre "Pyrex" par exemple, d'épaisseur de l'ordre de deux millimètres, analogue aux tubes de verre utilisés dans certains réchauffeurs des centrales thermiques. Le fluide caloporteur circulant dans le tube est un liquide organique à teneur élevée en carbone qui peut être supérieure à 90 Z en poids et présentant une température d'ébullition à la pression atmosphérique supérieure à 2500C soit un liquide dont la teneur en carbone est supérieure à 70 Z et dont la température d'ébullition à la pression atmosphérique est supérieure à 180po. Ce type de fluide sera par exemple un liquide organique à base d'oxyde de diphényle ou de terphényl hydrogéné. Le fluide caloporteur est ajusté en fonction de l'emploi désiré. On voit que l'on peut mettre en oeuvre un fluide caloporteur dont la température dépassera 2500C ou simplement 1800C sans que la pression dans le tube 1 excède la pression atmosphérique. C'est pour les raisons exposées ci-dessus qu'il sera possible d'utiliser un tube 1 à paroi relativement mince donc ne faisant pas écran par ailleurs à l'absorption du rayonnement solaire par le fluide. Ce tube de verre contenant le fluide caloporteur est placé à la manière connue sur l'axe focal d'un miroir cylindrique 2. Pour accentuer l'"effet de serre" et interdire l'évasion du rayonnement de plus grande longueur d'onde obtenue après échauffement du fluide caloporteur par absorption du rayonnement solaire, il a paru avantageux de recouvrir le miroir 2 par une plaque de verre plane 3 jouant le rôle de miroir pour ce rayonnement, de plus grande longueur d'onde et le renvoyant vers l'intérieur du dispositif. En outre, on dispose ainsi d'une surface extérieure facile à entretenir et l'on maintient le miroir dans un état permettant la réflexion spéculaire. Le calorifugeage du miroir est assuré en entourant la partie externe. de celui-ci au moyen d'une couche de laine de verre entre deux enveloppes ignifugées telles qu'il en existe à l'heure actuelle de nombreux modèles dans le commerce. Cette couche isolante est collée sur la face non réfléchissante du miroir.Ce dernier peut être forme d'une tôle mince polie anodiquement à l'intérieur. L'ensemble du miroir est très léger. I1 y a lieu de noter que le miroir 3 est supporté aux deux extrémités par un flanc plan latéral tel que 4 doté d'une douille 5 permet tant au miroir de tourner autour de son axe. La figure 2 permet de mieux saisir la disposition et l'alimentation d'un groupe de capteurs formant l'un des panneaux 10 de l'installation. chaque panneau 10 comprend deux canalisations 6 et 7 alimentant en parallèle des tubes tels que il montés de façon fixe entre ces deux canalisations. Chaque panneau 10 peut tourner en azimut autour d'un axe 16 perpendiculaire au plan du panneau grâce a un dispositif mécanique actionneur pas à pas commandé à la manière connue à partir d'une centrale d'orientation 4 commune à tous les panneaux. Il en résulte que les canalisations 6 et 7 sont raccordées aux canalisations centrales 8 et 9 par l'intermédiaire de deux tubes de raccordement 12 et 13 et par deux rotules 14 et 15 placées sur l'axe de rotation 16 du panneau 10. La rotation des panneaux en azimut entraîne à la manière connue une variation de l'inclinaison des miroirs. En effet un système de tringlerie représenté schématiquement par deux tringles 21 et 22 reliées aux douilles telles que 5 est commandé par une tringle commune 23. Cette tringle commune 23 dont la translation entraîne une variation d'inclinaison des miroirs est reliée par une démultiplication appropriée au dispositif mécanique actionneur pas à pas. Au lever du jour tous les panneaux sont tournés vers l'Est, le plan median de chaque miroir étant horizontal. A midi les panneaux sont orientés vers le sud, les miroirs présentent l'inclinaison maximale. Sous l'action du rayonnement solaire, le fluide s'échauffe, se dilate. I1 est entraîné en mouvement grâce à une pompe vers les tubes 6 et 10 puis vers le tube collecteur 9. Les rotules telles que 14 et 15 sont faciles à maintenir etanches tant que la pression au sein du fluide caloporteur reste basse. C'esten cela notamment qu'il est avantageux de mettre en oeuvre un fluide dont la température d'ébullition à pression atmosphérique est élevée. I1 est en effet possible d'utiliser des dispositifs conformes à la description donnée ci-dessus, dotés de nombreux joints tournants, sans que l'étanchéité du dispositif soit mise en cause, tout en ayant recourt à du matériel courant donc peu onéreux. De plus, le fait que l'on peut utiliser des tubes de verre relativement mince dans la construction de ces panneaux, en allége considra- blement le poids. Les panneaux décrits ci-dessus peuvent donc être supportés par un chassis léger ne présentant aucun problème de construction. I1 est donc possible de ràliser-des installations assez basses par rapport au sol, n'offrant donc pas de prise au vent tout en étant légères. La figure 3, qui constitue un exemple de réalisation classique, est facile de ce fait à mettre en oeuvre. Elle comprend successivement l'ensemble des panneaux représenté schématiquement en 27 qui alimentent en liquide organique chaud soit le réservoir de stockage 28 soit le générateur de vapeur d'eau 29, soit les deux simultanément, le règlage étant fait par la vanne 30. Le réservoir de stockage 28 est constitué par un bac 31 réalisé en tôle d'acier mince reposant sur un radier 32 rempli de liquide organique et éventuellement d'un empilement 33 de matériaux pouvant être des minéraux naturels extraits au voisinage du site, de parpaings ou des briques de capacité calorifique élevée. On voit enfin en 34, la pompe mettant le liquide caloporteur en marche dans le sens approprié dans les tubes tels que 1 lorsque la température d'utilisation du fluide caloporteur est atteinte. Le générateur de vapeur 29 est constitué essentiellement par un échangeur 35 dans lequel le fluide caloporteur abandonne ses calories à haute température au profit d'un fluide à ébullition à basse température tel que l'eau. La encore, il apparaît particulièrement avantageux d'utiliser un fluide caloporteur amenant du fluide à 250in au contact à travers une paroi avec un liquide tel que l'eau et il est évident que l'échange de chaleur se fera dtautant mieux que la différence de température entre les fluides en contact indirect est plus élevée. Alors que le circuit apportant la chaleur est un circuit basse pression, le circuit moteur 36 sera de préférence un circuit à pression de vapeur d'eau aussi élevé que possible. - Ce circuit sera mis en marche par la pompe 37. Ce circuit alimente la turbine 38 ou une machine à fonctionnement alternatif qui entraîne à son tour l'alternateur 39. La vapeur alimentant la turbine 38 est détendue au maximum grâce au condenseur 41 refroidi lui-mrne par le réfrigérant 42. Puis cette vapeur est restituée sous forme liquide à nouveau au générateur de vapeur 29. Il y a lieu de noter que le circuit haute pression sera aussi court que possible que l'on rapporchera la turbine et la génératrice autant que faire se peut de l'échangeur 35. Il arrive qu'il soit avantageux d'incorporer le générateur de vapeur 29 au bac de stockage 28. On arrive alors à un organe d'échange simplifié parfaitement adapté au caractere rustique du dispositif. Bien que le dispositif qui vient d'être décrit semble être le plus avantageux dans une situation technique donné correspondant à une latitude moyenne, on comprendra sans peinte que diverses modifications soient nécassaires pour adapter le dispositif à des conditions climatiques particulières, certains de ses éléments seraient alors remplacés par d'autres éléments équivalents sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire mettant en oeuvre un fluide caloporteur organique circulant dans une enceinte transparente au moins sur l'un de ses côtés au rayonnement solaire incident, reliée à un moyen de stockage et à un échangeur, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur organique présente-une teneur élevée en carbone et une température d'ébullition à pression stmospherique supérieure à 1800C. 2/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en carbone du fluide caloporteur est supérieure à 70 Z et en ce que ledit fluide caloporteur stopaci- fie lorsqu'il est porté à température élevée. 3/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide caloporteur présente une température d'ébullition à pression atmosphérique supérieure à 2500C. 4/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de lténergie solaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide caloporteur présente une teneur en carbone supérieure à 90 Z 5/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide caloporteur est à base d'oxyde de diphényle. 6/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide caloporteur est à base de terphényl hydrogéné. 7/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de stockage est constitué par un bac (28) contenant en permanence une partie du fluide caloporteur. 8/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de stockage est constitué par un bac (28) contenant des parpaings, des briques ou des matériaux naturels (33) prélevés au voisinage du site de l'installation noyés dans du fluide caloporteur. 9/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (29) comprend un circuit de vapeur et d'eau (36) alimentant un élément moteur (38). 10/ Perfectionnement aux moyens de captation et de stockage de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (29) est incorporé au bac de stockage (28). 11/ Perfectionnement aux moyens de captation et de Stockage de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de captation de l'énergie solaire est formé d'un groupe de panneaux 10, comportant chacun un certain nombre de tubes transparents 11 parcouru par le fluide caloporteur, disposés suivant l'axe focal de miroirs 2 qui peuvent s'orienter en site, l'orientation en azimut de panneaux s'obtenant par une rotation autour d'un axe 16 perpendiculaire audit panneau, et en ce que les conduits d'alimentation en fluide caloporteur (6 et 7) de chaque panneau (10) sont reliés à deux conduits centraux (8 et 9) par des rotules (15 et 14) situées toutes deux suivant l'axe de rotation (16) desdits panneaux.