Brevet FR2357835A1 — publié le 19780203

La présente invention est relative à des capteurs d 1énergie thermique appelés improprement Hbassins solaires" qui présentent une possibilité de fabrication d'énergie à bon marche par la production et le stockage de chaleur à basse température, c'est-à-dire inférieure à 1000 C > et de froid à haute température, c'est-à-dire entre 0o C et 150 C. On remarque que ces deux températures sont proches de la temperature ambiante atmosphérique. La transformation de ltenergie thermique du rayonnement solaire en énergie électrique exige des moyens de captage et de stockage de cette energie et un équipement de production d'électricité. Lorsque les conditions climatiques le permettent, l'utilisation de bassins solaires constitue une solution attrayante dans la mesure ou le rendement concernant la captation et la conservation de l'énergie est favorable. On sait en effet qu'un bassin solaire recueille l'énergie thermique du rayonnement solaire en réchauffant un fluide qui constitue directement ou indirectement la source chaude d'une machine thermique faisant classiquement appel au principe de CARNOT, Cette machine doit travailler dans les conditions défavorables d'un très faible écart de température entre la source chaude reliée au bassin solaire et la source froide qui est soit l'atmosphère, soit l'eau d'un puits, d'une nappe phréatique, d'une riviere, d'un lac ou d'un lagon. A l'évidence, tout accroissement de l'écart de temperature entre la source chaude et la source froide entraSnera un accroissement du rendement thermodynamique de la machine. Par ailleurs, les moyens de stockage de l'énergie mécanique (pompes, reservoirs, turbines), ou de l'énergie électrique (batteries) consomment une fraction de ltenergie qu'ils emmagasinent. Ils sont coûteux et necessitent un entretien. I1 parant donc plus simple de stocker directement l'énergie thermique dans des bassins solaires avant sa conversion. Le phénomène naturel de réchauffement des eaux profondes a été observe en Hongrie au début du siecle dans certains lacs dont le fond est recouvert d'un dépôt de sel. Du fait des apports en eau douce et des courants de surface, un gradient de concentration saline et donc de densité s'établit dans ces lacs ou l'on observe des températures de 700 C à un peu plus de 1 m de profondeur. Le gradient de concentration saline et de densite inhibant la convection, il y a 'inversion de la stratification thermique normale, l'eau de surface plus froide mais plus légère servant d'isolant pour la couche chaude situee au fond. Dans les bassins solaires inspires de ce phénomène naturel, le bassin ne comporte qu'une couche d'eau au sein de laquelle est maintenu un gradient de densité. Le brevet français FR 1 258 506 décrit un bassin solaire de ce type. Néanmoins la necessite de maintenir constant le gradient de densité consomme de grandes quantite de sel. I1 faut encore faire circuler l'eau chaude sans provoquer de convection en son sein.Par ailleurs, une partie du rayonnement solaire est absorbée par la partie supérieure de la couche de saumure contenue dans le bassin et l'encrassement progressif par les pous siès et autres débris naturels qui s'immobilisent entre deux eaux à cause des densités choisies, réduit considérablement le rendement. Une autre solution au seul problème du captage et du stockage de l'éner- gie thermique du rayonnement solaire a été présentee dans la demande de brevet français FR 75 33605. Dans ce type de bassin solaire, on établit une separation physique, par exemple une feuille transparente de matière plastique, entre une couche d'eau inférieure destinée au captage et au stockage de la chaleur, et au moins une couche isolante, transparente au rayonnement solaire, disposée au dessus de la couche chaude et servant à l'isoler de l'atmos phère. En outre, on introduit un inhibiteur de convection dans la couche isolante afin de limiter les pertes calorifiques.Cependant, le court et l'instabilité des inhibiteurs de convection obennEconsiderablement la rentabilité de telles installations Jusqu'a présent, il n'a été propose que des bassins solaires susceptibles de capter des calories. La source froide doit autre assurée par d'autres moyens réfrigérants et atmosphériques, riviere, lac ou lagon, nappe phréatique, qui ont la caracteristique commune de necessiter la-disposition de quantitesd'eau importantes ce qui n'est pas toujours le cas dans les zones où ces dispositifs sont utilisables, La présente invention propose de capter-et de stocker de l'énergie thermique soit sous forme de calories, soit sous forme de frigories.Pendant la période d'exposition au soleil, un bassin solaire pourra capter des calories tandis que la nuit, il sera possible de dissiper des calories dans l'atmosphere, c'est-à-dire de capter des frigories. La suppression des pertes par évaporation et par rayonnement est obtenue en employant un matériau isolant solide flottant sur un fluide, par exemple de l'eau, qui peut autre soit chaude, soit froide. Ainsi, le fluide qui emmagasine l'energie du rayonnement solaire ou restitue de l'énergie sous forme de chaleur à l'atmosphère, est contenu dans au moins un bassin à la surface duquel flotte au moins une couche de matériau isolant léger que lton peut assimiler à un toit flottant. Un système connu en soi prélève-le fluide dans le bassin pour l'amener sur un toit flottant d'où il s'écoule par gravité pour retomber dans le bassin. De jour, l'eau prélevée dans le bassin sera réchauffée; de nuit elle sera refroidie. A l'évidence, le cycle thermique proposé ne nécessite pas de tours de condensation pour la source froide dont la qualité est entretenue sans nuisance appréciable pour l'environnement et sans source d'eau extérieure. De plus, étant donne que les pertes par évaporation peuvent etre maintenues à leur minimum, on peut construire des bassins conformes à l'invention pour servir de sources chaude et froide à des machines thermiques, nécessaires à la production de l'électricité dans des régions privées d'eau mais ou d'une part le rayonnement solaire est intense et d'autre part les écarts de température entre le jour et la nuit sont très importants.Ainsi, le procéde de captage et de stockage d'energie à une temperature proche de la température ambiante atmosphérique vise à l'entretien d'une source chaude et d'une source froide nécessaires au fonctionnement d'une machine thermique connue en soi et comportant notamment un système d'évaporateurs liés à la source chaude et de condenseurs liés à la source froide. Après passage dans la machine thermique, le fluide est renvoyé directement de nuit à la source chaude pour celui issu de la source chaude, et de jour à la source froide pour celui issu de la source froide, sans absorption ou restitution de chaleur à la surface du toit flottant.On remarque que ltentretien des sources de chaleur peut nécessiter une circulation du fluide en dehors des périodes de fonctionnement de celleci. Afin de limiter le nombre de pompes, la circulation du fluide sera utile mentassurée par le système de circulation de la machine thermique meme en dehors de ses périodes de fonctionnement, Le cycle thermique precedemment décrit peut être mise en oeuvre de differentes manières, toutes caractérisées par au moins un bassin contenant un fluide sur lequel flotte au moins une couche de matériau isolant léger ou toit flottant dont la surface presente un relief menant à la formation de cuvettes de faible profondeur, destinées à recevoir le fluide pendant l'absorption ou la restitution de chaleur avant qu'il ne s'écoule par gravité dans le bassin. L'alimentation et la circulation du fluide sur le toit flottant est facilitée lorsque les cuvettes dudit toit flottant sont disposées à des hauteurs par rapport à la surface du bassin décroissantes du centre vers les bords dudit toit flottant et équipées d'un dispositif de déversement d'une cuvette superieure à une cuvette inférieure. Une autre possibilité consiste à disposer les cuvettes à des hauteurs décroissantes d'un bord à l'autre du toit flottant. Pour repondre à des besoins de standardisation nécessaire à l'abaissement du coût d'une installation de production d'électricité utilisant l'invention, -le toit flottant peut être constitue de panneaux contigus et non solidarisés entre eux, la surface supérieure de chaque panneau présentant un relief menant comme dans le cas d'un panneau unique à la formation de cuvettes de faible profondeur. Dans tous les cas, le fond des cuvettes formées sur la partie supérieure du toit peut etre recouvert d'une couche de materiau présentant un coefficient d'absorption du rayonnement voisin de 1 pour des longueurs d'onde allant de -2,3 microns à 50 microns. Une telle disposition assure le bon fonctionnement du dispositif aussi bien pour le captage de calories que de frigories. Un bassin contenant le fluide nécessaire au captage et au stockage d'energie à une température proche de la temperature ambiante atmosphérique, peut entre construit en maçonnerie ou utiliser une dépression naturelle si le bassin est construit dans un site terrestre. Le bassin peut aussi être construit à partir d'une jupe isolante et flottante verticalement dans une masse d'eau selon une technique propre à la demanderesse. Le toit flottant est alors disposé à I'intérieur de l'enceinte déterminée par la jupe isolante. Pour limiter l'évaporation et les échanges avec l'atmosphère lors de la captation ou de la restitution de chaleur, le toit flottant est recouvert d'une ou plusieurs feuilles d'un matériau souple et transparent qui, en prenant appui sur les bords dès cuvettes successives-, possède une pente suffisante pour assurer lateralement l'évacuation des eaux de pluie. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la feuille au contact du fluide n'est pas tendue pour être toujours appuyée à son contact. Elle présente en outre des caractéristiques d'absorption importante des rayons ultraviolets tandis que les feuilles supérieures présentent des caracteristi- ques de moindre résistance à la température. Les différentes feuilles sont séparées les unes des autres par injection d'air sous pression. On remarque que dans le cas d'un toit flottant composé de plusieurs panneaux contigus, la feuille au contact du fluide peut être composee de pièces soudées alors que la ou les feuilles supérieures sont sans soudure. Il est aussi possible de regrouper plusieurs panneaux sous un même groupe de feuilles protectrices. La constitution du toit flottant étant la même pour le captage des calories et des frigories, on conçoit sans difficulte qu'il est possible de n'avoir qu'une réserve de fluide dont le gradient de température est tel que l'on aura une source chaude dans la zone disposée immédiatement sous le toit flottant, tandis que le fond de ladite réserve, à une température moins elevée que dans la zone disposée immédiatement sous le toit flottant, formera une source froide. Dans ce cas, le gradient de densité du fluide est proportionnel au gra dient de température impose par le passage de la source froide à la source chaude, le fluide servant d'isolant entre les deux sources.Dans le cas de deux réserves de fluide, l'une servant de source froide, l'autre de source chaude, chacune de ces sources est recouverte d'un toit flottant du même type. Les feuilles de couverture sont de dimensions suffisantes pour déborder sur les limites extérieures du bassin et sont fixées sur les rives dudit bassin. Les eaux de pluie sont rassemblées dans une rigole à fondetanche formée la téralement autour du bassin et raccordée à un circuit assurant leur évacuation à une grande distance du bassin en evitant l'humidification des terrains voisins du bassin ce qui augmenterait les pertes. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les feuilles de couverture sont fixés sur les parois latérales du toit flottant et les eaux de pluie sont recueillies dans le bassin. Un dispositif d'écoulement peut être aménagé pour que ces eaux soient conduites dans le bassin à une profondeur suffisante de manière à ce qu'elles ne viennent pas refroidir la couche su périeure d'eau chaude. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la pente des feuilles de couverture est obtenue par la disposition sur la cuvette unique formée sur le toit de blocs de matériauxde hauteur décroissante du centre vers les bords. L'invention sera explicitée de façon purement indicative au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, La figure 1 présente un bassin à sources chaude et froide superposées, isolées l'une de l'autre par de l'eau selon un gradient naturel de température, La figure 2 présente deux bassins, l'un servant de source chaude, l'autre de source froide, La figure 3 est une coupe partielle d'un toit flottant conforme à l'invention, La figure 4 est une coupe partielle d'un autre mode de réalisation d'un toit flottant conforme à l'invention. L'on trouvera in fine une nomenclature des différents repères utilisés au cours de la description. Le bassin présenté à la figure 1 comporte une maçonnerie (1) étanche dans laquelle est placée de l'eau (2). A la surface de cette eau est disposé un toit flottant (3) en matériau isolant léger. Le fond (4) de la masse d'eau (2) se trouve à une température de l'ordre de 100 C tandis que sa zone supérieure (5) immédiatement sous le toit flottant (3) est à une température de l'ordre de 850 C. Le fond (4) de la masse d'eau (2) constitue la source froide, la zone supérieure (5) de la masse d'eau (2) constitue la source chaude d'une machine thermique. Plus précisément, la source froide (4) est reliee à un condenseur (6) de freon et la source chaude (5) à un évaporateur (7) de fréon. L'eau chaude provenant de la source chaude (5) passe dans l'évaporateur (7) qui vaporise le fréon qui se detend à travers une turbine centripète (8) et se condense dans le condenseur (6) refroidi par l'eau de la source froide (4). Trois pompes sont nécessaires : une pompe (9) faisant circuler l'eau chaude à travers la source chaude (5) et l'évaporateur (7), une pompe (10) alimentaire de freon liquide, et une pompe (11) faisant circuler l'eau froide à travers la source froide (4) et le condenseur (6). La turbine centripète (8) entraîne un alternateur électrique.Trois vannes sont nécessaires : une vanne (12) permettant que la circulation de l'eau chaude provenant de la source chaude (5) puisse se faire même en dehors des périodes de fonctionnement de la machine thermique; à cet effet, la pompe (9) aspire de l'eau dans la source chaude (5) pour la rejeter sur le toit flottant d'ou elle retombe par gravité dans la source chaude (5), la vanne (13) étant ouverte. I1 est aussi possible que l'eau chaude provenant de la source chaude (5) soit directement refoulee sur le toit flottant (3) après perte de chaleur dans l'evaporateur (7) ou encore à la base de la source chaude.Similairement, l'eau froide peut être pompe à la source froide (4) pour être directement refoulee via la vanne (14) vers le toit flottant (3) où elle restitue à l'atmosphère de la chaleur avant de s'écouler par la descente d'eau froide (15), isolée thermiquement par un isolant thermique (20) vers la source froide (4), la vanne (13) étant fermée ce qui accroît le niveau de l'eau dans la cuvette (16) disposée à la surface superieure du toit flottant (3) d'ou un debordement dans la descente (15) dont l'orifice (17) est à une hauteur supérieure, par rapport au niveau de l'eau (2), à l'orifice (18) de la descente d'eau chaude (19) obture par la vanne (13). Sur la figure 2 on peut voir deux bassins en maçonnerie (21) et (22). Le bassin (21) qui constitue une source chaude à une température de l'ordre de 850 C est recouvert d'un toit flottant (23) tandis que le bassin (22) qui o constitue une source froide à une température-de l'ordre de 10 C est recou- vert d'un toit flottant (24). Un système de trois pompes (25),(26),(27) est associe à deux vannes (28),(29), l'eau s'écoulant directement après absorption ou restitution de chaleur dans les bassins (21),(22). Une pompe (26) alimente en fréon liquide l'évaporateur (30) dans lequel le fréon se vaporise pour entratner une turbine centripète (31) avant d'être recondensé dans le condenseur (32).L'évaporateur (30) est alimenté par de l'eau provenant de la source chaude contenue dans le bassin (21) tandis que le condenseur (32) est alimenté par de l'eau provenant de la source froide contenue dans le bassin (22). Sur la figure 3 on peut voir la coupe d'un bassin à eau chaude ou une maçonnerie (33) contient de l'eau chaude (34) recouverte par un toit flottant (35) en matériau isolant léger. Des cuvettes (36),(37),(38) sont aménagées à des hauteurs décroissantes par rapport à la surface de l'eau chaude, depuis le centre vers les bords du toit flottant (35). L'eau contenue dans ces cuvettes est isolee de l'atmosphère extérieurepar deux feuilles et transDarente de matière plastique souple/.La feuille (39) ayant des propriétés notables d'absorption des rayons ultraviolets et de bonne résistance à la temperature, est disposée sans tension. sur l'ensemble pour adopter naturellement la forme des cuvettes (36),(37),(38) et prendre appui sur l'eau qu'elles contiennent. La feuille (40) est moins résistante à la temperature et repose sur les reliefs (41) limitant chaque cuvette. Ces deux feuilles sont fixées sur le bord extérieur (42) du bassin. Une rigole à fond étanche (43) construite autour du bassin rassemble les eaux de pluie collectées sur le toit flottant (35) et les conduit à un dispositif d'évacuation éloigné dudit bassin. La circulation de l'eau au cours de la phase de réchauffement est obtenue par alimentation du bassin à partir d'un système de circulation identique à celui présenté sur la figure 2.Des trop-pleins (44) pratiqués dans les reliefs (41) de bordure des cuvettes (36),(37),(38) assurent l'alimentation des niveaux inférieurs à partir du niveau superieur; des trop-pleins(45) dans les reliefs extérieurs du toit flottant (35) permettent le retour par gravite de l'eau chauffée vers la zone de stockage délimitée par la maçonnerie (33). La figure 4 montre la coupe de la partie superieure d'un bassin à source chaude et source froide superposées. De l'eau (46) est contenue dans un bassin qui peut être une dépression naturelle dont les bords ne sont pas repré sentés sur la figure. Des panneaux (47),(48),(49) tous similaires, jointifs, en matériau isolant leger sont disposés à la surface de l'eau; des cuvettes (50 à 54) sont aménagées à la partie superieure de chaque panneau. La circulation de l'eau est obtenue par alimentation de lacuvettesuperieure(50) partir d'un circuit identique à celui montré à la figure 1, l'alimentation des cuvettes inférieures (51 à 54) se faisant par des trop-pleins (56) formes dans les reliefs des différentes cuvettes. Un dispositif identique à celui de la figure 1 permet l'évacuation de l'eau chauffée vers la couche chaude du bassin , lorsque la vanne (57) est ouverte et vers la couche froide à travers le tube (58) isolé thermiquement lorsque cette vanne est fermée. Un produit étanche-et absorbant les rayonnements dans la gamme de longueur d'ondes de 0,3 à 50 microns, recouvre toutes les faces des panneaux du toit flottant. Une feuille (59) de matériau souple et transparent, présentant de bonnes qualités d'absorption des rayons ultraviolets et de résistance à la température est disposée sans tension sur les cuvettes de manière à rester constamment au contact de l'eau qu'elles contiennent.Une feuille (60) de matériau souple et transparent, presentant des caractéristiques de moindre résistance à la température et disposée au- dessus de la feuille (59), est maintenue à distance de cette derniere par injection d'air sous pression. Une autre feuille (61) de matériau souple et transparent est disposee au-dessus de la feuille (60) et séparée de cette dernière par injection d'air sous pression. Ces feuilles sont fixées sur les parois laterales/des)panneaux composant le toit flottant . Des rigoles (64), (65) formees sur les bords des panneaux composant le toit flottant rassemblent les eaux pluviales et les conduisent par des tubes (66),(67) à un niveau convendable sous la surface de l'eau de manière à ce que cette introduction ne perturbe pas l'équilibre thermique du système. NOMENCLATURE 1 maçonnerie du bassin 2 eau 3 toit flottant 4 fond de la masse d'eau (2) 5 zone supérieure de la masse d'eau (2) 6 condenseur de fréon 7 évaporateur de fréon 8 turbine centripète 9,10,11 pompe 12,13,14 vanne 15 descente d'eau froide 16 cuvette 17 orifice de la descente (15) 18 orifice de la descente (19) 19 descente d'eau chaude 20 isolant thermique 21,22 maçonnerie de bassin 23 toit flottant du bassin (21) 24 toit flottant du bassin (22) 25,26,27 pompe 28,29 vanne 30 évaporateur de fréon 31 turbine centripète 32 condenseur de freon 33 maçonnerie de bassin 34 eau chaude 35 toit flottant 36,37,38 cuvette 39,40 feuille en matière plastique souple 41 relief limitant la cuvette 42 bord extérieur du bassin 43 rigole 44,45 trop-plein 46 eau 47,48,49 panneau en matériau isolant leger 50 à 54 cuvette 56 trop-plein 57 vanne 58 tube 59,60,61 feuille de matériau souple et-transparent 62,63 paroi laterale des panneaux (47 à 49) 64,65 rigole 66,67 tube REVENDICATIONS thermique l.Procédé de captage et de stockage dtenergie/ une température proche de la température ambiante atmosphérique par un fluide contenu dans au moins un bassin et sur lequel flotte au moins une couche de matériau isolant léger ou toit flottant ccrractérisd en ce que un système connu en soi prélève le fluide dans un bassin pour l'amener sur le toit flottant ou il absorbe ou restitue de la chaleur avant de s'écouler par gravite dans le bassin. 2.Procedé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'absorption de cha leur est diurne et la restitution nocturne. 3.Procedé selon les revendications 1 et 2 carectérisé en ce qu'il entretient une source chaude et une source froide necessaires au fonctionnement d'une machine thermique connue en soi. 4.Procédé selon la revendication~3 caractérisé en ce que après passage dans une machine thermique connue en soi, le fluide est renvoyé directement de nuit à la source chaude pour celui issu de la source chaude et de jour à la source froide pour celui issu de la source froide, sans absorption ou restitution de chaleur à la surface du toit flottant. 5.Procédé selon les revendications 3 et 4 coPactériSé en ce que la circula tion du fluide est assurée par un système de circulation de la machine thermique même en dehors de ses périodes de fonctionnement. 6.Toit flottant pour la mise en oeuvre du procédé conforme aux revendications 1 à 5 caractérisé en ce que sa surface supérieure présente un relief menant à la formation de cuvettes de faible profondeur destinees à recevoir le fluide pendant l'absorption ou la restitution de chaleur avant qu'il ne s'écoule par gravite dans le bassin. 7.Toit flottant selon la revendication 6 caractérisé en ce que les cuvettes sont disposées à des hauteurs par rapport à la surface du bassin, décrois santes du centre vers les bords dudit toit flottant et équipées d'un dis positif de déversement d'une cuvette supérieure à une cuvette inferieure. 8.Toit flottant selon la revendication 6 caractôrisé en ce que les cuvettes sont disposees à des hauteurs par rapport à la surface du bassin, décrois santes d'un bord à l'autre dudit toit flottant et équipées d'un dispositif de déversement d'une cuvette supérieure à une cuvette inférieure. 9.Toit flottant selon la revendication 6 caractérisé en ce que il est consti tue de panneaux contigus et non solidarisés entre eux, la surface superieure de chaque panneau présentant un relief menant à la formation de cuvettes de faible profondeur destinées à recevoir le fluide pendant l'absorption ou la restitution de chaleur avant qu'il ne s'ecoule par gravité dans le bassin. lO.Toit flottant selon l'une des revendications 6 à 9 caractérisé en ce que il est recouvert d'une ou plusieurs feuilles d'un materiau souple et trans parent qui en prenant appui sur les bords des cuvettes successives, pos sèdent une pente suffisante pour assurer l'évacuation des eaux de pluie. ll.Toit flottant selon la revendication 10 caractérisé en ce que les feuilles de couverture débordent sur les bords extérieurs des panneaux et prennent appui sur les bords du bassin, les eaux de pluie étant rassemblees dans une rigole à fond étanche formée latéralement autour du bassin et raccordée à un circuit assurant leur évacuation à grande distance dudit bassin. 12.Toit flottant selon la revendication 10 caractérisé en ce que les feuilles de couverture débordent sur les bords extérieurs des panneaux composant le toit flottant et sont fixées sur les parois latérales de ces derniers, les eaux de pluie recueilles étant évacuées dans le bassin à une profondeur suffisante pour ne pas gêner le fonctionnement normal du dispositif. 13.Toit flottant selon la revendication 10 caractérisé en ce que la feuille de matériau souple et transparent au contact du fluide n'est pas tendue pour être toujours appuyée à son contact. 14.Toit flottant selon la revendication 10 caractérisé en ce que l-a feuille de matériau souple et transparent au contact du fluide presente des caracte ristiques d'absorption importante des rayons ultraviolets tandis que les feuilles supérieures présentent des caracteristiques de moindre resistance à la température. 15.Toit flottant selon la revendication 11 caractérisé en ce que les diffe rentes feuilles de materiau souple et transparent sont séparées les unes des autres par injection d'air sous pression. 16. Toit flottant selon les revendications 9 et 10 caractérisé en ce que la feuille de matériau souple et transparent au contact du fluide est composée de pièces soudees alors que la ou les feuilles supérieures sont sans sou dure. l7.Toit flottant selon les revendications 9 et 10 caractérisé en ce que plu sieurs panneaux sont regroupes sous un même groupe de feuilles protectrices. 18.Toit flottant selon l'une des revendications 6 à 15 caractérisé en ce que il recouvre un bassin unique constituant une réserve de fluide dans le quel les sources chaude et froide sont superposées et isolées l'une de l'autre par le fluide constituant lesdites sources selon un gradient natu rel de température. 19.Toit flottant selon 1 'une des revendications 6 à 15 caractérisé en ce que il recouvre soit un bassin constituant une source chaude soit un bassin constituant une source froide.