Brevet FR2450363A1 — publié le 19800926

La présente invention concerne les centrales thermiques de production électrique, dans lesquelles,la totalité ou la plus grande partie de l'énergie consommée est d'origine solaire. On porte actuellement un grand intérêt à la production d'énergie électrique a partir d'énergie solaire. Parmi les diverses possibilités, on a étudié plus précisément des systèmes de conversion thermodynamique de deux types, les centrales à collecteurs distribués, et les centrales à tour ou collecteur central. Dans chaque collecteur d'une centrale à collecteurs distribués, un ou plusieurs miroirs fixes ou orientables focalisent l'énergie solaire et forment une image du Soleil sur une chaudière ou un récepteur solaire qui absorbe cette énergie et la transmet sous forme de chaleur à un fluide caloporteur. La figure 1 des dessins annexés est une élévation d'un exemple de collecteur distribué convenant à de telles centrales. Sur cette figure, un miroir 10 de concentration reçoit les rayons pa rallèles du Soleil et les focalise sur un récepteur 12. Celui-ci échauffe un fluide qui est transmis par le collecteur à une canalisation 14. Une monture 16 permet le pivotement de l'ensemble formé par le miroir 10 de concentration et le récepteur 12 autour d'un axe horizontal 18 et autour d'un axe vertical 20. Les canalisations 14 de tous les collecteurs distribués de la centrale rejoignent un réseau de canalisations convenablement calorifugées, transmettant le fluide chaud vers la centrale thermique. Dans une centrale à collecteur central, des miroirs orientables ou "héliostats" renvoient-des images solaires vers un récepteur unique porté par une tour et qui assure la transformation de la lumière en chaleur. La figure 2 des dessins annexés est une élévation schématique représentant une telle centrale. Dans celle-ci, les héliostats 22 renvoient chacun une image du Soleil sur un récepteur unique 24 placé au sommet d'une tour 26. Le fluide caloporteur chauffé dans le récepteur 24 par l'énergie du Soleil circule dans des canalisations vers un dispositif 28 de stockage de fluide caloporteur et vers une centrale thermique non représentée. Dans une centrale à collecteurs distribués, l'énergie parvient à la centrale thermique par'l'intermédiaire d'un fluide qui circule dans un réseau de canalisations alors que, dans une centrale à collecteur central, l'énergie est centralisée par voie optique. Les deux types de centrale indiqués présentent des avantages et des inconvénients. Les centrales à collecteurs distribués peuvent être implantées facilement et en toute sécurité à proximité d'habitations notamment. Le prix des montures et des circuits de commande et de réglage est relativement réduit, compte tenu de ce que l'orientation n'a pas à être aussi précise que dans le cas des héliostats des centrales à tour. Les rendements optiques peuvent être excellents car le miroir de concentration peut être pratiquement perpendiculaire aux rayons du Soleil pendant toute la journée. Cependant, ces collecteurs ne peuvent pas porter le fluide caloporteur à une température très élevée. En-effet, le réseau de canalisations qui transporte le fluide vers la centrale thermique présente des pertes qui deviennent trop importantes lorsque la température est très élevée.D'autre part, le rendement des récepteurs des collecteurs, déterminé compte tenu des pertes par conduction, convection et rayonnement, diminue lorsque la concentration en énergie solaire n'est pas suffisamment élevée. En outre, le fluide caloporteur doit être bien adapté aux centrales à collecteurs distribués et doit avoir un bon comportement à haute température, notamment une bonne stabilité et il ne doit pas provoquer de corrosion dans les réseaux de canalisations. Par exemple, on utilise souvent un fluide organique à base de terphényle hydrogéné qui se dégrade de façon trop importante au-deld de 3300C. Les centrales à collecteur central permettent des concentrations optiques plus élevées que les centrales à collecteurs distribués. Le rendement du récepteur peut être important, grace à un effet de taille. Le récepteur peut assurer une conversion à température élevée, par mise en oeuvre de fluides tels que la vapeur d'eau surchauffée à 5000C, un mélange eutectique de sels fondus, du sodium liquide, etc. En outre, de tellescentrales conviennent bien à des puissances élevées, allant de quelques dixièmes de mégawatts à plusieurs centaines de mégawatts. Cependant, ces centrales à collecteur central présentent des inconvénients. Le champ d'héliostats occupe un espace important et. peut provoquer des effets d'éblouissement importants, incompatibles avec la navigation aérienne ou la circulation d'êtres vivants. L'intégration de tours de grande hauteur dans le paysage pose aussi des problèmes, étant donné que les hauteurs envisagées doivent être de tordre de 100 à 300 m. La réalisation de champs d'héliostats très importants nécessite la mise en oeuvre de systèmes d'orientation ayant une grande précision et dont les coûts sont élevés. En outre, les terrains disponibles pour l'implantation de très grands champs d'héliostats et ayant la configuration convenable sont très tares. Ainsi, les centrales à collecteurs distribués permettent l'obtention de fluide caloporteur chauffé à un prix relativement faible, mais aussi à une température relativement peu élevée. Au contraire, les centrales à collecteur central permettent l'obtention de températures très élevées, mais ont un prix élevé, et posent des problèmes d'implantation lorsqu'elles doivent avoir des dimensions importantes. Avant la description de l'invention, il convient de considérer l'organisation schématique d'une centrale thermique classique, chauffée par un combustible. La figure 3 représente les éléments essentiels d'une telle centrale. Celle-ci comporte un groupe évaporatoire 30 qui transmet de la vapeur surchauffée et resurchauffée à une turbine 32 qui comprend une partie 34 à haute pression et une partie 36 à basse pression. La turbine 32 entrain un alternateur 38 qui fournit du courant électrique. A la sortie de la turbine, la vapeur parvient à un ballon 40 qui est relié à un ou plusieurs réchauffeurs 42 qui sont aussi reliés à des soutirages de la partie 36 à basse pression de la turbine. Le ou les réchauffeurs sont reliés à un condenseur 44 qui peut aussi recevoir la vapeur soutirée à la sortie de la partie 34 à haute pression de la turbine. La partie la plus importante, dans le cadre de l'invention, est constituée par le groupe évaporatoire 30. Celui-ci comprend normalement un économiseur 46, un évaporateur 48, un surchauffeur 50 et un resurchauffeur 52. La vapeur du surchauffeur 50 parvient à l'entrée de la partie 34 à haute pression de la turbine, et la vapeur provenant de cette partie 34 circule dans le resurchauffeur 52 avant arrivée à la partie 36 de la turbine. Dans une centrale classique, l'ensemble des éléments du groupe évaporatoire 30 est placé dans la chaudière. On va considérer maintenant la charge thermique des différents éléments du groupe évaporatoire dans le cas d'une centrale fonctionnant à une pression de-50 bars et provoquant l'évaporation à 2640C. L 'économiseur 46 assure un échauffement de 165 à 2640C, l'évaporateur 48 assure l'evaporation à 2640C, le surchauffeur 50 porte la température de la vapeur d'eau à 4100C alors que le resurchauffeur reçoit de la vapeur à 2600C et la porte à 4000C. Les charges thermiques, rapportées à un kilogramme de vapeur, sont alors de 470, 1625, 430 et 295 kJ/kg respectivement pour l'économiseur, l'évaporateur, le surchauffeur et le resurchauffeur, soit de 16,7, 57,6, 15,2 et 10,5 %. Ainsi,l'économiseur et l'évaporateur consomment à eux deux près des trois quarts de l'énergie thermique, à une température qui ne dépasse pas 2640C. Un quart environ seulement de la charge thermique correspond à une température supérieure à 2640C. Etant donné ces considérations, dans une centrale de production électrique à partir d'énergie solaire selon l'invention, des collecteurs distribués apportent les calories nécessaires au préchauffage de l'eau et, en partie ou en totalité, à sa vaporisation, et d'autre part un système à collecteur central apporte les calories nécessaires à la surchauffe de la vapeur. Plus précisément, l'invention concerne une centrale thermique de production électrique à partir d'énergie solaire, comprenant un premier enemble collecteur d'énergie solaire destiné à chauffer un premier fluide caloporteur à une première température, un second enemble collecteur d'énergie solaire destiné à chauffer un second fluide caloporteur à une seconde température supérieureà la première, et un système de conversion thermodynamique destiné à recevoir de la vapeur d'eau vaporisée et chauffée par la chaleur du premier et du second fluide caloporteur, ce système formant de l'électricité. Le premier ensemble collecteur est avantageusement du type à collecteurs distribués. La chaleur du premier fluide caloporteur assure avantageusement la vaporisation au moins partielle de l'eau. Le premier fluide caloporteur circule dans un échangeur de chaleur, formant de préfrence.un économiseur et un évaporateur du système de conversion thermodynamique. Le premier fluide caloporteur est par exemple un terphényle hydrogéné et la première température est inférieure à 3200C. Le premier fluide caloporteur peut aussi être de l'eau, le premier ensemble collecteur constitue alors un générateur de vapeur pour le système de conversion thermodynamique. Le second ensemble collecteur est avantageusement un ensemble à collecteur central, avantageusement placé sur une tour. Le second fluide caloporteur circule avantageusement dans un surchauffeur et un resurchauffeur du système de conversion thermodynamique. Le second fluide caloporteur peut être un mélange de sels fondus, la seconde température étant alors inférieure ou égale à 4500C, ou un métal liquide, par exemple le sodium, la seconde température étant alors inférieure ou égale à 6500C. Une centrale selon l'invention présente un certain nombre d'avantages par rapport aux centrales connues. D'abord, le rendement du cycle est accru par rapport à celui des installations à collecteurs distribués uniquement. Le rendement optique, c'est-à-dire le rapport de l'énergie parvenant au collecteur à l'énergie parvenant au total sur la surface immobilisée, est accru par rapport à celui d'une centrale à collecteur central. Le coût du système de miroirs est plus faible que celui d'une centrale à champ d'héliostats uniquement. Pour une hauteur déterminée de la tour portant le collecteur central, la centrale réalisée peut avoir une puissance installée accrue. L'insertion de la centrale est plus commode que celle d'une centrale à tour. En outre, la sécurité est plus importante que celle de ce dernier type de centrale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, les figures 1, 2 et 3 ayant déjà été décrites - la figure 4 est un schéma représentant l'organisation d'une centrale selon l'invention ; - la figure 5 est un schéma représentant la partie d'une centrale selon un premier mode de realisation de l'invention, qui constitue le groupe évaporatoire - la figure 6 représente le groupe évaporatoire d'un second mode de réalisation de centrale selon l'invention ; et - la figure 7 est un graphique indiquant les conditions de fonctionnement d'un circuit de la centrale décrite en référence à la figure 5, dans deux types de conditions de fonctionnement. La figure 4 est un schéma représentant l'organisation d'une centrale thermique de production électrique à partir d'énergie solaire selon l'invention. Cette centrale comprend une première partie 54, en forme de portion de cercle, comprenant plusieurs lignes d'héliostats et une tour 56 au sommet de laquelle est disposé un collecteur. Celui-ci est relié, par l'intermédiaire d'un dispositif de stockage, au système de conversion thermodynamique 58. La centrale comprend une seconde partie 60, juxtaposée à la première partie 54 et recouverte par des collecteurs distribués 62, par exemple du type décrit précédemment en référence à la figure 1. Les canalisations collectrices 14 de fluide caloporteur sont raccordées à un reseau 64 qui rejoint le système de conversion thermodynamique 58. La figure 5 représente schématiquement le groupe évaporatoire et ses connexions aux deux ensembles collecteurs d'énergie de la centrale, sous forme schématique. Le groupe évaporatoire comprend comme indiqué en référence à la figure 3, un économiseur 46, un évaporateur 48, un surchauffeur 50 et un resurchauffeur 52. Dans ce modede réalisation de l'invention, l'évaporateur et l'économiseur sont montés en série dans le circuit du premier fluide caloporteur provenant des collecteurs distribués de la centrale. Le premier fluide caloporteur provenant du réseau 64 de canalisations de l'ensemble des collecteurs distribués, parvient à un dispositif 66 de stockage à température élevée avant de pénétrer dans l'évaporateur 48.Ce premier fluide caloporteur, lorsqu'il a circulé dans l'évaporateur 48 et a fourni, par échange thermique, la quantité de chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau, parvient à l'économiseur 46 avant de rejoindre le réseau de canalisations qui le renvoie vers les collecteurs distribués. Ce premier fluide caloporteur est par exemple du terphényle hydrogéné dont la température maximale d'utilisation est de l'ordre de 3200C, car il commence a se dégrader thermiquement a 3300C. Le second fluide caloporteur provenant à température élevée du collecteur''central porté par la tour 56 parvient en parallèle à la fois au surchauffeur 50 et au resurchauffeur 52. Le fluide quitte ces deux circuits et rejoint un réservoir 68 de stockage Iefluide est avantageusement un mélange eutectique de sels fondus, comprenant par exemple, en pourcentages pondéraux, 53 % de KNO3, 40 % de NaN02 et 7 8 de NaN03. Ce fluide peut être utilise jusqu'à des températures de l'ordre de 4500C. La vapeur qui a ét formée dans l'évaporateur 48 est donc surchauffée dans le surchauffeur 50, grâce a la chaleur collectée dans la centrale à tour, et elle est dirigée'vers la turbine. De même, la vapeur retirée de la première partie 34 de turbine parvient au resurchauffeur 52 et elle est aussi chauffée par la chaleur recueillie par la centrale à tour avant renvoi à la turbine. On va considérer maintenant le fonctionnement d'une telle centrale, dans deux conditions appelées cas I et cas II. Dans ces deux types d 'opération, le circuit de vapeur d'eau est à 50 bars, c'est-à-dire que la température d'évaporaition est de 2640C. La température à l'entrée A de l'économiseur 46 est à 2000C dans les deux cas. La température aux points B et C, de part et d'autre de l'évaporateur et dans celui-ci, et de 2 & 0C. La vapeur quittant le surchauffeur 50, au point D, est à 4100C. La vapeur pénétrant dans le resurchauffeur 52, au point E, est à une température de 308"C. Elle quitte le resurchauffeur 52 a une température de 4000C. Dans les deux cas, le circuit de chauffage du surchauffeur 50 et du resurchauffeur 52 transmet le mélande sels fondus à une température de 4250C, et ce mélange ressort à une température de 2930C. Les deux cas diffèrent cependant par les températures du terphényle hydrogéné du circuit de chauffage de l'economi- seur et de l'évaporateur, ce fluide provenant des collecteurs distribués. Dans le cas I, le fluide pénètre dans l'évaporateur 48 en ayant une température de 3050C, et il quitte l'economi- seur 46 à une température de 269tu. Dans le cas II, la température d'entrée est plus élevée,de 3150C, et la température de sortie est légèrement plus basse, soit 2650C (figure 7). Ces faibles différences de températures entre les deux cas sont cependant très importantes en pratique car le débit de fluide est réduit 'd'un tiers dans le second cas, par rapport à la valeur dans le premier cas.Ainsi, dans le cas d'une centrale de 52 MW thermiques, c'est-à-dire de l'ordre de 13 MW électriques, le débit du terphényle hydrogéné est de l'ordre de 505 kg/s dans le cas I et de 315 kg/s dans le cas II. Le cas II permet.ainsi certaines économies sur la circulation du fluide caloporteur, si bien que le rendement global est légèrement accru, de 12,9 à 13,0 %. Une centrale correspondant à ce mode de réalisation et ayant la puissance indiquée, c'est-à-dire 13 MW électriques, comprend 350 héliostats ayant une surface de 50 m2. La centrale comprend aussi des collecteurs distribués, ayant une surface d'environ 50 m2, au nombre de 1550 pour les conditions du cas I et de 1500 pour les conditions du cas Il. Dans les conditions d'éclairement du Midi de la France, la quantité d'énergie disponible sous forme électrique est d'environ 21 000 MWh par an. Le tableau qui suit indique les différentes températures précitées et le rendement global pour les deux cas indiques ainsi que pour le cas d'une autre centrale qu'on décrit dans la suite du présent mémoire. TABLEAU 50 bars 50 bars 80 bars cas I cas II cas III A X 2000C 2000C 2070C B 2640C 2640C C 2640C 2640C 2950C D 4100C 4100C 4100C E 3080C 3080C 2350C F 4000C 400 C 4000C G 3050C 3150C 2950C H 2690C 2650C 2070C J 4250C 4250C 4250C K 2930C 2930C 2930c rendement global 12,9 % 13 % 17,3 % La figure 6 représente le groupe évaporatoire d'un autre mode de réalisation de centrale selon l'invention. La partie relative au surchauffeur et au resurchauffeur est analogue à celle du mode de réalisation précédent. Par contre, la partie destinée à l'évaporation est très différente. En effet, les collecteurs distribués échauffent directement de l'eau et la vaporisent.Ainsi, l'eau provenant du condenseur de l'installation, à une température de 2070C au point A, parvient au réseau des collecteurs distribués et elle en revient à une température de 2950C, à une pression de 80 bars. La vapeur circule alors dans le surchauffeur 50 et en ressort à 4100C. La vapeur soutirée à la sortie de la première partie de turbine revient en E à une température de 2350C et elle circule dans le resurchauffeur 52 qui porte la température à 4000C. Le circuit de chauffage du surchauffeur 50 et du resurchauffeur 52 reçoit le fluide du collecteur à tour et héliostats à une température de 4250C, le fluide circulant en parallèle avant de ressortir à 2930C et de parvenir à un réservoir 68 de stockage avant retour au collecteur unique de l'ensemble à tour (comme l'indique le tableau précédent). Une centrale correspondant à ce mode de réalisation a une partie formant collecteur à tour qui est analogue à celle du mode de réalisation précédent. Par contre, l'ensemble des collecteurs distribués peut ne comprendre, pour une même puissance électrique approximative, que 1060 collecteurs distribués ayant une surface de l'ordre de 50 m2, l'énergie totale annuelle fournie étant de 21 600 MWh électriques, dans les conditions d'éclairement du Midi de la France (Odeillo). L'utilisation de l'eau directement comme fluide caloporteur età une pression accrue (80 bars) dans ce second mode de réalisation permet non seulement une réduction du nombre des collecteurs distribués mais aussi une augmentation très importante du rendement global qui atteint 17,3 %. (Le rendement global est défini comme étant le rapport de l'énergie électrique effectivement utilisable à l'énergie solaire reçue au total). Les pertes thermiques sont aussi réduites. On a indiqué que le fluide caloporteur de l'ensemble à collecteur central était un mélange de sels fondus, devant être utilisé à une température inférieure à 4500C. En effet, au-delà de ces températures, ce mélange eutectique commence à se décomposer. Cependant, ce second fluide caloporteur peut être avantageusementunmétal liquide, par exemple du sodium. Le comportement de ces fluides caloporteurs a été étudié dans le cadre du fonctionnement des centrales nucléaires et la technologie peut en être appliquée aux centrales selon l'invention. Dans ce cas, la température du second fluide caloporteur peut atteindre 6500CI et le rendement global peut être notablement accru. Les économiseurs, évaporateurs, surchauffeurs et resurchauffeurs mis en oeuvre dans des centrales selon l'invention sont en fait des échangeurs formés d'acier ferritique. Lorsque ces échangeurs doivent supporter des températures supérieures à 4500C, il est préférable qu'ils soient formés d'acier austénitique qui résiste mieux à la corrosion. On n'a pas décrit en détail le fonctionnement du système de conversion thermodynamique. I1 est bien entendu que les hommes du métier savent tirer partie au maximum de la chaleur fournie, par mise en oeuvre des cycles thermiques les plus appropriés, en général un cycle de Hirn, et par utilisation de soutirages. I1 s'agit d'une technologie bien connue qui n'entre pas dans le cadre de l'invention. I1 est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'd titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Centrale thermique de production électrique à partir d'énergie solaire, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier ensemble collecteur d'énergie solaire destiné à chauffer un premier fluide caloporteur à une premiere température, un second ensemble collecteur d'énergie solaire destiné à chauffer un second fluide caloporteur à une seconde température, supérieure à la première", et un système de conversion thermodynamique destiné à créer de l'électricité par consommation de vapeur d'eau vaporisée et chauffée par la chaleur du premier et du second fluide caloporteur. 2. Centrale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier ensemble collecteur d'énergie comprend plusieurs collecteurs distribués transmettant chacun une partie du premier fluide caloporteur. 3. Centrale selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la chaleur du premier fluide caloporteur du premier ensemble collecteur assure au moins en partie la vaporisation de l'eau destinée à former la vapeur nécessaire au système de conversion thermodynamique. 4. Centrale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le premier fluide caloporteur est un fluide organique qui circule dans un échangeur de chaleur. 5. Centrale selon la revendication 4, caractérisée en ce que le fluide organique formant le premier fluide caloporteur est un terphényle hydrogéné, et la première température est in fleure ou égale à 3200C. 6. Centrale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier fluide caloporteur circule en série dans-un économiseur et un évaporateur destinés à former la vapeur consommée par le système de conversion thermodynamique. 7. Centrale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le premier fluide caloporteur est de l'eau qui est vaporisée dans le premier ensemble collecteur qui constitue ainsi un gén8rateur -de vapeur. 8. Centrale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le deuxième ensemble collec teur d'énergie solaire est un ensemble qui ne comprend qu'un seul collecteur central. 9. Centrale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le second fluide caloporteur circule dans un sur chauffeur et un resurchauffeur du système de conversion thermodynamique. 10. Centrale selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que le second fluide caloporteur est un mélange de sels fondus, et la seconde température est inférieure ou égale à 4500C. 11. Centrale selon l'une dg revendications 8 et 9, caractérisée en ce que le second fluide caloporteur est du sodium, et la seconde température est inférieure ou égale à 6500C.