Brevet FR2432147A1 — publié le 19800222

L'invention concerne un récepteur solaire pour le cha.uffage à haute température d'un gaz au moyen d'un rayonnement solaire concentré. On sait qu'un récepteur solaire à haute température a pour fonction, d'une pa.rt, de capter un rayonnement sola.ire concentré au moyen d'héliostets .u3qutà des densités de flux de l'ordre de 800 à 2 000 kilowatts/m2, d'autre part, de transmettre l'énergie correspondante à un ga.z pour porter celui-ci da.ns une plage de température de l'ordre de 500 à 1 5000C, en général entre 800 et 1 2000C ; l'énergie solaire ainsi récupérée peut être utii lisée pour faire subir une simple transformation thermobynamique au gaz, le récepteur constituant alors une chaudière à haute température, ou peut également être utilisé pour faire subir à un ou plusieurs réa.ctifs ga.zeux des transformations thermoch-i-miques, le récepteur constituant un réa.cteur thermochimigue. Ce type de récepteur à haute température et à densité de flux élevée s'oppose au capteur solaire à basse tempé ra.ture (50 à 900C) et à ensoleillement direct (a.u maximum, 1 kilowstt/m2) ; il présente notamment par rapport à ce dernier, les avantages, d'une part, sur le plan thermodynamique, de béneficier de rendements élevés, d'autre part, sur le plan thermochimique, d'offrir des possibilités de réaction considérablement plus riches. Ses conditions très différentes de fonctionnement des deux types de dispositifs imposent des conceptions et des techniques de réalisation très éloignées, le récepteur à haute température posant des problèmes spécifigues qui ne se rencontrent pas dans le capteur à basse température.En effet, aucun gaz n'est apte à absorber directement une quantité suffisante du rayonnement solaire et il faut nécessairement prévoir une pa.roi ou surface d'échange pour absorber le flux thermique et en effectuer le transfert vers le gaz ; or, aucun matériau réfractaire n'est apte, à des températures de l'ordre de 1 0000C, à transmettre un flux d'énergie supérieur à environ 300 kilowatts/m ; en outra, à ces températures, le matériau est le siège d'une réémission d'énergie tres importante qu'il conviant d'utiliser pleinement sous peine de voir le rendement du système baisser considérablement et de ne pouvoir échauffer le gaz da.ns la plage de température désirée. Les solutions techniques connues jusqutà présent pour réaliser des récepteurs à haute température, utilisent généralement l'effet de cavité connu en soi pour "piéger" le flux ther migre ; dans le volume de la cavité, est disposé un échangeur constitué par un faisceau de tubes en matériau réfractaire, intérieure rainent parcourus par le gaz à chauffer et qui s'étendent dans le sens transversal par rapport à la cavité en portions parallèles, sur une longueur totale prévue de sorte que la surface utile développée soit suffisante pour que le flux thermique absorbé soit ramené par unité de surface au-dessous de la limite admissible (300 kilowatts/m2). Toutefois, on a pu remarquer dans ce type de récepteur à haute température que les tubes de l'échangeur possèdent une durée de vie relativement brève et sont soumis à des détériorations et ruptures fréquentes. En outre, le rendement thermique que permettent réellement d'atteindra ces récepteurs connus est notablement inférieur au rendement théorique attendu. De plus, le faisceau tubulaire nécessaire occupe un volume important et l'encombrement de ces récepteurs est assez grand. La présente invention se propose de pallier les inconvénients sus-évoqués des récepteurs solaires à haute tempéra.- ture connus. Un obJectif de 11 invention est, en particulier, de fournir un récepteur solaire à haute température, posséda.nt un mode de -fonctionnement de na.ture à préserver l'état des surfaces d'échange et en augmenter considérablement la durée de vie. Un autre objectif est de permettre l'obtention d'un rendement réel notablement amélioré. Un autre objectif est de réduire l'encombrement du récepteur solaire pour une puissance incidente donnée. le récepteur sola.ire à haute température visé par l'invention a été conçu en deux étapes successives5 une première étape dans laquelle les inventeurs ont recherché les -causes des défauts des récepteurs connus et, en particulier, les causes de rupture des éléments de l'échangeur, et un seconde étampe dans laquelle ont été imaginés les moyens de supprimer ces causes en vue d'éliminer les insuffisances qui en résultaient. Au cours de la première étape de recherche, il s- été mis an évidence que les tubes de la surface d'échange étaient soumis, non seulement à des températures élevées, mais également à des gradients thermiques extrêmement importants ; en effet, le rayonnement incident atteignant l'échangeur présente un caractère de dissymétrie très accentué salon que l'on se place du c8té écls.i- ré d'un tube ou du c8té opposé.La surface d'échange est également soumise à des variations de température de grande amplitude, provoguées notamment par des modifications de l'ensoleillement qui se répercutent d'une façon amplifiée au niveau du récepteur ou par des variations de la. température d'équilibre du ga.z provenant de changements dans les conditions d'utilisation. lie gradient thermique sus-évoqué est générateur de contraintes élevées s'exerçant sur chaque élément de l'échangeur, cependant que la dissymétrie du rayonnement par rapport à ces éléments d'échange détermine une très mauvaise utilisation-de certai- nes parties de ces éléments. Les variations de température sont à l'origine de dilatations et contractions successives gui sont très ma.l supportées par les structures tubulaires continues dont sont composés actuellement les échangeurs dans ces récepteurs à haute température connus. La seconde étape du processus inventif a consisté à utiliser les résultats et leurs interprétations, résumés cidessus, pour définir un récepteur solaire, gui soit soumis à des gradients de température considéra-blement réduits, dont les surfaces d'échange si utilisées pleinement ui soit le siège de faibles a soit apte 1 variations de température plus p ogessiv s et gui soit a.pte à mieux supporter ces variations. A cet effet, le récepteur solaire à haute température conforme à l'invention est du type comprenant une cavité dotée d'une ouverture d'entrée de dimensions faibles pa-r ra.pport à la surface intérieure de la.dite ca.vité, un circuit étanche de gaz et une surface d'échange en matériau réfractaire, délimitant partiellement ce circuit étanche et agencée dans la. ca.vité pour absorber le flux thermique et le transférer au gaz du circuit étanche ; selon la. présente invention, la. surfa.ce d'échange est réa.li- sée par un ensemble d'éléments indépenda.nts., assemblés de fa.çon a pouvoir chacun se dilater librement et forma.nt une structure dentelée avec une pluralité de parties en creux et de parties en saillie alternés, ladite structure tapissant a.u moins en partie la surface intérieure de la. cavité et étant géométriguement agen- cée dans celle-ci de sorte que les parties en saillie voient l'ou- verture d'entrée de la. ca.vité sans ombre propre ou ombre portée sous un angle moyen à peu près identique, avec une disposition analogue pour les parties en creux, et qu'un rayonnement réémis à partir d'un des points .de la structure rencontre avec une proba bilité élevée un autre point de celle-ci sans zone -privilégiée de convergence de façon à engendrer une uniformisation du flux ther- mique par effet des réflexions multiples. Selon un premier mode de réalisation, la structure dentelée qui tapissa la surface intérieure de la cavité, comprend une pluralité de tronçons tubulaires, chscun fermé à une extrémité et orienté radialement en direction de l'ouverture d'entrée de sorte que le prolongement de son axe passe par le centre de cette ouverture ou sù voisinage de celui-ci, les parties creuses entre tronçons- tubulaires étant fermées par des plagues réfra-ctai- ras. Selon un autre mode de réalisation, la structure dentelée qui tapisse la surface intérieure de la cavité, est formée par un ensemble de pa-nneaux alvéolaires délimitant la circuit de gaz entre une pluralité d'alvéoles qui débouchent dans la cavité et sont orientées radialement en direction de l'ouverture d'entrée de sorte que le prolongement de leur axe passe approximative- ment au voisinage de celle-ci Les caractéristiques du récepteur à ha.ute température conforme à l'invention et en particulier la structure dentelée et divisée en éléments indépendants la géométrie de ceux-ci et leur agencement dans la cavité du récepteur se combinent pour fournir les résultats, avantages ou effets techniques ci-après résumés. Le flux thermique subit une uniformisation à l'in- térieur de la cavité grâce à la position identigue de toutes les zones de la surface dfechange vis à vis du rayonnement incident, à la suppression des zones d'ombre et à une redistribution aléa- toire.des rayonnements réémis. I1 en résulte une diminution nota- ble du gradient thermique qui affecte des portions voisines de la surface d'échange et, par voie de conséquence, une réduction des contraintes thermigues s'exerçant sur cette surface ; en outre, toutes les portions-de la surface d'échange sont utilisées a fa çon satisfaisante ; de plus, l'absence de concentrarlonrau thermique sur certaines zones réduit l'amplitude des variations de température affectant ces zones, en réps.rtisssat l'effet de ces variations sur l'ensemble de la surface d'échange et en les rendant plus progressives grtce à l'inertie thermique de l'ensemble. -Le coefficient d'échange au niveau de la surface d'échange est notablement amélioré en raison de la structure dan telée da cette surface qui casse les- couches limites dans le circuit de gaze de plus, les surfaces d'échange sont mieux utilisées et, pour une surface enveloppe donnée, la surface d'échange est notablement accrue par cette structure et l'encombrement du récepteur s'en trouve diminué, La surface d'échange est apte à supporter d'importantes va-riations thermiques successives grt.ce à sa. structure divisée en éléments indépendants, qui en facilite la. libre dila. tati on. En conclusion, la combina.ison son . d'une réduction des gradients thermiques, . d'une réduction de l'amplitude des variations de température, du caractère plus progressif de ces variations, . d'un meilleur échange au niveau de chaque zone de la surface d'échange, a'une utilisation plus complète de toutes les parties de cette surface, d'une aptitude plus importante à supporter les variations thermigues, conditionne l'obtention d'un récepteur à haute température de durée de vie importante, bénéficiant d'un rendement améliore et présenta.nt un encombrement réduit. L'invention ayant été exposée dans sa forme générale, la description qui suit en référence aux dessins annexés en présente, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réa.lisation ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la. description : - les figures 1, 2 et 3 sont des vues schématiques illustrant la géométrie d'un récepteur solaire à ha.ute température selon un premier mode de réalisation, - la figure 4 en est une vue de détail en coupe, - la figure 5 est une vue schématique illustrant la géométrie d'un récepteur solaire à haute températu-re selon un second mode -de réalisation, - les figures 6, 7 et 8 sont des vues schémati ques représentant respectivement en plan, en coupe et en perspective de détail, un panneau alvéolaire à partir duquel est réalisé ce second mode de réalisation. Le récepteur solaire à haute température représenté à titre d'exemple aux figures 1, 2, 3 et 4, comprend une enceinte 1 formant cavité, dotée d'une ouverture d'entrée 2 de dimensions faibles par rapport à la surface intérieure de lten- ceinte. Cette ouverture 2 est appelée à recevoir le rayonnement solaire concentré, réfléchi par plusieurs héliostats ou un système à concentration 9 enceinte 1 est pourvue eu voisinage de sa surface intérieure d'une pluralité d'éléments indépendants qui sont extérieurement délimités pa.r des tronçons tubulaires 3 et seront décrits en détail ci-après.Ces tronçons tubulaires font saillie d'une paroi réfractaire 4 disposée à l'intérieur de la ca.vité sensiblement selon une calotte sphérique centrée sur l'axe OX de la cavité ; cette paroi peut être réalisée par assemblage de brique; tes réfractaires classiques. Les tronçons tubulaires 3 sont agencés evec leur base située sur différents petits cercles parallèles C1, C2, C3..., de le calotte sphérique ; chaque tronçon est orienté vers le centre 0 de l'ouverture 2 de sorte que son axe (tel que yy') passe par ce centre. Les tronçons tubulaires 3 situés sur un petit cercle donné sont fixés sur un collecteur circulaire tel que 5, s1 étendant le long de ce petit cercle et doté d'un conduit d'arrivée ou de départ de gaz Sa ; les conduits 5a des divers collecteurs 5 sont reliés en -pa-rallèles à un conduit général d'arrivée ou de départ (non représenté). Notons gue, en variante, les collecteurs 5 peuvent être situés en série les uns par rapport aux autres. En outre, chaque tronçon tubulaire 3 qui est fermé à son extrémité libre, comprend intérieurement un manchon 6 s'étendant sur son axe et-ouvert à ses deux extrémités pour con-s- tituer un circuit de gaz parcourant le tronçon tubulaire 3 d'un bout à l'autre ; les manchons 6 des tronçons situés sur un m8me petit cercle sont fixés sur un collecteur circula.ire 7 de départ ou d'arrivée de gaz, parallèle au collecteur 5 corresponda.nt. La fixation de chaque tronçon tubulaire 3 peut en particulier entre réa.lisée en pinçant une collerette 3a prévue à la base du tronçon entre deux Joints d'étanchéité tels que 8 au moyen d'une bague 9. Notons que ces moyens de fixation gui peuvent être de tout type connu, sont protégés sur le plan thermique, par les briguettes réfractaires 4 échancrées à leur niveau. Les manchons 5 sont notamment en acier réfrectai- re et les tronçons tubulaires 3 en métal réfracteire éramigue ou oxyde, présentant un coefficient d'absorption approximativement compris entre 0,5 et 0,95 , enpa.rticulier de l'ordre de 0,8 et un coefficient de réflexion complémentaire approximativement compris entre 0,05 et 0,5 , et en par ticulier de l'ordre de 0,2. A titre d'exemple, les caractéristiques d'un tel récepteur solaire à haute température peuvent tre les suivantes - température utile : 1 000 C - densité de flux sbsorbé : 200 Kw/m2 - Puissance : 40 KW - concentration du rayonnement da.ns la section de l'ouverture d'entrée : 2 000 section de l'ouverture d'entrée : 0,02 m2 - surface d'échange : 0,2 m2 soit 32 tubes de 20 mm de diamètre et de 100 mm de longueur - pression d'admission du gaz : 3,5 bar Bien entendu, ces valeurs ne sont données que pour illustrer ce mode de réalisation ; de mime, la. géométrie cidessus décritsest préférentielle. mais non limitative.Elle permet une excellente redistribution du flux thermique dans la. cavité et des dilatations et rétractions. parfaitement indépendantes des divers tronçons tubulaires. Le gaz froid peut être envoyé vers le récepteur par les collecteurs 7 et récupéré. après échauffement à la sortie .das collecteurs 5, ou inversement. Les figures 5, 6, 7 et 8 présentent un autre mode de réalisation de récepteur solaire à haute température. Celui-ci comprend une enceinte 10 formant cavité evec ouverture d'entrée 11 analogue. au mode de réalisation précédent. Toutefois, la surface intérieure de cette cavité est dans ce cas tapissée de panneaux alvéolaires 12 de forme polygonale. Ces panneaux sont disposés, au i voisingt\très aDDroximativement gents à une calotte sphérique et sont fixés dans l'enceinte 10 par une structure porteuse appropriée. En l'exemple, chaque panneau de forme hexagona.le comporte un précha.uffeur à chicanes 13 dans lequel circule l'air froid ou à température intermédiaire, avant de circuler dans des compartiments 12a, délimités par une pluralité d'alvéoles 12b, en l'exemple de forme tronconique. Chaque alvéole 12b débouche dans la cavité vers l'ouverture d'entrée et est orientée radia- lement en direction de cette ouverture de sorte que le prolonge ment de son axe (tel que zz') passe approximativement au voisina-ge de cette ouverture. Les panneaux du récepteur sont groupés en plu sieurs ensembles, les panneaux d'un ensemble formant des circuiXs de gaz en série et étant reliés deux à deux par des raceords tus bulaires en acier réfractaire avec un système de brides. Par exem plue, les préchauffeurs des panneaux d'un ensemble sont disposés en série de sorte que l'air froid les parcoure suceessivement, le; précha-uffeur du dernier panneau étant raccordé aux compartiments 12a du premier panneau. Les divers ensembles de panneaux sont agencés en parallèles et reliés à des collecteurs d'e.rrivie et de départ du gaz.Bien entendu, d'autres systèmes de raccordement sont possibles et rentrent dans le cs.dre de la présente invention. A titre d'exemple, les cara.ctéristiques d'un panneau alvéolaire peuvent être les suivantes r - surface enveloppe : 0, 18 m2 - profondeur d'un alvéole t 160 mm - diamètre moyen d'un alvéole : 80 mm - rapport surface d'échang-e/aurface enveloppe ::9 Les caractéristiques d'un récepteur réalisé à pa.rtir de ces panneaux peuvent entre les suivantes : - puissance thermique incidente f 800 Kw - Nombre de panneaux : 14 - surface enveloppe : 2,5 m2 - surface d'échange : 22,5 m2 - pression dtadmission : : 3,5 bars - débit : 1,5 kg/s - température de l'air :.entrée : 450 C .sortie : 850 C - température maximum de paroi : 1 2000C - rendement radiatif : 0,87 - Concentration du rayonnement dans la. section de l'ouverture d'entrée : 2 000 REVEN M CAgIONS 1/- Récepteur solaire pour. le chauffage à haute température d'unga.z au moyen d'un rayonnement solaire concentré, ce récepteur comprenant une cavité dotée d'une ouverture d'entrée de dimensions faibles pa.r ra.pport à la. surface intérieure de la cavité, un circuit étanche de gaz et une surface d'échange en ma tériau réfractaire, délimitant pa.rtiellement ce circuit étanche et agencée dans la cavité pour absorber le flux thermique et le transférer eu gaz, ledit récepteur solaire étant caractérisé en ce que la surfa.ce dtécha.nge est réalisée par un ensemble d'éléments indé pendants, assemblés de faucon à pouvoir chacun se dilater librement et formant une structure dentelée avec une pluralité de parties en creux et de parties en saillie alternées, ladite structure tapis sant a.u moins en partie la. surfa.ce intérieure de la. cavité et étant géométriquement a.gencée dans celle-ci de sorte que les parties- en saillie voient l'ouverture d'entrée de la cavité sans ombre propre ou ombre portée sous un angle moyen à peu près identique, avec une disposition analogue pour les pa.rties en creux, et qu'un rayonnement réémis à pa.rtir d'un des points de la. structure rencontre a.vecune probabilité élevée un autre point de celle-ci sans zone privilégiée de convergence de façon à engendrer une uniformi sa.tion du flux thermique pa.r l'effet des réflexions multiples. 2/- Récepteur solaire à haute température selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure dentelée comprend une pluralité de tronçons tubulaires, cha.cun fermé à une extrémité et orienté radialement en direction de l'ouverture d'entrée de sorte que le prolongement de son axe pa.sse pa.r le centre de cette ouverture ou au voisinage de celui-ci, les parties creuses entre tronçons tubulaires étant formées par des briquettes réfrac- taies. 3/ .Récepteur solaire à haute température selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque tronçon tubulaire comprend à l'intérieur un manchon s'étendant sur son axe et ouvert à ses deux extrémités pour constituer un circuit de gaz pa.rcourant le tronçon tubulaire d'un bout à l'autre. 4/- Récepteur solaire à haute température selon Ia revendication 3, caractérisé en ce que les tronçons tubulaires sont fixés sur des collecteurs pour l'arrivée ou le départ du gaz, leurs manchons étant fixés sur d'autres collecteurs pour le départ ou l'arrivée du gaz. 5/- Récepteur solaire à haute température selon l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que les tronçons tubulaires sont agencés avec leur base située sur différents petits cercles parallèles d'une calotte sphérique. 6/ - Récepteur solaire à haute température selon les revendications 4 et 5 prises ensemble, caractérisé en ce que les tronçons tubulaires d'une série situés sur un petit cercle sont fixés sur un collecteur circulaire s'étendant le long de ce petit cercle, les manchons correspondants étant fixés sur un collecteur circulaire parallèle. 7/ - Récepteur solaire à haute température selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure-dentelée est formée par un ensemble de panneaux alvéolaires délimitant le circuit de gaz entre une pluralité d'alvéoles qui débouchent dans la cavité vers l'ouverture d'entrée et sont orientées radialement en direction de cette ouverture de sorte que le prolongement de leur axe passe approximativement a-u voisinage de cette ouverture. 8/ - Récepteur solaire à haute température selon le revendication 7, caractérisé en ce que les panneaux alvéolaires sont de forme polygonale et agencés tangents à une ca.lotte sphé- rique. 9/ - Récepteur solaire à haute température selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les panneaux sont groupés en plusieurs ensembles, les panneaux d'un ensemble formant des circuits de gaz en série et étant reliés deux à deux par des rsccords tubulaires en acier réfractaire. 10/ - Récepteur solaire à haute température selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que la surface d'échange est prévue en un matériau réfrac taire présentantùn coefficient d'absorption approximativement compris entre 0,5 et 0,95- et un coefficient de réflexion complémentsire approximativement compris entre 0,05 et 0,5