Brevet FR2465101A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne une installa- tion solaire dont la puissance est disponible de façon souple., Les conceptions siuivies dans les installations solaires réalisées jusqu'à présent résident dans les points essentiels suivants: A. Installationsthermiquestravaillant suivant le principe d'une tour, composée essentiellement de - un collecteur (un champ de miroirs), - un récepteur (tour), - un circuit de fluide caloporteur (pour le transfert de la chaleur du récepteur vers le convertisseur d'énergie), - un convertisseur d'énergie (turbomachine + générateur), - éventuellement des accumulateurs d'énergie. B. - Des installations thermiques travafiRant selon le principe de la ferme et composée de: - un collecteur (champ de miroirs), - un évaporateur (pour fournir de la valeur saturée), - un convertisseur d'énergie (machine à vapeur ou turbine et générateur), - éventuellement un accumulateur d'énergie. C. - La transformation directe par des cellules photovoltaiques, installation composée de: - un montage parallèle/série de cellules pour donner du courant continu sous une tension utilisable en pratique, conversion du courant continu en courant alternatif, - éventuellement un accumulateur d'énergie. Le concept A convient particulièrement pour des installations de grandes dimensions d'une puissance allant jus- qu'à 20 MW. Le rendement thermique prévisible, que l'on peut obtenir à l'avenir avec les matériaux disponibles (rendement entre les bornes du générateur et l'énergie solaire reçue) et qui est pris en moyenne sur la durée d'une année et suivant un cycle journalier se situe entre 8 et 15 %. Ce rendement thermi- que relativement mauvais se répercute de façon très importante sur les frais élevés du collecteur et du récepteur (les éléments les plus coûteux de l'ensemble de l'installation) car il faut les prévoir pour des puissances thermiques très importantes. Un autre inconvénient important réside dans le couplage étroit entre le rayonnement solaire reçu et la puissance fournie, si bien que cette puissance fournie ne peut 2 2465101 atteindre la souplesse souhaitée par l'utilisateur. En principe, on peut réduire cet inconvénient par un accumulateur thermique ou hydraulique ou encore par l'apport variable dans le temps d'énergie fossilée.Dans les deux premiers cas, les coûts de l'installation sont considérables; dans le dernier cas, la fourniture complémentaire d'énergie fossilée constitue une difficulté. La conception A a été envisagée jusqu'à présent pour les puissances faibles, dans la mesure o le rendement thermique est extrêmement bas et qu'il est difficilement envi- sageable de collecter les quantités de vapeur saturée, néces- saires pour une installation de grandes dimensions. Par ailleurs, les mêmes remarques que celles faites pour la conception A s'appliquent à la souplesse de la fourniture de puissance ou de la nécessité d'emmagasiner de l'énergie. La conception C n'a été utilisée jusqu'à présent que pour les applications spatiales à cause du coût extrêmement élevé des cellules photovolta!ques ou encore appelées photo- piles. Le rendement des photopiles dépend très fortement du matériau utilisé et selon les connaissances actuelles des rende- ments allant jusqu'à 28 % (puissance électrique/rayonnement solaire) semblent possibles. Les résultats expérimentaux atteints jusqu'à ce jour se situent au maximum à 18 %. De nouveaux développements ont montré que les cots spécifiques actuels (co t rapporté à la puissance) d'une photopile ont très large- ment diminué et en même temps l'efficacité des piles a été rapprochée de façon importante de la grandeur potentielle possible. En principe, les mêmes remarques s'appliquent à la possibilité d'accumulation, que les remarques faites pour les conceptions A et B; dans le cas présent, l'accumulation nécessite une conversion permanente de l'énergie électrique en excédent sous la forme d'énergie thermique ou hydraulique. Dans le cadre de la séparation souhaitable entre le rayonnement solaire et la puissance fournie ou encore du problème de l'accumulation d'énergie, il faut savoir que d'une part en moyenne le rayonnement solaire est limité à seule- ment 12 heures par jour et que d'autre part: a) la puissance fournie, échellonnée suivant les cycles connus, s'étale sur toute une journée (24 heures); b) la puissance fournie, peut être très différente suivant les 3 2465101 jours de la semaine; c) les variations existant nécessairement du rayonnement solaire (par exemple du fait du passage des nuages) ne doivent autant que faire se peut ne pas se répercuter sur la puissance fournie. Partant du fait que pour une souplesse satis- faisante de la puissance fournie c'est-à-dire pour une charge de l'installation qui est totalement adaptée au comportement de l'utilisateur ou du consommateur, il faut un accumulateur d'énergie d'une capacité d'énergie correspondant sensiblement à 100 - 150 % de la production journalière normale. L'accumula- tion d'énergie thermique ou hydraulique selon les ordres de grandeur envisagés ici, se traduirait par un co t de construc- tion extrêmement élevé et ne semble pas réalisable en pratique. Dans la solution connue consistant à compléter le rayonnement solaire par du chauffage de combustible fossilé, on peut remédier en principe à la différence indiquée ci-dessus, variable dans le temps, entre le rayonnement et la puissance fournis. Toute- fois, cette solution est contraire à l'indépendance que l'on recherche vis-à-vis de l'énergie provenant de combustible fossile, et nécessite en outre une infrastructure supplémentaire pour l'alimentation en combustible fossilé. De plus pour compen- ser les oscillations mentionnées sous le point c) par un chauffage complémentaire à l'aide de combustible fossilé, et en tenant compte de la charge thermique non stationnaire des pièces sensibles (récepteur, circuit du fluide caloporteur, turbine à gaz), cette solution n'est pas sans problème. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et de créer une instal- lation solaire permettant une séparation optimale entre le rayonnement solaire reçu et la puissance souhaitée, fournie. A cet effet, l'invention concerne une installa- tion solaire dont la puissance est disponible de façon souple, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte un collecteur solaire composé de photopiles réparties en groupes, donnant un courant continu sous une tension utilisable en pra- tique, et qui est utilisé pour décomposer (réservoir) de l'eau en hydrogène et oxygène à l'état gazeux, l'oxygène et l'hydrogène gazeux étant fournis par des réservoirs sous pression 3, 4, distincts servant d'accumulateurs0 à la chambre de combustion 4 2465101 d'une installation de turbine à gaz à circuit fermé et à combustion interne (hydrogène et oxygène) et le fluide de travail de l'installation de la turbine à gaz est constitué par de l'air ou le cas échéant de l'hélium, la vapeur d'eau engendrée par la combustion de l'oxygène et de l'hydrogène étant extraite de nouveau du circuit de la turbine à gaz après refroidissement (préréfroidisseur) du mélange gazeux formé d'air (ou d'hélium) et de vapeur d'eau, par l'intermédiaire d'un condensateur, pour être pompée de nouveau dans le réser- voir dans lequel on décompose de nouveau l'eau en oxygène et en hydrogène. Cette installation de base permet diverses réalisations avantageuses. Vis-à-vis des solutions connues, l'invention présente les avantages importants, suivants - La puissance fournie par la turbine à gaz peut être adaptée en pratique, complètement à la demande de puissance, souhaitée, variable dans le temps, grâce aux accu- mulateurs ou aux réservoirs d'oxygène et d'hydrogène. - Les réservoirs permettent de compenser complètement les variations de courte durée ou non stationnaires du rayonnement solaire tout en ayant une capacité d'accumulation restant dans des limites acceptables. - Pour une réalisation avantageuse de photo- piles, et en utilisant les techniques disponibles par ailleurs (séparation de l'oxygène et de l'hydrogène, réservoirs, turbine à gaz), on peut arriver à un rendement thermique pratiquement identique à celui de la conception A. - On limite à un minimum l'utilisation de matériaux très réfractaires, coûteux (chambre de combustion et turbine de la turbine à gaz). - Du fait de la température d'entrée élevée de la turbine, la chaleur dégagée par le circuit de la turbine à gaz est à une température qui permet d'utiliser de façon encore efficace cette chaleur dans un circuit de vapeur. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schémati- quement à l'unique figure annexée qui représente une installa- tion solaire dont la puissance est disponible de façon souple c'est-àdire dont l'énertie d'entrée est séparée ou découplée 2 465101 de l'énergie fournie. Selon la figure, l'installation se compose d'un collecteur 1 constitué par des groupes de photopiles non référencés d'un réservoir 2 pour décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène, alimentant un réservoir d'oxygène 3 et un réser- voir d'hydrogène 4. Les réservoirs d'hydrogène et d'oxygène fournissent leur gaz respectif à la chambre de combustion 5 de la turbine à gaz. La sortie de la turbine 6 proprement dite est reliée à l'échangeur de chaleur 7, au réfroidisseur d'entrée 8, au condensateur 9 et au compresseur 10; le condensat est évacué par la pompe à condensat ou pompe d'alimentation 11. Le circuit comporte également des réservoirs 12 pour le réglage du niveau de la pression ainsi qu'un compresseur 13 et les soupapes 14 et une pompe d'eau de refroidissement 15. Enfin, la turbine 6 est reliée au générateur 16. Les divers circuits sont constitués par les conduites a - m. De façon plus détaillée, le collecteur solaire 1 composé de photopiles réparties en groupes, fournit du courant continu sous une tension utilisable en pratique, pour décomposer de l'eau contenue dans le réservoir 2 et donner de l'hydrogène et de l'oxygène; ces deux combustibles alimentent par les conduites a, b deux réservoirs de pression 3, 4 distincts, qui servent en m9me temps d'accumulateurs. Les deux réservoirs 3, 4 fournissent l'hydrogène et l'oxygène par deux autres conduites distinctes c, d à la chambre de combustion 5 d'une installation de turbine à gaz G à circuit fermé et à combustion interne (hydrogène et oxygène); la sortie de la chambre de combustion et l'entrée de la turbine 6 sont reliées par la conduite k. Le fluide de travail de l'installation de la turbine à gaz G peut être de l'air ou le cas échéant de l'hélium. Pour cela, contrairement à des installations de turbine à gaz à circuit fermé et à chauffage extérieur par des échangeurs de chaleur, on peut arriver à des températures d'entrée de turbine, extrême- ment élevées. L'installation de turbine à gaz G comporte comme indiqué un compresseur 10 et une turbine 6 qui sont reliés par un arbre commun W et dans leur circuit, ces deux éléments comportent un échangeur de chaleur 7, intégré. Un réducteur non représenté à la figure, permet de fournir la puissance de l'installation G par l'arbre de sortie W' au générateur d'électricité 16. Selon l'invention, la vapeur d'eau engendrée par la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène est de nouveau extraite du circuit de la turbine à gaz après refroidissement (par le refroidisseur préalable 8) du mélange air (ou hélium) et vapeur d'eau, et passage dans le condensateur 9; cette évacuation se fait par la conduite de retour e entre le refroi- disseur préalable 8 et le condensateur 9; le condensat ainsi évacué est pompé dans le réservoir 2 à travers la conduite f: dans ce réservoir 2, l'eau est de nouveau décomposée en hydro- gène et en oxygène. Ainsi en pratique, on conserve l'eau contenue dans le circuit. Selon la figure dans laquelle le refroidisseur préalable 8 est monté en aval de l'échangeur de chaleur 7 relié par une ligne 1, le mélange d'air (ou d'hélium) et de vapeur d'eau sort de la turbine 6 pour passer par une conduite g et entrer tout d'abord dans l'échangeur de chaleur 7; une partie de la chaleur du mélange est ainsi utilisée pour compléter le chauffage du fluide de travail, comprimé (air ou hélium) avant son entrée dans la chambrede combustion 5. Les conduites h et i du fluide de travail relient le compresseur 10 et l'échangeur de chaleur 7 et d'autre part l'échangeur de chaleur 7 et la chambre de combustion 5. Suivant une autre variante non représentée à la figure, l'énergie calorifique extraite du mélange d'air (ou hélium) et de vapeur d'eau, après passage de l'échangeur de chaleur, peut 9tre utilisée dans un circuit de vapeur prévu à la suite du circuit de la turbine à gaz; dans ce cas, il est avantageux de remplacer le refroidisseur préalable par un générateur de vapeur. Selon la figure, les réservoirs 12 sont inté- grés à la conduite de retour e entre le refroidisseur préalable 8 et le condensateur 9, pour régler le niveau de pression, et cela avec interposition du compresseur 13 et des soupapes de sécurité 14. Le fluide de travail qui circule dans un cir- cuit fermé de l'installation de la turbine à gaz G passe par la conduite m du condensateur 9 au compresseur 10. 24.65101 R E V E N D I C A T I 0 N S ) Installation solaire dont la puissance est disponible de façon souple, caractérisée en ce qu'elle comporte: un collecteur solaire (1) composé de photopiles réparties en groupes, donnant un courant continu sous une tension utilisable en pratique, et qui est utilisé pour décomposer (réservoir 2) de l'eau en hydrogène et oxygène à l'état gazeux, l'oxygène et l'hydrogène gazeux étant fournis par des réservoirs sous pression (3, 4), distincts servant d'accumulateurs, à la chambre de combustion (5) d'une installation de turbine à gaz à circuit fermé et à combustion interne (hydrogène et oxygène) et le fluide de travail de l'installation de la turbine à gaz est constitué par de l'air ou le cas échéant de l'hélium, la vapeur d'eau engendrée par la combustion de l'oxygène et de l'hydrogène étant extraite de nouveau du circuit de la turbine à gaz après refroidissement (prérefroidisseur 8) du mélange gazeux formé d'air (au d'hélium) et de vapeur d'eau, par l'in- termédiaire d'un condensateur (9), pour être pompée de nouveau dans le réservoir (2) dans lequel on décompose de nouveau l'eau en oxygène et en hydrogène. ) Installation solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mélange d'air ou d'hélium et de vapeur d'eau sortant de la turbine (6) de l'installation de turbine à gaz (G), traverse tout d'abord un échangeur de chaleur (7) qui extrait une partie de la chaleur du mélange pour assurer le chauffage complémentaire du fluide de travail, comprimé (air ou hélium) avant que ce fluide ne pénètre dans la chambre de combustion (5). ) Installation solaire selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'énergie calorifique extraite du mélange d'air (ou d'hélium) et de vapeur d'eau lors du passage dans l'échangeur de chaleur est utilisée dans un circuit de vapeur prévu en aval du circuit de la turbine à gaz, le refroidisseur préalable (8) étant remplacé par un générateur de vapeurs ) Installation solaire selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 3p caractérisée en ce que les réser- voirs (12) ainsi qu'un compresseur (13) et des vannes de sécu- rité (14) sont branchés dans le circuit de retour (conduite e) pour assurer le réglage du niveau de pression.