Brevet FR2475703A1 — publié le 19810814

-1 Procédé et installation pour protéger un dispositif placé dans une zone de rayonnement fortement concentré. L'invention a pour objet un procédé et une installation pour protéger un dispositif placé dans une zone de rayonnement fortement concentré, notamment un récepteur de rayonnement (capteur) prévu dans une tour solaire. En raison de la rareté générale de l'énergie, on a effectué de grands efforts pour mettre à profit l'énergie solaire. Il est connu, par exemple, de diriger les rayons solaires sur un champ d'héliostats (champ de miroirs) qui réfléchit les rayons incidents et les con- centre sur une surface active appartenant, par exemple, au réseau d'un échangeur de chaleur qui absorbe le rayonnemnet concentré sous forme de chaleur et le transmet à un autre milieu, par exemple de l'air. Le gaz chaud obtenu est uti- lisé le plus souvent pour entraîner une turbine à gaz chauds dans le but de produire de l'énergie électrique. Le champ d'héliostats est constitué par un grand nombre de miroirs individuels contigus pouvant être commandés indépendamment l'un de l'autre. Ces miroirs sont commandés par une calcula- trice et sont réglés en fonction du rayonnement solaire variant au cours d'une journée de manière que les rayons ré- fléchis arrivent toujours sur la surface active en y étant focalisés. Un champ d'héliostats peut présenter un diamètre couvert de miroirs allant jusqu'à 1000 m, la surface active se trouvant au centre en position surélevée sous forme d'une tour à gaz (avec une hauteur allant jusqu'à 200 m). Cette tour porte à son extrémité supérieure l'élément dési- gné par capteur comportant la surface active (capteur Gast, par exemple). Le capteur est agencé pour fonctionner à la limite de charge thermo-mécanique de sa matière. En consé- quence, il est extrêmement sensible aux perturbations, même de courte durée, qui entraînent une surcharge. En effet, si le champ de rayonnement réfléchi et concentré est envoyé dans une zone située à l'extérieur de la surface active, - 2- il peut se produire des surchauffes des parois extérieures du capteur et de la tour à gaz. Cela est possible dans le cas de défauts dans le champ d'héliostats ou de sortie du spot focal hors de la surface active. Les grandeurs pertur- batrices du champ d'héliostats peuvent résulter de la for- mation d'emplacements dits "points chauds" ou de panne de la commande (par calculatrice) des héliostats. En outre, des défauts du circuit de l'échangeur de chaleur (défail- lance du refroidissement par fuites, arrêt instantané de la turbine en cas de panne de cette turbine) peuvent provoquer les surfhauffes mentionnées. Le champ d'héliostats est composé d'héliostats individuels commandés par une calculatrice centrale en pouvant être déplacés rapidement suivant leur axe d'élévation et lentement autour de leur axe de rotation. La vitesse de rotation maximale des héliostats connus at- teint approximativement 320'/h. Il faut donc environ deux minutes pour déplacer le champ d'héliostats hors de la surface active, c'est-à-dire hors de l'ouverture du capteur. Etant donné que,pour des raisons techniques, il n'est pas prévu dans les installations connues d"'arrêt d'urgence" rapide, des zones du capteur et de la tour à gaz sont sur- chauffées et souvent détruites lors du déplacement des mi- roirs hors de l'ouverture, même si ce déplacement est inten- tionnel. En conséquence, tout projet de tour solaire est soumis en service ainsi qu'en cas de perburba- tion imprévisible, par exemple en cas de panne de courant, à la commande par calculatrice, d'arrêt d'urgence de la turbine (environ 10 secondes) ainsi qu'en cas de commande intentionnelle (lente) des miroirs d'héliostats hors de la zone de la surface active, à un risque possible de dégâts par surchauffe. Compte tenu du problème posé par -35 l'état connu de la technique mentionné précédemment, l'in- vention a pour but de créer un procédé et une installation -3- pour protéger un dispositif du type indiqué dans le préam- bule placé dans une zone de rayonnement fortement concentré, en évitant efficacement, avec des moyens simples, la sur- chauffe du dispositif sous l'effet du rayonnement incident. L'invention concerne à cet effet un procédé du type ci-dessus,caractérisé en ce qu'on dé- clenche un rayonnement de diffusion dans le trajet des rayons allant au dispositif, ce rayonnement étant produit de préférence par dispersion diffuse. Le rayonnement de diffusion conforme à l'invention peut être déclenché notamment par obscurcisse- ment au moyen de fumées, à l'aide d'une cartouche-fumigène mise à feu en cas de surchauffe du dispositif. Le rayonnement de diffusion conforme à l'invention peut aussi être déclenché à l'aide d'eau vapo- risée, en envoyant notamment un jeu d'eau ou de l'eau pulvé- risée dans le trajet des rayons. Le rayonnement de diffusion conforme à l'invention agit de façon telle que le rayonnement concen- tré dirigé sur le dispositif est diminué au point de vue énergétique et est dévié dans les zones libres entourant le dispositif. Le rayonnement de diffusion conforme à l'invention peut être déclenché dans le domaine du dispo- sitif, dans le domaine de la source de rayonnement ou, notam- ment, dans le domaine d'un réflecteur monté entre la source de rayonnement et le dispositif, ce déclenchement étant ef- fectué avantageusement par action instantanée d'un organe de sécurité raccordé aux éléments individuels à protéger dans le dispositif, cet organe étant actionné automatique- ment. Dans un dispositif à protéger, on peut déterminer la durée de l'action de protection de l'or- gane de sécurité par l'intensité du rayonnement de diffusion. On peut, par exemple, envoyer des cartouches fumigènes ou de l'eau pulvérisée dans le trajet des rayons jusqu'à ce que -4- l'obscurcissement provoquant le rayonnement de diffusion soit suffisamment fort pour-qu'il n'y ait plus de surchauffe du dispositif. L'intensité du rayonnemnet de diffusion peut être mesurée par des moyens appropriés et utilisée de façon automatique pour la commande. Après une opération de protection par rayonnement de diffusion, il est judicieux d'évacuer la fumée d'obscurcissement ou la vapeur d'eau du trajet des rayons pour remettre l'installation en fonctionnement normal. L'extraction de la fumée ou de la vapeur-d'eau peut être effectuée par des appareils de souf- flage ou d'aspiration appropriés, l'énergie absorbée par le fluide évacué pendant le fonctionnement de protection pou- vant être récupérée. Une installation judicieuse pour la mise en application du procédé conforme à l'invention pré- voit que le dispositif est constitué par un récepteur de rayonnement (capteur) présentant une ouverture et apparte- nant à un projet de tour à gaz solaire, avec un groupe échan- geur de chaleur et une turbine à gaz chauds raccordée, un organe de tir ou de pulvérisation étant disposé à la partie supérieure de la tour à gaz portant le récepteur de rayonne- ment ou sur ce récepteur de rayonnement, cet organe envoyant l'agent fumigène ou l'eau dans le trajet des rayons entre un système d'éhliostats commandés et le récepteur de rayonnement. L'organe de tir ou de pulvérisation est judicieusement disposé sur le bord de l'ouverture du récepteur de rayonnement. Ainsi,conformément à l'invention, la lumière concentrée est diffusée de façon efficace en très peu de temps dans un brouillard gazeux, l'intensité arrivant au capteur étant ainsi réduite. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dess;ns dans lesquels: -5- - La Fig. 1 est une vue en perspec- tive schématique d'un projet de tour solaire avec une tour à gaz portant un capteur et un champ d'héliostats entourant la tour. - La Fig. 2 est une vue en perspec- tive d'un détail de la Fig. 1 avec un héliostat à commande individuelle. - La Fig. 3 est une coupe verticale du réservoir suivant la Fig. 1 et la Fig. 2. La Fig. 1 représente schématiquement un projet de la tour solaire 1 utilisant l'énergie solaire. Ce projet se compose essentiellement d'une tour à gaz de m de hauteur environ avec un capteur 5 fixé à son extré- mité supérieure et un champ d'héliostats 3 entourant la tour à gaz, ce champ étant constitué par des miroirs individuels. Le champ d'héliostats peut présenter un diamètre allant jusqu'à 1 km. Les héliostats ou réflecteurs individuels 10 peuvent se déplacer rapidement suivant leur axe d'élévation et tourner lentement autour de leur axe de rotation en étant commandés par une calculatrice centrale. Cette commande a lieu en corrélation avec le mouvement du soleil de façon que les rayons solaires réfléchis par les héliostats-individuels arrivent sur une surface active relativement faible du capteur 5 du projet de tour solaire 1. Le rayonnement qui arrive sur la surface active du capteur 5 est fortement con- centré et on atteint en service des températures allant jusqu'à 1200'C. Comme représenté sur la Fig. 2 et la Fig. 3, le dispositif 6 placé dans la zone de rayonnement fortement concentré est essentiellement constitué par le 6apteur 5 et la tour à gaz 1 portant ce capteur 5. Le cap- teur présente un orifice d'entrée ou ouverture 12 pour le rayonnement réfléchi fortement concentré. Lors du fonction- nement de l'installation, le rayonnement pénétrant par l'ouverture du capteur arrive sur une surface active se présentant sous forme d'un échangeur de chaleur 8. L'air -6- froid qui s'élève dans la tour à gaz est chauffé en service dans l'échangeur de chaleur 8 et est préparé pour une tur- bine à gaz chauds produisant de l'énergie électrique. Cette turbine est disposée, par exemple, à l'intérieur du capteur 5 ("cavité") à gauche conformément à la Fig. 3. En cas de perturbation, par exemple en cas d'arrêt d'urgence de la turbine à gaz chauds ou en cas de panne de courant à la calculatrice centrale de com- mande du système héliostatique, ou encore lorsqu'en service normal, pour une raison quelconque, on doit protéger contre une chaleur de rayonnement élevée le dispositif 6 placé. ô dans la zone de rayonnement fortement concentré, on tire une ou plusieurs cartouches fumigènes dans le trajet des rayons 7 entre la source de rayonnement et le capteur 5. Les car- touches provoquent une dispersion de fumée qui agit pour que le rayonnement concentré se diffuse dans la fumée, ce qui réduit l'intensité du rayonnement arrivant sur le réservoir. Ce rayonnement de diffusion intervient pour que le disposi- tif 6, notamment la partie située au foyer du dispositif 6, ne soit pas soumise à une température de service exagérément élevée. Il n'y a donc pas lieu de craindre des dégàts maté- riels. Il est judicieux de prévoir, pour tirer les cartouches fumigènes, un organe de tir placé sur ou dans la tour solaire proprement dite, notamment dans le domaine supérieur du capteur ou sur le bord de l'ouverture - 12. Ainsi, lors du fonctionnement avec rayonnement de diffu- sion, les cartouches fumigènes n'ont pas à effectuer un grand parcours de l'organe de tir au trajet des rayons. L'installation de protection peut fonctionner non seulement de façon pleinement efficace, mais aussi rapidement. L'effet d'obscurcissement voilé peut être obtenu non seulement au moyen de cartouches fumi- gènes mais aussi par vaporisation d'eau provoquant également un rayonnement de diffusion dans le trajet des rayons. On prévoit pour cela un ou plusieurs organes de pulvérisation -7 disposés, comme les organes de tir mentionnés précédemment, dans ou sur la partie supérieure de la tour à gaz. A l'aide de ces organes, on peut pulvériser de l'eau dans le trajet des rayons, cette eau se vaporisant immédiatement en service par suite des températures élevées qui régnent. L'organe de tir ou l'organe de pul- vérisation sont commandés de façon appropriée. On prévoit, par exemple, des sondes de mesure de température dans des zones critiques du capteur 5, ces sondes fonctionnant en cas de dépassement d'un niveau de température déterminée en dé- clenchant le tir d'une cartouche fumigène ou une pulvérisa- tion d'eau. Les zones critiques du capteur se trouvent prin- cipalement dans le domaine de l'ouverture 12 et dans le domaine de l'échangeur de chaleur 8. L'énergie de rayonnement détournée du dispositif 6 par rayonnement de diffusion peut être récu- pérée d'une autre manière dans des installations thermiques ou de production d'électricité. Pour que l'on puisse rétablir rapi- dement le fonctionnement normal de l'installation après une opération d'obscurcissement par fumée ou de pulvérisation d'eau, on peut prévoir des ventilateurs ou des appareils d'extraction évacuant dans l'état approprié le fluide qui provoque le rayonnement de diffusion hors du trajet des rayons entre la source de rayonnement et le capteur. De tels appa- reils d'extraction ou ventilateurs peuvent être couplés no- tamment avec les installations récupérant l'énergie (autre- ment non utilisée) contenue dans le rayonnement de diffusion. 2-475703 -8 - REVENDICATIONS 1 ) - Procédé. pour protéger un disposi- tif (6) placé dans une zone de rayonnement fortement concen- tré, notamment un récepteur de rayonnement (capteur 5) prévu dans une tour solaire (1), caractérisé en ce qu'on déclenche un rayonnement de diffusion dans le trajet des rayons (7) qui se dirigent vers le dispositif (6). 2 ) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on produit le rayonnement de diffusion par dispersion diffuse. 3 )- Procédé-selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on déclenche le rayonnement de diffusion par obscurcissement au moyen de fumées. 4 ) - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on met à feu une cartouche fumigène. 5 ) - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on déclenche le rayonnement de diffusion par vaporisation d'eau. 6 ) - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on envoie un jet d'eau ou de l'eau pnl- vérisée dans le trajet des rayons (7). 7 ) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à. 6, caractérisé en ce qu'on déclenche le rayonnement de diffusion dans le domaine du dispositif (6). 8 ) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on déclenche le rayonnement de diffusion dans le domaine de la source de rayonnement. 9 ) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on déclenche le rayonnement de diffusion, produit de préférence par dis- persion diffuse, dans le domaine de réflecteur (10) disposé entre la source de rayonnement et le dispositif (6). -9- ) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on met automatique- ment en action le rayonnement de diffusion, produit de préfé- rence par dispersion diffuse, par action instantanée d'un organe de sécurité raccordé aux éléments individuels à proté- ger. 11 ) - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que dans le dispositif à protéger (6) on détermine la durée de l'action de protection de l'organe de sécurité par l'intensité du rayonnement de diffusion. ) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on récupère le rayonnement de diffusion pour une autre installation à rayon- nement. 13 ) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisé en ce qu'après une opéra- tion de protection, on évacue la fumée d'obscurcissement ou la vapeur d'eau hors du trajet des rayons (7). 149) - Procédé selon la revendication 1_, caractérisé en ce qu'on récupère le fluide évacué. ) - Installation pour la mise en appli- cation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le dispositif (6) est consti- tué par un récepteur de rayonnement (capteur 5) présentant une ouverture (12) et appartenant à un ensemble de tour so- laire (1) à tour à gaz, avec un groupe échangeur de chaleur (8) et une turbine à gaz chauds raccordée, un organe de tir ou de pulvérisation étant disposé à la partie supérieure de la tour à gaz (l) portant le récepteur de rayonnement (5), ou sur ce -récepteur de rayonnement (5), cet organe permettant d'envoyer l'agent émetteur de fumée ou l'eau dans le trajet des rayons (7) entre un système d'héliostats commandés (3) et le récepteur de rayonnement (5). ) - Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce que l'organe de tir ou de pulvérisa- tion est disposé sur le bord de l'ouverture (12) du récepteur de rayonnement (5).