Brevet FR2482205A1 — publié le 19811113

Centrale de conversion thermodynamique utilisant le rayonnement solaire. La présente invention a pour objet une centrale électrique de conversion thermodynamique dont la source d'énergie est constituée par le rayonnement solaire, comprenant plusieurs héliostats disposés de façon à concentrer le rayonnement solaire sur un récepteur placé à une altitude supérieure à celle d'une partie au moins des héliostats et disposé dans une boucle de circulation de caloporteur en phase liquide munie de moyens pour faire circuler le caloporteur d 'un récipient de stockage froid à gn récipient de stockage chaud à travers le récepteur. L'invention vise à fournir une centrale du type cidessus défini permettant d'atteindre un rendement élevé aussi bien en régime permanent, c'est-à-dire lorsque la centrale fournit une puissance de sortie correspondant à l'énergie solaire absorbée, que lors des phases de restitution de la chaleur stockée. Dans ce but, l'invention propose notamment une centrale du genre ci-dessus défini qui comprend une boucle primaire de transfert de chaleur comprenant des moyens de circulation du caloporteur liquide du récipient de stockage chaud au récipient de stockage froid à travers un générateur de vapeur, et une boucle secondaire eau-vapeur comprenant ledit générateur de vapeur, des moyens d'admission d'eau au générateur de vapeur et des moyens de détente et de condensation de la vapeur d'eau formée dans le géné-rateur. Le récepteur étant directement bouclé sur le récipient de stockage chaud qui alimente la boucle primaire, cette dernière conserve une température de source chaude élevée aussi bien en régime permanent que lors de la res titution. Le caloporteur sera avantageusement un mélange de sel fondu, dont la tension de vapeur est suffisamment faible à la température de fonctionnement pour éviter des pressions élevées dans la boucle de circulation et la boucle primaire. On utilisera avantageusement un mé lange eutectique stable à température élevée, ayant un bon coefficient de transfert thermique et un coût faible, n exerçant pas d'effet corrosif sur des matériaux métalliques appropriés. La centrale suivant l'invention sera fréquemment implantée dans une zone à faible ressource en eau. Dans ce cas, on utilisera avantageusement un aérocondenseur sec, à tirage naturel, comme source de condensation. Le mélange de sel utilisé comme caloporteur aura généralement un point de solidification très supérieur à la température ambiante normale. Il est donc nécessaire de disposer de moyens de préchauffage des composants et des tuyauteries contenant -le caloporteur lors des démarrages. On utilisera avantageusement dans ce but un circuit parcouru par un fluide en phase liquide et utilisant comme source chaude des héliostats à concentration. Lorsque le point de solidification du caloporteur sera supérieur à loe0C, on aura intéret à utiliser comme fluide, dans le circuit auxiliaire de préchauffage, un fluide organique qui reste stable jusqu'à une température élevée, tel que celui commercialisé sous la marque "Gilotherm", qui permet sans difficulté d'atteindre une température de 3000C. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une centrale qui en constitue un mode particulier de mise en oeuvre, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel la figure unique est un schéma de principe de l'installation. La Centrale dont le schéma thermodynamique est représenté sur la figure unique peut etre regardé comme comprenant une boucle thermodynamique de circulation d'un caloporteur en phase liquide, une boucle primaire de transfert de chaleur parcouru par le meme caloporteur, une boucle secondaire eau-vapeur, et divers auxiliaires. Les trois boucles seront successivement décrites. La boucle de circulation comporte un récep- teur solaire 10 relié par une branche froide 11 à un récipient de stockage froid 12 et par une branche chaude 13 à un récipient de stockage chaud 14, destiné à stocker l'énergie sous forme thermique. Une pompe 15 immergée dans le récipient de stockage froid 12 permet de faire circulerle caloporteur liquide du récipient 1-2 vers le récepteur 10 et, de là, vers la branche chaude 13. Une vanne à trois voies 16 placée sur la conduite chaudel3 permet d'orienter normalement l'écoulement de caloporteur vers le récipient 14, et, en cas de besoin, de ramener vers le récipient 12 le caloporteur qui a parcouru le récepteur. Les récipients seront constitués par des réservoirs de plusieurs centaines de m3. Le caloporteur est constitué par un liquide qui reste monophasique à la température de fonctionnement la plus élevée. Ce choix permet de faire fonctionner la boucle de circulation et la boucle primaire à pression modérée et à température élevée, ce qui ne serait pas le cas si on utilisait une chaudière solaire à vapeur haute pression. Le caloporteur sera généralement un mélange de sels fondu, typiquement l'eutectique 53% KN03, 40% NaN02, 7S NaN03 qui a l'avantage - d'autoriser une température d'emploi élevée, jusqu'à 5000C environ, sans décomposition ni effets corrosifs excessifs, - de permettre des flux thermiques élevés dans le récep- teur, du fait de ses qualités de transfert thermique, - d'être peu coûteux. En contre-partie, cet eutectique a un point de solidification élevé, l420C environ, ce qui. oblige à prévoir des moyens de pré chauffage qui seront décrits plus loin et qui permettent de fondre le caloporteur avant démarrage de l'installation. On voit que la boucle de circulation alimente le récipient chaud 14 de stockage thermique directement. L'absence d'échangeur de chaleur évite une perte de température et une perte de pression; Le montage en boucle ouverte ne permet évidemment pas de récupérer la pression hydrostatique de retour, mais l'augmentation d'énergie de pompage globale qui en résulte reste faible. Le récepteur 10 sera avantageusement constitué par une cavité prismatique, typiquement parallélépipédique, présentant une face ouverte. Les parois internes de cette 'cavité sont tapissées de faisceaux de tubes montés en parallèle. Cette cavité peut être munie d'une porte (non représentée) destinée à diminuer les pertes pendant la nuit ou, plus généralement, les périodes de non ensoleillement. La face ouverte de la cavité est dirigée vers un champ d'héliostats orientables 17, dont la constitution est quelconque et peut par exemple être celle décrite dans le brevet français nO 76 18 953 de l'organisme demandeur. La disposition relative du récepteur 10 et des héliostats 17 est choisie en fonction de la latitude du lieu de la centrale et du relief local. En général, le récepteur 10 sera placé sur une tour de façon à être à une altitude supérieure à celle d'une partie au moins des héliostats. La cavité sera alors inclinée vers le bas, son axe étant dirigé vers le centre énergétique du champ. La boucle de circulation comporte encore un réservoir 18a à niveau libre en atmosphère inerte, permettant de maintenir la boucle pleine de caloporteur à toutes les charges. L'emploi de deux récipients distincts 12 et 14, contenant des masses variables de caloporteur, permet d'éviter les problèmes de stratification rencontrés dans les installations de stockage à un seul réservoir, tout en autorisant un transvasement à l'aide de pompesnon representéessi cela est nécessaire. La boucle primaire, parcourue par le caloporteur, comporte un générateur de vapeur 18 relié au récipient chaud 14 par une conduite munie d'une pompe de refoulement immergée 19 à vitesse variable et au récipient froid 12 par une conduite de retour 20. En règle genérale, chaque pompe sera placée en parallèle avec une autre et munie de vannes d'isolement, de façon à éviter une mise hors service de la centrale en cas de panne d'une pompe. Des conduites supplémentaires, indiquées en traits fins et également munies de pompes(non représentées)peuvent être prévues pour transvaser du caloporteur d'un récipient à l'autre. La boucle secondaire eau-vapeur comporte les faisceaux de tubes secondaires du générateur de vapeur 18, qui assure les fonctions d'économiseur,dévorateur et de surchauffeur. La vapeur surchauffée produite dans le générateur de vapeur 18 est admise à la turbine 20 d'un groupe turbo-alternateur où elle se détend, avant d'arriver à un aérocondenseur sec à tirage naturel 21. L'eau recueillie dans un ballon 22 est renvoyée par les pompes d'extraction 23 vers le générateur de vapeur 18. De façon classique, la boucle secondaire comprend des échangeurs 24 de réchauffage d'eau alimentaire alimentés par des soutirages 25 sur la turbine.L'eau sortant des échangeurs 24 est collectée dans une bâche alimentaire 33 d'où une.pompe-ali- mentaire 34, placée comme les précédentes en parallèle avec une pompe de secours, la renvoie au générateur de vapeut 18 par l'intermédiaire d'un échangeur 31 de réchauffage qui sera décrit plus loin. Les auxiliaires de la centrale comprennent X notamment une boucle auxiliaire, qui est nécessaire pour porter lecaloporteur à son point de fusion avant démarrage effectif de la centrale. La source d'énergie de cette boucle auxiliaire peut etre constituée par un groupe électrogène à moteur diesel. I1 est toutefois préférable d'utiliser, comme source d'énergie primaire, l'énergie solaire. Dans le mode de réalisation schématisé sur la figure, la boucle auxiliaire, prévue pour fournir une source chaude utilisable dans une large bande de température, typiquement de 1800C à 3000C lorsque le caloporteur est l'eutec tique mentionné plus haut, qui fond à 1420C, comporte une batterie de capteurs ou héliostats à concentration 26. Chaque héliostat, constitué par un réflecteur parabolique et un faisceau de chauffage 26 placé au foyer du réflecteur, constitue avec sa moto-pompe électrique de circulation 27 et son organe de réglage de débit pour contrôle de la température un module indépendant.Les motopoJnpes 27 peuvent etre remplacées par une pompe unique associée à un réglage de débit global par re cîrculateur pour maintenir constante la température de sortie finale. Tous les modules ainsi constitués sont placets en parallèle dans la boucle. Cette dernière comprend un réservoir He stockage à stratification 28 maintenu rempli en permanence par un vase d'expansion 29. Le fluide remplissant la boucle auxiliaire est avantageusement un liquide organique capable de supporter sans décomposition une température de l'ordre de 3300C, nécessaire pour fondre le mélange de sels fondu dans de bonnes conditions et assurer une production d'eau surchauffée. On peut notamment utiliser le liquide organique commercialisé sous la marque "Gilotherm TH". Une pompe 30, encore doublée par une pompe de secours, permet de faire circuler le caloporteur de la boucle auxiliaire de la partie haute du réservoir 28 à la partie basse dans un circuit qui alimente plusieurs organes placés en parallèle et qui seront maintenant décrits. L'un de ces orqanes est constitué par un échangeur 32 de première fusion du sel caloporteur de la centrale. Cet échangeur 32 est placé dans un bac de fusion 35 associé au récipient de stockage froid 12. Un thermoplongeur électrique (non représenté) permet de fondre une première charge et de remplir le bac de fusion, après quoi l'échangeur 32 prend la relève. Dans le mode de réalisation illustré, liéchan- geur 31 de réchauffage d'eau du générateur de vapeur est disposé en série entre les pompes alimentaires 34 et le générateur 18, de façon à réduire la robinetterie nécessaire. Cet échangeur 31 pourrait évidemment etre disposé à d'autres emplacements. Si la capacité de stockage du réservoir 28 est suffisante pour qu'on dispose encore d'un appoint thermique après démarrage, le réchauffeur 31 peut etre utilisé comme réchauffeur haute pression complémentaire d'eau alimentaire, notamment aux basses charges. L'installation représentée comporte encore une conduite munie d'une vanne 36 qui permet d'effectuer le réchauffage d'eau alimentaire au démarrage,en deux temps: on monte d'abord en température jusqu'à 1000C par recirculation entre le générateur de vapeur 18 et la bâche alimentaire 33; on alimente ensuite le générateur de vapeur 18 en eau surchauffée à partir du réchauffeur 31 au moment de la mise en service de la partie du générateur de vapeur 18 parcourue parle sel fondu. En variante, cette opération s'effectue également par traçage en générateur de vapeur vide et admission d'eau rechauffée pour l'échangeur 31. L'installation comporte enfin un échangeur 37 liquide organique-eau permettant de fournir de l'eau surchauffée à un circuit dont seule une fraction est représentée. Ce circuit, qui comporte une pompe de circulation 38 et un pressuriseur 39, alimente les serpentins de préchauffage des récipients 12 et 14 du générateur de vapeur et des conduites de circulation du caloporteur primaire, et éventuellement des moyens de chauffage des divers batiments. Naturellement, certaines au moins de ses fonctions peuvent utiliser d'autres sources d'énergie. On peut par exemple utiliser des conduites dites "tracées", munies de cordons électriques de chauffage. Enfin, la centrale peut comporter des auxiliaires à alimentation électrique à partir,du secteur. Elle devra enfin incorporer un système de commande destiné à orienter les héliostats, à commander les pompes et à conduire l'installation. A titre d'exemple, on donnera maintenant des caractéristiques acceptables pour une centrale implantée en-un lieu où l'éclairement maximum est de 1040 W/m2 et dont la chaudière 10 reçoit une puissance thermique maximale de 9 MW. Les héliostats 17, au nombre de 200, sont constitués de miroirs concaves en verre sandwich de 54 m2 environ, portés par une structure métallique en treillis orientable en site et en azimuth et représentant donc une surface réfléchissante totale de 10.740 m2. Les héliostats sont implantés sur le terrain naturel au nord de la tour en tenant compte à la fois de la typographie exacte des lieux et des données d'ensoleillement détaillées du site. La chaudière 10 de la boucle de circulation comporte une cavité de 4x4x3,5m, située à 80 m d'altitude sur une tour. C'est une chaudière à circulation forcée, capable d'admettre le flux solaire concentré jusqu'à 700 fois. Les températures nominales d'entrée et de sortie de la -chaudière sont de 2500C et 4500cri Les récipients de stockage 12 et 14 sont constitués par des cuves dont le volume est choisi pour correspondre à six heures d'ensoleillement à environ 80 % de l'éclairement maximum. Dans le cas envisagé plus haut d'un mélange de sels, on peut prévoir deux cuves 12 et 14 de 15 m de long et 5 m de diamètre et une masse totale de caloporteur de 540 T. La boucle de circulation comporte deux pompes de refoulement 15 à vitesse variable, permettant de faire circuler un débit nominal de 104 t/h sous une pression de 40 bars, à travers la chaudière 10. Ces deux pompes correspondent chacune à 100% de la puissance maximale et sont capables de surdebit de 15% par rapport au débit nominal. La présence des cuves de stockage 12 et 14 et la séparation de la boucle primaire et de la boucle de circulation permettent de découpler la puissance du générateur de vapeur 18 de celle de la chaudière 10. Le géne- rateur 18, de 2 MW thermiques dans exemple ci-dessus, est parcouru par le caloporteur refoulé par deux pompes "chaudes" 19 capables d'assurer un débit nominal de 92 t/h sous 10 bars et un surdébit de 15% par rapport au débit nominal. La boucle secondaire eau-vapeur comporte un groupe turbo-alternateur dont la puissance nominale est de 2,5 MWe. Le générateur de vapeur 18 est prévu pour une température d'entrée d'eau nominale de 2000C et minimale de 165"C. I1 fournit normalement de la vapeur à 43O0C sous 40 bars. La boucle auxiliaire est prévue pour fournir une puissance de 4à5tSth. Elle comporte une cuve 28 destinée à stocker jusqu'à 80 m3 de liquide organique dont la température nominale est de 1800C en bas et 320 OC en haut de la cuve. Enfin un groupe électrogène de 300 KVA est prévu pour assurer les fonctions de sécurité et de secours. La centrale est susceptible d'etre utilisée suivant plusieurs modes de fonctionnement. En cas d'arrêt de longue durée, les appareils contenant du caloporteur susceptible de figer sont vidangés par gravité dans les cuves 12 et 14. Lors du premier démarrage , la boucle auxiliaire est d'abord mise en service. Lorsqu'on dispose de liquide organique chaud, l'é- changeur 32 est mis en service pour fondre le caloporteur et permettre aux pompes 15 de remplir la boucle de circulation. Les appareils de cette dernière sont de leur côté réchauffés par leurs serpentins ou cordons de traçage. Avant de mettre en service la boucle secondaire, l'eau d'alimentation est de son côté réchauffée à l'aide de l'échangeur 31. En fonctionnement sous ensoleillement normal, l'énergie solaire absorbée dans la chaudière 10 chauffe le caloporteur dont le débit est réglé pour que la température d'amenée au récipient 14 soit de 4500C. Le stockage chaud s'effectue ainsi à température constante. Si l'ensoleillement est trop faible pendant une courte durée (matin, soir et passages nuageux courts), la vanne à trois voies 16 di rige le caloporteur vers la cuve 12 où le stockage froid s'effectue à température variable. Dans un premier mode d'utilisation, le fonctionnement du groupe turbo-alternateur est continu, suivant une courbe de charge imposée qui doit évidemment tenir compte des possibilités de stockage. Un second mode d'utilisation, en report, consiste à stocker l'énergie par accumulation de caloporteur chaud dans le récipient 14 et à ne mettre en service la boucle secondaire qu'aux heures de pointe ou aux heures pleines. L'invention est évidemment susceptible de nombreux modes de réalisation autres que ceux qui ont été representés et décrits à titre d'exemples et il doit etre entendu que la partie du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Centrale de conversion thermodynamique utilisant le rayonnement solaire, comprenant plusieurs héliostats disposés de façon à concentrer le rayonnement solaire sur un récepteur placé à une altitude supérieure à celle d'une partie au moins des héliostats et disposé dans une boucle de circulation de caloporteur en phase liquide munie de moyens pour faire circuler le caloporteur d'un récipient de stockage à l'état froid à un récipient de stockage à létat chaud à travers le-récepteur, centrale caractérisée en ce qu'elle comprend, de plus, une boucle primaire de transfert de chaleur comportant des moyens de circulation de caloporteur du récipient de stockage chaud vers le récipient de stockage froid à travers un générateur de vapeur et une boucle secondaire de vapeur comprenant ledit générateur de vapeur, des moyens d'admission d'eau au générateur de vapeur et des moyens de détente et de condensation de la vapeur. 2. Centrale suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le caloporteur- est un mélange de sels fondus dont la température de fusion est supérieure à la tempéra ture'ambiante habituelle, tel que l'eutectique KNO3, Na NO2, Na N03. 3. Centrale suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit auxiliaire dont la source chaude est constituée par des héliostats à concentration. 4. Centrale suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le circuit auxiliaire comprend une boucle parcourue par un liquide organique stable à la température de fusion du caloporteur, boucle comportant un réservoir de stockage a stratification et les héliostats placés en parallèle. 5. Centrale suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le circuit auxiliaire comporte des échangeurs de chaleur alimentés par la cuve de stockage de la boucle, destinés au réchauffage du caloporteur de la boucle de circulation, au réchauffage de l'eau de la boucle secondaire et à la fourniture d'eau surchauffée. 6. Centrale suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'échangeur de réchauffage d'eau de la boucle secondaire est placé entre les pompes alimentaires de la boucle secondaire et le générateur de vapeur. 7. Centrale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la boucle de circulation comprend au moins une pompe de refoulement immergée dans le récipient de stockage froid, à débit variable de façon à maintenir la température du caloporteur à ia sortie du récepteur à valeur constante, et une vanne permettant d'aiguiller le caloporteur provenant du récepteur soit vers le récipient de stockage chaud, soit vers le récipient de stockage froid. 8. Centrale suivant la revendication 7, caractérisée en ce que la boucle de circulation comprend deux pompes de refoulement, dont chacune a une puissance maximum correspondant à 100 20 environ de la puissance motrice nécessaire à pleine charge. 9. Centrale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de condensation sont constitués par un aérocondenseur sec à tirage d'air naturel. 10. Centrale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le récepteur est constitué par une enceinte de forme parallépipédique présentant une face ouverte et dont les parois internes sont tapissées de faisceaux d'échange, enceinte inclinée vers le bas de façon à recevoir le rayonnement solaire réfléchi par les héliostats.