Brevet FR2501840A1 — publié le 19820917

La présente invention se rapporte à une in- stallation à chaleur solaire, et concerne plus parti- culièreinent un perfectionnement à une installation à chaleur solaire destinée à accroître l'utilisation de la chaleur solaire. Il est souvent considéré actuellement que l'énergie pétrolière sera bientôt épuisée, et l'utili- sation de l'énergie solaire attire donc l.'attention en tant que nouvelle source d'énergie pour remplacer l'énergie pétrolière. Mais lorsque l'énergie solaire est reçue au sol, sa réception n'est pas toujours as- surée. Elle change pendant une journée entre le matin et le soir et dépend également des conditions climati- ques. Il est donc nécessaire, sur le plan de l'utilisa- tion de la chaleur, que la luminosité vraie de la lu- mière solaire soit améliorée pour obtenir une haute tem- pérature lorsque les collecteurs de chaleur sont sou- mis à une charge thermique quine peut atteindre un cer- tain rendement en l'absence d'une température élevée. Le prix de montage d'une installation-à chaleur solaire est ainsi élevé. En outre, cette température élevée ne peut pas être obtenuelorsque la chaleur solaire est réduite, de sorte que le rendement du fonctionnement d'une installation est faible et que cette installation elle-même n'est pas économique. Par ailleurs, le prix de montage peut être abaissé si l'installation est agen- cée pour que les collecteurs de chaleur soient soumis à une charge thermique qui peut atteindre ce certain rendement à basse température. Mais dans ce cas, l'éner- gie qui ne peut être entièrement utilisée à haute tempé- r.-ture pendant une journée de beau temps doit être four- nie à la charge thermique qui peut atteindre le certain rendement à basse température, et cela n'est donc pas économique sur le plan de l'utilisation efficace d'une énergie naturelle. Il apparaît souvent dans l'industrie en général que l'énergie est utilisée sous forme de puissance électrique, de vapeur ou d'eau chauffée sur un lieu de travail ou dans un immeuble. Un maximum d'énergie peut donc être fourni en fonction de l'intensité de la lu- mière solaire lorsqu'une installation à chaleur solaire qui peut fournir de l'énergie électrique, de la vapeur et de l'eau chaude est installée en un tel lieu. L'utîi- lisation d'une source auxiliaire d'énergie peut être ramenée à son minimum et la mesure dans laquelle l'éner- gie solaire peut être utilisée peut être augmentée beaucoup plus comparativement à'une installation à cha- leur solaire remplissant une seule fonction. L'appari- tion d'une telle installation à chaleur solaire remplis- sant les fonctions multiples est donc souhaitée avec em- pressement.. L'invention a donc pour objet de proposer une installation à chaleur solaire comportant deux condui- tes en boucle chaude pour de basses et hautes tempéra- tures, afin d'utiliser l'énergie solairedans la mesure maximale, et d'une manière qui convient pour les sys- tèmes de demande d'énergie dans l'industrie en général. Selon un aspect, l'invention concerne donc une installation à chaleur solaire qui comporte un premier ensemble comprenant un premier collecteur de chaleur qui convertit de l'énergie solaire en énergie thermique à haute température dans des conditions habituelles d'insolation, et en énergie thermique à basse tempéra- ture dans des conditions de-mauvaise insolation afin de fournir de l'énergie thermique à un premier agent; une première charge thermique qui fonctionne dans des conditions d'insolation habituelles en utilisant l'énergie thermique fournie par le premier agent; un second ensemble comprenant un second collecteur de cha- leur qui-convertit l'énergie solaire en énergie thermi- que à basse température dans des conditions habituel- les ou mauvaises d'insolation pour fournir de l'énergie 250 184 0 thermique à un second agent; et une seconde charge ther- mique qui fonctionne dans des conditions normales d'in- solation en utilisant l'énergie thermique fournie au second agent et qui fonctionne également dans de mau- vaises conditions d'insolation en utilisant l'énergie thermique fournie aux premier et second agents. Selon l'invention, des boucles d'agent thermique de propriétés différentes peuvent être choisies en cor- respondance avec chacune des plages de températures, permettant ainsi que le prix nécessaire pour les collec- teurs de chaleur soit plus économique et que de la va- peur, de l'eau chaude et de l'énergie électrique qui sont nécessaires sur des lieux de travail et dans des immeubles puissent être fournies simultanément. En out- re, l'invention permet un fonctionnement optimal en cor- respondance avec les conditions d'insolation et de char- ge et l'utilisation de l'énergie solaire est donc amé- liorée de façon remarquable. Autrement dit, l'invention concerne une installation à chaleur solaire d'une très haute fiabilité qui peut utiliser de la chaleur solaire de façon plus efficace que des installations courantes remplissant une seule fonction utilisées dans les usines à chaleur solaire et dans des appareils de conditionne- ment d'air par chaleur solaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 est un schéma simplifié d'un mode de réalisation d'une installation à chaleur solaire selon l'invention, la Figure 2 est un schéma simplifié illustrant une variante du mode de réalisation de la Fig. 1, la Figure 3 est un schéma qui montre de façon plus concrète la disposition du premier mode de réali- sation d'une installation à chaleur solaire selon l'in- vention, la Figure 4 est un schéma simplifié d'un autre mode de réalisation d'une installation à chaleur solaire selon l'invention et, la Figure 5 est un schéma d'une variante du mode de réalisation dela Fig. 4. La Figure 1 représente donc schématiquement un mode de réalisation d'une installation à chaleur solaire selon l'invention, Les traits pleins représentent un en- semble utilisé dans des conditions habituelles d'inso- lation et les traits pointillés représentent un autre ensemble utilisé dans de mauvaises conditions d'insola- tion. Cette installation à chaleur solaire comporte des collecteurs de chaleur à haute et basse température la et lb, dont les propriétés sont différentes et qui sont destinés à recueillir de l énergie solaire, des boucles d'agents thermiques 2a et 2b à haute et à basse température qui transportent la chaleur recueillie par les collecteurs de chaleur la et lb dans des conditions habituelles d'insolation, une boucle d'agent thermique 2c à haute température qui transmet de la chaleur re- ceuillie par le collecteur de chaleur la à haute tempé- rature dans de mauvaises conditions d'insolation, un échangeur thermique 3a à haute température qui échange la chaleur de la boucle d'agent thermique 2a à haute température utilisée dans des conditions habituelles d'insolation avec un agent facilement utilisé comme de l'eau, un échangeur thermique 3h à basse température qui échange la chaleur de la boucled'agent thermique 2c à haute température utilisée dans de mauvaises con- 3) ditions d'insolation et de la boucle d'agent thermique 2b à basse température avec de l'eau, une boucle d'eau ha à haute température qui reçoit la chaleur des échan- geurs thermiques 3a et 3b à haute et basse température dans des conditions habituelles d'insolation, une bou- cle d'eau 4b à basse température qui reçoit de la chaleur de l'échangeur thermique 3b à basse température dans de mauvaises conditions d'insolation, des charges thermiques 5a et 5b à haute et basse température qui fonctionnent en utilisant de l'énergie thermique trans- portée par la boucle d'eau 4a à haute température dans des conditions habituelles d'insolation, la charge ther- mique 5b à basse température ne fonctionnant qu'en uti- lisant l'énergie thermique transportée par la boucle d'eau 4b à basse température dans de mauvaises condi- tions d'insolation, une pompe d'agent thermique 6a à haute température qui fait circuler l'agent thermique dans la boucle d'agent thermique 2a à haute température utilisée dans des conditions habituelles d'insolation, une pompe d'agent thermique 6b à basse température qui fait circuler l'agent thermique dans la boucle d'agent thermique 2c à haute température utilisée dans de mau- vaises conditions d'insolation et dans la boucle d'agent thermique 2b à basse température et une pompe à eau 7 commune qui fait circuler de l'eau dans les boucles d'eau 4a et 4b à haute et à basse température. La boucle d'agent thermique 2b à basse température est également utilisée dans de mauvaises conditions d'insolation. L'énergie du rayonnement solaire est recueillie par les collecteurs de chaleur la et lb dans des condi- tions habituelles d'insolation et elle y est convertie en énergie thermique qui est transmise aux agents ther- miques comme le montrent les traits pleins. Les agents thermiques à haute et à basse température ainsi échauf- Pés circulent dans les boucles d'agent thermique 2a et 2b respectivement et des échanges thermiques sont effec- tués par les échangeurs thermiques 3a et 3b à haute et à basse température avec de l'eau dans la boucle d'eau 4a à haute température. Les agents thermiques ainsi re- froidis par les échanges thermiques sont comprimés par des pompes d'agent thermique 6a et 6b pour revenir aux collecteurs de chaleur la et lb. Ces agents thermiques continuent ensuite à circulerdans les boucles d'agent thermique 2a et 2b représentées en traits pleins. Une relation étroite existe dans ce cas entre les proprié- tés et les prix des collecteurs de chaleur la et lb. En effet, si la température des agents thermiques peut être inférieure à cent et quelques dizaines de degrés Centigrade, cette température peut être obtenue avec un collecteur de chaleur lb à basse température du type sans oondensation- de faisceau et sans poursuite, et ce collecteur lb peut être par exemple du type à plaque fixe. Mais il est nécessaire pour obtenir une tempéra- ture plus élevée que le faisceau solaire soit condensé en utilisant des miroirs ou des lentilles. Le collecteur de chaleur doit se déplacer automatiquement pour tou- jours recueillir la lumière solaire afin d'obtenir une température supérieure à 2000C. Le collecteur de chaleur la à haute température doit donc être du type à conden- sation de-faisceau et à poursuite. Il est inutile de dire que des collecteurs de chaleur du type à conden- sation de faisceau et à poursuite sont beaucoup plus chers que ceux du type sans condensation de faisceau et sans poursuite. Il importe donc d'utiliser des collec- teurs de chaleur qui conviennent mieux pour obtenir la température voulue. L'eau dans la boucle d'eau 4a à haute tempéra- ture, chauffée par l'échangeur thermique 3b à basse température et dont la température est élevée dans des conditions habituelles d'insolation, est également re- chaufféepar l'échangeur thermique 3a à haute température pour fournir sa chaleur à la charge thermique sa à hau- te température. L'eau revenant de la charge thermique a à basse température est encore assez chaude pour don- ner sa chaleur, même à la charge thermique 5b à basse température. L'eau provenant dela charge thermique 5b à basse température est retournée par la pompe à eau 7 à l'échangeur thermique 3b à basse température. Comme cela a été décrit cidessus, l'eau circule par la boucle d'eau 4a à haute température pour utiliser l'énergie solaire dans la plus large mesure dans des conditions habituelles d'insolation. Mais dans de mauvaises conditions d'insolation par exemple le matin, le soir et par temps nuageux, l'échangeur thermique 3a à haute température ne peut pas fournir une température suffisamment élevée pour per- mettre à la charge thermique 5a à haute température d'atteindre un rendement satisfaisant. Dans ces circon- stances, la boucle d'agent thermique 2a à haute tempéra- ture est donc permutée par une vanne (non représentée) sur la boucle 2c, comme le montre le trait pointillé sur la Fig. I.Autrement dit, la chaleur obtenue par le col- lecteur de chaleur la à haute température dans de mau- vaises conditions d'insolation est transmise par la boucle d'agent thermique 2c à haute température à l'échangeur thermique 3b à basse température et addition- née à la chaleur obtenue par le collecteur de chaleur lb à basse température pour être échangée par l'échangeur thermique 3b à basse température avec de l'eau dans la boucle d'eau 4 b à basse température. La boucle d'eau 4b à basse température est en dérivation avec l'échangeur thermique 3a à haute température et la charge thermique 5a et la chaleur est introduite directement dans la char- ge thermique 5b à basse température. Toute la chaleur obtenue par les collecteurs de chaleur la et lb à haute et à basse température est ainsi fournie à la charge thermique 5b à basse température. Il en résulte que la chaleur aussi élevée que l'ensemble peut produire est fournie à la charge thermique 5b à basse température par cette permutation de boucle. La Vigure 2 représente une variante du type à permutation du mode de réalisation de la Figure 1. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 1, les collecteurs de chaleur la et lb fonctionnent en paral- lèle avec l'échangeur thermique 3b à basse température dans de mauvaises conditions d'insolation, tandis qu'ils fonctionnent en série dans le cas de la variante de la Fig. 2. Il est également possible de réaliser l'in- stallation de manière que les fonctionnements en série et en parallèle soient déclenchés sélectivement en fonc- tion des circonstances. Lorsque ce node de réalisation est appliqué, les conditions d'insolation habitueiles ou mauvaises peuvent se recouvrir pour obtenir une uti- lisation efficace de la chaleur. Les installations représentées sur les Fig.1 et 2 ne sont que des exemples de réalisation et des boucles à haute et à basse température dans les sections d'agent thermique et d'eau peuvent être modifiées de façon variée, en correspondance avec le type de chaleur nécessaire. La Figure 3 représente de façon plus concrète la réalisation d'une installation à chaleur solaire selon l'invention. L'échangeur thermique 3a à haute température consiste en un générateur de vapeur. De la vapeur àhaute température produite par l'échangeur ther- mique 3a à haute température dans des conditions nor- males d'insolation est fournie à la charge thermique a à haute température sous forme d'un couranit de vapeur utilisée dans des opérations industrielles; et égale- ment à une turbine à vapeur 8. De l'énergie électrique est fournie par une génératrice 9a entraînée par la tur- bine à vapeur 8. La chaleur de l'air qui s'échappe de la turbine à vapeur 8 est fournie à un agent à bas point d'ébullition, comme du fréon, par un évaporateur 10. Cet agent à bas point d'ébullition se vaporise pour entraîner une turbine 11 à agent à bas point d'ébulli- tion qui entraine elle-même une génératrice 9b fournissant de l'énergie électrique. Une partie de l'eau chaude, chauffée par l'échangeur thermique 3L à basse température est fournie, non pas à l'échangeur thermique 3a à haute température, mais directement à la charge thermique 5b à basse température par un appareil de chauf- fage par exemple. L'eau dont la température est abaissée après avoir transmis sa chaleur à la charge thermique 5a à haute température, à la charge thermique 5b à bas- se température et à l'évaporateur 10 d'agent à bas point d'ébullition est retournée par la pompe à eau 7 à l'échangeur thermique 3b à basse température et elle continue ensuite à circuler de la manière décrite ci- dessus. L'agent à bas point d'ébullition qui provient de la turbine il est condensé par un condenseur 12 d'agent à bas point d'ébullition puis il est ramené par une Pompe 13 d'agent à bas point d'ébullition à l'évaporateur 10 pour circuler dans une boucle 14 d'agent à bas point d'ébullition. Dans le cas o l'insolation devient mauvaise et o la température obtenue par le collecteur de cha- leur la à haute température s'abaisse à une valeur telle qu'il est indésirable d'attaquer la turbine à vapeur 8 ou de l'appliquer à la charge thermique 5a à haute température, la boucle d'agent thermique à haute température est permutée par une vanne (non re- présentée) de la boucle 2a représentée par les traits pleins, sur la boucle 2c représentée en pointillés. Etant donné que de l'eau n'est pas fournie à l'échangeur thermique 3a à haute température après la permutation, la turbine à vapeur 8 est arrêtée. Par contre, une par- tie 'de l'eau chaude provenant de l'échangeur thermique 3bà basse température est fournie à l'évaporateur 10 d'agent à faible point d'ébullition passant par la bou- cle d'eau 3b à basse température de sorte que le fonc- tionnement de la turbine 11 à agent à faible point d'ébullition continue à entraîner la génératrice 9b pour produire de l'énergie. La fourniture de vapeur à la charge thermique 5a à haute température est interrom- pue mais la fourniture d'eau chaude à la charge thermi- que 5b à basse température se poursuit. Si une substance ayant un point d'ébullition supérieur à la température obtenue par le collecteur de chaleur la à haute température et ayant également un point de congélation inférieur à la plus basse tem- pérature atmosphérique en hiver est utilisée comme agent thermique, les boucles d'agent thermique 2a, 2b et 2c sont toujours remplies avec une phase liquide, permettant ainsi de simplifier la disposition et la commande de fonctionnement des différents dispositifs utilisés., La Figure 3 représente la disposition fonda- mentale de l'installation à chaleur solaire selon l'in- vention et d'autres dispositifs tels qu'une source de chaleur auxiliaire, un dispositif d'emmrnnagasinage de chaleur et des vannes sont ajoutés en pratique à cet ensemble. Il n'existe cependant aucun élément essen- tiel selon l'invention dont la description et l'illus- tration n'est pas faite. La Figure 4 est un schéma simplifié d'un autre mode de réalisation d'une installation à chaleur so- laire selon l'invention. Un échangeur thermique 15 des- tinéeà la m auvaise insolation est ajouté- à la boucle d'agent thermique 2c à haute température, également destiné à la mauvaise insolation. La chaleur obtenue par le collecteur de chaleur la à haute température dans des conditions de mauvaise insolation est transmise par l'échangeur thermique 15 pour la mauvaise insola- tion à de l'eau dans, la boucle d'eau 4b à basse tempéra- ture. L'eau dans la boucle 4b est divisée en deux par- ties par une vanne (non représentée) après son retour de la pompe à eau 7, et l'une reçoit dela chaleur qui provient du collecteur de chaleur lb à basse tempéra- ture par l'échangeur thermique 3b à basse température tandis que l'autre'reçoit de la chaleur qui provient du.collecteur de chaleur la à haute température par l'échangeur thermique 15 dans le cas de mauvaise inso- lation. Ces eaux chaudes se rejoignent pour transférer leur chaleur à la charge thermique 5b à basse tempéra- ture. La permutation entre les boucles d'agent thermique 2a et 2c à haute température est commandée de manière que l'installation fonctionne en correspon- dance avec les conditions d'insolation dans le mode de réalisation des Figures 1 et 2, tandis que la permuta- tion entre les boucles d'eau 4a et 4b est commandée dans l'autre mode de réalisation des Figures 4 et 5. Dans tous les cas, les installations améliorent d'une 250184G façon similaire l'utilisation de la chaleur solaire. L'échangeur thermique 15 pour la mauvaise insolation qui n'est pas employé dans le mode de réalisation des Fig. l et 2 est ajouté comme un nouvel élément de l'autre mode de réalisation des Fig. 4 et 5. biais ces dispositifs des Fig. Li et 5 peuvent quelquefois être avantageux en considérant les propriétés opérationnelles et autres de chacun des moyens employés dans la mesure extrême. En outre, les boucles d'agent thermique 2c et 2d à haute et basse température ne sont pas reliées entre elles dans les modes de réalisation des Fig. 4 et 5, de sorte que des agents thermiques différents qui conviennent mieux pour les conditions respectives de température peuvent être utilisés. Les types de dispositifs et de fonctionnement décrits ci-dessus ne sont que des exemples et il est bien entendu que d'autres dispositions et types peuvent être utilisés pour obtenir les mêmes effets. La conduite d'agent thermique n'est pas néces- sairement constituéepar deux boucles, niais elle peut comporter trois boucles ou davantage si cela est né- cessaire. Trois types de collecteur de chaleurou davan- tage peuvent être utilisés et le nombre de ces collec- teurs peut ne pas correspondre au nombre des boucles d'agent thermique. Trois types de collecteur de chaleur à haute température, à température moyenne et à basse température peuvent être utilisés par exemple de manière que le collecteur de chaleur à basse température soit incorporé dans la boucle d'agent thermique à basse tem- pérature et que les collecteurs de chaleur à température moyenne et élevée soient combines en série pour former la boucle d'agent thermique à haute température dans laquelle l'agent Lhermique échauffé par le collecteur de chaleur à température moyenne est en outre échauffé par le collecteur de chaleur à haute température. La combinaison des charges thermiques 5a et 5b, de la turbine à vapeur 8 et de la turbine 1l à 250184G agent à bas point d'ébullition représentées sur la Fig. 3 peut être modifiée de façons variées sous forme de modifications du mode de réalisation de la Fig. 1 en correspondance avec les besoins en chaleur et en énergie. Le type de fonctionnement illustré par la Fig. 3 n'est pas limité aux deux cas d'insolation nor- male et mauvaise, mais il peut être modifié d'autres manières en fonction des conditions d'insolation et de charge. Par exemple, l'installation peut fournir une seule ou deux sorties de vapeur, d'eau chaude et d'éner- gie électrique. De plus, le débit de chacune des sorties n'est pas fixé en rapport relatif, mais peut être déter- miné librement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réali- sation décrits et illustrés à titre d'exemples nullement limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 250184G REVENDICATIONS 1 - Installation à chaleur solaire, caractéri- sée en ce qu'elle comporte un premier ensemble compre- nalit un premier collecteur de chaleur tla) pour conver- tir de l'énergie solaire en énergie thermique à haute température dans des conditions normales d'insolation et en énergie thermique a basse température dans de mau- vaises conditions d'insolation, pour fournir ladite énergie thermique à un premier agent, une première charge thermique (5a) qui fonctionne dans des condi- tions normales d'insolation en utilisant ladite ener- gie thermique fournie audit premier agent, un second en- semrnblecomprenant un second collecteur de chaleur (lb) q.ui convertit de l'énergie solaire en énergie thermique à basse température dans des conditions normales ou mauvaises d'insolation pour fournir ladite énergie ther- mique à un seoond agent, et une seconde charge thermique (5b) qui fonctionne dans les conditions normales d'in- solation en utilisant ladite énergie thermique fournie audit second agent et qui fonctionne également dans de mauvaises conditions d'insolation en utilisant ladite énergie thermique fournie auxdits premier et second agents. 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit premier ensenible comporte une premiere boucle (2a) par laquelle le premier agent circule en passant par le premier collecteur de chaleur (la) dans des conditions normales d'insolation, une seconde boucle (2c) par laquelle le premier agent cir- cule en passant par le premier collecteur de chaleur (la) dans de mauvaises conditions d'insolation, une troisième boucle (4a) par laquelle un troisième agent circule en passant par la première charge thermique (5a) dans des conditions normales d'insolation et un premier échangeur thermique (3a) par lequel passent lesdites première et troisième boucles (2a, 4a) pour transferer de l'énergie thermique dudit premier agent 250184G audit troisième agent, ledit second ensemble comprenant une quatrième boucle (2b) par laquelle circule le se- cond agent en passant par le second collecteur de cha- leur (lb) dans des conditions normales ou mauvaises d'insolation, une cinquième boucle (4b) par laquelle circule le troisième agent en passant par la seconde charge thermique kSb) cdans de mauvaises conditions d'insolaLion et un second échangeur thermique U3b) par lequel passent lesdites quatrième et cinquième boucles (2b, 4b) pour transfér-er de l'énergie thermique dudit second agent audit troisième agent. 3 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite seconde boucle passe par ledit second échangeur thermique. 4 - Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite troisième boucle passe par ledit second échangeur thermique, par l'intermédiai- re de la seconde charge thermique. - Installation selon la revendication 4, ca- ractérisée en ce que lesdites seconde et quatrième boucles sont disposées en parallèle avec ledit second échangeur thermique. 6 - Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites seconde et quatrième boucles sont disposées en série avec ledit second échan- geur thermique. 7 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit premier ensemble comporte un troisième échangeur thermique (15) par lequel passent lesdites seconde et cinquième boucles pour transférer de l'énergie thermique dudit premier agent audit troisiè- me agent. 8 - lnstallation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite troisième boucle passe par le second échangeur thermique, par l'intermédiaire de la seconde charge thermique. 9 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdites seconde et cinquième boucles sont disposées en série avec la seconde charge 250184G thermique. - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdites seconde et cinquième boucles sont disposées en parallèle avec la seconde charge thermique.