Brevet FR2536512A1 — publié le 19840525

La présente invention se rapporte aux dispo- sitifs d'absorption du rayonnement solaire concentré et a plus spécialement pour objet un dispositif à structure poreuse permettant de diminuer les pertes calorifiques et d'améliorer le rendement des échanges thermiques. La production de chaleur à haute température au moyen de l'énergie solaire concentrée se développe a l'heure actuelle dans deux domaines principaux qui sont la conversion thermodynamique et la thermochimie. Ces deux applications utilisent le chauffage des gaz à haute température à l'aide de l'énergie solaire. Pour la conversion thermodynamique à haute température ( 800 à 1000 WC), le fluide caloporteur ne peut être qu'un gaz pour des questions de stabilité aux températures de fonctionnement De plus, les cy- cles à gaz présentent de meilleurs rendements de con- version que les cycles à liquides En ce qui concerne la thermochimie a haute température, celle-ci présente 2 Q de nombreuses applications telles que la production de molécules à haute valeur énergétique pour le dévelop- pement des combustibles liquides ou la thermolyse di- recte de l'eau ou du dioxyde de carbone pour produire de l'hydrogène ou du monoxyde de carbone. Pour toutes ces applications, on a mis au point des capteurs ou récepteurs solaires dans les- quels est effectué l'échange thermique Différents types de récepteurs sont déjà connus et utilisés, par exemple les récepteurs métalliques fonctionnant sous pression et à des températures de l'ordre de 300 à 8000 C Le domaine d'application de ces appareils est principalement la conversion thermodynamique Cepen- dant, ces récepteurs présentent l'inconvénient de ne pas pouvoir travailler à très haute température et ils sont souvent lourds car ils doivent offrir une surface d'échange gaz-solide importante, ce qui entraîne la présence d'éléments tels que des ailettes, d'o des pertes de charges accrues, ainsi qu&un poids et une inertie importantso Deautres dispositifs utilisent des matériaux réfractaires, ce qui permet d'augmenter le niveau de température auquel le récepteur fonction- ne Les conditions de travail de ces capteurs ne sont limitées que par les caractéristiques thermophysiques du réfractaire utiliséo On a également conçu des ré- cepteurs constitués par des d 8 mes sphériques réfrac- taires associés à des jets de gaz ou des récepteurs réalisés à partit d'un conduit réfractaire en forme de serpentin. Afin d'améliorer le rendement de tels appa- reils, certains chercheurs ont mis au point des récep- teurs utilisant des milieus divisése c'est-à-dire des matériaux à structure poreuse ou alvéolaire qui pré- sentent deux avantages importantso Tout d'abord, ils servent d'absorbeurs solaires dans la mesure o les microporosités de leur structure géométrique sont ln d'excellents pièges pour le rayonnement D'autre part, ce sont d'excellents échangeurs de chaleur car ils of- frent une surface d'échange solide-gaz très importan- te D'autre part, leur poids est faible par rapport à leur surface d'échange, ce qui leur permet d'être uti- lisés aisément dans les concentrateurs individuels pa- raboliques Cependant, on a remarqué quail y avait un gradient thermique important dans la masse de ces ap- pareils, ce qui favorise les pertes radiatives sur la face exposée au flux solaire Ce phénomène est du au fait que le rayonnement ne pénètre pas à l'intérieur de la matrice: il est presque entièrement absorbé au voisinage de la face exposéee La présente invention a justement pour but d'éliminer ces inconvénients en proposant un récepteur solaire qui élimine pratiquement les pertes radiatives sur la face exposée au flux solaire et permet à celui- ci d'être mieux réparti dans la masse du capteur. Selon la principale caractéristique du dis- positif objet de l'invention, celui-ci, du type com- portant au moins une pièce dont une face est exposée au rayonnement, ladite pièce ayant une structure po- reuse ou alvéolaire, se caractérise en'ce que les pa- rois des pores ou des alvéoles ont une capacité d'ab- sorption du rayonnement d'autant plus grande que le point considéré est plus éloigné de ladite face expo- sée au rayonnement. Dans un mode de réalisation préféré, les pa- rois des pores ou des alvéoles sont recouvertes d'une couche d'un matériau réfractaire de propriétés opti- ques appropriées dont l'épaisseur est d'autant plus grande que le point considéré est plus éloigné de la face exposée au rayonnement L'expression 'propriétés optiques" utilisée ici désigne essentiellement les propriétés d'absorption vis-à-vis du rayonnement solaire: suivant l'usage auquel est destiné le cap- teur, l'homme de l'art choisira un matériau plus ou moins absorbant pour réaliser le dépôt. L'invention s'applique plus particulière- ment au cas o les parois des pores ou des alvéoles définissent un réseau de canaux parallèles, les géné- ratrices des canaux pouvant être soit parallèles, soit perpendiculaires à la direction du rayonnement solaire concentré. Avantageusement, les parois des pores, ou alvéoles sont réalisées en un matériau réfractaire comme la silice, le dépôt étant un produit réfractaire à base de silicium comme les nitrures ou les halogè- nures de silicium, ou tout autre matériau compatible avec l'atmosphère gazeuse utilisée. Enfin, l'invention a encore pour objet un procédé de réalisation d'un tel dispositif Selon la principale caractéristique de ce procédé, celui-ci comporte les étapes suivantes: on place une pièce ayant une structure poreuse ou alvéolaire dans une enceinte étanche, on abaisse la pression dans ladite enceinte, on met en route des moyens de chauffage, ceux-ci étant réglés -de manière à obtenir un gradient de température le long de la pièce, et on introduit dans l'enceinte le ou les gaz réactifs servant à réaliser le dépôt. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en réfé- rence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en perspective -et partiellement en coupe d'un premier mode de réa- lisation du dispositif objet de l'invention; la figure 2 est une vue semblable à la figure 1 représentant un deuxième mode de réalisation de ce dispositif, et la figure 3 est une vue schématique illustrant un procédé de fabrication du dispositif objet de l'in- vention. Sur la figure 1, on voit que le dispositif, portant la référence générale 1, a en gros la forme d'un cylindre à l'intérieur duquel un certain nombre de parois ou cloisons 2 définissent des canaux 4, ceux-ci ayant une section polygonale et leur direction générale -étant sensiblement parallèle aux généra- trices du cylindre La disposition est telle que la face supérieure 6 du capteur est directement exposée au rayonnement solaire concentré, celui-ci étant sym- bolisé par la flèche Fl On voit encore sur la figure que la paroi interne des cloisons 2 est recouverte d'un dépôt 8 dont l'épaisseur augmente au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la face supérieure 6. A titre d'essai, on a réalisé un tel capteur dans lequel les parois 2 étaient en silice transpa- rente et sur lesquelles on a effectué un dépôt d'épaisseur variable de nitrure de silicium En effet, on a remarqué que le fait de déposer une couche d'épaisseur variable d'un matériau réfractaire sur les cloisons 2 des canaux 4 permet de modifier les pro- priétés thermoradiatives de la surface des cloisons, la capacité d'absorption étant d'autant plus impor- tante que l'épaisseur du dépôt est plus grande C'est pourquoi on fait en sorte que l'épaisseur de celui-ci augmente au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la face exposée au rayonnement solaire: ainsi, la capacité d'absorption étant plus importante à l'intérieur du capteur qu'au voisinage de la face exposée, l'énergie- solaire est absorbée dans toute la masse du capteur et non pas uniquement au voisinage de cette face Ceci permet évidemment de diminuer les pertes thermiques sur la face exposée et de réaliser un profil thermique déterminé dans la masse du capteur On améliore ainsi les performances énergétiques du dispositif puisque le chauffage du gaz circulant dans les canaux 4 est ef- fectué sur toute la longueur de ces derniers D'autre part, le fait de déposer un matériau réfractaire sur les cloisons 2 permet de garder intactes les qualités de ce dernier tandis qu'un traitement dans la masse modifie les qualités réfractaires du matériau de base (par exemple la conductivité thermique, la tenue en température, la résistance aux chocs thermiques) dans un sens défavorable. La figure 2 illustre un dispositif semblable à celui de la figure 1 avec les canaux 4 séparés par les cloisons 2, mais, dans ce cas, la direction du rayonnement solaire, symbolisée par la flèche F 2, est perpendiculaire à la direction générale des canaux. C'est pourquoi, dans le cas particulier de la figure 2, l'épaisseur du dépôt sur une paroi donnée est cons- tante, mais une cloison plus éloignée qu'une autre de la face exposée est recouverte d'un dép 8 t plus épais. Comme dans le cas de la figure le le rayonnement est absorbé dans toute la masse du capteur, ce qui diminue les pertes radiatives sur la face exposée et favorise les échanges thermiques dans toute la masse du dispo- sitif. L'invention a encore pour objet un procédé de réalisation d'un dispositif tel que celui des f igu- res 1 et 2 Le traitement de surface des parois est effectué par dép 8 t chimique en phase gazeuse sous pression réduite: en effet, ce type de traitement permet d'une part d'obtenir des revêtements très ré- sistants à haute température et, d'autre part, de con- troler l'épaisseur du dép 8 t tout au long de la matrice alvéolaire. Sur la figure 3, on voit que l'on place la matrice alvéolaire 1 semblable à celle de la figure 1, mais sans le dép 8 t 8, à l'intérieur d'une enceinte étanche 10, elle-même disposée à l'intérieur d'un four équipé de moyens de chauffage 12 permettant d'obtenir un gradient thermique déterminé à l'intérieur de l'en- ceinte 10 On peut utiliser N 'importe quel moyen de chauffage connu en soi, par exemple: résistance élec- trique, induction à haute fréquence avec un couplage direct sur l'échantillon si celui-ci est conducteur ou par l'intermédiaire d'unsuscepteur en graphite La réaction est effectuée sous pression réduite afin de faciliter le passage des gaz qui doivent réagir entre eux pour former le dépât le long des canaux 4, qui sont généralement très étroits Le fait de créer un gradient thermique dans l'enceinte 10 permet de con- trôler l'épaisseur du dépôt le long de la pièce 1 En effet, la vitesse de dépôt est fonction de plusieurs paramètres et notamment de la température, cette vitesse augmentant avec la température pour rester constante audelà d'une température limite: si l'on maintient la pièce i pendant une durée déterminée dans un gradient thermique, l'épaisseur obtenue est plus importante dans les zones exposées aux températures les plus fortes Par exemple, dans le cas de la figure 3, si la température augmente lorsqu'on passe du ni- veau supérieur A au niveau inférieur B, on obtient un capteur comme celui de la figure 1 o l'épaisseur du dépôt est plus importante a*u voisinage de la face in- férieure 14 qu'au voisinage de la face supérieure 6. Bien entendu, la température maximale doit rester in-. férieure à la valeur limite au-delà de laquelle la vitesse de dépôt est constante L'homme de l'art choi- sira évidemment les températures et la durée de réac- tion convenables pour obtenir le dépôt d'épaisseur voulue. On voit encore sur la figure trois arrivées de gaz 15, 16 et 17 pour l'introduction des gaz néces- saires à la réaction tandis qu'une pompe 18 permet de diminuer la pression à l'intérieur de l'enceinte 10. Entre la pompe 18 et cette dernière est interposé un piège à azote liquide 20 dont le fonctionnement est le suivant: les gaz sortant de l'enceinte 10 par une canalisation 22 arrivent au contact de l'azote liquide o ils se refroidissent, se liquéfient et sont évacués par une conduite 23, tandis que les vapeurs rési- duelles sont absorbées par la pompe 18 à travers la canalisation 24. A titre d'essai, on a réalisé un dispositif semblable à celui représenté à la figure 1 à partir d'une matrice alvéolaire en silice transparente sur laquelle on a déposé une couche d'épaisseur variable de nitrure de silicium L'échantillon traité était un prisme de 80 x 25 x 10 mm, l'axe des canaux étant pa- rallèle aux arêtes les-plus longues Pour réaliser le nitrure de silicium, on a introduit dans l'enceinte 10 d'une part du silane Si H 4 comme source gazeuse de si- licium et d'autre part de lammoniac NH 3 comme source d'azote atomique, car l'ammoniac se décompose plus fa- cilement que l'azote pur On peut éventuellement uti- liser des halogénures de silicium, par exemple du chlorure Si C 14 ou du bromure Si Br 4, la réduction de ces derniers étant favorisée par un flux d'hydrogène: c'est pourquoi on a prévu les trois arrivées de gaz 15, 16 et 17 de la figure 3 Dans l'exemple de réali- sation décrit ici, l'échantillon a été soumis à un gradient de température compris entre 600 et 1100 *C, la durée de traitement étant de l'ordre de dix minutes et la pression totale dans l'enceinte 10 ayant été maintenue à 133 Pa. Ainsi, le dispositif objet de l'invention présente de nombreux avantages dont le principal est de permettre une absorption progresive -et contrôlée du rayonnement solaire concentré, cette absorption étant répartie dans toute la masse du capteur, ce qui évite les pertes radiatives au niveau de la surface exposée au rayonnement D'autre part, il est plus facile d'ob- tenir un profil de température axial ou radial bien défini en fonction du processus à accomplir, ce qui permet d'améliorer les performances énergétiques du récepteur De plus, le fait de réaliser un dépôt au lieu de traiter dans la masse le matériau constituant la structure alvéolaire permet de garder intactes les qualités du matériau de base, notamment les qualités mécaniques et thermiques Enfin, on peut travailler à très haute température, le niveau de celle-ci n'étant limité que par le choix des matériaux réfractaires utilisés. Enfin, il est bien entendu que l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation qui viennent d'être décrits mais qu'on peut envisager des variantes sans sortir pour autant du cadre de l'inven- tion C'est ainsi que l'homme de l'art pourra utiliser d'autres matériaux pour la matrice alvéolaire et le matériau déposé et faire varier l épaisseur du dépôt en fonction de chaque application envisagée. 253651 2 REVENDICATIONS 1 Dispositif d'absorption du rayonnement solaire concentré, du type comportant au moins une pièce ( 1) dont une face ( 6) est exposée au rayon- nement, ladite pièce ( 1) ayant une structure poreuse ou alvéolaires, caractérisé en ce que les parois ( 2) des pores ou des alvéoles ( 4) ont une capacité d'ab- sorption du rayonnement d'autant plus grande que le point considéré est plus élogné de ladite face exposée au rayonnement ( 6). 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les parois ( 2) des pores ou alvéo- les ( 4) sont recouvertes d'une couche d'un matériau réfractaire ( 8) dont l'épaisseur est d'autant plus grande que le point considéré est plus éloigné de la face exposée au rayonnement ( 6). 3 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que lesdites parois( 2) sont disposées de manière à définir un réseau de canaux parallèles ( 4). 4 Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que les parois ( 2) sont disposées de telle sorte que les génératrices des canau 2 E ( 4) soient parallèles à la direction du rayonnement solaire con- centré. Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que les parois ( 2) sont disposées de telle sorte que les génératrices des canaux ( 4) soient perpendiculaires à la direction du rayonnement solaire concentré. 6 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les parois ( 2) des pores ou alvéo- les ( 4) sont en silice. 7 Dispositif selon la revendication 2 r ca- il 22536512 ractérisé en ce que ladite couche réfractaire ( 8) est une couche de nitrure de silicium. 8 Procédé de réalisation d'un dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on place une pièce ( 1) ayant une structure poreuse ou alvéolaire dans une enceinte étanche ( 10), on abaisse la pression dans ladite enceinte ( 10), on met en route des moyens de chauffage ( 12), ceux- ci étant réglés de manière à obtenir un gradient de température le long de la pièce ( 1), et on introduit dans l'enceinte ( 10) le ou les gaz réactifs servant à réaliser le dépôt.