Brevet FR2551802A1 — publié le 19850315

i La présente invention concerne des bassins de stockage de chaleur comme collecteurs d'énergie solaire, ainsi que des centrales et moteurs utilisant de tels bassins. Une masse d'eau, munie en surface d'un mécanisme supprimant les courants de convection, joue le rôle d'un isolant de la chaleur accumulée dans la masse de l'eau Lorsque la chaleur est produite par absorption du rayonnement solaire, la masse d'eau est appelée un bassin solaire En l'absence d'un tel mécanisme, la chaleur ajoutée -au niveau inférieur de la masse de l'eau est transférée par les courants de convection vers le niveau supérieur, o se produit, par rayonnement et/ou par conduction à l'interface liquide-air, la transmission au milieu environnant Il en résulte que, dans une masse d'eau dans laquelle les courants de convection ne sont pas supprimés, le gradient vertical de tempé15 rature est trop faible pour présenter un intérêt pratique pour le fonctionnement d'une centrale ou d'un groupe électrogène. On réalise un mécanisme classique pour supprimer les courants de convection en établissant et maintenant, dans une masse d'eau, au-dessus d'une zone de stockage de chaleur, 20 une couche d'eau contenant une concentration de sel dont le gradient de densité se trouve dans le sens de la gravité et que l'on désigne ci-après par le nom "halocline" On peut ainsi établir, dans l'halocline,un gradient correspondant de température, à mesure de l'absorption du rayonnement solaire, ce qui permet à l'halocline de jouer le rôle d'une barrière thermique ou d'une couche d'isolement protégeant, contre une perte de chaleur par conduction vers l'environnement situé au-dessus de l'halocline, la zone de stockage de chaleur placée en-dessous de l'halocline. Par suite, l'eau près de la surface reste relativement froide, 30 alors que l'eau proche du fond assombri est chauffée:Dans un tel cas, la différence de température que l'on obtient est assez grande pour permettre le fonctionnement d'une machine thermique transformant en travail une partie de la chaleur solaire absorbée. -Le problème fondamental, dans cette approche, est i'instabilité, dans le temps, du gradient de densité que l'on ne peut maintenir sur de longues périodes de temps qu'en faisant circuler erin cycles drs concentrations différentes de solutions entre différents niveaux du bassin En outre, il faut, lorsqu'on extrait de la chaleur du bassin, prendre bien soin de ne pas troubler l'e gradient de densité De qrands efforts ont été consacrés à la mise au point d'un équipement destiné à stabiliser les gradients de densité dans les bassins solaires, mais l'équi5 pement de l'art antérieur reste compliqué, de sorte que la fiabilité à long terme est relativement faible et que le concept de bassins solaires n'a pas été largement adopté pour la collecte, de la chaleur du soleil Un but de la présente invention consiste donc à proposer un nouveau bassin perfectionné de stockage de chaleur et à proposer une centrale ou un groupe électrogène utilisant ce bassin, l'invention permettant de surmonter ou de diminuer très fortement les déficiences des bassins solaires de l'art antérieur. Selon la présente invention, celle-ci propose un 15 bassin de stockage de chaleur comprenant un liquide de stockage de chaleur à une température supérieure à celle d'un milieu ambiant, et une couche isolante qui flotte sur le liquide et qui-est assez épaisse pour -isoler thermiquement ce dernier contre une perte importante de chaleur par conduction vers le milieu ambiant situé au-dessus de la couche isolante La couche isolante peut être non liquide et elle est, de préférence ungel qui est transparent aux rayons solaires, dans la lumière visible et le proche infrarouge, ces rayons étant absorbés par le liquide de stockage de chaleur qui peut être de l'eau 25 ou un sel hydraté. lin gel aqueux convenable comprend du polyacrylamide réticulé, cependant que des gels non aqueux convenables peuvent être formés à partir de liquides hydrocarbonés comme du kérosène, de l'huile de paraffine ou de l'huile de silicone Parmi les gels formés à partir de tels liquides hydrocarbonés, il y a du polyisobutylène réticulé. Dans une forme de réalisation de l'invention, le milieu ambiant situé audessus du gel est une couche d'eau qui transmet la plupart de la lumière visible et des constituants. 35 du proche infrarouge du rayonnement solaire La couche d'eau reste ainsi relativement froide en comparaison de la température du liquide de stockage de chaleur, lequel est chauffé par l'absorption du rayonnement solaire. On peut produire in situ un gel aqueux en ajoutant, à une couche séparée d'eau située au-dessus du liquide de stockac de la chaleur, de l'acrylamide, ainsi qu'un agent de polymérisation et un agent produisant de la réticulation En variante, on peut produire un gel non aqueux en polymérisant de l'iso5 butylène dans une base de kérosène, en présence d'un agent produisant de la réticulation Ce dernier gel présente l'avantage d'une conductivité thermique représentant environ 50 %O de la conductivité thermique d'un gel à base d'eau et, par suite, il isole mieux le liquide de stockage de chaleur Enfin, le 10 liquide de stockage de chaleur peut être contenu dans une-dépression ou cuvette du sol ou dans une cuve En iariante, le liquide de stockage de la chaleur peut - être une masse d'eau, naturelle ou artificielle. L'invention concerne également une centrale d'énergi E 15 solaire, utilisant un bassin de stockage de chaleur selon la présente-in-Vention et comportant une machine thermique pour extraire de la chaleur du-liquide de stockage de chaleur. De préférence, la machine thermique rejette de la chaleur dans la couche d'eau située au-dessus du gel Dans la forme préférée 20 de réalisation de l'invention, le fluide de travail de la machine thermique est différent du liquide de stockage de la chalet La machine thermique comprend alors un premier échangeur de chaleur en contact thermique avec le liquide de stockage de la chaleur, pour chauffer le fluide de travail, un convertisseur d'énergie répondant au passage du fluide de travail chauffé pour transformer en travail une partie de la chaleur du fluide de travail, et un second échangeur de chaleur en contact thermique avec la couche d'eau située au-dessus du gel pour condenser le fluide de travail après son passage dans le convertisseur. 30 De préférence, le fluide de travail est un fluide organique et la machine thermique est une turbine. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés, à titre d'exemples nullement limitatifs, et sur lesquels: :la figure 1 est une coupe d'un collecteur d'énergie solaire selon la présente invention, installé dans une cuvette ou dépres'sion du sol, et d'une centrale utilisant ce collecteur et la figure 2 est une coupe d'un collecteur d'énergie solaire selon la présente invention, disposé librement (ailleurs que dans une cuvette du sol). Si l'on se réfère maintenant à la figure 1, on voit que 5 l'indice de référence 10 désigne un bassin de stockage de chaleur, sous forme d'un collecteur d'énergie solaire selon la présente invention, installé dans une chlpression ou cuvette du sol. Le bassin comprend un liquide de stockage de chaleur, sous forme d'une première couche d'eau ll dans une cuvette 12 du sol 13, 10 la couche ll étant recouverte d'une couche 14 d'un gel qui est stable en présence du rayonnement solaire (indiqué par l'indice de référence 15) et qui est transparent à ce rayonnement solaire 15 Les constituants visibles et du proche infrarouge du rayonnement solaire sont absorbés de façon préférentielle dans la couche 11, de sorte que la température de l'eau de cette couche est élevée Le gel est assez épais pour isoler thermiquement la première couche d'eau 11 et empêcher une perte 'importante de chaleur par conduction vers le milieu ambiant situé au-dessus de la couche 14 Les côtés et le fond de la cuvette 12 du sol ont pour rôle-d'isoler les côté et le fond de la couche 11 pour empêcher une perte de chaleur Par suite, la couche 11 peut être maintenue au voisinage de 100 C alors que le milieu ambiant situé au-dessus de la couche 14 est à une température égale ou inférieure à environ 20 C. Le dispositif décrit ci-dessus convient pour collecter la chaleur du soleil et il s'adapte facilement au cas d'un collecteur pour une centrale ou qroupe électrogène En se référant à nouveau à la figure 1, on voit que le milieu ambiant, audessus de la couche 14, est de préférence une seconde couche 30 d'eau 16 qui est essentiellement transparente au rayonnement visible et au proche infrarouge et qui, en raison de sa proximité avec l'air, reste essentiellement à la température de l'air ambiant Si l'on tient compte de l'évaporation, on peut se dispenser d'une barrière 26 pour tirer avantage de l'action de 35 mélange exercée par le vent pour maintenir dans la couche 16. une température essentiellement constante Par suite, une différence de température relativement grande va exister entre les couches 11 et 16, cette différence étant maintenue par la nature isolante de la couche de qel 14. La forme préférée de centrale comprend une machine thermique pour extraire de la chaleur de la première couche d'eau 11, jouant le rôle de source de chaleur ou de source chaude, et pour 5 rejeter de la chaleur dans la seconde couche d'eau 16, jouant le rôle de piège de chaleur ou de source froide De préférence, la machine thermique 17 est une machine en circuit fermé fonctionnant selon le cycle de Rankine et qui utilise un fluide de travail différent de l'eau du collecteur Le premier échangeur de chaleur 18 de la machine thermique est en contact thermique avec la couche ll pour chauffer le fluide de travail de la machine thermique Le convertisseur 19 d'énernie, qui est représenté sous forme d'une turbine entraînant un générateur 20, répond au passage du fluide de travail chauffé pour transformer une partie de la chaleur du 15 fluide de travail en de l'énergie utile sous forme d'électricité. Un second échangeur de chaleur 21, en contact thermique avec la seconde couche d'eau 16, condense le fluide de travail provenant de la turbine 19 et fournit le fluide de travail condensé à une pompe 22 renvoyant ce condensat vers l'échangeur de chaleur 18. 20 La machine thermique 17 peut prendre la forme représentée dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 393 515 et No 3 409 782, o le fluide de travail est un liquide organique. Le collecteur 10 d'énergie solaire peut avoir n'importe quelle dimension tranversale correspondant à la quantité totale 25 de chaleur à accumuler en un temps donné et à l'équipement logistique associé à la création in situ de la barrière thermique 14 qui sera décrite ci-après Le collecteur peut être créé par un simple grattage mécanique du sol 13 pour former une dépression 12 ayant environ un mètre de profondeur, bien que cette dimension 30 ne soit pas fondamentale Si nécessaire, le fond et les côtés de la dépression 12 peuvent être traités pour les rendre imperméables à l'eau, le fond 23 de la dépression étant assombri par l'adcdition de noir de carbone ou par la mise en place d'une fouille de matière plastique noire sur la surface du sol La couche d'eau 35 li peut être noircie par l'addition d'une matière restant en suspension, afin d'augmenter la capacité d'absorption thermique de cette couche Fn variante, la couche 11 peut être une masse d'eau existante,à la surface de laquelle flotte la couche de gel, ou bien 6 2551802 l'on peut construire sur le sol une cuve peu profonde, comme indiqué dans la forme de réalisation représentée à la figure 2. Lorsqu'on crée le collecteur en formant une dépression dans la terre, on forme la première couche 11 en remplissant partiellement d'eau la dépression De préférence, cette couche a une profondeur de 25 à 30 cm et elle est recouverte d'une barrière 24 ayant la forme d'une feuille continue d'une matière plastique transparente comme du polyéthylène On ajoute ensuite un liquide, de préférence de l'eau, pour former une couche d'en10 viron 60 cm d'épaisseur; et l'on crée un gel in situ, comme décrit ci-après, par un procédé de polymérisation et de réticulation d'un composé convenable Après création du gel, on le recouvre d'une barrière 25 et l'on ajoute la seconde couche d'eau ayant une profondeur d'environ 25 à 30 cm On recouvre la surface j 5 de la couche 17 d'une barrière 26 comme une feuille de matière plastique-ou un dôme de matière plastique pour diminuer-les pertes par évaporation de cette couche 16 Lorsqu'il est achevé, le collecteur à trois couches comporte une première couche d'eau séparée de la seconde couche d'eau par une barrière thermique sous 20 forme d'un gel On crée de préférence in situ la couche de gel 14 en ajoutant un ingrédient actif à une couche liquide, en de faibles quantités telles que la conductivité thermique du gel résultant soit approximativement la même que celle du liquide. Dans une forme de l'invention, on utilise un hydro-gel. 25 Le liquide utilisé est alors de l'eau et l'ingrédient actif constitue un à dix pour-cent du poids de l'eau de la couche. Ainsi, on peut créer un collecteur d'énergie solaire dans un endroit éloigné, tout simplement en transportant vers cet endroit éloigné suffisamment de l'ingrédient actif Pour former un hydro30 gel, un exemple d'ingrédient actif est de l'acrylamide que l'on peut polymériser in situ de façon classique en présence d'un agent destiné à réticuler le polyacrylamide ainsi formé Des techniques classiques de polymérisation de l'acrylamide sont décrites, notamment, dans les références suivantes: J N Maizel, 35 "METHODS IN VIROLOGY", volume V ( 1971), page 179; et U R. Laemmue, 'NATURE", 227 ( 1970), page 630. Lorsqu'on doit transformer une masse d'eau existante en un collecteur d'énergie solaire, on peut créer tout d'abord la couche de gel en ajoutant à la masse d'eau des matières convenables. Une fois réalisde, la polymérisation et la réticulation, on peut avec une pompe envoyer de l'eau au-dessous d(u gel pour établir la première couche La seconde forme 10 A de réalisation de l'invention, reprm sentée à la fiqure 2, comprend une cuve 30 reposant sur le sol 31, la cuve étant isolée en 32 Dans cette cuve 30, il y a une couche 11 A de stockage de chaleur au-dessous d'une couche 14 A de gel, ces couches étant séparées par une-barrière analogue à celle représentée en 24 à la figure 1 ' Si le bassin 10 A doit 10 seulement jouer le rôle de source d'eau chaude, la couche 16 A d'eau n'est pas utilisée, et l'on peut disposer sur la surface supérieure du gel une barrière destinée à maintenir le gel propre. On peut également utiliser un gel non aqueux, et, en par. 15 ticulier, on peut utiliser un qel hydrocarboné La polymérisation et la réticulation peuvent s'effectuer in situ, comme par exemple en formant-du polyisobutylène dans du kérosène L'avantage d'utiliser un gel à base de kérosène plutôt qu'un gel à base aqueuse provient du fait que la qualité isolante du kérosène 20 est environ le double de celle de l'eau Par conséquent, il faut moins d'un gel à base de kérosène pour obtenir le même isolement thermique que celui offert par un gel à base d'eau. Des liquides hydrocarbonés autres que le kérosène, comme des huiles de paraffine ou de silicones, constituent des bases 25 convenables pour former un gel non aqueux Quel que soit le liquide hydrocarboné utilisé, le gel résultant va comprendre. du polyisobutylène réticulé Enfin, dans une autre disposition, la première couche, qui absorbe de préférence la chaleur, peut être un hydrate de sel présentant un point de fusion se situant 30 dans l'intervalle de température dans lequel fonctionne le fluid E de travail de la machine thermique. On pense que les avantages et les meilleurs résultats obtenus grâce à l'appareil de la présente invention ressortent bien de la description ci-dessus des diverses formes de réalisa35 tion de l'invention Il va de soi que de nombreuses modification peuvent être apportées à l'appareil et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1 Centrale, moteur ou groupe électrogène, cet équipement utilisant un bassin ( 10) de stockage de chaleur comprenant un liquide de stockage de chaleur, qui reçoit de la chaleur et dont la température est élevée à une valeur supérieure à celle d'un milieu ambiant, et une couche isolante et transparente ( 14) qui flotte sur le liquide et est assez épaisse pour isoler thermiquement le liquide et empêcher une perte importante de chaleur par conduction vers le milieu ambiant situé au-dessus de la couche isolante, l'équipement comprenant également une machine thermique destinée à extraire de la chaleur du liquide de stockage de chaleur et étant caractérisé en ce que la machine thermique rejette de la chaleur dans la couche d'eau. 2 Centrale, moteur ou groupe électrogène selon la revendication 1, cet équipement étant caractérisé en ce que la machine thermique fonctionne selon un cylce fermé de Rankine en utilisant un fluide de travail différent du liquide de stockage de la chaleur; et en ce que la machine thermique comprend un premier échangeur ( 18) de chaleur en contact thermique avec le liquide ( 11) de 20 stockage de chaleur pour chauffer le fluide de travail, un convertisseur d'énergie ( 19) répondant au passage du fluide de travail chauffé pour transformer en travail ou énergie une partie de la chaleur, et un second échangeur de chaleur ( 21) en contact thermique avec la couche d'eau ( 16) pour condenser le fluide de travail une fois celui-ci sorti du convertisseur ( 19). 3 Centrale, moteur ou groupe électrogène selon la revendication 2, cet équipement étant caractérisé en ce que le convertisseur ( 19) comprend une turbine, et en ce que le fluide de 30 travail est une matière organique.