Brevet FR2628510A1 — publié le 19890915

La présente invention est relative à une centrale électrique comportant une turbine entrai née par la détente de la vapeur d'un fluide porté à température de vaporisation au moyen d'une chaudiere solaire. On connaît déja de nombreuses réalisations de générateurs de vapeur pour I'entraînement d'une turbine commandant à son tour, par l'intermédiaire d'un réducteur approprie, une génératrice électrique débitant sur une charge d'utilisation directe ou sur un ensemble de batteries ou accumulateurs permettant de restituer ultérieurement l'énergie électrique ainsi emmagasinée. De la marnière la plus générale pour la mise en oeuvre d'un cycle de Carnot, l'installation comporte un générateur de vapeur, une turbine de détente, un condenseur recueillant la vapeur détendue et ramenant celle-ci à l'état liquide et une pompe de circulation renvoyant le liquide au générateur pour la reprise du cycle. On connaît par ailleurs des générateurs solaires, propres à fournir, en particulier par conversion électrique directe à travers des - cellules photovoltaïques, de l'énergie électrique. Toutefois, ces appareils sont habituellement coûteux et ne peuvent développer que des puissances réduites, sauf à prévoir des panneaux de cellules de dimensions considérables, qui sont délicats à fabriquer et difficiles å entretenir. Qr, dans de nombreux pays à fort ensoleillement, les infrastructures industrielles sont souvent destes, voire inexistantes, alors que la nécessité de disposer d'une énergie électrique à bon marché se fait particuliérement sentir. Xota. ,ent, dans beaucoup de régions du globe, en particulier mais non exclusivement dans des pays en voie de développement, il s'avère très utile de pouvoir disposer d'un ensemble peu onéreux, robuste, ne nécessitant qu'un très faible entretien et capable de fournir immédiatement une puissance électrique suffisante pour alimenter en courant une charge d'utilisation, par exemple une pompe à eau, des groupes de clinatisation, de petits ateliers industriels ou artisanaux, des habitations, etc... L'invention a pour but de répondre à ces objectifs au moyen d'une centrale électrique solaire qui soit simple, n'exige pratiquement aucune maintenance, soit aisément transportable et présente une grande, voire totale autonomie. Elle a pour but également de fournir un ensemble étanche pour la circulation d'un fluide caloporteur approprié, notamment à la traversée de la chaudière solaire qui assure la vaporisation de ce fluide avant sa détente dans une turbine. A cet effet, la centrale solaire selon l'invention, comportant une turbine de détente de la phase vapeur d'un fluide caloporteur, entraînée à grande vitesse et commandant par l'intermédiaire d'un réducteur la rotation d'un générateur de courant, un condenseur pour la reprise de la vapeur détendue et une pompe ou éjecteur pour l'alimentation par la phase liquide du fluide d'une chaudière de vaporisation, se caractérise en ce que ladite chaudière est formée au moyen d'un faisceau de tubes de circulation parallèles, maintenus à écartement déterminé par des plaques transversales traversées par les tubes qui sont solidaires de ces plaques formant ailettes, les tubes débouchant à leurs extrémités dans des collecteurs, respectivement pour l'arrivée du fluide caloporteur sous forme liquide délivré par la pompe d'alimentation et pour la sortie de la vapeur à l.'opposé. De préférence, les plaques formant ailettes solidarisant les tubes du faisceau sont constituées par des tôles mincies, à profil rectangulaire, les tubes étant disposés dans la partie centrale des plaques selon un plan médian de celles-ci. Les ailettes sont parallèles entre elles dans le faisceau et espacées selon la longueur des tubes d'une distance usuellement comprise entre 2 et 5 Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le faisceau des tubes est disposé avec les ailettes dans un logement, fermé en partie basse par une paroi métallique doublée d'une couche d'un matériau isolant thermique et en partie haute par au moins ' une plaque de verre transparente aux rayons solaires et s'étendant parallèlement aux tubes. Dans ces conditions, la phase liquide du fluide caloporteur, introduite dans le faisceau des tubes par le collecteur correspondant, recueille et absorbe les calories provenant du rayonnement solaire, par et à travers les ailettes, l'apport de calories étant tel qu'il permette la vaporisation du fluide, alimentant la turbine. Avantageusement, ce fluide caloporteur est constitué par un mélange de gaz liquéfiable ou autres gaz, à forte chaleur latente de vaporisation. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la plaque de verre fermant le logement contenant le faisceau des tubes, comporte dans sa face tournée vers le faisceau des facettes en forme de pointe de diamant. Cette disposition permet notamment à la plaque de verre de fournir à la chaudière des calories avec un facteur de multiplication de la température ambiante de l'exterieur du logement vers l'intérieur, pouvant varier selon le cas entre 3 et 5. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, chaque tube du faisceau comporte au voisinage du collecteur d'alimentation en fluide caloporteur sous phase liquide, un diaphragme propre à réaliser une pulvérisation du liquide pour former une émulsion à l'intérieur du tube afin de faciliter son évaporation. D'autres caractéristiques d'une centrale électrique à chaudière solaire établie selon l'invention apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux figures du dessin annexé sur lesquelles on peut voir - à la Figure 1, une vue extérieure en perspective de la centrale électrique å chaudière solaire selon l'invention. - à la Figure 2, un schéma synoptique, illustrant le fonctionnement en boucle fermée de l'installation. - à la Figure 3, une vue détaillée à plus grande échelle de la chaudière solaire ainsi que des différentes parties de l'installation mises en oeuvre au moyen de cette chaudière. - à la Figure 4, une vue de détail, à encore plus grande échelle, illustrant le montage des tubes de la chaudière. - à la Figure 5, un autre détail entrant dans la réalisation de chacun des tubes de la chaudière. Comme on le voit sur la Figure 1, la centrale électrique à chaudière solaire selon l'invention, désignée dans son ensemble sous la référence 1, comporte un bati ou caisson de protection extérieur 2, muni sous sa face inférieure de chapes de support 3 pour des roues 4, permettant notamment de déplacer facilement la centrale sur le sol à la fois pour la disposer à proximité du lieu d'utilisation de l'énergie électrique produite et également pour l'orienter de la meilleure façon vis-à-vis du rayonnement solaire, en fonction de la latitude et des heures d'ensoleillement disponibles. Le caisson 2 comporte une verrière 5 disposée selon une face inclinée et constituée d'un ensemble de panneaux de verre 6, montés côte à côte dans un châssis de support 7 afin de former une surface continue recevant le rayonnement solaire. La Figure 2 illustre schématiquement l'installation mise en oeuvre dans la centrale électrique considérée. Celle-ci comporte notamment une chaudière 10, dont les caractéristiques conformes à l'invention seront décrites plus loin, destinée à produire de la vapeur sous pression par vaporisation en continu d'un fluide caloporteur, introduit à l'entrée de la chaudière sous forme liquide. La vapeur délivree par la chaudière 10 est ainsi envoyée par une conduite 11 à une turbine à gaz ou à vapeur 12, tournant à très grande vitesse, de l'ordre de 90.000 T/mn. Sur l'axe 13 de la turbine est monté un réducteur 14 au 1/30 dans l'exemple de réalisation plus spécialement considéré, de telle sorte que son arbre de sortie 15 entraîne à environ 3.000 T/mn. une génératrice à courant continu 16, d'une puissance de 3 Kw.Par des conducteurs électriques 17 et 18, cette génératrice peut ainsi venir charger un ensemble de batteries 19 sous 24 volts. Ces batteries fournissent alors un courant de 1.600 A/h, sous tension de 48 volts, à un groupe convertisseur, comportant un moteur à courant continu 20 de 7 Kw et un alternateur 21 tournant l'un et l'autre à 1.500 T/mn et permettant de délivrer à une charge d'utilisation quelconque (non représentée? un courant alternatif triphasé sous 380 volts. Bien entendu, il doit être dès à présent considéré que les différentes valeurs des puissances, courants, tensions ou vitesses de rotation des diverses parties de l'installation, telles que données ci-dessus, ne concernent qu'un exemple de réalisation particulier, qui pourrait naturellement etre modifié dans la plus large mesure quant à ces valeurs, sans sortir du cadre de l'invention, la centrale électrique envisagée pouvant être adaptée aussi largement que souhaité, en fonction des puissances à fournir et de ses conditions d'utilisation. La vapeur détendue dans la turbine 12 est reprise par un conduit 22 et renvoyée vers un ensemble condenseur 23, dont le détail sera vu ci-après. A la sortie de celui-ci, le fluide caloporteur sous phase liquide est envoyé par une conduite 24 vers une pompe de circulation ou un éJecteur 25 qui le renvoie par une conduite 26 à l'entrée de la chaudière 10, l'installation fonctionnant selon un cycle continu. La Figure 3 représente à plus grande échelle le détail de la chaudière solaire 10 mise en oeuvre dans l'installation décrite ci-dessus, ainsi que des différents accessoires essentiels de. cette dernière. A l'intérieur du caisson, en particulier sous la verrière 5, est notamment ménagée un logement 30 fermé à sa partie supérieure par les plaques de verre 6 à travers lesquelles passe le rayonnement solaire, celles-ci comportant dans leurs faces dirigées vers l'intérieur du logement 30, des facettes 31 en pointe de diamant ou analogue, de manière à concentrer de la meilleure manière possible le rayonnement solaire reçu. Dans son fond opposé à la verrière 5, le logement 30 comporte une plaque de fermeture 28 en tôle, de préférence peinte en noir pour limiter l'absorption calorifique, cette plaque étant calorifugée par le dessous par le noyen d'un revetement 29 isolant, en laine de verre par exemple. A l'intérieur du logement 30 est disposé, conformément à l'invention, un faisceau de tubes fins' 32, parallèles entre eux, ces tubes étant raccordes à leurs extrémités, respectivement à un collecteur d'admission 33 pour le fluide caloporteur acheminé sous phase liquide et à l'opposé à un collecteur 34 pour la sortie de la vapeur de celui-ci, produite par l'échauffement de ce fluide à la traversée des tubes. La vapeur provenant du collecteur 34 se recueille dans un ballon d'expansion 35 d'où elle est renvoyée par la conduite 11 vers la turbine 12 de la manière décrite précédemment. Le contrôle du débit de vapeur est assure par une électro-vanne 36 associée à une soupape de sécurité 37 et à un pressostat de conande 38. Avantageusement, la conduite 11 alimentant la turbine 12 peut être doublée par un conduit de by-pass 39, muni également d'une électro-vanne 40. Le condenseur 23 recueillant la vapeur détendue à la sortie de la turbine 12 comporte de préférence une enceinte 41 réunie à une bouteille 42 de refroidissement auxiliaire, parcourue par un serpentin 43 raccordé par des liaisons 44 et 45 au condenseur, pour améliorer le rendement de l'installation et établir entre l'entrée et la sortie de la turbine un écart de températures plus éleve. Le fluide caloporteur en phase liquide recueilli par le conduit 24 est renvoyé vers la pompe ou éjecteur 25, commandé par l'admission dans une chambre 46 d'un débit de vapeur dérivé, en amont de la turbine, par une conduite 47 sur laquelle est à nouveau disposée une électro-vanne.A la sortie de l'éjecteur 25, sur la conduite de distribution 26, est pontée une électro-vanne de cowrande 27, le débit liquide pouvant être ensuite réparti selon plusieurs voies parallèles, respectivement 48, 49, 50, correspondant à autant de faisceaux de tubes 32 de la chaudière. Sur chaque voie est prevue une électro-vanne 51, 52 ou 53. La Figure 4 illustre de façon encore plus explicite le détail de la réalisation d'un faisceau de tubes 32, notamment au voisinage du raccordement de ces derniers avec le collecteur d'entrée 33 correspondant. En particulier, on peut voir sur le dessin que les tubes du faisceau sont ici groupés, en deux fois quatre tubes, ceux-ci étant solidarisés entre eux par des ailettes transversales 54 permettant d'améliorer la transmission calorifique aux tubes et par suite au fluide caloporteur qui les traverse. La également, la disposition des tubes et leur agencement relatif vis-à-vis des ailettes n'a aucun caractère limitatif, Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, les ailettes 54 peuvent présenter un profil rectangulaire, les tubes étant disposés dans la région médiane de ces ailettes. Avantageusement, les ailettes 54 se présentent sous la forme de tôles minces, espacées d'une ailette à la suivante d'une distance d'environ 3 mm., les tubes 32 présentant pour leur part un diamétre interne de l'ordre de 15 mm. Ces tubes, réalisés en cuivre ou en tout autre métal bon conducteur de la chaleur, s'étendent dans le logement 30 entre leurs collecteurs d'extrémité 33 et 34 sur une longueur de l'ordre de 1020 mm.En outre, chaque tube 32 comporte utilement au voisinage du collecteur d'admission 33 un organe de raccordement 55, dans lequel est inséré transversalement un disque 56 percé en son centre d'un orifice 57 (Figure 5), de très faible diamétre (de l'ordre de 0,3 mm), ce disque jouant le rôle d'un diaphragme en permettant au fluide caloporteur provenant sous pression d'environ 4 bars du collecteur 33, de subir à sa traversée du diaphragme une pulvérisation brutale, ceci afin de faciliter sa vaporisation ultérieure par les calories recueillies par les ailettes 54 en provenance de la verrière 5. On réalise ainsi une centrale électrique à chaudière solaire de conception extrêmement simple et dont l'efficacité du fonctionnement la rend adaptée à de très nombreux usages, avec un coût d'exploitation réduit et une très grande sécurité de fonctionnement. Tout specialement, on peut souligner que pour un ensoleillement normal avec une surface de vitrage ne dépassant pas 10 m2, il est possible grâce à l'appareil de fournir une puissance pouvant aller jusqu'a 12 Kw. La conception de la verrière et en particulier des plaques de verre qui la composent, permet par ailleurs d'obtenir un coefficient multiplicateur de la température ambiante, de l'extérieur vers l'intérieur, supérieur à 3. Ainsi, pour une température externe de 28-, la vapeur dans la chaudière peut etre portée à plus de 80', ce qui, en raison des pressions mises en Jeu et de la nature du fluide caloporteur utilisé, est largement suffisant pour produire una vapeur apte à actionner la turbine dans des conditions normales de fonctionnement. Avantageusement, le fluide caloporteur est constitué par un mélange azéotrope de produit liquéfiable ou autres gaz analogue présentant une forte chaleur latente de vaporisation. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus donné seulement à titre indicatif ; elle en embrasse au contraire toutes les variante. REVENDICATIONS 1 - Centrale électrique à chaudière, comportant une turbine de détente de la phase vapeur d'un fluide caloporteur, entraînée à grande vitesse et commandant par l'intermédiaire d'un réducteur la rotation d'un générateur de courant, un condenseur pour la reprise de la vapeur détendue et une pompe ou éjecteur pour l'alimentation par la phase liquide du fluide d'une chaudière de vaporisation, caractérisée en ce que ladite chaudière (10) est formée au moyen d'un faisceau de tubes de circulation parallèles (32), maintenus à écartement déterminé par des plaques transversales traversées par les tubes qui sont solidaires de ces plaques formant ailettes (54), les tubes débouchant à leurs extrémités dans des collecteurs (33-34), respectivement pour l'arrivée du fluide caloporteur sous forme liquide délivré par la pompe d'alimentation (25) et pour la sortie de la vapeur à l'opposé. 2 - Centrale électrique selon la revendication 1, caractérisée -en ce que les plaques formant ailettes (54) solidarisant les tubes (32) du faisceau sont constituées par des tales minces, notamment à profil rectangulaire, les tubes étant disposés dans la partie centrale des plaques selon un plan médian de celles-ci. 3 - Centrale électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ailettes (54) sont parallèles entre elles dans le faisceau et espacées selon la longueur des tubes (32) d'une.distance usuellement compri,se entre 2 et 5 mm. 4 - Centrale électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le faisceau des tubes (32) est disposé avec les ailettes dans un logement (30), fermé en partie basse par une paroi métallique (28) doublée d'une couche (29) d'un matériau isolant thermique et en partie haute par au moins une plaque de verre (6) transparente aux rayons solaires et s'étendant parallèlement aux tubes. 5 - Centrale électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le fluide caloporteur est constitué par un mélange de gaz liquéfiable ou gaz analogues, à forte chaleur latente de vaporisation. 6 - Centrale électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que la plaque de verre (6) fermant le logement (30) contenant le faisceau des tubes (32), comporte dans sa face tournée vers le faisceau des facettes (31) en forme de pointe de diamant. 7 - Centrale électrique selon l'une quelconque des revendications 1 a 6. caractérisée en ce que chaque tube (32) du faisceau comporte au voisinage du collecteur d'alimentation (33) en fluide caloporteur sous phase liquide, un diaphragme (56) propre à réaliser une pulvérisation du liquide pour former une émulsion à l'intérieur du tube afin de faciliter son évaporation.