Brevet FR2819044A1 — publié le 20020705

I RECEPTEUR SOLAIRE CENTRAL La présente invention se rapporte à un récepteur solaire central et, en particulier, à une fenêtre pour une utilisation dans ce genre de récepteur, destinée à admettre et à laisser passer un rayonnement solaire concentré. La présente invention concerne en particulier un récepteur solaire central qui comprend un boîtier muni d'un absorbeur solaire conçu pour absorber un rayonnement solaire concentré à des températures élevées, habituellement supérieures à 500 C, et un fluide de travail qui y circule dans une relation d'échange de chaleur indirect ou direct avec l'absorbeur solaire. Le boîtier d'un tel récepteur solaire est formé avec une ouverture située dans la région du foyer d'un système de concentration de rayonnement solaire, et maintenant une fenêtre conçue pour admettre un i5 rayonnement solaire hautement concentré provenant du système de concentration et à le faire passer vers l'absorbeur solaire. L'absorbeur solaire utilisé dans des récepteurs solaires centraux du type précité est souvent un absorbeur solaire volumétrique qui est fabriqué sous la forme d'une matrice tridimensionnelle permettant qu'un fluide de travail y circule, en transférant ainsi la chaleur vers le fluide de travail. IL 97 091 et US 5 323 764 décrivent, par exemple, ce genre de récepteur solaire. Normalement, le fluide de travail utilisé dans des absorbeurs solaires centraux soit sert de fluide porteur de chaleur, soit est conçu pour assurer une réaction chimique endothermique induite par chaleur, de façon possible par catalyse, entre des composants du fluide de travail. Pour des applications industrielles diverses, comme le fonctionnement de turbine à gaz servant à générer de l'électricité, ou l'accomplissement de réactions endothermiques du type spécifié, il est nécessaire de permettre au fluide de travail de circuler à travers le système sous une pression élevée d'au moins environ 2 atmosphères. A cette pression, la densité du fluide de travail gazeux qui circule est plus élevée qu'elle ne le serait s'il était dans l'état gazeux non pressurisé et, par conséquent, les pertes de pression pendant la circulation sont plus faibles. L'un des problèmes les plus critiques associés à un récepteur solaire central pressurisé comportant une fenêtre est la résistance mécanique de la fenêtre. Les matières qui présentent les propriétés optiques et thermiques nécessaires ont une tendance à la fragilité, ce qui signifie que, bien qu'elles puissent résister à des contraintes de compression importantes, elles tendent à se fendre ou à se briser en éclats lorsqu'elles font l'objet d'une application de contraintes de traction même relativement faibles. Les contraintes sont créées dans la fenêtre par la pression de gaz qui se trouve à l'intérieur du récepteur et également par une dilatation thermique irrégulière de la fenêtre et d'autres composants du récepteur qui sont en contact avec celle-ci lors d'une élévation en température pendant le fonctionnement. Les brevets US 5 323 764 et US 5 421 322 décrivent un récepteur solaire central à fenêtre ayant une forme tronconique comportant des s extrémités ouvertes avant de grand diamètre et arrière de petit diamètre, formées toutes les deux avec des rebords cylindriques avant et arrière sur lesquelles la fenêtre est fixée au boîtier au niveau de ses extrémités avant et arrière. L'extrémité avant du boîtier est formée avec une rainure annulaire de positionnement et le rebord avant de la fenêtre est reçu dans celle-ci et y est fixé au moyen d'un joint torique. Le rebord arrière de la fenêtre est fixé à l'intérieur d'un bloc métallique qui comprend, entre autres, des soufflets d'absorption de dilatation thermique et un réflecteur conçu pour protéger le bloc et également les soufflets du rayonnement solaire concentré pénétrant par la fenêtre. C'est un objectif de la présente invention que de proposer une nouvelle fenêtre pour une utilisation dans un récepteur solaire central et un nouveau récepteur solaire central utilisant celle-ci. Selon un premier aspect, la présente invention propose un récepteur solaire central comprenant: un boîtier à axe de symétrie comportant des extrémités avant et arrière et comportant une ouverture au niveau de l'extrémité avant; une fenêtre tubulaire allongée montée dans ladite ouverture coaxialement au boîtier, la fenêtre comportant une extrémité avant ouverte qui est fixée audit boîtier au niveau de son extrémité avant, et une extrémité arrière fermée qui est disposée adjacente à l'extrémité arrière du boîtier et qui est libre de toute fixation, la fenêtre comportant une première surface faisant face à un rayonnement solaire concentré incident et une seconde surface faisant face vers l'intérieur du boîtier; un absorbeur solaire volumétrique disposé à l'intérieur dudit boîtier et s'étendant autour et le long de ladite fenêtre allongée pour absorber un rayonnement solaire qui l'a traversé; et une entrée et une sortie de fluide de travail formées dans ledit s boîtier de façon à, respectivement, y injecter et en extraire un fluide de travail sous pression d'une manière qui permet une interaction du fluide de travail avec ledit absorbeur volumétrique. Selon un autre aspect de la présente invention, on propose une fenêtre pour une utilisation dans un récepteur solaire central du type précité, destinée à admettre et à laisser passer dans le récepteur un rayonnement solaire incident hautement concentré, la fenêtre ayant une forme tubulaire allongée à extrémité avant ouverte conçue pour être fixée dans ladite ouverture du récepteur, et à extrémité arrière fermée libre de tout moyen de fixation. La conception de la fenêtre de la présente invention et la façon dont on la monte dans le récepteur solaire central, la fenêtre n'étant ainsi fixée qu'au niveau de son extrémité avant, simplifie la conception du récepteur et évite que la fenêtre ne subisse des contraintes indues, ce qui la rend appropriée pour une utilisation à des températures et à des pressions élevées. De préférence, la fenêtre a une forme tronconique, son extrémité avant ouverte constituant une extrémité de grand diamètre et son extrémité arrière fermée constituant une extrémité de petit diamètre. Cependant, la fenêtre peut avoir une quelconque autre forme à symétrie axiale allongée, par exemple, une forme cylindrique, auquel cas son extrémité avant peut être formée avec un rebord ayant un diamètre plus grand que le reste de la fenêtre. De préférence, l'extrémité avant de la fenêtre est fixée au boîtier par des dispositifs de montage élastiques, comme des attaches chargées par ressort, qui exercent en permanence une force axiale sur le corps de la fenêtre, laquelle force maintient la fenêtre en place et empêche qu'elle ne se déplace lorsque des forces lui sont appliquées pendant des cycles thermique et de pression lorsque le récepteur est en fonctionnement. De préférence, I'extrémité arrière fermée de petit diamètre de la fenêtre a la forme d'une surface concave, de type chapeau, fusionnant de manière continue avec la surface conique de la fenêtre. Cette forme de l'extrémité fermée et la forme tronconique du corps de la fenêtre garantissent que toute pression exercée sur la fenêtre à partir de l'intérieur du boîtier produit des composantes de force agissant perpendiculairement et le long de la surface de la fenêtre, lesquelles n'impliquent que des contraintes de compression plutôt que des contraintes de traction qui peuvent provoquer une rupture de la fenêtre. De préférence, I'entrée de fluide de travail est située adjacente à l'extrémité arrière du boîtier, coaxialement à celle-ci, de sorte qu'elle fait face à ladite extrémité fermée de la fenêtre. Plus préférentiellement encore, on monte un absorbeur solaire supplémentaire dans le boîtier entre l'entrée de fluide de travail et l'extrémité fermée de la fenêtre, de façon à absorber un rayonnement solaire concentré qui a traversé l'extrémité fermée. Ainsi, I'entrée de fluide de travail est protégée contre une pénétration directe dans celle-ci d'un rayonnement solaire concentré et est préchauffée, tout en pénétrant le récepteur avant son interaction avec ledit absorbeur solaire volumétrique. L'absorbeur solaire supplémentaire peut également être un absorbeur solaire volumétrique. Afin de comprendre l'invention et la façon dont on peut la mettre en oeuvre, on va maintenant décrire un mode de réalisation préféré, seulement à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un récepteur solaire central selon la présente invention; et la figure 2 est une vue agrandie de la zone A du récepteur de la figure 1. Un récepteur solaire central selon la présente invention, illustré sur la figure 1, est conçu pour être associé avec un système de concentration de rayonnement solaire (non représenté), et comprend un boîtier métallique 1 ayant un axe longitudinal X, une extrémité avant 3 possédant une ouverture 4 faisant face à un rayonnement solaire concentré, une extrémité arrière 6 et des parois latérales extérieures 8. Le récepteur comprend en outre une fenêtre tubulaire allongée 10 montée dans l'ouverture 4 coaxialement au boîtier 1, la fenêtre étant apte à admettre un rayonnement solaire hautement concentré provenant du système de concentration de rayonnement solaire, et étant capable de résister à des températures élevées. Dans ce but, la fenêtre peut être constituée d'une matière classique quelconque présentant des propriétés optiques et thermiques comme, par exemple, de la silice fondue. La fenêtre 10 comporte une extrémité avant ouverte de grand diamètre 11, une extrémité arrière fermée de petit diamètre 12 et, entre elles, un corps de fenêtre tronconique 13, une première surface 16 faisant face à un rayonnement solaire concentré incident et une seconde surface 18 faisant face vers l'intérieur du boîtier 1. Le corps 13 de fenêtre a une section transversale de forme circulaire, mais sa forme peut être d'un quelconque autre type souhaité. En outre, le corps de fenêtre peut être cylindrique, I'extrémité avant de grand diamètre ayant la forme d'un rebord. Si on le souhaite, la fenêtre 10 peut être du type double vitrage, un espace étant formé entre les vitres intérieure et extérieure. La fenêtre 10 est maintenue dans le boîtier 1 seulement au moyen de son extrémité de grand diamètre 11 qui est fixée dans l'ouverture 4 au niveau de l'extrémité avant 3 du boîtier 1, comme le montre schématiquement plus en détail la figure 2. L'extrémité avant 3 du boîtier est formée avec une rainure annulaire 20 ayant une partie inférieure de rainure munie d'un joint annulaire 22 et une paroi latérale 24 de rainure. L'extrémité de grand diamètre 11 de la fenêtre est fixée dans la rainure annulaire 20 au moyen de plusieurs dispositifs de montage réglables chargés par ressort 30 (la figure 2 en représentant un), situés le long de la circonférence de l'ouverture 4 du boîtier. Chaque dispositif de montage 30 comprend une attache, de type champignon, 40 comportant une tête excentrique 41 et un pied 42 muni d'une collerette 43. La tête 41 de l'attache 40 a une circonférence conique pour correspondre au profil du corps tronconique 13 de la fenêtre 10, et elle est garnie d'un ruban tendre en céramique 44 apte à contacter la fenêtre sans l'endommager. La collerette 43 de l'attache 40 est maintenue entre un premier ressort circulaire 45 et une bride 46 pressée par un second ressort 48. Le réglage de l'attache 40 se fait en la faisant tourner autour de son axe jusqu'à ce que le ruban 44 de la tête excentrique 41 bute contre la seconde surface 18 du corps 13 de la fenêtre, en exerçant ainsi une pression adéquate sur la fenêtre 10, et les ressorts 45 et 48 sont conçus pour maintenir cette pression en permanence. Du fait de la forme tronconique du corps 13 de la fenêtre, cette pression produit une force axiale poussant la fenêtre vers le joint 22 au fond de la rainure annulaire 20 pour maintenir la fenêtre en place et empêcher qu'elle ne se déplace lorsque des forces agissent sur celle-ci pendant des cycles thermique et de pression lors du fonctionnement du récepteur. L'extrémité arrière fermée de petit diamètre 12 de la fenêtre 10 a la forme d'une surface de type chapeau fusionnant régulièrement avec le corps tronconique 13 de la fenêtre. Puisque l'extrémité de petit diamètre 12 est dépourvue de tout moyen de fixation, sa surface de type chapeau peut avoir une forme quelconque souhaitée, par exemple, une forme concave, sphérique, ou non sphérique, ou bien elle peut même avoir une forme plate. Le récepteur comprend en outre un premier absorbeur volumétrique tubulaire 50 s'étendant autour du et faisant face au corps tronconique 13 de la fenêtre 10, et un second absorbeur solaire volumétrique en forme de disque de type à flux traversant 52, disposé au s niveau de l'extrémité arrière du boîtier 1 et faisant face à l'extrémité fermée 12 de la fenêtre 10. Les absorbeurs 50 et 52 définissent, avec la seconde surface 18 de la fenêtre 10, une chambre de réception 53. Le premier absorbeur volumétrique 50 comporte une base tronconique 54 munie d'un groupement d'éléments absorbeurs de type épi 56 espacés les uns des autres et faisant saillie d'une face, de la base 54 vers la fenêtre 10. Cependant, on peut donner à l'absorbeur 50 une toute autre conception appropriée. Par exemple, il peut ne pas être tronconique, mais plutôt peut avoir une forme polyédrique - prismatique, cylindrique, parabolique, elliptique, ou analogue. La configuration de type épi des éléments absorbeurs 56 n'est pas primordiale, et l'on peut également utiliser une toute autre configuration appropriée, comme, par exemple, des tiges, des tubes cylindriques creux, des troncs, des panneaux plats, et analogues. Le second absorbeur volumétrique 52 peut avoir une conception similaire à celle décrite ci-dessus par rapport à l'absorbeur 50, à une différence près que le corps de base de l'absorbeur 52 doit être percé, ou conçu autrement, pour laisser passer un fluide de travail. Il peut également être de tout autre type approprié comme, par exemple, de type nid d'abeilles, de type grille, de type treillis, de type mousse, etc. La forme de disque parallèle de l'absorbeur solaire volumétrique 52 n'est pas primordiale, et l'on peut également utiliser toute autre forme appropriée. Par exemple, l'absorbeur 52 peut avoir une forme de dôme, peut avoir la forme d'un disque à faces non parallèles, d'un disque à trous, et analogue. Chaque absorbeur 50 ou 52 est réalisé à partir d'une quelconque matière appropriée résistant à la chaleur, comme une matière à base de céramique, de l'alliage métallique revêtu de céramique, du carbure de silicium, de l'oxyde d'aluminium, de l'acier inoxydable de type spécial, de l'alliage de nickel, ou analogue. Le récepteur comprend en outre un conduit 58 d'entrée de fluide de travail situé au niveau de l'extrémité arrière 6 du boîtier, coaxialement à celle-ci, servant à l'entrée d'un fluide de travail dans la chambre de réception 53. Le conduit 58 comporte un entonnoir d'entrée 59 de io dimension transversale supérieure à celle de l'extrémité fermée 12 de la fenêtre. Le second absorbeur volumétrique 52 décrit ci-dessus est, de préférence, monté dans l'entonnoir 59, ce par quoi il garantit la protection du conduit 58 contre un rayonnement solaire concentré pénétrant la fenêtre au niveau de son extrémité fermée 12, et un préchauffage, jusqu'à un certain point, de tout le fluide de travail par le petit absorbeur 52 avant qu'il ne soit injecté dans la chambre de réception 53. Le récepteur comprend en outre une chambre annulaire 60 de sortie de fluide de travail entourant l'entonnoir 59 d'entrée, un orifice annulaire 62 de sortie situé à l'arrière du grand absorbeur solaire volumétrique 50, et un évent tubulaire 64 de sortie destiné à éliminer le fluide de travail de la chambre de réception 53. Le fluide de travail utilisé dans le récepteur solaire central de la présente invention est, de préférence, un gaz comme de l'air qui est apte à circuler dans la chambre de réception 53 à des températures élevées (d'environ 500 C et plus) et à des pressions élevées d'au moins environ 2 atmosphères. Le gaz de travail peut être de n'importe quel type approprié pour servir de porteur de chaleur pour éliminer la chaleur générée dans l'absorbeur solaire. De plus, ou en variante, il peut être constitué d'un mélange de deux composants ou plus qui, lors du contact avec I'absorbeur solaire chaud, sont induits à réagir les uns avec les autres, c'est-à-dire développer un processus thermochimique. Dans ce dernier cas, les éléments en saillie 56 de l'absorbeur volumétrique 50 peuvent être revêtus d'un catalyseur approprié. On doit noter qu'il n'est pas nécessaire que la géométrie de l'entrée et de la sortie du fluide de travail sous pression soit telle que décrite cidessus, mais plutôt, on peut la modifier pour qu'elle réponde à des exigences spécifiques de conception. Le boîtier 1 comprend en outre une matière isolante 65 qui remplit tout son volume entre les parois extérieures 8 de boîtier et la base 54 du premier absorbeur volumétrique 50, et qui entoure également le conduit 58 d'entrée, l'évent 64 de sortie et la chambre annulaire 60 de sortie. En fonctionnement, un rayonnement solaire concentré est admis via l'extrémité de grand diamètre 11 de la fenêtre 10. La majeure partie du rayonnement pénètre le corps tronconique 13 de la fenêtre et heurte les éléments d'absorbeurs 56 du premier absorbeur solaire volumétrique 50. Le rayonnement solaire incident qui ne pénètre pas le corps 13 de la fenêtre pénètre l'extrémité arrière fermée 12 de la fenêtre et heurte le second absorbeur volumétrique 52. Les absorbeurs solaires 50 et 52 montent ainsi en température. Le fluide de travail sous pression est injecté dans le récepteur via le conduit 58 d'entrée et son entonnoir 59 d'entrée, dans lequel il circule à travers le second absorbeur volumétrique 52 et est ainsi chauffé jusqu'à un certain point avant de pénétrer la chambre de réception 53. Dès qu'il est passé dans le second absorbeur 52, le fluide de travail s'écoule vers et le long de l'extrémité fermée 12 de la fenêtre et, en outre, le long du corps tronconique 13 de la fenêtre 10, la fenêtre étant ainsi refroidie sur toute sa surface. On peut obtenir le même effet avec une fenêtre de conception double vitrage, comme mentionnée ci-dessus, o le fluide de travail circule le long de l'espace entre les vitres, sous réserve de prévoir des trajets de fluide appropriés dans la vitre intérieure de la fenêtre, au niveau des extrémités avant et arrière de la fenêtre. Dès qu'il a approché la zone de la chambre de réception 53 adjacente à l'extrémité avant 3 du boîtier, le fluide de travail suit un chemin inverse et circule à travers l'absorbeur volumétrique 50 en rencontrant le groupement de ses éléments 56, o il est chauffé et/ou est impliqué dans une réaction chimique endothermique. Le fluide de travail chaud et/ou le produit de réaction pénètre en outre la chambre annulaire d'entrée 60 via les orifices de sortie 62 et est déchargé via l'évent de sortie 64, par exemple, pour faire fonctionner des turbines produisant de l'énergie électrique. En fonctionnement, tout déplacement de la fenêtre 10 par rapport au boîtier de récepteur est compensé par les dispositifs de montage chargés par ressort 30. Toute dilatation thermique de l'un quelconque des s15 composants du récepteur, qu'ils soient symétriques ou asymétriques, n'est pas transmise à la fenêtre 10 du fait qu'elle ne se produit qu'au niveau de l'extrémité 1 1 de grand diamètre seulement. On comprendra que les modes de réalisation décrits ci-dessus ne représentent qu'un exemple d'un récepteur solaire central et d'une fenêtre utilisée ici selon la présente invention, et que la portée de la présente invention telle qu'elle est définie dans les revendications couvre totalement d'autres modes de réalisation qui apparaîtront évidents à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Récepteur solaire central comprenant: un boîtier à symétrie axiale (1) comportant des extrémités avant (3) et arrière (6) et comportant une ouverture (4) au niveau de l'extrémité avant; une fenêtre tubulaire allongée (10) montée dans ladite ouverture coaxialement au boîtier (1), la fenêtre comportant une extrémité avant ouverte (11) qui est fixée audit boîtier (1) au niveau de son extrémité avant (3), et une extrémité arrière fermée (12) qui est disposée adjacente à l'extrémité arrière (6) du boîtier (1) et qui est libre de toute fixation, la fenêtre (10) comportant une première surface (16) faisant face à un rayonnement solaire concentré incident et une seconde surface (18) faisant face vers l'intérieur du boîtier (1); un absorbeur solaire volumétrique (50) disposé à l'intérieur dudit boîtier (1) et s'étendant autour et le long de ladite fenêtre allongée (10) pour absorber un rayonnement solaire qui l'a traversé; et une entrée et une sortie de fluide de travail formées dans ledit boîtier (1) de façon à, respectivement, y injecter et en extraire un fluide de travail sous pression d'une manière qui permet une interaction du fluide de travail avec ledit absorbeur volumétrique (50). 2. Récepteur solaire central selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité avant (11) de la fenêtre est fixée au boîtier (1) par des dispositifs de montage élastiques (30) placés autour de l'ouverture (4) dudit boîtier (1). 3. Récepteur solaire central selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de montage (30) sont des attaches chargées par ressort (40). 4. Récepteur solaire central selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite extrémité arrière fermée (12) de la fenêtre (10) a une forme incurvée de manière concave, de type chapeau. 5. Récepteur solaire central selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite extrémité arrière fermée (12) de la fenêtre (10) est plate. 6. Récepteur solaire central selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que l'entrée de fluide de travail est située adjacente à l'extrémité arrière (6) du boîtier (1), coaxialement à celle-ci, de façon à faire face à ladite extrémité fermée (12) de la fenêtre (10). 7. Récepteur solaire central selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un absorbeur solaire supplémentaire (52) monté dans le boîtier (1) entre l'entrée de fluide de travail et l'extrémité fermée (12) de la fenêtre (10). 8. Récepteur solaire central selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit absorbeur supplémentaire (52) a une dimension transversale supérieure à celle de l'extrémité fermée (12) de la fenêtre (10), de façon à absorber un rayonnement solaire concentré qui a traversé ladite extrémité fermée (12). 9. Récepteur solaire central selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit absorbeur volumétrique comporte des conduits (58) capables de laisser passer le fluide de travail s'écoulant depuis ladite entrée. 10. Récepteur solaire central selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite entrée a la forme d'un conduit (58) comportant un entonnoir avant (59) et en ce que ledit absorbeur volumétrique supplémentaire (52) est monté dans ledit entonnoir. 11. Récepteur solaire central selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que ledit absorbeur volumétrique supplémentaire (52) a globalement une forme de disque. 12. Récepteur solaire central selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ladite fenêtre (10) comporte un corps tronconique (13). 13. Récepteur solaire central selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ladite fenêtre (10) comporte un corps cylindrique dans lequel ladite extrémité avant (11) a la forme d'un rebord ayant un diamètre supérieur à celui du corps cylindrique. 14. Récepteur solaire central selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite fenêtre (10) est de type double vitrage. 15. Fenêtre pour l'utilisation, dans un récepteur solaire central comportant une ouverture (4) au niveau de son extrémité avant (3), la fenêtre (10) étant destinée au montage dans ladite ouverture (4) à l'admission et au passage d'un rayonnement solaire hautement concentré incident dans le récepteur, la fenêtre (10) ayant une forme tubulaire allongée à extrémité avant ouverte (11) agencée pour être fixée dans ladite ouverture (4) du récepteur, et une extrémité arrière fermée (12) dépourvue de tout moyen de fixation. 16. Fenêtre selon la revendication 15, comportant un corps tronconique (13). 17. Fenêtre selon la revendication 15, comportant un corps cylindrique dans lequel ladite extrémité avant a la forme d'un rebord ayant un diamètre supérieur à celui du corps cylindrique. 18. Fenêtre selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisée en ce que ladite fenêtre (10) est de type double vitrage. 19. Fenêtre selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisée en ce que ladite extrémité arrière fermée (12) de la fenêtre a une forme incurvée de manière concave, de type chapeau. 20. Fenêtre selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisée en ce que ladite extrémité arrière fermée (12) de la fenêtre (10) est plate.