Brevet FR2835311A1 — publié le 20030801

La présente invention a pour but de co-générer simultanément thermies et électricité. L'équipement est composé : * d'un concentrateur-réflecteur du rayonnement solaire, miroir en forme de paraboloïde très asymétrique, super elliptique qui réfléchit le flux lumineux. * d'un récepteur-absorbeur du flux lumineux, à effet de serre et chargé d'un fluide caloporteur primaire. * d'un ballon tampon de surchauffe qui permet d'optimiser l'injection d'un circuit d'appoint dans un circuit secondaire lorsque le captage solaire est insuffisant pour permettre la co-génération électrique et thermique. * d'un boîtier de régulation qui gère l'injection d'un circuit d'appoint et l'asservissement à la poursuite solaire pour répondre à une consigne thermique et/ou électrique. * d'un moteur à combustion externe à fluide de travail qui peut être solidaire du ballon tampon de surchauffe ou bien du récepteur-absorbeur si ce dernier est seulement utilisé avec le concentrateur. Ce moteur, couplé à un alternateur produit de l'électricité qui est ensuite stockée par des batteries ou injectée sur le réseau local de transport d'électricité. Le capteur de l'équipement objet de l'invention, utilise ensemble les principes de concentration et d'effet de serre du rayonnement solaire. C'est donc un capteur solaire hybride qui peut être raccordé à des réseaux de production d'eau chaude sanitaire et/ou de chauffage et/ou de rafraîchissement de locaux. Cette exploitation de l'énergie solaire est actuellement possible grâce à des capteurs concentrateurs asservis à la poursuite du Soleil. Ce sont des miroirs en forme de paraboloid symétrique circulaire tel que le décrivent notamment les brevets n"FR 2473688, EP 0 163 801 A ou US 6 336 452 81. Le récepteur-absorbeur de ces équipements est toujours placé au-dessus du concentrateur, dans son axe vertical et supporté le plus souvent par un tripode à la distance de la focale ponctuelle. Une telle configuration de captage solaire est contraignante puisque le récepteur crée une zone d'ombre sur le concentrateur et qu'il est impossible de confiner l'absorbeur sur la face d'insolation en son point focal car toute paroi translucide isolante tel que verre ou poly-carbonate diminuerait beaucoup l'effet de concentration du flux solaire obtenu pour en fait ne profiter que de l'effet de serre sur une très petite surface. De plus, l'éblouissement alentour causé par le réflecteur ne peut être évité puisque le plan du concentrateur-réflecteur est dirigé perpendiculairement vers l'axe du rayonnement solaire. Dans cette configuration, un moteur à combustion externe à fluide de travail posé sur le récepteur est connu. Sa partie froide est exposée au rayonnement solaire et malgré une isolation thermique réfléchissante, ce qui augmente l'éblouissement cité plus haut, les performances sont diminuées car le principe de ce moteur est basé sur le différentiel de pression obtenu entre les chambres froide et chaude. C'est ainsi qu'est souvent préconisé un moteur à haute température là où un moteur à basse température conviendrait. De plus, ces équipements produisent de l'électricité uniquement durant l'insolation de l'absorbeur. La réduction des dimensions du concentrateur, la position avantageuse du récepteur et de la partie froide du moteur à combustion externe à fluide de travail lorsqu'il est solidaire du capteur, l'éblouissement alentour évité, l'accumulation des calories solaires, la gestion de l'injection d'un circuit d'appoint dans un circuit secondaire permettant de rendre le moteur à combustion externe solidaire du stockage des calories, la production d'électricité en dehors des moments d'insolation, les facilités d'assemblage et de raccordements sont autant de points que l'équipement objet de l'invention prétend améliorer. Ce moyen de captage hybride, utilise ensemble les principes de la concentration et de l'effet de serre. Il permet de confirmer les performances de l'énergie solaire alternativement au regard de la demande exponentielle d'énergie. En effet, cette nouvelle ligne de capteur comparée à celles des capteurs plans fixes thermiques ou photovoltaïques ainsi qu'aux capteurs à réflecteurs paraboloïdes de forme symétrique circulaire valorise autant la source d'énergie que le niveau technologique, économique et écologique de la filière solaire de la production d'énergie. L'équipement inventé apporte des solutions aux points évoqués cidessus. La surface du concentrateur est réduite tout en augmentant la surface d'insolation du récepteur. L'aéraulique de cet ensemble est améliorée et l'éblouissement alentour est annulé. Les raccordements hydrauliques et électriques du capteur sur l'installation sont facilités. L'optimisation porte sur l'absorption, l'isolation, l'aéraulique, l'échange des calories et le rendement du moteur à combustion externe à fluide de travail. En effet, en période climatique favorable et/ou si la demande thermique est faible, la production d'électricité à partir du rayonnement solaire est privilégiée. En période climatique défavorable et/ou si le demande électrique est prioritaire, le circuit secondaire du ballon tampon est chauffé par injection du circuit d'appoint thermique. Ainsi le fluide primaire chauffé peut actionner si la consigne est donnée, le moteur à combustion externe à fluide de travail, qu'il soit solidaire du ballon tampon de surchauffe ou du récepteur. L'équipement se comporte alors tel un groupe électrogène. La partie capteur de l'équipement objet de l'invention associe originalement les principes de concentration et d'effet de serre. Pour parvenir à ces objectifs il faut : * répartir le flux solaire focalisé en une forme plane et rectangulaire. * réaliser une isolation thermique étanche performante du récepteur, abriter du rayonnement solaire la partie froide du moteur à combustion externe à fluide de travail. * donner au récepteur une aéraulique plus compatible avec sa position par rapport au concentrateur. * gérer le réseau de production d'eau chaude sanitaire et/ou de chauffage et/ou de rafraîchissement des locaux. Le capteur de l'équipement objet de l'invention se distingue caractéristiquement de la description faite précédemment dans l'état de l'art par les points suivants : w) le concentrateur-réflecteur est un miroir en forme de paraboloïde asymétrique, super elliptique. *) le plan insolé du récepteur-absorbeur est déporté jusqu'à être tangent au bord du concentrateur. L'angle réglable formé par plan horizontal du concentrateur-réflecteur et le plan insolé du récepteur permet d'obtenir la mise au point de la focale de réflexion du flux solaire. Ne créant pas de zone d'ombre à l'axe de son foyer, cela permet de diminuer la surface du concentrateur. L'éblouissement alentour est évité puisque l'axe de rayonnement n'ai jamais perpendiculaire au plan du concentrateur. * le support du récepteur-absorbeur est fixé sous le concentrateur ce qui avantage beaucoup l'aéraulique du capteur. * l'angle formé par la face avant d'insolation et le bas de l'absorbeur sont tangents à la bordure du concentrateur. * l'ensemble concentrateurfrécepteur est asservi à la poursuite solaire incluant une fonction décalage par rapport à l'axe azimutal de poursuite tant que la température du circuit caloporteur primaire ne diminue pas évitant ainsi une surchauffe indésirable. Une fonction vidange de l'eau pluviale est également prévue afin de maintenir le miroir aussi propre que possible. Les fonctions décalage horaire et réglages fins azimutaux et zénithaux permettent d'installer le capteur n'importe où dans le monde. La partie absorption des calories, injection d'un circuit d'appoint et production d'électricité de l'équipement objet de l'invention se distingue caractéristiquement de l'état de l'art précédemment décrit par les points suivants : * sur la face avant insolée du récepteur-absorbeur se trouve une lunette translucide et isotherme qui correspond à la dimension de la focale de réflexion de forme plane et rectangulaire. * une plaque minérale intermédiaire à pouvoir d'accumulation thermique est placée à l'arrière de l'absorbeur. Tous deux sont confinés dans la jaquette isolante du récepteur. Dans ce cas, le chapeau radiateur d'un moteur à combustion externe à fluide de travail peut être placé contre la plaque minérale accumulatrice. la partie froide du moteur à combustion externe se trouve à l'arrière du récepteur, donc à l'ombre, ce qui améliore son rendement puisque le principe de ce moteur repose sur le différentiel de pression obtenu entre les chambres froide et chaude. * Le ballon tampon de surchauffe originalement incorporé de masses de matériau minéral à pouvoir accumulateur solidaire du moteur à combustion externe à fluide de travail est placé préférentiellement au plus près du captage réduisant les pertes des charges, l'inertie thermique. Cette disposition permet de chauffer le chapeau radiateur du moteur à combustion externe à fluide de travail lorsqu'il y a consigne de production d'électricité même sans insolation suffisante de l'absorbeur. Selon les contraintes d'installation, le ballon tampon de surchauffe peut être avantageusement posé dans une baie ou fausse cheminée étanche, isotherme et prévoyant la ventilation de la partie froide du moteur à combustion externe. Dans ce cas elle a aussi la fonction de support du capteur solaire de l'équipement objet de l'invention. * La gestion du fluide primaire caloporteur insolé est fonction de la consigne de transfert à vocation thermique et/ou électrique, paramétrable à sa température de départ et à la température de départ de l'eau chaude sanitaire. La partie capteur peut néanmoins être raccordée séparément de l'équipement objet de l'invention à toute autre installation exploitant l'énergie solaire. Pour une bonne compréhension de l'invention, à titre d'exemple non limitatif, on se reportera à la description suivante assortie d'un dessin. Les valeurs numériques et dimensionnelles de certains éléments sont fournies à titre indicatif et non limitatif afin de donner un ordre de grandeur et de proportion correspondant au bon fonctionnement de l'équipement objet de l'invention et satisfaire à la plus grande partie des besoins en eau chaude sanitaire, éclairage, électroménager, son et multimédia de quatre personnes utilisant des appareils économes. La planche illustre l'équipement objet de l'invention. Le repère 1 désigne le miroir concentrateur-réflecteur de 900 x 750 mm, en forme de paraboloïde asymétrique super elliptique selon l'axe duquel est centré le récepteur repéré 2 mesurant 1000 x 300 mm. Le récepteur 2 est maintenu par un support réglable repéré 3, fixé sur le sabot de liaison repéré 4 et sous le concentrateur formant un angle réglable inférieur à 900 par rapport au plan horizontal du concentrateur-réflecteur afin d'obtenir la mise au point de la focale de réflexion du flux solaire. L'articulation de basculement repérée 5 est fixée sous le sabot 4. Le concentrateur 1 réglable par tout moyen dans l'axe zénithal est fixée à l'axe de support azimutal repéré 6. L'ensemble des pièces repérées de 1 à 6 est fixé selon l'axe de la motorisation repérée 7 qui lui permet de poursuivre l'axe du rayonnement solaire. L'interface paramétrable repérée 8 qui pourvoit à cet asservissement inclut : * une fonction décalage par rapport à l'axe azimutal de l'ensemble ci-dessus est activée lors de la mise en sécurité lorsqu'il y a surchauffe inutile du fluide caloporteur et lorsqu'il refroidit l'axe de captage pointe de nouveau l'axe de poursuite. * une fonction vidange d'eau pluviale par basculement du concentrateur 1. * les fonctions décalage horaire et réglages fins zénithaux et azimutaux afin de pouvoir installer le capteur n'importe où dans le monde. L'absorbeur mono-tubulaire repéré 9 est un parallélépipède en cuivre de 900 x 200 x 30 mm. Il se termine par deux tubulures de diamètre 24 mm qui sont positionnées unilatéralement, filetées à l'femelles et dirigées vers le bas du récepteur 1 et par une tubulure de diamètre 24mm prévue pour recevoir tout organe de purge et/ou de remplissage du circuit primaire. La peinture noire mate de sa face d'insolation doit résister à 800 C de température. La paroi translucide repérée 10, mate, isolante thermiquement est tangente au concentrateur 1 et écartée par rapport à la face avant de l'absorbeur 9. Ce dernier est ensuite raccordé par deux flexibles calorifugés à l'installation. Contre la face arrière de 9 est placée une fine plaque minérale intermédiaire de type stéatite ou similaire repérée 11, à pouvoir d'accumulation thermique et d'un bouclier thermique repérée 12 de type complexe feuille d'aluminium et feutre de silicate/manganèse recouvre l'arrière et l'épaisseur de l'absorbeur, le feutre étant placé contre 10. Lorsque le capteur est utilisé séparément des autres éléments de l'équipement objet de l'invention, une découpe est réservée dans 11 et 12, dans l'axe de symétrie permettant de plaquer le chapeau radiateur de la partie chaude d'un moteur à combustion externe à fluide de travail contre l'absorbeur 9. La partie froide de ce moteur est saillante par rapport à l'arrière du récepteur 2 afin d'assurer son refroidissement par convection naturelle. Elle est couplée à un alternateur qui fournit l'électricité. Les éléments repérés de 9 à 12 sont confinés et scellés par injection de mousse isolante de polyuréthane expansé repéré 13 et protégée par une jaquette demiecylindrique repérée 14. Le ballon tampon de surchauffe est repéré 15 dans sa globalité. Dans la cuve repérée 16 en acier émaillé, cylindrique et d'une capacité de 30 litres, on place la cuve échangeuse primaire repérée 17 en cuivre, cylindrique et d'une capacité de 15 litres. Les cuves 16 et 17 sont concentriques et leurs volumétries différentes constituent le volume de caloporteur secondaire dans le ballon tampon de surchauffe. La cuve 16 repose sur un cylindre repéré 18 de matériau minéral à pouvoir d'accumulation de calories de type stéatite ou similaire, Les quatre tubulures de raccordement du ballon tampon sont toutes terminées par un tube recevant un filetage mâle de l'soit 26 mm intérieur et 34 mm extérieur. Contre le fond supérieur de 17 est fixé un cylindre repérée 19, de matériau minéral de type stéatite ou similaire. La mousse de polyuréthane isolante repérée 20 est protégée par une jaquette repérée 21 constitue l'isolation thermique de 15. Une double bride tubulaire en acier, repérée 22 et ses joints assurent l'étanchéité entre les deux cuves 16 et 17 et constituent le logement du chapeau radiateur du moteur à combustion externe à fluide de travail repéré 23 solidaire de 15. Le boîtier de régulation repéré 24 permet la gestion du réseau sur lequel est raccordé l'équipement en fonction de la consigne de service thermique et/ou électrique, paramétrable à la température de départ du fluide primaire et à la température de départ de t'eau chaude sanitaire toujours maintenue à 55 C ce qui écarte le risque de prolifération de légionelles. Pour le circuit primaire : l'absorbeur 9, la cuve échangeuse 17 et la pompe sont raccordés par deux flexibles. Pour le circuit secondaire : la cuve échangeuse 16 du ballon tampon 15 et l'échangeur du ballon d'eau chaude sanitaire, sont raccordés par une tuyauterie dotée d'un té de réglage secondaire et d'une pompe qui développe un débit constant dans le secondaire. Pour le circuit d'appoint : sa pompe maintient un débit constant et développe une différence de pression entre son circuit et le secondaire pour vaincre la résistance du té de réglage d'appoint. Une soupape de pression différentielle est donc prévue. L'injection du circuit d'appoint dans le secondaire passe par une vanne trois voies motorisée. Quand le té de réglage d'appoint est fermé, circuits d'appoint et secondaire sont indépendants. Quand le té de réglage d'appoint est ouvert une partie du circuit d'appoint est injecté dans le circuit secondaire et une même quantité de secondaire quitte ce dernier par te retour et le té de réglage. Comme le secondaire est toujours fermé sur lui-même il y a circulation de débits différents dans ces circuits. Donc on travaille avec des différences de températures de départ. puisque le circuit à débit variable est limité à une portion de tuyauterie très courte, la perte de charge est négligeable. Le boîtier 24 gère donc les informations provenant de : * la sonde de température de sécurité surchauffe du circuit primaire repérée. * la sonde de température du circuit secondaire. *) la sonde du circuit d'appoint. REVENDICATIONS 1. Equipement de production thermique et/ou électrique exploitant le rayonnement solaire caractérisé en ce que d'une part le réflecteurconcentrateur (1) est un miroir en forme de paraboloïde asymétrique super elliptique provoquant l'effet de concentration, d'autre part en ce que le plan insolé du récepteur-absorbeur (2) est déporté jusqu'à être tangent au bord du réflecteurconcentrateur (l). Le plan d'insolation forme un angle réglable inférieur à 90 par rapport au plan horizontal du réflecteur-concentrateur (1) afin d'obtenir la mise au point de la focale de réflexion du flux solaire. La répartition du flux solaire focalisé a une forme plane et rectangulaire. 2. Equipement de production thermique et/ou électrique exploitant le rayonnement solaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que d'une part, l'arrête formée par la face avant d'insolation et le bas de l'absorbeur (9) à fluide caloporteur sont tangents à la bordure du concentrateur (1), d'autre part en ce que sur la face avant insolée du récepteur-absorbeur (2) se trouve une lunette translucide et isotherme (10) provoquant l'effet de serre et qui correspond à la dimension de la focale de réflexion, de forme plane et rectangulaire. 3. Equipement de production thermique et/ou électrique exploitant le rayonnement solaire suivant la revendication 1 et 2 caractérisé en ce qu'une plaque minérale (12) à effet d'accumulation des calories est placée contre la face arrière de l'absorbeur (9) du capteur. 4. Equipement de co-génération thermique et électrique exploitant le rayonnement solaire suivant la revendication 1,2 et 3 caractérisé en ce que d'une part l'ensemble concentrateur (1) 1 récepteur (2) est asservi à la poursuite solaire grâce à une interface paramétrable et intégrée à la régulation (24) des circuits qui prévoient les fonctions de : * décalage par rapport à l'axe azimutal de poursuite évitant ainsi la surchauffe inutile tant que la température du circuit caloporteur primaire ne diminue pas. * vidange de l'eau pluviale afin de maintenir le miroir aussi propre que possible. * décalage horaire * réglages fins azimutaux et zénithaux permettant d'installer le capteur n'importe où dans le monde, d'autre part en ce que l'injection d'un circuit d'appoint optimise l'utilisation du moteur à combustion externe (23) puisque même sans rayonnement solaire il peut fonctionner tel un groupe électrogène. 5. Equipement de co-génération thermique et/ou électrique exploitant le rayonnement solaire suivant la revendication 3 et 4, caractérisé d'une part en ce que des masses minérales (18 et 19), à pouvoir accumulateur de calories sont incorporées dans les cuves (16 et 17) d'un ballon tampon de surchauffe et d'autre part en ce qu'une double bride tubulaire (22) assurant l'étanchéité entre les deux cuves (16 et 17) du ballon tampon de surchauffe constituant ainsi sur ce dernier le logement solidaire du chapeau radiateur de la partie chaude d'un moteur à combustion externe à fluide de travail (23).