Brevet FR2915764A1 — publié le 20081107

La présente invention concerne une installation de génération d'énergie électrique et s'applique à la production d'électricité à partir d'énergie solaire en particulier pour des centrales de taille réduite par exemple d'une capacité de 40 Mégawatt électriques. Le recours aux énergies renouvelables est de plus en plus approprié au regard des besoins en énergie, des contraintes environnementales, de la pénurie et du prix croissant des ressources fossiles. Dans ce cadre, on a déjà proposé diverses centrales exploitant io l'énergie solaire comme c'est le cas du document FR-A2 874 975 qui divulgue un dispositif de production d'énergie électrique utilisant des capteurs solaires pour obtenir de l'eau chaude le jour et des dissipateurs thermiques pour obtenir de l'eau froide la nuit. Une turbine fonctionnant en cycle de Rankine est couplée à un alternateur qui permet de générer de l'électricité. En proposant un 15 fonctionnement nocturne et diurne complexe avec de fortes pertes, une telle centrale présente un rendement si faible qu'elle est dans la pratique inutilisable. On connaît par ailleurs du document US 4 760 705 une installation de génération électrique utilisant un cycle Rankine et employant deux fluides de travail à savoir d'une part de la naphtaline et d'autre part de l'eau, traités 20 chacun par un cycle différent. La mise en parallèle de ces deux cycles fluidiques est complexe. En outre, l'utilisation de naphtaline nécessite de très hautes pressions ce qui engendre généralement des pertes élevées, pertes d'autant plus importantes qu'il y a nécessité d'échanges thermiques intenses entre le cycle naphtaline et le cycle eau par ailleurs difficile à vaporiser sans un 25 apport d'énergie très élevé. Il existe donc un besoin d'améliorer le rendement des centrales exploitant au moins l'énergie solaire comme source d'énergie. La présente invention s'inscrit dans ce cadre et propose à cet effet une nouvelle installation de génération d'énergie électrique. Cette installation utilise 30 un fluide biphasique apte à passer d'un état liquide à un état vapeur après chauffage par le biais de moyens comportant des moyens solaires et en particulier des panneaux solaires. De façon conventionnelle, une turbine couplée à un alternateur assure la génération électrique. Selon un premier aspect, l'installation présente une pluralité de turbines disposées en série par rapport à la première turbine et permettant d'additionner leurs effets pour la mise en rotation de l'alternateur. L'utilisation de plusieurs turbines permet d'exploiter plusieurs phases de détente du fluide dans le cycle de Rankine d'où un meilleur rendement. La phase vapeur du fluide est exploitée dans toute son étendue. Suivant une possibilité de l'invention, on peut par ailleurs réaliser un réchauffage intermédiaire du fluide en sortie de la première turbine et avant l'entrée dans la ou les turbines secondaires. Cette rehausse du niveau io énergétique du fluide à ce stade permet d'optimiser le fonctionnement des turbines secondaires. Le demandeur a constaté avec surprise que la sélection du butane comme fluide de travail et la mise en oeuvre du cycle de l'invention permettait d'atteindre des rendements de l'ordre de 0,13 (13%) ce qui, en cycle Rankine 15 de ce type, est exceptionnel, vu la source basse température utilisée (80 C) au lieu des 140 C utilisés dans les installations existantes. Suivant un autre aspect de l'invention, l'installation comporte deux étapes de chauffage du fluide avant l'entrée de la turbine principale. La première étape est effectuée par l'intermédiaire de panneaux solaires basse 20 température et opère un chauffage en phase liquide alors que la deuxième étape est opérée par des panneaux solaires moyenne ou haute température dont le coût et le rendement est souvent moins avantageux mais qui, dans le cas d'espèce, n'ont qu'à réaliser un apport d'énergie partielle aux fluides, correspondant à l'apport nécessaire à la vaporisation. 25 L'installation peut comporter d'autres éléments caractéristiques aptes à améliorer encore le rendement de l'ensemble. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui suit qui présente un mode de réalisation préférée de l'invention cependant non limitatif. Auparavant, il est rappelé que l'invention concerne une installation de 30 génération d'énergie électrique comportant : - un circuit pour un fluide, - des moyens de chauffage par énergie solaire du fluide configurés pour faire passer le fluide de l'état liquide à l'état gazeux, - un système à turbine couplée à un générateur électrique, ledit système utilisant la phase vapeur du fluide comme moyen moteur en vue de la production d'énergie électrique ; le système à turbine comporte au moins deux turbines placées en série. Suivant des variantes facultatives mais avantageuses, l'invention est telle qu'elle comporte des moyens de réchauffage par énergie solaire du fluide en sortie de la première turbine avant l'entrée dans la ou les autres turbines. Les dessins ci-joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils représentent seulement un mode de réalisation de io l'invention et permettront de la comprendre aisément. La figure 1 présente un premier mode de réalisation de l'installation de l'invention. Les figures 2 et 3 présentent deux variantes plus évoluées de cette installation. 15 La figure 1 illustre une première version de l'installation de l'invention dans une version simple et peu onéreuse. Y sont repérés d'une part une partie de génération électrique 1 associant une pluralité de turbines 4, 5 et un générateur 6 du type alternateur apte à produire de l'électricité à fournir à un réseau électrique privé ou public 7. 20 D'autre part, est illustrée une partie de chauffage 2 comportant avantageusement deux portions à savoir une partie de préchauffage 2A en phase liquide du fluide et une partie de vaporisation 2B, ultérieure, réalisant le changement de phase du fluide circulant. Comme indiqué précédemment, le circuit de l'invention utilise 25 avantageusement du butane dans la mesure où sa température d'ébullition est relativement basse. On pourra cependant utiliser d'autres fluides sans sortir du cadre de l'invention tels que du pentane dont la température de changement de phase est de 36 dans les conditions de pression ambiante. La partie de chauffage 2 utilise des panneaux solaires qui seront décrits plus en détail ci- 30 après. Compte tenu du faible delta de température que l'on peut atteindre avec des panneaux solaires (de l'ordre de 90 ) il est intéressant d'utiliser un fluide ayant une température de changement de phase la plus basse possible de sorte à obtenir le plus de vapeur possible avec une pression la plus élevée possible. La figure 1 illustre enfin une partie de refroidissement 3 située en fin du cycle, en sortie des turbines 4, 5, et récupérant le fluide détendu pour le refroidir par l'intermédiaire d'un ensemble échangeur 9 et source froide 8 pouvant être une tour de refroidissement, une installation géothermique ou encore l'eau d'une rivière. Selon l'invention, une turbine 4 reçoit le fluide issu de la partie de chauffage 2 et réalise une première fourniture d'énergie mécanique par rotation io de l'axe. Le fluide issu de la turbine 4 est alors réinjecté dans des turbines secondaires 5 augmentant l'énergie mécanique produite. L'ensemble est relié à l'axe d'un alternateur constituant le générateur 6. Suivant une possibilité avantageuse, le fluide est réchauffé en sortie de 15 la turbine 4 de sorte à améliorer l'efficacité des turbines secondaires 5. Ainsi, un circuit de sortie comportant un échangeur 17 et un ou plusieurs panneaux solaires 18 est réalisé en sortie de la turbine 4 pour réinjecter en parallèle le fluide réchauffé en entrant des turbines 5. L'ensemble de la circulation est assuré par au moins une pompe 10 ou 20 par plusieurs pompes tel qu'il ressortira de la suite de la description. Le chauffage du fluide avant l'entrée dans la turbine 4 est avantageusement réalisé par un couple de moyens à savoir une partie de préchauffage 2A et une partie de vaporisation 2B. Cette distinction permet d'utiliser des panneaux solaires de différents 25 types selon l'étape à réaliser. En particulier, on privilégiera des panneaux thermiques plans pour les premiers deltas de chauffage de l'eau pour constituer les panneaux 12. Ensuite, pour les panneaux 14 en partie de vaporisation 2B, on pourra utiliser des panneaux solaires à tube sous vide qui fonctionnent mieux à température élevée avec un meilleur rendement notamment permettant 30 d'atteindre des températures élevées dans l'eau de l'ordre de 110 degrés Celsius, l'eau étant légèrement sous pression pour rester à l'état liquide. A titre non limitatif, l'ensemble des échangeurs décrits dans la présente demande utilise de l'eau comme fluide caloporteur. Toujours à titre préféré, la partie de vaporisation 2B réalise l'échange thermique avec les panneaux 14 au niveau d'un réservoir 25 de forme et de contenance adaptées à réaliser une certaine capacité de stockage et d'inertie thermique pour le fluide de travail. En outre, le réservoir 25 est le lieu privilégié s de la vaporisation illustrée en figure 1 avec la phase liquide 15 et la phase gazeuse 16. On peut éventuellement disposer d'une source de fluide supplémentaire pour subvenir aux pertes dans le cycle liquide/vaporisation/condensation/liquide. La figure 2 illustre une variante de l'installation dans laquelle une paire io d'échangeurs 23, 24 a été ajoutée entre la sortie des turbines secondaires 5 et l'entrée des moyens de préchauffage au niveau de l'échangeur 11. De cette façon, on tire profit de l'énergie thermique résiduelle dans le fluide en sortie des turbines 4, 5 et avant condensation au niveau de l'échangeur 9. Une variante supplémentaire est illustrée en figure 3 par l'incorporation 15 d'un circuit secondaire 19 reliant la sortie de la turbine 4 à l'entrée des moyens de préchauffage au niveau de l'échangeur 11 en amont d'une pompe 20 ajoutée dans ce cadre à la pompe 10. Un ensemble de vannes 21, 22 permet de modifier la configuration du circuit secondaire par rapport au circuit principal. En particulier, l'ouverture de la 20 vanne 22 et de la vanne 21 assure une division du flux sortant de la turbine 4 et une réinjection partielle du fluide en entrée de la pompe 20 pour recommencer le cycle en bénéficiant d'une partie de fluide à température plus élevée. L'autre partie du fluide sortant de la turbine 4 est, comme dans les modes de réalisation précédents, réchauffée par l'intermédiaire du panneau solaire 18 et 25 de l'échangeur 17 avant d'être injectée en entrée des turbines 5. On a représenté en figure 3 différents points caractéristiques de l'état du fluide au cours du cycle. On en donne ci-après un exemple de caractérisation en température et en pression dans le cas d'un cycle utilisant le butane comme fluide de travail : 30 PRESSION TEMPERATURE (BARS) (DEGRES CELSIUS) A 2,35 20 B 4 32 C 4 42 D 9,6 78 E 9,6 80 F 4 53 G 2,35 38 L'installation ainsi décrite et particulièrement celle illustrée en figure 3 est nettement plus efficace que les installations connues jusqu'à présent et assure des rendements supérieurs à 0,13. On notera en particulier l'intérêt des deux phases de chauffage du fluide permettant d'adapter le matériel des panneaux solaires au niveau de réchauffage qu'ils produisent. On notera également que l'on tire profit d'une réinjection partielle du fluide issu de la turbine 4 et de la combinaison de deux pompes réalisant une mise sous pression progressive du fluide avant le passage dans la partie de chauffage. i0 REVENDICATIONS 1. Installation de génération d'énergie électrique (1) comportant : - un circuit pour un fluide, - des moyens de chauffage par énergie solaire du fluide configurés pour faire passer le fluide de l'état liquide à l'état gazeux, - un système à turbine couplée à un générateur électrique, ledit système utilisant la phase vapeur (16) du fluide comme moyen moteur en vue de la production d'énergie électrique, io caractérisée par le fait que, le système à turbine comporte au moins deux turbines (4, 5) placées en série. 2. Installation de génération d'énergie électrique (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de réchauffage par 15 énergie solaire du fluide en sortie de la première turbine (4), avant l'entrée dans la ou les autres turbines (5). 3. Installation de génération d'énergie électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que les moyens de chauffage comportent : 20 - une partie de préchauffage (2a) en phase liquide (15) dotée d'un échangeur (11, 13, 23) entre le circuit de fluide et au moins un panneau solaire (10, 20), - une partie de vaporisation (2b) dotée d'un échangeur (6, 11, 13, 17, 23, 24) entre le circuit de fluide, en aval de la partie de préchauffage 25 (2a), et au moins un panneau solaire (12, 14). 5. Installation de génération d'énergie électrique (1) selon la revendication 3 caractérisée en ce que la partie de vaporisation (2b) comporte un réservoir de fluide (25). 6. Installation de génération d'énergie électrique (1) selon l'une quelconque 30 des revendications 3 ou 4 caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit secondaire (19) apte à réinjecter une partie du fluide sortant de la première turbine (4) en amont des moyens de préchauffage.6. Installation de génération d'énergie électrique (1) selon la revendication 5 caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe (10, 20) en entrée des moyens de préchauffage. 7. Installation de génération d'énergie électrique (1) selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'elle comprend une source froide (8) et un échangeur de refroidissement (9) en sortie des turbines (4, 5). 8. Installation de génération d'énergie électrique (1) selon la revendication 7 caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe de circulation (10, 20) en sortie de l'échangeur de refroidissement (9) et des moyens de lo récupération d'énergie par échange thermique entre l'amont de l'échangeur de refroidissement (9) et la sortie de la pompe. 9. Installation de génération d'énergie électrique (1) selon la revendication 8 caractérisée en ce que le fluide est du butane. 15