Brevet FR2954818A1 — publié le 20110701

GENERATEUR D'ENERGIE THERMIQUE SOLAIRE A ACCUMULATION 1. DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR Les systèmes de stockage de l'énergie thermique produite par le soleil sont bien connus 5 depuis très longtemps. La centrale solaire d' ODELHIO en France était équipée de réservoirs de sel fondu calorifugés pour stocker l'énergie thermique, cette technique est toujours envisagée pour plusieurs projets de centrale solaire thermique en cours de réalisation. D'autres procédés utilisent des réservoirs contenant des corps qui change de phase quand 10 on les chauffe et qui restitue, l'énergie thermique stockée sous forme de chaleur latente de fusion au moment de leur refroidissement. Il est également possible d'utiliser des réactions chimiques qui absorbent de l'énergie quand deux corps se séparent, réaction endothermique, et qui la restituent quand ils se mélangent :réaction exothermique. Une application au stockage thermique de ce couple de 15 réaction a été développée par un Institut et une Société Allemandes (Projet Scorption). Il existe par ailleurs de nombreux systèmes de cuisson à partir d'énergie solaire concentrée utilisée en Afrique et en Amérique du Sud et parfois en Europe. Ces cuisinières solaires nécessitent une vue directe du soleil et ne fonctionnent plus après sa disparition. Le but de l'invention est de disposer de cette énergie en différé en la libérant à la demande 20 de façon maîtrisée. 3. EXPOSE DE L'INVENTION Le générateur d'énergie thermique à accumulation faisant l'objet de l'invention utilise la 25 réaction de l'eau et d'un oxyde, par exemple de magnésium sous forme de magnésie. Celui-ci permet d'utiliser cette chaleur pour cuire des aliments ou chauffer des locaux ou tout autre application après le coucher ou la disparition du soleil. Le chauffage de l'hydroxyde fait évaporer l'eau qu'il contient et le transforme en oxyde sec pulvérulent. L'introduction d'eau dans cet oxyde en poudre produit un dégagement de 30 chaleur. La caractéristique de ces réactions est que le séchage de l'oxyde se fait à une température inférieure à celle de son humidification. Cet effet de levier thermique est tout à fait intéressant dans le cas ou la source de chauffage est un concentrateur solaire. La température de restitution est plus importante que celle obtenue par le concentrateur permettant ainsi d'utiliser une optique plus rustique et donc moins coûteuse. Du fait de sa rusticité, le générateur d'énergie thermique solaire à accumulation peut fonctionner sans interruption ni entretien pendant plusieurs années et des conditions climatiques rudes : T° ambiante de 70°C dans la journée, vents de sables, tempêtes, et environnement d'habitat vernaculaire rural non-industrialisé. 4. PRESENTATION DES FIGURES La Figure 1 donne une vue en coupe longitudinale du premier mode de réalisation de l'invention, 10 La figure 2 donne une vue en coupe transversale du concentrateur cylindro-parabolique, La figure 3 donne une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation de l'invention, La figure 4 donne une vue en coupe de la bûche solaire utilisée comme foyer de cuisson, La Figure 5 donne une vue en coupe d'un galet de roulement de la bûche solaire et du connecteur universel de raccordement au condenseur et à la bouteille d'eau. 15 5. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERENTIEL DU GENERATEUR D'ENERGIE THERMIQUE SOLAIRE A ACCUMULATION. La figure 1 donne une vue en coupe du générateur. Il se compose d'un concentrateur 20 d'énergie solaire parabolique Rep 30 mobile en rotation sur des galets Rep 34 permettant de l'incliner par rapport à la verticale par le biais d'un câble et d'un treuil, le générateur d'énergie à récupération est monté sur une plateforme Rep 50. Celle-ci peut tourner sur un pivot planté dans le sol Rep 61. Ce pivot est équipé d'un palier Rep 63 et d'une butée Rep 64 réalisés en téflon et montés dans une douille Rep 62. 25 Sur la même plate-forme, à côté du concentrateur est disposée une cuisinière Rep 51 possédant plusieurs plaques de cuisson Rep 20 et un four Rep 25. 1,1 Concentrateur 30 Le captage et la concentration de l'énergie solaire sont faits par un concentrateur cylindroparabolique Rep 30, constitué d'un châssis en tubes soutenant une tôle ajourée sur laquelle sont collés des miroirs en bandes Rep 39 .Le châssis est équipé de deux pistes cylindriques Rep 38 qui roulent sur les galets fixes Rep 34 . Le mouvement de rotation est transmis par un câble Rep 40 fixé aux extrémités d'un diamètre d'une des pistes par des goupilles Rep5 43. Le câble est tracté dans les deux sens par un treuil à main Rep 42 son déplacement entraîne la rotation d'une des pistes cylindriques des galets et par là, l'ensemble du concentrateur. Le suivi de la trajectoire solaire se fait manuellement en actionnant le treuil et en orientant la 5 plate-forme sur son pivot en appuyant sur le mat Rep 17,compte tenu de la rotation de la terre une réorientation est nécessaire environ toute les 10 minutes. Pendant la période de captage de l'énergie solaire, le calorifuge du foyer Rep 31a et Rep 31b est ouvert comme représenté sur la Figure 2 .Pendant la période de restitution de l'énergie,il est refermé au moyen de la charnière Rep 36 .Un bistable mécanique constitué 10 d'un contrepoids excentré Rep3lc permet de maintenir de façon stable le calorifuge de foyer ouvert ou fermé. Stockage thermo chimique 15 Le système de stockage d'énergie est constitué d'un réservoir Rep 10, dit réacteur thermochimique, dont l'axe coïncide avec celui du concentrateur cylindro- parabolique, soutenu a ses extrémités par deux cadres tubulaire Rep 37. À l'intérieur de ce réservoir et baignant dans l'hydroxyde, est disposé une ampoule Rep 11 contenant de la glycérine végétale (glycérol). Cette ampoule est soutenue par une pluralité d'ailettes Rep 12 20 qui reposent sur la paroi inférieure du réservoir. Deux tuyaux perforés Rep 15 et Rep 16 passent à travers la partie supérieure des ailettes, ils permettent d'évacuer la vapeur d'eau pendant le chauffage solaire et de ramener l'eau liquide pour la génération de chaleur nocturne.Ils sont connectés à un ballon de condensation Rep 13. Le tuyau de sortie de la vapeur Rep 15 débouche dans le haut du 25 condenseur au-dessus du niveau d'eau maxi. Sur le tuyau de re injection de l'eau Rep 14 est montée une vanne Rep16. Cette vanne est fermée pendant la dessiccation de l'hydroxyde et ouverte pour permettre la réaction de chauffe. Le ballon de condensation est monté sur un mat Rep 17 qui le met dans une position élevée permettant de mettre en charge le tuyau Repl4. Ce mat sert aussi de poignée pour faire 30 tourner la plate-forme pour suivre le soleil. Les ailettes et les perforations des tuyaux coopèrent avantageusement pour segmenter la masse d'hydroxyde et répartir la chaleur produite par la réaction thermochimique ou la lumière solaire de façon homogène dans le réservoir. L'ampoule Rep Il est connectée par les deux tuyaux Rep 22 (en forme de U) et Rep 24 (horizontal) d'un caloduc au réservoir Rep 23 dont la partie supérieure sert de plaque chauffante Rep 20 et le fond de sole à un four Rep 25. L'ensemble de cette cuisinière est revêtu d'un calorifuge Rep 21 dont la partie supérieure 5 est démontable. Quand l'ampoule Repli est chauffée par la réaction exothermique, la vapeur de glycérol passe de l'ampoule dans le réservoir Rep 23 par le tube en U Rep 22 et se condense sur les parois et la plaque chauffante du réservoir à une température de 290°C (T° de saturation 10 du glycérol à la pression atmosphérique). Le condensât revient dans l'ampoule par le tuyau horizontal Rep 24. Le réservoir du four est maintenu par cette circulation naturelle quelques degrés en dessous de celle de l'ampoule. 15 2-1 Fonctionnement diurne avec ensoleillement La vanne V14 étant refermée, et le calorifuge de foyer mis en position ouverte, la plateforme est tournée toute les 7mn par l'opérateur pour suivre le soleil. L'hydroxyde est séparé de l'eau qui se retrouve stockée dans le ballon de condensation. Pendant cette opération, le four 20 est chauffé à une 100°C par le couple de tuyaux qui le relie à l'ampoule. Les plaques chauffantes sont munies d'un couvercle pour limiter les pertes thermiques. 2-3 Fonctionnement nocturne : 25 Dès que l'utilisateur veut se servir du four et des plaques, il ouvre la vanne Rep16 et la réaction de re hydratation de l'oxyde chauffe l'ampoule à environ 300°C. Le caloduc assure le transport de la chaleur dans le réservoir du four Rep23 par la circulation du glycérol sous deux phases. 30 6.AUTRE MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Dans cette autre mode de réalisation de l'invention, le réservoir d'hydroxyde contenant l'ampoule de glycérol est remplacé par une série de petits réservoirs Rep70 montés sur des galets Rep 76 circulant sur deux rails Rep 71 (Cf. Figure 3). Chaque réservoir contient de l'hydroxyde et possède un connecteur universel Rep 75,( Cf. Figure 5) de type bouteille de gaz sous pression, qui permet de le raccorder soit à une rampe connectée au condenseur pendant la dessiccation de l'hydroxyde soit à une bouteille d'eau Rep 76 quand on veut récupérer l'énergie thermique. Pour une utilisation comme foyer de cuisson le petit réservoir est introduit dans une gaine calorifugée Rep 73, le fond Rep 74 sert alors de plaque de cuisson.(Cf. Figure 4). On dispose ainsi d'une fabrique de "bûches solaires" qui peuvent être utilisées ailleurs qu'à proximité immédiate du concentrateur et plusieurs mois après leur chargement. ( par exemple pendant la saison des pluies). 7.AVANTAGES COMPLEMENTAIRES DE L'INVENTION Le fonctionnement de la cuisinière solaire ne nécessite aucune source d'énergie que celle du soleil. Le système ne comporte aucun composant électrique ou électronique. II peut être mis 15 en oeuvre par une seule personne. Dans la version bûche solaire le système de concentration peut être dimensionné au niveau d'un village. La nature des fluides fait que les fuites éventuelles ( hormis l'aspect haute température) et 20 leur manipulation ne sont pas dangereuses pour la santé humaine : les deux fluides sont ingérables sans risque par un organisme vivant, ce qui est un net avantage du point de vue de la maintenance et de l'environnement. 8. APPLICATIONS INDUSTRIELLES 25 L'invention est particulièrement destinée aux dispositifs de cuisson des pays de la bande sahélienne en voie de désertification pour cause de . Elle peut être utilisée sur des sites particulier comme des refuges en montagne, les plateaux Andin et Tibétain et dans des 30 pays ensoleillés en hiver comme le pourtour de la Méditerranée. Elle peut être utilisée en cas de sauvetage en milieu extrême pour réchauffer des victimes d'accident en complément des couvertures de survie, par exemple en montagne ou en spéléologie. 35 REVENDICATIONS1.Générateur d'énergie thermique solaire à accumulation pour site isolé, caractérisée par le fait que l'énergie solaire est stockée et restituée par le biais de deux réactions exo et endo thermique, la température de la première étant supérieure à celui de la seconde. 2. Générateur d'énergie thermique solaire à accumulation selon la revendication 1 pour lequel la réaction endo thermique se produit dans un ou des réservoirs coaxiaux avec le 10 foyer d'un concentrateur cylindro-parabolique et dont la partie inférieure est située dans la tache focale. 3. Générateur d'énergie thermique solaire à accumulation, selon la revendication 2, dans lequel le réservoir coaxial est muni d'un calorifuge en deux parties pouvant s'ouvrir 15 pendant la présence du soleil pour permettre la chauffe directe de la génératrice inférieure du ou des réservoirs, et se refermer pour éviter les pertes thermiques par rayonnement et convection pendant la restitution de l'énergie stockée. La partie inférieure du calorifuge étant munie d'un bistable mécanique permettant d'assurer sa stabilité dans les deux positions. 20 4. Générateur d'énergie thermique solaire à accumulation suivant l'une quelconque de revendication 1 à 3 , dans lequel l'eau contenue dans l'hydroxyde est entièrement récupérée dans un condenseur situé au-dessus du réacteur thermochimique. 25 5. Générateur d'énergie thermique solaire à accumulation suivant l'une quelconque de revendication 1 à 4, dans lequel la chaleur produite par la réaction exothermique est transférée sur le poste de cuisson par le biais d'un caloduc utilisant du glycérol sous forme vapeur et liquide. 30 6. Générateur d'énergie thermique solaire à accumulation suivant l'une quelconque de revendication 1 à 5, dans lequel le procédé est mis en oeuvre sans automatisme et sans circuit électrique et uniquement avec l'énergie humaine. 7. Générateur d'énergie thermique solaire à accumulation suivant la revendication 1 et 2 35 qui permet de régénérer des briques solaires lesquelles peuvent être activées à la 6demande ailleurs que sur le système de dessiccation par simple injection d'eau sans condition de lieu ou de temps. 10 15 20 25 30