Brevet FR2970069A1 — publié le 20120706

STOCKAGE D'ENERGIE POUR CENTRALE SOLAIRE A CONCENTRATION DE PETITE PUISSANCE 1 DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L'invention concerne une unité de production d'énergie thermique et électrique en site isolée à partir d'énergie solaire. Elle comporte un dispositif de captage et de 10 concentration de l'énergie solaire, un circuit de fluide caloporteur qui transporte l'énergie thermique vers un module de conversion en énergie électrique, un système de stockage d'énergie thermique original qui permet de maintenir la production d'électricité pendant la nuit ou pendant les passages nuageux. Cette unité de production doit fonctionner sans interruption ni entretient pendant 15 plusieurs années et des conditions climatiques rudes : T°ambiante de 70°C, vents de sables, tempêtes, et environnement d'habitat vernaculaire rural non industrialisé. 1.1 Captage Le captage et la concentration d'énergie solaire sont bien connus : ils peuvent être constitués de paraboles , d' augets linéaires paraboliques, de concentrateurs plans (héliostat) qui concentrent les rayon solaires en haut d'une tour,de lentilles de Fresnel linéaires. 1.2 Stockaae thermique Les centrales solaires à concentration actuellement en construction ont en série avec le concentrateur solaire ( source chaude )et sur le circuit du caloporteur, un 30 module de conversion d'énergie thermique en énergie électrique et un réservoir de grande capacité qui stocke de la chaleur sous forme sensible . Dans ce mode de réalisation la température du stockage, ne peut dépasser celle de la source chaude , et quand celle-ci est atteinte le stockage est plein. 20 25 Quand le soleil disparaît, le module de conversion est alimenté par la chaleur stockée dans le réservoir. Dans cette phase de restitution, la T° du réservoir ne fait que décroître et ce mode d'utilisation doit s'arrêter dès que sa T° ne permet plus de faire fonctionner le module de conversion d'énergie thermique en énergie électrique aux bonnes conditions . Le rendement de conversion décroît avec la T°. La faible différence de température admissible entre le stockage plein et vide,environ 30°C , ajoutée à la faible chaleur spécifique des caloporteurs industriels fait que les volumes de ces systèmes atteignent des valeurs très importantes . 2 EXPOSE DE L'INVENTION Dans le stockage de l'unité de production d'énergie électrique faisant l'objet de l' invention , sa capacité , toutes choses égales par ailleurs est augmentée d 'un facteur cinq par rapport à un stockage classique, car le chargement du stock se fait de deux façons différentes : d'abord par la chaleur fournie par le concentrateur solaire , puis quand la T° du réservoir est égale à celle du caloporteur en sortie du concentrateur , par des thermoplongeurs électriques alimentés par. l'alternateur du module de conversion d'énergie thermique en énergie électrique. La température du stock peut être portée à environ 450°C , le concentrateur chauffant d'abords le caloporteur à environ 300°C . Dans cette configuration de stockage dit "thermoélectrique", les thermoplongeurs peuvent absorber la totalité de la puissance fournie par l'alternateur. Par ailleurs sur une dérivation du circuit de caloporteur on peut chauffer un four à pain et des plaques de cuisson pouvant ainsi fonctionner en l'absence de soleil. 3 PRESENTATION DES FIGURES -La figure 1/5 donne le schéma de procédé complet du système de stockage -La figure 2/5 donne le schéma de procédé limité aux circuits et vannes ouvertes ou en régulation pendant la phase de production d'électricité et de chauffage du stock par le concentrateur. -la figure 3/5 donne le schéma de procédé limité aux circuits et vannes ouverte ou en régulation pendant la phase de production d'électricité et de chauffage du stock par 5 les thermoplongeurs (grande boucle). -la figure 4/5 donne le schéma de procédé limité aux circuits et vannes ouverte ou en 10 régulation pendant la phase de production d'électricité et d'aide au chauffage de la grande boucle par injection de caloporteur chaud dans celle-ci en cas de passage de nuages intermittents. -la figure 5/5 donne le schéma de procédé limité aux circuits et vannes ouverte ou en 15 régulation pendant la phase de production d'électricité et de régulation de T° , par injection de caloporteur chaud pendant une disparition longue de la source solaire, (temps très nuageux ou nuit ), le concentrateur solaire Rep 1 étant isolé pour éviter les déperditions d'énergie (petite boucle). 20 4 . DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERENTIEL DU DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ENERGIE THERMIQUE POUR CENTRALE SOLAIRE A CONCENTRATION DE PETITE PUISSANCE 4-1 Fonctionnement du stockage et interaction avec l'unité de production d'énergie électrique 30 Le fonctionnement du stockage thermoélectrique est illustré par la Figure 1/5 . L'énergie thermique du rayonnement solaire est captée et concentrée dans un concentrateur Rep 1 qui chauffe le fluide caloporteur, lequel alimente le primaire d'un générateur de vapeur Rep 2. Celui-ci produit de la vapeur qui entraîne une turbine Rep 5 . 25 Sur la ligne d'arbre de la turbine sont montés : la pompe à engrenages de circulation du caloporteur Rep 3 , la pompe alimentaire Rep 4 , un alternateur Rep 6 . La vapeur sortant de la turbine est condensée et sous-saturée dans la batterie de tubes à ailettes de l'aéro-réfrigérant Rep 7 , l'eau condensée est ensuite collectée dans le puits de l'aéro-réfrigérant et renvoyée dans le générateur de vapeur Rep 2 par la pompe alimentaire Rep 4. Le réservoir de stockage Rep 8 est maintenu comme le restant du circuit de caloporteur à une pression d'environ 5 bars par la pompe de circulation à engrenages Rep 3 . Un accus à membrane Rep 9 sert de vase d'expansion pour compenser la dilatation ou la contraction du fluide contenu dans le réservoir de stockage et l'ensemble des circuits pendant les variations des T°. L'alternateur débite vers un réseau de distribution, Repl5, et vers des thermoplongeurs ,Rep 10, permettant de chauffer le réservoir de stockage Rep 8. La répartition des puissances entre le réseau utilisateur ,Rep15, et les thermo plongeurs, Rep 10, est faite par un répartiteur Rep 14. Le procédé décrit précédemment permet le fonctionnement de l'unité dans les phases suivantes : 4-2 Fonctionnement diurne avec ensoleillement continu : La figure 2/5 donne l'image des circuits et vannes ouvertes en opération de régulation pendant cette phase. Le procédé se déroule de la façon suivante : Dés que le concentrateur solaire focalise les rayons solaires, la ligne d'arbre est démarré par l'alternateur Rep 6 fonctionnant en moteur et alimenté par une batterie Rep 11, via un module de pilotage Rep 12. La batterie est maintenue en charge grâce à des panneaux photovoltaïques Rep 13. Le circuit de caloporteur est disposé pour alimenter en parallèle le stock et le générateur de vapeur : les vannes Repl6, Rep17,Rep18 sont ouvertes les vannes Rep19 Rep 22 sont fermées. La vanne de régulation Rep 21 assure une bonne répartition des débits entre la circulation sur le stock et celle dans le primaire du générateur de vapeur . Ces deux débits se rejoignent à l'aspiration de la pompe de circulation du caloporteur Rep 3. Quand le générateur de vapeur fonctionne et que la turbine devient motrice, l'alternateur passe en mode production. La puissance nominale de l'alternateur et du concentrateur solaire sont choisies pour absorber le flux solaire correspondant à la puissance à fournir au réseau plus la puissance à stocker pendant les heures d'ensoleillement. Dès que l'énergie produite par l'alternateur est supérieure à celle fournie au réseau et aux pompes Rep 3 et Rep 4, et que la température du stock égale la température 10 de sortie du concentrateur, les vannes Rep 16 et Rep 21 sont fermées et le surplus d'énergie électrique est dissipé par effet joule dans le thermoplongeur Rep 10 : il est ainsi stocké sous forme d'énergie thermique et la température du stockage Rep 8 augmente en dépassant la température de sortie du concentrateur Rep 1. Le circuit 15 de caloporteur fonctionne en mode "grande boucle". Ce mode de fonctionnement est illustré par la Figure 3/5 4-3 Fonctionnement en régime nuageux : 20 La figure 4/5 donne l'image des circuits et vannes ouvertes en opération de régulation dans cette phase. Le procédé se déroule de la façon suivante : le passage de nuages épisodiques devant le soleil diminue le chauffage du caloporteur dans le concentrateur : la température Rep 23 en entrée du générateur 25 de vapeur est maintenue constante par l'ouverture de la vanne Rep 22 et la mise en mode régulation de la vanne Rep 19 qui injecte du caloporteur en provenance du stock Rep 8 pendant la durée du passage du nuage. Si la période nuageuse dure trop longtemps le circuit bascule en mode nocturne. 30 4-4 Fonctionnement nocturne : La figure 5/5 donne l'image des circuits et vannes ouvertes et en opération de 35 régulation dans cette phase. Le procédé se déroule de la façon suivante : Dès que l'énergie solaire disparaît, les vannes Rep 17 ,Rep 18 ,Rep 21 sont fermées les vannes Rep 20 et Rep 22 sont ouvertes et la température du caloporteur Rep 23 à l'entrée du générateur de vapeur Rep 2 , est maintenue constante par la vanne de régulation, Rep 19 , qui injecte du caloporteur chaud en provenance du réservoir de stockage , Rep 8 ,dans le circuit primaire du générateur de vapeur Rep 2 . Le circuit de caloporteur fonctionne en mode "petite boucle" 4-5 Fonction four et postes de cuisson Après le coucher du soleil, on peut chauffer un four à pain Rep 27 et des plaques de cuisson Rep 28 en disposant deux vannes Rep 25 et Rep 26 qui permettent de dériver une fraction du débit de caloporteur de la petite boucle aux bornes d'un diaphragme Rep 24 . 4-5 Déclanchement du réseau utilisateur : Lors du déclanchement du réseau utilisateur Rep 15 pendant l'ensoleillement, par exemple sur défaut d'isolement, la puissance absorbée devenant nulle la charge de l'alternateur le devient aussi et la turbine est déchargée instantanément. Le transitoire de charge est évité car la puissance fournie par la machine est dirigée vers le thermoplongeur par le répartiteur Rep 14. Si la capacité de stockage est atteinte (la T° du stock étant de 450°C ), le concentrateur solaire est dé focalisé par rotation des miroirs qui le composent. Si ce déclanchement se produit en l'absence de soleil la puissance de l'alternateur est d'abord basculée sur les thermoplongeurs Rep 10 ,puis réduite lentement . La turbine Rep 5 n'entraîne que les pompes Rep 3 et Rep 4 pour maintenir le circuit en arrêt chaud . Dans cette situation le débit est nominal dans le diaphragme Rep 24 et la turbine en rotation à puissance minimum pour limiter la consommation du stock au 30 minimum. Cette façon de traiter le transitoire de déclanchement réseau permet de ne pas perdre de fluide thermodynamique comme cela se produit sur ouverture de soupapes dans un cycle classique de RANKINE utilisant des turbines à vapeur. Cette particularité permet également de ne pas perdre d'énergie solaire pendant 35 l'interruption du réseau de l'utilisateur grâce au stockage thermo électrique et d'éviter un contrôle commande compliqué pouvant redémarrer en automatique dès le rétablissement de la demande du réseau. AVANTAGES COMPLEMENTAIRES DE L'INVENTION Les auxiliaires de l'unité n'ont pas de moteur d'où une augmentation du rendement 10 global et de la fiabilité en environnement désertique. Le fait que l'alternateur à aimants permanents soit réversible, permet de faire tourner les pompes lors du démarrage de l'installation : cela évite d'avoir un moteur de démarrage . L'utilisation d'une pompe à engrenages pour faire circuler le caloporteur permet de 15 pressuriser le réservoir de stockage sans utiliser une autre pompe spécifique . L'utilisation d'un stockage thermo électrique permet de traiter le problème inhérent aux centrales solaires : disparition puis réapparition du soleil lors du passage d'un nuage,disparition du soleil pendant la nuit, déclanchement intempestif du réseau utilisateur en évitant le gaspillage de fluide et d'énergie captée. 20 De plus le stockage et une dérivation de la pompe de circulation peuvent chauffer des tables de cuisson et un four à pain après le coucher du soleil . Cela permettrait d'éviter la déforestation qui se produit dans les zones sahéliennes , sur des îles comme Haïti ou la population coupe de façon intensive la végétation pour entretenir les feux domestiques destinés à faire cuire les aliments. 25 6 APPLICATIONS INDUSTRIELLES Ce type de stockage,et l'unité de production d'énergie qui va avec, est une bonne 30 réponse à la production d'énergie en site isolé qui demande de jour comme de nuit de l'énergie thermique et électrique pour les besoins vitaux de populations villageoises. 5 35 REVENDICATIONS1. Stockage d'énergie thermique destiné à une unité de production d'énergie électrique à partir d'énergie solaire en site isolé, caractérisé par le fait que le réservoir Rep 8 contenant du caloporteur est rechargé en énergie thermique, d'abords par un flux de caloporteur chaud provenant du concentrateur Rep 1, puis par des éléments thermoplongeurs alimentés par l' alternateur Rep 6 quand sa température égale celle du fluide caloporteur en sortie du concentrateur Rep 1. 2. Stockage d'énergie thermique destiné à une unité de production d'énergie électrique à partir d'énergie solaire en site isolé suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la température du réservoir de stockage Rep 8 peut atteindre une température (450°C) très supérieure à celle du caloporteur en sortie du concentrateur Rep 1 (300°C). 3. Stockage d 'énergie thermique destiné à une unité de production d'énergie électrique à partir d'énergie solaire en site isolé suivant les revendications 1 et 2 , caractérisée par le fait que le caloporteur circule entre le concentrateur solaire Rep 1, le réservoir Rep 8, par le biais d'une pompe de circulation volumétrique à engrenages Rep 3, attelée sur la ligne d'arbre de la turbine Rep 5, laquelle, avec un accumulateur à membrane Rep 9, maintient le réservoir Rep 8 à une pression supérieure à la pression de saturation correspondant à la température du caloporteur. 4. Stockage d' 'énergie thermique destiné à une unité de production d'énergie électrique à partir d'énergie solaire en site isolé suivant les revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que, par un circuit dérivé de la pompe de circulation Rep3 aux bornes d'un diaphragme Rep 24, il peut alimenter un four à pain Rep 27 et des tables de cuisson Rep28. 5. Stockage d'énergie thermique destiné à une unité de production d'énergie électrique à partir d'énergie solaire en site isolé, suivant les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il permet de conserver le régime de fonctionnement del' alternateur à son point nominal, pendant la perte de la charge du réseau utilisateur Rep 15 sans transitoire thermique et sans ouverture des soupapes de sûreté du générateur de vapeur Rep 2. 8