Brevet FR3005498A1 — publié le 20141114

DISPOSITIF DE CAPTURE, D'ECHANGE ET DE STOCKAGE THERMIQUE DE L'ENERGIE SOLAIRE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte au domaine des capteurs et échangeurs thermiques et plus particulièrement à ceux qui sont utilisés pour le stockage de l'énergie solaire. ETAT DE LA TECHNIQUE. Le stockage thermique de l'énergie solaire nécessite de convertir le rayonnement solaire en chaleur grâce à un capteur thermique qui absorbe cette énergie lumineuse et la transforme en calories. Le capteur thermique est souvent une surface noire qui s'échauffe proportionnellement à l'intensité lumineuse qu'elle reçoit, puis ces calories sont transportées jusqu'à un support de stockage. Le support de stockage peut être par exemple un volume l'eau, car l'eau à une forte capacité d'absorption thermique. Le transport des calories se fait généralement par un fluide caloporteur qui s'échauffe au contact du capteur thermique et qui cède ensuite ses calories au matériau de stockage. Afin d'améliorer ce principe de stockage thermique solaire on cherche principalement à améliorer cinq facteurs: 1 - les performances du capteur thermique, c'est-à-dire sa capacité à transformer l'énergie solaire en énergie calorifique, en essayant de diminuer au possible toutes les 25 déperditions. 2 - la qualité du transfert des calories du capteur thermique vers le volume de stockage, ce qui implique de réduire les pertes caloriques dues à ce transfert, ce qui est essentiellement une question d'isolation, mais aussi une question de transfert thermique entre le capteur et le fluide caloporteur et entre le fluide et le volume de stockage. Ces 30 interfaces thermiques sont ce que nous appellerons des échangeurs thermiques. 3 - la quantité de calories stockées par unité de volume, ce qui nécessite de choisir des matériaux très absorbants pour le volume de stockage, mais aussi des matériaux qui doivent résister à des températures élevées. 4 - les températures de stockage doivent être les plus importantes possibles, afin 1 de réduire le volume du réservoir et permettre des applications qui nécessitent de hautes températures. - le coût global du dispositif qui doit être le plus bas possible afin de rendre l'énergie solaire compétitive par rapport aux autres énergies disponibles. 5 Les dispositifs les plus performants connus utilisent généralement un rayonnement solaire concentré. Cette concentration solaire est produite grâce à un dispositif optique qui utilise des miroirs et/ou des lentilles. Le capteur thermique est généralement une surface métallique comme de l'acier ou du cuivre, éventuellement protégée par une vitre afin de limiter les déperditions des calories. Cette surface métallique peut prendre la forme d'une canalisation qui est en contact avec un fluide caloporteur en mouvement. Ce fluide est souvent de la vapeur d'eau à haute température, éventuellement sous pression. Il existe aussi des fluides à changement de phase, comme du sel fondu. Enfin le volume de stockage peut être composé de sel fondu, de béton, d'huile, de pierres naturelles,... ou de toute matière solide ou liquide ayant une forte capacité thermique. Les échangeurs thermiques fonctionnent principalement sur le principe de la conduction thermique entre les deux faces d'un élément, souvent une plaque très conductrice de chaleur. Schématiquement une des deux faces de la plaque est le capteur thermique qui s'échauffe sous le rayonnement solaire et l'autre face de la plaque est en contact avec l'écoulement d'un fluide qui se charge au passage des calories transmises par la plaque. Les performances de l'échangeur thermique dépendent principalement de la température d'échange, de la surface d'échange, et de la conduction thermique des matériaux. Par ailleurs pour augmenter la capacité de stockage thermique du système et aussi pour des applications qui nécessitent des températures importantes, il est nécessaire de stocker les calories dans des solides et non dans des liquides car les liquides passent assez rapidement en phase vapeur, et la vapeur n'est pas facile à stocker. Mais stocker de la chaleur dans un solide nécessite, soit d'utiliser un matériau de stockage qui possède à la fois une très bonne capacité de stockage et une bonne conductivité thermique, ce qui est le cas des métaux comme l'aluminium ou l'acier (mais ces matériaux coûtent cher), soit utiliser un matériau de stockage qui possède une très bonne capacité de stockage et une faible conductivité thermique, comme par exemple le béton, cette dernière caractéristique étant alors compensée par un circuit de chauffage composé d'une multitude de conduites faisant office d'échangeurs thermiques et disséminées dans tout le volume de stockage. Cette multitude d'échangeurs thermiques nécessaires au transfert thermique à l'intérieur du volume de stockage, qui est donc solide, fait augmenter alors nécessairement 3 00 5 4 9 8 3 le coût global du système. BUT DE L'INVENTION 5 Le but de l'invention est de décrire un capteur et échangeur thermique de l'énergie solaire, avec un stockage performant des calories dans un matériau solide qui résiste à de hautes températures et cela à moindre coût. Ceci visera à résoudre notamment le problème du coût de la multitude des échangeurs thermiques qui sont nécessaires à l'intérieur d'un volume de stockage lorsque celui-ci est solide. 10 RESUME DE L'INVENTION L'invention a pour objet un dispositif de capture, d'échange et de stockage thermique de l'énergie solaire comprenant : 15 - un réservoir primaire pourvue d'une ouverture transparente vers l'extérieur ; - un concentrateur apte à concentrer le rayonnement solaire vers l'ouverture du réservoir primaire et à échauffer le contenu dudit réservoir primaire; - un échangeur thermique apte à récupérer l'énergie thermique générée dans le réservoir primaire, ce dispositif étant caractérisé en ce que ledit réservoir primaire contient 20 un matériau solide semi-transparent apte à s'échauffer sous l'effet de l'absorption du rayonnement solaire concentré qui traverse ladite ouverture et apte à maintenir l'énergie calorifique collectée et/ou à la redistribuer par l'intermédiaire de l'échangeur thermique. De cette manière, grâce à la semi-transparence du matériau disposé dans le réservoir primaire, l'énergie lumineuse traverse le réservoir dans toute sa profondeur très 25 rapidement et échauffe tout le matériau solide, bien plus rapidement que dans le cas d'un échauffement par conduction thermique. Le rayonnement solaire concentré est par exemple un rayonnement solaire qui est concentré par une optique de type lentille de Fresnel, miroir parabolique, miroirs de Fresnel, ou une multitude d'héliostats. 30 Le réservoir primaire peut prendre n'importe quelle forme appropriée, mais de préférence il sera longiligne de sorte que la distance entre un point quelconque de son volume et sa surface soit la plus courte possible compte tenu des autres contraintes de conception. Cette distance, entre un point quelconque du réservoir primaire et sa surface, détermine en effet la capacité du système à échanger ses calories avec l'extérieur. 1 La paroi du réservoir primaire est faite de préférence avec un matériau très conducteur thermiquement, comme par exemple du cuivre, de l'acier ou de l'aluminium. Le réservoir est rempli d'un solide semi-transparent. Cette matière est de préférence du verre ou du verre pilé, qui possède une forte capacité thermique, c'est-à-dire qui est capable de stocker une grande quantité de calories, tout en résistant à des températures importantes, supérieures à 500 °C. Une option intéressante est d'inclure dans le verre des particules métalliques ou de carbone ou d'autres types de particules qui absorbent une partie du rayonnement solaire. Ces particules peuvent aussi être de taille nanométtique. Le rayonnement solaire se concentre sur l'ouverture du réservoir primaire et 10 pénètre à l'intérieur de la matière semi-transparente. Au fur et à mesure de la pénétration du rayonnement solaire dans le réservoir primaire, ce rayonnement va être progressivement absorbé par la matière semi-transparente. Cette matière semi-transparente va alors s'échauffer d'une manière rapide et d'une manière sensiblement homogène dans tout son volume. 15 L'énergie du rayonnement solaire va donc se transférer à la totalité de la matière semi-transparente avec une grande vitesse, puisque cette vitesse de propagation est celle de la lumière, alors que si la matière n'était pas transparente ce serait la vitesse de conduction thermique à l'intérieur du matériau qui serait prise en compte. Cette grande vitesse de transfert thermique à l'intérieur du réservoir primaire va permettre audit réservoir d'avoir 20 des formes telles qu'elles favorisent de grandes surfaces d'échange thermique avec l'extérieur tout en conservant un moindre volume global. Ce sera par l'exemple le cas d'un réservoir primaire en forme de parallélépipède rectangle, de cylindre ou de cône, quand une de leurs dimensions est beaucoup plus grande que les autres, en tous cas lorsqu'une des dimensions est au moins trois fois supérieure aux autres, ce qui permettra par exemple 25 de créer deux plaques parallèles faiblement espacées dans le cas d'un parallélépipède rectangle. Ainsi le réservoir primaire selon l'invention permet des échanges thermiques rapides et performants grâce à des surfaces d'échange thermique importantes avec l'extérieur, tout en permettant une diffusion et un stockage rapide et homogène de l'énergie 30 solaire reçue. Le même résultat aurait pu être obtenu avec un réservoir primaire contenant un matériau non transparent comme de l'aluminium ou de acier car ces matériaux ont aussi une forte capacité de stockage thermique et une vitesse de transfert thermique assez rapide, bien que moindre par rapport à celle de la lumière, mais l'avantage du dispositif selon l'invention est qu'il est beaucoup moins coûteux puisque le verre, par exemple, est cinq fois 1 plus économique que ces métaux. Dans un mode de réalisation particulier du dispositif, la paroi intérieure du réservoir primaire est rendue réfléchissante afin de faciliter la pénétration du rayonnement solaire dans ledit réservoir. Une option intéressante afin de répartir au mieux l'intensité du rayonnement à l'intérieur du réservoir primaire est de rendre la surface intérieure dudit réservoir de moins en moins réfléchissante au fur et à mesure qu'on s'éloigne de l'ouverture du réservoir primaire. Ceci étant rendu possible par exemple en positionnant une multitude de zones réfléchissantes sur la paroi intérieure du réservoir primaire de sorte que la densité surfacique desdites zones réfléchissantes soit de plus en plus faible à mesure que l'on s'éloigne de l'ouverture. En contrepartie, on observera qu'une multitude de zones absorbantes de la paroi intérieure du réservoir primaire aura une densité surfacique de plus en plus importante au fur et à mesure que l'on s'éloignera de l'ouverture. Ainsi plus l'intensité du rayonnement solaire à l'intérieur du réservoir primaire sera faible et plus l'absorption de la paroi dudit réservoir sera grande, ce qui va sensiblement égaliser la répartition des calories le long du réservoir. Afin d'augmenter le volume de stockage thermique du dispositif, le réservoir primaire, excepté son ouverture, est entouré d'un réservoir thermique secondaire de grande capacité thermique, comme par exemple du plâtre, du béton ou de l'argile. Ce réservoir thermique secondaire étant éventuellement en contact avec la surface du réservoir primaire, il va progressivement s'échauffer lui-même. Afin de réduire les pertes calorifiques, les deux réservoirs peuvent être entourés d'un matériau très isolant comme un film d'air, du vide ou de la laine de verre. Afm de récupérer les calories stockées dans les deux réservoirs, un échangeur thermique à circulation de fluide est positionné dans l'un ou l'autre ou dans les deux réservoirs, et de préférence positionné proche de la surface du réservoir primaire. Cet échangeur thermique à circulation de fluide est par exemple un serpentin qui entoure le réservoir primaire et qui est parcouru par de l'air ou de l'eau ou de la vapeur d'eau. Dans un mode de réalisation particulier, le réservoir primaire contient un matériau semi-transparent dont la densité volumique est progressivement croissante au fur et à mesure qu'on s'éloigne de l'ouverture. Par exemple si le matériau semi-transparent est composé d'une multitude de morceaux de verre ou de billes en verre, la densité volumique moyenne des morceaux de verre ou des billes est progressivement croissante lorsqu'on s'éloigne de l'ouverture. Ce gradient de densité de matière semi-transparente a pour conséquence d'égaliser dans tout le volume du récipient primaire le pourcentage 1 d'absorption du rayonnement solaire. Cela est dû au fait qu'au fur et à mesure de la pénétration du rayonnement solaire dans le matériau semi-transparent, le rayonnement perd en intensité à cause de son absorption partielle, et que cette perte d'intensité est compensée par une densité de matière plus importante qui fait augmenter localement le pourcentage de l'absorption, donc la quantité de calories absorbées. Le produit de l'intensité lumineuse par le pourcentage de son absorption reste alors sensiblement constant le long du parcours du rayonnement solaire dans la matière du réservoir. Dans un autre mode de réalisation particulier, l'augmentation du gradient de densité à l'intérieur du réservoir primaire est réalisée par des billes dont le diamètre est 10 progressivement décroissant. Dans un autre mode de réalisation particulier, l'augmentation du gradient de densité à l'intérieur du réservoir primaire est réalisée par des plaques de verre de plus en plus rapprochées les unes des autres à mesure que l'on s'éloigne de l'ouverture du réservoir primaire. 15 Dans un autre mode de réalisation particulier, le réservoir primaire est en position verticale, son ouverture est située dans sa partie haute, et ledit réservoir primaire est enfoncé dans le sol qui fait alors office de réservoir secondaire. De préférence le sol sera constitué de matériaux à forte capacité thermique comme de l'argile ou du sable. Dans un autre mode de réalisation particulier, l'ouverture est recouverte 20 temporairement, par exemple la nuit ou lorsque le soleil est caché, par un couvercle sur lequel sont disposées des cellules thermoélectriques dont une des faces est en contact avec l'intérieur du réservoir primaire et l'autre face est en contact avec l'air ambiant, de sorte que les dites cellules thermoélectriques soient aptes à produire de l'électricité même en l'absence de soleil, grâce à la différence de température entre le réservoir primaire et l'air 25 extérieur. DECRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des figures 1 à 3 indexées. 30 La figure 1 est un schéma de principe en coupe du dispositif La figure 2 est un schéma en coupe d'un exemple particulier de réalisation dans lequel le réservoir primaire présente un gradient de densité. La figure 3 est un schéma en coupe d'un exemple particulier de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention, qui utilise le sol comme réservoir de stockage thermique 1 supplémentaire pour une application agricole. En référence à la figure 1 le dispositif (T) de capture, d'échange et de stockage thermique de l'énergie solaire selon l'invention comprend un réservoir primaire (3) constitué d'un matériau solide semi-transparent (8) comme par exemple des morceaux ou des billes de verre. Il reçoit par l'intermédiaire d'une ouverture (9) aménagée dans le réservoir primaire (3), le rayonnement solaire concentré (2). Le rayonnement solaire est concentré par des procédés optiques (1) connus, comme par exemple des lentilles de Fresnel, des miroirs concaves ou une multitude d'héliostats. Le rayonnement solaire concentré (2) introduit dans le réservoir primaire (3) se disperse (6) dans toute la matière solide semi-transparente (8) en étant progressivement absorbé au fur et à mesure de sa propagation dans ledit solide (8). Les parois (4) du réservoir primaire (3) sont en partie réfléchissantes afin de faciliter la propagation du rayonnement solaire (6) dans tout le volume du réservoir (3). Le réservoir (3) s'échauffe alors par l'absorption et la transformation en calories du rayonnement solaire (6). La température du solide (8) peut s'élever à plusieurs centaines de degrés Celsius et le solide (8) peut soit rester solide, soit devenir mou ou liquide tout en conservant sa transparence partielle. Afin d'augmenter le volume de stockage des calories, le réservoir primaire (3) en entouré d'un réservoir secondaire (5) qui s'échauffe au contact de la paroi (4) du réservoir primaire (3). Le réservoir secondaire (5) est constitué de préférence d'un matériau solide à forte capacité thermique comme par exemple du béton, du plâtre ou de l'argile. Pour limiter les déperditions de chaleur, les deux réservoirs (3,5) peuvent aussi être isolés thermiquement de l'extérieur par une enveloppe isolante (non illustrée) comme de la laine de verre, un film d'air ou un espace de vide. Pour récupérer les calories stockées, un échangeur thermique (7) parcouru par un fluide (non illustré) est placé dans le réservoir primaire (3) et/ou dans le réservoir secondaire (5) ou encore de préférence entre les deux réservoirs (3,5). La figure 2 illustre un cas particulier dans lequel le réservoir primaire (3) est composé d'un matériau semi-transparent (10) dont la densité volumique est progressivement croissante au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'ouverture (9) du réservoir primaire. Par exemple le réservoir primaire (3) est rempli d'une multitude de plaques de verre (10) disposées parallèlement les unes aux autres et dont les épaisseurs sont progressivement croissantes et/ou dont les distances qui les séparent sont progressivement décroissantes vers le fond du réservoir primaire (9). Ainsi la densité 1 volumique du verre à l'intérieur du réservoir primaire (3) est progressivement croissante au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'ouverture (9), ce qui permet d'obtenir une quantité d'absorption calorifique, et donc une température, sensiblement égale dans tout le volume du réservoir (3). EXEMPLE DE REALISATION La figure 3 illustre un exemple de réalisation pour le réchauffement d'une serre agricole: un dispositif (T) de capture, d'échange et de stockage thermique de l'énergie solaire est composé d'un réservoir primaire (3) cylindrique de 40 cm de diamètre et de 200 cm de profondeur, rempli de billes de verre dont le diamètre est progressivement décroissant au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la fenêtre (9) de réception du rayonnement solaire concentré (2). Le diamètre des billes varie de 3 cm à 1 cm. Le réservoir primaire (3) est en acier de 1 mm d'épaisseur et sa paroi intérieure est polie pour être réfléchissante. Le réservoir primaire (3) est encerclé par un serpentin tubulaire (7) en cuivre de 20 mm de diamètre qui est soudé à la paroi dudit réservoir primaire (3). Le réservoir primaire (3) et le dit serpentin (7) sont entourés et en contact avec un réservoir secondaire (5) cylindrique de 2m de hauteur et de 80 cm de diamètre qui est composé de plâtre. Les deux réservoirs (3,5) sont positionnés verticalement et enterrés sous la surface du sol (12) de sorte que seule la fenêtre (9) soit visible en surface. Le rayonnement solaire (2) est concentré sur la fenêtre (9) grâce au couplage d'un héliostat (16) dont le miroir rectangulaire fait 2 x 3 m et d'un miroir parabolique (1) circulaire de 2 m de diamètre. La fenêtre (9) reçoit une irradiation solaire d'une puissance de 4 kW par fort ensoleillement pendant une moyenne de 4 heures par jour, soit une accumulation de chaleur dans les deux réservoirs équivalent à environ 16 KWh par jour. Le serpentin (7) est parcouru par un liquide caloporteur qui est un mélange d'eau et de glycol et qui assure la fonction d'échangeur thermique entre le dispositif de stockage (T) et une serre agricole (14) éloignée de 10 mètres. Le sol de la serre agricole (14) est parcouru par un circuit de tuyaux (17) qui sont enterrés à 50 cm de profondeur et qui sont reliés au serpentin (7) du dispositif de stockage thermique (T) afin de réchauffer le sol de la serre agricole (14). Un système automatique (11) muni d'une pompe à circulation calcule le débit optimum du liquide caloporteur dans les tuyaux (17) afin de réguler la température du sol de la serre (14), en général à une température supérieure à 6°C afin d'éviter le gel des racines et des plantes (13). La régulation se fait soit le jour lorsque l'intensité du rayonnement solaire (15) n'est pas suffisante pour maintenir cette température dans la serre (14), soit la nuit, donc en l'absence de soleil, par l'intermédiaire du seul dispositif (T) de stockage thermique solaire. AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention répond bien au but fixé en permettant le stockage performant de l'énergie solaire dans un matériau solide qui résiste bien à de hautes températures et cela à moindre coût. REVENDICATIONS1. Dispositif (T) de capture, d'échange et de stockage thermique de l'énergie solaire comprenant : - un réservoir primaire (3) comprenant une ouverture transparente (9) vers l'extérieur ; - un concentrateur (1) apte à concentrer le rayonnement solaire vers l'ouverture (9) du réservoir primaire et à échauffer le contenu dudit réservoir primaire; - un échangeur thermique (7) apte à récupérer l'énergie thermique générée dans le réservoir primaire, ce dispositif étant caractérisé en ce que ledit réservoir primaire (3) contient un matériau solide semi-transparent (8) apte à s'échauffer sous l'effet de l'absorption du rayonnement solaire concentré (2) qui traverse ladite ouverture (9) et apte à 15 maintenir l'énergie calorifique collectée et/ou à la redistribuer par l'intermédiaire de l'échangeur thermique (7). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit concentrateur est constitué par une optique (1) de type lentille de Fresnel, miroir parabolique, miroirs de Fresnel, ou une multitude d'héliostats. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi du réservoir primaire (3) est en acier, en aluminium ou en cuivre. 25 en ce que ledit matériau solide semi-transparent (8) est pris parmi le verre, une multitude 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé de morceaux de verre, une multitude de plaques de verre, des billes de verre, du verre pilé, ou du verre contenant des particules, éventuellement de taille nanométrique et aptes à absorber une partie du rayonnement solaire comme par exemple des particules métalliques ou de carbone. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (7) est à circulation de fluide, ledit fluide étant de l'air ou de l'eau ou de la vapeur d'eau. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (7) est positionné : - soit dans le réservoir primaire (3) ; - soit dans le réservoir secondaire (5) ; - soit positionné à proximité de la surface du réservoir primaire (3) ; - soit réalisé en forme de serpentin et positionné de manière à entourer le réservoir primaire (3). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir primaire (3) a la forme d'un parallélépipède rectangle, d'un cylindre ou d'un cône dont une des dimensions est au moins trois fois supérieure aux autres dimensions dudit réservoir primaire (3). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi intérieure du réservoir primaire (3) est en tout ou en partie réfléchissante afin de faciliter la pénétration du rayonnement solaire (6) dans ledit réservoir primaire (3). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réservoir primaire (3), est entouré, et est éventuellement en contact avec un réservoir thermique secondaire (5), à l'exception de son ouverture (9) qui reste libre. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité volumique moyenne dudit matériau semi-transparent (8) est progressivement croissante lorsqu'on s'éloigne de l'ouverture (9) du réservoir primaire (3). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit gradient de densité volumique moyenne du matériau transparent (8) est réalisé par des billes dont le diamètre est progressivement décroissant lorsqu'on s'éloigne de l'ouverture (9), ou par des plaques de verre (10) parallèles entre elles et de plus en plus rapprochées les unes des autres à mesure que l'on s'éloigne de l'ouverture (9). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir primaire (3) est en position verticale, son ouverture (9) est située dans sa partie haute et il est enfoncé dans le sol.