Brevet FR3017198A1 — publié le 20150807

SUPPORT DE TUBE ABSORBEUR POUR CENTRALE SOLAIRE A CONCENTRATION LINEAIRE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une centrale solaire à concentration linéaire et plus particulièrement un support de tube absorbeur dans lequel circule un fluide caloporteur permettant la libre dilatation longitudinale du tube tout en limitant l'usure de la fine couche sélective du tube lors de sa dilatation. ART ANTERIEUR Dans le domaine de la production d'énergie, il est bien connu des centrales électriques solaires thermiques qui sont une alternative aux centrales électriques fonctionnant à partir d'énergies fossiles telles que le pétrole ou le charbon par exemple. Il existe plusieurs types de centrale électrique solaire thermique. Les quatre principaux types de centrale sont les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques, les centrales à tour, les centrales à capteurs paraboliques et les centrales solaires à miroirs de Fresnel. Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques se composent de rangées parallèles de longs miroirs cylindro-paraboliques qui tournent autour d'un axe horizontal pour suivre la course du soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube absorbeur horizontal, dans lequel circule un fluide caloporteur dont la température atteint en général 400 °C. Ce fluide est ensuite pompé à travers des échangeurs afin de produire de la vapeur surchauffée qui actionne une turbine ou un générateur électrique. Les centrales solaires à tour sont constituées de nombreux miroirs concentrant les rayons solaires vers une chaudière située au sommet d'une tour. Les miroirs uniformément répartis sont appelés réflecteurs primaires. Chaque réflecteur primaire est orientable, et suit le soleil individuellement et le réfléchit précisément en direction du - 2 - receveur au sommet de la tour solaire. Le facteur de concentration peut dépasser 1000, ce qui permet d'atteindre des températures importantes, de 600 °C à 1000 °C. L'énergie concentrée sur le receveur est ensuite soit directement transférée à un fluide thermodynamique pour générer de la vapeur entraînant une turbine ou chauffer de l'air alimentant une turbine à gaz, soit utilisée pour chauffer un fluide caloporteur intermédiaire. Ce fluide caloporteur est ensuite envoyé dans une chaudière et la vapeur générée actionne des turbines. Dans tous les cas, les turbines entraînent des alternateurs produisant de l'électricité. Dans les centrales à capteurs paraboliques, ces derniers fonctionnent d'une manière autonome. Ils s'orientent automatiquement et suivent le soleil sur deux axes afin de réfléchir et de concentrer les rayons du soleil vers un point de convergence appelé foyer consistant usuellement dans une enceinte fermée contenant du gaz qui est monté en température sous l'effet de la concentration. Cela entraîne un moteur Stirling qui convertit l'énergie solaire thermique en énergie mécanique puis en électricité. Le rapport de concentration de ce système est souvent supérieur à 2000 et le récepteur peut atteindre une température de 1000 °C. Tous ces types de centrale présentent l'inconvénient d'être particulièrement 20 onéreuses. Les centrales solaires les moins onéreuses consistent dans les centrales solaires dites à miroir de Fresnel. En effet, ces dernières sont similaires aux centrales à collecteurs cylindro-parabolique à l'exception du fait que les collecteurs cylindro-paraboliques, qui 25 sont chers à fabriquer, sont substitués par une succession de miroirs plans qui approxime la forme parabolique du collecteur. Chacun des miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers un tube ou un ensemble de tubes récepteurs linéaires fixes. En circulant dans ce récepteur horizontal, le fluide thermodynamique peut être vaporisé puis surchauffé jusqu'à 500 °C. La vapeur 30 alors produite actionne une turbine qui produit de l'électricité. Le cycle thermodynamique est généralement direct, ce qui permet d'éviter les échangeurs de chaleur. - 3 - Usuellement, une centrale solaire à concentration linéaire comprend un ensemble de modules de miroirs constituant des réflecteurs dits primaires, en l'espèce des miroirs de Fresnel, montés sur bâti solidaire du sol de telle sorte que lesdits miroirs s'étendent parallèlement, chaque ligne de miroirs comprenant une série de plusieurs miroirs. Cette centrale comprend également un récepteur linéaire supporté par une série de mâts s'étendant verticalement depuis la partie centrale du bâti de manière à ce que le récepteur linéaire s'étende longitudinalement au-dessus des miroirs qui sont orientés pour réfléchir et concentrer le rayonnement solaire vers le récepteur linéaire. Ledit récepteur linéaire est généralement constitué d'un ou plusieurs tubes longilignes parallèles dans chacun desquels circule un fluide caloporteur, tel que par exemple de l'eau, porté à l'état de vapeur par la focalisation du rayonnement solaire sur chaque tube par les miroirs. On notera que le nombre ainsi que la taille de chacun des tubes récepteurs sont déterminés d'une part en fonction des caractéristiques du fluide caloporteur et d'autre part en fonction de la géométrie des miroirs. Ledit récepteur linéaire reçoit l'énergie de rayonnement solaire sous forme radiative et la convertit en énergie thermique, qui peut être utilisée sous forme de chaleur ou pour produire de l'électricité à partir d'un ensemble turbo-alternateur. De telles centrales solaires à concentration solaire sont notamment décrites dans les demandes de brevet international WO 2009/029277 et WO 2012/156624. La demande de brevet international WO 2009/029277 décrit des exemples et des variantes de systèmes de capteur solaire comprenant un récepteur linéaire surélevé et des premiers et des seconds champs de réflecteur situés sur des côtés opposés du récepteur. Ces champs de réflecteur sont conçus et commandés pour réfléchir un rayonnement solaire sur le récepteur. Ce document décrit également des exemples et des variantes de récepteurs et de réflecteurs qui peuvent, dans certaines variantes, être utilisés dans lesdits systèmes de capteur solaire. Dans ce document, le récepteur linéaire comporte plusieurs tubes récepteurs montés en parallèles et prenant appui sur un rouleau monté libre en rotation, ledit rouleau comportant une pluralité de gorges de section sensiblement carré. - 4 - La demande de brevet international WO 2012/156624 décrit une installation solaire à concentration linéaire et un réflecteur secondaire pouvant être utilisé dans une telle installation. Au moins un tube absorbeur est supporté sur chacun des mâts, indépendamment du récepteur secondaire, par l'intermédiaire d'une plaque antifriction solidaire du mât transversalement au tube absorbeur qui est bilatéralement maintenu sur la plaque antifriction en reposant dans une échancrure de cette plaque. Ainsi, dans ces centrales solaires à concentration linéaire, la longueur du tube absorbeur peut atteindre 800 mètres. L'ensemble du tube absorbeur est composé de plusieurs tubes, dont la longueur est comprise entre deux et douze mètres, assemblés entre eux bout à bout. De par sa fonction, le tube est fortement irradié et absorbe une très grand partie de cette énergie sous forme de chaleur, et sous l'effet de l'élévation de température le tube se dilate. Cette dilatation est généralement supérieure à deux mètres et peut engendrer des endommagements dans le système si elle n'est pas contrôlée. Le phénomène de dilatation transversale est également présent, cependant les variations de dimensions ne sont pas significatives et ne risque pas d'endommager les éléments environnants. Par ailleurs, le positionnement du tube absorbeur par rapport aux réflecteurs primaires est très important dans la technologie de Fresnel. Son axe de révolution doit être confondu avec la ligne focale des réflecteurs primaires afin que la concentration sur le collecteur soit maximale. Il est alors nécessaire d'utiliser une pièce permettant de positionner précisément le tube en hauteur mais également dans le plan transverse. Enfin cet élément de positionnement doit permettre la dilatation longitudinale du tube absorbeur. Usuellement, il existe plusieurs moyens de fixation du tube : i) par le dessus : un collier est utilisé pour supporter le tube. Ce collier est relié à un chariot équipé de roulette lui permettant de se déplacer linéairement le long d'un rail dans le même axe du tube. ii) il est également possible de supporter séparément chaque élément composant le tube sans permettre de déplacement par rapport au support. Un - 5 - flexible est alors disposé entre chaque élément afin de résoudre la dilatation des composants localement. iii) Par un ensemble composé de deux galets métalliques montés en « V » supportant le tube. Ces galets sont montés sur des axes permettant ainsi leur rotation. Ce degré de liberté permet au tube de se dilaté longitudinalement. Toutes ces solutions présentent néanmoins de nombreux inconvénients. L'utilisation d'un collier de serrage sur le tube réduit sa surface exposée au rayonnement, diminuant ainsi le rendement optique du système. La présence de rail au-dessus de l'ensemble augmente l'ombre portée sur le champ solaire ayant le même effet sur le rendement de l'installation. De plus la résistance au déplacement due à la dilatation est d'autant plus importante avec le nombre croissant de roulette. Les rails guidant en translation peuvent se dilater sous l'effet de la température. L'utilisation de joints flexibles entre chaque tronçon du tube absorbeur réduit également la surface exposée au rayonnement. De plus, cette solution ne permet pas de supporter le tube et ne permet pas sa dilatation en un même point. L'utilisation de galets métalliques engendre une détérioration par abrasion de la couche sélective qui revêtit la surface extérieure du tube absorbeur. En effet le tube subit un traitement de surface lui permettant d'augmenter ses propriétés thermiques. Cette fine couche sélective est très fragile. Il est alors impératif de réduire le contact entre le tube absorbeur et son support. Le changement d'un galet défectueux n'est pas possible, il est impératif de changer l'ensemble galet et support. De plus, l'axe permettant la rotation des galets peut se déformer bloquant ainsi sa rotation. EXPOSE DE L'INVENTION L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un support de tube absorbeur de conception simple et peu onéreuse, limitant l'usure du tube absorbeur et permettant une maintenance rapide et aisée notamment. A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé une centrale solaire à concentration linéaire comprenant un ensemble de réflecteurs dits primaires, tels que des miroirs de Fresnel, solidaires d'un bâti et orientés pour réfléchir et concentrer le rayonnement solaire vers un récepteur s'étendant longitudinalement au sommet de mats - 6 - verticaux solidaires dudit bâti, ledit récepteur comportant au moins un tube absorbeur dans lequel circule un fluide caloporteur, un réflecteur secondaire s'étendant au-dessus du tube absorbeur parallèlement à ce dernier de manière à concentrer vers le tube absorbeur le rayonnement solaire issu de l'ensemble des réflecteurs primaires, et ledit tube absorbeur prenant appui sur un support solidaire de l'extrémité supérieure des mats verticaux ; ladite centrale est remarquable en ce que ledit support consiste dans un rouleau présentant un corps central cylindrique muni d'une gorge annulaire de telle manière que la surface de contact du tube absorbeur sur la gorge annulaire du rouleau soit réduite à deux points et des axes montés libre en rotation dans des lumières pratiquées dans les branches d'un étrier en forme générale de U, ledit étrier étant solidaire de l'extrémité supérieure des mats verticaux. Ledit coefficient de frottement entre les axes du rouleau et l'étrier est inférieur ou égal au coefficient de frottement entre le rouleau et le tube absorbeur. Par ailleurs, la gorge annulaire présente une section sensiblement hémi-circulaire dont la concavité présente un rayon de courbure inférieur au rayon de courbure du tube absorbeur. De manière alternative, la gorge annulaire présente une section de forme sensiblement trapézoïdale comportant un fond plat et deux parois inclinées de part et d'autre dudit fond. De plus, l'étrier consiste en un pièce en forme générale de U comportant une base horizontale et deux ailes verticales s'étendant de part et d'autre de la base, les lumières recevant les axes du rouleau débouchant aux extrémités libres desdites branches. Ledit étrier est solidaire d'un piètement apte à s'emboiter sur l'extrémité supérieure des mats verticaux. Ledit piètement est constitué d'une pièce sensiblement trapézoïdale dont la grande base est munie d'ergots aptes à s'emboiter dans des trous correspondants pratiqués à l'extrémité supérieure des mats verticaux et d'autre part d'une pièce en forme de triangle - 7 - droit dont les côtés droits sont respectivement munis d'un ergot apte à s'emboiter d'une part dans un trou correspondant pratiqué à l'extrémité supérieure des mats verticaux et d'autre part dans un trou pratiqué dans la partie centrale de la pièce trapézoïdale. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, du support de tube absorbeur conforme à l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une centrale solaire à concentration linéaire conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'un champ de collecte de la centrale solaire à concentration linéaire suivant l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe transversale du réflecteur secondaire et du support du tube absorbeur de la centrale solaire à concentration linéaire suivant l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective de l'extrémité supérieure d'un mat portant le support du tube absorbeur de la centrale solaire à concentration linéaire suivant 20 l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective du support du tube absorbeur de la centrale solaire à concentration linéaire suivant l'invention, - la figure 6 est une vue de face du support du tube absorbeur de la centrale solaire à concentration linéaire suivant l'invention, 25 - la figure 7 est une vue de côté du support du tube absorbeur de la centrale solaire à concentration linéaire suivant l'invention, - la figure 8 est une vue en perspective d'une jambe du piètement du support du tube absorbeur de la centrale à concentration linéaire suivant l'invention, - la figure 9 est une vue en perspective d'une seconde jambe du piètement du 30 support du tube absorbeur de la centrale à concentration linéaire suivant l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION - 8 - Par souci de clarté, dans la suite de la description, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Par ailleurs, les différentes vues ne sont pas nécessairement tracées à l'échelle. En référence aux figures 1 et 2, la centrale électrique solaire thermique à concentration linéaire est du type à miroir de Fresnel et comporte plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1), un ensemble dit de production (2) comportant des moyens pour transformer l'énergie thermique en électricité par exemple. Chaque champ de collecte solaire à concentration (1) comprend une pluralité de réflecteurs primaires (3) solidaires d'un châssis (4) métallique qui concentrent les rayons solaires sur un tube absorbeur (5) dans lequel un fluide caloporteur circule, ledit fluide caloporteur consistant dans un fluide tel que de l'eau ou dans un gaz tel que de l'air par exemple. Ledit tube absorbeur (5) s'étend dans un réflecteur secondaire (6) solidaire des extrémités supérieures de mats verticaux (7) portés par le châssis (4) comme il sera détaillé un peu plus loin. On entend par « réflecteur primaire » un dispositif permettant de suivre la course du Soleil pour orienter toute la journée les rayons solaires vers le tube absorbeur (5) à l'aide de miroirs. Les miroirs plans (3) sont articulés au châssis (4) de manière à approximer une forme parabolique. Ainsi, chacun des miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers le tube (5). En référence aux figures 3 à 6, le tube absorbeur (5) s'étend dans le réflecteur secondaire (6) en prenant appui sur un support (8) solidaire de l'extrémité supérieure des mats verticaux (7). Dans cet exemple particulier de réalisation, lesdits mats verticaux (7) présentent une forme de V inversé dont le sommet comporte un plateau (9) sur lequel est solidarisé le support (8) du tube absorbeur (5) et le réflecteur secondaire (6). Il est bien évident que les mats (7) pourront présenter une forme quelconque, telle qu'une forme de poteau vertical par exemple, sans pour autant sortir du cadre de 30 l'invention. Ledit support (8) consiste dans un rouleau (10) présentant un corps central cylindrique (11) muni d'une gorge annulaire (12) de telle manière que la surface de - 9 - contact du tube absorbeur (5) sur la gorge annulaire (12) du rouleau (10) soit réduite à deux points et des axes (13) montés libre en rotation dans des lumières (14) pratiqués dans les branches (15) d'un étrier (16) en forme générale de U, ledit étrier (16) étant solidaire de l'extrémité supérieure des mats verticaux (7). De manière particulièrement avantageuse, le coefficient de frottement entre les axes (13) du rouleau (10) et l'étrier (16) est inférieur ou égal au coefficient de frottement entre le rouleau (10) et le tube absorbeur (5). Par exemple, le rouleau (10) et ses axes (13) ainsi que l'étrier (16) sont réalisés en acier inoxydable et/ou silicate d'alumine. Dans cet exemple particulier de réalisation, la gorge annulaire (12) présente une section de forme sensiblement trapézoïdale comportant un fond plat (17) et deux parois inclinées (18) de part et d'autre dudit fond (17) ; Toutefois, il est bien évident que la gorge annulaire (12) pourra présenter une section sensiblement hémi-circulaire dont la concavité présente un rayon de courbure inférieur au rayon de courbure du tube absorbeur (5) sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Par ailleurs, l'étrier (16) consiste en une pièce en forme générale de U comportant une base horizontale (19) et deux ailes verticales formant les branches (15) et s'étendant de part et d'autre de la base (19), les lumières (14) recevant les axes (13) du rouleau (10) débouchant aux extrémités libres desdites branches (15). Le fond des lumières (14) est arrondi de telle manière que le rayon de courbure dudit fond des lumières soit légèrement supérieur au rayon des axes (13) du rouleau (10). Ledit étrier (16) est solidaire d'un piètement (20) apte à s'emboiter sur l'extrémité supérieure des mats verticaux (7). Ce piètement (20) est constitué d'une première pièce sensiblement trapézoïdale (21) dont la grande base est munie d'ergots (22) aptes à s'emboiter dans des trous (23) correspondants pratiqués à l'extrémité supérieure des mats verticaux (7) et d'autre part d'une seconde pièce en forme de triangle droit (24) dont les côtés droits sont respectivement munis d'un ergot (25) apte à s'emboiter d'une part dans un trou (26) correspondant pratiqué à l'extrémité supérieure des mats verticaux (7) et d'autre part dans un trou (27) pratiqué dans la partie centrale de la pièce trapézoïdale (21). On notera que l'invention présente ainsi de nombreux avantages. Tout d'abord, la faible surface de contact entre le rouleau (10) et le tube absorbeur (5) limite les efforts de - 10 friction entre ledit tube (5) et le rouleau (10). Ce faible frottement diminue l'usure de la fine couche sélective du tube (5) lors de sa dilatation. De plus, la rotation du rouleau permet la libre dilatation longitudinale du tube (5). En effet, le tube absorbeur (5) est irradié par le rayonnement concentré du soleil ; plus la température de sa couche sélective est chaude, plus celle-ci est sensible à l'abrasion. Un fluide caloporteur circule à l'intérieure du tube (5), ce qui engendre un gradient de température suivant son axe longitudinal. En fixant l'extrémité chaude du tube absorbeur (5), la dilatation est contrainte de s'effectuer vers l'extrémité froide. Le mouvement relatif de la partie chaude par rapport à son support sera alors plus faible, la couche sélective à la surface extérieure du tube sera ainsi préservée Par ailleurs, le support suivant l'invention permet également de ne pas utiliser de lubrifiant, le roulement étant réalisé par frottement sec. La maintenance d'un tel assemblage est simplifiée, tout comme l'assemblage. En effet les deux pièces constituant l'invention sont simplement posées l'une sur l'autre. Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières et en aucun cas limitatifs quant au domaine d'application de l'invention. REVENDICATIONS1 - Centrale solaire à concentration linéaire comprenant un ensemble de réflecteurs dits primaires, tels que des miroirs de Fresnel, solidaires d'un bâti et orientés pour réfléchir et concentrer le rayonnement solaire vers un récepteur s'étendant longitudinalement au sommet de mats verticaux solidaires dudit bâti, ledit récepteur comportant au moins un tube absorbeur dans lequel circule un fluide caloporteur, un réflecteur secondaire s'étendant au-dessus du tube absorbeur parallèlement à ce dernier de manière à concentrer vers le tube absorbeur le rayonnement solaire issu de l'ensemble des réflecteurs primaires, et ledit tube absorbeur prenant appui sur un support solidaire de l'extrémité supérieure des mats verticaux, caractérisé en ce que ledit support consiste dans un rouleau présentant un corps central cylindrique muni d'une gorge annulaire de telle manière que la surface de contact du tube absorbeur sur la gorge annulaire du rouleau soit réduite à deux points et des axes montés libre en rotation dans des lumières pratiquées dans les branches d'un étrier en forme générale de U, ledit étrier étant solidaire de l'extrémité supérieure des mats verticaux. 2 - Centrale selon la revendication précédente caractérisée en ce que le coefficient de frottement entre les axes du rouleau et l'étrier est inférieur ou égal au coefficient de frottement entre le rouleau et le tube absorbeur. 3 - Centrale selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la gorge annulaire présente une section sensiblement hémi-circulaire dont la concavité présente un rayon de courbure inférieur au rayon de courbure du tube absorbeur. 4 - Centrale selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la gorge annulaire présente une section de forme sensiblement trapézoïdale comportant un fond plat et deux parois inclinées de part et d'autre dudit fond. 5 - Centrale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que l'étrier consiste en un pièce en forme générale de U comportant une base- 12 horizontale et deux ailes verticales s'étendant de part et d'autre de la base, les lumières recevant les axes du rouleau débouchant aux extrémités libres desdites branches. 6 - Centrale selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que l'étrier est solidaire d'un piètement apte à s'emboiter sur l'extrémité supérieure des mats verticaux. 7 - Centrale selon la revendication 6 caractérisée en ce que le piètement est constitué d'une pièce sensiblement trapézoïdale dont la grande base est munie d'ergots aptes à s'emboiter dans des trous correspondants pratiqués à l'extrémité supérieure des mats verticaux et d'autre part d'une pièce en forme de triangle droit dont les côtés droits sont respectivement munis d'un ergot apte à s'emboiter d'une part dans un trou correspondant pratiqué à l'extrémité supérieure des mats verticaux et d'autre part dans un trou pratiqué dans la partie centrale de la pièce trapézoïdale.15