Brevet FR3037642A1 — publié le 20161223

RESERVOIR DE STOCKAGE THERMIQUE La présente invention a trait à un réservoir de stockage thermique. Plus précisément, l'invention concerne un réservoir de stockage thermique de type 5 thermocline dual. A titre d'exemple non limitatif, un tel réservoir peut être utilisé dans une centrale solaire, notamment du type à miroir de Fresnel. Un réservoir 1 connu de l'état de la technique, illustré à la figure 1, comporte : - une enceinte 10 comprenant une surface interne délimitant un volume pour le 10 stockage thermique, la surface interne de l'enceinte 10 formant un cylindre présentant une hauteur H et un diamètre D ; - des strates 2 d'éléments solides d'un matériau de stockage, le matériau de stockage étant adapté pour stocker la chaleur d'un fluide caloporteur circulant dans l'enceinte 10, les strates 2 occupant le volume de l'enceinte 10. 15 Un tel réservoir 1 de l'état de la technique est de type thermocline. La stratification thermique à l'intérieur de l'enceinte 10 conduit à la présence : - d'une zone chaude dans une partie supérieure de l'enceinte 10, - d'une zone froide dans une partie inférieure de l'enceinte 10, - d'une zone de transition appelée thermocline entre la zone chaude et la zone 20 froide. Le fluide caloporteur est introduit par le haut du réservoir 1, via une entrée Ec, lors d'une phase de stockage afin d'éviter des mouvements de convection naturelle. Le fluide caloporteur est injecté par le bas du réservoir 1, via une entrée EF, lors d'une phase de déstockage, et retiré par le haut du réservoir 1. Le 25 réservoir 1 comporte des premier et second distributeurs 11a, 11b du fluide caloporteur agencés respectivement dans la partie inférieure et dans la partie supérieure de l'enceinte 10. Le fluide caloporteur est distribué dans l'enceinte 10 à une vitesse suffisamment faible (de l'ordre de 1 mm/s) pour assurer un transfert de chaleur efficace entre le fluide caloporteur et les strates 2. 30 Le principe de ce type de stockage de chaleur est de créer une sorte de piston thermique, c'est-à-dire une avancée d'un front thermique homogène transversalement, afin de maintenir des températures constantes dans la zone chaude et dans la zone froide lors des phases de stockage et de déstockage. Par 3037642 2 « transversale(ment) », on entend selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal du réservoir 1. Plus précisément, un tel réservoir 1 de l'état de la technique est de type thermocline dual. Les éléments solides des strates 2 forment une matrice solide. Le stockage thermique est assuré à la fois par la matrice solide et par le fluide caloporteur. L'utilisation d'une matrice solide et d'un fluide caloporteur permet de réduire significativement les coûts relativement à un réservoir de stockage thermique n'utilisant qu'un fluide caloporteur. Par « strate », on entend un ensemble d'éléments solides s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du réservoir (c'est-à-dire un plan horizontal lorsque l'axe longitudinal du réservoir 1 est vertical). Les éléments solides de chaque strate 2 sont sans ordre, pêle-mêle, préférentiellement avec plusieurs granulométries. En effet, le matériau de stockage de la matrice solide est « en vrac » au sens où il est intrinsèquement sans ordre, pêle-mêle. En outre, la matrice solide comporte classiquement plusieurs granulométries afin de réduire l'espace libre au sein de la matrice solide. Un tel réservoir 1 de l'état de la technique n'est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où la stratification thermique n'est pas parfaitement uniforme, ce qui conduit à une inhomogénéité du front thermique. Des chemins thermiques préférentiels apparaissent alors dans l'enceinte 10, se traduisant par exemple par la présence d'un fluide caloporteur chaud dans des portions de la zone froide du réservoir 1 en phase de stockage, limitant par là-même le bon fonctionnement du réservoir 1. En outre, un tel réservoir 1 de l'état de la technique est soumis au problème de l'effet de cliquet thermique (« thermal ratcheting effect » en langue anglaise). Au cours des différentes phases de stockage, le matériau de l'enceinte 10 se dilate différemment de la matrice solide et libère un espace entre la matrice solide et la surface interne de l'enceinte 10. Cet espace est ensuite comblé par des éléments solides de la matrice solide, la matrice solide diminuant ainsi de hauteur. Au cours des différentes phases de déstockage, le matériau de l'enceinte 10 se rétracte et est contraint par les éléments solides de la matrice solide qui ont comblé l'espace. Le premier distributeur 11a agencé dans la partie inférieure de l'enceinte 10, et noyé dans la matrice solide, est également soumis à 3037642 3 d'importantes contraintes. Il est connu de l'état de la technique de concevoir un cylindre vérifiant H/D h2 afin de réduire le plus efficacement l'effet de cliquet thermique. Les deuxièmes empilements en partie périphérique permettent une homogénéisation 3037642 9 transversale en sortie du stockage, ce qui permet de lisser l'évolution de la température de sortie du stockage. Une température de sortie stable est plus favorable vis-à-vis des performances en sortie de stockage. 5 Dans un mode de réalisation, le ou chaque empilement est interposé entre deux strates successives de manière à délimiter des strates supérieures et des strates inférieures de part et d'autre de l'empilement correspondant ; le ou les empilements sont répartis dans l'enceinte de sorte que les strates supérieures et les strates inférieures délimitées par le ou les empilements occupent des volumes 10 égaux dans l'enceinte avec une tolérance de 15%. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : 15 - la figure 1 (déjà commentée) est une vue schématique en perspective d'un réservoir de l'état de la technique, - la figure 2 (déjà commentée) est une vue schématique en coupe d'un réservoir de l'état de la technique, - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un réservoir selon l'invention, 20 - la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un réservoir selon l'invention, - la figure 5 est une vue schématique en perspective illustrant un empilement additionnel enveloppant un distributeur de fluide caloporteur, - la figure 6 est une vue schématique de dessus illustrant un empilement 25 additionnel enveloppant un distributeur de fluide caloporteur, - la figure 7 est une vue schématique en coupe d'un réservoir selon l'invention, - la figure 8 est une vue schématique partielle en coupe d'un réservoir selon l'invention, - la figure 9 est une vue schématique de dessus des éléments solides des strates. 30 Pour les différents modes de réalisation, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description. Les caractéristiques techniques décrites ci-après pour différents modes de réalisation sont à considérer isolément ou selon toute combinaison techniquement possible. 3037642 10 Le réservoir illustré aux figures 3 à 8 est un réservoir 1 de stockage thermique, comportant : - une enceinte 10 comprenant une surface interne 100 délimitant un volume pour 5 le stockage thermique ; - des strates 2 d'éléments solides d'un matériau de stockage, le matériau de stockage étant adapté pour stocker la chaleur d'un fluide caloporteur circulant dans l'enceinte 10, les strates 2 occupant le volume de l'enceinte ; - au moins un empilement 3 d'éléments solides d'un matériau thermiquement 10 conducteur, l'empilement 3 étant interposé entre deux strates 2 successives. Le réservoir 1 comporte des moyens de séparation configurés pour séparer les éléments solides des strates 2 et les éléments solides de l'empilement 3. Les moyens de séparation sont configurés pour autoriser une circulation du fluide caloporteur à travers l'empilement 3. 15 La surface interne 100 de l'enceinte 10 forme avantageusement un cylindre présentant une hauteur H et un diamètre D. A titre d'exemple, D est supérieur à 10 m, de préférence supérieur à 15 m. Le cylindre vérifie de préférence 1 h2 afin de réduire le plus efficacement l'effet de cliquet thermique, comme illustré à la figure 8. Par ailleurs, 25 une telle configuration géométrique des premier et deuxième empilements 3, 3' est également avantageuse d'un point de vue thermique afin d'améliorer l'homogénéisation du front thermique aux parties périphériques du réservoir 1. Le réservoir 1 comporte avantageusement des empilements additionnels 3a, 3b d'éléments solides du matériau thermiquement conducteur, les empilements 30 additionnels 3a, 3b étant agencés pour respectivement envelopper les premier et second distributeurs 11a, 11b. Comme illustré à la figure 7, chaque empilement 3 est interposé entre deux strates 2 successives de manière à délimiter des strates 2 supérieures et des strates 2 inférieures de part et d'autre de l'empilement 3 correspondant. Les 3037642 13 empilements 3 sont avantageusement répartis dans l'enceinte 10 de sorte que les strates 2 supérieures et les strates 2 inférieures délimitées par les empilements 3 occupent des volumes égaux dans l'enceinte avec une tolérance de 15%. 5 Les moyens de séparation comportent avantageusement : - un rebord 4 s'étendant sur un pourtour de la surface interne 100 de l'enceinte 10; - un organe de plaquage 5 agencé pour plaquer le rebord 4 contre la surface interne 100 de l'enceinte 10. 10 L'organe de plaquage 5 comporte avantageusement un ressort monté comprimé contre le rebord 4. Le ressort est avantageusement d'un matériau métallique. Le ressort présente avantageusement une forme torique. Les moyens de séparation comportent avantageusement : - une grille supérieure 6b interposée entre les strates 2 supérieures et 15 l'empilement 3 correspondant, et - une grille inférieure 6a interposée entre l'empilement 3 correspondant et les strates 2 inférieures. La grille supérieure 6b comporte des mailles adaptées pour la rétention des éléments solides des strates 2 supérieures. La grille inférieure 6a comporte des 20 mailles adaptées pour la rétention des éléments solides de l'empilement 3 correspondant. Les mailles de la grille supérieure 6b et de la grille inférieure 6a sont adaptées pour autoriser la circulation du fluide caloporteur à travers l'empilement 3 correspondant. Comme illustré à la figure 7, le réservoir 1 comporte des grilles 25 additionnelles 6' interposées entre les strates 2 et les empilements additionnels 3a, 3b. Le rebord 4 s'étend dans le prolongement de chaque grille 6a, 6b, 6'. Chaque grille 6a, 6b, 6' présente une section horizontale circulaire avec un diamètre supérieure à D de sorte que le rebord 4 correspondant comporte une surface 30 d'appui contre la surface interne 100 de l'enceinte 10. Chaque grille 6a, 6b, 6' est d'un matériau compatible avec le matériau de stockage et le fluide caloporteur. Le matériau de chaque grille 6a, 6b, 6' est avantageusement un acier, de préférence inoxydable. 35 REVENDICATIONS1. Réservoir (1) de stockage thermique, comportant : - une enceinte (10) comprenant une surface interne (100) délimitant un volume 5 pour le stockage thermique ; - des strates (2) d'éléments solides d'un matériau de stockage, le matériau de stockage étant adapté pour stocker la chaleur d'un fluide caloporteur circulant dans l'enceinte (10), les strates (2) occupant le volume de l'enceinte (10) ; - au moins un empilement (3) d'éléments solides d'un matériau thermiquement 10 conducteur, l'empilement (3) étant interposé entre deux strates (2) successives ; le réservoir (1) étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de séparation configurés pour séparer les éléments solides des strates (2) et les éléments solides de l'empilement (3), et en ce que les moyens de séparation sont configurés pour autoriser une circulation du fluide caloporteur à travers 15 l'empilement (3). 2. Réservoir (1) selon la revendication 1, dans lequel les moyens de séparation comportent : - un rebord (4) s'étendant sur un pourtour de la surface interne (100) de l'enceinte 20 (10) ; - un organe de plaquage (5) agencé pour plaquer le rebord (4) contre la surface interne (100) de l'enceinte (10). 3. Réservoir (1) selon la revendication 2, dans lequel l'organe de plaquage (5) 25 comporte un ressort monté comprimé contre le rebord (4). 4. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'empilement (3) est interposé entre deux strates (2) successives de manière à délimiter des strates (2) supérieures et des strates (2) inférieures de part et 30 d'autre de l'empilement (3) ; et les moyens de séparation comportent : - une grille supérieure (6b) interposée entre les strates (2) supérieures et l'empilement (3), et - une grille inférieure (6a) interposée entre l'empilement (3) et les strates (2) inférieures. 3037642 15 5. Réservoir (1) selon la revendication 4, dans lequel la grille supérieure (6b) comporte des mailles adaptées pour la rétention des éléments solides des strates (2) supérieures ; la grille inférieure (6a) comporte des mailles adaptées pour la rétention des éléments solides de l'empilement (3) ; les mailles de la grille supérieure (6b) et de la grille inférieure (6a) étant adaptées pour autoriser la circulation du fluide caloporteur à travers l'empilement (3). 6. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'enceinte 10 (10) est d'un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique al ; le matériau de stockage présente un coefficient de dilatation thermique a2 vérifiant a2 7. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'enceinte (10) comporte une partie inférieure (10a) et une partie supérieure (10b) ; le réservoir (1) comporte : - des premier et second distributeurs (11 a, 11 b) du fluide caloporteur agencés 20 respectivement dans la partie inférieure (10a) et dans la partie supérieure (10b) de l'enceinte (10) ; - des empilements additionnels (3a, 3b) d'éléments solides du matériau thermiquement conducteur, les empilements additionnels (3a, 3b) étant agencés pour envelopper les premier et second distributeurs (11 a, 11b). 25 8. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les éléments solides de chaque empilement (3) comportent des billes, de préférence présentant un diamètre compris entre 5 mm et 50 mm. 30 9. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel chaque empilement (3) présente une porosité comprise entre 30% et 50%. 10. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le matériau thermiquement conducteur est un matériau métallique, de préférence un acier. 3037642 16 11. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel les éléments solides des strates (2) comportent des roches et de préférence du sable, les roches étant de préférence alluvionnaires. 5 12. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le fluide caloporteur est un liquide ou un gaz, le liquide étant de préférence une huile, le gaz étant de préférence l'air. 13. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel la surface interne (100) de l'enceinte (10) forme un cylindre présentant une hauteur H et un diamètre D ; le cylindre vérifie de préférence 1 14. Réservoir (1) selon la revendication 13, dans lequel chaque empilement (3) présente une hauteur h vérifiant 0,05 15. Réservoir (1) selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel le ou chaque empilement (3) est interposé entre deux strates (2) successives de manière à délimiter des strates (2) supérieures et des strates (2) inférieures de part et d'autre de l'empilement (3) correspondant ; le ou les empilements (3) sont répartis dans l'enceinte (10) de sorte que les strates (2) supérieures et les strates inférieures (2) délimitées par le ou les empilements (3) occupent des volumes égaux dans l'enceinte (10) avec une tolérance de 15%.25