Brevet FR3050017A1 — publié le 20171013

Dispositif de conversion d'énergie solaire en énergie thermique Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un dispositif permettant d'extraire l'énergie solaire thermique produite notamment au foyer d'un concentrateur de type parabolique et de l'exploiter à distance au niveau d'une installation fixe ou mobile, notamment située au sol. Arrière-plan technologique M. existe deux modes principaux de production d'énergie solaire : la production directe d'électricité à partir du rayonnement solaire par voie photovoltaïque, et la production de chaleur utilisée soit de manière directe dans des dispositifs tels que les panneaux solaires plans ou les cuiseurs solaires, soit comme source chaude dans des dispositifs thermodynamiques tels que centrales cylindroparaboliques, centrales à tour ou systèmes dish-Stirling. Certains besoins ne peuvent toutefois être pleinement satisfaits par l'une ou l'autre de ces solutions. Il s'agit d'applications d'utilisation directe de la chaleur dans des régions du monde peu développées et souvent dépourvues d'infrastructures de distribution d'électricité. Parmi ces applications figurent notamment la cuisson des aliments, la stérilisation de l'eau et sa dessalinisation. Les panneaux solaires plans ne permettent pas d'obtenir des températures suffisamment élevées nécessaires à un rendement satisfaisant. Les cuiseurs solaires sont de petite taille, de faible puissance et souffrent par construction d'un rendement faible. La transformation par effet joule de l'électricité photovoltaïque en chaleur est un non sens, cette électricité n'étant produite qu'avec un rendement de l'ordre de 20%. Les centrales à capteur cyclindro-paraboliques, et à fortiori les 1 3050017 centrales à tour nécessitent des infrastructures importantes et ne sont pas à ce titre à la portée de petites collectivités isolées. Les concentrateurs paraboliques sont susceptibles d'offrir un bon compromis en termes de modularité, de compacité, de coût et de performances. Par comparaison avec les concentrateurs cylindro-paraboliques pour lesquels les températures de fluide échangeur atteintes n'excèdent guère 400°c, lesdits concentrateurs paraboliques permettent d'obtenir des températures largement supérieures, pouvant sans difficulté atteindre les 1000°. Description générale de l'invention Les capteurs paraboliques sont généralement associés à un moteur Stirling placé au foyer de la parabole (sous la dénomination « Dish Stirling »). Le dispositif selon l'invention est constitué d'un concentrateur parabolique 10 dans lequel le moteur Stirling est remplacé par une cavité échangeuse 20 au sein de laquelle le rayonnement solaire est absorbé, la chaleur ainsi produite étant évacuée au moyen d'un fluide caloporteur circulant tout d'abord dans un échangeur 21 disposé au sein de la cavité puis d'un conduit flexible 11 correctement isolé thermiquement, reliant la cavité mobile à une installation fixe ou mobile préférentiellement située près du sol. Le système caloporteur peut fonctionner en circuit ouvert, ce qui s'effectue par exemple au moyen d'une injection d'air frais à proximité de la cavité. Il peut également fonctionner en circuit fermé, le fluide remontant vers la cavité après extraction au sol de la plus grande partie de ses calories. Dans ces conditions, le dispositif est complété par un conduit flexible 12 convenablement isolé thermiquement, reliant l'installation au sol 13 à l'entrée de l'échangeur 21. L'installation au sol 13 (qui dans ce qui suit sera appelée 2 3050017 « le procédé ») exploite la chaleur d'un fluide le cas échéant porté à très haute température. Elles peut par conséquent prendre plusieurs formes, de l'exploitation pure et simple de la chaleur produite 1) en vue d'applications de cuisson, de stérilisation, de dessalinisation, 2) et/ou pour la mise en oeuvre de procédés industriels thermiques ou thermochimiques, 3) et/ou pour la production d'électricité au moyen d'une machine de Stirling. Dans ce dernier cas, la conception mécanique du concentrateur parabolique est simplifiée, puisque l'ensemble relativement lourd constitué par le moteur de Stirling et son dispositif de refroidissement est remplacé par une simple cavité beaucoup plus légère. De plus, la maintenance du moteur est facilitée, celui-ci étant en permanence positionné à demeure au sol. Description des figures L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et en référence aux différentes figures. La figure 1 85 représente schématiquement le dispositif selon l'invention. La figure 2 représente une section de la cavité échangeuse 20. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention En référence aux figures, le dispositif selon l'invention est constitué de deux parties principales : une cavité échangeuse 90 20, disposée à proximité du foyer d'un concentrateur solaire 10 motorisé en sorte de suivre la course du soleil, et un dispositif de transfert de fluide réchauffé 11 reliant la cavité 20 au procédé. Dans un mode de fonctionnement en circuit ouvert, le fluide 95 caloporteur utilisé est de l'air ou de l'eau. Selon les cas, le dispositif d'amenée dudit fluide caloporteur est : - un dispositif 15 tel qu'une pompe alimentant en air la cavité 20, placé au voisinage immédiat de ladite cavité et relié à ladite cavité par un conduit 12 ; 3 3050017 100 - ou un dispositif d'alimentation en air ou en eau disposé au niveau du réflecteur solaire 10, et préférentiellement au pied de l'un ou l'autre des poteaux supports 14 de la cavité, relié à la cavité par un conduit fixe 12 cheminant préférentiellement le long dudit poteau support 14 ; 105 - ou un dispositif d'alimentation en air ou en eau disposé à proximité sol et relié à la cavité par un conduit 12 flexible sur tout ou partie de sa longueur. Dans un mode de fonctionnement en circuit fermé, le dispositif d'amenée de fluide est un conduit 12, flexible sur tout ou 110 partie de sa longueur, reliant le procédé 13 à l'échangeur 21. Ce conduit 12 est thermiquement isolé. En second lieu, le dispositif est constitué d'une cavité 20 destinée à absorber le rayonnement solaire et à en transférer l'énergie au fluide caloporteur, sous forme de chaleur. La 115 cavité présente un orifice d'entrée du rayonnement solaire 22, un volume interne 23 au sein duquel est disposé un système échangeur de chaleur 21, et un système d'isolation thermique enveloppant ladite cavité. Le rayonnement pénètre dans le volume interne de la cavité par l'orifice 22, il subit une 120 série de diffusions et de réflexions internes sur la paroi du volume interne 23 et sur les parois de l'échangeur 21. L'énergie du rayonnement est transférée au fluide caloporteur circulant dans le système échangeur par l'impact du rayonnement direct, ou du rayonnement réfléchi ou diffusé par l'ensemble 125 des parois présentes dans la cavité sur ledit système échangeur. Le transfert d'énergie s'opère également par convection, le gaz présent dans la cavité étant porté à haute température par l'élévation de température des parois de la cavité interne et de celles du système échangeur. A l'équilibre 130 thermique, la plus grande partie de l'énergie du rayonnement est transférée au fluide caloporteur, les pertes étant dues à la faible fraction du rayonnement présent dans la cavité qui 4 3050017 réussit à s'échapper par l'orifice d'entrée 22, ainsi qu'à travers le système isolant. 135 La cavité 20 est susceptible de prendre toute forme appropriée à son usage, notamment sphérique ou cylindrique. En particulier, la forme cylindrique est de construction relativement simple, il est de plus possible de la concevoir de grande longueur (par exemple et de manière non limitative 140 voisine du mètre pour un diamètre externe de l'ordre de 50cm). La longueur de la cavité n'a en effet aucune influence sur le masquage du soleil par ladite cavité sur la partie centrale du miroir concentrateur 10. Elle offre par contre l'avantage de laisser s'accumuler les gaz chauds (air ou gaz neutre) en 145 partie haute de la cavité dans un fonctionnement normal. L'énergie thermique desdits gaz chauds peut ainsi plus facilement être transférée à l'échangeur 21. La cavité 20 est disposée de telle sorte que son orifice d'entrée 22 coïncide avec le point où le rayonnement solaire 150 issu du des miroirs réflecteurs est le mieux focalisé. Ledit orifice d'entrée est préférentiellement de forme circulaire. Son diamètre est choisi de telle sorte que la quasi-totalité du rayonnement issu du système réflecteur puisse pénétrer dans la cavité, compte tenu des dimensions de l'image du soleil au 155 point focal, des défauts optiques du ou des miroirs réflecteurs, le cas échéant des défauts d'alignement des différents miroirs constituant le système réflecteur, des défauts du dispositif mécanique assurant le suivi du soleil, des défauts de rigidité de l'armature du dispositif, générant 160 des déplacements non souhaités du point focal, notamment sous l'influence des éléments atmosphériques. Pour fixer les idées, et de manière non limitative, de bons résultats ont été obtenus avec un diamètre d'ouverture de cavité de 7cm, pour un concentrateur de distance focale 2,5m. 165 Selon une variante, l'orifice de la cavité peut être obstrué 5 3050017 par un hublot transparent au rayonnement solaire, capable de résister à des flux de rayonnement très intenses. De la sorte, un gaz neutre peut être injecté dans la cavité, éventuellement sous pression, limitant ainsi les problèmes d'oxydation et 170 favorisant les échanges thermiques. La cavité 20 est construite en mettant en oeuvre les matériaux et procédés connus de l'homme de l'art, compte tenu des contraintes de tenue à la température, notamment en cas d'éclairement direct. Outre l'acier et l'acier inoxydable, des 175 matériaux réfractaires tels que le graphite ou une céramique peuvent utilement être mis en oeuvre, sous forme de parois pleines ou en couches déposées sur les parois de la cavité. A l'intérieur de la cavité est disposé un échangeur de chaleur 21 consistant notamment en une tubulure bobinée sur les parois 180 de la cavité en sorte de capter un maximum de rayonnement direct et d'offrir une surface d'échange maximale. La mise en oeuvre s'opère suivant les modalités connues de l'homme de l'art en matière d'échangeurs thermiques. De manière non limitative, et selon un mode de réalisation préférentiel, un tuyau annelé 185 en acier inoxydable de faible épaisseur bobiné en hélice sur la paroi cylindrique de la cavité, puis en spirale sur le fond opposé à l'orifice d'ouverture de ladite cavité offre une grande facilité de mise en oeuvre pour des températures n'excédant pas 1200°. 190 Dans le but de réduire au maximum les pertes thermiques, la cavité 20 est isolée thermiquement par l'extérieur, au moyen de tout procédé connu de l'homme de l'art. De manière non limitative, le dispositif isolant est constitué de tout ou partie des éléments suivants: enceinte sous vide délimitée par 195 les parois 24, écran(s) thermique(s) en métal poli 25, matelas de fibres céramiques, et/ou matelas de fibre de verre mis en place dans l'espace 26, en périphérie de la cavité 20. En troisième lieu, le dispositif selon l'invention est 6 3050017 constitué d'un conduit flexible de sortie du fluide caloporteur 200 11, reliant la sortie de l'échangeur 21 au procédé 13. De la sorte, ledit procédé 13 est en permanence alimenté en fluide chaud issu de la cavité 20. Selon une variante préférentielle, le conduit de sortie 11 est constituée de deux parties. L'une, fixe, relie la cavité et le réflecteur solaire, 205 préférentiellement le long d'un des poteaux supports de la cavité 14 ; l'autre, déformable, relie l'extrémité de la partie fixe du conduit au procédé. Le conduit 11 est réalisé au moyen tout procédé connu de l'homme de l'art garantissant l'étanchéité, la tenue aux hautes 210 températures, la flexibilité et l'isolation thermique. Selon un premier mode de réalisation, il est constitué d'un tuyau métallique annelé flexible, notamment en acier inoxydable, placé à l'intérieur d'un tube isolant fibreux également flexible, notamment constitué de fibres de d'un matériau 215 résistant aux hautes températures tel que la fibre céramique. Selon une variante, le conduit 11 est constitué de deux tubes annelés concentriques entre lesquels réside un vide poussé, dans le but d'améliorer les performances thermiques du conduit. Les deux tubes annelés sont disposés à l'intérieur d'un conduit 220 isolant flexible, notamment réalisé en fibres d'un matériau fibreux résistant aux hautes températures. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'échangeur 21 situé à l'intérieur de la cavité 20, le conduit de sortie 11, ainsi de manière facultative que le conduit d'amenée de fluide 12, 225 sont réalisés à partir d'une même et unique longueur de tube flexible, notamment un tube de métal annelé, ce qui supprime sur le dispositif selon l'invention toute connexion en dehors des liaisons au procédé, gage de minimisation des coûts de réalisation et de fiabilité, les jonctions constituant 230 traditionnellement un point faible de toute installation thermique. REVENDICATIONS1. Dispositif solaire caractérisé en ce qu'il comprend : - une cavité 20 thermiquement isolée de l'extérieur dans laquelle pénètre un rayonnement solaire concentré par un orifice d'entrée 22 ; - un échangeur thermique 21 placé à l'intérieur de la cavité 240 20 ; - un conduit 12 d'alimentation de l'échangeur par un fluide caloporteur ; - un conduit 11 de fluide caloporteur isolé thermiquement de l'extérieur, flexible sur tout ou partie de sa longueur, 245 reliant la sortie de l'échangeur 21 à l'installation fixe ou mobile d'exploitation de la chaleur produite 13. 2.Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'alimentation de l'échangeur 21 est assuré par une 250 pompe à air 15 placée au voisinage immédiat de la cavité 20 et reliée à ladite cavité par un conduit 12 ; 3.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un dispositif d'alimentation en air ou en eau est disposé au niveau du réflecteur solaire 10 et est relié à l'échangeur 21 255 par un conduit fixe 12 cheminant le long d'un des poteaux support 14 ; 4.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un dispositif fixe d'alimentation en air ou en eau est disposé au voisinage du sol et est relié à l'échangeur 21 par un conduit 260 12, flexible sur tout ou partie de sa longueur ; 5.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation en fluide caloporteur de l'échangeur 21 est assurée par l'installation fixe ou mobile 13 d'exploitation de 8 3050017 la chaleur produite au moyen d'un conduit 12 thermiquement 265 isolé et flexible sur tout ou partie de sa longueur ; 6.Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée 22 de la cavité 20 est obturé par un hublot transparent au rayonnement solaire ; 270 7.Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie du conduit d'alimentation 12, de l'échangeur 21 et du conduit de sortie 11 est réalisé à partir d'un tuyau métallique annelé ; 8.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 275 précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur 21, le conduit de sortie 11 et le conduit d'alimentation 12 sont réalisés à partir d'une même et unique longueur de tube flexible ; 9.Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit 11 est constitué 280 de deux tubes annelés flexibles concentriques entre lesquels réside un vide poussé. 285 9