Brevet FR3075331A1 — publié le 20190621

CONCENTRATEUR D'ENERGIE SOLAIRE Domaine de l'invention La presente invention concerne le domaine de la production d'energie renouvelable d'origine solaire, a partir d'une centrale solaire concentrant l'energie solaire sur un collecteur thermique. Les centrales solaires a concentrateurs solaires presente une surface par laquelle it re-cup-ere l'energie solaire plus petite que la surface par laquelle ils interceptent le rayonnement solaire. Un dispositif optique concentre le flux solaire sur le collecteur thermique, qui recupere l'energie solaire. Le facteur de concentration peut etre de 1 a 1500 fois l'intensite solaire. Le collecteur thermique peut etre une cellule solaire photovoltaique ou corps absorbeur dans lequel circule un caloporteur. Une methode de transport de l'energie qui a ete developpee et utilisee plus recemment dans l'histoire est 20 l'utilisation de guides optiques. Le type de guide optique le plus connu est probablement la fibre optique. Cette derniere peut etre faite de silice, de verre ou de polymere. Elle est faite d'un cmur d'indice de refraction nc et d'une gaine ayant un indice de 25 refraction ng moindre que celui du cmur. Le rayonnement qu'elle transporte se propage dans le coeur par re-flexion totale interne. Selon un autre aspect de l'invention, le convertisseur d'energie utilise le principe de la dissociation 30 de la molecule d'eau en hydrogene et oxygene sous l'effet d'une energie lumineuse de forte intensite. 2 Etat de la technique On connait dans l'etat de la technique le brevet americain US 4201197 decrivant un concentrateur a miroir 5 parabolique recueillant de l'energie solaire rayonnante et le reflete dans un petit miroir place sur la direction du grand miroir. Un cable a fibre optique presente une extremite positionnee a l'interieur d'une ouverture dans le sommet du grand miroir, et l'energie lumineuse est dirigee vers les 10 extremites des fibres dans le cable fibre optique. Pour eviter la formation de points chauds destructeurs par la focalisation de rayons inclines par rapport a la direction des fibres, les fibres proches de l'extremite recevant l'energie rayonnante sont collectees en groupes et un revetement opaque et 15 reflechissant entoure chacun des groupes. La demande de brevet internationale WO 2015036809 decrit une autre solution de l'art anterieur de recuperation d'energie solaire par des fibres optiques polymerisees ou des fibres de verre enlacees de maniere helicoidale avec des bandes ou des patchs de cellules solaires organiques pour recuperer l'energie electrique a partir de concentrateurs de lumiere solaire a partir de la diffraction au niveau du 'De-rim-etre du guide lumineux. Concernant le deuxieme aspect de l'invention, on connait dans l'etat de la technique le brevet frangais FR2902416 decrivant un reacteur avec gradient thermique controle pour la production d'hydrogene pur. Ce brevet concerne une approche holistique de la dissociation thermique de l'eau et de la separation de l'hydrogene, ou un profil de temperature est realise par le choix d'une geometrie specifique, par le dimensionnement du dispositif, et par le positionnement de ses composants. La ou les sources de chaleur sont placees dans l'eau a l'interieur d'une chambre de reaction, avec suffisamment de puissance pour chauffer l'eau dans leur proximite jusqu'a des temperatures ou celle-ci se 3 dissocie. Les parois de la chambre de reaction sont refroidies. Des membranes selectives a l'oxygene sont placees pres des sources de chaleur. Elles sont employees pour extraire l'oxygene et elles servent d'ecran pour proteger les 5 autres composants du rayonnement thermique direct venant des sources de chaleur. Des membranes selectives a l'hydrogene sont placees dans les zones plus froides pres des parois de la chambre de reaction. 10 Le brevet europeen EP1019316 decrit une autre solution de production d'hydrogene par decomposition thermique de l'eau. Ce procede de l'art anterieur consiste a chauffer l'eau jusqu'a une temperature de dissociation de maniere a 15 obtenir un mélange reactionnel dissocie comprenant de l'hydrogene et de l'oxygene a l'etat gazeux. On cree dans le mélange reactionnel un tourbillon afin de soumettre ce mélange a une force centrifuge sur l'axe longitudinal interne d'un reacteur a tube vortex de telle sorte que se produise une 20 stratification radiale des gaz d'hydrogene et d'oxygene dans l'espace interne dudit tube. L'hydrogene et l'oxygene doivent de preference etre extraits du mélange reactionnel en des points espaces le long de l'espace interne du reacteur a tube vortex. 25 Inconvenients de l'art anterieur Les solutions de l'art anterieur concernant le transport de l'energie solaire par des fibres optiques ne sont 30 pas totalement satisfaisantes car elles necessitent un traitement complexe de chacune des fibres afin de permettre un recueil optimal de l'energie solaire sans degradation de la fibre. Les solutions de l'art anterieur concernant la 35 conversion de l'energie pour la production d'hydrogene et 4 d'oxygene ne sont pas non plus satisfaisantes car elles necessitent des equipements complexes et de faible rendement. Solution apportee par l'invention 5 Afin de remedier a ces inconvenients, l'invention concerne en premier lien un concentrateur d'energie solaire comportant un moyen de collecte de l'energie solaire constitue par une fibre optique caracterise en ce que l'entree de la 10 fibre optique est constitue par une zone non etiree de la pre-forme et l'extremite de sortie est introduite dans un module de conversion energetique. Selon un mode de realisation avantageux, ledit module de conversion energetique est constitue par un reacteur 15 en graphite presentant une cavite reliee a un moyen de mise sous vide, ledit module comprenant une buse de micronisation d'eau a l'interieur de ladite cavite, dans une zone recevant l'energie lumineuse transmise, le reacteur de graphite presentant une sortie debouchant sur un vortex pour se-parer 20 l'oxygene et l'hydrogene. Selon une variante particuliere, l'extremite de sortie d'une fibre optique de collecte d'energie solaire est engagee dans ladite cavite. Avantageusement, ladite buse de micronisation est 25 disposee en face de l'extremite de sortie de ladite fibre optique, de maniere coaxiale. Selon une variante, le reacteur definit une cavite absorbante sous vide avec un conduit relie a une source de depression et presentant une fenetre. 30 Avantageusement, ledit reacteur presente une sortie air chaud. Selon une variante, ledit reacteur un injecteur d'eau pour la brumisation d'un tres fin brouillard d'eau qui sera soumis a une temperature resultant de l'interaction avec 5 le faisceau d'energie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanee en ses deux elements, H2 et 0. Selon une autre variante, ledit reacteur presentant un separateur pour dissocier l'eau brumisee par thermolyse et 5 produire un jet de molecules de masses differentes separe par l'intermediaire d'un dispositif de type vortex cyclonique generant deux flux distincts d'hydrogene et d'oxygene. Avantageusement, un bruleur permet de generer une 10 flamme permettant de faire fonctionner notre systeme en l'absence de soleil, la nuit ou par ciel couvert, a partir de la production d'hydrogene prealablement stocke. Description detainee d'un exemple non limitatif de 15 l'invention La presente invention sera mieux comprise a la lecture de la description detainee d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se referant aux dessins annexes ou : 20 - la figure 1 represente une vue schematique d'une fibre - la figure 2 represente une vue schematique du convertisseur energetique. 25 Description du transport energetique entre le collecteur d'energie et le convertisseur energetique Le transport de l'energie solaire concentree par l'heliostat entre le collecteur d'energie et le convertisseur 30 energetique est realise par une fibre optique ou par un faisceau de fibres optiques. La fibre optique presente une ouverture numerique qui permet l'injection de tout le rayonnement solaire envoye par le concentrateur. L'ouverture numerique est de preference 35 superieure a 0,42. La fibre optique doit egalement transmettre 6 le plus efficacement possible le spectre solaire, c'est-&-dire avec un minimum d'absorption. La tolerance de la fibre est d'au moins 500 °C notamment lorsque le rayonnement solaire injecte est fortement concentre et lorsque la fibre absorbe 5 fortement une certaine bande du spectre solaire, creant un echauffement du guide dans sa premiere section. De plus, la resistance a la chaleur rend plus simple son couplage avec l'accumulateur thermique. En effet, moins de mesures particulieres ont a etre prises afin d'eviter 10 que le convertisseur energetique ne transmette trop de chaleur au guide, creant sa surchauffe dans sa section pres du convertisseur. La flexibilite ou maniabilite du guide est egalement un avantage a considerer afin de donner plus d'aisance quant a son installation sur la matrice de 15 concentrateur. Les contraintes sont souvent au niveau du rayon de courbure minimum du guide a respecter. De preference, la fibre ou le faisceau de fibre est a base de silice en raison de sa transmission du spectre solaire qui peut etre excellente ainsi que de sa resistance a 20 la chaleur. En effet, apres integration suivant le spectre solaire. L'absorption de telles fibres de silice est faible, de l'ordre de 0,014dB/m a 0,348dB/m. Cela revient a dire que de 92,3 % a 99,7 % du spectre solaire injecte dans une portion de fibre d'un 25 metre de long sera transmis, sans tenir compte des pertes par re-flexion en bout de fibre. Une limitation est au niveau de la focale maximale que peut avoir un concentrateur concerne le diametre des fibres de silice sur le marche qui ne depasse pas 1,5 mm au 30 niveau du cmur. En effet, plus la focale est elevee, plus le point focal est grand. La grandeur theorique du point focal donne par le soleil est de 0,01 fois la focale du concentrateur. En considerant un concentrateur parfait, si on 35 veut injecter toute l'energie solaire collectee par ce 7 dernier dans une fibre de silice de 1,5mm, la focale ne peut etre de plus de 150mm. Afin d'ameliorer ce parametre, le transport est assure par une ou plusieurs fibres formee par etirage d'un 5 barreau de verre dont on conserve l'amorce. La fibre monomode est formee par etirage d'un barreau presentant un diametre initial de 100 millimetres et d'une longueur de quelques dizaines de centimetres. La premiere etape consiste en l'assemblage d'un 10 tube et d'une barre de silice cylindrique montes concentriquement. On chauffe le tout pour assurer l'homogeneite du barreau de verre. Le barreau ainsi obtenu sera installe verticalement dans une tour et chauffe par des rampes a gaz. Le verre va 15 s'etirer et "couler" vers le bas pour etre enroule sur une bobine. On mesure l'epaisseur de la fibre pour asservir la vitesse du moteur de l'enrouleur, afin d'assurer un diametre constant. Lorsque la longueur desiree est obtenue, on 20 conserve la zone d'etirage ou le barreau est prolonge par la partie effilee (1), et on coupe le barreau pour conserver un talon (2) d'une longueur de quelques millimetres, dont on polit l'extremite selon un plan de coupe transversal (3). Pour une surface de collecte etendue, on associe 25 plusieurs fibres ainsi realise-es pour former un faisceau dont la zone de collecte est constituee par la juxtaposition des extremites frontales (3). Description du convertisseur energetique 30 Selon un aspect non limitatif de l'invention, la conversion de l'energie solaire est assuree par un principe de photolyse, par la decomposition de l'eau, eventuellement en presence d'un catalyseur, sous l'action de la lumiere, avec 35 production de H2 et de 02, ou d'autres molecules comme H202, 8 dans un reacteur forme par un corps de graphite (10) presentant une cavite (11) sous vide partiel. Ce reacteur est destine a permettre une dissociation chimique de l'eau par la chaleur, c'est-&-dire 5 une rupture des molecules approchant 100% d'efficacite a 2.500 ° C, ou a des temperatures moindre en presence d'un catalyseur. Il s' agit donc d' une reaction chimique endothermique, donnant 2 H2O -4 2 H2 + 02, et AEC = 286 kJ/mole. La separation moleculaire pourrait s'effectuer soit par vortex cyclonique, 10 les molecules etant ejectes a vitesse supersonique, soit par filtration membranaire, soit thermochimique. En preparant du dihydrogene par photodissociation de l'eau par irradiation, en particulier par irradiation a 15 partir de rayonnement solaire, it est possible de transformer de l'energie lumineuse, en particulier de l'energie solaire, en energie chimique sous la forme de dihydrogene qui peut alors etre stocke. Cette energie chimique sous la forme de dihydrogene stocke peut alors etre transportee ou etre 20 utilisee ulterieurement. Le reacteur (10) est realise en graphite ou en carbone/graphite et dendrites de tungstene, une forme cristalline absorbant 98% du rayonnement IR et a un point de fusion superieur a 3.400 °C. 25 L'agglomeration des dendrites de tungstene sur le carbone/graphite est realise, en couche mince et sous haute temperature, pour former un carbure particulierement resistant. Le reacteur (10) presente une configuration formee de micro cavites realisees lors du moulage. 30 La cavite absorbante (11) est une enceinte sous vide pour limiter les pertes par diffusion dans l'air et limiter le cout des isolants thermiques. A cet effet, le reacteur presente un conduit (15) relie a une source de depression, par exemple une pompe a vide. Une fenetre (12), 35 par exemple en quartz, ferme cette enceinte sous vide a tres 9 haute temperature. Celle-ci est avantageusement recouverte d'un revetement anti re-flexion dans le spectre adequat pour eviter plus de 30% de pertes optiques/thermiques. L'isolation thermique generale peut etre obtenue, par exemple, avec des 5 aerogels, de la perlite expansee (d'un type bien specifique), ou encore certaines formes de carbone/graphites aux excellentes proprietes isolantes et d'un faible cout puisque s'agissant de materiaux abondants et recycles. L'energie solaire venant directement du 10 concentrateur ou par l'intermediaire d'une fibre (13) est transmise, selon une direction axiale, a travers la fenetre (12). Optionnellement, un absorbeur (14) est dispose dans la cavite (11). 15 Le reacteur presente par ailleurs differents raccordements : 1°) un sortie air chaud (16) ajustable en temperature pour le chauffage, la cuisson, et toutes operations de metallurgie ou chimie industrielle. 20 2°) un injecteur d'eau (17) pour la brumisation d'un tres fin brouillard d'eau qui sera soumis a une temperature de 2.500°C resultant de l'interaction avec le faisceau d'energie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanee en ses deux elements, H2 et 0. 25 3°) un separateur (17) : L'eau dissociee par thermolyse produit un jet de molecules de masses differentes separe par l'intermediaire d'un dispositif de type vortex cyclonique generant deux flux distincts d'hydrogene et d'oxygene. 30 4°) un bruleur HHO (18) permettant de generer une flamme a environ 2.400°C permettant de faire fonctionner notre systeme en l'absence de soleil, la nuit ou par ciel couvert, a partir de la production d'hydrogene prealablement stocks. 10 Le dispositif absorbeur est modulable, permettant ainsi l'utilisation de chaleur exterieure lorsque par exemple le reservoir HHO se trouve etre vide. Les ions hydrogene peuvent etre separes des ions 5 oxyqene a l'aide d'un vortex de Ranque-Hilsch et d'un REVENDICATIONS1 - Concentrateur d'energie solaire comportant un moyen de collecte de l'energie solaire constitue par une fibre optique caracterise en ce que l'entree de la fibre optique est constitue per une zone non etirde (3) de la preforme de ladite fibre et l'extremite de sortie est introduite dans un module de conversion energetique. 2 - Concentrateur d'energie solaire selon la revendication 1 caracterise en ce que ledit module de conversion energetique est constitue par un reacteur (10) en graphite presentant une cavite (11) reliee a un moyen de mise sous vide, ledit module comprenant une buse (17) de micronisation d'eau a l'interieur de ladite cavite (11), dans une zone recevant l'energie lumineuse transmise, le reacteur (10) de graphite presentant une sortie (18) debouchant sur un vortex pour se-parer l'oxygene et l'hydrogene. 3 - Concentrateur d'energie solaire selon la revendication 2 caracterise en ce que l'extremite de sortie d'une fibre optique de collecte d'energie solaire est engagee dans ladite cavite (11). 4 - Concentrateur d'energie solaire selon la revendication 3 caracterise en ce que ladite buse (18) de micronisation est disposee en face de l'extremite de sortie de ladite fibre optique, de maniere coaxiale. 5 - Concentrateur d'energie solaire selon la revendication 3 caracterise en ce que le reacteur (10) definit une cavite absorbante (11) sous vide avec un conduit (15) relie a une source de depression et presentant une fenetre (12). 12 6 - Concentrateur d'energie solaire selon la revendication 3 caracterise en ce que ledit reacteur (10) presente une sortie air chaud (16). 5 7 - Concentrateur d'energie solaire selon la revendication 3 caracterise en ce que ledit reacteur (10) comporte un injecteur d'eau (17) pour la brumisation d'un tres fin brouillard d'eau qui sera soumis a une temperature elevee resultant de l'interaction avec le faisceau d'energie 10 lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanee en ses deux elements, H2 et 0. 8 - Concentrateur d'energie solaire selon la revendication 3 caracterise en ce que ledit reacteur (10) 15 presentant un separateur (17) pour dissocier l'eau brumisee par thermolyse et produire un jet de molecules de masses differentes separe par l'intermediaire d'un dispositif de type vortex cyclonique genet-ant deux flux distincts d'hydrogene et d'oxygene. 20 9 - Concentrateur d'energie solaire selon la revendication 3 caracterise en ce qu'il comporte un braleur (18) generant une flamme permettant de faire fonctionner le systeme en l'absence de soleil, la nuit ou par ciel couvert, 25 partir de la production d'hydrogene prealablement stocke.