Brevet FR3085186A1 — publié le 20200228

Description Titre de l'invention : Station thermodynamique en circuit fermé [0001] La présente invention relève du domaine des stations thermodynamiques en circuit fermé aptes à produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire. Elle a pour objet une telle station thermodynamique. [0002] Dans le contexte climatique et environnemental actuel, il est souhaitable de disposer d'installations aptes à produire de l'électricité qui présentent un bilan carbone le plus bas possible, qui produisent le moins de déchets possibles et qui sont implantables en un lieu relativement quelconque. On connait des centrales thermiques à fuel, à gaz ou à charbon qui ont pour inconvénient de rejeter des quantités importantes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. On connait aussi des centrales nucléaires qui présentent l'inconvénient de produire des déchets nucléaires à durée de vie longue. On connaît aussi des parcs éoliens, des centrales hydrauliques et. des usines marémotrices qui sont implantables uniquement en des lieux où respectivement les vents, les chutes d'eau et les marées sont suffisamment importants pour faire tourner une turbine en permanence. [0003] On connait enfin des centrales solaires comprenant une pluralité de miroirs réflé- chissants qui concentrent les rayons solaires sur un foyer comportant une réserve de fluide caloporteur qui est porté à haute température, puis qui est envoyé vers un générateur de vapeur apte à faire tourner une turbine électrique. Une telle centrale solaire présente l'inconvénient d'être encombrante. [0004] Un but de l'invention est de proposer une station thermodynamique en circuit fermé qui est apte à produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire et qui répond aux inconvénients susvisés. [0005] Une station thermodynamique de la présente invention est une station thermo- dynamique agencée en un circuit fermé. [0006] Selon la présente invention, la station thermodynamique comprend une enceinte sous vide logeant au moins deux bassins superposés l'un à l'autre, dont un premier bassin et un deuxième bassin surplombant le premier bassin, les deux bassins étant reliés par au moins un tube principal comprenant une partie rectiligne équipant le premier bassin et. unc partie courbée équipant le deuxième bassin, la station thermodynamique logeant au moins unc turbine. [0007] La station thermodynamique comprend avantageusement l'une quelconque au moins des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : [0008] - la partie courbée loge au moins une première turbine, [0009] - Le circuit fermé est un circuit à l'intérieur duquel circule un fluide, soit en phase liquide, soit en phase vapeur, [0010] - Le fluide comprend par exemple de l'eau chargée en calcite, ou analogue, pour I éviter des explosions, et en sulfates, tel que du sulfate de magnésium et/ou sulfate de de calcium ou analogue, pour réguler la vapeur d'eau, [0011] - L'enceinte isole un espace interne d'un environnement extérieur, [0012] - L'enceinte comprend une zone inférieure réalisée en un matériau transparent, du type verre réalisé en borosilicate et une zone supérieure recouverte d'un matériau de couleur blanche, [0013] - Le premier bassin est disposé au-dessous du deuxième bassin par rapport à un axe gravitairc terrestre, [0014] - Le tube principal s'étend entre une première extrémité et une deuxième extrémité, la première extrémité jouxtant la partie courbée et la deuxième extrémité jouxtant la partie rectiligne, la première extrémité est en relation fluidique avec le deuxième bassin et la deuxième extrémité est en relation fluidique avec le premier bassin, [0015] - La partie courbée comporte un coude qui est en liaison avec la partie rectiligne et qui loge la première turbine, [0016] - Le premier bassin et le deuxième bassin sont reliés par au moins un conduit rectiligne logeant au moins une deuxième turbine, [0017] - Le conduit rectiligne relie une paroi de fond du deuxième bassin avec une paroi su- périeure du premier bassin, [0018] - Le conduit rectiligne comporte une portion inférieure qui loge la deuxième turbine, [0019] - La partie rectiligne du tube principal est recouverte d'un premier revêtement de couleur noire et la partie courbée du tube principal est recouverte d'un deuxième revêtement de couleur blanche, [0020] - Le premier revêtement facilite une élévation de température de la partie rectiligne du tube principal et consécutivement du fluide contenu à l'intérieur de la partie rectiligne du tube principal, en vue de son évaporation, [0021] - Le deuxième revêtement minimise une élévation de température de la partie courbée du tube principal et consécutivement du fluide contenu à l'intérieur de la partie rectiligne du tube principal, en vue de sa condensation, [0022] - Le tube principal loge au moins une pastille comprenant un pourtour périphérique solidaire d'une paroi interne du tube principal et un orifice surplombant le pourtour périphérique de la pastille, [0023] - La pastille est destinée à retenir le fluide condensée pour éviter que ce dernier s'écoule par gravité à l'intérieur du tube principal, l'orifice autorisant une circulation du fluide évaporée à son travers, [0024] - Le tube principal loge au moins deux pastilles, dont une première pastille sur- plombant une deuxième pastille, l'orifice de la première pastille étant pourvu d'un tube capillaire s'étendant entre l'orifice de la première pastille et la deuxième pastille, les pastilles forment une structure étagée anti-retour pour empêcher le fluide de descendre 3 gravitairement à l'intérieur du tube principal, [0025] - Le tube capillaire favorise unc remontée du fluide par capillarité depuis la deuxième pastille vers la première pastille, [0026] - la première pastille est équipée d'une fibre qui s'étend entre la première pastille et la première extrémité de la partie courbée du tube principal, [0027] - La fibre est destinée à faciliter un écoulement du fluide condensé depuis la première pastille vers la première extrémité de la partie courbée du tube principal, [0028] - Les orifices de pastilles successives sont alternativement décalés par rapport à une génératrice du tube principal, [0029] - L'enceinte est pourvue d'une ouverture équipée d'un dispositif de mise sous vide et de contrôle d'une pression régnant à l'intérieur de l'enceinte, [0030] - L'ouverture forme une entrée / sortie d'air, [0031] - Ledit dispositif est apte à réguler la pression d'air à l'intérieur de l'enceinte pour contrôler les changements de phase du fluide à l'intérieur de l'enceinte, tel qu'indifféremment une condensation, une évaporation et/ou unc solidification du fluide, [0032] - L'ouverture est équipée d'un filtre à air, [0033] - Le filtre à air constitue un moyen de rétention du fluide à l'intérieur de l'enceinte, [0034] - Le filtre autorise unc circulation d'air depuis l'enceinte vers ledit dispositif et depuis ledit dispositif vers l'enceinte, [0035] - Le premier bassin est un bassin de rétention d'un fluide. [0036] Des exemples de réalisation de la présente invention vont être décrits en relation avec les figures de la planche annexée, dans laquelle : [0037] [fig.1] La figure 1 est une illustration schématique d'une station thermodynamique selon la présente invention ; et [0038] [fig.2] La figure 2 est une illustration schématique d'un tube principal participant de la station thermodynamique représentée sur la figure 1. [0039] Les figures et leurs descriptions détaillées exposent l'invention selon des modalités particulières qui ne sont pas restrictives quant à la portée de l'invention telle que définie par les revendications. Les figures et leurs descriptions détaillées peuvent servir à mieux définir l'invention, si besoin en relation avec la description générale qui vient d'en être faite. [0040] Sur la figure 1, est représentée une station thermodynamique 1 de la présente invention qui est destinée à produire de l'énergie électrique à partir de l'énergie solaire. Ce but est atteint à partir d'un cycle thermodynamique suivi par un fluide 2 qui subit, sous l'action du rayonnement solaire, une succession d'évaporations et de 4 condensations, et qui, en phase condensée, est à même de faire tourner par chute gravitaire au moins une turbine 3, 4 pour produire de l'électricité. [0041] Une telle station thermodynamique 1 présente avantageusement un bilan carbone nulle, ne produit pas de déchets et est implantable en un lieu relativement quelconque, tout en étant peu encombrante. [0042] Une telle station thermodynamique 1 est agencée en un circuit fermé à l'intérieur duquel le fluide 2 subit ledit cycle thermodynamique. Le fluide 2 comprend par exemple de l'eau chargée en calcite, ou analogue, pour éviter des explosions, et en sulfates, tel que du sulfate de magnésium et/ou sulfate de de calcium ou analogue, pour réguler la vapeur d'eau. Le fluide 2 subit en alternance des phases d'évaporation et de condensation, la phase d'évaporation étant mise à profit pour faire subir une ascension au fluide, la phase de condensation étant mise à profit pour faire tourner à partir d'un écoulement gravitaire au moins une turbine. Le cycle thermodynamique étant réalisée en circuit fermé et le rayonnement solaire étant régulièrement disponible, une telle station thermodynamique peut fonctionner de manière pérenne, sans produire de déchets, et sans apport constant de matière première. La station thermodynamique 1 est susceptible de présenter une hauteur de plusieurs dizaines de mètres, mais aussi une hauteur inférieure à une dizaine de mètres. [0043] La station thermodynamique 1 comprend une enceinte 5 qui est mise sous vide par l'intermédiaire d'un dispositif 6 de mise sous vide et de contrôle d'une pression régnant à l'intérieur de l'enceinte. La pression contrôlée est indifféremment une pression d'air, une pression partielle du fluide ou analogue. L'enceinte 5 isole un espace interne 7 d'un environnement extérieur 8. L'enceinte 5 est hermétique pour éviter toute déperdition de fluide 2 mais comporte une ouverture 9 qui constitue une entrée d'air depuis ledit dispositif ou une sortie d'air vers ledit dispositif. Ce dispositif 6 est apte à réguler la pression d'air à l'intérieur de l'enceinte 5 pour contrôler les changements de phase du fluide 2 à l'intérieur de cette dernière, tel qu'indifféremment une condensation, une évaporation et/ou une solidification du fluide. [0044] L'ouverture 9 est équipée d'un filtre à air 10 qui constitue un moyen de rétention du fluide à l'intérieur de l'enceinte, le filtre à air 10 autorisant néanmoins une circulation d'air depuis l'espace interne 7 vers ledit dispositif 6 et depuis ledit dispositif 6 vers l'espace interne 7. [0045] L'enceinte 5 est pourvue d'une enveloppe hermétique blanche 11 qui chapeaute une zone supérieure 12 de l'enceinte 5. L'enveloppe hermétique blanche 11 est prévue pour faciliter la condensation du fluide 2. L'enceinte comporte une zone inférieure 13 qui est par ailleurs préférentiellement réalisée en un matériau vitreux translucide, du type verre réalisé en borosilicate. Le caractère translucide de la zone inférieure 13 favorise une évaporation du fluide 2 sous l'influence des rayons solaires. [0046] Selon la forme préférée de réalisation illustrée, l'enceinte 5 loge trois bassins 21, 22, 23 superposés l'un à l'autre, dont un premier bassin 21 surplombé par un deuxième bassin 22, lui-même surplombé par un troisième bassin 23. Le premier bassin 21 est un bassin de rétention et de stockage du fluide 2 à l'état liquide. Chaque bassin 21, 22, 23 est relié au bassin qui le surplombe immédiatement par au moins un tube principal 14, au nombre de deux sur l'exemple illustré. Le premier bassin 21 est disposé au-dessous du deuxième bassin 22 par rapport à un axe gravitairc terrestre G. [0047] Ainsi, un tube principal 14 comprend une partie rectiligne 15 équipant le premier bassin 21 et une partie courbée 16 équipant le deuxième bassin 22, la partie courbée 16 logeant au moins une première turbine 3. Le tube principal 14 présente une hauteur totale de 1,5 m à +/- 10% près, la partie rectiligne 15 étant d'une hauteur de 1 m à +/10% près et la partie courbée 16 étant d'une hauteur de 0.5 m à +/- 10% près. La même configuration est reproduite entre le deuxième bassin 22 et le troisième bassin 23. [0048] Plus particulièrement, le tube principal 14 s'étend entre une première extrémité 17 et une deuxième extrémité 18, la première extrémité 17 jouxtant la partie courbée 16 et la deuxième extrémité 18 jouxtant la partie rectiligne 15, la première extrémité 17 est en relation fluidique avec le deuxième bassin 22 et la deuxième extrémité 18 est en relation fluidique avec le premier bassin 21. La partie courbée 16 comporte un coude 19 qui est en liaison avec la partie rectiligne 15 et qui loge la première turbine 3. On note que la partie courbée 16 surplombe au moins partiellement le bassin qu'elle alimente de telle sorte que le fluide 2 est amené par le tube principal 14 au-dessus du bassin que le tube principal 14 alimente. [0049] Le premier bassin 21 et le deuxième bassin 22 sont reliés par au moins un conduit rectiligne 20 logeant au moins une deuxième turbine 4. Le conduit rectiligne 20 relie une paroi de fond 24 du deuxième bassin 22 avec une paroi supérieure 25 du premier bassin 21. Le conduit rectiligne 20 comporte une portion inférieure 26 qui loge la deuxième turbine 4 qui est mise en rotation lors de la descente gravitaire du fluide condensé. [0050] En se reportant également sur la figure 2, la partie rectiligne 15 du tube principal 14 est recouverte d'un premier revêtement 27 de couleur noire et la partie courbée 16 du tube principal 14 est recouverte d'un deuxième revêtement 28 de couleur blanche. Le premier revêtement 27 facilite une élévation de température de la partie rectiligne 15 du tube principal 14 et consécutivement du fluide 2 contenu à l'intérieur de la partie rectiligne 15 du tube principal 14, en vue de son évaporation tandis que le deuxième revêtement 28 minimise une élévation de température de la partie courbée 16 du tube principal 14 et consécutivement du fluide 2 contenu à l'intérieur de la partie rectiligne 15 du tube principal 14, en vue de sa condensation. [0051] Le tube principal 14 loge une pluralité de pastilles 29 comprenant un pourtour péri- 6 phérique 30 solidaire d'une paroi interne 31 du tube principal 14 et un orifice 32 surplombant le pourtour périphérique 30 de la pastille 29. Chaque pastille 29 est destinée à retenir le fluide condensé pour éviter que ce dernier s'écoule par gravité à l'intérieur du tube principal 14, l'orifice 32 autorisant néanmoins une circulation du fluide évaporé à son travers. [0052] De préférence, le tube principal 14 loge au moins deux pastilles 29, dont une première pastille 29 surplombant une deuxième pastille 29, l'orifice de la première pastille 29 étant pourvu d'un tube capillaire 33 s'étendant entre l'orifice 32 de la première pastille 29 et la deuxième pastille 29. Le tube capillaire 33 favorise une remontée du fluide 2 par capillarité depuis la deuxième pastille 29 vers la première pastille 29. On note à ce stade de la description que les pastilles sont radialement décalées par rapport à une génératrice du tube principal 14 et que ce décalage est réalisé en alternance. [0053] De préférence encore, la première pastille 29 est équipée d'une fibre 34 qui s'étend entre la première pastille 29 et la première extrémité 17 de la partie courbée 16 du tube principal 14. La fibre 34 est destinée à faciliter un écoulement du fluide condensé depuis la première pastille vers la première extrémité 17 de la partie courbée 16 du tube principal 14. [0054] Ces dispositions sont telles que, lorsque le rayonnement solaire frappe le premier bassin 21 qui est maintenu sous vide dans l'enceinte, le fluide 2 bouc naturellement à une température inférieure à 100°C en raison de la présence de vide à l'intérieur de la station thermodynamique. La vapeur de fluide 2 monte par l'intermédiaire des tubes principaux 14 jusqu'au coude 19 où la vapeur de fluide se condense. Les gouttelettes de fluide tombent sous l'effet de la gravité depuis le tube principal 14 vers le deuxième bassin 22, en faisant tourner la première turbine 3. Ce phénomène se produit autant de fois qu'il y a de bassins superposés équipés de manière identique au premier bassin 21 et au deuxième bassin 22. Le fluide contenu à l'intérieur du bassin le plus haut subit ensuite une chute à l'intérieur du conduit rectiligne 20 pour faire tourner la deuxième turbine 4. 7