Brevet FR3075330A1 — publié le 20190621

SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE Domaine de l'invention La presente invention concerne le domaine de la production d'energie solaire a partir d'un systeme de concentrateurs a miroirs de Fresnel assurant le chauffage d'un fluide caloporteur a des temperatures elevees, jusqu'a. 500° voir plus de 700°C, dans une element de collecte thermique presentant un tube absorbeur place au foyer du concentrateur ou de la serie de concentrateurs. D'une maniere generale, un dispositif de conversion d'energie solaire a pour but de fournir une puissance utile en transformant l'energie du rayonnement solaire cap-be. Il comprend a cet effet un absorbeur, c'est-a-dire un element physique ayant pour fonction de convertir l'energie electromagnetique solaire incidente en une autre forme d'energie utile exploitable (par exemple de l'energie electrique dans le cas d'un module photovoltaique ou d'un module thermoelectrique, de l'energie thermique dans le cas d'un chauffe-eau solaire, etc). Or, la puissance utile delivree par le dispositif depend de plusieurs facteurs, dont l'efficacite de la conversion de l'absorbeur, la surface de l'absorbeur allouee a la captation du rayonnement solaire (ou « surface de captation ))) et la puissance du rayonnement solaire incident sur l'absorbeur. L'efficacite de la conversion dependant de la technologie employee pour realiser l'absorbeur, pour une technologie donnee, la puissance utile est donc reglee par la surface 30 puissance du rayonnement. Notamment, lorsque captation du rayonnement solaire limiter le cout de l'absorbeur, puissance du rayonnement solaire allouee a la captation et la la surface allouee a la est reduite, par exemple pour it est usuel de concentrer la sur l'absorbeur au moyen d'un 35 concentrateur solaire (par exemple un systeme Cassegrain, un 2 miroir parabolique, une lentille de Fresnel standard ou lineaire, un ensemble de lentilles, etc.). Le concentrateur solaire est un systeme optique qui focalise le rayonnement solaire sur un plan focal et la surface de captation de 5 l'absorbeur, plane, est confondue avec le plan focal du concentrateur. La focalisation du rayonnement sur la surface de captation de l'absorbeur permet ainsi de compenser la faible dimension de celle-ci. Toutefois, un dispositif de conversion d'energie 10 solaire a base de concentrateur solaire est sensible a l'angle d'incidence du rayonnement solaire, et ce d'autant plus que la surface de captation de l'absorbeur est reduite. En effet, it existe toujours un angle d'incidence du rayonnement solaire, defini par rapport a l'axe optique du concentrateur solaire, 15 au-del& duquel la focalisation n'est plus realisee sur l'absorbeur lui-meme. En outre, l'incidence du soleil varie tout au long de la journee, c'est pourquoi les systemes de conversion solaire a concentration sont motorises (e.g. a l'aide d'un 20 traqueur) pour suivre la progression du soleil dans le ciel, afin de garantir une incidence normale du rayonnement solaire. Ce type de systeme necessite cependant un suivi du soleil tres précis, un leger decalage angulaire (e.g. 0,1°) par rapport au soleil se traduisant directement pour une chute importante des 25 performances du dispositif. Etat de la technique On connait dans l'etat de la technique la demande de brevet internationale WO 2005090873 decrivant un capteur solaire qui comprend un reflecteur de type concentrateur lineaire ainsi qu'un absorbeur espace du reflecteur. L'absorbeur comprend un premier element absorbeur espace du reflecteur, lequel possede une surface orientee en direction du reflecteur pour recevoir le rayonnement solaire de celui-ci 3 ainsi qu'un conduit transportant un fluide couple au niveau thermique a la surface de l'absorbeur. L'absorbeur comprend egalement un second element absorbeur possedant une surface absorbeuse orientee pour recevoir le rayonnement solaire 5 directement transmis, et un conduit transportant un fluide couple au niveau thermique a la surface absorbeuse du second element absorbeur. On connait aussi la demande de brevet europeen EP 3136018 concernant un systeme de conversion d'energie solaire 10 comprenant : - un concentrateur solaire muni d'un axe optique et apte a focaliser un rayonnement solaire incident sur un plan focal; - un miroir tronconique comprenant une grande base 15 et une petite base, dans lequel la petite base est confondue avec le plan focal du concentrateur solaire, le sommet du miroir tronconique est dispose sur l'axe optique du concentrateur solaire et la grande base est disposee entre la petite base et le concentrateur, de sorte que le concentrateur 20 solaire et le miroir tronconique definissent ensemble une surface focale secondaire comprenant une portion inscrite dans la petite base du miroir tronconique et une portion tronconique inscrite dans le volume delimite par le miroir tronconique; et 25 - un absorbeur solaire inscrivant au moins partiellement la petite base du miroir tronconique ; L'absorbeur solaire comporte en outre une portion inscrivant l'intersection de la portion tronconique de la surface focale secondaire avec un plan contenant l'axe optique 30 du concentrateur solaire. Une autre solution est decrite dans la demande de brevet W02006027438 concernant un dispositif de production d'hydrogene a l'aide d'energie solaire basse energie utilisant des capteurs solaires fonctionnant le jour pour produire un 35 fluide chaud, et des dissipateurs thermiques fonctionnant la 4 nuit pour produire un fluide froid, le fluide chaud et le fluide froid sont stockes dans des reservoirs distincts pour avoir en permanence une source chaude et une source froide , les capteurs solaires fonctionnent en circuit ferme avec le 5 reservoir de stockage de fluide chaud avec un volume de fluide constant, les dissipateurs thermiques fonctionnent en circuit ferme avec le reservoir de stockage de fluide froid avec un volume de fluide constant, un circuit secondaire ferme contenant un fluide de travail est utilise dans un cycle de 10 Rankine. Inconvenients de l'art anterieur L'inconvenient des solutions de l'art anterieur est 15 qu'en l'absence de soleil ou de couverture nuageuse, le niveau de production d'energie diminue considerablement et ne permet plus fournir l'energie attendue. Ces installations necessitent de ce fait l'association a d'autres installations ou l'acces a un reseau electrique independant pour palier les 20 ruptures de production aleatoires propre aux centrales solaires. Par ailleurs, dans la solution decrite dans la demande de brevet W02006027438, des pertes importantes se produisent dans les circuits primaires et secondaires de 25 fluide de travail. Solution apportee par l'invention Afin de remedier a ces inconvenients, la presente 30 invention concerne un systeme de production d'energie comportant un moyen de collecte de l'energie solaire et des moyens de production d'electricite caracterise en ce que la generatrice d'electricite comporte un absorbeur recevant l'energie solaire pour chauffer un gaz de détente, ledit 5 absorbeur etant dispose dans une zone de chauffage optionnel par un bruleur. Avantageusement, le systeme selon l'invention presente toutes ou partie des caracteristiques suivantes : 5 - it comporte en outre des moyens d'hydrolyse. - les moyens de production d'electricite sont agences pour recevoir de l'energie thermique resultant de la recombinaison des produits d'hydrolyse en l'absence d'energie solaire. 10 - le gaz dans machine a détente est place au foyer d'un concentrateur. - it comporte en outre des moyens pour l'alimentation du moyen de production electrique par une source d'energie additionnel de maniere reversible. 15 Description detainee d'un exemple non limitatif de l'invention La presente invention sera mieux comprise a la 20 lecture de la description detainee d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se referant aux dessins annexes ou : - la figure 1 represente une vue schematique d'une premiere realisation de l'invention - la figure 2 represente une vue schematique d'un 25 deuxieme exemple de realisation. Description schematique de l'invention La figure 1 represente une vue schematique d'un 30 premier exemple de realisation L'installation comprend un systeme de concentration solaire illustre de maniere schematique dans l'exemple decrit par un capteur plan (1) formant un reseau de diffraction de type capteur Fresnel renvoyant le rayonnement solaire vers un 35 concentrateur hemispherique (2) monte sur une structure 6 orientables pour concentrer le rayonnement un point circulaire situe au niveau d'une equipement de capture forme par une enceinte (3) sous vide s'ouvrant par une fenetre en quartz (4). 5 L'enceinte (3) sous vide definit une cavite absorbante limitant les pertes par diffusion dans l'air. La fenetre en quartz (4) est recouverte d'un revetement antire-flexion dans le spectre adequat pour eviter plus de 30% de pertes optiques/thermiques. L'isolation thermique generale 10 peut etre obtenue, par exemple, avec des aerogels, de la perlite expansee, ou encore certaines formes de carbone/graphites aux excellentes proprietes isolantes et d'un faible cout puisque s'agissant de materiaux abondants et recycles. 15 L'enceinte (3) contient un absorbeur (5) realise en carbone/graphite et dendrites de tungstene sous une forme cristalline absorbant 98% du rayonnement infra-rouge et a un point de fusion superieur a 3.400 °C. L'agglomeration des dendrites de tungstene sur le 20 carbone/graphite est realisee en couche mince et sous haute temperature, formant un carbure resistant. La surface de l'absorbeur (5) presente des microcavites realisees lors du moulage, pour approcher les caracteristiques d'un corps noir. L'enceinte (3) presente plusieurs interfaces avec 25 des conduits (6 a 9) : - un conduit (6) pour la sortie d'air chaud ajustable en temperature pour le chauffage, la cuisson, et toutes operations de metallurgie ou chimie industrielle. Ce conduit (6) permet le transfert maitrise a un equipement 30 complementaire pour l'utilisation de l'air chaud, et permet aussi de reduire la pression a l'interieur de l'enceinte (3) - un conduit (7) pour l'injection d'un Brouillard d'eau qui sera soumis a une temperature de 2.500°C, provoquant sa dissociation chimique spontanee en ses deux elements, H2 et 35 0 par craquage ou thermolyse de l'eau permettant l'obtention 7 d'hydrogene et d'oxygene, en dissociant par la chaleur les atomes composant la molecule d'eau H2O. Cette reaction thermochimique commengant a haute temperature (entre 850 °C et 900 °C) pour devenir complete vers 2 500 °C. 5 - un conduit (7) pour extraire un jet de molecules de masses differentes separees ensuite par l'intermediaire d'un dispositif de type vortex cyclonique generant deux flux distincts d'hydrogene et d'oxygene. - un conduit (8) pour l'alimentation d'un bruleur 10 HHO precedemment stocke. Ce bruleur permet d'apporter un apport energetique pour generer une flamme a environ 2.400°C permettant de faire fonctionner notre systeme la nuit ou par ciel couvert. Le dispositif absorbeur est modulable, permettant 15 ainsi l'utilisation de chaleur exterieure lorsque par exemple le reservoir HHO se trouve etre vide. Description d'un deuxieme exemple de realisation 20 La figure 2 represente une vue schematique d'un deuxieme exemple de realisation. Il comprend comme dans l'exemple precedent une enceinte a atmosphere controlee (3) s'ouvrant par une fenetre en quartz (4) et contenant un absorbeur (5). Cet absorbeur (5) 25 produit une temperature elevee pour la thermolyse d'eau introduite dans l'enceinte (3) par brumisation. Il est egalement couple thermiquement a un transformateur d'energie (10). Ce transformateur d'energie (10) peut etre constitue par une chaudiere a gaz Whispergen produisant de l'electricite 30 (1KW) en cogeneration associe a un dispositif de liquefaction Stirling (ou autre) permettant de liquefier les gaz produits (H2/HHO,) en vue de leur stockage, puis un appareil de refrigeration Stirling (ou autre) pour la production de froid travaillant en cogeneration avec les inevitables pertes du 35 liquefacteur. 8 Un reservoir de stockage d'H2 liquefie permet de disposer d'un vecteur energetique lors de la nuit ou conditions mete° defavorables, en vue de la reinjection via un brilleur. La separation des composants gazeux obtenus par la 5 thermolyse est assuree par une cellule separatrice des gaz issus de la thermolyse, et qui peut etre indifferemment un vortex supersonique, une electrolyse HT, une membrane protonique, etc. L'absorbeur (5) est realise a titre d'exemple par 10 pressage isostatique a partir de composes carbone/graphite de tres faible cout, recouverts d'une couche de carbure adapte type silicium ou tungstene, associes par frittage superficiel en couches minces successives. Dans l'exemple illustre par la figure 2, 15 l'absorbeur (5) est couple thermiquement a une generatrice d'electricite (10) constituee par une enceinte de confinement (11) isolee thermiquement a l'interieur de laquelle est positionne un cylindre haute pression (12) coaxial. Ce cylindre haute pression (12) est egalement isole 20 thermiquement. A l'interieur de ce cylindre haute pression (12) se deplace un piston haute-pression (13) qui assure la compression cyclique d'un gaz actionnant un deuxieme etage comprenant un piston basse-pression (14). 25 Des echangeurs a air ou a eau (15, 16) entourent les enceintes de confinement (11) et des bobines electriques (17). Les pistons (13, 14) presentent une forme concave pour recevoir et canaliser le flux en son centre et limiter 30 les deperditions et ameliorer l'equilibrage mecanique. La forme convexe sur une face (18) de l'absorbeur (5) permet de mieux repartir les contraintes de pression, tandis que l'autre face (19), concave, lui permet de collecter et pie-ger au mieux la lumiere, cela quel que soit l'angle 35 d'incidence, sa surface etant de surcroit surmontee de mini 9 reliefs permettant de mieux pie-ger la lumiere et accroitre les echanges. La composition generale en forme de cylindres imbriques les uns dans les autres permet l'optimisation des 5 surfaces et volumes, tout en minimisant les pertes de charge. D'autre part, ce type de disposition permet une fabrication mais aussi un assemblage aises. Les etancheites entre segments peuvent etre realisees par des joints graphites performants pour de hautes plages de temperature et d'un cofit tres bas. 10 Un eventuel etage additionnel de plus grande dimension pourrait utiliser avec des materiaux plus conventionnels tels que l'aluminium, le PTFE, aciers, fonte, etc. L'isolation est realisee par du « noir de fumee », 15 issu d'une combustion incomplete, et presentant de bons pouvoirs isolants. Le dispositif beneficie d'une contre-reaction continument ajustable par l'intermediaire du generateur electrique qui remplace avantageusement le ressort mecanique 20 ou la bielle par la f.c.e.m (force contre electromotrice). Ainsi, en faisant varier les parametres electriques on dispose d'une course ajustable rendant possible le fonctionnement en mode de resonance. 25 Par ailleurs, l'asservissement electromagnetique des pistons pourrait permettre un demarrage plus aise en agissant sur eux et initiant le processus de demarrage. Ce type de moteur etre reversible pour produire du froid, ou de la chaleur. Cette configuration est possible en 30 utilisant le generateur electrique lineaire comme moteur via l'electronique de commande. La liaison etanche (20) permettant de transmettre le travail mecanique vers l'exterieur de l'enceinte du transformateur peut etre constituee par exemple a partir de 35 bagues graphite renforcees au carbone, a plusieurs etages si 10 necessaire, REVENDICATIONS1 - Systeme de production d'energie comportant un moyen de collecte de l'energie solaire et des moyens de production d'electricite caracterise en ce que la generatrice d'electricite comporte un absorbeur (5) recevant l'energie solaire pour chauffer un gaz de détente, ledit absorbeur (5) etant dispose dans une zone de chauffage comprenant un bruleur (8). 2 - Systeme de production d'energie selon la revendication 1 caracterise en ce qu'il comporte en outre des moyens d'hydrolyse. 3 - Systeme de production d'energie selon la revendication 2 caracterise en ce que les moyens de production d'electricite sont agences pour recevoir de l'energie thermique resultant de la recombinaison des produits d'hydrolyse en l'absence d'energie solaire. 4 - Systeme de production d'energie selon la revendication 1 caracterise en ce que le gaz dans machine a détente (10) est place au foyer d'un concentrateur (19). 5 - Systeme de production d'energie selon la revendication 1 caracterise en ce que qu'il comporte en outre des moyens pour l'alimentation du moyen de production electrique par une source d'energie additionnelle.30