Brevet FR3078344A1 — publié le 20190830

ÉLECTROLYSEUR SOLAIRE OPTIQUE ET PROCÉDÉS ASSOCIÉS. INTRODUCTION La prise de conscience par les utilisateurs des méfaits de la pollution et de la diminution des réserves d'hydrocarbures a permis de créer les conditions d'un nouveau marché pour des solutions proposant l'utilisation de sources d'énergie décarbonée tel que l'hydrogène, principalement utilisé aujourd'hui pour alimenter des piles à combustible ou pour améliorer le rendement des moteurs thermiques. D'autres voies sont actuellement ouvertes pour son utilisation directe dans des moteurs, mais également pour produire divers carburants de substitution, notamment en le combinant avec du dioxyde de carbone. Mais dans l'état actuel des technologies disponibles l'hydrogène reste un gaz couteux à produire, à distribuer et à stocker. L'un des problèmes auxquels l'invention se propose d'apporter des solutions est donc celui de sa production autonome par électrolyse à température élevée, et de rendre possible sa transformation locale et/ou domestique par exemple en éthanol ou méthanol par utilisation d'un électrolyseur adéquat. Il est à noter que sont récemment apparus sur le marché plusieurs types d'électrolyseurs domestiques dont l'énergie électrique est généralement fournie par des panneaux solaires. La particularité du système ici proposé est qu'il tire partie de l'eau à électrolyser pour en faire le composant central de la lentille utilisée pour concentrer les rayons solaires et que donc ladite lentille est également utilisée comme réservoir, et que la concentration desdits rayons solaires en un point focal permet d'obtenir une température de plusieurs centaines de degrés en fonction des conditions d'ensoleillement et de la trajectoire du soleil, étant précisé que l'enveloppe de ladite lentille peut se contenter d'une qualité de verre, voire de matière synthétique, tout à fait ordinaire. Parmi les avantages de la solution ici proposée, l'un est que l'eau constituant le coeur de la lentille absorbe une certaine catégorie des infrarouges constituants le rayonnement solaire, de sorte que ladite eau est préchauffée par lesdits infrarouges; fun des autres avantages est que qu'avant d'être introduite dans la lentille réservoir, l'eau utilisée, si elle est stockée/injectée à une température suffisamment basse, permet le refroidissement des cellules photovoltaïques pour en améliorer le rendement. Les principaux matériels utilisés sont donc par ailleurs peu couteux à fabriquer où à intégrer comme les cellules photovoltaïques qui entourent la lentille, et la diffusion à grande échelle du système de production ici présenté devrait en faire baisser le prix, rendant ledit système particulièrement compétitif. L'invention ici présentée est donc par son prix et sa conception installable chez des particuliers comme l'est un simple panneau solaire, et une telle production domestique sur place d'hydrogène et/ou d'hydrocarbure permet d'assurer aux utilisateurs de ladite invention une certaine autonomie pour ceux de leurs moteurs ou appareils divers qui sont/seront demain alimentés par l'une ou l'autre de ces sources d'énergie; mais elle est également installable en batterie, seule ou en complément d'une ferme photovoltaïque solaire, dans des configurations où les sous-produits obtenus permettent par exemple de stocker l'énergie dans les périodes de fort ensoleillement. 2 ÉTAT DE LA TECHNOLOGIE La technologie de four solaire a fait l'objet de nombreux brevets, et ce depuis plus d'un siècle. Parmi ces brevets, tombés aujourd'hui dans le domaine public, on peut citer celui obtenu en 1878 par le français Augustin Mouchot. 5 Plus proche de nous, on peut citer le document WO 2014037630 Al présentant un "Dispositif autonome de cuisson thermo-régulé utilisant l'énergie solaire....., ou encore le document EP 2312232 A2 présentant un "Barbecue solaire", ou enfin le document WO 1997013104 Al qui présente un "Système optique concentrateur et appareil utilisant une lumière concentrée.". Concernant la fonctionnalité spécifique de bouilloire solaire on peut par ailleurs citer le document 10 FR 2485705 Al présentant un "collecteur solaire". Concernant l'électrolyse à haute température plusieurs brevets ont été déposés, c'est notamment le cas des documents WO 2014097101 Al présentant un "un procédé d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau...", ou encore le document FR 2957359 B1 qui présente un "Dispositif d'électrolyse de l'eau a haute température ...".ou encore le document WO 2011110679 Al qui présente également un "Dispositif d'électrolyse de l'eau a haute température ...", ou 15 encore le document FR 2927907 B1 qui présente une "Installation de production de gaz hydrogène par électrolyse d'eau...". Certains documents récents intègrent par ailleurs une production de gaz synthétique, comme c'est par exemple le cas dans le document WO 2017009577 Al qui présente un "Dispositif et procédé de production de gaz de synthèse ". L'ensemble de ces inventions ont incontestablement fait progresser l'état de la technique, mais la plupart 20 d'entre elles proposent l'utilisation de miroirs paraboliques et pas de système combinant les fonctions de lentille optique et de réservoir, et n'intègrent pas des moyens d'électrolyse comme proposé dans l'invention ici présentée. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention ici présentée est caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de moyens aptes à convertir 25 le rayonnement solaire simultanément en chaleur et en énergie électrique, lesdits moyens étant utilisés pour produire de la vapeur et des produits d'électrolyse à température élevée, étant précisé que l'invention peut être équipée de différents types' d'électrolyseurs adaptés aux sous-produits à obtenir. L'invention ici présentée est caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une structure d'accueil (100) orientable sur laquelle sont installés une pluralité de moyens parmi lesquels : 30 - des moyens combinés de concentration du rayonnement solaire et de stockage d'eau constitués d'au moins un système optique réservoir (200), - des moyens de vaporisation de liquide constitués d'au moins un dispositif dénommé "bouilloire solaire" (300), - des moyens de gestion du processus de vaporisation, 35 - des moyens de génération de forces motrices constitués d'au moins une turbine alimentée par la vapeur 3 produite (400), - des moyens de génération d'énergie électrique d'origine photovoltaïque constitués d'au moids un ensemble de cellules photovoltaïques avec moyens de refroidissement (500), - des moyens d'électrolyse adaptés à la production demandée, constitués d'au moins un dispositif 5 électrolyseur (600), - au moins un ensemble de connections à des sources extérieures des différents dispositifs constituant l'invention. - au moins un système de contrôle et de régulation des différents dispositifs constituant l'invention, par exemple pour en assurer la sécurité. 10 L'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte en particulier des moyens de concentration du rayonnement solaire au moyen d'un système optique réservoir (200) formé par la réunion de deux pièces constituées de deux plaques (20E,201) à bords relevés en verre naturel ou synthétique comportant dans leur partie centrale un dispositif dioptrique convexe (20G,20D), les dites pièces étant assemblées inversées l'une contre l'autre tout en ménageant un espace entre les deux dites plaques grâce à leur bords, et fixées 15 l'une contre l'autre par le joint périphérique (20J) assurant l'étanchéité de ce montage qui confère à cet assemblage les caractéristiques et performances d'une lentille optique convergente lorsque la partie intérieure ainsi constituée en réservoir (20R) est remplie de l'eau à électrolyser, étant précisé que ladite eau est initialement introduite par l'orifice (210) pour passer par la canalisation (211) d'ou elle ressort par l'orifice (212) pour venir remplir la lentille réservoir (20R). La sortie de l'eau à électrolyser de fait par l'orifice 20 de sortie (214) aménagé en partie inférieure et sa réintroduction après passage dans le circulateur (420) s'effectue par l'orifice d'entrée (213) aménagé en partie supérieure; étant précisé que le maintien à niveau de l'eau contenue dans le réservoir et son remplissage par l'orifice (210) est commandé par un système automatique, par exemple constitué çl'une vanne à flotteur (non représentée). L'invention est caractérisée en ce que le dioptre central (20G) exposé au rayonnement solaire est entouré 25 d'une multitude de cellules photovoltaïques installées sur la périphérie de la plaque extérieure (20E), dont elles sont isolées par la canalisation (211) qui est entourée d'ailettes en contact avec lesdites cellules apte à les refroidir et dans laquelle circulé l'eau à électrolyser; étant précisé que cette disposition a une double fonctionnalité, celle de baisser la température des cellules photovoltaïques pour en améliorer le rendement et de transférer la chaleur résiduelle desdites cellules à l'eau destinée à ladite lentille réservoir (20R) pour 30 en augmenter la température, et que par ailleurs la forme de ladite canalisation dépend des conditions d'ensoleillement du lieu d'installation, en prenant par exemple la forme d'un enroulement en spires jointives comme présenté dans la version d'exécution faisant l'objet des figures ci-après. L'invention est par ailleurs caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de vaporisation de liquide, lesquels moyens constitués d'au moins un dispositif dénommé "bouilloire solaire", comme détaillé dans la 35 figure 2, l'invention est caractérisée en ce que le dispositif bouilloire solaire (300) est constitué d'un boitier 4 métallique (310) ouvert sur sa partie frontale et dans lequel sont installés le dispositif vaporisateur (320), les vannes thermostatiques d'entrée (331) du mélange liquide à vaporiser et celles (332) commandant l'évacuation de de la vapeur, ainsi que les résistances complémentaires (341,342). Le dispositif vaporisateur (320) comporte une chambre de vaporisation (322) constituée du montage d'une 5 plaque avant (321) dans un matériau fortement conducteur de chaleur, comme par exemple du titane, assemblée à une plaque arrière (323) constituée d'un matériau très peu conducteur de chaleur et écartée de la plaque avant d'une distance appropriée pour déclencher la vaporisation du mélange liquide à vaporiser introduit dans l'espace existant entre les deux dites plaques, la forme de l'ensemble étant adaptée de manière à suivre les trajectoires azimutales/zénithales du soleil du lieu d'installation et en 10 limitant le contour desdites plaques aux déplacements du point d'impact (325) sur la plaque avant du point focal concentrant le rayonnement solaire durant sa trajectoire. L'invention fonctionne ainsi: l'eau contenu dans ladite lentille réservoir (20R) est envoyée par la canalisation (410) vers le circulateur (420) et une partie est envoyée par la canalisation (430) vers la bouilloire solaire (300), pour y être introduite dans le dispositif vaporisateur (320), mélangée -par exemple avec un autre 15 fluide introduit par l'orifice (350) comme du dioxyde de carbone- ou non en fonction du dispositif d'électrolyse (600) installé. Après le remplissage initial avec le liquide à électrolyser du dispositif vaporisateur (320), l'introduction dudit liquide est assurée par une vanne (331) thermostatique régulatrice dont la sonde est installée au niveau du point bas du dispositif vaporisateur, et la libération de la vapeur produite dans ledit dispositif vaporisateur 20 est commandée par une deuxième vanne thermostatique (332) dont la sonde est installée au niveau du point haut dudit dispositif vaporisateur. La première vanne (331) d'introduction est du type à ouverture progressive avec débit minimal, par exemple comportant un bilame et dont la sonde est installée au niveau du point bas du dispositif vaporisateur (320), et la fonction de ladite vanne est à la fois quant elle est fermée de laisser entrer/sortir 25 un minimum de liquide à électrolyser, et par son ouverture progressive d'assurer un débit de liquide à électrolyser en relation avec l'importance de la production de vapeur; de sorte qu'au démarrage du processus de vaporisation, la chaleur dégagée par le point focal solaire au niveau du point d'impact (325) déclenche autour de ce point la vaporisation du liquide dont la vapeur produite s'évacue vers le point haut dudit dispositif vaporisateur; et que lors de cette production de vapeur, il y a simultanément refoulement 30 partiel sous la pression et par la vanne inférieure d'une partie du liquide à électrolyser, et montée des températures atteintes aux deux niveaux bas et haut du dispositif vaporisateur, jusqu'à ce que la pression/température atteinte au niveau du point haut déclenche l'ouverture de la vanne thermostatique supérieure (332) et la libération de la vapeur produite, et la réintroduction par la vanne inférieure (331) d'une nouvelle quantité de liquide à électrolyser. 35 L'invention ici présentée est apte à faire fonctionner différents types d'électrolyseurs en fonction des 5 produits à produire. Le système ici présenté est par ailleurs équipé, avant l'introduction de la vapeur dans le dispositif d'électrolyse, de résistances électriques (342) aptes à générer des calories supplémentaires, dans certaines conditions précisées infra, et installées après la sortie du dispositif vaporisateur et l'entrée (350) 5 prévue optionnellement pour l'introduction, par exemple au moyen d'un dispositif d'aspiration du type venturi, de fluide additionnel, par exemple du dioxyde de carbone, devant entrer dans la composition du mélange à électrolyser. A sa sortie desdits dispositifs, la vapeur produite est injectée dans une turbine (400) pour entrainer, après adaptation du nombre de tours, le circulateur (420), ainsi que, dans la version d'exécution faisant l'objet des 10 figures ci-après, les compresseurs (442,444) des gaz sortant du dispositif d'électrolyse (600). Après passage dans ladite turbine (400), la vapeur produite est injectée par la sortie (432) dans le dispositif d'électrolyse ainsi que le gaz (oxygène, dioxyde de carbone, etc...) nécessaire au fonctionnement de l'électrolyseur installé. Différents type d'électrolyseurs à température élevée sont installables dans l'invention, et seront choisis en 15 fonction de ce qui doit être produit et de la température atteignable sur le lieux d'installation; étant précisé que dans la version d'exécution ici présentée, l'invention est configurée pour une production d'hydrogène et d'oxygène. Dans des conditions optimales de rayonnement solaire, la consommation de l'énergie électrique produite par les panneaux photovoltaïques est réservée aux dispositifs d'électrolyse (600), dans les autres 20 conditions l'invention est pourvue de moyens de contrôle, de régulation et de pilotage, permettant de répartir ladite l'énergie électrique entre lesdits dispositifs d'électrolyse et l'alimentation des résistances complémentaires (341,342) pour l'accroissement de la température de la vapeur, de manière à optimiser le rendement desdits dispositifs d'électrolyse. A la sortie de l'électrolyseur utilisé (610), les gaz produits (611,612) sont dirigés vers leurs 25 séparateurs/condenseurs respectifs (621,622), dont le refroidissement est assuré par un système échangeur (630) alimenté par le circulateur (420) et transférant dans l'eau contenue dans la lentille réservoir (20R) les calories soustraites auxdits gaz, et l'eau condensée est réintégrée dans la lentille réservoir par la canalisation (615); ces caractéristiques permettent de récupérer avantageusement lesdites calories pour augmenter la température de l'eau entrant dans le mélange à électrolyser et ainsi optimiser le 30 rendement de l'installation, lesdits gaz ainsi produits par l'électrolyse étant par ailleurs compressés par le/les compresseur (44X). L'ensemble des moyens décrits supra sont installés sur un berceau (100) orientable et basculable pour être orienté suivant l'axe optimisant la capture du rayonnement solaire du lieu d'installation. L'eau nécessaire au fonctionnement du système ici présenté provient des circuits de distribution ou d'un 35 réservoir indépendant. 6 Dans la configuration ici présentée de production d'hydrogène et d'oxygène, l'eau reformée par condensation et sortant des séparateurs/condenseurs (621,622 ) est recueillie par gravité et réintroduite par l'orifice (615) dans la lentille réservoir (20R); il convient donc d'installer ledit orifice recueillant cette eau en provenance des séparateurs/condenseurs (621,622) suffisamment en hauteur pour que l'inclinaison in 5 situ empêche le versement d'une partie de l'eau contenue dans la lentille réservoir (20R). Pour illustrer ce qui est écrit supra, la figure 1 illustre l'agencement des différents constituants de la présente invention utilisée pour de la production d'hydrogène et d'oxygène; pour faciliter la présentation et la compréhension de l'implantation des différents éléments, l'invention est présentée sur cette figure dans une position non basculée. 10 Parmi les autres fonctionnalités non détaillées, l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de connections à des systèmes extérieurs des différents dispositifs constituant l'invention, par exemple pour une alimentation électrique extérieure ou encore l'ajout de produits gazeux ou non dans le dispositif d'électrolyse installé, et également caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de contrôle de sécurité et de régulation pour éviter tout dysfonctionnement, comme des surtensions, surpressions, 15 etc... L'invention n'est en rien limitée aux modes de réalisation décrits et présentés dans les différentes figures, qui ne sont illustrées et données qu'à titre d'exemples de variantes d'exécution possibles. Les caractéristiques, buts et avantages de la présente invention ici présentés ne le sont qu'à titre d'exemples non limitatifs. 7 FIGURES Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente une vue schématique des principaux éléments constituant l'invention. La figure 2 représente une vue schématique des dispositifs de génération de vapeur (300) et 5 d'entrainement par la turbine (400). REVENDICATIONS1- Installation caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de moyens aptes à convertir le rayonnement solaire simultanément en chaleur et en énergie électrique, lesdits moyens étant utilisés pour produire de la vapeur et des produits d'électrolyse à température élevée., et est caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une structure d'accueil (100) orientable recevant une pluralité de moyens parmi lesquels : - des moyens combinés de concentration du rayonnement solaire et de stockage d'eau (200), - des moyens de vaporisation de liquide (300), - des moyens de gestion du processus de vaporisation, - des moyens de génération de forces motrices (400), 10 des moyens de génération d'énergie électrique d'origine photovoltaïque (500), - des moyens d'électrolyse adaptés à la production demandée (600), - au moins un ensemble de connections à des systèmes extérieures des différents dispositifs constituant l'installation, - au moins un système de contrôle et de régulation des différents dispositifs constituant l'installation. 15 2- Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens combinés de concentration du rayonnement solaire et de stockage d'eau, lesquels moyens constitués d'au moins un système optique réservoir (200) formé par la réunion de deux pièces constituées de deux plaques (20E,201) à bords relevés en verre naturel ou synthétique comportant dans leur partie centrale un dispositif dioptrique 20 convexe (20G,20D), les dites pièces étant assemblées inversées l'une contre l'autre tout en ménageant un espace entre les deux dites plaques grâce à leur bords, et fixées l'une contre l'autre par le joint périphérique (20J) assurant l'étanchéité de ce montage qui confère à cet assemblage les caractéristiques et performances d'une lentille optique convergente lorsque la partie intérieure ainsi constituée en réservoir (20R) est remplie de l'eau à électrolyser, étant précisé que ladite eau est initialement introduite par l'orifice 25 (210) pour passer par la canalisation (211) d'ou elle ressort par l'orifice (212) pour venir remplir la lentille réservoir (20R). La sortie de l'eau à électrolyser de fait par l'orifice de sortie (214) aménagé en partie inférieure et sa réintroduction après passage dans le circulateur (420) s'effectue par l'orifice d'entrée (213) aménagé en partie supérieure; étant précisé que le maintien à niveau de l'eau contenue dans le réservoir et son remplissage par l'orifice (210) est commandé par un système automatique. 3- Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de vaporisation de 30 liquide, lesquels moyens constitués d'au moins un dispositif dénommé "bouilloire solaire" (300) , lequel dispositif constitué d'un boitier métallique (310) ouvert sur sa partie frontale et dans lequel sont installés le dispositif vaporisateur (320), les vannes thermostatiques d'entrée (331) du mélange liquide à vaporiser et celles (332) commandant l'évacuation de la vapeur produite, ainsi que les résistances complémentaires (341,342), et en ce que ledit dispositif vaporisateur (320) comporte une chambre de vaporisation (322) 35 constituée du montage d'une plaque avant (321) dans un matériau fortement conducteur de chaleur, 9 comme par exemple du titane, assemblée à une plaque arrière (323) constituée d'un matériau très peu conducteur de chaleur et écartée de la plaque avant d'une distance appropriée pour déclencher la vaporisation du mélange liquide à vaporiser introduit dans l'espace existant entre les deux dites plaques, la forme de l'ensemble étant adaptée de manière à suivre les trajectoires azimutales/zénithales du soleil du lieu d'installation et en limitant le contour desdites plaques aux déplacements du point focal d'impact (325) sur la plaque avant concentrant le rayonnement solaire durant sa trajectoire. 4- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de gestion du processus de vaporisation, lesquels moyens constitués d'au moins une vanne (331) thermostatique régulatrice du type à ouverture progressive avec débit minimal dont la sonde est installée au niveau du point bas du dispositif vaporisateur, ladite vanne gérant l'introduction dans le dispositif vaporisateur (320) du !iquide à vaporiser, et d'au moins une deuxième vanne thermostatique (332) dont la sonde est installée au niveau du point haut dudit dispositif vaporisateur, ladite deuxième vanne gérant la libération de la vapeur produite. 5- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de génération de forces motrices (400), lesquels moyens constitués d'au moins une turbine (400) alimentée et mise en rotation par la vapeur produite et injectée pour entrainer, après adaptation du nombre de tours, plusieurs dispositifs dont au moins un circulateur (420), ainsi qu'au moins un compresseur (44X). 6- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de génération d'énergie électrique d'origine photovoltaïque (500), lesquels moyens constitués d'au moins un ensemble de cellules photovoltaïques avec moyens de refroidissement, lequel ensemble comportant une multitude de cellules photovoltaïques entourant le dioptre central (20G) exposé au rayonnement solaire et installées sur la périphérie de la plaque extérieure (20E), dont elles sont isolées par la canalisation (211) qui est entourée d'ailettes en contact avec lesdites cellules et dont la forme dépend des conditions d'ensoleillement du lieu d'installation. 7- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'électrolyse adaptés à la production demandée, lesquels moyens constitués d'au moins un dispositif d'électrolyse (600) fonctionnant à température élevée, lequel dispositif comportant au moins un électrolyseur (610) dont les caractéristiques dépendent des sous-produits à obtenir, des séparateurs/condenseurs dont le nombre est fonction desdits sous-produits à obtenir, ainsi qu' un système échangeur de chaleur (630) alimenté par le circulateur (420 ),et caractérisée en ce que la présence des compresseurs (44X) permet la compression desdits gaz. 8- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de connections à des systèmes extérieurs des différents dispositifs constituant l'invention. 9- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte 10 des moyens de contrôle de sécurité et de régulation pour éviter tout dysfonctionnement, ainsi que des moyens de pilotage permettant de répartir ladite l'énergie électrique produite entre lesdits dispositifs d'électrolyse et l'alimentation des résistances complémentaires (341,342) pour l'accroissement de la température de la vapeur, de manière à optimiser le rendement desdits dispositifs d'électrolyse.