Brevet FR3075332A1 — publié le 20190621

ABSORBEUR DE RAYONNEMENTS SOLAIRES CAPTEUR OU SYSTEME POUR CENTRALE SOLAIRE, ET PROCEDE DE PREPARATION D'UN TEL ABSORBEUR. Domaine de l'invention La presente invention concerne le domaine des absorbeurs d'energie, dont les caracteristiques se rapprochent du comportement d'un corps noir. Le corps noir est un objet ideal qui absorberait parfaitement toute l'energie electromagnetique qu'il regoit, sans en reflechir ni en transmettre. Sous l'effet de l'agitation thermique, le corps noir emet un rayonnement electromagnetique. A l'equilibre thermique, emission et absorption s'equilibrent et le rayonnement effectivement emis ne depend que de la temperature (rayonnement thermique). L'invention concerne plus particulierement le domaine des absorbeurs destines a la production d'energie a partir du rayonnement solaire par des centrales thermo20 solaires Les procedes thermo-solaires ont de meilleurs rendements que les procedes photovoltaiques, de l'ordre de 30%, en revanche ils sont plus encombrants et adaptes pour une production importante d'electricite. 25 De nouveaux dispositifs couplant un moteur Stirling avec un concentrateur, sont actuellement developpes pour produire du courant electrique. Toutefois, l'utilisation de gaz rares tels que l' argon pour ameliorer le rendement de ces machines, les rendent plus couteux et relativement fragiles. 30 Etat de la technique Il existe differentes techniques pour concentrer les rayonnements solaires, pour transporter et eventuellement 35 stocker la chaleur et pour convertir la chaleur en 2 electricite. Dans tous les cas, un des elements essentiels d'une centrale solaire thermique a concentration est l'element absorbeur de rayonnements solaires qui forme une partie du recepteur. Afin de maximiser le rendement de 5 l'absorbeur, celui-ci comporte en general un revetement, appele revetement selectif ou traitement selectif. Le revetement selectif est destine a permettre une absorption maximale de l'energie solaire incidente tout en reemettant le moins possible de rayonnements infrarouges (principe 10 du corps noir). En particulier, un tel revetement selectif est considers comme parfait s'il absorbe toutes les longueurs d'ondes inferieures a une longueur d'onde de coupure et re-fie-chit toutes les longueurs d'ondes superieures a cette meme longueur d'onde de coupure. La longueur d'onde de coupure 15 optimale depend de la temperature de fonctionnement de l'element absorbeur considers et elle est en general comprise entre 1 ,5pm et 2,5pm. Elle est, par exemple, d'environ 1 ,8 pm pour une temperature de l'ordre de 650 K. Il existe differents types de revetements selectifs, chacun comportant en general une couche antireflet destinee a limiter la re-flexion des rayons solaires incidents. En particulier, un type de revetement selectif consiste a venir deposer, sur la surface de l'absorbeur, un materiau posse-dant intrinsequement les proprietes souhaitees. Ce type de materiau est plutot rare et . le plus performant d'entre eux est le ZrB2, notamment lorsqu'il est associe a une couche antireflet en S13N4, en 5102 ou en A1203. Une autre voie consiste a structurer la surface de l'absorbeur, pour creer les conditions favorables d'une absorption (principe de la re-flexion multiple ou gradient d'indice de refraction, en fonction de l'echelle de la structuration de surface), tout en limitant les emissions infrarouges. Le principal frein a ce type de traitement selectif est d'ordre technologique : it n'existe actuellement 3 pas de moyen de production industriel a grande echelle d'une structuration submicronique adaptee. Le revetement selectif peut aussi consister en un filtre interferentiel, forme par un empilement de plusieurs 5 couches minces d'epaisseurs soigneusement controlees, typiquement de l'ordre de quelques nanometres. Ce type de traitement selectif permet d'obtenir d'excellentes performances, mais sa realisation est relativement difficile mettre en oeuvre . 10 A titre d'exemple, la demande de brevet WO-A- 2009/051595 propose un revetement selectif solaire de cette famille de revetement pour recouvrir la surface exterieure d'un tube absorbeur de rayonnement solaire, typiquement en acier inoxydable. Le revetement selectif comporte un 15 empilement de plusieurs couches ayant chacune une fonction et une epaisseur determine-es par simulation optique. Dans un mode particulier de realisation, le tube absorbeur de rayonnement solaire est successivement recouvert par une succession de bicouches constitues par une couche en materiau reflechissant 20 les rayonnements IR et par une couche en materiau absorbant le rayonnement solaire, suivie par l'application d'une couche antireflet. Le tube absorbeur de rayonnement solaire est, par exemple, en acier inoxydable de structure austenitique, par exemple de type AISI 316, 321 , 347 ou 304L. 25 On connait aussi le brevet US4316048 decrivant un systeme de conversion d'energie de rayonnement, comportant un conteneur calorifuge de stockage de l'energie, un materiau de stockage de l'energie situe a l'interieur du conteneur, des moyens d'entree de l'energie et des 30 moyens de sortie de l'energie, caracterise en ce que le materiau de stockage de l'energie possede une conductibilite thermique superieure a 41, 81 watts par metre Kelvin (0,1 calorie/cm2/cm/°C/s), une chaleur latente de fusion superieure a 4,184 kilojoules (1 kilocalorie) par mole, et un point de fusion non inferieur a 960°C, et que les 4 moyens de sortie de l'energie comprennent un convertisseur de bande de longueurs d'onde d'energie thermique en une bande etroite selectionnee de longueurs d'ondes d'energie de rayonnement, qui est accouple optiquement a un 5 convertisseur photovoltaique repondant de fagon efficace a la bande selectionnee de longueurs d'ondes d'energie. Ce document evoque le fait que l'emetteur est du tungstene dendritique. Ce document ne concerne pas la conversion thermosolaire, mais photovoltaique, qui n'est pas l'objet de 10 l'invention. On connait en particulier dans l'etat de la technique le brevet europeen EP 2462345 B1 un systeme de production et de stockage d'energie electrique et thermique a partir d'une cyclo turbine decrivant un procede de production 15 et de stockage d'energies electrique et thermique d'origine solaire, caracterise en ce qu'il comprend : a) une phase lumineuse qui comporte la production d'une energie cinetique et d'une energie thermique par l'acceleration et le chauffage d'un gaz au travers au moins 20 d'une cycloturbine sous l'action d'un rayonnement solaire, l'utilisation de ces energies pour produire de l'electricite tout en refroidissant, voire liquefiant ledit gaz, en accumulant une partie des energies du gaz dans au moins un reservoir comprenant au moins un compartiment d'eau et au 25 moins un compartiment d'une solution saturee en acetate de sodium, un stockage d'une energie d'un rayonnement solaire, en une energie potentielle par chauffage dudit gaz en condition de volume variable dans un accumulateur thermique solaire a volume variable et, 30 b) une phase sombre, oU l'energie stockee dans l'accumulateur thermique solaire et le reservoir est utilisee pour produire de l'energie electrique et thermique. On connait aussi le brevet americain US9551507 decrivant un procede de realisation d'un element absorbeur de 35 rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique a 5 concentration, comprenant la formation d'un revetement selectif sur une surface exterieure d'un substrat en acier inoxydable. La formation du revetement selectif comporte les etapes successives suivantes : 5 - le traitement de surface par polissage du substrat - et le traitement thermique, en atmosphere oxydante, du substrat dans une gamme de temperatures comprises entre 550°C et 650°C, pour former a la surface exterieure du 10 substrat, au moins une couche superficielle ayant une epaisseur superieure a 70nm de maniere a etre intrinsequement selective, et en ce que l'acier inoxydable du substrat presente une teneur en aluminium superieure a 0,5% en poids. 15 La demande de brevet internationale WO 1983000169 decrit un autre procede de fabrication d'un absorbeur selectif de capteur solaire permettant l'obtention d'une surface de captation des rayonnements solaires a facteur d'absorption eleve et a faible facteur d'emission. La surface de captation 20 est realisee a partir d'un alliage ferreux contenant du chrome qui est plonge dans un bain acide contenant des atomes d'oxygene et au moins une substance metalloidique a base de soufre, selenium et/ou tellure; prealablement, l'etat de la surface de captation est ajuste en vue de l'activer. 25 Inconvenients de l'art anterieur Les performances des solutions de l'etat de la technique sont limitees par les capacites de conversion 30 energetique de l'absorbeur, ce qui conduit a des rendements limites. 6 Solution apportee par l'invention Afin de remedier a ces inconvenients, l'invention concerne selon son acception la plus generale un absorbeur de 5 rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique a concentration caracterise en ce qu'il est forme une piece monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revetue de dendrites de tungstene. Selon une variante, l'absorbeur presente une 10 configuration en nid d'abeille. Selon une autre variante, l'absorbeur presente une forme conique. L'invention concerne aussi un capteur thermique pour centrale solaire thermique a concentration caracterise en 15 ce qu'il est forme par une cavite en graphite avec une fenetre d'entree transparente dans laquelle est dispose un absorbeur forme une piece monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revetue de dendrites de tungstene. Avantageusement, le capteur comporte un bruleur 20 dispose a l'interieur de ladite cavite, orientant une flamme en direction dudit absorbeur. Selon une variante, it comporte une fibre optique transportant l'energie solaire vers ladite cavite. Avantageusement, une partie au moins de la surface 25 interieure de la cavite presente des cavites micrometriques. L'invention concerne aussi un systeme constitue par un capteur thermique pour centrale solaire thermique a concentration accouple thermiquement et mecaniquement a l'admission d'une machine thermique caracterise en ce que 30 ledit capteur est forme par une cavite en graphite avec une fenetre d'entree transparente dans laquelle est dispose un absorbeur forme une piece monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revetue de dendrites de tungstene. 7 Avantageusement, ladite machine a détente avec partie superieure en carbure de silicium. L'invention concerne encore un procede de preparation d'un absorbeur selon l'invention caracterise en ce 5 qu'il comporte une etape de projection par plasma de dendrites de tungstene sur la surface d'une piece monolithique en carbure de silicium. Selon une variante, le procede comporte une etape 10 de projection par laser de dendrites de tungstene sur la surface d'une piece monolithique en carbure de silicium. Description du contexte d'utilisation d'un absorbeur selon l'invention 15 L'invention sera decrite dans ce qui suit a titre d'exemple non limitatif sans reference a des figures, dans la mesure ou l'invention porte sur un revetement de l'interieur d'un capteur de photoconversion solaire. 20 Un capteur thermique permet d'absorber le rayonnement solaire pour le transformer en chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise a un fluide caloporteur. Un capteur est compose d'un absorbeur, d'un fluide caloporteur, 25 d'une isolation, parfois d'un vitrage et de reflecteurs. L'absorbeur est l'un des elements les plus importants d'un capteur thermique; it convertit le rayonnement solaire en chaleur. 30 L'absorbeur se caracterise par deux parametres: - le facteur d'absorption solaire a* (ou absorptivite): le rapport du rayonnement lumineux absorbe par le rayonnement lumineux incident; - le facteur d'emission infrarouge c (ou 35 emissivite): le rapport entre l'energie rayonnee dans 8 l'infrarouge lorsque l'absorbeur est chaud et celle qu'un corps noir rayonnerait a la meme temperature. Dans les applications de chauffage solaire, on cherche a obtenir le meilleur rapport facteur d'absorption 5 solaire / facteur die-mission infrarouge. Ce rapport est appele selectivite. Le materiau constituant l'absorbeur est en regle general en cuivre ou aluminium mais aussi parfois en matiere plastique. Les proprietes de quelques materiaux utilises comme 10 absorbeurs Materiaux absorptivite emissivite selectivite Tempera- ture max. a* c a* / E Nickel noirci (Black 0,88 - 0,98 0,03 - 3,7 - 32 300°C nickel) 0,25 Film graphite (Graphitic films) 0,876 - 0,92 0,025 - 14,4 - 36,8 250°C 0,061 Cuivre noirci (Black 0,97 - 0,98 0,02 48,5 - 49 250°C copper) Chrome noirci (Black 0,95 - 0,97 0,09 - 3,2 - 10,8 350 - chrome) 0,30 425°C Afin d'obtenir un meilleur rendement, certains systemes sont donc constitues d'un revetement particulier. Le fluide caloporteur (ou caloriporteur) permet 15 d'evacuer la chaleur emmagasinee par l'absorbeur et de la transmettre vers la ou elle doit etre consommee. Un bon fluide caloporteur doit prendre en compte les conditions suivantes: - etre chimiquement stable lorsqu'il atteint une forte temperature, en particulier lors de la stagnation du 20 capteur; 9 - posseder des proprietes antigel en correlation avec les conditions meteorologiques locales; - posseder des proprietes anticorrosives selon la nature des materiaux presents dans le circuit capteur; 5 - posseder une chaleur specifique et une conductivite thermique elevees afin de transporter efficacement la chaleur; - etre non-toxique et avoir un faible impact sur l'environnement; 10 - avoir une basse viscosite afin de faciliter la tache de la pompe de circulation; - etre facilement disponible et bon march:6 Le bon compromis par rapport a ces criteres est un mélange d'eau et de glycol (utilise dans le liquide de 15 refroidissement des automobiles), meme s'il n'est pas rare de trouver des systemes fonctionnant a l'eau pure ou tout simplement a fair selon l'utilisation. Le vitrage permet de pro-be-ger l'interieur du capteur contre les effets de l'environnement et d'ameliorer le 20 rendement du systeme par effet de serre. Si l'on souhaite un vitrage efficace, it doit posseder les proprietes suivantes: - reflechir le rayonnement lumineux au minimum quelle que soit son inclinaison; 25 - absorber le rayonnement lumineux au minimum; - avoir une bonne isolation thermique en gardant le rayonnement infrarouge au maximum; - resister dans le temps aux effets de l'environnement (pluie, grele, rayonnement solaire,...) et aux 30 grandes variations de temperatures. Les principaux vitrages utilises pour les capteurs thermiques sont a base de verre non-ferrugineux ou en verre acrylique, et souvent dotes d'un revetement anti-reflet. L'isolant thermique permet de limiter les 35 deperditions thermiques, sa caracteristique est le coefficient 10 de conductivite; plus il est faible meilleur est l'isolant. Les principaux materiaux utilises pour les capteurs thermiques sont la laine de roche et de verre, des mousses de polyurethane ou encore de la resine de melamine. 5 Quelques isolants utilises pour les capteurs thermiques : Materiaux Conductivite thermique Laine de roche 0,032 - 0,040 W/m.K Laine de verre 0,030 - 0,040 W/m.K Mousses de polyurethane (etancheite) 0,022 - 0,030 W/m.K Dans le cas des capteurs thermiques vitres, il est 10 aussi interessant de remplacer l'isolation entre la vitre et l'absorbeur par de l'air. En effet, l'air a un grand pouvoir d'isolation, il est ainsi utilise dans le double vitrage. Toujours dans l'objectif d'obtenir de meilleurs rendements, certains fabricants utilisent d'autres gaz comme l'argon ou le 15 xenon, et lorsque cela est possible, on preferera meme utiliser le vide. Voici les coefficients d'isolation de gaz utilises comme isolants : Gaz Conductivite thermique a 283 K, 1 bar. Air 0,0253 W/m.K Argon 0,01684 W/m.K Xenon 0,00540 W/m.K Description de l'absorbeur selon l'invention 20 L'absorbeur selon l'invention est constitue par une piece monolithique en carbone/ graphite sur laquelle sont projete par laser ou plasma des dendrites de tungstene, une forme cristalline absorbant 98% du rayonnement infra-rouge et 25 a un point de fusion superieur a 3.400 °C. 11 On entend par dendrite au sens du present brevet une forme cristalline obtenue par solidification, et presentant une forme arborescente. Un flocon de neige, par exemple, a une structure dendritique. 5 L'agglomeration des dendrites de tungstene sur le carbone/graphite est realisee en couche mince et sous haute temperature. L'absorbeur forme ainsi un piege a lumiere, notamment a l'aide de micro cavites realisees lors du moulage, 10 pour presenter des caracteristiques proches d'un REVENDICATIONS1 - Absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique a concentration caracterise en ce qu'il est forme par une piece monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revetue de dendrites de tungstene. 2- Absorbeur de rayonnements solaires, pour 10 centrale solaire thermique a concentration selon la revendication 1 caracterise en ce qu'il presente une configuration en nid d'abeille. 3- Absorbeur de rayonnements solaires, pour 15 centrale solaire thermique a concentration selon la revendication 1 caracterise en ce qu'il presente une forme conique 4 - Capteur thermique pour centrale solaire 20 thermique a concentration caracterise en ce qu'il est forme par une cavite en graphite avec une fenetre d'entree transparente dans laquelle est dispose un absorbeur forme une piece monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revetue de dendrites de tungstene. 25 5 - Capteur thermique pour centrale solaire thermique a concentration selon la revendication 4 caracterise en ce que ce qu'il comporte un brilleur dispose a l'interieur de ladite cavite, orientant une flamme en direction dudit 30 absorbeur. 6 - Capteur thermique pour centrale solaire thermique a concentration selon la revendication 4 caracterise en ce que ce qu'il comporte une fibre optique transportant 35 l'energie solaire vers ladite cavite. 13 7 - Capteur thermique pour centrale solaire thermique a concentration selon la revendication 4 caracterise en ce qu'une partie au moins de la surface interieure de la cavite presente des cavites micrometriques. 5 8 - Systeme constitue par un capteur thermique pour centrale solaire thermique a concentration accouple thermiquement et mecaniquement a l'admission d'une machine thermique caracterise en ce que ledit capteur est forme par une cavite en graphite avec une fenetre d'entree transparente dans laquelle est dispose un absorbeur forme une piece monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revetue de dendrites de tungstene. 9 - Systeme pour centrale solaire thermique concentration selon la revendication precedente caracterise en ce que ladite machine a détente presente une partie superieure en carbure de silicium. 10 - Procede de preparation d'un absorbeur rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique concentration forme par une piece monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revetue de dendrites de tungstene caracterise en ce qu'il comporte une etape de projection par plasma de dendrites de tungstene sur la surface d'une piece monolithique en carbure de silicium.