CA3142844A1

CA3142844A1 - Hybrid radiation absorber for solar power plant, and method for preparing such an absorber

Info

Publication number: CA3142844A1
Application number: CA3142844A
Authority: CA
Inventors: Sylvain Pare
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-12-17
Also published as: AU2020290036A1; IL288880A; CN114127484A; KR20220024542A; FR3097304A1; JP2022536366A; WO2020249885A1; EP3983730A1; FR3097304B1

Abstract

The present invention relates to a solar radiation absorber for a concentrated solar thermal power plant, the absorber being characterised in that it is formed from a monolithic piece of silicon carbide, the absorption surface of which is, for example, coated with tungsten dendrites, in particular for the production of a collector or a system for a solar power plant. The invention also relates to a method for preparing such an absorber.

Description

ABSORBEUR HYBRIDE DE RAYONNEMENTS POUR CENTRALE SOLAIRE, ET
PROCEDE DE PREPARATION D'UN TEL ABSORBEUR
Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des absorbeurs d'énergie, dont les caractéristiques se rapprochent du comportement d'un corps noir.
Le corps noir est un objet idéal qui absorberait parfaitement toute l'énergie électromagnétique qu'il reçoit, sans en réfléchir ni en transmettre. Sous l'effet de l'agitation thermique, le corps noir émet un rayonnement électromagnétique.
A l'équilibre thermique, émission et absorption s'équilibrent et le rayonnement effectivement émis ne dépend que de la température (rayonnement thermique).
Applications types non limitatives : Fluide gazeux : moteur à
combustion externe type Stirling/Ericsson, turbine à air chaud (turbo alternateurs), process industriels, cuisson, etc_ le fluide liquide peut être de l'eau que l'on souhaite chauffer, un liquide à stériliser, une production de vapeur pour alimenter un turbo alternateur standard, un ECS (eau chaude sanitaire/chauffage), fluides divers,_ L'invention concerne plus particulièrement le domaine des absorbeurs destinés à la production d'énergie à partir du rayonnement solaire par des centrales thermo-solaires complémentés par une flamme idéalement hho ou renouvelable Les procédés thermo-solaires ont de meilleurs rendements que les procédés photovoltaïques, de l'ordre de 30%, en revanche ils sont plus encombrants et adaptés pour une production importante d'électricité.
De nouveaux dispositifs couplant un moteur Stirling avec un concentrateur, sont actuellement développés pour produire du courant électrique. Toutefois le rendement thermodynamique est lié corrélativement à la température d'entrée qui nécessite d'être alors suffisamment élevée pour la meilleure efficacité.
Les dispositifs existants sont limités à 650/800 C et ne peuvent donc dépasser les 40% de rendement. L'invention permet d'atteindre 1200 C et donc d'atteindre et dépasser 60% de rendement net.
D'autre part l'absorbeur selon l'invention permet l'hybridation de différentes sources de chaleur, par exemple solaire et solar fuel = hho (ou biogaz, dérivés du pétrole, ...), permettant ainsi un fonctionnement continu et à pleine puissance d'une installation malgré les variations ou absences du flux solaires.
Etat de la technique Il existe différentes techniques pour concentrer les rayonnements solaires, pour transporter et éventuellement stocker la chaleur et pour convertir la chaleur en électricité.
Dans tous les cas, un des éléments essentiels d'une centrale solaire thermique à concentration est l'élément absorbeur de rayonnements solaires qui forme une partie du récepteur. Afin de maximiser le rendement de l'absorbeur, celui-ci comporte en général un revêtement, appelé revêtement sélectif ou traitement sélectif. Le revêtement sélectif est destiné à permettre une absorption maximale de l'énergie solaire incidente tout en réémettant le moins possible de rayonnements infrarouges (principe du corps noir). En particulier, un tel revêtement sélectif est considéré comme parfait s'il absorbe toutes les longueurs d'ondes inférieures à une longueur d'onde de coupure et réfléchit toutes les longueurs d'ondes supérieures à cette même longueur d'onde de coupure. La longueur d'onde de coupure optimale dépend de la température de fonctionnement de l'élément absorbeur considéré et elle est en général comprise entre 1 ,5pm et 2,5pm. Elle est, par exemple, d'environ 1 ,8 pm pour une température de l'ordre de 650 K.
La demande de brevet US2015033740 décrit un récepteur solaire comprenant: HYBRID RADIATION ABSORBER FOR SOLAR POWER PLANTS, AND
METHOD FOR PREPARING SUCH AN ABSORBER
Field of the invention The present invention relates to the field of absorbers of energy, the characteristics of which are close to the behavior of a black body.
The black body is an ideal object that would perfectly absorb all the electromagnetic energy it receives, without reflect or transmit. Under the influence of agitation thermal, the black body emits electromagnetic radiation.
At thermal equilibrium, emission and absorption balance each other and the radiation actually emitted depends only on the temperature (thermal rays).
Non-limiting typical applications: Gaseous fluid: motor with external combustion type Stirling/Ericsson, hot air turbine (turbo alternators), industrial processes, cooking, etc_ the liquid fluid can be water which one wishes to heat, a liquid to be sterilized, steam production to supply a standard turbo alternator, a DHW (hot water sanitary/heating), various fluids,_ The invention relates more particularly to the field of absorbers intended for the production of energy from the solar radiation by thermo-solar power plants complemented by an ideally hho or renewable flame Thermo-solar processes have better yields than photovoltaic processes, around 30%, on the other hand they are more bulky and suitable for large production of electricity.
New devices coupling a Stirling engine with a concentrator, are currently being developed to produce Electric power. However, the thermodynamic efficiency is correlatively linked to the inlet temperature which requires to be high enough for the best efficiency.
Existing devices are limited to 650/800 C and cannot therefore exceed 40% efficiency. The invention allows to reach 1200 C and therefore to reach and exceed 60% of net return.
On the other hand, the absorber according to the invention allows the hybridization from different heat sources, e.g. solar and solar fuel = hho (or biogas, petroleum derivatives, ...), thus allowing continuous operation at full power of a installation despite variations or absences of the solar flux.
State of the art There are different techniques to concentrate the solar radiation, to transport and possibly to store heat and to convert heat into electricity.
In any case, one of the essential elements of a power plant concentrated solar thermal is the absorber element of solar radiation which forms part of the receiver. In order to maximize the efficiency of the absorber, this one comprises general a coating, called selective coating or treatment selective. The selective coating is intended to allow a maximum absorption of incident solar energy while re-emitting as little infrared radiation as possible (principle of the black body). In particular, such a coating selective is considered perfect if it absorbs all wavelengths below a cut-off wavelength and reflects all wavelengths above this same cut-off wavelength. The cut-off wavelength optimum depends on the operating temperature of the the absorber element considered and it is generally comprised between 1.5 p.m. and 2.5 p.m. It is, for example, about 1.8 μm for a temperature of about 650 K.
Patent application US2015033740 describes a solar receiver including:

2 = une chambre à fluide à basse pression configurée pour fonctionner à des pressions allant jusqu'à 2 atmosphères, et comprenant une entrée de fluide, une sortie de fluide et une ouverture pour recevoir le rayonnement solaire concentré;
= un absorbeur solaire logé dans la chambre de fluide basse pression; et = une pluralité d'objets transparents qui définissent une paroi segmentée de la chambre à fluide basse pression;
= dans lequel le rayonnement solaire concentré reçu à travers l'ouverture passe à travers la paroi segmentée et entre des objets transparents pour passer dans la chambre de fluide à basse pression et frappe l'absorbeur solaire.
La demande de brevet US4047517 décrit un récepteur d'énergie rayonnante comprenant une pluralité de structures à aubes allongées agencées dans une configuration convergente d'une partie extérieure de celle-ci à une partie intérieure de gorge de celle-ci, les surfaces extérieures aux surfaces intermédiaires des aubes étant au moins en partie une surface réfléchissante et les surfaces intermédiaires aux surfaces intérieures des aubes étant au moins en partie d'une surface sélective qui absorbe l'énergie rayonnante frappant la surface sélective à un petit angle d'incidence, mais reflète une telle énergie frappant à un angle d'incidence plus grand, l'énergie rayonnante frappant les parties extérieures de l'aube étant réfléchie vers la gorge convergente des aubes et l'énergie rayonnante dans la partie intérieure frappant la surface sélective à un angle d'incidence relativement faible, comme l'indiquerait une inversion naissante ou réelle de la direction de déplacement du l'énergie rayonnante par rapport aux aubes est absorbée tandis que celle frappant la surface sélective à un angle d'incidence relativement grand est réfléchie dans la gorge des aubes pour générer une température élevée adjacente à la gorge des aubes. 2 = a low pressure fluid chamber configured to operate at pressures up to 2 atmospheres, and comprising a fluid inlet, a fluid outlet and an opening to receive solar radiation concentrated;
= a solar absorber housed in the lower fluid chamber pressure; and = a plurality of transparent objects that define a segmented wall of the low pressure fluid chamber;
= in which the concentrated solar radiation received through the opening passes through the segmented wall and between transparent objects to pass through the fluid chamber at low pressure and strikes the solar absorber.
Patent application US4047517 describes an energy receiver radiant comprising a plurality of vane structures elongated tubes arranged in a converging configuration of a outer part thereof to an inner groove part thereof, the outer surfaces to the surfaces intermediate blades being at least partly a surface reflective and the intermediate surfaces to the surfaces interiors of the blades being at least partly of a surface selective which absorbs radiant energy striking the surface selective at a small angle of incidence, but reflects such energy striking at a larger angle of incidence, the energy radiant striking the outer parts of the dawn being reflected towards the converging throat of the blades and the energy radiating in the inner part hitting the surface selectively at a relatively low angle of incidence, such as would indicate an incipient or actual reversal of direction displacement of the radiant energy with respect to the blades is absorbed while that striking the selective surface at a relatively large angle of incidence is reflected in the throat vanes to generate a high temperature adjacent to the throat of the blades.

3 Inconvénients de l'art antérieur Les performances des solutions de l'état de la technique sont limitées par les capacités de conversion énergétique de l'absorbeur, ce qui conduit à des rendements limités. D'autre part les absorbeurs connus sont exposés à l'air libre générant une déperdition thermique importante. Les absorbeurs connus présentent une surface de captation lisse peu absorbante et fortement émissive. Les matériaux des absorbeurs connus ne permettent pas une utilisation dans les hautes températures et ne peuvent supporter de trop fortes pressions ou contraintes.
Solution apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est par exemple revêtue de dendrites de tungstène (ou autre substrat) L'invention concerne aussi un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une cavité par exemple en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposée l'absorbeur selon l'invention formé par une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est idéalement revêtue de dendrites de tungstène (ou autres).
Avantageusement, le capteur comporte un brûleur disposé à
l'intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur.
Selon une variante, il comporte une fibre optique transportant l'énergie solaire vers ledit absorbeur.
Avantageusement, une partie au moins de la surface intérieure de la cavité présente des cavités se comportant comme un piège à
lumière (nid d'abeille conique). 3 Disadvantages of the prior art The performances of the state-of-the-art solutions are limited by the energy conversion capacities of the absorber, which leads to limited yields. Else apart from known absorbers are exposed to the open air generating significant heat loss. Known absorbers have a smooth pick-up surface that is not very absorbent and highly emissive. The materials of known absorbers do not not allow use in high temperatures and cannot withstand too much pressure or stress.
Solution provided by the invention In order to remedy these drawbacks, the invention relates according to its most general meaning a radiation absorber solar, for concentrated solar thermal power plants characterized in that a monolithic part is formed in silicon carbide whose absorption surface is for example coated with tungsten dendrites (or other substrate) The invention also relates to a thermal sensor for a power plant concentrated solar thermal characterized in that it is formed by a cavity, for example made of graphite, with a window transparent inlet in which the absorber is arranged according to the invention formed by a monolithic part in carbide silicon whose absorption surface is ideally coated with tungsten (or other) dendrites.
Advantageously, the sensor comprises a burner arranged at inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.
According to a variant, it comprises an optical fiber carrying solar energy to said absorber.
Advantageously, at least part of the inner surface of the cavity has cavities that behave like a trap for light (conical honeycomb).

4 WO 2020/249884 WO 2020/24988

5 L'invention concerne aussi un système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration accouplé thermiquement et mécaniquement à l'admission d'une machine thermique caractérisé en ce que ledit capteur est formé
par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé par une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène.
Avantageusement, ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium.
L'invention concerne encore un procédé de préparation d'un absorbeur selon l'invention caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépôt d'une fine couche absorbant le rayonnement pouvant être constitué par exemple d'une projection par torche plasma ou flux solaire concentré de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium. Ladite couche peut aussi avantageusement être déposée dès la sortie du moulage, la pâte obtenue étant relativement collante et permettant ainsi la fixation aisée des dendrites par simple projection mécanique ou poudrage.
Selon une variante, le procédé comporte une étape de projection par laser de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium.
Selon d'autres variantes, l'invention concerne :
Un capteur thermique pour centrale solaire thermique à
concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une cavité
isolée sous vide par exemple en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé d'une pièce monolithique en carbure de silicium de grande pureté dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène.
Avantageusement, cet absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration présente :
- une configuration en nid d'abeille dont les cellules sont coniques/évasées avec une hauteur plus importante au centre et présentant des microcavités.
- une interface sphérique étanche supportant supérieur/inférieur faisant office de bride d'assemblage/étanchéité avec un support présentant un nid et des ailettes et un assemblage par filetages d'un tuyau sur un dispositif thermodynamique.
- des ailettes pour l'échange thermique avec le fluide en forme de rosaces et présentant des microcavités avec une hauteur plus élevée au centre.
- un disque obturation et des lumières de passage du fluide.
- une section tronconique hélicoïdale centrale avec un renvoi à 90 et une forme évasée/conique.
- un brûleur disposé à l'intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur.
- des surfaces d'échange avec microcavités.
L'invention concerne aussi un système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration susvisé, accouplé thermiquement et mécaniquement à une tubulure (sortie fluide chaud) ou à l'admission d'une machine thermique caractérisé en ce que ledit capteur est formé par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé d'une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène.
De préférence, ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium.
Avantageusement, il comporte une étape de projection par plasma de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique 5 The invention also relates to a system consisting of a sensor thermal for concentrated solar thermal power plant thermally and mechanically coupled to the inlet of a thermal machine characterized in that said sensor is formed through a graphite cavity with a transparent entry window in which is arranged an absorber formed by a part silicon carbide monolith whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.
Advantageously, said expansion machine with upper part in silicon carbide.
The invention also relates to a process for the preparation of a absorber according to the invention, characterized in that it comprises a step of depositing a thin radiation-absorbing layer capable of consist for example of a plasma torch projection or concentrated solar flux of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part in silicon carbide. Said layer can also advantageously be deposited right out of the molding, the dough obtained being relatively sticky and thus allowing easy fixation of dendrites by simple mechanical projection or dusting.
According to a variant, the method comprises a step of projection by laser of tungsten dendrites on the surface of a part silicon carbide monolith.
According to other variants, the invention relates to:
A thermal sensor for a solar thermal power plant at concentration characterized in that it is formed by a cavity vacuum insulated e.g. graphite with a window transparent inlet in which an absorber is arranged formed from a monolithic piece of silicon carbide of great purity whose absorption surface is coated with dendrites of tungsten.
Advantageously, this solar radiation absorber, for present concentrated solar thermal power plant:
- a honeycomb configuration whose cells are conical/flared with a height more important in the center and presenting microcavities.
- a sealed spherical interface supporting upper/lower acting as flange assembly/sealing with a support having a nest and fins and an assembly by threads of a pipe on a thermodynamic device.
- fins for heat exchange with the fluid in the shape of rosettes and presenting microcavities with a higher height in the center.
- an obturation disc and passage lights for the fluid.
- a central truncated helical section with a 90 offset and a flared/conical shape.
- a burner disposed inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.
- exchange surfaces with microcavities.
The invention also relates to a system consisting of a sensor thermal for concentrated solar thermal power plant referred to above, thermally and mechanically coupled to a pipe (hot fluid outlet) or at the inlet of a thermal machine characterized in that said sensor is formed by a cavity in graphite with a transparent entrance window in which is disposed an absorber formed of a monolithic piece in silicon carbide whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.
Preferably, said expansion machine with upper part in silicon carbide.
Advantageously, it includes a plasma projection step of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part

6 en carbure de silicium et/ou une étape de dépôt par poudrage lors de l'élaboration en phase pâteuse de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
- La figure 1 représente un absorbeur vu en coupe, partie supérieure vers le haut (soleil/flamme) comportant le nid d'abeille, l'interface étanche au milieu (3) et les ailettes de l'échangeur fluide en dessous - La figure 2 représente une vue de dessous de l'échangeur avec son cône hélicoïdal au centre.
- La figure 3 représente une coupe de l'interface et de la partie inférieure seule.
- La figure 4 représente une vue des nids d'abeille - La figure 4A représente une vue des dendrites - La figure 5 est une représentation simplifiée de la matrice nid d'abeilles - La figure 6 est une représentation d'une première forme de dendrite de tungstène agrandies - La figure 6A est une représentation d'une autre forme de dendrite de tungstène agrandies - La figure 7 représente une gros plan dendrites fusionnées sur le support en CSi - La figure 8 représente une enceinte de confinement externe (unité pour concentrateur solaire).
- La figure 9 représente une coupe détaillée du cône hélicoïdal - La figure 10 représente une représentation 3D du cône hélicoïdal pour la compréhension du dispositif. 6 silicon carbide and/or a powder coating step during the elaboration in the pasty phase of tungsten dendrites on the surface of a monolithic piece of silicon carbide.
Detailed description of a non-limiting example of the invention The present invention will be better understood on reading the detailed description of a non-limiting example of the invention which follows, referring to the attached drawings where:
- Figure 1 shows an absorber seen in section, part top upwards (sun/flame) including the nest honeycomb, the sealed interface in the middle (3) and the fins of the fluid exchanger below - Figure 2 shows a bottom view of the exchanger with its helical cone in the center.
- Figure 3 shows a section of the interface and the lower part alone.
- Figure 4 shows a view of the honeycombs - Figure 4A shows a view of the dendrites - Figure 5 is a simplified representation of the matrix honeycomb - Figure 6 is a representation of a first form of enlarged tungsten dendrite - Figure 6A is a representation of another form of enlarged tungsten dendrite - Figure 7 shows a close-up of fused dendrites on CSi support - Figure 8 shows an external containment enclosure (unit for solar concentrator).
- Figure 9 shows a detailed section of the helical cone - Figure 10 represents a 3D representation of the cone helical for the understanding of the device.

7 Description du contexte d'utilisation d'un absorbeur selon l'invention Le capteur thermique permet d'absorber le rayonnement solaire pour le transformer en chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise à un fluide caloporteur. Un capteur est composé d'un absorbeur, d'un fluide caloporteur, d'une isolation, parfois d'un vitrage et de réflecteurs.
L'absorbeur est l'un des éléments les plus importants d'un capteur thermique ; il convertit le rayonnement solaire en chaleur.
L'absorbeur se caractérise par deux paramètres :
- le facteur d'absorption solaire a* (ou absorptivité): le rapport du rayonnement lumineux absorbé par le rayonnement lumineux incident;
- le facteur d'émission infrarouge E (ou émissivité):
le rapport entre l'énergie rayonnée dans l'infrarouge lorsque l'absorbeur est chaud et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température.
Dans les applications de chauffage solaire, on cherche à obtenir le meilleur rapport facteur d'absorption solaire / facteur d'émission infrarouge. Ce rapport est appelé sélectivité.
Le matériau constituant l'absorbeur est en règle générale en cuivre ou aluminium mais aussi parfois en matière plastique. Les propriétés de quelques matériaux utilisés comme absorbeurs.
La structure de l'absorbeur est illustrée par les figures 1, 2, 3 et 8.
Il comprend une structure (1) en nid d'abeille exposé au rayonnement solaire par l'intermédiaire d'un hublot (10). Elle est fixée sur l'enceinte par une bride (2). Une membrane (3) forme une interface étanche. Un joint (4) assure l'étanchéité
entre la bride (2) et un épaulement interne de l'enceinte. Une structure (6, 12) présente une section tronconique hélicoïdale centrale avec des ailettes inférieures (5). Elle est fixée par des vis (7). 7 Description of the context of use of an absorber according to the invention The thermal sensor absorbs solar radiation to turn it into heat. This heat is then transmitted to a heat transfer fluid. A sensor consists of a absorber, heat transfer fluid, insulation, sometimes glazing and reflectors.
The absorber is one of the most important parts of a thermal sensor; it converts solar radiation into heat.
The absorber is characterized by two parameters:
- the solar absorption factor a* (or absorptivity): the ratio of light radiation absorbed by the incident light radiation;
- the infrared emission factor E (or emissivity):
the ratio between the energy radiated in the infrared when the absorber is hot and that which a black body would radiate at the same temperature.
In solar heating applications, the aim is to obtain the best ratio of solar absorption factor / factor infrared emission. This ratio is called selectivity.
The material constituting the absorber is generally made of copper or aluminum but also sometimes plastic. The properties of some materials used as absorbers.
The structure of the absorber is shown in Figures 1, 2, 3 and 8.
It comprises a honeycomb structure (1) exposed to the solar radiation through a porthole (10). She is fixed to the enclosure by a flange (2). A diaphragm (3) forms a tight interface. A seal (4) ensures the seal between the flange (2) and an internal shoulder of the enclosure. A
structure (6, 12) has a truncated helical section central with lower fins (5). It is fixed by screws (7).

8 Un disque d'obturation (11) s'étend sous la structure (12).
Dans la zone comprise entre le hublot (10) et la structure en nid d'abeille (1), un brûleur injecte des gaz chauds. Cette zone présente par ailleurs des orifices d'évacuation (14).
La structure en nid d'abeilles reçoit le flux thermique, et présente une interface étanche au centre, avec une bride sur les côtés avec les ailettes sur toute la hauteur (permet de supporter de fortes pressions), en dessous au centre le cône hélicoïdal (permet de renvoyer le fluide à 90 ), en bas le disque d'obturation = permet de rendre étanche le circuit fluide et permettre la circulation de la périphérie vers le centre et inversement (réversible/alternatif) Tableau 1 Matériaux absorptivité émissivité sélectivité Tempéra-ture max.
a* E
Nickel noirci 0,88 - 0,98 0,03 - 3,7 - 32 300 C
(Black 0,25 nickel) Film graphite 0,876 - 0,92 0,025 - 14,4 - 36,8 250 C
(Graphitic 0,061 films) Cuivre noirci 0,97 - 0,98 0,02 48,5 - 49 250 C
(Black copper) Chrome noirci 0,95 - 0,97 0,09 - 3,2 - 10,8 350 -(Black 0,30 425 C
chrome) Afin d'obtenir un meilleur rendement, certains systèmes sont donc constitués d'un revêtement particulier.
Le fluide caloporteur (ou caloriporteur) permet d'évacuer la chaleur emmagasinée par l'absorbeur et de la transmettre vers là 8 A shutter disc (11) extends under the structure (12).
In the area between the porthole (10) and the structure in honeycomb (1), a burner injects hot gases. This zone furthermore has evacuation orifices (14).
The honeycomb structure receives the heat flow, and features a watertight interface in the center, with a flange on the sides with the fins over the entire height (allows to support strong pressures), below in the center the helical cone (allows to return the fluid to 90 ), at the bottom the disc closure = makes it possible to seal the fluid circuit and allow circulation from the periphery to the center and conversely (reversible/alternative) Table 1 Materials absorptivity emissivity selectivity Tempera-max.
a* E
Blackened nickel 0.88 - 0.98 0.03 - 3.7 - 32 300 C
(Black 0.25 nickel) Graphite film 0.876 - 0.92 0.025 - 14.4 - 36.8 250 C
(Graphite 0.061 movies) Blackened copper 0.97 - 0.98 0.02 48.5 - 49 250 C
(Black copper) Blackened chrome 0.95 - 0.97 0.09 - 3.2 - 10.8 350 -(Black 0.30 425 C
chromium) In order to obtain better performance, some systems are therefore consist of a particular coating.
The heat transfer fluid (or heat transfer fluid) makes it possible to evacuate the heat stored by the absorber and to transmit it to there

9 où elle doit être consommée. Un bon fluide caloporteur doit prendre en compte les conditions suivantes :
- être chimiquement stable lorsqu'il atteint une forte température, en particulier lors de la stagnation du capteur;
- posséder des propriétés antigel en corrélation avec les conditions météorologiques locales;
- posséder des propriétés anticorrosives selon la nature des matériaux présents dans le circuit capteur;
- posséder une chaleur spécifique et une conductivité thermique élevées afin de transporter efficacement la chaleur;
- être non-toxique et avoir un faible impact sur l'environnement;
- avoir une basse viscosité afin de faciliter la tâche de la pompe de circulation;
- être facilement disponible et bon marché
Le bon compromis par rapport à ces critères est un mélange d'eau et de glycol (utilisé dans le liquide de refroidissement des automobiles), même s'il n'est pas rare de trouver des systèmes fonctionnant à l'eau pure ou tout simplement à l'air selon l'utilisation.
Le vitrage permet de protéger l'intérieur du capteur contre les effets de l'environnement et d'améliorer le rendement du système par effet de serre.
Si l'on souhaite un vitrage efficace, il doit posséder les propriétés suivantes:
- réfléchir le rayonnement lumineux au minimum quelle que soit son inclinaison;
- absorber le rayonnement lumineux au minimum;
- avoir une bonne isolation thermique en gardant le rayonnement infrarouge au maximum;
- résister dans le temps aux effets de l'environnement (pluie, grêle, rayonnement solaire,...) et aux grandes variations de températures.

Les principaux vitrages utilisés pour les capteurs thermiques sont à base de verre non-ferrugineux ou en verre acrylique, et souvent dotés d'un revêtement anti-reflet.
L'isolant thermique permet de limiter les déperditions thermiques, sa caractéristique est le coefficient de conductivité; plus il est faible meilleur est l'isolant. Les principaux matériaux utilisés pour les capteurs thermiques sont la laine de roche et de verre, des mousses de polyuréthane ou encore de la résine de mélamine.
Quelques isolants utilisés pour les capteurs thermiques :
Tableau 2 Matériaux Conductivité thermique Laine de roche 0,032 - 0,040 W/m.K
Laine de verre 0,030 - 0,040 W/m.K
Mousses de polyuréthane 0,022 - 0,030 W/m.K
(étanchéité) Dans le cas des capteurs thermiques vitrés, il est aussi intéressant 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 utilisé dans le double vitrage.
Toujours dans l'objectif d'obtenir de meilleurs rendements, certains fabricants utilisent d'autres gaz comme l'argon ou le xénon, et lorsque cela est possible, on préférera même utiliser le vide. Voici les coefficients d'isolation de gaz utilisés comme isolants :
Tableau 3 Gaz Conductivité thermique à 283 K, 1 bar.
Air 0,0253 W/m.K
Argon 0,01684 W/m.K

Xénon 0,00540 W/m.K
Description de l'absorbeur selon l'invention L'absorbeur selon l'invention est constitué par une pièce monolithique en CSi sur laquelle sont déposés lors de l'élaboration en phase pâteuse, ou encore projeté par laser ou plasma des dendrites de tungstène, une forme cristalline absorbant 98% du rayonnement infra-rouge et à un point de fusion supérieur à 3.400 C.
On entend par dendrite au sens du présent brevet une forme cristalline obtenue par solidification, et présentant une forme arborescente. Un flocon de neige, par exemple, a une structure dendritique. Lesdites dendrites sont préférentiellement des résidus ou poussières industrielles ou être réalisées par voie solaire à haute température.
L'agglomération des dendrites de tungstène sur le CSi peut être réalisée en couche mince et sous haute température ou par tout autre procédé.
L'absorbeur forme ainsi un piège à lumière, notamment à l'aide de micro cavités réalisées lors du moulage, pour présenter des caractéristiques proches d'un corps noir.
Description détaillée de l'invention Les principales qualités d'un absorbeur sont :
a) capacité à recevoir et transférer le maximum d'énergie b)Etre un très bon conducteur thermique c)Ne pas réfléchir ou rayonner les IR (infra rouge) d) Supporter une très forte densité énergétique e)Supporter les chocs thermiques et rester inerte chimiquement f)Ne pas se détériorer dans le temps g) Avoir un coût de fabrication le plus bas possible h)Etre facilement industrialisable i) Avoir d'importantes propriétés mécaniques La première qualité d'un absorbeur est sa capacité à recevoir un rayonnement (soleil/flamme) et le transférer dans un fluide avec le meilleur rendement possible.
L'absorbeur se trouve être dans une enceinte sous vide permettant une isolation thermique parfaite, laquelle est idéalement en graphite et recouverte d'un hublot transparent au rayonnement solaire et recouverte d'un revêtement anti réflexion limitant les pertes optiques. La cavité sous vide est équipée d'un brûleur permettant d'apporter l'énergie nécessaire lors de l'absence du flux solaire et une sortie est aménagée pour évacuer les résidus de la combustion.
La majorité des absorbeurs connus utilisent des matériaux tels que l'inox, avec ou sans revêtement absorbant/sélectif. Ce matériau à un taux d'absorption très limité et rediffuse une bonne part du rayonnement infrarouge. D'autre part sa conductivité est très limitée puisque de l'ordre de 20 W/m.K, ce qui est très peu comparé à d'autres matériaux reconnus tels que le cuivre = 386 W/m.k qui s'avère être 20 fois meilleur conducteur thermique, propriété importante pour la qualité d'un absorbeur. Ensuite l'inox n'est utilisable que jusqu'à 800 C ce qui limite d'autant les rendements thermodynamiques avantageux dans les hautes plages de température. L'un des matériaux appropriés proposé dans l'invention et qui sera cité à titre d'exemple est le CSi (carbure de silicium) sous une forme relativement pure.
Le CSi pur est un excellent conducteur thermique jusqu'à 1.200 C avec une conductivité maximale d'environ 350 W/m.k proche de celle du cuivre, ce qui lui confère des propriétés exceptionnelles, de plus il conduit parfaitement les IR (infra rouges). Il supporte d'importants chocs thermiques et sa très importante dureté et résistance mécanique permet de concevoir des pièces pouvant supporter de très fortes contraintes permettant ainsi la réalisation de pièces de faible épaisseur dans avec une excellente conductivité thermique. Inerte chimiquement, il supporte les très hautes températures et ne se dégrade pas dans le temps.
Par contre le CSi pur est entaché de plusieurs problématiques car il est quasi transparent au rayonnement solaire, ressemblant à du verre, et n'absorbe donc pas le flux solaire concentré.
D'autre part il est très difficile de réaliser des pièces de géométrie complexe nécessaires pour réaliser des absorbeurs quasi parfaits. Enfin, sa mise en uvre nécessite une très grande quantité d'énergie et de très hautes températures.
Pour remédier à cela, l'absorbeur selon l'invention est recouvert d'une fine couche de dendrites de tungstène sur la face exposée à la source de chaleur. Les dendrites de tungstène ont la propriété de capter parfaitement le rayonnement solaire ou provenant d'une flamme et le transmettre dans un substrat support avec une efficacité de 98%. Pour cela on dépose les dendrites par l'intermédiaire, par exemple, d'une torche à
plasma ou tout autre procédé adapté, notamment lorsque le CSi sort de la phase de moulage, sa consistance pâteuse adhérente permettant une parfaite cohésion.
Pour absorber avec la plus grande efficacité possible un flux incident, il est nécessaire de réaliser une géométrie particulière qui puisse capter et piéger le rayonnement incident. Les absorbeurs connus ont en générale une surface lisse, laquelle réfléchit une grande part du rayonnement.
L'invention dispose d'une géométrie agissant comme un piège à
lumière et se compare à un corps noir. Pour cela la surface est constituée d'une structure en nid d'abeille dont la section est conique, fine en partie supérieure, et large en parie inférieure.
Ainsi il est possible de capter avec la plus grande efficacité
qui soit le rayonnement entrant car il ne peut ainsi s'échapper et est parfaitement capté par les dendrites qui transfèrent dès lors le flux dans le substrat en CSi. D'autre part la conformation conique du nid d'abeilles permet un démoulage aisé
Concernant la réalisation, l'état de l'art ne permet pas actuellement de fabriquer des pièces à géométries complexes, d'autant que pour un bon absorbeur il faut limiter au maximum l'épaisseur, au détriment de sa solidité, ce qui n'est actuellement pas envisageable dans l'état de l'art car nécessitant un usinage avec des outils dont le diamètre et la longueur sont limités pour des raisons mécaniques.
L'invention permet de remédier à ces problèmes grâce à deux procédés novateurs, l'un étant le pressage isostatique haute pression, le second en fabrication additive par imprimante 3D.
Le pressage isostatique haute pression développé par l'inventeur permet d'envoyer une pâte de CSi dans un moule formé de deux ou plusieurs pièces, quasi similaire à l'injection plastique ou métallique, l'un pour la partie supérieure, et le second pour la partie inférieure, et éventuellement un troisième pour le cône hélicoïdal central pouvant nécessiter une fonction de vissage/devissage ou encore deux demi-coquilles de moulages indépendantes. Il est ainsi possible d'obtenir des pièces de géométrie complexe avec une très faible épaisseur, pouvant être de l'ordre du millimètre, l'architecture géométrique de la pièce permettant ce genre de réalisation. Le disque d'obturation pouvant être rajoutés dans la foulée pour obtenir une pièce monolithique.
Le second procédé testé avec succès par l'inventeur est l'impression additive ou impression 3D. Une buse ou un ensemble de buses dépose la pâte de CSi au fur et à mesure sur un plateau formant progressivement une pièce à géométrie dont la complexité
est quasi infinie ou l'obtention de formes impossibles à réaliser autrement.

La surface en nid d'abeilles est idéalement constituée d'une surface rugueuse présentant des microcavités absorbant avantageusement la lumière et permettant une accroche plus facile des dendrites. De même, les ailettes de la partie inférieure peuvent présenter des microcavités générant des micro turbulences, lesquelles contribuent d'une part à augmenter les coefficients d'échange thermique, d'autre part à diminuer les frottements sur les surfaces augmentant le rendement global.
Les pièces, après différents traitements appropriés, sont ensuite frittées dans un four à haute température, traditionnellement alimenté par du gaz ou électrique, mais peuvent aussi idéalement être frittées par voie solaire à
concentration pour diminuer drastiquement les coûts de production. L'absence de la source solaire étant idéalement palliée par la combustion d'un mélange hho lequel produit une flamme de très grande qualité à 2800 C dont le résidu n'est que de la vapeur d'eau laquelle peut indéfiniment être recyclée. Le mélange hho, aussi appelé solar fuel , peut idéalement être produit par voie solaire et baisser d'autant le coût énergétique.
L'autre avantage de ce procédé solaire est que l'on peut ensuite envisager un recuit contrôlé pour libérer les tensions, celui-ci étant très peu coûteux.
On peut ainsi envisager la production industrielle à très grande cadence de pièces de géométrie complexe et à très bas coût de fabrication tout en ayant un indice carbone proche ou égal à
zéro et donc aucun impact environnemental.
L'absorbeur bien qu'il soit monolithique, est divisé ici en trois sections pour des raisons de compréhension de la description. La première section est la partie supérieure recevant le flux thermique, la seconde est l'interface permettant de supporter les deux sections principales et de réaliser l'assemblage dans une structure sous pression tout en garantissant l'étanchéité.

La troisième section est la partie inférieure, laquelle est chargée de transmettre l'énergie thermique au sein d'un fluide.
L'ensemble est de forme concave de manière à optimiser la captation et transfert d'énergie, mais aussi d'assurer la meilleure résistance mécanique qui soit en rendant homogènes les flux d'énergie et les forces mécaniques appliquées sur les surfaces.
La partie supérieure, décrite précédemment, est une structure en nid d'abeilles de forme conique évasée vers la partie opposée (Fig 4) de manière à uniformiser les gradients de température, et sa surface est recouverte d'une fine couche de dendrites de tungstène. Ces cônes sont plus hauts et larges au centre du fait qu'un flux solaire ou une flamme est toujours plus important en son centre, nécessitant de ce fait une densité de matière plus importante laquelle transmets ensuite par conduction aux éléments environnants.
Du fait des excellentes propriétés du CSi et de la méthode de mise en uvre selon l'invention, il est possible de réaliser des ailettes de convection (nid d'abeille) d'une épaisseur de l'ordre du millimètre à sa partie haute. Le bord d'attaque (terminologie ?), qui reçoit le rayonnement solaire direct ou la flamme (donc le dessus), est arrondi pour éviter les angles vifs trop fragiles et permettre le démoulage L'autre intérêt de la structure en nid d'abeille est qu'elle répartie de manière parfaite les contraintes tant thermiques que mécaniques. La hauteur du nid d'abeille étant plus important au centre qu'en périphérie, les contraintes tant thermiques que mécaniques sont ainsi uniformément réparties sur l'ensemble de la surface et la structure peut dès lors subir une pression beaucoup plus importante en son centre ce qui permet de supporter des densités d'énergie et mécaniques les plus extrêmes, contrairement aux absorbeurs connus par exemple en inox dont la surface est lisse, sphérique et d'épaisseur constante.
Dans la continuité de la structure en nid d'abeille vient une interface (disque concave étanche séparant partie inférieure et supérieure), laquelle reçoit les deux parties échangeuses, supérieure et inférieure. Cette interface permet d'assurer la continuité de l'étanchéité entre les deux parties opposées et la bonne transmission énergétique uniformément répartie sur toute sa surface. Sa forme est préférentiellement sphérique et sa concavité orientée vers la partie supérieure (recevant le flux), ce qui permet à l'absorbeur de supporter de très importantes pressions avec l'épaisseur la plus faible qui soit, concourant ainsi au rendement thermique. Cette faible épaisseur permet en outre de limiter le stress mécanique ou les défauts moléculaires connus dans une forte épaisseur ainsi que la qualité du frittage, lequel est essentiel pour assurer la pérennité et fiabilité de l'absorbeur.
Pour assurer le montage étanche de l'absorbeur entre les différents constituants d'un dispositif thermique, le pourtour extérieur est constitué d'une portée périphérique s'apparentant à une bride, laquelle vient s'assembler avec les dispositifs extérieurs. Celle-ci est d'épaisseur adaptée aux contraintes qui lui seront soumises et est prévue pour s'insérer dans un cylindre de section légèrement plus grande sur laquelle l'absorbeur vient se positionner et assurer un assemblage étanche.
Pour cela il peut être envisagé un anneau identique à un joint d'étanchéité, lequel est réalisé sur le pourtour central de manière à appliquer une pression sur une surface limitée définie comme au sein d'une bride, idéal dans le cadre de très fortes pressions appliquées. Cet anneau en relief peut aussi être remplacé par une gorge recevant un joint standard ou être une portée plate pour certains joints plats notamment du type métallique. Un joint isolant, par exemple en graphite, peut aussi être idéalement envisagé pour supporter les hautes températures, l'autre avantage de ce type de joint est qu'il constitue un pont thermique évitant de ce fait la transmission de chaleur vers le support externe.
Dans ce cas de figure l'absorbeur vient se monter directement sur le cylindre de réception extérieur tel que Fig 8, et l'on applique une pression gazeuse suffisante permettant un montage rapide et aisé, à la façon des pneus tubeless, considérant d'autant plus que le hublot de la cavité recevant l'absorbeur est idéalement sous vide. On évite ainsi de créer un stress mécanique lors des écarts de dilation des différents constituants du dispositif en permettant un auto-ajustement et déplacement de l'absorbeur sur la portée étanche.
La partie inférieure de la bride permet le montage de composants et dispositifs complémentaires et dispose en ce sens d'éléments permettant leur liaison mécanique tels que des filetages ou tout système d'assemblage approprié, notamment un assemblage type quart de tour pour permettre un assemblage rapide et économique. Lesdits filetages ou dispositifs d'assemblage peuvent se trouver sur les deux faces pour permettre un assemblage mécanique durable et sans risque tout en permettant un parfait maintien de la pression devant être exercée sur le dispositif d'étanchéité! joint.
La partie inférieure Figures 2 et 3 est constituée de fines ailettes formant une rosace (terminologie à vérifier) permettant de transmettre l'énergie thermique au fluide caloporteur ou fluide de travail/à réchauffer. Les ailettes sont imbriquées dans la partie bride sur toute leur hauteur de manière à
obtenir une pièce monolithique particulièrement résistante aux fortes pressions et répartir les forces de manière uniforme.

Le flux solaire concentré s'apparente à une courbe de Gauss, soit avec un maxima d'intensité en son centre. De ce fait le fluide provient idéalement de la périphérie vers le centre pour éviter des pertes thermiques au niveau de la bride d'étanchéité.
Pour cela une lumière (passage) est pratiquée sur tout le pourtour de l'entrée des ailettes pour permettre le passage du fluide. Cette lumière est imposée par un disque obturateur apposé
sur les ailettes et verrouillé par un procédé tel que des ergots de montage pour éviter son déplacement ou toutes vibrations. Son montage peut aussi avantageusement se faire sous forme monolithique suivant la méthode de fabrication, cette dernière évitant le rajout de dispositifs de fixation/maintien mécanique.
Cette disposition en portions de cercles (rosaces ?) imbriquées les unes dans les autres permet de créer un certain nombre de turbulences et de guider le fluide dans une direction bien précise. De plus la force centripète permet d'augmenter l'interaction du fluide sur la surface des ailettes, améliorant ainsi le coefficient d'échange. Cette disposition singulière permet aussi d'augmenter les surfaces d'échange et augmenter le rendement thermique de l'absorbeur. L'espace entre les ailettes est plus important à la périphérie qu'au centre pour une parfaite corrélation avec la densité énergétique mise en uvre sur les surfaces.
D'autre part les ailettes sont plus hautes en leur centre que vers la périphérie ce qui permet d'une part d'optimiser les échanges thermiques, la plus grande densité d'énergie étant au centre, et d'autre part de contribuer à la résistance mécanique de l'ensemble lorsqu'il est soumis à de très fortes pressions rendues nécessaires notamment dans les dispositifs thermodynamiques par exemple du type Stirling. Il est ainsi possible de disposer d'une interface de très faible épaisseur tout en assurant une extrême résistance mécanique aux très fortes pressions.

Du fait de la géométrie particulière des ailettes, un vortex rapide est formé au centre de la structure inférieure, lequel est redirigé à l'extérieur de l'absorbeur par une section tronconique hélicoïdale reprenant le sens du flux initial dans une direction perpendiculaire soit vers une tuyauterie, soit vers un piston pour certains dispositifs thermodynamiques.
Ladite section tronconique comporte des ailettes de formes hélicoïdales, lesquelles permettent de diriger le flux dans le nouvel axe perpendiculaire d'une part, et d'éviter la surchauffe sur la zone centrale la plus exposée au rayonnement thermique incident d'autre part du fait d'une vitesse d'écoulement accrue par effet Venturi. Le centre du cône est relativement épais alors que son extrémité est plus fine. La base inférieure de la section tronconique est avantageusement de forme courbe pour éviter de trop grandes turbulences et pertes de charge préjudiciables au rendement global. Cette forme hélicoïdale se rapproche du disque obturateur pour éviter des pertes liées à des fuites ou défauts de guidage préférentiellement dans une direction du fluide.
Pour assurer l'étanchéité de la partie inférieure un disque d'obturation permet de refermer et d'ainsi parfaitement diriger le fluide destiné à être chauffé. Ce disque comporte une ouverture en son centre permettant l'éventuelle connexion par une section de cylindre sur une tuyauterie ou l'envoi sur un piston, ainsi qu'un diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre des ailettes permettant ainsi le passage du fluide depuis la périphérie.
Un dispositif d'accrochage avec le corps de l'absorbeur est réalisé sur le disque d'obturation, celui-ci pouvant être de plusieurs façons telles que des ergots, des échancrures ou tout autre procédé d'assemblage, ou constituant un ensemble monolithique dans le cas d'impression additive. Un autre procédé
avantageux étant l'assemblage du disque dès lors que le corps de l'absorbeur sort de moulage, l'adhérence se faisant alors aisément, ou encore lors de la réalisation par impression additive.
De manière générale tous les angles vifs interférant avec le déplacement du fluide son arrondis pour éviter de générer des turbulences et autres pertes de charge préjudiciables.
La partie inférieure est aussi conçue pour permettre un passage alternatif rapide et sans pertes de charges de fluides dans le sens aller et retour, comme par exemple dans le cas d'un procédé
FPSE (free piston Stirling engine, cela avec des fréquences pouvant être de l'ordre de plusieurs dizaines de cycles par seconde. 9 where it should be consumed. A good heat transfer fluid must take into account the following conditions:
- be chemically stable when it reaches a high temperature, especially during stagnation of the sensor;
- possess correlated antifreeze properties with local weather conditions;
- have anticorrosive properties according to the nature of the materials present in the sensor circuit;
- have a specific heat and a high thermal conductivity to efficiently transport the heat;
- be non-toxic and have a low impact on the environment;
- have a low viscosity in order to facilitate the circulation pump task;
- be readily available and inexpensive The good compromise with respect to these criteria is a mixture of water and glycol (used in engine coolant) automobiles), although it is not uncommon to find systems running on pure water or quite simply on air depending on use.
The glazing protects the inside of the sensor against environmental effects and improve system performance by greenhouse effect.
If you want efficient glazing, it must have the following properties:
- reflect light radiation to a minimum whatever its inclination;
- absorb light radiation to a minimum;
- have good thermal insulation by keeping the maximum infrared radiation;
- withstand over time the effects of the environment (rain, hail, solar radiation, etc.) and to large temperature variations.

The main glazing used for thermal sensors are based on non-ferruginous glass or acrylic glass, and often feature an anti-reflective coating.
Thermal insulation reduces heat loss thermal, its characteristic is the coefficient of conductivity; the lower the better the insulation. The main materials used for thermal sensors are rock and glass wool, polyurethane foams or more melamine resin.
Some insulators used for thermal sensors:
Table 2 Materials Thermal conductivity Rock wool 0.032 - 0.040 W/mK
Glass wool 0.030 - 0.040 W/mK
Polyurethane foams 0.022 - 0.030 W/mK
(sealing) In the case of glazed thermal collectors, it is also interesting to replace the insulation between the glass and the absorber with air. Indeed, the air has a great power insulation, it is thus used in double glazing.
Always with the aim of obtaining better yields, some manufacturers use other gases such as argon or xenon, and when possible, we will even prefer to use the void. Here are the gas insulation coefficients used as insulators:
Table 3 Gas Thermal conductivity at 283 K, 1 bar.
Air 0.0253 W/mK
Argon 0.01684 W/mK

Xenon 0.00540 W/mK
Description of the absorber according to the invention The absorber according to the invention consists of a part monolithic CSi on which are deposited during elaboration in pasty phase, or even projected by laser or plasma of tungsten dendrites, a crystalline form absorbing 98% of infrared radiation and at a melting point above 3,400 C.
By dendrite is meant within the meaning of this patent a form crystalline obtained by solidification, and having a form tree. A snowflake, for example, has a structure dendritic. Said dendrites are preferably industrial residues or dust or be carried out by high temperature solar.
The agglomeration of tungsten dendrites on the CSi can be carried out in a thin layer and under high temperature or by any other process.
The absorber thus forms a light trap, in particular using micro cavities made during molding, to present characteristics close to a black body.
Detailed description of the invention The main qualities of an absorber are:
a) ability to receive and transfer maximum energy b) Be a very good thermal conductor c) Do not reflect or radiate IR (infra red) d) Support a very high energy density e) Withstand thermal shocks and remain inert chemically f) Do not deteriorate over time g) Have the lowest possible manufacturing cost h) Be easily industrializable i) Have significant mechanical properties The first quality of an absorber is its capacity to receive a radiation (sun/flame) and transfer it into a fluid with the best possible performance.
The absorber is located in a vacuum chamber allowing perfect thermal insulation, which is ideally in graphite and covered with a window transparent to radiation solar and covered with an anti reflection coating limiting optical losses. The vacuum cavity is equipped with a burner to provide the necessary energy during the absence of the solar flux and an outlet is provided to evacuate the residues of combustion.
The majority of known absorbers use materials such as than stainless steel, with or without an absorbent/selective coating. This material with a very limited absorption rate and redistributes a much of the infrared radiation. On the other hand its conductivity is very limited since of the order of 20 W/mK, this which is very little compared to other recognized materials such as copper = 386 W/mk which turns out to be 20 times better thermal conductor, an important property for the quality of a absorber. Then stainless steel can only be used up to 800 C.
which correspondingly limits the advantageous thermodynamic yields in high temperature ranges. One of the materials appropriate proposed in the invention and which will be cited as example is CSi (silicon carbide) in a form relatively pure.
Pure CSi is an excellent thermal conductor up to 1,200 C with a maximum conductivity of about 350 W/mk close to that of copper, which gives it properties exceptional, moreover it perfectly conducts IR (infra red). It supports significant thermal shocks and its very high hardness and mechanical resistance makes it possible to design parts that can withstand very high stresses thus allowing the production of thin parts in with excellent thermal conductivity. Inert chemically, it withstands very high temperatures and does not not degrade over time.
On the other hand, the pure CSi is marred by several problems because it is almost transparent to solar radiation, resembling to glass, and therefore does not absorb the concentrated solar flux.
On the other hand, it is very difficult to produce parts of complex geometries needed to make absorbers almost perfect. Finally, its implementation requires great amount of energy and very high temperatures.
To remedy this, the absorber according to the invention is covered with a thin layer of tungsten dendrites on the side exposed to the heat source. Tungsten dendrites have the property of perfectly capturing solar radiation or from a flame and transmit it into a substrate support with an efficiency of 98%. For this we deposit the dendrites by means, for example, of a torch plasma or any other suitable process, in particular when the CSi comes out of the molding phase, its adherent pasty consistency allowing perfect cohesion.
To absorb as efficiently as possible a flow incident, it is necessary to create a geometry particular that can capture and trap the radiation incident. Known absorbers generally have a surface smooth, which reflects a large part of the radiation.
The invention has a geometry acting as a trap to light and compares to a black body. For this the surface is consisting of a honeycomb structure whose section is conical, thin in the upper part, and wide in the lower part.
Thus it is possible to capture with the greatest efficiency which is the incoming radiation because it cannot thus escape and is perfectly captured by the dendrites which transfer from during the flux in the CSi substrate. On the other hand the conical shape of the honeycomb allows easy demolding Regarding the realization, the state of the art does not allow currently manufacturing parts with complex geometries, especially since for a good absorber it is necessary to limit as much as possible thickness, to the detriment of its solidity, which is not currently not possible in the state of the art because requiring machining with tools whose diameter and length are limited for mechanical reasons.
The invention makes it possible to remedy these problems thanks to two innovative processes, one being high isostatic pressing pressure, the second in additive manufacturing by 3D printer.
High pressure isostatic pressing developed by the inventor makes it possible to send a CSi paste into a mold formed by two or several parts, almost similar to plastic injection or metal, one for the upper part, and the second for the lower part, and possibly a third one for the cone central helical which may require a function of screwing/unscrewing or even two molding half-shells independent. It is thus possible to obtain parts of complex geometry with a very low thickness, which can be of the order of a millimeter, the geometric architecture of the part allowing this kind of realization. The shutter disk that can be added in the process to obtain a part monolithic.
The second method successfully tested by the inventor is additive printing or 3D printing. A nozzle or a set of nozzles deposits the CSi paste gradually on a tray gradually forming a part with a geometry whose complexity is almost infinite or the obtaining of forms impossible to achieve other.

The honeycomb surface is ideally made of a rough surface with absorbent micro-cavities advantageously the light and allowing a grip more dendrites easy. Similarly, the fins of the part bottom may have microcavities generating micro turbulence, which contributes on the one hand to increasing the heat exchange coefficients, on the other hand to reduce the friction on the surfaces increasing the overall efficiency.
The pieces, after various appropriate treatments, are then sintered in a high temperature oven, traditionally powered by gas or electric, but can also ideally be solar sintered at concentration to drastically reduce the costs of production. The absence of the solar source being ideally compensated by the combustion of an hho mixture which produces a very high quality flame at 2800 C whose residue is only water vapor which can be recycled indefinitely. the hho blend, also called solar fuel, can ideally be produced by solar energy and reduce the energy cost accordingly.
The other advantage of this solar process is that you can then consider controlled annealing to release the tensions, this this being very inexpensive.
It is thus possible to envisage industrial production at very large rate of parts with complex geometry and at very low cost of manufacturing while having a carbon index close to or equal to zero and therefore no environmental impact.
The absorber, although monolithic, is here divided into three sections for the sake of understanding the description. The first section is the upper part receiving the flow thermal, the second is the interface to support the two main sections and to carry out the assembly in a structure under pressure while guaranteeing watertightness.

The third section is the lower part, which is responsible for transmitting thermal energy within a fluid.
The assembly is concave in shape so as to optimize the capture and transfer of energy, but also to ensure the best possible mechanical resistance by making the energy flow and the mechanical forces applied on the surfaces.
The upper part, described previously, is a structure in honeycomb of conical shape flared towards the opposite part (Fig 4) so as to make the temperature gradients uniform, and its surface is covered with a thin layer of dendrites of tungsten. These cones are taller and wider in the center because that a solar flux or a flame is always more important in its center, thus requiring a density of matter more important which then transmits by conduction to the surrounding elements.
Due to the excellent properties of CSi and the method of implementation according to the invention, it is possible to produce convection fins (honeycomb) with a thickness of the order of a millimeter at its upper part. The leading edge (terminology?), which receives direct solar radiation or flame (therefore the top), is rounded to avoid sharp angles too fragile and allow demolding The other advantage of the honeycomb structure is that it perfectly distributes the stresses, both thermal and mechanical. The height of the honeycomb being greater at the center and on the outskirts, both thermal and mechanics are thus uniformly distributed over the whole of the surface and the structure can therefore be subjected to pressure much more important in its center which makes it possible to support the most extreme energy and mechanical densities, unlike known absorbers, for example made of stainless steel, whose surface is smooth, spherical and of constant thickness.
In the continuity of the honeycomb structure comes a interface (sealed concave disc separating the lower part and upper), which receives the two exchanger parts, upper and lower. This interface ensures the continuity of the seal between the two opposite parts and the good energy transmission evenly distributed over the entire its surface. Its shape is preferentially spherical and its concavity oriented towards the upper part (receiving the flow), which allows the absorber to withstand very large pressures with the smallest possible thickness, contributing as well as thermal efficiency. This low thickness allows in addition to limiting mechanical stress or molecular defects known in a high thickness as well as the quality of the sintering, which is essential to ensure the sustainability and reliability of the absorber.
To ensure tight mounting of the absorber between the different constituents of a thermal device, the periphery exterior consists of a peripheral span similar to to a flange, which is assembled with the devices exteriors. This one is of thickness adapted to the constraints which will be submitted to it and is intended to be inserted into a cylinder of slightly larger section on which the absorber comes position themselves and ensure a watertight assembly.
For this, a ring identical to a seal can be envisaged.
sealing, which is made on the central perimeter of so as to apply pressure to a defined limited surface as within a bridle, ideal within the framework of very strong applied pressures. This embossed ring can also be replaced by a groove receiving a standard seal or be a flat surface for certain flat seals, in particular of the type metallic. An insulating seal, for example made of graphite, can also be ideally considered to withstand high temperatures, the other advantage of this type of joint is that it constitutes a bridge heat thereby avoiding the transmission of heat to the external medium.
In this case, the absorber is mounted directly on the outer receiving cylinder such as Fig 8, and we applies sufficient gas pressure to allow mounting quick and easy, like tubeless tires, considering especially since the porthole of the cavity receiving the absorber is ideally under vacuum. This avoids creating stress.
mechanics during variations in expansion of the various constituents of the device by allowing self-adjustment and displacement of the absorber on the sealed surface.
The lower part of the flange allows the assembly of additional components and devices and has in this sense elements allowing their mechanical connection such as threads or any suitable assembly system, in particular a quarter-turn type assembly to allow quick assembly and economical. Said threads or assembly devices can be on both sides to allow a durable and risk-free mechanical assembly while allowing perfect maintenance of the pressure to be exerted on the sealing device! joint.
The lower part Figures 2 and 3 consists of thin fins forming a rosette (terminology to be checked) allowing to transmit thermal energy to the heat transfer fluid or working/heating fluid. The fins are nested in the flange part over their entire height so as to obtain a monolithic part particularly resistant to strong pressures and distribute the forces evenly.

The concentrated solar flux is similar to a Gaussian curve, either with a maximum of intensity in its center. Therefore the fluid ideally comes from the periphery towards the center to avoid heat loss at the sealing flange.
For this a light (passage) is made on the whole periphery of the inlet of the fins to allow passage of the fluid. This light is imposed by a shutter disc affixed on the fins and locked by a process such as lugs assembly to prevent it from moving or vibrating. His mounting can also advantageously be done in the form monolithic according to the manufacturing method, the latter avoiding the addition of mechanical fixing/holding devices.
This arrangement in portions of circles (rosettes?) nested into each other makes it possible to create a certain number of turbulence and to guide the fluid in a direction well precise. Moreover, the centripetal force makes it possible to increase the interaction of the fluid on the surface of the fins, improving thus the exchange coefficient. This unique arrangement also makes it possible to increase the exchange surfaces and increase the thermal efficiency of the absorber. The space between the fins is more important at the periphery than at the center for a perfect correlation with the energy density implemented on the surfaces.
On the other hand, the fins are higher in their center than towards the periphery, which allows on the one hand to optimize the heat exchanges, the greatest energy density being at the center, and on the other hand to contribute to the mechanical resistance of the assembly when subjected to very high pressure made necessary in particular in the devices thermodynamics, for example of the Stirling type. It is so possible to have a very thin interface while ensuring extreme mechanical resistance to very high pressures.

Due to the particular geometry of the fins, a vortex rapid is formed in the center of the lower structure, which is redirected outside the absorber by a section truncated helical cone taking up the direction of the initial flow in a perpendicular direction either towards a pipe or to a piston for some thermodynamic devices.
Said frustoconical section comprises shaped fins spirals, which allow the flow to be directed in the new perpendicular axis on the one hand, and to avoid overheating on the central zone most exposed to thermal radiation incident on the other hand due to an increased flow velocity by Venturi effect. The center of the cone is relatively thick so that its end is thinner. The lower base of the section frustoconical is advantageously of curved shape to avoid excessive turbulence and pressure drops that are detrimental to the overall performance. This helical shape approximates the disc shutter to avoid losses due to leaks or defects guiding preferentially in one direction of the fluid.
To ensure the tightness of the lower part a disc shutter makes it possible to close and thus perfectly direct the fluid to be heated. This disc has a opening in its center allowing the possible connection by a section of cylinder on a pipe or sending it to a piston, as well as an outer diameter slightly smaller than the diameter of the fins thus allowing the passage of the fluid from the periphery.
A hooking device with the body of the absorber is made on the shutter disc, which can be several ways such as lugs, indentations or any other method of assembly, or constituting an assembly monolithic in the case of additive printing. Another process advantageous being the assembly of the disc when the body of the absorber comes out of the moulding, adhesion then taking place easily, or even during production by printing additive.
In general, all sharp angles interfering with the movement of the fluid is rounded to avoid generating turbulence and other damaging head losses.
The lower part is also designed to allow passage rapid alternative without loss of fluid pressure in the outward and return direction, as for example in the case of a process FPSE (free piston Stirling engine, this with frequencies which can be of the order of several tens of cycles per second.

Claims

1 - Thermal sensor for solar plant thermal concentration characterized in that it is formed by a vacuum-insulated cavity, for example made of graphite, with a transparent entrance window in which a absorber formed from a monolithic piece of silicon carbide whose absorption surface is coated with dendrites of tungsten.

2 - Solar radiation absorber, for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has a honeycomb configuration whose cells are tapered/flared with a greater height in the center and with microcavities.

3 - Solar radiation absorber, for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has an interface waterproof spherical supporting upper and lower making act as an assembly and sealing flange with a support having a nest and fins and an assembly by threads of a pipe on a thermodynamic device.

4 ¨ Solar radiation absorber, for concentrated solar thermal power plant according to the claim 1 characterized in that it has fins for heat exchange with the fluid in the form of rosettes and presenting microcavities with a higher height at the center.

5 ¨ Absorber of solar radiation, for concentrated solar thermal power plant according to the claim 1 characterized in that it has a disc shutter and fluid passage ports.

6 ¨ Thermal sensor for solar power station thermal concentration according to claim 1 characterized in that it has a frustoconical helical section center with a 900 reference and a flared and conical shape.

7 ¨ Thermal sensor for solar plant thermal concentration according to claim 1 characterized in that it comprises a burner arranged inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.

8 - Thermal sensor for solar power plant thermal concentration according to claim 1 characterized in that it has exchange surfaces with microcavities.

9 ¨ System consisting of a thermal sensor for concentrated solar thermal power plant according to claim 1, thermally and mechanically coupled to a tubing (hot fluid outlet) or at the inlet of a machine thermal characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with a transparent entry window in which is disposed an absorber formed of a monolithic piece made of silicon carbide, the absorption surface of which is coated tungsten dendrites.

10 ¨ System for solar thermal power plant with concentration according to the preceding claim, characterized in what said trigger machine with carbide top of silicon.

11 ¨ Process for preparing a compliant absorber to claim 1, characterized in that it includes a step plasma spraying of tungsten dendrites onto the surface of a monolithic part in silicon carbide.

12 ¨ Process for preparing an absorber according to preceding claim characterized in that it includes a powder deposition step during phase elaboration paste of tungsten dendrites on the surface of a part silicon carbide monolith.