CA3142977A1 - Hybrid solar high-efficiency thermodynamic device and hydrogen-oxygen pair producing a plurality of energies - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF THERMODYNAMIQUE HAUT RENDEMENT HYBRIDE SOLAIRE ET
COUPLE HYDROGENE-OXYGENE PRODUISANT UNE PLURALITE D ' ENERGIES
Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la production d'énergie solaire à partir d'un système de concentrateurs assurant le chauffage d'un fluide caloporteur à des températures élevées, jusqu'à 5000 voir plus de 700 C, dans un élément de collecte thermique présentant un absorbeur placé au foyer du concentrateur ou de la série de concentrateurs.
D'une manière générale, un dispositif de conversion d'énergie solaire a pour but de fournir une puissance utile en transformant l'énergie du rayonnement solaire capté. Il comprend à cet effet un absorbeur, c'est-à-dire un élément physique ayant pour fonction de convertir l'énergie électromagnétique solaire incidente en une autre forme d'énergie utile exploitable (par exemple de l'énergie électrique dans le cas d'un module photovoltaïque ou d'un module thermoélectrique, de l'énergie thermique dans le cas d'un chauffe-eau solaire, etc). Or, la puissance utile délivrée par le dispositif dépend de plusieurs facteurs, dont l'efficacité de la conversion de l'absorbeur, la surface de l'absorbeur allouée à la captation du rayonnement solaire (ou surface de captation ) et la puissance du rayonnement solaire incident sur l'absorbeur. L'efficacité de la conversion dépendant de la technologie employée pour réaliser l'absorbeur, pour une technologie donnée, la puissance utile est donc réglée par la surface allouée à la captation et la puissance du rayonnement.
Notamment, lorsque la surface allouée à la captation du rayonnement solaire est réduite, par exemple pour limiter le coût de l'absorbeur, il est usuel de concentrer la puissance du rayonnement solaire sur l'absorbeur au moyen d'un concentrateur solaire (par exemple un système Cassegrain, un miroir parabolique, une lentille de Fresnel standard ou linéaire, un ensemble de lentilles, etc.). Le concentrateur solaire est un système optique qui focalise le rayonnement solaire sur un plan focal et la surface de captation de l'absorbeur, plane, est confondue avec le plan focal du concentrateur. La focalisation du rayonnement sur la surface de captation de l'absorbeur permet ainsi de compenser la faible dimension de celle-ci.
Toutefois, un dispositif de conversion d'énergie solaire à base de concentrateur solaire est sensible à l'angle d'incidence du rayonnement solaire, et ce d'autant plus que la surface de captation de l'absorbeur est réduite. En effet, il existe toujours un angle d'incidence du rayonnement solaire, défini par rapport à l'axe optique du concentrateur solaire, au-delà duquel la focalisation n'est plus réalisée sur l'absorbeur lui-même.
En outre, l'incidence du soleil varie tout au long de la journée, c'est pourquoi les systèmes de conversion solaire à
concentration sont motorisés (e.g. à l'aide d'un traqueur) pour suivre la progression du soleil dans le ciel, afin de garantir une incidence normale du rayonnement solaire. Ce type de système nécessite cependant un suivi du soleil très précis, un léger décalage angulaire (e.g. 0,1 ) par rapport au soleil se traduisant directement pour une chute importante des performances du dispositif.
Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet internationale W02013142911 décrivant un récepteur-chambre de combustion hybride pour capter l'énergie thermique d'une source solaire et d'une source de carburant, le récepteur-chambre de combustion hybride comprenant: une chambre pouvant fonctionner comme zone de combustion pour la production d'énergie thermique par un processus de combustion utilisant la source de carburant;
la chambre ayant une ouverture à travers laquelle le solaire concentré peut être reçu; et un système de joint fluidique associé à l'ouverture, le système de joint fluidique pouvant HIGH EFFICIENCY SOLAR AND HYBRID THERMODYNAMIC DEVICE
HYDROGEN-OXYGEN COUPLE PRODUCING A PLURALITY OF ENERGY
Field of the invention The present invention relates to the field of the production solar power from a concentrator system ensuring the heating of a heat transfer fluid at temperatures high, up to 5000 see more than 700 C, in an element of heat collection having an absorber placed at the hearth of the hub or series of hubs.
In general, an energy conversion device solar is intended to provide useful power by transforming the energy of the captured solar radiation. It includes for this purpose an absorber, i.e. a physical element whose function of converting solar electromagnetic energy incident into another form of usable useful energy (for example of electrical energy in the case of a module photovoltaic or thermoelectric module, energy thermal in the case of a solar water heater, etc.). However, the useful power delivered by the device depends on several factors, including absorber conversion efficiency, area of the absorber allocated to capture the radiation solar (or capture surface) and the power of the solar radiation incident on the absorber. The effectiveness of the conversion dependent on the technology used to achieve the absorber, for a given technology, the useful power is therefore regulated by the surface allocated to capture and the power radiation.
In particular, when the surface allocated to capturing the solar radiation is reduced, for example to limit the cost of the absorber, it is usual to concentrate the power of the solar radiation on the absorber by means of a concentrator solar (for example a Cassegrain system, a mirror parabolic, a standard or linear Fresnel lens, a set of lenses, etc.). The solar concentrator is a optical system that focuses solar radiation onto a plane focal length and the absorber's capture surface, which is flat, is merged with the focal plane of the concentrator. The focus radiation on the capture surface of the absorber allows thus to compensate for its small size.
However, a solar energy conversion device based on solar concentrator is sensitive to the angle of incidence of the solar radiation, all the more so as the surface of uptake of the absorber is reduced. Indeed, there exists always an angle of incidence of solar radiation, defined by relative to the optical axis of the solar concentrator, beyond which focusing is no longer performed on the absorber itself.
In addition, the incidence of the sun varies throughout the day, this is why solar conversion systems with concentration are motorized (eg using a tracker) to follow the progression of the sun in the sky, in order to guarantee normal incidence of solar radiation. This type of system however, requires very precise sun tracking, a slight angular offset (eg 0.1) with respect to the sun directly translating to a significant drop in device performance.
State of the art We know in the state of the art the patent application international W02013142911 describing a receiver-chamber of hybrid combustion to capture thermal energy from a source solar and a fuel source, the receiver-chamber of hybrid combustion comprising: an operable chamber as a combustion zone for the production of thermal energy by a combustion process using the fuel source;
the chamber having an opening through which the solar concentrate can be received; and a fluid seal system associated with the opening, the fluid seal system being able to
2 fonctionner pour établir un joint fluidique pour restreindre l'écoulement de fluide à travers l'ouverture pendant le processus de combustion.
On connaît aussi le brevet US5884481 décrivant un ensemble de chauffage de moteur thermique pour transférer de la chaleur au fluide de travail à l'intérieur dudit ensemble de chauffage à
partir de l'énergie solaire et des gaz de combustion produits par la combustion d'un carburant, ledit ensemble de chauffage comprenant:
= un logement, formant une chambre, = une pluralité de tubes chauffants à l'intérieur de ladite chambre, pour contenir le fluide de travail, dans lequel lesdits tubes chauffants sont positionnés autour d'un axe central et lesdits tubes chauffants forment une surface sensiblement opaque pour le rayonnement solaire incident, = ledit boîtier ayant une ouverture permettant d'insérer lesdits tubes chauffants, = une chambre de combustion de carburant, pour mélanger et brûler l'air et le carburant pour produire des gaz de combustion dans ledit logement, = un moyen d'alimentation en air pour fournir de l'air à
ladite chambre de combustion de combustible, = un moyen d'alimentation en carburant pour fournir du carburant à ladite chambre de combustion de carburant, = un moyen de circulation de gaz de combustion pour faire circuler lesdits gaz de combustion à travers lesdits tubes chauffants, et des moyens d'étanchéité pour empêcher lesdits gaz de combustion de s'échapper dudit logement à travers ladite ouverture.
Inconvénients de l'art antérieur L'inconvénient des solutions de l'art antérieur est qu'en l'absence de soleil ou de couverture nuageuse, le niveau de production d'énergie diminue considérablement et ne permet plus 2 operate to establish a fluid seal to restrict the flow of fluid through the opening during the combustion process.
We also know patent US5884481 describing a set of heat engine heater for transferring heat to the working fluid inside said heating assembly at from solar energy and the combustion gases produced by the combustion of a fuel, said heating assembly including:
= a dwelling, forming a chamber, = a plurality of heating tubes inside said chamber, for containing the working fluid, in which said heating tubes are positioned around an axis central and said heating tubes form a surface substantially opaque to incident solar radiation, = said housing having an opening for inserting said heating tubes, = a fuel combustion chamber, for mixing and burn air and fuel to produce combustion gases combustion in said housing, = an air supply means for supplying air to said fuel combustion chamber, = fuel supply means for supplying fuel fuel to said fuel combustion chamber, = means for circulating combustion gases to make circulating said combustion gases through said tubes heating, and sealing means for preventing said combustion gases to escape from said housing through said opening.
Disadvantages of the prior art The disadvantage of the solutions of the prior art is that in the absence of sun or cloud cover, the level of energy production decreases considerably and no longer allows
3 WO 2020/249883 WO 2020/24988
4 de fournir l'énergie attendue. Ces installations nécessitent de ce fait l'association à d'autres installations ou l'accès à un réseau électrique indépendant pour palier les ruptures de production aléatoires propre aux centrales solaires.
Par ailleurs, dans la solution décrite dans la demande de brevet W02006027438, des pertes importantes se produisent dans les circuits primaires et secondaires de fluide de travail.
Solution apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne un système de production d'énergie par un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité caractérisé en ce que la génératrice d'électricité
comporte un absorbeur recevant l'énergie solaire pour chauffer un gaz de détente, ledit absorbeur étant disposé dans une zone de chauffage optionnel par un bruleur.
Avantageusement, le système selon l'invention présente toutes ou partie des caractéristiques suivantes :
- il comporte en outre des moyens d'hydrolyse.
- les moyens de production d'électricité sont agencés pour recevoir de l'énergie thermique résultant de la recombinaison des produits d'hydrolyse en l'absence d'énergie solaire.
- le gaz dans le dispositif thermodynamique est placé
au foyer d'un concentrateur.
- il comporte en outre des moyens pour l'alimentation du moyen de production électrique par une source d'énergie additionnel de manière réversible.
Description de l'invention Dispositif thermodynamique du type à piston libre, le tout fonctionnant soit avec de l'énergie solaire concentrée, soit avec du solar fuel (hors soleil), ou encore du biogaz ou toute autre source de chaleur conventionnelle. Source chaude THT et froide -253 . Module th HP et THT/TBT à vitesse variable.
Détection passage nuageux = préchauffage. Production électrique par un alternateur linéaire Les ENR (Energies Nouvelles Renouvelables) sont devenues indispensables mais l'énergie solaire est sans conteste la source d'ENR (Energie Nouvelle Renouvelable) la plus en adéquation avec les nécessités énergétiques mondiales et en réponse aux enjeux climatiques. La présente invention concerne le domaine de la transformation de l'énergie solaire en électricité avec des rendements pouvant atteindre 60%, soit 10 fois plus que la technologie PV (Photovoltaïque) conventionnelle.
Les solutions ENR actuelles telles que le PV ou le CSP
(Concentrating Solar Power Plant) ne permettent pas de répondre convenablement aux besoins énergétiques présents et à venir du fait de leurs très faibles rendements réels d'à peine 6 à
20%, de leur prix élevé, de leur mise en uvre usant de moyens complexes et coûteux nécessitant des spécialistes, de la pollution qu'ils engendrent lors de leur fabrication, de la nécessité d'user abondamment des ressources terrestres limitées, de l'impossibilité de recycler leurs constituants, de leur monoproduction d'électricité seule. Les dispositifs thermodynamiques connus nécessitent un lourd entretien et ont une durée de vie limitée D'autre part ces procédés nécessitent un moyen de stockage à
base sel fondu ou de batteries électrochimiques coûteuses et polluantes dont les capacités sont particulièrement limitées et leur durée de vie réduite et décroissante.
La présente invention permet de s'affranchir de ces problématiques en offrant une solution extrêmement intelligente, efficace, durable et respectueuse de l'environnement de transformation de l'énergie solaire grâce à un procédé
extrêmement simple, performant et particulièrement innovant à 4 to supply the expected energy. These facilities require this makes the association with other facilities or access to a independent electrical network to compensate for power outages random production specific to solar power plants.
Moreover, in the solution described in the patent application W02006027438, significant losses occur in the primary and secondary working fluid circuits.
Solution provided by the invention In order to remedy these drawbacks, the present invention relates to a system for producing energy by a means of collection of solar energy and means of production of electricity characterized in that the electricity generator comprises an absorber receiving solar energy to heat a flash gas, said absorber being disposed in an area optional heating by a burner.
Advantageously, the system according to the invention has all or part of the following characteristics:
- It further comprises hydrolysis means.
- the means of electricity production are arranged to receive thermal energy resulting from the recombination of hydrolysis products in the absence of energy solar.
- the gas in the thermodynamic device is placed at the focus of a concentrator.
- it further comprises means for feeding of the means of electrical production by an energy source reversibly additional.
Description of the invention Thermodynamic device of the free piston type, the whole operating either with concentrated solar energy or with solar fuel (outside the sun), or even biogas or any other conventional heat source. THT hot spring and cold -253 . Variable speed th HP and THT/TBT module.
Cloudy passage detection = preheating. Electric production by a linear alternator ENR (New Renewable Energies) have become essential, but solar energy is unquestionably the source of ENR (New Renewable Energy) the most adequacy with global energy needs and in response to climate issues. The present invention relates to the field of the transformation of solar energy into electricity with yields of up to 60%, i.e. 10 times more than PV (Photovoltaic) technology conventional.
Current ENR solutions such as PV or CSP
(Concentrating Solar Power Plant) do not make it possible to answer suitably meet the present and future energy needs of the fact of their very low real yields of barely 6 to 20%, of their high price, of their implementation using means complex and costly requiring specialists, pollution they generate during their manufacture, need to make abundant use of the earth's limited resources, the impossibility of recycling their constituents, their mono-production of electricity alone. The devices known thermodynamics require heavy maintenance and have a limited lifespan On the other hand, these processes require a means of storage at molten salt base or expensive electrochemical batteries and pollutants whose capacities are particularly limited and their reduced and decreasing lifespan.
The present invention overcomes these problems by offering an extremely intelligent solution, efficient, durable and environmentally friendly transformation of solar energy using a process extremely simple, efficient and particularly innovative to
5 très bas coût et très haut rendement dont le stockage se fait au moyen de solar fuel en circuit fermé d'une durée de vie atteignant 40 années. De plus, le dispositif peut aisément être réalisé avec une empreinte carbone proche de zéro.
Description détaillée de l'invention Une enceinte sous vide isolée thermiquement et fermée par un hublot transparent au rayonnement solaire, reçoit l'énergie solaire concentrée sur un absorbeur, lequel va convertir l'énergie solaire en énergie thermique haute température pouvant être de 1200 C pour la transférer dans le fluide de travail au sein du dispositif thermodynamique, fluide étant de l'hydrogène.
L'enceinte sous vide peut être isolée soit par un ensemble de parois sous vide (style dewar), soit par un isolant haute température adapté. Les pertes thermiques étant mises à profit pour produire de la chaleur pour diverses applications liées au dispositif (production cryogénique) ou pour des applications externes (cuisson, stérilisation, air chaud,...).
En dehors de l'irradiance solaire, le processus thermodynamique est alimenté en chaleur par l'intermédiaire d'un brûleur recevant du solar fuel (h2/02) lequel produit une puissante réaction exothermique transmise à l'absorbeur. Le solar fuel est idéalement sous forme cryogénique liquide, devenant gazeux après être passé dans un échangeur, pour des raisons de densité de stockage volumétrique, et sa très basse température permet d'augmenter corrélativement le rendement du dispositif thermodynamique. Le brûleur accepte tout autre mélange gazeux approprié (biogaz, méthane, pétrole,...), et l'absorbeur toute source de chaleur convenable.
Le résidu de combustion du solar fuel est de la vapeur d'eau, laquelle peut être recyclée indéfiniment dans un procédé en circuit fermé. La chaleur produite par la vapeur d'eau peut 5 very low cost and very high performance whose storage is done by means of solar fuel in a closed circuit with a lifetime reaching 40 years. In addition, the device can easily be achieved with a carbon footprint close to zero.
Detailed description of the invention A thermally insulated vacuum chamber closed by a porthole transparent to solar radiation, receives the energy solar energy concentrated on an absorber, which will convert solar energy into high temperature thermal energy that can be 1200 C to transfer it into the working fluid at the within the thermodynamic device, the fluid being hydrogen.
The vacuum chamber can be insulated either by a set of vacuum walls (dewar style), or by high insulation appropriate temperature. Heat losses being taken advantage of to produce heat for various applications related to the device (cryogenic production) or for applications external (cooking, sterilization, hot air, etc.).
Apart from solar irradiance, the thermodynamic process is supplied with heat via a burner receiving solar fuel (h2/02) which produces a powerful exothermic reaction transmitted to the absorber. Solar fuel is ideally in liquid cryogenic form, becoming gaseous after passed through an exchanger, for reasons of the density of volumetric storage, and its very low temperature allows correlatively increase the efficiency of the device thermodynamics. The burner accepts any other gas mixture appropriate (biogas, methane, oil, etc.), and the entire absorber suitable heat source.
The combustion residue of solar fuel is water vapour, which can be recycled indefinitely in a process by closed circuit. The heat produced by the steam can
6 idéalement être récupérée via un échangeur, de même que toutes les pertes thermiques de l'invention lesquelles permettent d'alimenter un certain nombre de processus thermiques tels que la cuisson, la stérilisation, la production d'eau potable par distillation, ou encore alimenter un dispositif thermodynamique permettant la production de froid dans toute une gamme de températures y compris cryogénique dont l'application immédiate est la liquéfaction du solar fuel.
L'intérêt de la liquéfaction est d'obtenir un volume de stockage au moins double des procédés à compression tels que dans des réservoirs à 700 bars, la densité étant alors de 42kg de h2/m3 et de 71 kg h2/m3 sous forme cryogénique. L'autre avantage est que le stockage sous forme liquéfiée évite les risques d'explosion liée aux réservoirs sous pression.
Cette liquéfaction étant réalisée avec les pertes thermiques issues de l'enceinte sous vide/absorbeur par l'intermédiaire d'un module par exemple du type Stirling, il n'y donc pas de surcoût et cela permet de liquéfier le solar fuel quasi gratuitement.
Le solar fuel étant composé de h2 et o2, le dispositif peut être continument rechargé en gaz de travail h2 du dispositif thermodynamique pour compenser les pertes provoquées notamment par le phénomène de diffusion gazeuse. Ces pertes interdisent habituellement l'utilisation d'h2 et nécessitent d'utiliser un gaz rare et coûteux, non renouvelable, tel que l'hélium dont les performances sont moindres.
Ce solar fuel peut être en partie produit dans l'enceinte grâce au rayonnement solaire concentré provoquant une haute température sur l'absorbeur sur lequel on envoie un mince flux d'eau se décomposant en h2 et o2 sous l'effet de l'intense chaleur. Un dispositif est alors adjoint pour permettre la séparation des deux composés gazeux. 6 ideally be recovered via an exchanger, as well as all the thermal losses of the invention which allow to power a number of thermal processes such as cooking, sterilization, production of drinking water by distillation, or to supply a thermodynamic device allowing the production of cold in a whole range of temperatures including cryogenic whose immediate application is the liquefaction of solar fuel.
The interest of liquefaction is to obtain a storage volume at least double compression processes such as in tanks at 700 bars, the density then being 42kg of h2/m3 and 71 kg h2/m3 in cryogenic form. The other advantage is that storage in liquefied form avoids the risks explosion related to pressure vessels.
This liquefaction being carried out with the thermal losses coming from the vacuum enclosure/absorber via of a module for example of the Stirling type, there is therefore no additional cost and this makes it possible to liquefy the solar fuel almost free.
The solar fuel being composed of h2 and o2, the device can be continuously recharged with working gas h2 from the device thermodynamics to compensate for the losses caused in particular by the phenomenon of gaseous diffusion. These losses prohibit usually the use of h2 and require to use a rare and expensive, non-renewable gas, such as helium whose performance is lower.
This solar fuel can be partly produced in the enclosure thanks to to concentrated solar radiation causing high temperature on the absorber onto which a thin stream is sent of water decomposing into h2 and o2 under the effect of the intense heat. A device is then added to allow the separation of the two gaseous compounds.
7 D'autre part, tout dispositif thermodynamique fonctionne avec une source chaude et une source froide, le rendement terminal étant fonction de la différence de température, plus ce différentiel est élevé et plus le rendement final est important.
Les meilleures machines thermodynamiques connues, du type Stirling, permettent d'obtenir des rendements de l'ordre de 40%
avec une température chaude de 800 C, et une température froide liée à la température ambiante, soit environ 25 C.
L'invention permet d'obtenir des températures de travail bien plus importantes, avec une température chaude d'environ 1200 C, et une température froide étant celle de l'hydrogène liquide, soit moins 253 C, permettant ainsi d'atteindre des rendements supérieurs à 60%.
La température chaude est obtenue depuis l'absorbeur qui reçoit la chaleur issue du flux solaire concentré ou de la flamme issue du solar fuel, laquelle atteint 2800 C au point le plus chaud, ou d'une autre source de chaleur (biogaz, méthane, pétroleõ).
Le choix d'un absorbeur en matériaux adapté permet de travailler dans une classe de température de 1200 C notamment avec certains matériaux ou céramiques. Cet absorbeur transmet cette température élevée au fluide de travail qui est de l'hydrogène pour ses propriétés particulières. L'absorbeur est conçu pour recevoir aussi bien le rayonnement solaire concentré qu'une flamme ou permettre de produire du solar fuel à haute température par thermolyse de l'eau sur l'absorbeur.
Le dispositif thermodynamique consiste en un procédé à pistons libres étant coaxiaux dans un cylindre, le tout étant dans une cavité fermée remplie d'h2 à haute pression, par exemple 150 ou 200 bars, l'h2 étant le fluide de travail. Le premier piston appelé déplaceur est situé à proximité immédiate de l'absorbeur.
Lorsque le gaz s'échauffe son volume augmente et déplace le piston déplaceur, ce changement volumétrique agissant sur le 7 On the other hand, any thermodynamic device works with a hot source and a cold source, the terminal output being a function of the temperature difference, the more this differential is high and the final yield is important.
The best known thermodynamic machines, of the type Stirling, make it possible to obtain yields of the order of 40%
with a hot temperature of 800 C, and a cold temperature related to the ambient temperature, i.e. around 25°C.
The invention makes it possible to obtain working temperatures well more important, with a hot temperature of about 1200 C, and a cold temperature being that of liquid hydrogen, i.e. minus 253 C, thus making it possible to achieve yields above 60%.
The hot temperature is obtained from the absorber which receives the heat from the concentrated solar flux or the flame from solar fuel, which reaches 2800 C at the hottest point, or another source of heat (biogas, methane, petroleumõ).
The choice of an absorber made of suitable materials makes it possible to work in a temperature class of 1200 C in particular with certain materials or ceramics. This absorber transmits this high temperature to the working fluid which is hydrogen for its special properties. The absorber is designed to receive both concentrated solar radiation and a flame or allow the production of solar fuel at high temperature by thermolysis of water on the absorber.
The thermodynamic device consists of a piston process free being coaxial in a cylinder, the whole being in a closed cavity filled with h2 at high pressure, for example 150 or 200 bars, H2 being the working fluid. The first plunger called displacer is located in the immediate vicinity of the absorber.
When the gas heats up its volume increases and displaces the displacer piston, this volumetric change acting on the
8 second piston dénommé de travail, lequel va se déplacer proportionnellement au premier.
Le gaz de travail effectuant une boucle entre les deux pistons par l'extérieur du cylindre coaxial, il se crée un déséquilibre rapide qui déplace le gaz de travail dans un échangeur refroidis idéalement par le circuit d'h2 liquide ou tout fluide caloporteur à basse température, le changement de volume soudain provoquant un fort déséquilibre qui rappelle le piston déplaceur à sa position initiale, et le cycle recommence. Dans le circuit externe entre les deux pistons se trouve un dispositif dénommé
régénérateur dont l'inertie thermique permet d'effectuer un transfert thermique tel qu'il contribue à l'amélioration énergétique du rendement global.
Dans les conditions idéales de pression, température, course, fréquence, et autres paramètres physiques, le phénomène s'auto entretien. Dès lors que l'un des paramètres varie, la puissance disponible au piston de travail varie, celui-ci entrainant un alternateur linéaire, la puissance de sortie varie proportionnellement à l'amplitude de la course.
Le meilleur taux de production énergétique, soit le rendement, se produit lorsque le dispositif entre en résonnance, impliquant que l'ensemble soit accordé , et donc tous les paramètres parfaitement optimisés et contrôlés. La puissance de l'ensemble variant avec la puissance thermique reçue, celle-ci varie en fonction notamment de l'irradiance solaire. Les machines connues sont équipées de ressorts mécaniques et sont réglées de façon à
générer une résonance à une fréquence pré déterminée, laquelle est fixe pour produire un courant alternatif d'une certaine fréquence adaptée aux réseaux électriques telles que 50 ou 60Hz.
De ce fait le rendement est limité du fait que les paramètres de fonctionnement tel que la résonnance ne peuvent être ajustés, impliquant notamment un ajustement de la course des pistons. 8 second piston called work, which will move in proportion to the first.
The working gas looping between the two pistons from the outside of the coaxial cylinder, an imbalance is created rapid which moves the working gas in a cooled exchanger ideally by the liquid h2 circuit or any heat transfer fluid at low temperature, the sudden volume change causing a strong imbalance which recalls the displacement piston to its initial position, and the cycle begins again. In the circuit external between the two pistons is a device called regenerator whose thermal inertia makes it possible to carry out a heat transfer as it contributes to the improvement energy of overall performance.
Under ideal conditions of pressure, temperature, stroke, frequency, and other physical parameters, the phenomenon is self interview. As soon as one of the parameters varies, the power available to the working piston varies, this causing a linear alternator, output power varies proportional to the amplitude of the stroke.
The best rate of energy production, i.e. efficiency, occurs when the device resonates, involving that the whole is granted, and therefore all the parameters perfectly optimized and controlled. The power of the whole varying with the thermal power received, this varies in depending in particular on the solar irradiance. Known machines are equipped with mechanical springs and are adjusted so as to generate a resonance at a pre-determined frequency, which is fixed to produce an alternating current of a certain frequency adapted to electrical networks such as 50 or 60Hz.
As a result, the yield is limited because the parameters operating conditions such as resonance cannot be adjusted, involving in particular an adjustment of the stroke of the pistons.
9 Contrairement aux machines connues, le dispositif selon l'invention permet de maintenir cette résonnance en agissant continument sur la course des pistons. Pour cela l'électronique de pilotage de l'alternateur génère une force contre électromotrice, appelée FCEM, laquelle permet de faire varier la puissance de l'alternateur et donc d'agir sur la course des pistons tout en produisant un effet ressort entretenant la résonnance. Cette FCEM peut se situer sur les deux pistons si nécessaire pour obtenir une régulation très fine et donc le meilleur rendement, chaque piston étant alors équipé d'un stator, étant la partie statique du circuit électromagnétique, et d'un rotor linéaire ou partie mobile du circuit électromagnétique.
Pour prévenir leur usure et assurer une longue durée de vie au dispositif, les pistons se déplacent et sont centrés par un coussin d'air , lequel est de l'h2, dénommé coussin d'h2. Ce coussin d'h2 est généré par des gorges situées sur le pourtour des pistons, celles-ci générant de micro vortex au sein des cavités ainsi crées, qui se traduisent par des surpressions locales et évitent ainsi aux pistons de toucher les parois du cylindre et donc d'éviter tout frottement donc ne provoquant aucune usure pouvant ainsi permettre de réaliser une unité
hermétique à l'instar des compresseurs frigorifiques, cela avec une durée de vie de l'ordre de 40 ans.
Objet de l'invention La présente invention concerne un système de production d'énergie comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité caractérisé en ce que la génératrice d'électricité comporte un absorbeur recevant l'énergie solaire pour chauffer un dispositif thermodynamique, ledit absorbeur étant disposé dans une zone de chauffage optionnel par un bruleur.
Avantageusement, le système comprend une enceinte sous vide présentant une isolation thermique interne/externe et une fenêtre antireflet.
Elle concerne aussi l'utilisation d'un froid cryogénique h2 à
environ moins 253 degrés et une source de chaleur à environ 1200 C avec un rendement de 60%
Elle met en uvre selon une variante des pistons à course variable sous résonnance par force contre-électromotrice et régulation électronique.
Elle prévoit la production Poly énergie (électricité, froid, chaud, solar fuel (nom commercial), eau potable, stérilisation UHT, vapeur,...) contrairement aux sources mono énergie électrique (PV, CSP,...) Pour réduire l'usure des pistons/cylindres on utilise un coussin d'air/ ou d'hydrogène.
La récupération des pertes thermiques fait fonctionner un générateur de froid cryogénique et actionne une pompe à vide.
Le système selon une variante comporte en outre des moyens d'hydrolyse pour la génération d'un couple hydrogène-oxygène ( solar fuel nom commercial) par concentration solaire h2o sur surface chaude La compensation des pertes h2 est assurée par diffusion gazeuse par prélèvement d'une fraction de solar fuel (nom commercial) et ré injection dans le module thermodynamique 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 une vue schématique d'une première réalisation de l'invention - la figure 2 représente une vue schématique d'un deuxième exemple de réalisation.
Description schématique de l'invention La figure 1 représente une vue schématique d'un premier exemple de réalisation L'installation comprend par exemple un système de concentration solaire illustré de manière schématique dans l'exemple décrit par un capteur plan (1) formant un réseau de diffraction de type capteur Fresnel renvoyant le rayonnement solaire vers un concentrateur hémisphérique (2) monté sur une structure orientable pour concentrer le rayonnement un point situé au niveau d'un équipement de capture formé par une enceinte (3) sous vide s'ouvrant par une fenêtre en transparente au rayonnement solaire concentré (4).
L'enceinte (3) sous vide définit une cavité absorbante limitant les pertes par diffusion dans l'air. La fenêtre (4) est recouverte d'un revêtement anti-réflexion dans le spectre adéquat pour éviter plus de 30% de pertes optiques/thermiques.
L'isolation thermique générale peut être obtenue, par exemple, avec des aérogels, de la perlite expansée, ou encore certaines formes de carbone/graphites aux excellentes propriétés isolantes et d'un faible coût puisque s'agissant de matériaux abondants et recyclés. Il peut s'agir aussi d'un ensemble d'enceintes sous vide type dewar.
L'enceinte (3) contient un absorbeur (5) réalisé dans un matériau adapté tel qu'une céramique. La surface de l'absorbeur (5) présente des microcavités réalisées lors du moulage, pour approcher les caractéristiques d'un corps noir.
L'enceinte (3) présente plusieurs interfaces avec des conduits (6 à 9) :
- Un conduit (6) pour la sortie d'air chaud ajustable en température pour le chauffage, la cuisson, et toutes opérations de métallurgie ou chimie industrielle. Ce conduit (6) permet le transfert maîtrisé à un équipement complémentaire pour l'utilisation de l'air chaud, et permet aussi de réduire la pression à l'intérieur de l'enceinte (3) et d'évacuer les produits de combustion.
- un conduit (7) pour l'injection d'un brouillard d'eau qui sera soumis à une température pouvant atteindre 2.500 C, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et 0 par craquage ou thermolyse de l'eau permettant l'obtention d'hydrogène et d'oxygène, en dissociant par la chaleur les atomes composant la molécule d'eau H20. Cette réaction thermochimique commençant à haute température (entre 850 C et 900 C) pour devenir complète vers 2 500 C.
- un conduit (7) pour extraire un jet de molécules de masses différentes séparées ensuite par l'intermédiaire d'un dispositif approprié pour obtenir deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène.
- un conduit (8) pour l'alimentation d'un brûleur HHO précédemment stocké. Ce brûleur permet d'apporter un apport énergétique pour générer une flamme à environ 2.800 C permettant de faire fonctionner le système la nuit ou par ciel couvert.
Le dispositif absorbeur est modulable, permettant ainsi l'utilisation de chaleur extérieure lorsque par exemple le réservoir HHO se trouve être vide ou d'autres combustibles tels que le biogaz ou tout autre source.
Un système de détection nuages (10) et de pré chauffage complète l'installation.
Description d'un deuxième exemple de réalisation La figure 2 représente une vue schématique d'un deuxième exemple de réalisation.
Il comprend comme dans l'exemple précédent une enceinte à
atmosphère contrôlée (3) s'ouvrant par une fenêtre transparente au rayonnement solaire (4) et contenant un absorbeur (5). Cet absorbeur (5) produit une température élevée pour la thermolyse d'eau introduite dans l'enceinte (3) par brumisation. Il est également couplé thermiquement à un transformateur d'énergie 9 Unlike known machines, the device according to the invention makes it possible to maintain this resonance by acting continuously on the stroke of the pistons. For this the electronics of the alternator generates a force against electromotive, called FCEM, which makes it possible to vary the power of the alternator and therefore to act on the race of the pistons while producing a spring effect maintaining the resonance. This back emf can be located on both pistons if necessary to obtain a very fine regulation and therefore the better efficiency, each piston then being fitted with a stator, being the static part of the electromagnetic circuit, and a linear rotor or moving part of the circuit electromagnetic.
To prevent wear and ensure a long service life of the device, the pistons move and are centered by a air cushion, which is h2, called h2 cushion. This cushion of h2 is generated by grooves located on the periphery pistons, these generating micro vortices within the cavities thus created, which result in overpressures local and thus prevent the pistons from touching the walls of the cylinder and therefore to avoid any friction thus not causing no wear thus being able to make a unit hermetically sealed like refrigeration compressors, with a lifespan of around 40 years.
Object of the invention The present invention relates to a production system of energy comprising means for collecting solar energy and means for producing electricity characterized in that the electricity generator comprises an absorber receiving solar energy to heat a thermodynamic device, said absorber being disposed in a heating zone optional by a burner.
Advantageously, the system comprises a vacuum chamber featuring internal/external thermal insulation and anti-reflective window.
It also concerns the use of h2 cryogenic cold at about minus 253 degrees and a heat source at about 1200 C with a yield of 60%
It implements according to a variant of the race pistons variable under resonance by counter-electromotive force and electronic regulation.
It provides for poly-energy production (electricity, cold, hot, solar fuel (trade name), drinking water, sterilization UHT, steam, etc. unlike single electrical energy sources (PV, CSP,...) To reduce the wear of the pistons/cylinders a cushion is used air/or hydrogen.
Heat loss recovery operates a cryogenic cold generator and operates a vacuum pump.
The system according to a variant further comprises means hydrolysis for the generation of a hydrogen-oxygen couple (solar fuel commercial name) by solar concentration h2o on hot surface The compensation of h2 losses is ensured by gaseous diffusion by taking a fraction of solar fuel (trade name) and re-injection into the thermodynamic module 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 a schematic view of a first realization of the invention - Figure 2 shows a schematic view of a second example of realization.
Schematic description of the invention Figure 1 shows a schematic view of a first example of achievement The installation comprises for example a concentration system diagrammatically illustrated in the example described by a plane sensor (1) forming a diffraction grating of the type Fresnel sensor returning solar radiation to a hemispherical concentrator (2) mounted on a structure orientable to concentrate the radiation on a point located level of capture equipment formed by an enclosure (3) vacuum opening with a transparent window at the concentrated solar radiation (4).
The vacuum enclosure (3) defines an absorbent cavity limiting losses by diffusion in the air. The window (4) is covered with an anti-reflection coating in the spectrum adequate to avoid more than 30% optical/thermal losses.
General thermal insulation can be obtained, for example, with aerogels, expanded perlite, or even certain carbon/graphite forms with excellent insulating properties and a low cost since being abundant materials and recycled. It can also be a set of speakers under vacuum type dewar.
The enclosure (3) contains an absorber (5) made of a material adapted such as a ceramic. The surface of the absorber (5) has micro-cavities made during molding, to approach the characteristics of a black body.
The enclosure (3) has several interfaces with ducts (6 to 9):
- A duct (6) for the adjustable hot air outlet in temperature for heating, cooking, and all metallurgy or industrial chemistry operations. This conduit (6) allows controlled transfer to additional equipment for the use of hot air, and also reduces the pressure inside the enclosure (3) and to evacuate the combustion products.
- a duct (7) for injecting a mist of water which will be subjected to a temperature which can reach 2,500 C, causing its spontaneous chemical dissociation into its two elements, H2 and 0 by cracking or thermolysis of water making it possible to obtain hydrogen and oxygen, by dissociating by heat the atoms composing the water molecule H20. This thermochemical reaction starting at high temperature (between 850 C and 900 C) to become complete around 2500 C.
- a conduit (7) for extracting a jet of molecules of different masses then separated by means of a suitable device for obtaining two separate streams hydrogen and oxygen.
- a conduit (8) for supplying a burner Previously stored HHO. This burner makes it possible to bring a contribution energy to generate a flame at approximately 2,800 C allowing operate the system at night or in overcast conditions.
The absorber device is modular, thus allowing the use of external heat when, for example, the HHO tank is found to be empty or other fuels such than biogas or any other source.
A cloud detection system (10) and complete pre-heating installation.
Description of a second exemplary embodiment Figure 2 shows a schematic view of a second example of achievement.
It includes, as in the previous example, an enclosure with controlled atmosphere (3) opening with a transparent window to solar radiation (4) and containing an absorber (5). This absorber (5) produces high temperature for thermolysis of water introduced into the enclosure (3) by misting. He is also thermally coupled to a power transformer
(10). Ce transformateur d'énergie (10) est constitué d'un dispositif thermodynamique du type FPSE ou autre, en cogénération associée à un dispositif de liquéfaction Stirling (ou autre) permettant de liquéfier les gaz produits (H2/02,) en vue de leur stockage, puis un appareil de réfrigération Stirling (ou autre) pour la production de froid travaillant en cogénération avec les inévitables pertes du liquéfacteur.
Un réservoir de stockage d'H2 et éventuellement 02 liquéfié
permet de disposer d'un vecteur énergétique lors de la nuit ou conditions météo défavorables, en vue de la réinjection via un brûleur. La séparation des composants gazeux obtenus par la thermolyse est assurée par une cellule séparatrice des gaz issus de la thermolyse, et qui peut être indifféremment un vortex supersonique, une électrolyse HT, une membrane protonique, etc.
L'absorbeur (5) est réalisé à titre d'exemple par exemple en céramique ou tout matériau adapté.
Dans l'exemple illustré par la figure 2, l'absorbeur (5) est couplé thermiquement à une génératrice d'électricité (10) constituée par une enceinte de confinement (11) isolée thermiquement à l'intérieur de laquelle est positionné un cylindre haute pression (12) coaxial. Ce cylindre haute pression (12) est également isolé thermiquement.
A l'intérieur de ce cylindre haute pression (12) se déplace un piston haute-pression (13) qui assure la compression cyclique d'un gaz actionnant un deuxième étage comprenant un piston basse-pression (14).
Des échangeurs à air ou à eau (15, 16) entourent les enceintes de confinement (11) et des bobines électriques (17).
La composition générale en forme de cylindres imbriqués les uns dans les autres permet l'optimisation des surfaces et volumes, tout en minimisant les pertes de charge. D'autre part, ce type de disposition permet une fabrication mais aussi un assemblage aisé. Les étanchéités entre segments piston/cylindre peuvent être réalisées par des gorges générant des micro vortex.
Un éventuel étage additionnel de plus grande dimension pourrait utiliser avec des matériaux plus conventionnels tels que l'aluminium, le PTFE, aciers, fonte, etc.
Le dispositif bénéficie d'une contre-réaction continûment ajustable par l'intermédiaire du générateur électrique qui remplace avantageusement le ressort mécanique ou la bielle par la f.c.e.m (force contre électromotrice). Ainsi, en faisant varier les paramètres électriques on dispose d'une course ajustable rendant possible le fonctionnement en mode de résonance continue.
Par ailleurs, l'asservissement électromagnétique des pistons permet un démarrage plus aisé en agissant sur eux et initiant le processus de démarrage.
Ce type de moteur est réversible pour produire du froid, ou de la chaleur. Cette configuration est possible en utilisant le générateur électrique linéaire comme moteur via l'électronique de commande.
L'invention dispose de capteurs et calculateurs appropriés permettant de détecter à l'avance un passage nuageux et d'anticiper le fonctionnement de la source de chaleur additionnelle (hho ou autre) avant la décroissance de puissance solaire. (10). This power transformer (10) consists of a thermodynamic device of the FPSE or other type, in cogeneration associated with a Stirling liquefaction device (or other) making it possible to liquefy the gases produced (H2/02,) by view of their storage, then a Stirling refrigeration appliance (or other) for the production of cold working in cogeneration with the inevitable losses of the liquefier.
A storage tank for H2 and possibly liquefied 02 provides an energy carrier during the night or unfavorable weather conditions, with a view to reinjection via a burner. The separation of the gaseous components obtained by the thermolysis is ensured by a cell separating the gases from thermolysis, and which can be either a vortex supersonic, HT electrolysis, proton membrane, etc.
The absorber (5) is produced by way of example, for example in ceramic or any suitable material.
In the example illustrated by FIG. 2, the absorber (5) is thermally coupled to an electricity generator (10) consisting of an isolated containment enclosure (11) thermally inside which is positioned a high pressure cylinder (12) coaxial. This high pressure cylinder (12) is also thermally insulated.
Inside this high pressure cylinder (12) moves a high-pressure piston (13) which provides cyclic compression of a gas actuating a second stage comprising a low-pressure (14).
Air or water exchangers (15, 16) surround the enclosures containment (11) and electrical coils (17).
The general composition in the form of cylinders nested together in the others allows the optimization of surfaces and volumes, while minimizing load losses. On the other hand, this type layout allows manufacturing but also assembly easy. Seals between piston/cylinder rings can be made by grooves generating micro vortices.
A possible additional stage of greater dimension could use with more conventional materials such as aluminium, PTFE, steels, cast iron, etc.
The device benefits from continuous feedback adjustable via the electric generator which advantageously replaces the mechanical spring or the connecting rod by the back emf (counter electromotive force). So, by doing vary the electrical parameters we have a stroke adjustable making it possible to operate in continuous resonance.
Furthermore, the electromagnetic servoing of the pistons allows an easier start by acting on them and initiating the boot process.
This type of motor is reversible to produce cold, or the heat. This configuration is possible using the linear electric generator as motor via electronics control.
The invention has suitable sensors and computers allowing to detect in advance a cloudy passage and to anticipate the operation of the heat source additional (hho or other) before the decrease in power solar.
Claims (4)
- Un conduit (6) pour la sortie d'air chaud ajustable en température - un conduit pour l'injection d'un brouillard d'eau - un conduit pour extraire un jet de molécules de masses différentes séparées ensuite par l'intermédiaire d'un dispositif approprié pour obtenir deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène - un conduit pour l'alimentation d'un brûleur HHO
précédemment stocké. 4) Energy production system comprising a means of collection of solar energy and means of production electricity according to Claim 1, characterized in that the enclosure (3) surrounding said absorber (5) has several interfaces with conduits (6 to 9):
- A duct (6) for the hot air outlet adjustable in temperature - a conduit for the injection of a water mist - a conduit to extract a jet of mass molecules different then separated via a suitable device for obtaining two separate streams hydrogen and oxygen - a conduit for supplying an HHO burner previously stored.
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