EP3983335A1 - Dispositif d'hyper concentration et transport d'energie solaire distant par fibre optique associe a un procede de production d'un melange h2/o2 par thermophotolyse - Google Patents

Dispositif d'hyper concentration et transport d'energie solaire distant par fibre optique associe a un procede de production d'un melange h2/o2 par thermophotolyse

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EP3983335A1
EP3983335A1 EP20743183.4A EP20743183A EP3983335A1 EP 3983335 A1 EP3983335 A1 EP 3983335A1 EP 20743183 A EP20743183 A EP 20743183A EP 3983335 A1 EP3983335 A1 EP 3983335A1
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EP
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producing
hydrogen
oxygen
reactor
solar
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EP20743183.4A
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Sylvain Pare
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    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
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    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the present invention relates to the production of solar energy at very low prices (equivalent or lower than the price of crude oil) with a "free" process (source of solar energy) in replacement of oil / fossil fuels and conventional batteries (storage) .
  • the advantages are to avoid complex or expensive materials (rare metals, catalysts, etc.), the absence of wear or maintenance as in electrolysers or fuel cells, abundant and available materials (carbon / graphite, water, ...) free sources of energy (sun, water), to provide 100% clean renewable energy with no societal or environmental impact, with a lifespan of at least 40 years. It has the possibility of supplying fuel cells as well as of carrying out storage, in particular by burning the h2 / o2 mixture which is stored separately and then burned (exothermic reaction) in a specific burner to supply a thermodynamic device or a furnace, the combustion producing water vapor which is recycled indefinitely in the invention
  • the invention is based on the principle of solar hyper concentration (of the order of 10,000 suns) and the injection of the concentrated solar flux into a preform equipped or not with windows leading into a fiber (or bundle of fibers). ideally hollow optic with an empty core (pure waveguide without optical losses), the input of which is a preform of sufficient diameter to receive the concentrated flow without damage.
  • the preform can be full (bar / stretched tube) or closed by an entry window and the opposite end is also closed so that the interior of the fiber is under vacuum, the vacuum not opposing to the conduction of light this over a broad spectrum.
  • a gas trap in English "getter" or an appropriate device accessing the vacuum core makes it possible to absorb / evacuate any contaminant / degassing.
  • An industrial optical fiber laser of 100mpi can transport 100kw, a hollow fiber of 1.OOOm would reach and exceed 1.6MW. (see in particular the article “Microstructured optical fibers” by Laurent Provino, Laurent Brilland, Achille Monteville, David Landais, Olivier Le Goffic, Denis Tregoat and David Mechin).
  • the end of the fiber inside the reactor ends with a second, smaller preform which can be solid or fitted with a window, collimation optics, condenser, focusing optics, etc.) made of glass or materials with suitable optical properties forming the appropriate optical structure to allow focusing at a point, taking into account the different wavelengths in particular by the use for example of optical doublets.
  • the optics receive one (or more) anti-reflection treatment and possibly a cooling device or temperature control.
  • the end of the fiber or fiber bundles then arrives in the "reactor" (dissociator would be fairer), which consists of a vacuum cavity ideally in graphite or suitable materials preferably covered with a hard surface.
  • the nozzle (s) projecting the flow of water (or steam), which is intercepted by the solar flow and dissociated.
  • Nozzle and fiber (s) can be coaxial or forming a greater or lesser angle to avoid any deterioration or contamination of the optical end / optical components or thermal shock.
  • the optical components are covered with protection against chemical attacks from the water molecule or compounds h2 and o2.
  • a large set of fibers can also be almost perpendicular to the nozzle (s).
  • the reactor opens to allow easy replacement of damaged components.
  • this heat source can be used to produce water vapor at high temperature by a device for example tubular surrounding the vacuum chamber while ensuring its cooling.
  • This high temperature and high pressure water vapor arrives in the vacuum chamber and is immediately dissociated by the luminous flux.
  • the advantage of steam being that it transports part of the energy necessary for dissociation.
  • the vacuum inside the reactor makes it possible to carry out a chemical quenching avoiding molecular recombination or explosion in the reactor, and then to suck the o2 / h2 atoms towards the final separation device (purification) as well as to recycle the water / steam that has not been dissociated and avoid pollution detrimental to the purity of the gases.
  • the atoms are entrained in a vortex which can be of the Ranque-Hilsch type facilitating the separation due to the different atomic masses (coef 1 to 16) whose walls forming an exchanger allow cooling while preheating the water to be dissociated .
  • the vortex then separates into two distinct circuits, one preferably containing oxygen and the second hydrogen.
  • a pre-filtration device makes it possible to return the water which is not dissociated and to reinject it into the reactor.
  • the final purification can be carried out by means such as chemical filtration processes, molecular sieves or others, the objective being the supply of high purity gas which can in particular be recycled indefinitely within the same closed circuit installation in the in particular for solar fuel or “PAC” “batteries” or any other device.
  • Optical components are ideally covered with a protective layer to protect them from possible chemical reactions with 1 ⁇ 2 / H2 or H20 which may degrade their properties
  • Field of the invention is ideally covered with a protective layer to protect them from possible chemical reactions with 1 ⁇ 2 / H2 or H20 which may degrade their properties
  • the present invention relates to the field of the production of ENR (new renewable energy) of solar origin in the form of the hydrogen / oxygen pair being called “solar fuel” (trade name), from a solar power plant associated with a fiber.
  • ENR new renewable energy
  • solar fuel trade name
  • energy storage at very high density (solar fuel) heat pump power (fuel cells), combustion engines or all devices (ovens, flames, heaters, DHW, cooking equipment, etc.) traditionally running on hydrocarbons, or rocket engines and all space vehicles .
  • the invention ideally implements a solar concentrator allowing a concentration rate of up to 20,000 suns at the focal point called hyper concentrator. It is therefore possible to use an optical fiber, ideally hollow, to achieve a concentration rate of the order of 30,000 suns and transport the solar flux at a distance towards a target or inject it into a reactor.
  • thermophotolysis Since it concerns the combined action of several bands of the spectrum visible and invisible optics on a flow of water.
  • optical fiber Probably the most well-known type of optical guide is optical fiber.
  • the latter can be made of silica, glass or polymer. It is generally made of a core of refractive index n c and of a sheath having a refractive index n g less than that of the core.
  • the radiation it carries is propagated in the heart by total internal reflection.
  • the optical fiber can advantageously be of the hollow-core type, in which case the transmitted light power is not subject to the purity of the materials used and can therefore transport very high powers.
  • the energy converter uses the principle of the dissociation of the water molecule into hydrogen and oxygen under the effect of high intensity light energy.
  • US Patent US3780722 is known in the state of the art, describing an improved solar collector comprising an optical fiber solar receiver which passively concentrates incident solar energy for distribution in the form of an intensified flux to an absorbing target.
  • the present solar collector comprises a ball of fibers shaped into an arcuate collecting surface at one end, the fibers tapering to a flat exit plane at the opposite end of the ball. Solar radiation entering the collector at the collector surface is concentrated in the tapered portion of the ball and delivered as an intensified flow to an absorbent target disposed in operative relation to the exit plane, the absorbent target being either a pot, a thermal storage mass, or the hot junction of 'a thermoelectric generator.
  • French patent FR2310309 describes another method and apparatus solution for the production of gas mixtures.
  • the invention relates firstly to a high density solar energy concentrator called hyper concentrator, comprising a means for collecting solar energy consisting of one (or more) optical fibers characterized in that the entry of the optical fiber is constituted by an unstretched zone of the preform and the exit end is introduced into an energy conversion module.
  • said energy conversion module is for example constituted by a reactor which can be made of graphite and whose internal surfaces are hardened to avoid erosion phenomena, which can open easily to allow components to be changed or for maintenance.
  • Said reactor is connected to a vacuum means which comprises inside a water micronization nozzle in a zone receiving the transmitted light energy, the graphite reactor having an outlet opening onto a vortex to separate the oxygen. and hydrogen, which are found in two distinct circuits.
  • the vacuum means is advantageously divided into two distinct sections, one sucking in hydrogen and the other in oxygen so as to avoid their mixing.
  • Said vacuum means is equipped with a device making it possible to recycle the gases or vapor which are not incompletely separated and to reinject them into the reactor.
  • the output end of an optical fiber for collecting solar energy is engaged in said cavity.
  • said micronization nozzle is arranged opposite the outlet end of said optical fiber, coaxially or not.
  • said reactor comprises a water injector for misting a very fine stream or water vapor which will be subjected to a temperature resulting from the interaction with the beam of light energy, causing its spontaneous chemical dissociation. in its two elements, H2 and 02.
  • said reactor having a separator for dissociating the misted water or the vapor by thermophotolysis and producing a jet of molecules of different masses separated by means of a device of the cyclonic vortex type generating two distinct streams of hydrogen. and oxygen.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a fiber
  • FIG. 2 shows a schematic view of the energy converter.
  • the invention described with reference to FIGS. 1 and 2 relates to a device for producing a hydrogen / oxygen pair from a solar energy concentrator comprising a means for collecting solar energy consisting of one or more optical fibers. , preferably hollow.
  • the entry and exit of the optical fiber (s) (1) is formed by an unstretched zone (3) of the preform allowing the remote transport of the solar flux.
  • the ends of the preform (2) of the hollow fiber (1) comprises a window (3) or optical coupling (collimation) plus a gas trap (in English "getter”).
  • the other end of the fiber (1) also has a preform / exit window (4) with focusing optics (5) to a focal point (6)
  • the energy conversion module consists of a reactor (11) defining a volume (11) under vacuum, with a water / steam inlet (12) and a high pressure water / steam inlet (13) feeding a nozzle.
  • optical fibers (14) have different possible conformations, coaxial to perpendicular.
  • a h2 / o2 outlet (15) opens into a vortex and heat exchanger.
  • An equipment (16) carries out a residual h2o pre-filtration.
  • a separator (17) provides additional electrostatic / electromagnetic separation. Non-dissociated water is reinjected into the circuit.
  • the module (19) redirects atoms towards their final circuit.
  • a filter (20) ensures the final filtration / purification and two separate pumping units (h2 and o2) (21) by vacuum pump motors.
  • the energy conversion module consists of a reactor (11), for example made of graphite, having a cavity (11) whose surfaces are hardened to prevent erosion, connected to a vacuum means, said module comprising a nozzle (4 ) micronization of water inside said cavity (11), in a zone receiving the transmitted light energy, the graphite reactor (11) having an outlet (18) leading to a vortex to separate the oxygen and hydrogen.
  • the micronization nozzle is arranged opposite the outlet end of said optical fiber, in a coaxial or almost perpendicular manner.
  • the reactor (10) comprises a water injector for misting a very fine mist of water or vapor which will be subjected to a high temperature and the action of photons resulting from the interaction with the beam (s) of light energy, causing its spontaneous chemical dissociation into its two elements, H2 and 0.
  • the transport of solar energy concentrated by the heliostat between the energy collector and the energy converter is carried out by an optical fiber or by a bundle of optical fibers.
  • the optical fiber has a numerical aperture which allows the injection of all the solar radiation sent by the concentrator.
  • the numerical aperture is preferably greater than 0.42.
  • the optical fiber must also transmit the solar spectrum as efficiently as possible, that is to say with a minimum of absorption.
  • the fiber tolerance is at minus 500 ° C, in particular when the injected solar radiation is highly concentrated and when the fiber strongly absorbs a certain band of the solar spectrum, creating a heating of the guide in its first section.
  • the heat resistance makes it easier to couple with the thermal accumulator.
  • fewer special measures have to be taken in order to prevent the energy converter from transmitting too much heat to the guide, creating its overheating in its section near the converter.
  • the flexibility or maneuverability of the guide is also an advantage to be considered in order to give more ease as to its installation on the concentrator matrix. The stresses are often at the level of the minimum radius of curvature of the guide to be respected.
  • the fiber or the fiber bundle is based on preferentially hollow silica because of its transmission of the solar spectrum, which can be excellent, as well as its resistance to heat. Indeed, after integration according to the solar spectrum.
  • the absorption of such silica fibers is low, of the order of 0.014dB / m to 0.348dB / m when the transmission is made in the core and the losses are lower when the fiber is hollow.
  • the optical fiber is formed by drawing a bar (or cylinders or other shapes) having an initial diameter for example of 100 millimeters and a length which may be from a few tens of centimeters to several meters.
  • the first step consists of assembling the tubes and / or a cylindrical silica bar mounted concentrically. Everything is heated to ensure the homogeneity of the glass bar.
  • the bar thus obtained will ideally be installed vertically in a tower and heated for example with gas, electric or even solar ramps.
  • the glass will stretch and "sink” down to be wound on a spool.
  • the thickness of the fiber is measured to control the speed of the reel motor, in order to ensure a constant diameter.
  • the shaping can also be carried out with any other suitable drawing process which may be horizontal (inspired by the device for drawing capillary columns of silica chromatographs), or whose heating / melting would be carried out by the solar route.
  • any other suitable drawing process which may be horizontal (inspired by the device for drawing capillary columns of silica chromatographs), or whose heating / melting would be carried out by the solar route.
  • the dissociation of water by solar energy is ensured by a principle of thermophotolysis ensuring the decomposition of the water, optionally in the presence of a catalyst, under the action of sunlight and possibly additional radiation, with production of H2 and O2, or other molecules such as H202, in a reactor ideally formed by a graphite body (10) whose surfaces are hardened and having a cavity (11) under partial vacuum.
  • the molecular separation could be carried out either by cyclonic vortex, the molecules being ejected at supersonic speed, or by membrane filtration, or thermochemical or any other suitable process, the molecular weight of the atoms being considerably different.
  • dihydrogen / oxygen By preparing dihydrogen / oxygen by photodissociation of water by irradiation, in particular by irradiation from solar radiation, it is possible to transform light energy, in particular solar energy, into chemical energy in the form of hydrogen and oxygen can then be separated and then stored. This chemical energy in the form of stored hydrogen / oxygen can then be transported or used later.
  • the reactor (11) is for example made of graphite or of carbon / graphite which is ideally covered with a layer thin such as a carbide to avoid erosion phenomena linked to supersonic flows
  • the solar energy coming from the concentrator is transmitted by means of a fiber (13), in an axial direction.
  • the reactor also has various connections:
  • a water injector (17) for misting a very fine water mist which will be subjected to a temperature of 2,500 ° C resulting from the interaction with the beam of light energy, causing its chemical dissociation spontaneous in its two elements, H2 and 0.
  • thermophotlyysis produces a jet of molecules of different masses separated by means of a device of the cyclonic vortex type generating two distinct flows of hydrogen and oxygen.
  • Hydrogen ions can be separated from oxygen ions using a Ranque-Hilsch vortex and an electrostatic and / or electromagnetic field.

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Abstract

Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène à partir d'un concentrateur d'énergie solaire comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire constitué par une ou plusieurs fibres optiques caractérisé en ce que l'entrée et la sortie de la ou des fibres optiques creuse est constituée par une zone non étirée de la préforme permettant le transport distant du flux solaire.

Description

DISPOSITIF D'HYPER CONCENTRATION ET TRANSPORT D'ENERGIE
SOLAIRE DISTANT PAR FIBRE OPTIQUE ASSOCIE A UN PROCEDE DE PRODUCTION D'UN MELANGE H2/02 PAR THERMOPHOTOLYSE
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne la production d'énergie solaire à très bas prix (équivalent ou inférieur au prix du pétrole brut) avec un procédé « gratuit » (source d'énergie solaire) en remplacement du pétrole/énergies fossiles et batteries conventionnelles (stockage).
Les avantages sont d'éviter des matériels complexes ou coûteux (métaux rares, catalyseurs,..), l'absence d'usure ou maintenance comme dans les électrolyseurs ou les piles à combustibles, matériaux abondants et disponibles (carbone/graphite, eau,...) sources d'énergie gratuites (soleil, eau), de fournir de l'énergie renouvelable à 100% propre et sans impact sociétal ou environnemental, d'une durée de vie d'au moins 40 années. Elle présente la possibilité d'alimenter des piles à combustible ainsi que de procéder au stockage notamment par brûlage du mélange h2/o2 lesquels sont stockés séparément puis brûlés (réaction exothermique) dans un brûleur spécifique pour alimenter un dispositif thermodynamique ou un four, la combustion produisant de la vapeur d'eau laquelle est recyclée indéfiniment dans l'invention
Principe de fonctionnement ;
L'invention est basée sur le principe de l' hyper concentration solaire (de l'ordre de 10.000 soleils) et de l'injection du flux solaire concentré dans une préforme équipée ou non de fenêtres conduisant dans une fibre (ou faisceau de fibres) optique idéalement creuse dont le cœur est vide (guide d'onde pur sans pertes optiques), dont l'entrée est une préforme de diamètre suffisant pour recevoir sans dommage le flux concentré. La préforme peut-être pleine (barreau/tube étiré) ou fermée par une fenêtre d'entrée et l'extrémité opposée est de même refermée de manière à ce que l'intérieur de la fibre soit sous vide, le vide ne s'opposant pas à la conduction de la lumière cela sur un large spectre .
L'ensemble guide d'onde est constitué de verres d'indice différents constituant le guide d'onde par réflexion = deux tubes de verre coaxiaux aux propriétés optiques différentes ensuite étirés pour former la fibre, le cœur étant idéalement sous vide. Un piège à gaz (en anglais « getter ») ou un dispositif approprié accédant au cœur sous vide permet d'absorber/évacuer tout contaminant/dégazage . Une fibre optique laser industrielle de IOOmpi permet de transporter lOOkw, une fibre creuse de I.OOOm permettrait d'atteindre et dépasser 1,6MW. (voir notamment l'article « Les fibres optiques microstructurées » de Laurent Provino, Laurent Brilland, Achille Monteville, David Landais, Olivier Le Goffic, Denis Tregoat et David Mechin).
L'extrémité de la fibre à 'intérieur du réacteur se termine par une seconde préforme plus petite pouvant être pleine ou équipée d'une fenêtre, optique de collimation, condenseur, optique focalisatrice,... ) en verre ou matériaux aux propriétés optiques adaptées formant la structure optique appropriée pour permettre la focalisation en un point, tenant compte des différentes longueurs d'onde notamment par l'utilisation par exemple de doublets optiques. Les optiques reçoivent un (ou plusieurs) traitement anti reflet et éventuellement un dispositif de refroidissement ou contrôle de la température. La fibre optique est idéalement de très courte longueur pour une installation de faible puissance, le réacteur étant installé sur le concentrateur solaire. Lors de très fortes puissances, le réacteur peut être distant des sources de concentration solaire pouvant contenir un ou plusieurs concentrateurs distants, de manière à disposer d'un système optimisant parfaitement les paramètres. = transport distant par fibre optique d'énergie solaire hautement concentrée pouvant transporter 1MW optique et plus ( 1.000m ) .
L'extrémité de la fibre ou faisceaux de fibre arrive ensuite dans le « réacteur » (dissociateur serait plus juste), lequel est constitué d'une cavité sous vide idéalement en graphite ou matériaux adapté recouvert préférentiellement d'une surface dure. A une extrémité se trouve la (les) buse projetant le flux d'eau (ou vapeur), lequel est intercepté par le flux solaire et dissocié. Buse et fibre(s)peuvent être coaxiaux ou formant un angle plus ou moins important pour éviter toute détérioration ou contamination de l'extrémité optique/composants optiques ou choc thermique. Les composants optiques sont recouverts d'une protection contre les agressions chimiques issues de la molécule d'eau ou composés h2 et o2. Un ensemble important de fibres peut aussi être quasi perpendiculaire à la (aux) buse. Le réacteur s'ouvre pour permettre de changer facilement les composants abîmés .
Le réacteur étant soumis à une température importante du fait de déperditions inévitables, cette source de chaleur peut être mise à profit pour produire de la vapeur d'eau à haute température par un dispositif par exemple tubulaire entourant l'enceinte sous vide tout en assurant son refroidissement. Cette vapeur d'eau haute température et haute pression arrive dans l'enceinte sous vide et est immédiatement dissocié par le flux lumineux. L'intérêt de la vapeur étant qu'elle transporte une partie de l'énergie nécessaire à la dissociation.
Pour augmenter le rendement effectif global on peut envisager la présence de sources additionnelles envoyant un flux concentré sur le flux d' eau/vapeur dans des longueurs d'ondes favorables à une dissociation, tel que certains rayonnements électromagnétiques (micro ondes,...) lumière issue de leds ou diodes laser I, visibles, UV, X, etc... ainsi qu'un mélange de ces ondes . Les flux d'eau/lumière sont régulés pour optimiser parfaitement la dissociation et éviter toute détérioration des composants ou autres phénomènes préjudiciables. Des capteurs disposés en différents endroits sont prévus en ce sens, ils servent aussi de sécurités
Le vide au sein du réacteur permet d'effectuer une trempe chimique évitant la recombinaison moléculaire ou explosion dans le réacteur, et d'ensuite aspirer les atomes o2/h2 vers le dispositif de séparation finale (purification) ainsi que recycler l'eau/vapeur n'ayant pas été dissociée et éviter une pollution préjudiciable à la pureté des gaz.
Partant du réacteur, les atomes sont entraînés dans un vortex pouvant être du type de Ranque-Hilsch facilitant la séparation du fait des masses atomiques différentes (coef 1 à 16) dont les parois formant échangeur permettent le refroidissement tout en préchauffant l'eau à dissocier. Le vortex se sépare ensuite en deux circuits distincts, l'un contenant préférentiellement l'oxygène et le second l'hydrogène.
Un dispositif de pré filtration permet de renvoyer l'eau n'étant pas dissociée et de la réinjecter dans le réacteur.
Vient ensuite un procédé de séparation supplémentaire disposant d'un champ électrostatique et électromagnétique ou couplage d'un ensemble de dispositifs et tout autre procédé adapté permettant une excellente séparation moléculaire et de renvoyer les atomes dans le bon circuit. La purification finale pouvant être réalisée par des moyens tels que des procédés de filtration chimique, tamis moléculaires ou autres, l'objectif étant la fourniture de gaz de haute pureté pouvant notamment être indéfiniment recyclés au sein d'une même installation en circuit fermé dans le cadre notamment de « batteries » solar fuel ou « PAC » ou tout autre dispositif .
Les composants optiques, notamment en silice, sont idéalement recouverts d'une couche protectrice pour les protéger d'éventuelles réactions chimiques avec 1Ό2/H2 ou H20 pouvant dégrader leurs propriétés Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne le domaine de la production d'ENR (Energie nouvelle renouvelable) d'origine solaire sous forme du couple hydrogène/oxygène étant dénommé « solar fuel » (nom commercial), à partir d'une centrale solaire associée à une fibre optique spéciale effectuant de l 'hyper concentration solaire au sein d'un « réacteur » servant ici à dissocier la molécule d'eau avec un très haut rendement et sans usure ou entretien ni utilisation de produits chimiques.
Ce couple hydrogène/oxygène d'une densité énergétique de 33kwh/kg (batteries Li/ion = 200 wh/kg) permet par exemple d'alimenter différents types de processus tels que le stockage d'énergie à très haute densité (solar fuel), l'alimentation de PAC (piles à combustible), les moteurs ou tous dispositifs (fours, flammes, réchauffeurs, ECS, matériel de cuisson,...) à combustion fonctionnant traditionnellement aux hydrocarbures, ou encore les moteurs fusées et tous engins spatiaux.
L'invention met idéalement en œuvre un concentrateur solaire permettant un taux de concentration pouvant atteindre 20.000 soleils au point focal dénommé hyper concentrateur. Il est dès lors possible d'utiliser une fibre optique, idéalement creuse, pour arriver à un taux de concentration de l'ordre de 30.000 soleils et transporter le flux solaire à distance vers une cible ou l'injecter dans un réacteur.
Cette densité d'énergie est dès lors suffisante pour assurer la dissociation spontanée et complète de la molécule d'eau simplement par une interaction lumière/matière dans ce procédé que nous dénommerons thermophotolyse puisque s'agissant de l'action conjuguée de plusieurs bandes du spectre optique visible et invisible sur un flux d'eau. Le terme « Thermo » provenant de température/agitation thermique provenant des rayons infrarouges, le terme « photo » provenant des photons du spectre visible ou supérieurs (UV,X), et « lyse » pour dissociation.
Une méthode de transport de l'énergie qui a été développée et utilisée plus récemment dans l'histoire est l'utilisation de guides optiques.
Le type de guide optique le plus connu est probablement la fibre optique. Cette dernière peut être faite de silice, de verre ou de polymère. Elle est généralement faite d'un cœur d'indice de réfraction nc et d'une gaine ayant un indice de réfraction ng moindre que celui du cœur. Le rayonnement qu'elle transporte se propage dans le cœur par réflexion totale interne.
Selon un autre aspect de l'invention, la fibre optique peut avantageusement être du type à cœur creux, auquel cas la puissance lumineuse transmise n'est pas assujettie à la pureté des matériaux mis en œuvre et peut dès lors transporter de très importantes puissances.
Selon un autre aspect de l'invention, le convertisseur d'énergie utilise le principe de la dissociation de la molécule d'eau en hydrogène et oxygène sous l'effet d'une énergie lumineuse de forte intensité.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique le brevet américain US3780722 décrivant un capteur solaire amélioré comprenant un récepteur solaire à fibre optique qui concentre passivement l'énergie solaire incidente pour la distribution sous forme de flux intensifié à une cible absorbante. Dans un mode de réalisation de l'invention, le présent capteur solaire comprend une boule de fibres façonnée en une surface de collecte arquée à une extrémité, les fibres se rétrécissant en un plan de sortie plat à l'extrémité opposée de la boule. Le rayonnement solaire pénétrant dans le collecteur au niveau de la surface collectrice est concentré dans la partie effilée de la boule et délivré sous forme de flux intensifié à une cible absorbante disposée en relation opérationnelle avec le plan de sortie, la cible absorbante étant soit une marmite, soit une masse de stockage thermique, ou la jonction chaude d'un générateur thermoélectrique .
Le brevet français FR2310309 décrit une autre solution de procédé et d'appareil pour la production de mélanges gazeux.
Inconvénients de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur concernant la production d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse ou PAC (piles à combustible) se caractérisent par leur faible efficacité (rendements de l'ordre de 50/60%), l'utilisation de matériaux coûteux (platine, métaux lourds,...), de produits chimiques, d'une maintenance accrue nécessitant une main d'œuvre hautement spécialisée, de l'échange régulier de ses constituants du fait de l'usure/érosion, et d'une source d'énergie électrique de très faible rendement (PV 6%, centrales thermiques/nucléaires 30%) abaissant les performances de transformation globale pour ne plus atteindre que quelques % au final. De plus les sources électriques connues ont un impact sociétal et environnemental important .
Les solutions de l'art antérieur concernant la production d'hydrogène et d'oxygène par voie solaire ne sont pas satisfaisantes car elles nécessitent des équipements complexes tels que de lourds concentrateurs paraboliques avec dispositifs héliostatiques associés à des catalyseurs à haute température utilisant des matériaux coûteux et se dégradant rapidement et dont le rendement est particulièrement faible.
Les solutions de l'art antérieur concernant la conversion de l'énergie pour la production d'hydrogène et d'oxygène ne sont pas non plus satisfaisantes car elles nécessitent des équipements complexes et de faible rendement et dont la durée de vie n'est pas adaptée à des processus industriels du fait d'une dégradation rapide de ses constituants.
Les solutions de l'art antérieur concernant la production d'hydrogène et d'oxygène par voie solaire directe ne sont pas satisfaisantes car elles nécessitent de puissants et encombrants concentrateurs paraboliques ne permettant pas d'obtenir une densité d'énergie suffisante pour dissocier la molécule d'eau au-delà d'un rendement de 40% et nécessitant un refroidissement important de l'enceinte du réacteur ainsi que de l'utilisation de catalyseurs se dégradant rapidement.
Les solutions de l'art antérieur concernant le transport de l'énergie solaire par des fibres optiques ne sont pas totalement satisfaisantes car elles nécessitent un traitement complexe de chacune des fibres afin de permettre un recueil optimal de l'énergie solaire sans dégradation de la fibre. De plus la quantité d'énergie est bien trop faible pour permettre une réelle efficacité du dispositif.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne en premier lien un concentrateur d'énergie solaire à haute densité dénommé hyper concentrateur, comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire constitué par une (ou plusieurs) fibre optique caractérisé en ce que l'entrée de la fibre optique est constitué par une zone non étirée de la préforme et l'extrémité de sortie est introduite dans un module de conversion énergétique.
Selon un mode de réalisation avantageux, ledit module de conversion énergétique est par exemple constitué par un réacteur pouvant être en graphite et dont les surfaces internes sont durcies pour éviter les phénomènes d'érosion, lequel peut s'ouvrir facilement pour permettre d'en changer les composants ou assurer l'entretien.
Ledit réacteur est relié à un moyen de mise sous vide lequel comprend à l'intérieur une buse de micronisation d'eau dans une zone recevant l'énergie lumineuse transmise, le réacteur de graphite présentant une sortie débouchant sur un vortex pour séparer l'oxygène et l'hydrogène, lesquels se retrouvent en deux circuits distincts.
A l'issue du vortex Le moyen de mise sous vide est avantageusement divisé en deux sections distinctes, l'une aspirant de l'hydrogène et l'autre de l'oxygène de manière à éviter leur mélange. Ledit moyen de mise sous vide est équipé d'un dispositif permettant de recycler les gaz ou vapeur non incomplètement séparés et de les réinjecter au sein du réacteur. Selon une variante particulière, l'extrémité de sortie d'une fibre optique de collecte d'énergie solaire est engagée dans ladite cavité.
Avantageusement, ladite buse de micronisation est disposée en face de l'extrémité de sortie de ladite fibre optique, de manière coaxiale ou non.
Selon une variante, ledit réacteur comporte un injecteur d'eau pour la brumisation d'un très fin flux ou vapeur d'eau qui sera soumis à une température résultant de l'interaction avec le faisceau d'énergie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et 02.
Selon une autre variante, ledit réacteur présentant un séparateur pour dissocier l'eau brumisée ou la vapeur par thermophotolyse et produire un jet de molécules de masses différentes séparé par l'intermédiaire d'un dispositif de type vortex cyclonique générant deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène. 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 fibre
- la figure 2 représente une vue schématique du convertisseur énergétique.
L'invention décrite en référence aux figures 1 et 2 concerne un dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène à partir d'un concentrateur d'énergie solaire comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire constitué par une ou plusieurs fibres optiques, de préférence creuses. L'entrée et la sortie de la ou des fibres optiques (1) est constituée par une zone non étirée (3) de la préforme permettant le transport distant du flux solaire.
Les extrémités de la préforme (2) de la fibre creuse (1) comporte une fenêtre (3) ou couplage optique (collimation) plus un piège à gaz (en anglais "getter").
L'autre extrémité de la fibre (1) présente également une préforme/fenêtre de sortie (4) avec une optique de concentration (5) vers un point focal (6)
Le module de conversion énergétique est constitué par un réacteur (11) définissant un volume (11) sous vide, avec une arrivée d' eau/vapeur (12) et une entrée d' eau/vapeur Haute pression (13) alimentant une buse.
Les fibres optiques (14) présentent différentes conformations possibles, coaxiales jusqu'à perpendiculaires. A sortie (15) h2/o2 débouche dans un vortex et échangeur thermique.
Un équipement (16) réalise une préfiltration h2o résiduelle. Un séparateur ( 17 ) assure une séparation supplémentaire électrostatique/ électromagnétique. L'eau non dissociée est réinjectée dans le circuit. Le module (19) redirige des atomes vers leur circuit final. Un filtre (20) assure la filtration/purification finale et deux unités de pompage séparées (h2 et o2 ) (21) par des moteurs de pompe à vide.
Le module de conversion énergétique est constitué par un réacteur (11) par exemple en graphite présentant une cavité (11) dont les surfaces sont durcies pour éviter l'érosion, reliée à un moyen de mise sous vide, ledit module comprenant une buse (4) de micronisation d'eau à l'intérieur de ladite cavité (11), dans une zone recevant l'énergie lumineuse transmise, le réacteur (11) de graphite présentant une sortie (18) débouchant sur un vortex pour séparer l'oxygène et l'hydrogène.
La buse de micronisation est disposée en face de l'extrémité de sortie de ladite fibre optique, de manière coaxiale ou quasi perpendiculaire .
Le réacteur (10) comporte un injecteur d'eau pour la brumisation d'un très fin brouillard d'eau ou de vapeur qui sera soumis à une température élevée et action de photons résultant de l'interaction avec le (les) faisceau d'énergie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et 0.
Description du transport énergétique entre le collecteur d'énergie et le convertisseur énergétique
Le transport de l'énergie solaire concentrée par l'héliostat entre le collecteur d'énergie et le convertisseur énergétique est réalisé par une fibre optique ou par un faisceau de fibres optiques .
La fibre optique présente une ouverture numérique qui permet l'injection de tout le rayonnement solaire envoyé par le concentrateur. L'ouverture numérique est de préférence supérieure à 0,42. La fibre optique doit également transmettre le plus efficacement possible le spectre solaire, c'est-à-dire avec un minimum d'absorption. La tolérance de la fibre est d'au moins 500 °C notamment lorsque le rayonnement solaire injecté est fortement concentré et lorsque la fibre absorbe fortement une certaine bande du spectre solaire, créant un échauffement du guide dans sa première section.
De plus, la résistance à la chaleur rend plus simple son couplage avec l'accumulateur thermique. En effet, moins de mesures particulières ont à être prises afin d'éviter que le convertisseur énergétique ne transmette trop de chaleur au guide, créant sa surchauffe dans sa section près du convertisseur. La flexibilité ou maniabilité du guide est également un avantage à considérer afin de donner plus d'aisance quant à son installation sur la matrice de concentrateur. Les contraintes sont souvent au niveau du rayon de courbure minimum du guide à respecter.
De préférence, la fibre ou le faisceau de fibre est à base de silice préférentiellement creuse en raison de sa transmission du spectre solaire qui peut être excellente ainsi que de sa résistance à la chaleur. En effet, après intégration suivant le spectre solaire. L'absorption de telles fibres de silice est faible, de l'ordre de 0,014dB/m à 0,348dB/m lorsque la transmission est faite dans le cœur et les pertes sont inférieures lorsque la fibre est creuse.
Cela revient à dire que de 92,3 % à 99,7 % du spectre solaire injecté dans une portion de fibre d'un mètre de long sera transmis, sans tenir compte des pertes par réflexion en bout de fibre, ces pertes étant inférieures lorsqu'il s'agit d'une fibre creuse
Une limitation est au niveau de la focale maximale que peut avoir un concentrateur concerne le diamètre des fibres de silice sur le marché qui ne dépasse pas 1,5 mm au niveau du cœur. En effet, plus la focale est élevée, plus le point focal est grand. La grandeur théorique du point focal donné par le soleil est de 0,01 fois la focale du concentrateur. En considérant un concentrateur parfait, si on veut injecter toute l'énergie solaire collectée par ce dernier dans une fibre de silice de l,5nun, la focale ne peut être de plus de 150nun. Afin d'améliorer ce paramètre, le transport est assuré par une ou plusieurs fibres formées par étirage par exemple d'un ou plusieurs barreaux ou cylindres de verre dont on conserve 1 ' amorce
La fibre optique est formée par étirage d'un barreau (ou cylindres ou autres formes) présentant un diamètre initial par exemple de 100 millimètres et d'une longueur pouvant être de quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres.
La première étape consiste en l'assemblage des tubes et/ou d'une barre de silice cylindrique montés concentriquement. On chauffe le tout pour assurer l'homogénéité du barreau de verre.
Le barreau ainsi obtenu sera idéalement installé verticalement dans une tour et chauffé par exemple avec des rampes à gaz, électrique ou même solaire. Le verre va s'étirer et "couler" vers le bas pour être enroulé sur une bobine. On mesure l'épaisseur de la fibre pour asservir la vitesse du moteur de l'enrouleur, afin d'assurer un diamètre constant.
Lorsque la longueur désirée est obtenue, on conserve la zone d'étirage où le barreau est prolongé par la partie effilée (1), et on coupe le barreau pour conserver un talon (2) d'une longueur de quelques millimètres, dont on polit l'extrémité selon un plan de coupe transversal (3). Un clivage peut aussi être effectué pour réaliser une coupe nette
Pour une surface de collecte étendue, on associe plusieurs fibres ainsi réalisées pour former un faisceau dont la zone de collecte est constituée par la juxtaposition des extrémités frontales (3).
La mise en forme peut aussi être réalisée avec tout autre procédé d'étirage adapté pouvant être horizontal (inspiré du dispositif d'étirage de colonnes capillaires de chromatographes en silice), ou dont le chauffage/fusion serait effectué par voie solaire Description du convertisseur énergétique
Selon un aspect non limitatif de l'invention, la dissociation de l'eau par l'énergie solaire est assurée par un principe de thermophotolyse assurant la décomposition de l'eau, éventuellement en présence d'un catalyseur, sous l'action de la lumière solaire et éventuellement de rayonnements additionnels, avec production de H2 et de 02, ou d'autres molécules comme H202, dans un réacteur formé idéalement par un corps de graphite (10) dont les surfaces sont durcies et présentant une cavité (11) sous vide partiel.
Ce réacteur est destiné à permettre une dissociation chimique de l'eau par l'action conjuguée de la chaleur et des photons, c'est- à-dire une rupture des molécules approchant 100% d'efficacité à 2.500° C au point d'impact, ou à des températures moindres en présence d'un catalyseur ou de rayonnements adaptés. Il s’ agit donc d’ une réaction chimique endothermique , donnant 2 H20 ® 2 H2 + 02 , et DH° = 286 kJ/mole. La séparation moléculaire pourrait s'effectuer soit par vortex cyclonique, les molécules étant éjectés à vitesse supersonique, soit par filtration membranaire, soit thermochimique ou tout autre procédé adapté, le poids moléculaire des atomes étant considérablement différent .
En préparant du dihydrogène/oxygène par photodissociation de l'eau par irradiation, en particulier par irradiation à partir de rayonnement solaire, il est possible de transformer de l'énergie lumineuse, en particulier de l'énergie solaire, en énergie chimique sous la forme de dihydrogène et di oxygène pouvant alors être séparés puis stockés. Cette énergie chimique sous la forme de dihydrogène/dioxygène stocké peut alors être transportée ou être utilisée ultérieurement.
Le réacteur (11) est par exemple réalisé en graphite ou en carbone/ graphite lequel est idéalement recouvert d'une couche mince telle qu'un carbure pour éviter les phénomènes d'érosion liés aux flux supersoniques
L'énergie solaire venant du concentrateur est transmise par l'intermédiaire d'une fibre (13), selon une direction axiale Le réacteur présente par ailleurs différents raccordements :
1°) Un injecteur d'eau ( 17 ) pour la brumisation d'un très fin brouillard d'eau qui sera soumis à une température de 2.500°C résultant de l'interaction avec le faisceau d'énergie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et 0.
2°) Une ou plusieurs fibres optiques amenant le flux solaire concentré
3°) Un séparateur ( 17 ) : L'eau dissociée par thermophotlyse produit un jet de molécules de masses différentes séparé par l'intermédiaire d'un dispositif de type vortex cyclonique générant deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène.
4°) Un retour des molécules d'eau non dissociées en provenance des dispositifs séparateurs pour être réinjectées et dissociées. Les ions hydrogène peuvent être séparés des ions oxygène à l'aide d'un vortex de Ranque-Hilsch et d'un champ électrostatique et/ou électromagnétique .

Claims

Revendications
1) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène à partir d'un concentrateur d'énergie solaire comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire constitué par une ou plusieurs fibres optiques (1) caractérisé en ce que l'entrée et la sortie de la ou des fibres optiques creuse est constituée par une zone non étirée (3) de la préforme (2) permettant le transport du flux solaire.
2) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un module de conversion énergétique est constitué par un réacteur (11) par exemple en graphite présentant une cavité (11) dont les surfaces sont durcies pour éviter l'érosion, reliée à un moyen de mise sous vide, ledit module comprenant une buse (4) de micronisation d'eau à l'intérieur de ladite cavité (11), dans une zone recevant l'énergie lumineuse transmise, le réacteur (11) de graphite présentant une sortie (8) débouchant sur un vortex pour séparer l'oxygène et l'hydrogène.
3) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite buse (4) de micronisation est disposée en face de l'extrémité de sortie de ladite fibre optique (1), de manière coaxiale ou quasi perpendiculaire .
4) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est constitué de préformes (2) formées aux extrémités donnant sur une fibre creuse ( 1 ) comportant une fenêtre ou couplage optique (collimation) plus un piège à gaz.
5) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit réacteur (11) comporte un injecteur d'eau (17) pour la brumisation d'un très fin brouillard d'eau ou de vapeur qui sera soumis à une température élevée et action de photons résultant de l'interaction avec le (les) faisceau d'énergie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et 0.
6) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit réacteur (11) présentant un séparateur pour dissocier l'eau brumisée par thermophotolyse et produire un jet de molécules de masses différentes séparé par l'intermédiaire d'un dispositif de type vortex cyclonique générant deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène.
7) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène selon la revendication 1 caractérisé en ce que 'il est constitué d'une pré-filtration et réinjection dans un réacteur recyclant l'eau résiduelle et d'un dispositif de séparation du type électrostatique et électromagnétique permettant une séparation et filtration accrue des composés h2/o2 ainsi que leur redirection .
8) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène selon la revendication 1 caractérisé en ce que 'il est constitué d'un réacteur recevant une ou plusieurs fibres optiques destinées à provoquer une réaction de thermophotolyse dont le rendement est amélioré par l'adjonction de moyens additionnels de séparation produisant des rayonnements électromagnétiques améliorant le rendement final, (diodes leds/laser/x) .
9) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il dispose d'un moyen de mise sous vide produisant une aspiration ainsi qu'une trempe moléculaire (refroidissement soudain) évitant la recombinaison ou explosion d'un mélange gazeux du type h2/o2.
10) Dispositif de production d'un couple hydrogène/oxygène selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des préformes, fibres et composants optiques sont recouverts d'une couche protectrice contre les agressions chimiques des composés de l'eau et h2/o2.
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