EP3983729A1 - Dispositif thermodynamique haut rendement hybride solaire et couple hydrogene-oxygene produisant une pluralite d'energies - Google Patents

Dispositif thermodynamique haut rendement hybride solaire et couple hydrogene-oxygene produisant une pluralite d'energies

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EP3983729A1
EP3983729A1 EP20743184.2A EP20743184A EP3983729A1 EP 3983729 A1 EP3983729 A1 EP 3983729A1 EP 20743184 A EP20743184 A EP 20743184A EP 3983729 A1 EP3983729 A1 EP 3983729A1
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absorber
energy
solar
solar energy
production system
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Sylvain Pare
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to the field of solar energy production from a system of concentrators ensuring the heating of a heat transfer fluid at high temperatures, up to 500 ° or even more than 700 ° C, in a heating element. thermal collection with an absorber placed at the focus of the concentrator or the series of concentrators.
  • a solar energy conversion device In general, the purpose of a solar energy conversion device is to provide useful power by transforming the energy of the collected solar radiation.
  • it comprises an absorber, that is to say a physical element whose function is to convert the incident solar electromagnetic energy into another form of useful usable energy (for example electrical energy in the case of 'a photovoltaic module or a thermoelectric module, thermal energy in the case of a solar water heater, etc.).
  • the useful power delivered by the device depends on several factors, including the efficiency of the conversion of the absorber, the surface of the absorber allocated to the collection of solar radiation (or “collection surface") and the power. solar radiation incident on the absorber.
  • the efficiency of the conversion depending on the technology used to produce 1 absorber, for a given technology, the useful power is therefore regulated by the surface allocated to the collection and the power of the radiation.
  • the surface allocated to collecting solar radiation is small, 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 solar concentrator (for example. a Cassegrain system, a mirror parabolic, a standard or linear Fresnel lens, a set of lenses, etc.).
  • the solar concentrator is an optical system which focuses solar radiation on a focal plane and the absorption surface of the absorber, plane, coincides with the focal plane of the concentrator. The focusing of the radiation on the absorption surface of the absorber thus makes it possible to compensate for the small dimension of the latter.
  • a solar energy conversion device based on a solar concentrator is sensitive to the angle of incidence of solar radiation, and this is all the more so as the absorption surface of the absorber is reduced. Indeed, there is always an angle of incidence of solar radiation, defined with respect to the optical axis of the solar concentrator, beyond which focusing is no longer carried out on the absorber itself.
  • concentration solar conversion systems are motorized (eg using a tracker) to follow the progression of the sun in the sky, to ensure a normal incidence of solar radiation.
  • concentration solar conversion systems are motorized (eg using a tracker) to follow the progression of the sun in the sky, to ensure a normal incidence of solar radiation.
  • this type of system requires very precise tracking of the sun, a slight angular offset (e.g. 0.1 °) with respect to the sun resulting directly in a significant drop in the performance of the device.
  • Patent US5884481 is also known, describing a heat engine heating assembly for transferring heat to the working fluid inside said heating assembly from solar energy and combustion gases produced by the combustion of a fuel, said heater assembly comprising:
  • sealing means for preventing said combustion gases from escaping from said housing through said opening.
  • the present invention relates to a system for producing energy by means of collecting solar energy and means of producing electricity, characterized in that the electricity generator comprises an absorber receiving the energy. solar energy for heating an expansion gas, said absorber being placed in an optional heating zone by a burner.
  • system according to the invention has all or some of the following characteristics:
  • the electricity production means are designed to receive thermal energy resulting from the recombination of the hydrolysis products in the absence of solar energy.
  • thermodynamic device the gas in the thermodynamic device is placed at the focus of a concentrator.
  • It further comprises means for supplying the electrical production means by an additional energy source in a reversible manner.
  • Thermodynamic device of the free piston type all operating either with concentrated solar energy, or with solar fuel (outside the sun), or even biogas or any other conventional heat source.
  • Cloudy passage detection preheating. Electricity production by a linear alternator
  • ENR New Renewable Energy
  • the present invention relates to the field of transforming solar energy into electricity with efficiencies of up to 60%, ie 10 times more than conventional PV (Photovoltaic) technology.
  • thermodynamic devices require heavy maintenance and have a limited lifespan
  • the present invention overcomes these problems by offering an extremely intelligent, efficient, sustainable and environmentally friendly solution for transforming solar energy using an extremely simple, efficient and particularly innovative process. very low cost and very high efficiency, the storage of which is done by means of solar fuel in a closed circuit with a lifespan of up to 40 years. In addition, the device can easily be produced with a carbon footprint close to zero.
  • a thermally insulated vacuum chamber closed by a window transparent to solar radiation receives 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 fluid working within the thermodynamic device, fluid being hydrogen.
  • the vacuum chamber can be insulated either by a set of vacuum walls (dewar style) or by a suitable high temperature insulation.
  • the thermal losses being used to produce heat for various applications linked to the device (cryogenic production) or for external applications (cooking, sterilization, hot air, etc.).
  • thermodynamic process is supplied with heat via a burner receiving solar fuel (h2 / o2) which produces a powerful exothermic reaction transmitted to the absorber.
  • Solar fuel is ideally in liquid cryogenic form, becoming gaseous after passing through an exchanger, for reasons of volumetric storage density, and its very low temperature makes it possible to increase the efficiency of the thermodynamic device correlatively.
  • the burner accepts any other suitable gas mixture (biogas, methane, petroleum, etc.), and the absorber any suitable heat source.
  • the combustion residue of solar fuel is water vapor, which can be recycled indefinitely in a closed circuit process.
  • the heat produced by the water vapor can ideally be recovered via an exchanger, as well as all the thermal losses of the invention which make it possible to supply a certain number of thermal processes such as cooking, sterilization, the production of drinking water by distillation, or even supplying 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 advantage of liquefaction is to obtain a storage volume at least double of compression processes such as in tanks at 700 bars, the density then being 42 kg of h2 / m3 and 71 kg h2 / m3 in cryogenic form. .
  • the other advantage is that storage in liquefied form avoids the risk of explosion associated with pressure tanks.
  • the solar fuel being composed of h2 and o2, the device can be continuously recharged with working gas h2 from the thermodynamic device to compensate for the losses caused in particular by the phenomenon of gas diffusion. These losses usually prevent the use of H2 and require the use of a rare and expensive gas, non-renewable, such as helium, the performance of which is lower.
  • thermodynamic device operates with a hot source and a cold source, the terminal efficiency being a function of the temperature difference, the higher this differential, the greater the final efficiency.
  • the best known thermodynamic machines, of the Stirling type make it possible to obtain efficiencies of the order of 40% with a hot temperature of 800 ° C., and a cold temperature linked to the ambient temperature, ie approximately 25 ° C.
  • the invention makes it possible to obtain much higher working temperatures, 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 reach yields greater than 60%.
  • the hot temperature is obtained from the absorber which receives the heat from the concentrated solar flux or the flame from the solar fuel, which reaches 2800 ° C at the hottest point, or from another heat source (biogas, methane , oil,).
  • 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 particular properties.
  • the absorber is designed to receive both concentrated solar radiation and a flame or to produce solar fuel at high temperature by thermolysis of water on the absorber.
  • thermodynamic device consists of a process with free pistons being coaxial in a cylinder, the whole being in a closed cavity filled with H2 at high pressure, for example 150 or 200 bars, the H2 being the working fluid.
  • the first piston called the displacer is located in the immediate vicinity of the absorber. As the gas heats up its volume increases and moves the displacement piston, this volumetric change acting on the second so-called working piston, which will move in proportion to the first.
  • FCEM counter electromotive force
  • the pistons move and are centered by an "air cushion", which is h2, called a h2 cushion.
  • This H2 cushion is generated by grooves located on the periphery of the pistons, these generating micro vortices within the cavities thus created, which result in local overpressures and thus prevent the pistons from touching the walls of the cylinder and therefore to avoid any friction thus causing no wear and thus making it possible to produce a hermetic unit like refrigeration compressors, with a lifespan of the order of 40 years.
  • the present invention relates to an energy production system 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 device. thermodynamic, said absorber being placed in an optional heating zone by a burner.
  • the system comprises a vacuum enclosure having internal / external thermal insulation and an anti-reflective window.
  • an air / or hydrogen cushion is used.
  • the recovery of heat losses operates a cryogenic cold generator and activates a vacuum pump.
  • the system according to a variant further comprises hydrolysis means for generating a hydrogen-oxygen pair (“solar fuel” trade name) by solar h2o concentration on a hot surface.
  • hydrolysis means for generating a hydrogen-oxygen pair (“solar fuel” trade name) by solar h2o concentration on a hot surface.
  • thermodynamic module The h2 losses are compensated by gas diffusion by taking a fraction of solar fuel (trade name) and re-injection into the thermodynamic module
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of a second embodiment. Schematic description of the invention
  • FIG. 1 represents a schematic view of a first exemplary embodiment
  • the installation comprises for example a solar concentration system illustrated schematically in the example described by a plane collector (1) forming a diffraction grating of the Fresnel sensor type returning the solar radiation to a hemispherical concentrator (2) mounted on a orientable structure to concentrate the radiation at a point located at the level of a capture equipment formed by an enclosure (3) under vacuum opening through a window transparent to concentrated solar radiation (4).
  • a plane collector (1) forming a diffraction grating of the Fresnel sensor type returning the solar radiation to a hemispherical concentrator (2) mounted on a orientable structure to concentrate the radiation at a point located at the level of a capture equipment formed by an enclosure (3) under vacuum opening through a window transparent to concentrated solar radiation (4).
  • the vacuum chamber (3) defines an absorbent cavity limiting losses by diffusion in the air.
  • the window (4) is covered with an anti-reflection coating in the adequate spectrum to avoid more than 30% optical / thermal losses.
  • General thermal insulation can be obtained, for example, with aerogels, expanded perlite, or even certain forms of carbon / graphites with excellent insulating properties and at low cost since these are abundant and recycled materials. It can also be a set of dewar type vacuum chambers.
  • the enclosure (3) contains an absorber (5) made of a suitable material such as ceramic.
  • the surface of the absorber (5) has microcavities produced during molding, to approximate the characteristics of a black body.
  • the enclosure (3) has several interfaces with conduits (6 to 9):
  • This duct (6) allows controlled transfer to additional equipment for the use of hot air, and also makes it possible to reduce the pressure inside the chamber (3) and evacuate the combustion products.
  • thermochemical reaction starts at high temperature (between 850 ° C and 900 ° C) and becomes complete around 2500 ° C.
  • 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 as biogas or any other source.
  • a cloud detection system (10) and pre-heating completes the installation.
  • FIG. 2 represents a schematic view of a second exemplary embodiment.
  • This energy 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,) with a view to their storage, then a Stirling refrigeration device (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 vector during night or unfavorable weather conditions, with a view to reinjection via a burner.
  • the separation of the gaseous components obtained by thermolysis is ensured by a cell separating the gases resulting from thermolysis, and which can be either a supersonic vortex, an HT electrolysis, a protonic membrane, etc.
  • the absorber (5) is made, by way of example, for example of ceramic or any suitable material.
  • the absorber (5) is thermally coupled to an electricity generator (10) constituted by a thermally insulated confinement enclosure (11) inside which is positioned a high cylinder pressure (12) coaxial.
  • This high pressure cylinder (12) is also thermally insulated.
  • Air or water exchangers (15, 16) surround the confinement enclosures (11) and electrical coils (17).
  • the general composition in the form of nested cylinders allows the optimization of surfaces and volumes, while minimizing pressure losses.
  • this type of arrangement allows manufacture but also easy assembly.
  • the seals between piston / cylinder segments can be achieved by grooves generating micro vortices.
  • a possible additional stage of larger dimension could use with more conventional materials such as aluminum, PTFE, steels, cast iron, etc.
  • the device benefits from a continuously adjustable feedback via the electric generator which advantageously replaces the mechanical spring or the connecting rod by the f.c.e.m (counter electromotive force).
  • f.c.e.m counter electromotive force
  • the electromagnetic control of the pistons allows easier starting by acting on them and initiating the starting process.
  • This type of motor is reversible to produce cold, or heat. This configuration is possible by using the linear electric generator as a motor via the control electronics.
  • the invention has appropriate sensors and computers making it possible to detect in advance a cloudy passage and to anticipate the operation of the additional heat source (hho or other) before the decrease in solar power.

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Abstract

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 (5) recevant l'énergie solaire pour chauffer un dispositif thermodynamique, ledit absorbeur (5) étant disposé dans une zone de chauffage optionnel par un bruleur (8).

Description

DISPOSITIF THERMODYNAMIQUE HAUT RENDEMENT HYBRIDE SOLAIRE ET COUPLE HYDROGENE-OXYGENE PRODUISANT UNE PLURALITE D'ENERGIES
Domaine de 1 ' 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 500° 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 1 ' 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 1' 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 1 ' 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 WO2013142911 décrivant un récepteur-chambre de combustion hybride pour capter 1 ' 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 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 1 ' 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 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 œuvre 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 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/o2) 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 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 continûment 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. 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, pétrole,...). 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 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 entraînant 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. Contrairement aux machines connues, le dispositif selon l'invention permet de maintenir cette résonnance en agissant continûment 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 œuvre 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 HH0 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 1 ' 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 (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 .

Claims

Revendications
1) Système de production d'énergie comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité comportant un absorbeur (5) recevant l'énergie solaire pour chauffer un dispositif thermodynamique, ledit absorbeur (5) étant disposé dans une zone de chauffage optionnel par un bruleur (8) caractérisé en ce que la surface dudit 1' absorbeur (5) présente des microcavités.
2) Système de production d'énergie comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité selon la revendication 1 caractérisé en ce que qu'il comprend une enceinte sous vide présentant une isolation thermique interne/externe et une fenêtre antireflet.
3) Système de production d'énergie comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit 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, un piston haute-pression (13) se déplaçant dans ledit cylindre haute pression (12) pour assurer la compression cyclique d'un gaz actionnant un deuxième étage comprenant un piston basse-pression (14).
4) Système de production d'énergie comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire et des moyens de production d'électricité selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enceinte (3) entourant ledit absorbeur (5) présente plusieurs interfaces avec des conduits (6 à 9) :
- 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.
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