EP3983730A1 - Hybrid radiation absorber for solar power plant, and method for preparing such an absorber - Google Patents

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

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EP3983730A1
EP3983730A1 EP20743185.9A EP20743185A EP3983730A1 EP 3983730 A1 EP3983730 A1 EP 3983730A1 EP 20743185 A EP20743185 A EP 20743185A EP 3983730 A1 EP3983730 A1 EP 3983730A1
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EP
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absorber
power plant
thermal power
solar
solar thermal
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    • Y02E10/46Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present invention relates to the field of energy absorbers, the characteristics of which are similar to the behavior of a black body.
  • the black body is an ideal object that would perfectly absorb all the electromagnetic energy it receives, without reflecting or transmitting it. Under the effect of thermal agitation, the black body emits electromagnetic radiation. In thermal equilibrium, emission and absorption are balanced and the radiation actually emitted depends only on the temperature (thermal radiation).
  • Gaseous fluid Stirling / Ericsson type external combustion engine, hot air turbine (turbo alternators), industrial processes, cooking, etc ...
  • the liquid fluid can be water that you want to heat , a liquid to be sterilized, a production of steam to supply a standard turbo alternator, a DHW (domestic hot water / heating), various fluids, ...
  • the invention relates more particularly to the field of absorbers intended for the production of energy from solar radiation by thermo-solar power plants supplemented by an ideally hho or renewable flame.
  • Thermo-solar processes have better yields than photovoltaic processes, of the order of 30%, on the other hand, they are more bulky and suitable for a large production of electricity.
  • thermodynamic efficiency is correlatively linked to the inlet temperature which requires to be high enough for the best efficiency.
  • Existing devices are limited to 650/800 ° C and therefore cannot exceed 40% efficiency.
  • the invention makes it possible to reach 1200 ° C. and therefore to reach and exceed 60% of net efficiency.
  • solar and "solar fuel” hho (or biogas, petroleum derivatives, etc.)
  • the solar radiation absorber element which forms part of the receiver.
  • the latter In order to maximize the efficiency of the absorber, the latter generally has a coating, called a selective coating or a selective treatment.
  • the selective coating is intended to allow maximum absorption of incident solar energy while re-emitting as little infrared radiation as possible (black body principle).
  • black body principle In particular, such a selective coating is considered perfect if it absorbs all wavelengths less than a cutoff wavelength and reflects all wavelengths greater than this same cutoff wavelength.
  • the optimum cutoff wavelength depends on the operating temperature of the absorber element considered and is generally between 1.5 pm and 2.5 pm. It is, for example, about 1.8 ⁇ m for a temperature of the order of 650 K.
  • the patent application US2015033740 describes a solar receiver comprising: • a low pressure fluid chamber configured to operate at pressures of up to 2 atmospheres, and including a fluid inlet, a fluid outlet and an opening to receive concentrated solar radiation;
  • Patent application US4047517 describes a radiant energy receiver comprising a plurality of elongated vane structures arranged in a converging configuration from an exterior portion thereof to an interior throat portion thereof, the exterior surfaces to the surfaces.
  • intermediate vanes being at least in part a reflective surface and the surfaces intermediate the inner surfaces of the vanes being at least in part of a selective surface which absorbs radiant energy hitting the selective surface at a small angle of incidence, but reflects such energy striking at a larger angle of incidence, the radiant energy striking the outer parts of the vane being reflected back to the converging groove of the vanes and the radiant energy in the inner part hitting the selective surface at an angle d 'relatively low incidence, as would indicate an incipient or actual reversal of the direction of movement of the radiant energy e relative to the vanes is absorbed while that striking the selective surface at a relatively large angle of incidence is reflected in the groove of the vanes to generate a high temperature adjacent to the groove of the vanes.
  • the invention relates, in its most general sense, to a solar radiation absorber, for a concentrated solar thermal power plant, characterized in that a monolithic piece of silicon carbide is formed, the absorption surface of which is formed. is for example coated with tungsten dendrites (or other substrate)
  • the invention also relates to a thermal collector for a concentrated solar thermal power plant, characterized in that it is formed by a cavity, for example made of graphite with a transparent inlet window in which the absorber according to the invention is arranged, formed by a monolithic silicon carbide part, the absorption surface of which is ideally coated with tungsten (or other) dendrites.
  • the senor comprises a burner arranged inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.
  • it comprises an optical fiber transporting solar energy to said absorber.
  • the invention also relates to a system consisting of a thermal sensor for a concentration solar thermal power station thermally and mechanically coupled to the inlet of a thermal machine, characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with an inlet window. transparent in which is arranged an absorber formed by a monolithic piece of silicon carbide whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.
  • said expansion machine with an upper part made of silicon carbide.
  • the invention also relates to a process for preparing an absorber according to the invention, characterized in that it comprises a step of depositing a thin layer absorbing the radiation, which may consist for example of a projection by plasma torch or flux.
  • Said layer can also advantageously be deposited right out of the molding, the paste obtained being relatively tacky and thus allowing easy fixing of the dendrites by simple mechanical spraying or powdering.
  • the method comprises a step of laser projection of tungsten dendrites onto the surface of a monolithic part made of silicon carbide.
  • the invention relates to;
  • a thermal collector for a concentrated solar thermal power plant characterized in that it is formed by a vacuum insulated cavity, for example in graphite, with a transparent inlet window in which an absorber is placed, formed from a monolithic piece of silicon carbide big purity whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.
  • this solar radiation absorber for a concentrated solar thermal power plant, has:
  • honeycomb configuration of which the cells are conical / flared with a greater height in the center and having microcavities.
  • a sealed spherical upper / lower supporting interface serving as an assembly / sealing flange with a support having a nest and fins and a threaded connection of a pipe on a thermodynamic device.
  • a burner arranged inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.
  • the invention also relates to a system constituted by a thermal sensor for a solar thermal power plant with aforementioned concentration, thermally and mechanically coupled to a pipe (hot fluid outlet) or to the inlet of a thermal machine, characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with a transparent inlet window in which is disposed an absorber formed of a monolithic piece of silicon carbide, the absorption surface of which is coated with tungsten dendrites.
  • said expansion machine with an upper part made of silicon carbide.
  • it comprises a step of plasma projection of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part. in silicon carbide and / or a powder deposition step during the production in a pasty phase of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part in silicon carbide.
  • FIG. 1 shows an absorber seen in section, upper part upwards (sun / flame) comprising the honeycomb, the sealed interface in the middle (3) and the fins of the fluid exchanger below
  • FIG. 2 shows a bottom view of the exchanger with its helical cone in the center.
  • FIG. 3 shows a section of the interface and the lower part alone.
  • FIG. 5 is a simplified representation of the honeycomb matrix
  • FIG. 6 is a representation of a first form of tungsten dendrite enlarged
  • FIG. 6A is a representation of another form of enlarged tungsten dendrite
  • FIG. 8 shows an external confinement enclosure (unit for a solar concentrator).
  • FIG. 10 shows a 3D representation of the helical cone for understanding the device. Description of the context of use of an absorber according to
  • the thermal sensor absorbs solar radiation to transform it into heat. This heat is then transmitted to a heat transfer fluid.
  • a collector is made up of an absorber, a heat transfer fluid, an insulation, sometimes a glazing and reflectors.
  • the absorber is one of the most important parts of a thermal sensor; it converts solar radiation into heat.
  • the solar absorption factor a * (or absorptivity): the ratio of the light radiation absorbed by the incident light radiation;
  • the infrared emission factor e (or emissivity): the ratio between the energy radiated in the infrared when the absorber is hot and that which a black body would radiate at the same temperature.
  • the aim is to obtain the best solar absorption factor / infrared emission factor ratio. This ratio is called selectivity.
  • the material constituting the absorber is generally copper or aluminum, but also sometimes plastic. The properties of some materials used as absorbers.
  • a honeycomb structure (1) exposed to solar radiation through a window (10). It is fixed to the enclosure by a flange (2).
  • a membrane (3) forms a sealed interface.
  • a seal (4) seals between the flange (2) and an internal shoulder of the enclosure.
  • a structure (6, 12) has a central helical frustoconical section with lower fins (5). It is fixed by screws (7).
  • a shutter disc (11) extends under the structure (12).
  • a burner injects hot gases. This zone also has evacuation openings (14).
  • the honeycomb structure receives the heat flow, and has a sealed interface in the center, with a flange on the sides with the fins over the entire height (allows to withstand high pressures), below in the center the helical cone
  • the shutter disc allows the fluid circuit to be sealed and allows circulation from the periphery to the center and vice versa (reversible / alternative)
  • the heat transfer fluid (or heat transfer fluid) makes it possible to evacuate the heat stored by the absorber and to transmit it towards there where it should be consumed.
  • a good heat transfer fluid must take into account the following conditions:
  • the glazing makes it possible to protect the interior of the collector against the effects of the environment and to improve the efficiency of the system by greenhouse effect.
  • the main glazings used for thermal collectors are based on non-ferruginous glass or acrylic glass, and often have an anti-reflective coating.
  • the thermal insulation makes it possible to limit the thermal losses, its characteristic is the coefficient of conductivity; the weaker the better the insulation.
  • the main materials used for thermal sensors are rock and glass wool, polyurethane foams or even melamine resin.
  • the absorber according to the invention consists of a monolithic piece in CSi on which are deposited during the preparation in the pasty phase, or projected by laser or plasma, tungsten dendrites, a crystalline form absorbing 98% of the infrared radiation. red and has a melting point above 3,400 ° C.
  • dendrite is understood to mean a crystalline form obtained by solidification, and having a tree shape.
  • a snowflake for example, has a dendritic structure.
  • Said dendrites are preferably industrial residues or dust or be produced by the solar route at high temperature.
  • the agglomeration of the tungsten dendrites on the CSi can be carried out in a thin layer and at high temperature or by any other process.
  • the absorber thus forms a light trap, in particular using micro cavities produced during molding, to have characteristics close to a black body.
  • the main qualities of an absorber are: a) Ability to receive and transfer the maximum amount of energy b) To be a very good thermal conductor
  • the first quality of an absorber is its ability to receive radiation (sun / flame) and transfer it into a fluid with the best possible efficiency.
  • the absorber is in a vacuum chamber allowing perfect thermal insulation, which is ideally in graphite and covered with a window transparent to solar radiation and covered with an anti-reflection coating limiting optical losses.
  • the vacuum cavity is equipped with a burner making it possible to provide the necessary energy when there is no solar flow and an outlet is fitted to evacuate the combustion residues.
  • One of the suitable materials provided in the invention and which will be cited by way of example is CSi (silicon carbide) in relatively pure form.
  • Pure CSi is an excellent thermal conductor up to 1,200 ° C with a maximum conductivity of around 350 W / mk close to that of copper, which gives it exceptional properties, in addition it conducts IR (infra red) perfectly. . It withstands significant thermal shocks and its very high hardness and mechanical resistance makes it possible to design parts that can withstand very high stresses, thus allowing the production of thin parts in with excellent thermal conductivity. Chemically inert, it supports very high temperatures and does not deteriorate over time.
  • the absorber according to the invention is covered with a thin layer of tungsten dendrites on the face exposed to the heat source.
  • Tungsten dendrites have the property of perfectly capturing solar radiation or from a flame and transmitting it into a support substrate with an efficiency of 98%.
  • the dendrites are deposited by means of, for example, a plasma torch or any other suitable process, in particular when the CSi comes out of the molding phase, its adherent pasty consistency allowing perfect cohesion.
  • Known absorbers generally have a smooth surface, which reflects a large part of the radiation.
  • the invention has a geometry that acts as a light trap and is compared to a black body.
  • the surface consists of a honeycomb structure whose section is conical, thin at the top, and wide at the bottom.
  • the conical shape of the honeycomb allows easy demoulding Concerning the production, the state of the art does not currently allow the manufacture of parts with complex geometries, especially as for a good absorber it is necessary to limit maximum thickness, to the detriment of its strength, which is not currently possible in the state of the art because it requires machining with tools whose diameter and length are limited for mechanical reasons.
  • the invention enables these problems to be remedied by means of two innovative methods, one being high pressure isostatic pressing, the second in additive manufacturing by 3D printer.
  • the high pressure isostatic pressing developed by the inventor makes it possible to send a CSi paste into a mold formed of two or more parts, almost similar to plastic or metal injection, one for the upper part, and the second for the lower part, and possibly a third for the central helical cone which may require a screwing / unscrewing function or two independent half-shells of moldings. It is thus possible to obtain parts of complex geometry with a very small thickness, which may be of the order of a millimeter, the geometric architecture of the part allowing this type of realization.
  • the shutter disc can be added at once to obtain a monolithic part.
  • the second process successfully tested by the inventor is additive printing or 3D printing.
  • a nozzle or a set of nozzles deposits the CSi paste as it goes on a plate progressively forming a part of geometry whose complexity is almost infinite or the obtaining of shapes impossible to achieve otherwise.
  • the honeycomb surface ideally consists of a rough surface having microcavities which advantageously absorb light and allow easier attachment of the dendrites.
  • the fins of the lower part may have microcavities generating micro turbulence, which contribute on the one hand to increasing the heat exchange coefficients, on the other hand to reducing the friction on the surfaces increasing the overall efficiency.
  • the parts after various appropriate treatments, are then sintered in a high temperature furnace, traditionally supplied with gas or electricity, but can also ideally be sintered by the solar route at concentration to drastically reduce production costs.
  • the absence of the solar source is ideally compensated for by the combustion of a hho mixture which produces a very high quality flame at 2800 ° C, the residue of which is only water vapor which can be recycled indefinitely.
  • the hho mixture also called “solar fuel”, can ideally be produced by the solar route and lower the energy cost accordingly.
  • the other advantage of this solar process is that we can then consider a controlled annealing to release the tensions, this being very inexpensive.
  • the absorber although it is monolithic, is divided here into three sections for the sake of understanding the description.
  • the first section is the upper part receiving the heat flow
  • the second is the interface making it possible to support the two main sections and to carry out the assembly in a structure under pressure while guaranteeing tightness.
  • the third section is the lower part, which is responsible for transmitting thermal energy within a fluid.
  • the assembly is concave in shape so as to optimize the capture and transfer of energy, but also to ensure the best mechanical resistance by making the energy flows and the mechanical forces applied to the surfaces homogeneous.
  • the upper part is a honeycomb structure of conical shape flared towards the opposite part (Fig 4) so as to even out the temperature gradients, and its surface is covered with a thin layer of tungsten dendrites. .
  • These cones are taller and wider in the center due to the fact that a solar flux or a flame is always greater in its center, thus requiring a higher density of material which then transmits by conduction to the surrounding elements.
  • honeycomb structure is that it perfectly distributes both thermal and mechanical stresses.
  • the height of the honeycomb being greater at the center than at the periphery, both thermal and mechanical stresses are thus uniformly distributed over the entire surface and the structure can therefore undergo much greater pressure at its center. which allows to withstand the most extreme energy and mechanical densities, unlike known absorbers, for example made of stainless steel, the surface of which is smooth, spherical and of constant thickness.
  • an “interface” (sealed concave disc separating the lower and upper part), which receives the two exchange parts, upper and lower.
  • This interface ensures the continuity of the seal between the two opposite parts and good energy transmission uniformly distributed over its entire surface.
  • Its shape is preferably spherical and its concavity oriented towards the upper part (receiving the flow), which allows the absorber to withstand very high pressures with the smallest thickness possible, thus contributing to thermal efficiency.
  • This small thickness also makes it possible to limit the mechanical stress or the molecular defects known in a large thickness as well as the quality of the sintering, which is essential to ensure the durability and reliability of the absorber.
  • the outer periphery consists of a peripheral bearing surface similar to a flange, which is assembled with the external devices. This is of a thickness adapted to the stresses which will be subjected to it and is designed to fit into a cylinder of slightly larger section on which the absorber is positioned and ensure a tight assembly.
  • a ring identical to a seal which is made on the central periphery so as to apply pressure on a limited surface defined as within a flange, ideal in the context of very high pressures. applied.
  • This raised ring can also be replaced by a groove receiving a standard seal or be a flat surface for certain flat seals, in particular of the type metallic.
  • An insulating gasket for example made of graphite, can also be ideally considered to withstand high temperatures; the other advantage of this type of gasket is that it constitutes a thermal bridge thereby avoiding the transmission of heat to the external support.
  • the absorber is mounted directly on the external receiving cylinder as in Fig 8, and sufficient gas pressure is applied allowing rapid and easy mounting, like tubeless tires, considering all the more more than the window of the cavity receiving the absorber is ideally under vacuum. This avoids creating a mechanical stress during expansion differences of the various components of the device by allowing self-adjustment and displacement of the absorber on the sealed surface.
  • the lower part of the "flange” allows the mounting of additional components and devices and has in this sense elements allowing their mechanical connection such as threads or any suitable assembly system, in particular a quarter-turn type assembly to allow a quick and economical assembly.
  • Said threads or assembly devices can be on both sides to allow a durable and safe mechanical assembly while allowing perfect maintenance of the pressure to be exerted on the sealing device / joint.
  • the lower part in Figures 2 and 3 is made up of thin fins forming a rosette (terminology to be checked) allowing thermal energy to be transmitted to the heat transfer fluid or working fluid / to be heated.
  • the fins are nested in the "flange" part over their entire height so as to obtain a monolithic part which is particularly resistant to high pressures and to distribute the forces uniformly.
  • the concentrated solar flux is similar to a Gaussian curve, i.e. with a maximum intensity at its center. As a result, the fluid ideally comes from the periphery towards the center in order to avoid heat losses at the level of the sealing flange.
  • a "light” passesage
  • This light is imposed by a shutter disc affixed to the fins and locked by a process such as mounting lugs to prevent its displacement or any vibrations.
  • Its assembly can also advantageously be in monolithic form depending on the manufacturing method, the latter avoiding the addition of mechanical fixing / holding devices.
  • the fins are higher in their center than towards the periphery which allows on the one hand to optimize the heat exchanges, the greatest energy density being in the center, and on the other hand to contribute to the mechanical strength of the assembly when it is subjected to very high pressures made necessary in particular in thermodynamic devices, for example of the Stirling type. It is thus possible to have an interface of very low thickness while ensuring extreme mechanical resistance to very high pressures. Due to the particular geometry of the fins, a fast vortex is formed in the center of the lower structure, which is redirected outside the absorber by a helical frustoconical section taking the direction of the initial flow in a perpendicular direction or towards a piping, or to a piston for certain thermodynamic devices.
  • Said frustoconical section comprises helical shaped fins, which make it possible to direct the flow in the new perpendicular axis on the one hand, and to avoid overheating on the central zone most exposed to the incident thermal radiation on the other hand due to 'an increased flow speed by the Venturi effect.
  • the center of the cone is relatively thick while its end is thinner.
  • the lower base of the frustoconical section is advantageously curved in order to avoid excessive turbulence and pressure drops detrimental to the overall efficiency.
  • This helical shape approaches the shutter disc to avoid losses linked to leaks or guiding faults preferably in one direction of the fluid.
  • a shutter disc makes it possible to close and thus perfectly direct the fluid intended to be heated.
  • This disc has an opening in its center allowing the possible connection by a cylinder section on a pipe or sending on a piston, as well as an outer diameter slightly smaller than the diameter of the fins thus allowing the passage of the fluid from the periphery. .
  • a device for fastening with the body of the absorber is produced on the closure disc, the latter possibly being in several ways such as lugs, notches or any other assembly method, or constituting a monolithic assembly in the case of additive printing.
  • Another advantageous method being the assembly of the disc as soon as the body of the absorber comes out of molding, the adhesion then being easily done, or again during production by additive printing.
  • the lower part is also designed to allow a rapid alternating passage and without loss of load of fluids in the outward and return direction, as for example in the case of an FPSE process (free piston Stirling engine, this with frequencies which can be the order of several tens of cycles per second.
  • FPSE process free piston Stirling engine

Abstract

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

Description

ABSORBEUR HYBRIDE DE RAYONNEMENTS POUR CENTRALE SOLAIRE, ET PROCEDE DE PREPARATION D'UN TEL ABSORBEUR HYBRID RADIATION ABSORBER FOR SOLAR POWER PLANTS, AND PROCESS FOR PREPARING SUCH AN ABSORBER
Domaine de 1 ' invention Field of the invention
La présente invention concerne le domaine des absorbeurs d'énergie, dont les caractéristiques se rapprochent du comportement d'un corps noir. The present invention relates to the field of energy absorbers, the characteristics of which are similar to the behavior of a black body.
Le corps noir est un objet idéal qui absorberait parfaitement toute l'énergie électromagnétique qu'il reçoit, sans en réfléchir ni en transmettre. Sous l'effet de l'agitation thermique, le corps noir émet un rayonnement électromagnétique. À l'équilibre thermique, émission et absorption s'équilibrent et le rayonnement effectivement émis ne dépend que de la température ( rayonnement thermique ) . The black body is an ideal object that would perfectly absorb all the electromagnetic energy it receives, without reflecting or transmitting it. Under the effect of thermal agitation, the black body emits electromagnetic radiation. In thermal equilibrium, emission and absorption are balanced and the radiation actually emitted depends only on the temperature (thermal radiation).
Applications types non limitatives : Fluide gazeux : moteur à combustion externe type Stirling/Ericsson, turbine à air chaud (turbo alternateurs), process industriels, cuisson, etc... le fluide liquide peut être de l'eau que l'on souhaite chauffer, un liquide à stériliser, une production de vapeur pour alimenter un turbo alternateur standard, un ECS (eau chaude sanitaire/chauffage), fluides divers,... Typical non-limiting applications: Gaseous fluid: Stirling / Ericsson type external combustion engine, hot air turbine (turbo alternators), industrial processes, cooking, etc ... the liquid fluid can be water that you want to heat , a liquid to be sterilized, a production of steam to supply a standard turbo alternator, a DHW (domestic hot water / heating), various fluids, ...
L'invention concerne plus particulièrement le domaine des absorbeurs destinés à la production d'énergie à partir du rayonnement solaire par des centrales thermo-solaires complémentés par une flamme idéalement hho ou renouvelable Les procédés thermo-solaires ont de meilleurs rendements que les procédés photovoltaïques, de l'ordre de 30%, en revanche ils sont plus encombrants et adaptés pour une production importante d ' électricité . The invention relates more particularly to the field of absorbers intended for the production of energy from solar radiation by thermo-solar power plants supplemented by an ideally hho or renewable flame. Thermo-solar processes have better yields than photovoltaic processes, of the order of 30%, on the other hand, they are more bulky and suitable for a large production of electricity.
De nouveaux dispositifs couplant un moteur Stirling avec un concentrateur, sont actuellement développés pour produire du courant électrique. Toutefois le rendement thermodynamique est lié corrélativement à la température d'entrée qui nécessite d'être alors suffisamment élevée pour la meilleure efficacité. Les dispositifs existants sont limités à 650/800°C et ne peuvent donc dépasser les 40% de rendement. L'invention permet d'atteindre 1200°C et donc d'atteindre et dépasser 60% de rendement net . New devices coupling a Stirling engine with a concentrator are currently being developed to produce electric current. However, the thermodynamic efficiency is correlatively linked to the inlet temperature which requires to be high enough for the best efficiency. Existing devices are limited to 650/800 ° C and therefore cannot exceed 40% efficiency. The invention makes it possible to reach 1200 ° C. and therefore to reach and exceed 60% of net efficiency.
D'autre part l' absorbeur selon l'invention permet l'hybridation de différentes sources de chaleur, par exemple solaire et « solar fuel » = hho (ou biogaz, dérivés du pétrole, ... ), permettant ainsi un fonctionnement continu et à pleine puissance d'une installation malgré les variations ou absences du flux solaires. On the other hand, the absorber according to the invention allows the hybridization of different heat sources, for example solar and "solar fuel" = hho (or biogas, petroleum derivatives, etc.), thus allowing continuous operation and at full power of an installation despite variations or absence of solar flux.
Etat de la technique State of the art
Il existe différentes techniques pour concentrer les rayonnements solaires, pour transporter et éventuellement stocker la chaleur et pour convertir la chaleur en électricité. Dans tous les cas, un des éléments essentiels d'une centrale solaire thermique à concentration est l'élément absorbeur de rayonnements solaires qui forme une partie du récepteur. Afin de maximiser le rendement de l' absorbeur, celui-ci comporte en général un revêtement, appelé revêtement sélectif ou traitement sélectif. Le revêtement sélectif est destiné à permettre une absorption maximale de l'énergie solaire incidente tout en réémettant le moins possible de rayonnements infrarouges (principe du corps noir) . En particulier, un tel revêtement sélectif est considéré comme parfait s ' il absorbe toutes les longueurs d'ondes inférieures à une longueur d'onde de coupure et réfléchit toutes les longueurs d'ondes supérieures à cette même longueur d ' onde de coupure . La longueur d ' onde de coupure optimale dépend de la température de fonctionnement de l'élément absorbeur considéré et elle est en général comprise entre 1 ,5pm et 2,5pm. Elle est, par exemple, d'environ 1 ,8 pm pour une température de l'ordre de 650 K. There are different techniques for concentrating solar radiation, for transporting and possibly storing heat, and for converting heat into electricity. In any case, one of the essential elements of a concentrated solar thermal power plant is the solar radiation absorber element which forms part of the receiver. In order to maximize the efficiency of the absorber, the latter generally has a coating, called a selective coating or a selective treatment. The selective coating is intended to allow maximum absorption of incident solar energy while re-emitting as little infrared radiation as possible (black body principle). In particular, such a selective coating is considered perfect if it absorbs all wavelengths less than a cutoff wavelength and reflects all wavelengths greater than this same cutoff wavelength. The optimum cutoff wavelength depends on the operating temperature of the absorber element considered and is generally between 1.5 pm and 2.5 pm. It is, for example, about 1.8 μm for a temperature of the order of 650 K.
La demande de brevet US2015033740 décrit un récepteur solaire comprenant : • une chambre à fluide à basse pression configurée pour fonctionner à des pressions allant jusqu'à 2 atmosphères, et comprenant une entrée de fluide, une sortie de fluide et une ouverture pour recevoir le rayonnement solaire concentré ; The patent application US2015033740 describes a solar receiver comprising: • a low pressure fluid chamber configured to operate at pressures of up to 2 atmospheres, and including a fluid inlet, a fluid outlet and an opening to receive concentrated solar radiation;
• un absorbeur solaire logé dans la chambre de fluide basse pression; et • a solar absorber housed in the low pressure fluid chamber; and
• une pluralité d'objets transparents qui définissent une paroi segmentée de la chambre à fluide basse pression; • a plurality of transparent objects which define a segmented wall of the low pressure fluid chamber;
• dans lequel le rayonnement solaire concentré reçu à travers l'ouverture passe à travers la paroi segmentée et entre des objets transparents pour passer dans la chambre de fluide à basse pression et frappe 1 ' absorbeur solaire. • wherein the concentrated solar radiation received through the opening passes through the segmented wall and between transparent objects to pass into the low pressure fluid chamber and strikes the solar absorber.
La demande de brevet US4047517 décrit un récepteur d'énergie rayonnante comprenant une pluralité de structures à aubes allongées agencées dans une configuration convergente d'une partie extérieure de celle-ci à une partie intérieure de gorge de celle-ci, les surfaces extérieures aux surfaces intermédiaires des aubes étant au moins en partie une surface réfléchissante et les surfaces intermédiaires aux surfaces intérieures des aubes étant au moins en partie d'une surface sélective qui absorbe l'énergie rayonnante frappant la surface sélective à un petit angle d'incidence, mais reflète une telle énergie frappant à un angle d'incidence plus grand, l'énergie rayonnante frappant les parties extérieures de l'aube étant réfléchie vers la gorge convergente des aubes et l'énergie rayonnante dans la partie intérieure frappant la surface sélective à un angle d'incidence relativement faible, comme l'indiquerait une inversion naissante ou réelle de la direction de déplacement du l'énergie rayonnante par rapport aux aubes est absorbée tandis que celle frappant la surface sélective à un angle d'incidence relativement grand est réfléchie dans la gorge des aubes pour générer une température élevée adjacente à la gorge des aubes. Inconvénients de l'art antérieur Patent application US4047517 describes a radiant energy receiver comprising a plurality of elongated vane structures arranged in a converging configuration from an exterior portion thereof to an interior throat portion thereof, the exterior surfaces to the surfaces. intermediate vanes being at least in part a reflective surface and the surfaces intermediate the inner surfaces of the vanes being at least in part of a selective surface which absorbs radiant energy hitting the selective surface at a small angle of incidence, but reflects such energy striking at a larger angle of incidence, the radiant energy striking the outer parts of the vane being reflected back to the converging groove of the vanes and the radiant energy in the inner part hitting the selective surface at an angle d 'relatively low incidence, as would indicate an incipient or actual reversal of the direction of movement of the radiant energy e relative to the vanes is absorbed while that striking the selective surface at a relatively large angle of incidence is reflected in the groove of the vanes to generate a high temperature adjacent to the groove of the vanes. Disadvantages of the prior art
Les performances des solutions de l'état de la technique sont limitées par les capacités de conversion énergétique de l'absorbeur, ce qui conduit à des rendements limités. D'autre part les absorbeurs connus sont exposés à l'air libre générant une déperdition thermique importante. Les absorbeurs connus présentent une surface de captation lisse peu absorbante et fortement émissive. Les matériaux des absorbeurs connus ne permettent pas une utilisation dans les hautes températures et ne peuvent supporter de trop fortes pressions ou contraintes. The performances of the solutions of the state of the art are limited by the energy conversion capacities of the absorber, which leads to limited yields. On the other hand, the known absorbers are exposed to the open air generating a significant heat loss. Known absorbers have a smooth, poorly absorbent and highly emissive collection surface. The known absorber materials do not allow use in high temperatures and cannot withstand too high pressures or stresses.
Solution apportée par l'invention Solution provided by the invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est par exemple revêtue de dendrites de tungstène (ou autre substrat) In order to remedy these drawbacks, the invention relates, in its most general sense, to a solar radiation absorber, for a concentrated solar thermal power plant, characterized in that a monolithic piece of silicon carbide is formed, the absorption surface of which is formed. is for example coated with tungsten dendrites (or other substrate)
L'invention concerne aussi un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une cavité par exemple en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposée l'absorbeur selon l'invention formé par une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est idéalement revêtue de dendrites de tungstène (ou autres). The invention also relates to a thermal collector for a concentrated solar thermal power plant, characterized in that it is formed by a cavity, for example made of graphite with a transparent inlet window in which the absorber according to the invention is arranged, formed by a monolithic silicon carbide part, the absorption surface of which is ideally coated with tungsten (or other) dendrites.
Avantageusement, le capteur comporte un brûleur disposé à l'intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur. Advantageously, the sensor comprises a burner arranged inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.
Selon une variante, il comporte une fibre optique transportant l'énergie solaire vers ledit absorbeur. According to one variant, it comprises an optical fiber transporting solar energy to said absorber.
Avantageusement, une partie au moins de la surface intérieure de la cavité présente des cavités se comportant comme un piège à lumière (nid d'abeille conique). L'invention concerne aussi un système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration accouplé thermiquement et mécaniquement à l'admission d'une machine thermique caractérisé en ce que ledit capteur est formé par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé par une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène. Advantageously, at least part of the interior surface of the cavity has cavities behaving like a light trap (conical honeycomb). The invention also relates to a system consisting of a thermal sensor for a concentration solar thermal power station thermally and mechanically coupled to the inlet of a thermal machine, characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with an inlet window. transparent in which is arranged an absorber formed by a monolithic piece of silicon carbide whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.
Avantageusement, ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium. Advantageously, said expansion machine with an upper part made of silicon carbide.
L'invention concerne encore un procédé de préparation d'un absorbeur selon l'invention caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépôt d'une fine couche absorbant le rayonnement pouvant être constitué par exemple d'une projection par torche plasma ou flux solaire concentré de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium. Ladite couche peut aussi avantageusement être déposée dès la sortie du moulage, la pâte obtenue étant relativement collante et permettant ainsi la fixation aisée des dendrites par simple projection mécanique ou poudrage. The invention also relates to a process for preparing an absorber according to the invention, characterized in that it comprises a step of depositing a thin layer absorbing the radiation, which may consist for example of a projection by plasma torch or flux. solar concentrate of tungsten dendrites on the surface of a monolithic silicon carbide part. Said layer can also advantageously be deposited right out of the molding, the paste obtained being relatively tacky and thus allowing easy fixing of the dendrites by simple mechanical spraying or powdering.
Selon une variante, le procédé comporte une étape de projection par laser de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium. According to a variant, the method comprises a step of laser projection of tungsten dendrites onto the surface of a monolithic part made of silicon carbide.
Selon d'autres variantes, l'invention concerne ; According to other variants, the invention relates to;
Un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une cavité isolée sous vide par exemple en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé d'une pièce monolithique en carbure de silicium de grande pureté dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène . A thermal collector for a concentrated solar thermal power plant, characterized in that it is formed by a vacuum insulated cavity, for example in graphite, with a transparent inlet window in which an absorber is placed, formed from a monolithic piece of silicon carbide big purity whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.
Avantageusement, cet absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration présente : Advantageously, this solar radiation absorber, for a concentrated solar thermal power plant, has:
une configuration en nid d'abeille dont les cellules sont coniques/évasées avec une hauteur plus importante au centre et présentant des microcavités. a honeycomb configuration of which the cells are conical / flared with a greater height in the center and having microcavities.
une interface sphérique étanche supportant supérieur/inférieur faisant office de bride d'assemblage/étanchéité avec un support présentant un nid et des ailettes et un assemblage par filetages d'un tuyau sur un dispositif thermodynamique. a sealed spherical upper / lower supporting interface serving as an assembly / sealing flange with a support having a nest and fins and a threaded connection of a pipe on a thermodynamic device.
- des ailettes pour l'échange thermique avec le fluide en forme de rosaces et présentant des microcavités avec une hauteur plus élevée au centre. - fins for heat exchange with the fluid in the form of rosettes and presenting microcavities with a higher height in the center.
- un disque obturation et des lumières de passage du fluide . - a sealing disc and fluid passage ports.
- une section tronconique hélicoïdale centrale avec un renvoi à 90° et une forme évasée/conique. - a central helical frustoconical section with a 90 ° return and a flared / conical shape.
- un brûleur disposé à l'intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur. - a burner arranged inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.
- des surfaces d'échange avec microcavités. - exchange surfaces with microcavities.
L'invention concerne aussi un système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration susvisé, accouplé thermiquement et mécaniquement à une tubulure (sortie fluide chaud) ou à l'admission d'une machine thermique caractérisé en ce que ledit capteur est formé par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé d'une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène. The invention also relates to a system constituted by a thermal sensor for a solar thermal power plant with aforementioned concentration, thermally and mechanically coupled to a pipe (hot fluid outlet) or to the inlet of a thermal machine, characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with a transparent inlet window in which is disposed an absorber formed of a monolithic piece of silicon carbide, the absorption surface of which is coated with tungsten dendrites.
De préférence, ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium. Preferably, said expansion machine with an upper part made of silicon carbide.
Avantageusement, il comporte une étape de projection par plasma de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium et/ou une étape de dépôt par poudrage lors de l'élaboration en phase pâteuse de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium. Advantageously, it comprises a step of plasma projection of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part. in silicon carbide and / or a powder deposition step during the production in a pasty phase of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part in silicon carbide.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention Detailed description of a non-limiting example of the 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 : The present invention will be better understood on reading the detailed description of a non-limiting example of the invention which follows, with reference to the appended drawings where:
- La figure 1 représente un absorbeur vu en coupe, partie supérieure vers le haut ( soleil/flamme ) comportant le nid d'abeille, l'interface étanche au milieu (3) et les ailettes de l'échangeur fluide en dessous - Figure 1 shows an absorber seen in section, upper part upwards (sun / flame) comprising the honeycomb, the sealed interface in the middle (3) and the fins of the fluid exchanger below
- La figure 2 représente une vue de dessous de l'échangeur avec son cône hélicoïdal au centre. - Figure 2 shows a bottom view of the exchanger with its helical cone in the center.
- La figure 3 représente une coupe de l'interface et de la partie inférieure seule. - Figure 3 shows a section of the interface and the lower part alone.
- La figure 4 représente une vue des nids d'abeille - Figure 4 shows a view of the honeycombs
- La figure 4A représente une vue des dendrites - Figure 4A shows a view of the dendrites
- La figure 5 est une représentation simplifiée de la matrice nid d'abeilles - Figure 5 is a simplified representation of the honeycomb matrix
- La figure 6 est une représentation d'une première forme de dendrite de tungstène agrandies - Figure 6 is a representation of a first form of tungsten dendrite enlarged
- La figure 6A est une représentation d'une autre forme de dendrite de tungstène agrandies - Figure 6A is a representation of another form of enlarged tungsten dendrite
- La figure 7 représente une gros plan dendrites fusionnées sur le support en CSi - Figure 7 shows a close-up of dendrites fused on the CSi support
- La figure 8 représente une enceinte de confinement externe (unité pour concentrateur solaire). - Figure 8 shows an external confinement enclosure (unit for a solar concentrator).
- La figure 9 représente une coupe détaillée du cône hélicoïdal - Figure 9 shows a detailed section of the helical cone
- La figure 10 représente une représentation 3D du cône hélicoïdal pour la compréhension du dispositif. Description du contexte d'utilisation d'un absorbeur selon - Figure 10 shows a 3D representation of the helical cone for understanding the device. Description of the context of use of an absorber according to
1 ' invention The invention
Le capteur thermique permet d ' absorber le rayonnement solaire pour le transformer en chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise à un fluide caloporteur. Un capteur est composé d'un absorbeur, d'un fluide caloporteur, d'une isolation, parfois d'un vitrage et de réflecteurs. The thermal sensor absorbs solar radiation to transform it into heat. This heat is then transmitted to a heat transfer fluid. A collector is made up of an absorber, a heat transfer fluid, an insulation, sometimes a glazing and reflectors.
L ' absorbeur est l'un des éléments les plus importants d'un capteur thermique ; il convertit le rayonnement solaire en chaleur . The absorber is one of the most important parts of a thermal sensor; it converts solar radiation into heat.
L ' absorbeur se caractérise par deux paramètres : The absorber is characterized by two parameters:
le facteur d'absorption solaire a* (ou absorptivité): le rapport du rayonnement lumineux absorbé par le rayonnement lumineux incident; the solar absorption factor a * (or absorptivity): the ratio of the light radiation absorbed by the incident light radiation;
- le facteur d'émission infrarouge e (ou émissivité): le rapport entre l'énergie rayonnée dans l'infrarouge lorsque 1 ' absorbeur est chaud et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température . - the infrared emission factor e (or emissivity): the ratio between the energy radiated in the infrared when the absorber is hot and that which a black body would radiate at the same temperature.
Dans les applications de chauffage solaire, on cherche à obtenir le meilleur rapport facteur d'absorption solaire / facteur d'émission infrarouge. Ce rapport est appelé sélectivité. In solar heating applications, the aim is to obtain the best solar absorption factor / infrared emission factor ratio. This ratio is called selectivity.
Le matériau constituant 1 ' absorbeur est en règle générale en cuivre ou aluminium mais aussi parfois en matière plastique. Les propriétés de quelques matériaux utilisés comme absorbeurs . The material constituting the absorber is generally copper or aluminum, but also sometimes plastic. The properties of some materials used as absorbers.
La structure de l' absorbeur est illustrée par les figures 1, 2, 3 et 8. The structure of the absorber is illustrated in Figures 1, 2, 3 and 8.
Il comprend une structure (1) en nid d'abeille exposé au rayonnement solaire par l'intermédiaire d'un hublot (10). Elle est fixée sur l'enceinte par une bride (2). Une membrane (3) forme une interface étanche. Un joint (4) assure l'étanchéité entre la bride (2) et un épaulement interne de l'enceinte. Une structure (6, 12) présente une section tronconique hélicoïdale centrale avec des ailettes inférieures (5). Elle est fixée par des vis ( 7 ) . Un disque d'obturation (11) s'étend sous la structure (12).It comprises a honeycomb structure (1) exposed to solar radiation through a window (10). It is fixed to the enclosure by a flange (2). A membrane (3) forms a sealed interface. A seal (4) seals between the flange (2) and an internal shoulder of the enclosure. A structure (6, 12) has a central helical frustoconical section with lower fins (5). It is fixed by screws (7). A shutter disc (11) extends under the structure (12).
Dans la zone comprise entre le hublot (10) et la structure en nid d'abeille (1), un brûleur injecte des gaz chauds. Cette zone présente par ailleurs des orifices d'évacuation (14). In the area between the window (10) and the honeycomb structure (1), a burner injects hot gases. This zone also has evacuation openings (14).
La structure en nid d'abeilles reçoit le flux thermique, et présente une interface étanche au centre, avec une bride sur les côtés avec les ailettes sur toute la hauteur (permet de supporter de fortes pressions), en dessous au centre le cône hélicoïdalThe honeycomb structure receives the heat flow, and has a sealed interface in the center, with a flange on the sides with the fins over the entire height (allows to withstand high pressures), below in the center the helical cone
(permet de renvoyer le fluide à 90°), en bas le disque d'obturation = permet de rendre étanche le circuit fluide et permettre la circulation de la périphérie vers le centre et inversement ( réversible/alternatif ) (allows the fluid to be returned at 90 °), at the bottom the shutter disc = allows the fluid circuit to be sealed and allows circulation from the periphery to the center and vice versa (reversible / alternative)
Tableau 1 Table 1
Afin d'obtenir un meilleur rendement, certains systèmes sont donc constitués d'un revêtement particulier. In order to obtain a better performance, certain systems therefore consist of a particular coating.
Le fluide caloporteur (ou caloriporteur ) permet d'évacuer la chaleur emmagasinée par 1 ' absorbeur et de la transmettre vers là où elle doit être consommée. Un bon fluide caloporteur doit prendre en compte les conditions suivantes : The heat transfer fluid (or heat transfer fluid) makes it possible to evacuate the heat stored by the absorber and to transmit it towards there where it should be consumed. A good heat transfer fluid must take into account the following conditions:
- être chimiquement stable lorsqu'il atteint une forte température, en particulier lors de la stagnation du capteur; - be chemically stable when it reaches a high temperature, in particular when the sensor is stagnant;
- posséder des propriétés antigel en corrélation avec les conditions météorologiques locales; - possess antifreeze properties in correlation with local meteorological conditions;
- posséder des propriétés anticorrosives selon la nature des matériaux présents dans le circuit capteur; - possess anticorrosive properties depending on the nature of the materials present in the sensor circuit;
posséder une chaleur spécifique et une conductivité thermique élevées afin de transporter efficacement la chaleur; possess high specific heat and thermal conductivity in order to efficiently transport heat;
- être non-toxique et avoir un faible impact sur 1 ' environnement ; - be non-toxic and have a low impact on the environment;
- avoir une basse viscosité afin de faciliter la tâche de la pompe de circulation; - have a low viscosity in order to facilitate the task of the circulation pump;
- être facilement disponible et bon marché - be readily available and inexpensive
Le bon compromis par rapport à ces critères est un mélange d'eau et de glycol (utilisé dans le liquide de refroidissement des automobiles), même s'il n'est pas rare de trouver des systèmes fonctionnant à l'eau pure ou tout simplement à l'air selon 1 ' utilisation . The good compromise with respect to these criteria is a mixture of water and glycol (used in the coolant of automobiles), although it is not uncommon to find systems operating on pure water or simply in air according to use.
Le vitrage permet de protéger 1 ' intérieur du capteur contre les effets de l'environnement et d'améliorer le rendement du système par effet de serre. The glazing makes it possible to protect the interior of the collector against the effects of the environment and to improve the efficiency of the system by greenhouse effect.
Si l'on souhaite un vitrage efficace, il doit posséder les propriétés suivantes: If effective glazing is desired, it must have the following properties:
réfléchir le rayonnement lumineux au minimum quelle que soit son inclinaison; reflect the light radiation at least whatever its inclination;
- absorber le rayonnement lumineux au minimum; - absorb light radiation to a minimum;
- avoir une bonne isolation thermique en gardant le rayonnement infrarouge au maximum; - have good thermal insulation by keeping infrared radiation to the maximum;
résister dans le temps aux effets de l'environnement (pluie, grêle, rayonnement solaire,...) et aux grandes variations de températures. Les principaux vitrages utilisés pour les capteurs thermiques sont à base de verre non-ferrugineux ou en verre acrylique, et souvent dotés d'un revêtement anti-reflet. resist over time the effects of the environment (rain, hail, solar radiation, etc.) and large temperature variations. The main glazings used for thermal collectors are based on non-ferruginous glass or acrylic glass, and often have an anti-reflective coating.
L'isolant thermique permet de limiter les déperditions thermiques, sa caractéristique est le coefficient de conductivité; plus il est faible meilleur est l'isolant. Les principaux matériaux utilisés pour les capteurs thermiques sont la laine de roche et de verre, des mousses de polyuréthane ou encore de la résine de mélamine. The thermal insulation makes it possible to limit the thermal losses, its characteristic is the coefficient of conductivity; the weaker the better the insulation. The main materials used for thermal sensors are rock and glass wool, polyurethane foams or even melamine resin.
Quelques isolants utilisés pour les capteurs thermiques : Some insulators used for thermal sensors:
Tableau 2 Table 2
Dans le cas des capteurs thermiques vitrés, il est aussi intéressant de remplacer 1 ' isolation entre la vitre et 1 ' absorbeur par de l'air. En effet, l'air a un grand pouvoir d'isolation, il est ainsi utilisé dans le double vitrage. Toujours dans l'objectif d'obtenir de meilleurs rendements, certains fabricants utilisent d'autres gaz comme l'argon ou le xénon, et lorsque cela est possible, on préférera même utiliser le vide. Voici les coefficients d'isolation de gaz utilisés comme isolants : Tableau 3 In the case of glazed thermal collectors, it is also advantageous to replace the insulation between the pane and 1 absorber with air. Indeed, the air has a great power of insulation, it is thus used in the double glazing. Still with the aim of obtaining better yields, some manufacturers use other gases such as argon or xenon, and when possible, we will even prefer to use a vacuum. Here are the insulation coefficients of gases used as insulators: Table 3
Description de l' absorbeur selon l'invention Description of the absorber according to the invention
L' absorbeur selon l'invention est constitué par une pièce monolithique en CSi sur laquelle sont déposés lors de l'élaboration en phase pâteuse, ou encore projeté par laser ou plasma des dendrites de tungstène, une forme cristalline absorbant 98% du rayonnement infra-rouge et à un point de fusion supérieur à 3.400 °C. The absorber according to the invention consists of a monolithic piece in CSi on which are deposited during the preparation in the pasty phase, or projected by laser or plasma, tungsten dendrites, a crystalline form absorbing 98% of the infrared radiation. red and has a melting point above 3,400 ° C.
On entend par dendrite au sens du présent brevet une forme cristalline obtenue par solidification, et présentant une forme arborescente. Un flocon de neige, par exemple, a une structure dendritique. Lesdites dendrites sont préférentiellement des résidus ou poussières industrielles ou être réalisées par voie solaire à haute température. For the purposes of the present patent, the term “dendrite” is understood to mean a crystalline form obtained by solidification, and having a tree shape. A snowflake, for example, has a dendritic structure. Said dendrites are preferably industrial residues or dust or be produced by the solar route at high temperature.
L'agglomération des dendrites de tungstène sur le CSi peut être réalisée en couche mince et sous haute température ou par tout autre procédé. The agglomeration of the tungsten dendrites on the CSi can be carried out in a thin layer and at high temperature or by any other process.
L' absorbeur forme ainsi un piège à lumière, notamment à l'aide de micro cavités réalisées lors du moulage, pour présenter des caractéristiques proches d'un corps noir. The absorber thus forms a light trap, in particular using micro cavities produced during molding, to have characteristics close to a black body.
Description détaillée de l'invention Detailed description of the invention
Les principales qualités d'un absorbeur sont : a) Capacité à recevoir et transférer le maximum d'énergie b) Être un très bon conducteur thermique The main qualities of an absorber are: a) Ability to receive and transfer the maximum amount of energy b) To be a very good thermal conductor
c) Ne pas réfléchir ou rayonner les IR (infra rouge) c) Do not reflect or radiate IR (infra red)
d) Supporter une très forte densité énergétique d) Support a very high energy density
e) Supporter les chocs thermiques et rester inerte chimiquement e) Withstand thermal shocks and remain chemically inert
f ) Ne pas se détériorer dans le temps f) Do not deteriorate over time
g) Avoir un coût de fabrication le plus bas possible h) Être facilement industrialisable g) Have the lowest possible manufacturing cost h) Be easily industrializable
i) Avoir d'importantes propriétés mécaniques i) Have important mechanical properties
La première qualité d'un absorbeur est sa capacité à recevoir un rayonnement ( soleil/flamme ) et le transférer dans un fluide avec le meilleur rendement possible. The first quality of an absorber is its ability to receive radiation (sun / flame) and transfer it into a fluid with the best possible efficiency.
L' absorbeur se trouve être dans une enceinte sous vide permettant une isolation thermique parfaite, laquelle est idéalement en graphite et recouverte d'un hublot transparent au rayonnement solaire et recouverte d'un revêtement anti réflexion limitant les pertes optiques. La cavité sous vide est équipée d'un brûleur permettant d'apporter l'énergie nécessaire lors de l'absence du flux solaire et une sortie est aménagée pour évacuer les résidus de la combustion. The absorber is in a vacuum chamber allowing perfect thermal insulation, which is ideally in graphite and covered with a window transparent to solar radiation and covered with an anti-reflection coating limiting optical losses. The vacuum cavity is equipped with a burner making it possible to provide the necessary energy when there is no solar flow and an outlet is fitted to evacuate the combustion residues.
La majorité des absorbeurs connus utilisent des matériaux tels que l'inox, avec ou sans revêtement absorbant/sélectif . Ce matériau à un taux d'absorption très limité et rediffuse une bonne part du rayonnement infrarouge. D'autre part sa conductivité est très limitée puisque de l'ordre de 20 W/m.K, ce qui est très peu comparé à d'autres matériaux reconnus tels que le cuivre = 386 W/m.k qui s'avère être 20 fois meilleur conducteur thermique, propriété importante pour la qualité d'un absorbeur. Ensuite l'inox n'est utilisable que jusqu'à 800°C ce qui limite d'autant les rendements thermodynamiques avantageux dans les hautes plages de température. L'un des matériaux appropriés proposé dans l'invention et qui sera cité à titre d'exemple est le CSi (carbure de silicium) sous une forme relativement pure. The majority of known absorbers use materials such as stainless steel, with or without an absorbent / selective coating. This material has a very limited absorption rate and re-diffuses a good part of the infrared radiation. On the other hand, its conductivity is very limited since around 20 W / mK, which is very little compared to other recognized materials such as copper = 386 W / mk which turns out to be 20 times better conductor thermal, an important property for the quality of an absorber. Then stainless steel can only be used up to 800 ° C, which limits the advantageous thermodynamic efficiencies in high temperature ranges. One of the suitable materials provided in the invention and which will be cited by way of example is CSi (silicon carbide) in relatively pure form.
Le CSi pur est un excellent conducteur thermique jusqu'à 1.200 °C avec une conductivité maximale d'environ 350 W/m.k proche de celle du cuivre, ce qui lui confère des propriétés exceptionnelles, de plus il conduit parfaitement les IR (infra rouges). Il supporte d'importants chocs thermiques et sa très importante dureté et résistance mécanique permet de concevoir des pièces pouvant supporter de très fortes contraintes permettant ainsi la réalisation de pièces de faible épaisseur dans avec une excellente conductivité thermique. Inerte chimiquement, il supporte les très hautes températures et ne se dégrade pas dans le temps . Pure CSi is an excellent thermal conductor up to 1,200 ° C with a maximum conductivity of around 350 W / mk close to that of copper, which gives it exceptional properties, in addition it conducts IR (infra red) perfectly. . It withstands significant thermal shocks and its very high hardness and mechanical resistance makes it possible to design parts that can withstand very high stresses, thus allowing the production of thin parts in with excellent thermal conductivity. Chemically inert, it supports very high temperatures and does not deteriorate over time.
Par contre le CSi pur est entaché de plusieurs problématiques car il est quasi transparent au rayonnement solaire, ressemblant à du verre, et n'absorbe donc pas le flux solaire concentré. D'autre part il est très difficile de réaliser des pièces de géométrie complexe nécessaires pour réaliser des absorbeurs quasi parfaits. Enfin, sa mise en œuvre nécessite une très grande quantité d'énergie et de très hautes températures. On the other hand, pure CSi is marred by several problems because it is almost transparent to solar radiation, resembling glass, and therefore does not absorb concentrated solar flux. On the other hand, it is very difficult to produce parts of complex geometry necessary to produce almost perfect absorbers. Finally, its implementation requires a very large amount of energy and very high temperatures.
Pour remédier à cela, l'absorbeur selon l'invention est recouvert d'une fine couche de dendrites de tungstène sur la face exposée à la source de chaleur. Les dendrites de tungstène ont la propriété de capter parfaitement le rayonnement solaire ou provenant d'une flamme et le transmettre dans un substrat support avec une efficacité de 98%. Pour cela on dépose les dendrites par l'intermédiaire, par exemple, d'une torche à plasma ou tout autre procédé adapté, notamment lorsque le CSi sort de la phase de moulage, sa consistance pâteuse adhérente permettant une parfaite cohésion. To remedy this, the absorber according to the invention is covered with a thin layer of tungsten dendrites on the face exposed to the heat source. Tungsten dendrites have the property of perfectly capturing solar radiation or from a flame and transmitting it into a support substrate with an efficiency of 98%. For this, the dendrites are deposited by means of, for example, a plasma torch or any other suitable process, in particular when the CSi comes out of the molding phase, its adherent pasty consistency allowing perfect cohesion.
Pour absorber avec la plus grande efficacité possible un flux incident, il est nécessaire de réaliser une géométrie particulière qui puisse capter et piéger le rayonnement incident. Les absorbeurs connus ont en générale une surface lisse, laquelle réfléchit une grande part du rayonnement. L'invention dispose d'une géométrie agissant comme un piège à lumière et se compare à un corps noir. Pour cela la surface est constituée d'une structure en nid d'abeille dont la section est conique, fine en partie supérieure, et large en parie inférieure. Ainsi il est possible de capter avec la plus grande efficacité qui soit le rayonnement entrant car il ne peut ainsi s'échapper et est parfaitement capté par les dendrites qui transfèrent dès lors le flux dans le substrat en CSi. D'autre part la conformation conique du nid d'abeilles permet un démoulage aisé Concernant la réalisation, l'état de l'art ne permet pas actuellement de fabriquer des pièces à géométries complexes, d'autant que pour un bon absorbeur il faut limiter au maximum l'épaisseur, au détriment de sa solidité, ce qui n'est actuellement pas envisageable dans l'état de l'art car nécessitant un usinage avec des outils dont le diamètre et la longueur sont limités pour des raisons mécaniques. To absorb with the greatest possible efficiency an incident flux, it is necessary to produce a particular geometry which can capture and trap the incident radiation. Known absorbers generally have a smooth surface, which reflects a large part of the radiation. The invention has a geometry that acts as a light trap and is compared to a black body. For this, the surface consists of a honeycomb structure whose section is conical, thin at the top, and wide at the bottom. Thus it is possible to capture with the greatest efficiency that is the incoming radiation because it cannot escape and is perfectly captured by the dendrites which therefore transfer the flux into the substrate in CSi. On the other hand, the conical shape of the honeycomb allows easy demoulding Concerning the production, the state of the art does not currently allow the manufacture of parts with complex geometries, especially as for a good absorber it is necessary to limit maximum thickness, to the detriment of its strength, which is not currently possible in the state of the art because it requires machining with tools whose diameter and length are limited for mechanical reasons.
L'invention permet de remédier à ces problèmes grâce à deux procédés novateurs, l'un étant le pressage isostatique haute pression, le second en fabrication additive par imprimante 3D. Le pressage isostatique haute pression développé par l'inventeur permet d'envoyer une pâte de CSi dans un moule formé de deux ou plusieurs pièces, quasi similaire à l'injection plastique ou métallique, l'un pour la partie supérieure, et le second pour la partie inférieure, et éventuellement un troisième pour le cône hélicoïdal central pouvant nécessiter une fonction de vissage/devissage ou encore deux demi-coquilles de moulages indépendantes. Il est ainsi possible d'obtenir des pièces de géométrie complexe avec une très faible épaisseur, pouvant être de l'ordre du millimètre, l'architecture géométrique de la pièce permettant ce genre de réalisation. Le disque d'obturation pouvant être rajoutés dans la foulée pour obtenir une pièce monolithique . The invention enables these problems to be remedied by means of two innovative methods, one being high pressure isostatic pressing, the second in additive manufacturing by 3D printer. The high pressure isostatic pressing developed by the inventor makes it possible to send a CSi paste into a mold formed of two or more parts, almost similar to plastic or metal injection, one for the upper part, and the second for the lower part, and possibly a third for the central helical cone which may require a screwing / unscrewing function or two independent half-shells of moldings. It is thus possible to obtain parts of complex geometry with a very small thickness, which may be of the order of a millimeter, the geometric architecture of the part allowing this type of realization. The shutter disc can be added at once to obtain a monolithic part.
Le second procédé testé avec succès par l'inventeur est l'impression additive ou impression 3D. Une buse ou un ensemble de buses dépose la pâte de CSi au fur et à mesure sur un plateau formant progressivement une pièce à géométrie dont la complexité est quasi infinie ou l'obtention de formes impossibles à réaliser autrement . La surface en nid d'abeilles est idéalement constituée d'une surface rugueuse présentant des microcavités absorbant avantageusement la lumière et permettant une accroche plus facile des dendrites. De même, les ailettes de la partie inférieure peuvent présenter des microcavités générant des micro turbulences, lesquelles contribuent d'une part à augmenter les coefficients d'échange thermique, d'autre part à diminuer les frottements sur les surfaces augmentant le rendement global. The second process successfully tested by the inventor is additive printing or 3D printing. A nozzle or a set of nozzles deposits the CSi paste as it goes on a plate progressively forming a part of geometry whose complexity is almost infinite or the obtaining of shapes impossible to achieve otherwise. The honeycomb surface ideally consists of a rough surface having microcavities which advantageously absorb light and allow easier attachment of the dendrites. Likewise, the fins of the lower part may have microcavities generating micro turbulence, which contribute on the one hand to increasing the heat exchange coefficients, on the other hand to reducing the friction on the surfaces increasing the overall efficiency.
Les pièces, après différents traitements appropriés, sont ensuite frittées dans un four à haute température, traditionnellement alimenté par du gaz ou électrique, mais peuvent aussi idéalement être frittées par voie solaire à concentration pour diminuer drastiquement les coûts de production. L'absence de la source solaire étant idéalement palliée par la combustion d'un mélange hho lequel produit une flamme de très grande qualité à 2800°C dont le résidu n'est que de la vapeur d'eau laquelle peut indéfiniment être recyclée. Le mélange hho, aussi appelé « solar fuel », peut idéalement être produit par voie solaire et baisser d'autant le coût énergétique. L'autre avantage de ce procédé solaire est que l'on peut ensuite envisager un recuit contrôlé pour libérer les tensions, celui- ci étant très peu coûteux. The parts, after various appropriate treatments, are then sintered in a high temperature furnace, traditionally supplied with gas or electricity, but can also ideally be sintered by the solar route at concentration to drastically reduce production costs. The absence of the solar source is ideally compensated for by the combustion of a hho mixture which produces a very high quality flame at 2800 ° C, the residue of which is only water vapor which can be recycled indefinitely. The hho mixture, also called “solar fuel”, can ideally be produced by the solar route and lower the energy cost accordingly. The other advantage of this solar process is that we can then consider a controlled annealing to release the tensions, this being very inexpensive.
On peut ainsi envisager la production industrielle à très grande cadence de pièces de géométrie complexe et à très bas coût de fabrication tout en ayant un indice carbone proche ou égal à zéro et donc aucun impact environnemental . It is thus possible to envisage the industrial production at very high speed of parts of complex geometry and at very low manufacturing cost while having a carbon index close to or equal to zero and therefore no environmental impact.
L'absorbeur bien qu'il soit monolithique, est divisé ici en trois sections pour des raisons de compréhension de la description. La première section est la partie supérieure recevant le flux thermique, la seconde est l'interface permettant de supporter les deux sections principales et de réaliser l'assemblage dans une structure sous pression tout en garantissant l'étanchéité. La troisième section est la partie inférieure, laquelle est chargée de transmettre l'énergie thermique au sein d'un fluide. L'ensemble est de forme concave de manière à optimiser la captation et transfert d'énergie, mais aussi d'assurer la meilleure résistance mécanique qui soit en rendant homogènes les flux d'énergie et les forces mécaniques appliquées sur les surfaces . The absorber although it is monolithic, is divided here into three sections for the sake of understanding the description. The first section is the upper part receiving the heat flow, the second is the interface making it possible to support the two main sections and to carry out the assembly in a structure under pressure while guaranteeing tightness. The third section is the lower part, which is responsible for transmitting thermal energy within a fluid. The assembly is concave in shape so as to optimize the capture and transfer of energy, but also to ensure the best mechanical resistance by making the energy flows and the mechanical forces applied to the surfaces homogeneous.
La partie supérieure, décrite précédemment, est une structure en nid d'abeilles de forme conique évasée vers la partie opposée (Fig 4) de manière à uniformiser les gradients de température, et sa surface est recouverte d'une fine couche de dendrites de tungstène. Ces cônes sont plus hauts et larges au centre du fait qu'un flux solaire ou une flamme est toujours plus important en son centre, nécessitant de ce fait une densité de matière plus importante laquelle transmets ensuite par conduction aux éléments environnants. The upper part, described previously, is a honeycomb structure of conical shape flared towards the opposite part (Fig 4) so as to even out the temperature gradients, and its surface is covered with a thin layer of tungsten dendrites. . These cones are taller and wider in the center due to the fact that a solar flux or a flame is always greater in its center, thus requiring a higher density of material which then transmits by conduction to the surrounding elements.
Du fait des excellentes propriétés du CSi et de la méthode de mise en œuvre selon l'invention, il est possible de réaliser des ailettes de convection (nid d'abeille) d'une épaisseur de l'ordre du millimètre à sa partie haute. Le « bord d'attaque » (terminologie ?), qui reçoit le rayonnement solaire direct ou la flamme (donc le dessus), est arrondi pour éviter les angles vifs trop fragiles et permettre le démoulage Owing to the excellent properties of CSi and of the implementation method according to the invention, it is possible to produce convection fins (honeycomb) with a thickness of the order of a millimeter at its upper part. The "leading edge" (terminology?), Which receives direct solar radiation or the flame (therefore the top), is rounded to avoid too fragile sharp angles and to allow demoulding
L'autre intérêt de la structure en nid d'abeille est qu'elle répartie de manière parfaite les contraintes tant thermiques que mécaniques. La hauteur du nid d'abeille étant plus important au centre qu'en périphérie, les contraintes tant thermiques que mécaniques sont ainsi uniformément réparties sur l'ensemble de la surface et la structure peut dès lors subir une pression beaucoup plus importante en son centre ce qui permet de supporter des densités d'énergie et mécaniques les plus extrêmes, contrairement aux absorbeurs connus par exemple en inox dont la surface est lisse, sphérique et d'épaisseur constante. The other advantage of the honeycomb structure is that it perfectly distributes both thermal and mechanical stresses. The height of the honeycomb being greater at the center than at the periphery, both thermal and mechanical stresses are thus uniformly distributed over the entire surface and the structure can therefore undergo much greater pressure at its center. which allows to withstand the most extreme energy and mechanical densities, unlike known absorbers, for example made of stainless steel, the surface of which is smooth, spherical and of constant thickness.
Dans la continuité de la structure en nid d'abeille vient une « interface » (disque concave étanche séparant partie inférieure et supérieure), laquelle reçoit les deux parties échangeuses, supérieure et inférieure. Cette interface permet d'assurer la continuité de l'étanchéité entre les deux parties opposées et la bonne transmission énergétique uniformément répartie sur toute sa surface. Sa forme est préférentiellement sphérique et sa concavité orientée vers la partie supérieure (recevant le flux), ce qui permet à l'absorbeur de supporter de très importantes pressions avec l'épaisseur la plus faible qui soit, concourant ainsi au rendement thermique. Cette faible épaisseur permet en outre de limiter le stress mécanique ou les défauts moléculaires connus dans une forte épaisseur ainsi que la qualité du frittage, lequel est essentiel pour assurer la pérennité et fiabilité de 1 ' absorbeur . In the continuity of the honeycomb structure comes an “interface” (sealed concave disc separating the lower and upper part), which receives the two exchange parts, upper and lower. This interface ensures the continuity of the seal between the two opposite parts and good energy transmission uniformly distributed over its entire surface. Its shape is preferably spherical and its concavity oriented towards the upper part (receiving the flow), which allows the absorber to withstand very high pressures with the smallest thickness possible, thus contributing to thermal efficiency. This small thickness also makes it possible to limit the mechanical stress or the molecular defects known in a large thickness as well as the quality of the sintering, which is essential to ensure the durability and reliability of the absorber.
Pour assurer le montage étanche de l'absorbeur entre les différents constituants d'un dispositif thermique, le pourtour extérieur est constitué d'une portée périphérique s'apparentant à une bride, laquelle vient s'assembler avec les dispositifs extérieurs. Celle-ci est d'épaisseur adaptée aux contraintes qui lui seront soumises et est prévue pour s'insérer dans un cylindre de section légèrement plus grande sur laquelle l'absorbeur vient se positionner et assurer un assemblage étanche. To ensure the watertight mounting of the absorber between the various components of a thermal device, the outer periphery consists of a peripheral bearing surface similar to a flange, which is assembled with the external devices. This is of a thickness adapted to the stresses which will be subjected to it and is designed to fit into a cylinder of slightly larger section on which the absorber is positioned and ensure a tight assembly.
Pour cela il peut être envisagé un anneau identique à un joint d'étanchéité, lequel est réalisé sur le pourtour central de manière à appliquer une pression sur une surface limitée définie comme au sein d'une bride, idéal dans le cadre de très fortes pressions appliquées. Cet anneau en relief peut aussi être remplacé par une gorge recevant un joint standard ou être une portée plate pour certains joints plats notamment du type métallique. Un joint isolant, par exemple en graphite, peut aussi être idéalement envisagé pour supporter les hautes températures, l'autre avantage de ce type de joint est qu'il constitue un pont thermique évitant de ce fait la transmission de chaleur vers le support externe. For this it is possible to envisage a ring identical to a seal, which is made on the central periphery so as to apply pressure on a limited surface defined as within a flange, ideal in the context of very high pressures. applied. This raised ring can also be replaced by a groove receiving a standard seal or be a flat surface for certain flat seals, in particular of the type metallic. An insulating gasket, for example made of graphite, can also be ideally considered to withstand high temperatures; the other advantage of this type of gasket is that it constitutes a thermal bridge thereby avoiding the transmission of heat to the external support.
Dans ce cas de figure l'absorbeur vient se monter directement sur le cylindre de réception extérieur tel que Fig 8, et l'on applique une pression gazeuse suffisante permettant un montage rapide et aisé, à la façon des pneus tubeless, considérant d'autant plus que le hublot de la cavité recevant l'absorbeur est idéalement sous vide. On évite ainsi de créer un stress mécanique lors des écarts de dilation des différents constituants du dispositif en permettant un auto-ajustement et déplacement de l'absorbeur sur la portée étanche. In this case, the absorber is mounted directly on the external receiving cylinder as in Fig 8, and sufficient gas pressure is applied allowing rapid and easy mounting, like tubeless tires, considering all the more more than the window of the cavity receiving the absorber is ideally under vacuum. This avoids creating a mechanical stress during expansion differences of the various components of the device by allowing self-adjustment and displacement of the absorber on the sealed surface.
La partie inférieure de la « bride » permet le montage de composants et dispositifs complémentaires et dispose en ce sens d'éléments permettant leur liaison mécanique tels que des filetages ou tout système d'assemblage approprié, notamment un assemblage type quart de tour pour permettre un assemblage rapide et économique. Lesdits filetages ou dispositifs d'assemblage peuvent se trouver sur les deux faces pour permettre un assemblage mécanique durable et sans risque tout en permettant un parfait maintien de la pression devant être exercée sur le dispositif d'étanchéité/ joint . The lower part of the "flange" allows the mounting of additional components and devices and has in this sense elements allowing their mechanical connection such as threads or any suitable assembly system, in particular a quarter-turn type assembly to allow a quick and economical assembly. Said threads or assembly devices can be on both sides to allow a durable and safe mechanical assembly while allowing perfect maintenance of the pressure to be exerted on the sealing device / joint.
La partie inférieure Figures 2 et 3 est constituée de fines ailettes formant une rosace (terminologie à vérifier) permettant de transmettre l'énergie thermique au fluide caloporteur ou fluide de travail/à réchauffer. Les ailettes sont imbriquées dans la partie « bride » sur toute leur hauteur de manière à obtenir une pièce monolithique particulièrement résistante aux fortes pressions et répartir les forces de manière uniforme. Le flux solaire concentré s'apparente à une courbe de Gauss, soit avec un maxima d'intensité en son centre. De ce fait le fluide provient idéalement de la périphérie vers le centre pour éviter des pertes thermiques au niveau de la bride d'étanchéité. Pour cela une « lumière » (passage) est pratiquée sur tout le pourtour de l'entrée des ailettes pour permettre le passage du fluide. Cette lumière est imposée par un disque obturateur apposé sur les ailettes et verrouillé par un procédé tel que des ergots de montage pour éviter son déplacement ou toutes vibrations. Son montage peut aussi avantageusement se faire sous forme monolithique suivant la méthode de fabrication, cette dernière évitant le rajout de dispositifs de fixation/maintien mécanique. The lower part in Figures 2 and 3 is made up of thin fins forming a rosette (terminology to be checked) allowing thermal energy to be transmitted to the heat transfer fluid or working fluid / to be heated. The fins are nested in the "flange" part over their entire height so as to obtain a monolithic part which is particularly resistant to high pressures and to distribute the forces uniformly. The concentrated solar flux is similar to a Gaussian curve, i.e. with a maximum intensity at its center. As a result, the fluid ideally comes from the periphery towards the center in order to avoid heat losses at the level of the sealing flange. For this a "light" (passage) is made around the entire periphery of the inlet of the fins to allow the passage of the fluid. This light is imposed by a shutter disc affixed to the fins and locked by a process such as mounting lugs to prevent its displacement or any vibrations. Its assembly can also advantageously be in monolithic form depending on the manufacturing method, the latter avoiding the addition of mechanical fixing / holding devices.
Cette disposition en portions de cercles (rosaces ?) imbriquées les unes dans les autres permet de créer un certain nombre de turbulences et de guider le fluide dans une direction bien précise. De plus la force centripète permet d'augmenter l'interaction du fluide sur la surface des ailettes, améliorant ainsi le coefficient d'échange. Cette disposition singulière permet aussi d'augmenter les surfaces d'échange et augmenter le rendement thermique de l'absorbeur. L'espace entre les ailettes est plus important à la périphérie qu'au centre pour une parfaite corrélation avec la densité énergétique mise en œuvre sur les surfaces . This arrangement in portions of circles (rosettes?) Nested one inside the other makes it possible to create a certain number of turbulences and to guide the fluid in a very precise direction. In addition, the centripetal force makes it possible to increase the interaction of the fluid on the surface of the fins, thus improving the exchange coefficient. This unique arrangement also makes it possible to increase the exchange surfaces and increase the thermal efficiency of the absorber. The space between the fins is greater at the periphery than at the center for a perfect correlation with the energy density implemented on the surfaces.
D'autre part les ailettes sont plus hautes en leur centre que vers la périphérie ce qui permet d'une part d'optimiser les échanges thermiques, la plus grande densité d'énergie étant au centre, et d'autre part de contribuer à la résistance mécanique de l'ensemble lorsqu'il est soumis à de très fortes pressions rendues nécessaires notamment dans les dispositifs thermodynamiques par exemple du type Stirling. Il est ainsi possible de disposer d'une interface de très faible épaisseur tout en assurant une extrême résistance mécanique aux très fortes pressions . Du fait de la géométrie particulière des ailettes, un vortex rapide est formé au centre de la structure inférieure, lequel est redirigé à l'extérieur de l'absorbeur par une section tronconique hélicoïdale reprenant le sens du flux initial dans une direction perpendiculaire soit vers une tuyauterie, soit vers un piston pour certains dispositifs thermodynamiques. Ladite section tronconique comporte des ailettes de formes hélicoïdales, lesquelles permettent de diriger le flux dans le nouvel axe perpendiculaire d'une part, et d'éviter la surchauffe sur la zone centrale la plus exposée au rayonnement thermique incident d'autre part du fait d'une vitesse d'écoulement accrue par effet Venturi. Le centre du cône est relativement épais alors que son extrémité est plus fine. La base inférieure de la section tronconique est avantageusement de forme courbe pour éviter de trop grandes turbulences et pertes de charge préjudiciables au rendement global. Cette forme hélicoïdale se rapproche du disque obturateur pour éviter des pertes liées à des fuites ou défauts de guidage préférentiellement dans une direction du fluide. On the other hand the fins are higher in their center than towards the periphery which allows on the one hand to optimize the heat exchanges, the greatest energy density being in the center, and on the other hand to contribute to the mechanical strength of the assembly when it is subjected to very high pressures made necessary in particular in thermodynamic devices, for example of the Stirling type. It is thus possible to have an interface of very low thickness while ensuring extreme mechanical resistance to very high pressures. Due to the particular geometry of the fins, a fast vortex is formed in the center of the lower structure, which is redirected outside the absorber by a helical frustoconical section taking the direction of the initial flow in a perpendicular direction or towards a piping, or to a piston for certain thermodynamic devices. Said frustoconical section comprises helical shaped fins, which make it possible to direct the flow in the new perpendicular axis on the one hand, and to avoid overheating on the central zone most exposed to the incident thermal radiation on the other hand due to 'an increased flow speed by the Venturi effect. The center of the cone is relatively thick while its end is thinner. The lower base of the frustoconical section is advantageously curved in order to avoid excessive turbulence and pressure drops detrimental to the overall efficiency. This helical shape approaches the shutter disc to avoid losses linked to leaks or guiding faults preferably in one direction of the fluid.
Pour assurer l'étanchéité de la partie inférieure un disque d'obturation permet de refermer et d'ainsi parfaitement diriger le fluide destiné à être chauffé. Ce disque comporte une ouverture en son centre permettant l'éventuelle connexion par une section de cylindre sur une tuyauterie ou l'envoi sur un piston, ainsi qu'un diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre des ailettes permettant ainsi le passage du fluide depuis la périphérie. To ensure the tightness of the lower part, a shutter disc makes it possible to close and thus perfectly direct the fluid intended to be heated. This disc has an opening in its center allowing the possible connection by a cylinder section on a pipe or sending on a piston, as well as an outer diameter slightly smaller than the diameter of the fins thus allowing the passage of the fluid from the periphery. .
Un dispositif d'accrochage avec le corps de l'absorbeur est réalisé sur le disque d'obturation, celui-ci pouvant être de plusieurs façons telles que des ergots, des échancrures ou tout autre procédé d'assemblage, ou constituant un ensemble monolithique dans le cas d'impression additive. Un autre procédé avantageux étant l'assemblage du disque dès lors que le corps de l'absorbeur sort de moulage, l'adhérence se faisant alors aisément, ou encore lors de la réalisation par impression additive . A device for fastening with the body of the absorber is produced on the closure disc, the latter possibly being in several ways such as lugs, notches or any other assembly method, or constituting a monolithic assembly in the case of additive printing. Another advantageous method being the assembly of the disc as soon as the body of the absorber comes out of molding, the adhesion then being easily done, or again during production by additive printing.
De manière générale tous les angles vifs interférant avec le déplacement du fluide son arrondis pour éviter de générer des turbulences et autres pertes de charge préjudiciables. In general, all the sharp angles interfering with the movement of the fluid are rounded to avoid generating turbulence and other detrimental pressure drops.
La partie inférieure est aussi conçue pour permettre un passage alternatif rapide et sans pertes de charges de fluides dans le sens aller et retour, comme par exemple dans le cas d'un procédé FPSE (free piston Stirling engine, cela avec des fréquences pouvant être de l'ordre de plusieurs dizaines de cycles par seconde . The lower part is also designed to allow a rapid alternating passage and without loss of load of fluids in the outward and return direction, as for example in the case of an FPSE process (free piston Stirling engine, this with frequencies which can be the order of several tens of cycles per second.

Claims

Revendications Claims
1 - Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une cavité isolée sous vide par exemple en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé d'une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène . 1 - Thermal sensor for a concentration solar thermal power plant characterized in that it is formed by a vacuum insulated cavity, for example in graphite with a transparent inlet window in which is disposed an absorber formed of a monolithic piece of carbide silicon whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.
2 - Absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente une configuration en nid d'abeille dont les cellules sont coniques/évasées avec une hauteur plus importante au centre et présentant des microcavités. 2 - Solar radiation absorber for a concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has a honeycomb configuration whose cells are conical / flared with a greater height in the center and having microcavities.
3 - Absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente une interface sphérique étanche supportant supérieur et inférieur faisant office de bride d'assemblage et d'étanchéité avec un support présentant un nid et des ailettes et un assemblage par filetages d'un tuyau sur un dispositif thermodynamique. 3 - Solar radiation absorber for a concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has a sealed spherical interface supporting upper and lower serving as an assembly and sealing flange with a support having a nest and fins and a threaded assembly of a pipe on a thermodynamic device.
4 — Absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente des ailettes pour l'échange thermique avec le fluide en forme de rosaces et présentant des microcavités avec une hauteur plus élevée au centre . 4 - Solar radiation absorber for a concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has fins for heat exchange with the fluid in the form of rosettes and having microcavities with a higher height in the center.
5 — Absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente un disque obturation et des lumières de passage du fluide. 5 - Solar radiation absorber, for solar thermal power plant with concentration according to Claim 1, characterized in that it has a sealing disc and openings for the passage of the fluid.
6 — Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente une section tronconique hélicoïdale centrale avec un renvoi à 90° et une forme évasée et conique. 6 - Thermal sensor for a concentration solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has a central helical frustoconical section with a 90 ° return and a flared and conical shape.
7 — Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce que ce qu'il comporte un brûleur disposé à l'intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur . 7 - Thermal sensor for a concentration solar thermal power plant according to claim 1, characterized in that it comprises a burner disposed inside said cavity, directing a flame towards said absorber.
8 - Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente des surfaces d'échange avec microcavités. 8 - Thermal sensor for a concentration solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has exchange surfaces with microcavities.
9 — Système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 , accouplé thermiquement et mécaniquement à une tubulure (sortie fluide chaud) ou à l'admission d'une machine thermique caractérisé en ce que ledit capteur est formé par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé d'une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène. 9 - System consisting of a thermal sensor for a concentration solar thermal power plant according to claim 1, thermally and mechanically coupled to a pipe (hot fluid outlet) or to the inlet of a thermal machine characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with a transparent inlet window in which is placed an absorber formed of a monolithic piece of silicon carbide, the absorption surface of which is coated with tungsten dendrites.
10 — Système pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium. 10 - System for a concentrated solar thermal power plant according to the preceding claim characterized in that said expansion machine with upper part made of silicon carbide.
11 — Procédé de préparation d'un absorbeur conforme à la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de projection par plasma de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium. 11 - Process for preparing an absorber according to claim 1 characterized in that it comprises a step plasma projection of tungsten dendrites onto the surface of a monolithic silicon carbide part.
12 — Procédé de préparation d'un absorbeur selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépôt par poudrage lors de l'élaboration en phase pâteuse de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium. 12 - Process for preparing an absorber according to the preceding claim, characterized in that it comprises a step of depositing by powdering during the production in the pasty phase of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part made of silicon carbide .
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