FR2465102A1

FR2465102A1 - Centrale solaire a tour munie de moyens pour utiliser les pertes de rayonnement se produisant sur le bord de l'ouverture d'irradiation des chaudieres

Info

Publication number: FR2465102A1
Application number: FR8019960A
Authority: FR
Inventors: Franck Eberhard
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1979-09-17
Filing date: 1980-09-16
Publication date: 1981-03-20
Also published as: DE2937529C2; GB2060860A; IT1132818B; FR2465102B1; DE2937529A1; ES495087A0; ES8105827A1; GB2060860B; US4546758A; IT8024616A0

Abstract

LES RADIATIONS DU SOLEIL SONT CONCENTREES PAR UN CHAMP DE MIROIR 23 DANS UNE CHAUDIERE SOLAIRE 4, 5 PLACEE AU SOMMET DE LA TOUR. L'OUVERTURE D'IRRADIATION 29, 33 EST MUNIE SUR SON BORD D'UN ECHANGEUR DE CHALEUR A RAYONNEMENT DONT LA PUISSANCE THERMIQUE EST UTILISEE DANS LE PROCESSUS THERMODYNAMIQUE DE LA CENTRALE SOLAIRE A TOUR. CELA AMELIORE LE RENDEMENT DE L'INSTALLATION ET PERMET DE REDUIRE EVENTUELLEMENT LES MOYENS MIS EN OEUVRE POUR L'AJUSTEMENT DU CHAMP DE MIROIRS 23.

Description

"Centrale solaire à tour munie de moyens pour utiliser les

pertes de rayonnement se produisant sur le bord de l'ouver-

ture d'irradiation des chaudières."

La présente invention se rapporte à une centrale solai- re munie d'une tour qui, à son extrémité supérieure, porte une chaudière solaire à cavité à laquelle se raccorde un

circuit de réfrigérant pour l'utilisation de la chaleur so-

laire. Un champ de miroirs reflète et concentre le rayon-

nement du soleil sur une ouverture de la cavité de la chau-

dière. Une telle centrale solaire est par exemple connue par la communication parue dans la revue "Atomwirtschaft" de juillet 1979, page A 187. La chaudière solaire à cavité a pour mission d'absorber aussi complètement que possible le rayonnement réfléchi par le champ de miroirs et de réduire la réflexion émanant de son espace interne, afin que les

pertes se produisant en particulier aux températures éle-

vées telles qu'elles sont recherchées pour les cycles ther-

modynamiques ne diminuent pas le rendement de l'installation.

Il en résulte que l'on s'efforce de réduire autant que pos-

sible l'ouverture d'irradiation.

La réduction de l'ouverture d'irradiation exige toute-

fois un ajustement extrêmement précis de tous les miroirs afin d'obtenir un foyer, aussi focalisé que possible et exactement adapté à la section transversale de l'ouverture d'irradiation, du rayonnement réfléchi. Dans la pratique,

on ne peut cependant pas escompter qu'au niveau de l'ouver-

ture d'irradiation, il se produise une variation brusque de la densité de rayonnement. Bien au contraire, il s'opère une division statistique de la densité du rayon qui irradie même encore la zone marginale et par conséquent provoque

des pertes de rayonnement.

Partant des considérations précitées, la présente in-

vention cherche un moyen d'utiliser ces pertes de rayonne-

ment du champ de miroirs se produisant sur le bord de

l'ouverture d'irradiation et, partant,-d'améliorer le ren-

dement d'une centrale solaire à tour du type précité.

Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait qu'au bord de l'ouverture d'irradiation est associé un

échangeur de chaleur à rayonnement tubulaire qui est rac-

cordé au circuit d'un réfrigérant et dont la surface tour-

née vers le champ de miroirs est située sur la face exter-

ne de la paroi de la cavité de la chaudière.

L'échangeur de chaleur à rayonnement selon l'inven-

tion permet d'augmenter le rendement de l'installation,

attendu que les pertes de rayonnement qui interviennent gé-

néralement sur la face externe de la paroi de la cavité au

niveau du bord de l'ouverture d'irradiation, sont intro-

duites en tant que chaleur utile dans le circuit. Ce rende-

ment est encore augmenté par la récupération des pertes de

rayonnement supplémentaires qui se produisent en cas de dé-

placements relatifs du champ de miroir (par exemple sous l'action du vent s'exerçant sur les miroirs ou sous l'effet des mouvements oscillatoires de la tour) par rapport à

l'ouverture d'irradiation.

L'invention permet en outre de réduire les frais d'ins-

tallation, étant donné que les étroites tolérances angulaires

qui sont nécessaires pour l'ajustement précis des diffé-

rents miroirs du champ peuvent être augmentées et que le rayonnement diffusé se produisant en cas de focalisation

inexacte ne se perd plus sur le bord de l'ouverture d'ir-

radiation. Finalement, on obtient un accroissement de la sécurité

de l'installation pour la tour par un effet d'écran thermi-

que de l'échangeur de chaleur à rayonnement qui, en cas de perturbation, est refroidi à grand débit et par conséquent

peut être maintenu à une température maximale admissible.

L'échangeur de chaleur à rayonnement est avantageuse-

ment exactement adapté à la section transversale de l'ouver-

ture d'irradiation et recouvre le bord de celle-ci sur une largeur correspondant à au moins un dixième, de préférence un quart de sa largeur intérieure. Par largeur intérieure,

on entend ici la largeur maximale de l'ouverture d'irradia-

tion qui peut être circulaire, ovale ou aussi rectangulaire.

En général, on peut dire à ce sujet, que la surface annu-

laire que l'échangeur de chaleur à rayonnement doit recou-

vrir tout autour du bord de l'ouverture d'irradiation dépend du degré de focalisation susceptible d'être obtenu et par conséquent de l'intensité du rayonnement qui doit encore

régner sur le bord de l'ouverture d'irradiation.

Les tubes de l'échangeur de chaleur à rayonnement peuvent aussi être des caloducs. Ces tubes sont, comme on le sait, des corps creux oblongs dans lesquels un fluide échangeur de chaleur sortant d'une zone de condensation dans la phase liquide parvient par capillarité à une zone

d'évaporation d'o, après absorption de chaleur, il est ra-

mené sous forme de vapeur à la zone de condensation à la-

quelle il rétrocède la chaleur. La zone de condensation des

caloducs se situe avantageusement au-dessus de la zone d'é-

vaporation afin que le reflux puisse être aidé par la gra-

vité, et ce à l'extérieur du rayonnement réfléchi. A cet effet, à partir de la surface de la zone d'évaporation, en particulier du bord de cette zone d'évaporation, elle peut

être coudée vers la cavité pour atteindre la zone d'ombre.

Aux tubes de l'échangeur de chaleur à rayonnement, on peut associer des éléments de surface qui influencent le

transfert thermique sur les tubes. Par des surfaces réflé-

chissantes, on peut par exemple veiller à ce que les tubes de l'échangeur de chaleur à rayonnement dans la zone de faible intensité éloignée du bord de l'échangeur de chaleur à rayonnement soient portés à une température aussi élevée que dans la zone proche du bord. Par ailleurs, au moyen de surfaces de recouvrement, on peut faire en sorte que l'énergie du rayonnement à partir de la zone proche du bord parvienne par conduction thermique aux zones éloignées

du bord de l'échangeur de chaleur à rayonnement.

Aux éléments de surface qui améliorent l'absorption thermique de l'échangeur-de chaleur à rayonnement, font

également partie les ailettes qui, de façon connue, entou-

rent les tubes transversalement à leur sens longitudinal, en particulier en forme d'hélice. Les éléments de surface peuvent en outre servir à uniformiser l'échauffement des tubes de l'échangeur de chaleur à rayonnement, c'est-à-dire à amener l'énergie thermique de la face tournée vers le

rayonnement réfléchi à la face arrière, opposée à ce rayon-

nement, des tubes.

Les surfaces de l'échangeur de chaleur à rayonnement

peuvent comporter des revêtements à absorption et à émis-

sion sélectives. Avec ces revêtements qui sont appliqués par des traitements de surface spéciaux sur le métal de base

formant les tubes de l'échangeur de chaleur, on peut maximi-

ser l'absorption du rayonnement des parties chauffées de

l'échangeur de chaleur et minimiser l'émission du rayonne-

ment. Cette possibilité de revêtement ne concerne pas seu-

lement les tubes eux-mêmes, mais également les éléments

de surface qui leur sont associés.

A l'échangeur de chaleur à rayonnement, on peut en

outre associer des éléments semiconducteurs photo-électri-

ques ou cellules solaires qui sont de préférence refroidis par les tubes de ce dernier afin que leur température reste

dans la zone favorable à la photo-électricité. De cette fa-

çon, les composantes du rayonnement relativement faibles à l'extrémité, éloignée du bord, de l'échangeur de chaleur à

rayonnement, peuvent encore être utilisées pour la récupé-

ration d'énergie.

Par ailleurs, on peut également combiner différents modes de réalisation des tubes et des éléments de surface

qui leur sont associés. C'est pourquoi, on peut dire en gé-

néral qu'aussi bien les caractéristiques des matériaux que la disposition géométrique des surfaces de l'échangeur de chaleur à rayonnement sont choisies de façon que grâce à l'effet alterné de l'absorption, de la réflexion et de la

dispersion de lumière, ainsi que du rayonnement, de la con-

duction thermique et de la convexion, la transformation photothermique recherchée du rayonnement en chaleur utile

qui est dissipée par le réfrigérant soit maximale. En pa-

reil cas, il est généralement préférable que les surfaces

des tubes soient recouvertes de revêtements absorbants sé-

lectifs qui absorbent fortement dans la zone du rayonne-

ment visible, mais n'émettent que peu dans la zone du rayonnement infrarouge, tandis que les éléments de surface associés aux tubes peuvent, selon leur rôle, présenter un

comportement identique ou inverse.

Pour diminuer les pertes par convexion, l'échangeur de chaleur à rayonnement peut être muni d'un revêtement en verre résistant aux températures élevées, segmenté par des joints de dilatation, réalisé en une ou deux couches et pourvu d'une étanchéité marginale latérale. Pour diminuer les pertes par rayonnement thermique, les surfaces du verre

peuvent, par un revêtement sélectif, être rendues peu trans-

parentes dans la zone du rayonnement thermique infrarouge, tandis qu'elles sont parfaitement transparentes dans la zone

du rayonnement visible. En pareil cas, on adapte le revête-

ment en verre à la forme de l'échangeur de chaleur à rayon-

nement.

Les tubes de l'échangeur de chaleur à rayonnement peu-

vent être munis de compensateurs de dilatation et attachés en des points fixes. C'est la façon la plus rationnelle de

tenir compte des dilatations thermiques se produisant inévi-

tablement lors du fonctionnement. Les éléments de surface éventuellement associés aux tubes et qui entourent le bord de l'ouverture d'irradiation peuvent par contre être subdivisés

par des joints de dilatation le long du bord et/ou transver-

salement à ce dernier. On obtient ainsi des secteurs ou seg-

ments au niveau desquels les dilatations thermiques peuvent

être facilement maîtrisées.

L'échangeur de chaleur à rayonnement peut, comme déjà indiqué, être un élément de construction supplémentaire qui est fixé sur la paroi externe, côté champ de miroirs, de la

chaudière solaire à cavité, de sorte qu'il peut être fabri-

qué en usine ou tout au moins préfabriqué et qu'il est fa-

cile à remplacer. Une autre possibilité consiste à instal-

ler l'échangeur de chaleur à rayonnement, en tant que par-

tie intégrante de la paroi de la cavité,dans le plan de l'ouverture d'irradiation. On arrive ainsi en particulier à

ce qu'il soit chauffé aussi bien directement par le rayon-

nement réfléchi du champ de miroirs que par le rayonnement

de la cavité.

En principe, on s'efforce de choisir une forme aussi

simple que possible pour l'échangeur de chaleur à rayonne-

ment en vue de faciliter sa fabrication. Il peut toutefois

être également avantageux de disposer les tubes de l'échan-

geur de chaleur à rayonnement tout autour de l'ouverture

d'irradiation sous forme dé surface annulaire tridimension-

nelle coudée spatialement. On arrive ainsi à ce que le rayonnement dépassant le bord et devant être exploité par

l'échangeur de chaleur arrive sous des angles particulière-

ment favorables. Par ailleurs, dans le cadre de n'importe

quelle configuration de l'échangeur de chaleur à rayonne-

ment, les tubes peuvent être avantageusement disposés en

plusieurs couches et décalés les uns par rapport aux autres.

Les tubes de l'échangeur de chaleur à rayonnement

peuvent avantageusement être réunis en un faisceau tubulai-

re disposé le long du bord de l'ouverture d'irradiation

ou transversalement à celle-ci. Les tubes du faisceau tubu-

laire sont alors parcourus parallèlement et sont raccordés par des conduites collectrices à une conduite d'entrée ou

de sortie commune.

Dans le cas d'un écoulement allant de la zone éloignée

du bord à la zone proche de celui-ci, on obtient une tempé-

rature maximale du réfrigérant attendu que l'intensité du rayonnement, et par conséquent la température, est la plus élevée au niveau du bord de l'ouverture d'irradiation. Si par contre, le réfrigérant circule en sens inverse du bord à la zone, éloignée de celui-ci, de l'échangeur de chaleur

à rayonnement, on obtient une absorption de chaleur maxima-

le, attendu que le gradient est plus grand, c'est-à-dire la différence entre la température du réfrigérant et la température de la paroi du tube. C'est pourquoi, il peut être avantageux de réaliser le sens de l'écoulement du réfrigérant dans l'échangeur de chaleur à rayonnement de

façon qu'il soit réversible par rapport à l'ouverture d'ir-

radiation. A cet effet, on peut prévoir différentes con-

duites de raccordement avec valves commandées. Par ailleurs, on peut, par exemple, pour des raisons de fabrication, de puissance thermique, de compensations des dilatations, etc., également choisir des géométries de tubes en spirales, en méandres longitudinales ou transversales ou autres selon les formes connues du générateur de vapeur et monter:..les tubes sans tension grâce à des moyens de compensation également connus. Dans le cas normal, on prévoit, en tant qu'échangeur de chaleur à rayonnement au sens de l'invention, plusieurs

faisceaux tubulaires qui recouvrent à chaque fois une par-

tie de la surface annulaire proche du bord. Selon l'inten-

sité du rayonnement réfléchi tombant sur eux, ces faisceaux tubulaires peuvent avantageusement être montés différemment

en parallèle ou en série. Cette disposition peut par exem-

ple être modifiée au cours de la journée, afin d'injecter à chaque fois de façon optimale dans le procédé l'intensité du rayonnement qui diffère le matin, le midi et le soir. Par ailleurs, selon la température du réfrigérant, les différents faisceaux tubulaires peuvent être utilisés différemment en

tant que tronçon de préchauffage, d'évaporation ou de sur-

chauffage. Lors de la réalisation de l'invention, il faut qu'au moins un tube de l'échangeur de chaleur à rayonnement serve

de conduite de mesure. A cet effet, il peut être muni de son-

des de mesure pour la température et le courant massique afin de permettre une détermination calorimétrique directe et/ou une surveillance de la courbe d'intensité différentielle du

rayonnement réfléchi à une distance donnée du bord. De pré-

férence, on peut réaliser ou monter plusieurs ou même tous

les tubes de l'échangeur de chaleur à rayonnement sous for-

me de conduite de mesure et les utiliser pour déterminer le

rayonnement réfléchi dépassant le bord de l'ouverture d'ir-

radiation. De cette façon, on peut déterminer l'intensité intégrale du rayonnement dépassant le bord et qui, sans

l'invention, serait désignée en tant que perte par rayonne-

ment, si bien que l'on peut mesurer la pleine intensité de

la totalité du rayonnement du champ de miroirs.

Par ailleurs, les conduites de mesure peuvent faire partie d'un circuit de régulation, de préférence équipé d'un calculateur de processus, pour optimiser le rendement thermique de l'échangeur de chaleur à rayonnement. Avec un tel calculateur de processus, on peut arriver à ce que la chaleur solaire variable pendant la journée et récupérée par l'échangeur de chaleur à rayonnement, soit à chaque fois injectée de la façon la plus appropriée avec des niveaux de température constants ou variables et courant massique, adapté en conséquence, du réfrigérant, dans un procédé à gaz ou à vapeur. On peut ainsi optimiser le cycle de travail journalier et par conséquent améliorer le rendement moyen annuel. Ce même calculateur de processus peut également, en liaison avec l'échangeur de chaleur à rayonnement et ses conduites de mesure, effectuer une surveillance de la valeur

limite de la température et, en cas de perturbations, pro-

voquer une défocalisation rapide du champ de miroirs pour

garantir la sécurité de l'installation.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip-

tion de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel

- la figure 1 représente schématiquement une vue laté-

rale d'une centrale solaire à tour;

- la figure 2 représente la répartition type du rayon-

nement réfléchi dans la zone d'une ouverture d'irradiation;

- la figure 3 est une coupe transversale d'une chau-

dière solaire à cavité et de l'ouverture d'irradiation avec l'échangeur de chaleur à rayonnement selon l'invention; - la figure 4 est une coupe transversale analogue

à la figure 3 avec un montage pour la régulation de la ca-

vité rayonnante interne au moyen de l'échangeur de chaleur à rayonnement externe; - la figure 5 représente le faisceau tubulaire d'un échangeur de chaleur à rayonnement avec sens d'écoulement parallèle au bord de l'ouverture d'irradiation; - la figure 6 représente un faisceau tubulaire d'un échangeur de chaleur à rayonnement avec sens d'écoulement

sensiblement transversal au bord de l'ouverture d'irra-

diation; - la figure 7 est un mode de réalisation de l'échangeur de chaleur à rayonnement avec caloducs; - la figure 8 représente une subdivision possible d'une

surface annulaire associée à un échangeur de chaleur à ra-

yonnement; - la figure 9 est un exemple de montage représentant

les possibilités d'injection dans un procédé à gaz ou à va-

peur de la chaleur utile récupérée par un échangeur de cha-

leur à rayonnement.

La centrale solaire à tour représentée sur la figure 1 comporte une tour 1 qui s'élève par exemple à au moins quarante mètres au-dessus du sol 2. La tour 1 porte à son extrémité supérieure 3 une ou plusieurs chaudières solaires à cavité 4 et 5. Les chaudières solaires sont en principe des faisceaux de tubes répartis en nappes qui absorbent la chaleur solaire et la cèdent à un réfrigérant parcourant les tubes. A cet effet, les chaudières solaires montées en parallèle sont raccordées à la conduite de refoulement 6

d'un compresseur i qui, dans l'exemple représenté, transpor-

te de l'air en tant que réfrigérant.

Le compresseur 7 est raccordé par un arbre 8 à une turbine à gaz 9. A cette dernière aboutissent les conduites

de gaz chaud 11 et 12 des deux chaudières solaires 4 et 5.

Le gaz chaud (air) sortant de ces chaudières et entraînant la turbine à gaz 9, passe, au cours de son trajet 13 en aval de la turbine à gaz 9, à travers l'échangeur de chaleur 14 d'un circuit de vapeur 15 avant de sortir de la chambre 3 par une cheminée d'évacuation 16. Le circuit de gaz 13 s'achève alors à l'atmosphère libre à partir de laquelle

aspire le compresseur 7.

Par le circuit de vapeur 15, on peut voir que la con-

duite de vapeur vive allant vers le bas à partir de l'échan-

geur de chaleur 14 servant de générateur de vapeur aboutit à une turbine à vapeur 17 disposée sur le sol 2. La vapeur sortant de cette dernière est amenée par une conduite 18 à

une tour de refroidissement par voie sèche 19 qui est struc-

turellement raccordée à la tour 1 comme représenté. Le ré-

frigérant s'y condense et retourne en tant qu'eau d'alimen-

tation à l'échangeur de chaleur 14.

La turbine à vapeur 17 entraîne un alternateur élec-

trique 20 d'une puissance de par exemple 6 MWe. A l'arbre 8 de la turbine à gaz 9 se raccorde, en plus du compresseur 7, un alternateur 21 d'une puissance nominale de par exemple 14 MWe.

Les chaudières solaires 4 et 5 reçoivent le rayonne-

ment réfléchi par deux segments de champ de miroirs symé-

triques qui sont disposés au pied de la tour 1. Sur la fi-

gure 1, on n'a représenté schématiquement que pour un seul segment 23 les miroirs individuels 24, 25 et 26 qui dirigent

sur la chaudière 4 les rayons solaires 27 arrivant parallè-

lement en les faisant passer sous la forme d'un rayonnement réfléchi focalisé 28 à travers une ouverture d'irradiation

29 aménagée dans une paroi 30 de la cavité de la chaudière.

Un rayonnement réfléchi 32 pareillement focalisé vient frap-

per la chaudière 5 à travers une seconde ouverture d'irradia-

tion 33.

La figure 2 représente de façon simplifiée la paroi 30

de la cavité avec l'ouverture 29 et le rayonnement réflé-

chi incident 28 dont l'intensité locale est portée sous la

forme d'une courbe de Gauss 35 dans l'hypothèse d'une ré-

partition spatiale en forme de révolution. On voit que l'in-

tensité atteint un maximum dans la zone de l'axe 36, repré-

senté par une ligne en trait mixte, de l'ouverture d'irra-

diation circulaire 29, et que sur les flancs elle ne devient pas brusquement nulle, mais présente encore au niveau du

bord 38 de l'ouverture d'irradiation 29 une valeur d'inten-

sité 39 représentant par exemple un quart de l'intensité maximale. Le rayonnement dépassant le bord 38 et qui sur la figure 2 est représenté par la zone en coin 40 sous la

courbe d'intensité 35 a, dans cet exemple, en tant qu'inté-

grale de la courbe 35, à peu près un dixième de la grandeur

du rayonnement passant par l'ouverture d'irradiation 29.

La figure 3 représente en coupe horizontale une chau-

dière solaire à cavité 4 de section transversale hexagona-

le 41 placée au sommet de la tour de la centrale selon la figure 1. La cavité renferme un tubage interne 42 qui, comme illustré sur la figure 3, présente dans son ensemble

une section transversale en forme d'U ou sensiblement semi-

circulaire, étant donné que les tubes 42 placés verticale-

ment en trois parois tubulaires constituent une zone formant âme 43 et deux branches 44 et 45 situées symétriquement par rapport à l'axe 36. A l'âme 43 et aux branches 44 et

sont associées les surfaces réflectrices 46, 47 et 48.

En face de la paroi tubulaire 43 de la chaudière so-

laire 4 se trouve l'ouverture d'irradiation 29 de la paroi de la cavité de la chaudière, ouverture pour le bord 38

de laquelle on a illustré deux de modes de réalisation dif-

férents à gauche et à droite de la ligne médiane représen-

tée par une ligne en trait mixte et coïncidant avec l'axe

36. A l'ouverture d'irradiation 29 est associé un échan-

geur de chaleur à rayonnement 50 qui entoure en forme d'an-

neau l'ouverture d'irradiation 29.

Dans le mode de réalisation du côté gauche de la fi-

gure 3, l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 comporte un faisceau à deux couches de tubes 51 disposés décalés, les couches sur la face externe de la paroi 30 de la cavité étant disposées parallèlement à cette paroi. Les tubes 51 sont munis d'un recouvrement 52 en verre. Celui-ci porte, sur sa face tournée vers les tubes, un revêtement 53 ayant une transparence sélective. On recherche une transparence aussi faible que possible dans la zone du rayonnement infrarouge, tandis que dans la zone du rayonnement visible, la transparence doit être aussi grande que possible afin

que l'énergie du rayonnement réfléchi 28 parvienne aux tu-

*bes 51.

Comme on peut le voir sur le côté gauche de la coupe

transversale de la figure 3, l'échangeur de chaleur à ra-

yonnement 50 comporte en outre, sur sa face tournée vers la paroi 30 de la cavité, un élément de surface 54 qui est réalisé en matériau céramique ou en métal et qui a pour mission de ramener le rayonnement par réflexion directe ou par dispersion sur les tubes 51 si ce rayonnement passe devant les tubes 51 ou partent de ceux-ci. Simultanément, l'élément de surface 54, en particulier sous la forme d'une plaque en céramique, peut constituer une isolation

thermique, si on le désire. L'étanchéité latérale de l'échan-

geur de chaleur à rayonnement 50 est assurée par les parties

marginales 55 et 56.

Dans le mode de réalisation représenté sur le côté droit de la figure 3, à la place de la paroi 30 de la cavité est disposé un faisceau tubulaire à deux couches 60 de

l'échangeur de chaleur à rayonnement 50. Le faisceau tubu-

laire 60 est par conséquent, comme schématisé par la flèche 28, atteint directement par le rayonnement réfléchi 28 du

champ de miroirs 23. Il est toutefois par ailleurs égale-

ment exposé à la réflexion, schématisée par la flèche 61,

provenant de la chaudière solaire 4.

Dans les deux modes de réalisation selon la figure 3, l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 est un objet plan

qui est placé en forme d'anneau dans le plan de l'ouver-

ture d'irradiation 29. Sa largeur B représente environ un tiers du diamètre de l'ouverture d'irradiation qui est en

pratique d'environ 6 mètres.

L'exemple de réalisation selon la figure 4 comporte, en conformité de la figure 3, une cavité 41 avec trois parois

tubulaires 43, 44, 45 installées de façon à constituer une sec-

tion transversale en forme d'U et qui reçoivent le rayonne-

ment à travers l'ouverture d'irradiation 29 aménagée dans la paroi 30 de la cavité. L'échangeur de chaleur à rayonnement 50 associé à l'ouverture d'irradiation 29 comporte ici aussi

un faisceau 62 à deux couches de tubes 51 disposés décalés.

Les couches ne sont toutefois pas placées dans le plan de l'ou-

verture d'irradiation 29, mais sont disposées inclinées par rapport à celle-ci, comme illustré par la coupe horizontale

de la figure 4 passant par le centre de l'ouverture d'irra-

diation 29. Il en résulte une disposition tridimensionnelle,

donc spatiale, de l'échangeur de chaleur à rayonnement 50.

On peut voir en outre sur la figure 4 qu'au faisceau tubulaire à deuxcouches 62 est associé un élément de surface 63 qui agit en tant que surface de réflexion ou de

dispersion et éventuellement aussi en tant que surface con-

ductrice de la chaleur pour le rayonnement qui passe par les tubes 51 ou sort de ces derniers. L'élément de surface 63 est réalisé en métal et porte, sur son côté opposé au faisceau tubulaire 62, des tubes 64 placés en contact bon conducteur de la chaleur et qui peuvent être réunis auxtubes

51 pour former un circuit réfrigérant commun.

Il ressort par ailleurs de la figure 4 que l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 peut être inséré différemment dans le circuit réfrigérant de la chaudière solaire 4. Selon celle des six valves représentées 65 à 70 qui sont ouvertes ou fermées, l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 peut

être monté en parallèle ou en série avec les parois tubulai-

res 44 et 45 des branches de la chaudière solaire 4. On peut

ainsi compenser pendant les heures de la journée les rayon-

nements disymétriques parvenant à la chaudière solaire 4. De cette façon on obtient une diminution des tensions thermi-

ques et une température initiale plus régulière pour le cou-

rant de réfrigérant des différentes parois tubulaires 44, 45.

La figure 5 illustre de façon simplifiée que l'échan-

geur de chaleur à rayonnement 50 associé à l'ouverture d'ir-

radiation 29 comporte un faisceau de tubes 51 qui sont mon-

tés en série en une seule boucle de réfrigérant. Les tubes 51 sont adaptés au bord 38, représenté par une ligne en trait mixte, de l'ouverture d'irradiation 29 et sont disposés parallèlement à ce dernier. Ils sont rigidement assujettis par des points fixes 72 à une extrémité. A l'autre extrémité, la fixation est assurée par des points de glissement 73 de façon que les tubes 51 lors de leur échauffement puissent se

dilater sans entrave dans leur sens longitudinal.

La figure 5 représente en outre de façon simplifiée que les lignes de raccordement 74 et 75 de l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 peuvent être parcourues en deux sens réversibles par le réfrigérant. On peut donc par exemple

faire circuler de l'air en tant que réfrigérant gazeux, com-

me cela est indiqué par la paire de flèches 76, à travers l'échangeur de chaleur à rayonnement de façon qu'à partir d'une zone proche du bord, il arrive à des zones éloignées

du bord, avant de sortir de l'échangeur de chaleur à rayon-

nement 50. On obtient ainsi le plus grand refroidissement

possible, c'est-à-dire une absorption de chaleur dans la zo-

ne proche du bord. Après inversion, le réfrigérant peut toutefois également selon la paire de flèches 77, s'écouler tout d'abord dans les tubes éloignés du bord 51 et, par ceux-ci gagner la zone proche du bord avant de sortir de la zone proche du bord avec la température maximale. Le sens

moyen des tubes 51 est disposé dans les deux cas, comme dé-

jà mentionné, parallèlement aux bords 38.

Dans le mode de réalisation selon la figure 6, l'échan-

geur de chaleur à rayonnement 50 est par contre réalisé de façon que les tubes 80 d'une longueur correspondant à la

largeur de la surface annulaire soient disposés transversa-

lement au bord 38 schématisé par une ligne en trait mixte.

Dans la forme circulaire représentée de l'ouverture 29, les

tubes 80 sont disposés radialement. En pareil cas, on pré-

voit les conduites d'amenée 81 placées selon les flèches de la figure 6 et conduisant à la partie proche du bord de l'échangeur de chaleur à rayonnement 30 qui est formé par une conduite collectrice 82. Les conduites d'évacuation 83 sont associées à une conduite collectrice 84 éloignée du bord. Celle-ci délimite la surface annulaire couverte par l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 et entourant vers l'extérieur le bord 38 de l'ouverture d'irradiation 29. On voit en outre ici que la largeur de l'échangeur de chaleur à rayonnement se monté à plus de un dixième de la largeur

interne, déterminée par le diamètre, de l'ouverture d'ir-

radiation 29. Dans l'exemple de réalisation de la figure 6, la largeur de la surface annulaire est aussi d'environ un

tiers du diamètre.

Du fait des conduites d'amenée et d'évacuation 81, 83, qui peuvent par ailleurs être également utilisées pour des sens d'écoulement inversés, on obtient dans l'exemple de réalisation selon la figure 6, une subdivision en forme

de quadrant de la surface annulaire de l'échangeur de cha-

leur à rayonnement 50, subdivision qui peut être avanta-

geuse pour la compensation des dilatations thermiques. Au lieu de cela ou en plus, on peut également utiliser des compensateurs sous la forme de soufflets métalliques pour

2 4 6 5 1 02

la compensation des dilatations thermiques.

La figure 7 représente schématiquement l'emploi de caloducs 85 en tant qu'éléments d'un échangeur de chaleur à rayonnement 50. La zone d'évaporation 86 de ces caloducs 85 est disposée parallèlement au bord 38, schématisé par

une ligne en trait mixte, de l'ouverture d'irradiation 29.

La zone de condensation associée à un échangeur de chaleur

87 est située au-dessus de la zone d'évaporation 86. A l'in-

verse de la représentation de la figure 7, elle est coudée à partir du plan de la zone d'évaporation de sorte que les

échangeurs de chaleur 87 sont placés "derrière" la zone d'é-

vaporation 86, donc dans la zone d'ombre de cette zone,

rapportée au rayonnement réfléchi 28 tombant perpendiculai-

rement au plan du dessin. La chaleur utile que doivent dissiper les conduites secondaires 88 des échangeurs de

chaleur 87 est à nouveau injectée dans le circuit de refroi-

dissement des chaudières solaires 4, 5. Elle pourrait toute-

fois être également cédée au niveau de l'eau d'alimenta-

tion parcourant le générateur de vapeur 14 selon la figure

1. On décrira ultérieurement à l'aide de la figure 9 d'au-

tres possibilités de désaccouplement dans le procédé à la

vapeur de la centrale solaire à tour.

Sur la figure 8, on peut voir que la surface annulaire, entourant l'ouverture d'irradiation 29, de l'échangeur de

chaleur 50, peut être subdivisée suivant des lignes de sépa-

ration 90 qui, dans l'exemple de réalisation, sont disposées radialement, ou plus généralement, transversalement au bord 38. Une autre possibilité de subdivision est schématisée par une ligne de séparation 91 qui est parallèle au bord 38, en

général le long du bord,de façon à former des segments.

Les lignes de séparation 90 et 91 peuvent par exemple être des joints de dilatation dans des surfaces métalliques ou céramiques qui sont associés aux tubes de l'échangeur de chaleur 50. Il peut également s'agir d'une division d'un recouvrement en verre, décrit en référence à la figure 3, de l'échangeur de chaleur à rayonnement 50. Pour finir, la subdivision en sections 93 de la surface annulaire de l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 réalisée par les différents secteurs et segments peut toutefois s'entendre sous forme de différents faisceaux tubulaires qui, pour l'exploitation optimale de la différente intensité de rayonnement, telle qu'elle ressort de la figure 2, sont montés différemment en série ou en parallèle par des moyens

de raccordement appropriés à valves commandées pour opti-

miser le rendement ou l'absorption thermique.

Sur la figure 8, on a en outre représenté schématique-

ment qu'à chaque section 93 de l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 est associé un tube 94 en tant que conduite de mesure. Dans cet exemple de réalisation, le tube 94 est placé dans la zone médiane de chaque section 93. Il est

muni de palpeurs appropriés pour la température et le cou-

rant massique, de sorte que l'on peut déterminer l'ab-

sorption de chaleur qui permet de mesurer l'intensité lo-

cale du rayonnement. La ou les valeurs de mesure électri-

ques des palpeurs sont transmises par des lignes 95 à un

calculateur de processus non représenté en détail. Ce der-

nier peut optimiser l'injection de la chaleur solaire tom-

bant sur la zone marginale et par conséquent le rendement

de la centrale solaire par commande des différentes sec-

tions 93 de l'échangeur de chaleur à rayonnement 50.

Par ailleurs, ce même calculateur de processus peut modifier la commande des miroirs individuels 24, 25,- 26,

etc., afin que le rayonnement arrivant sur la zone margi-

nale ne dépasse pas la valeur désirée, éventuellement même une valeur limite admissible. En cas de perturbation, par exemple en cas de panne de l'alimentation en réfrigérant ou

des dispositifs de réglage des miroirs 24 à 26, ce calcu-

lateur de processus peut en outre enclencher des mesures

de secours. A cet effet, l'échangeur de chaleur à rayonne-

ment peut, par exemple en cas de surchauffe, être soumis

à un courant de réfrigérant renforcé.

Les mesures de secours commandées par les conduites de mesure 94 ou directement enclenchées par celles-ci en cas de perturbations, peuvent en outre, pour le cas o le réfrigérant ferait défaut, résider dans le fait que le rayonnement réfléchi 28 est dévié en écartant les miroirs 24, 25, 26 de la zone de la tour 1. Dans certains cas,

on peut également mettre en route une autre source de ré-

frigérant. Les conduites de mesure 94 peuvent aussi être utili- sées pour la détermination de la puissance de rayonnement total du champ de miroirs dans la mesure o l'on connait la relation existant entre le rayonnement pénétrant par

l'ouverture d'irradiation dans la cavité 41 et le rayonne-

ment 40 qui agit sur l'échangeur de chaleur à rayonnement 50. A cet effet, on peut également utiliser la totalité

de l'échangeur de chaleur à rayonnement 50.

La figure 9 représente un plan des tuyauteries de la centrale solaire à tour selon la figure 1 permettant de

voir les différentes possibilités d'accouplement de l'é-

changeur de chaleur à rayonnement 50 pour l'utilisation de sa chaleur utile dans les circuits existants de gaz et de

vapeur 13, 15.

La turbine à gaz 9 entraîne par son arbre 8 le com-

presseur 7 qui, par une conduite d'aspiration 100, aspire l'air atmosphérique et, par son côté refoulement, le refoule par une conduite 101 dans une chambre de combustion 102 pour

le chauffage supplémentaire fossile. La conduite de refoule-

ment 101 derrière la chambre de combustion 102 va aux chau-

dières solaires à cavité 4, 5 et à partir de celles-ci

aboutit, par la branche 103, à la turbine à gaz 9 qui fonc-

tionne à une pression de 8 bars et à une température de 8000C. Le gaz chaud détendu sortant de la turbine à gaz à une température de 3800C traverse alors l'échangeur de

chaleur 14 qui est réalisé en trois parties selon la figu-

re 9. La première partie 105 de l'échangeur de chaleur 14

agit en tant que surchauffeur. La partie 106 de cet échan-

geur de chaleur 14 sert d'évaporateur. Après une troisième partie 107 de l'échangeur de chaleur 14 qui fait office de

préchauffeur, l'air refroidi à 150WC quitte la centrale so-

laire à tour et va à l'atmosphère par la conduite d'évacua-

tion 16.

La turbine à vapeur 17 avec l'alternateur 20 est réa-

lisée à deux étages. Partant de l'étage basse pression, une conduite de sortie 110 aboutit au condenseur formé par la

tour de refroidissement par voie sèche 19. A partir de cet-

te dernière, l'eau d'alimentation est amenée par une pompe

111 à un réservoir 112. Dans ce réservoir 112, aboutit éga-

lement une conduite de sortie 114 de l'étage haute pres-

sion qui peut servir de conduite de prélèvement pour le pré-

chauffage de l'eau d'alimentation.

Du réservoir 112, l'eau d'alimentation peut être amenée au préchauffeur 107 par une pompe de refoulement 115. Le préchauffeur est lui-même raccordé à un tambour de vapeur 117 par une conduite 116. Par une valve 118 et une branche 119, il est en outre relié à la conduite de raccordement 120

de l'échangeur de chaleur à rayonnement 50.

A partir du tambour 117, une pompe 121 peut envoyer l'eau

d'alimentation à la température de saturation à l'évapora-

teur 106. Ce dernier est relié par une conduite 122 à la chambre de vapeur du tambour 117, auquel le surchauffeur 105 se raccorde par une conduite 123. A partir du surchauffeur , la conduite de vapeur chaude 124 aboutit à la turbine à

vapeur 17.

L'échangeur de chaleur à rayonnement 50 est relié à la conduite de vapeur chaude 124 par une branche 126 munie d'une valve 127. La conduite 120 est raccordée par une valve à la conduite 123. Une autre valve 131 ferme la liaison avec la conduite 122. La conduite 126 est reliée au c8té refoulement de la pompe 121 par une conduite 133 munie d'une valve 134 et par une branche 135 munie d'une valve 136 au

côté refoulement de la pompe 115.

Avec le mode de réalisation représenté des conduites de raccordement, l'échangeur de chaleur à rayonnement 50, en fonction de sa température, peut être branché différemment dans le circuit de vapeur 15 de la turbine à vapeur 17. Si par exemple les valves 136 et 118 sont ouvertes, l'échangeur

de chaleur à rayonnement 50 en marche parallèle avec le pré-

chauffeur 107 reçoit l'eau d'alimentation qui est amenée à l'échangeur de chaleur à rayonnement par la pompe 115 et la branche 138 et qui parvient par les conduites 119 et 116 au

tambour 117. La température d'entrée de l'eau d'alimenta-

tion dans l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 n'est

alors par exemple que de 50WC.

Si la valve 134 ést ouverte en même temps que la valve

131, l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 peut fonction-

ner parallèlement à l'évaporateur 106 attendu qu'il est ali-

menté par la pompe 121 et fournit de la vapeur dans la con-

duite 122 par la valve 131. La température de la vapeur der-

rière l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 peut ici se

situer entre 150 et 2000C.

Pour finir, par l'ouverture des valves 130 et 127,

l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 peut également fonc-

tionner en tant que surchauffeur. Dans ce cas, à partir du

tambour 117, il reçoit de la vapeur qui est alors directe-

ment envoyée dans la conduite de vapeur chaude 124. Ici, la

température finale derrière l'échangeur de chaleur à rayon-

nement 50 est par exemple de 3500C.

Comme illustré sur la figure 4, il est aussi possible

de brancher l'échangeur de chaleur à rayonnement 50 au ni-

veau de l'ouverture d'irradiation 29 dans le circuit de gaz 13 si avec ce dernier des températures suffisamment élevées

entre par exemple 500 et 800WC, peuvent être atteintes.

Compte tenu de l'effet d'écran, qui avec l'échangeur de cha-

leur à rayonnement 50, peut être envisagé pour la construc-

tion de la centrale solaire à tour, les basses températures du circuit de vapeur 15 peuvent toutefois mieux convenir

pour la dissipation de chaleur, c'est-à-dire pour l'utilisa-

tion de la chaleur solaire avec l'échangeur de chaleur à

rayonnement.

2465 102

Claims

R E V E N D I C A T I 0 N S

*1.- Centrale solaire à tour comportant un champ de mi-

roirs disposés tout autour du pied d'une tour portant à son extrémité supérieure une chaudière solaire à cavité qui est chauffée par le rayonnement réfléchi et concentré par le champ de miroirs à travers une ouverture d'irradiation aménagée dans une paroi de la cavité de la chaudière et qui, pour l'exploitation de la chaleur rayonnée, est raccordée à un circuit de réfrigérant, caractérisé par le fait qu'au bord (38) de l'ouverture d'irradiation (29) est associé un échangeur de chaleur à rayonnement tubulaire (50) qui est raccordé à un circuit réfrigérant (15) et dont la surface tournée vers le champ de miroirs (23) est située sur la face

externe de la paroi (30) de la cavité (41).
2.- Centrale solaire à tour selon la revendication 1,

caractérisée par le fait que l'échangeur de chaleur à rayon-

nement (50) est adapté à la section transversale de l'ouver-

ture d'irradiation (29) et recouvre son bord (38) sur une largeur correspondant à au moins un dixième, de préférence

un quart,de sa largeur intérieure.
3.- Centrale solaire à tour selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le-fait que les tubes de l'échangeur de

chaleur à rayonnement (50) sont des caloducs (85).
4.- Centrale solaire à tour selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la zone de condensation des caloducs (85) se situe au-dessus de la zone d'évaporation

(86) à l'extérieur du rayonnement réfléchi (28).
5.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque des

revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'aux tubes

(51) de l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) sont as-

sociés des éléments de surface (63) qui,par conduction thermique et/ou réflexion, modifient le transfert thermique

sur les tubes (51).
6.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque des

revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que les sur-

faces de l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) comportent

des revêtements à absorption et à émission sélectives.
7.- Centrale solaire. tour selon l'une quelconque des reven-

dications 1 à 6, caractérisée par le fait qu'à l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) sont associés des éléments semi-conducteurs photoélectriques qui sont de préférence refroidis par les tubes (51) de ce dernier.
8.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que l'é-

changeur de chaleur à rayonnement (50) pour réduire les per-

tes par convexion est muni d'un revêtement en verre (52) ré-

sistant aux températures élevées, segmenté par des joints de dilatation, réalisé en une ou deux couches et pourvu

d'une étanchéité marginale latérale (55, 56).
9.- Centrale solaire à tour selon la revendication 8, caractérisée par le fait que les surfaces du verre, pour diminuer les pertes par rayonnement thermique, sont rendues peu transparentes dans la zone du rayonnement thermique infrarouge au moyen d'un revêtement sélectif (53), tandis qu'elles sont parfaitement transparentes dans la zone du

rayonnement visible.
10.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que les

tubes (51) de l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) sont munis de compensateurs de dilatation et sont attachés en des points fixes (72), tandis que les éléments de surface qui leur sont éventuellement associés et qui entourent le bord (38) de l'ouverture d'irradiation (29) sont subdivisés par des joints de dilatation en secteurs et/ou en segments le

long du bord et/ou transversalement à celui-ci.
11.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que l'é-

changeur de chaleur à rayonnement (50), en tant que partie intégrante de la paroi (30) de la cavité, est disposé dans le plan de l'ouverture d'irradiation (29) de façon qu'il

soit chauffé aussi bien directement par le rayonnement ré-

fléchi (28) que par le rayonnement de la cavité (41).
12.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que les

!, _.

tubes (51) de l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) sont

disposés sous la forme d'une surface annulaire tridimension-

nelle coudée spatialement tout autour de l'ouverture d'ir-

radiation (29).
13.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 12, caractérisée par le fait que

les tubes (51) de l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) sont disposés à plusieurs couches et décalés les uns par

rapport aux autres.
14.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 13, caractérisée par le fait que

les tubes (51) de l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) sont réunis en un faisceau tubulaire (60) qui est disposé le long du bord (38) de l'ouverture d'irradiation (29) ou

transversalement à celle-ci.
15.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque des

revendications 1 à 14, caractérisée par le fait que l'on

prévoit plusieurs faisceaux tubulaires (60) qui recouvrent respectivement une partie de la surface annulaire voisine

du bord (38).
16.- Centrale solaire à tour selon la revendication , caractérisée par le fait que les faisceaux tubulaires

(60) selon l'intensité du rayonnement réfléchi qu'ils re-

çoivent peuvent être montés différemment en parallèle ou en

série en particulier pendant les heures de la journée.
17.- Centrale solaire à tour selon la revendication

, ou 16, caractérisée par le fait que les faisceaux tu-

bulaires (60) selon la température du réfrigérant, sont

différemment utilisés en tant que tronçons de préchauffa-

ged'évaporation ou de surchauffage.
18.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 17, caractérisée par le fait que le

sens d'écoulement du réfrigérant de l'échangeurde chaleur à

rayonnement (50) peut être inversé par rapport à l'ouver-

ture d'irradiation (29).
19.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 18, caractérisée par le fait qu'au

moins un tube (51) de l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) sert de conduite de mesure (94) et est muni-de sondes

de mesure pour la température et le courant massique.
20.- Centrale solaire à tour selon la revendication 19,

caractérisée par le fait que plusieurs tubes (51) de l'é-

changeur de chaleur à rayonnement (50) sont réalisés et

répartis sous forme de conduite de mesure pour la détermina-

tion du rayonnement réfléchi dépassant le bord de l'ouver-

ture d'irradiation ou que tous les tubes (51) peuvent être branchés pour la mesure calorimétrique de la totalité du

rayonnement réfléchi.
21.- Centrale solaire à tour selon la revendication , caractérisée par le fait que les conduites de mesure (94) sont raccordées à un calculateur de processus pour la

commande du champ de miroirs (23).
22.- Centrale solaire à tour selon la revendication 20, ou 21, caractérisée par le fait que les conduites de mesure (94) font partie d'un circuit de régulation, de préférence équipé d'un calculateur de processus, pour l'optimisation de l'utilisation de la chaleur de l'échangeur de chaleur à

rayonnement (50).
23.- Centrale solaire à tour selon l'une quelconque

des revendications 1 à 22, caractérisée par le fait que les

tubes (51) de l'échangeur de chaleur à rayonnement (50) en cas de fonctionnement au-dessus d'une température limite admissible,

reçoivent un courant de réfrigérant accru par l'intermédiai-

re d'un circuit de sécurité.