FR2574528A1 - Recepteur a volume creux pour rayonnement solaire concentre et procede de mise en oeuvre. - Google Patents
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Abstract
A)RECEPTEUR DE RAYONNEMENT, A VOLUME CREUX ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE. B)RECEPTEUR CARACTERISE PAR DES ORIFICES D'ASPIRATION4, 5 PREVUS DANS LA PAROI11 DU BOITIER1 DU RECEPTEUR, ORIFICES A TRAVERS LESQUELS ON ASPIRE L'AIR FROID PENETRANT DANS LE BOITIER A TRAVERS L'ORIFICE D'ENTREE2 DU RAYONNEMENT ET RELIE LE CAS ECHEANT A UNE MACHINE ASPIRANTE6 POUR ETRE DE NOUVEAU EVACUE A L'EXTERIEUR DU RECEPTEUR. C)L'INVENTION CONCERNE DES INSTALLATIONS D'ENERGIE SOLAIRES.
Description
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Récepteur à volume creux pour rayonnement solaire concentré et procédé de mise en oeuvre" L'invention concerne un récepteur à volume creux pour rayonnement solaire concentré et un
procédé de mise en oeuvre.
De façon plus détaillée, l'inven-
tion concerne un procédé de mise en oeuvre d'un récepteur à volume creux dans lequel pénètre le rayonnement solaire,
concentré, et dans lequel une partie de l'énergie de -
rayonnement est utilisée par un moyen de transfert de cha-
leur, pour chauffer une veine massique d'agent de refroi-
dissement. De tels récepteurs à volume creux
font partie>par exemple d'installations solaires réali-
sées selon le principe de la tour. Le volume creux est prévu à la partie supérieure d'une tour. I1 comporte une ou plusieurs ouvertures à travers lesquelles pénètre le rayonnement solaire concentré et réfléchi par des miroirs
mobiles se trouvant à la surface du sol.
En général, les parois des volumes creux donnent à ceux-ci une forme prismatique à surfaces de fond et de plafond horizontales. Une partie de la surface interne du volume creux est utilisée pour le montage de moyens de transfert de chaleur fixes aux surfaces, moyens à travers lesquels passe un agent de refroidissement. L'orifice de pénétration du rayonnement
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dans le volume creux n'est habituellement pas fermé par des fenêtres transparentes à la lumière dans le cas de fortes concentrations de rayonnement, si bien que cette ouverture laisse passer l'air. De ce fait, le volume creux se remplit d'air qui est en communication avec
l'air extérieur par l'orifice d'entrée du rayonnement.
Habituellement de tels récepteurs de rayonnement solaire n'ont pas pour but de chauffer
l'air qui se trouve à la pression atmosphérique à l'inté-
rieur du volume creux mais un agent de refroidissement (ou agent caloporteur) différent, séparé de l'air par les parois de transfert de chaleur. Néanmoins, on ne
peut éviter en pratique que l'air se chauffe à l'inté-
rieur du volume creux.
Une difficulté importante des récepteurs à volume creux dans les installations solaires réside dans la combinaison des deux opérations suivantes: Réchauffage de l'air du volume creux par 'l'énergie rayonnée et échange de l'air du volume creux avec l'air ambiant à travers l'orifice d'entrée de rayonnement. I1 se produit une entrée d'air ambiant froid
et une sortie d'air chaud hors du volume creux. Ce pas-
sage d'air à travers le volume creux lié à un chauffage de l'air se traduit par une perte d'énergie qui est appelée perte par convection du récepteur. En pratique, dans les installations à tour, solaires, ces pertes par convection représentent les pertes les plus importantes des récepteurs à rayonnement. C'est pourquoi, on cherche dans la conception d'une installation, par le choix de la géométrie des récepteurs, à réduire au minimum les pertes par convection. Ce problème a des limites, car
la structure géométrique influence également les caracté-
ristiques optiques du récepteur vis-à-vis du rayonnement.
Comme meilleurs compromis, on a,en général des solutions selon lesquelles l'ouverture d'entrée du rayonnement se
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trouve dans la zone géodésique inférieure du bottier du récepteur. La présente invention a pour but de créer un récepteur de rayonnement à volume creux dans lequel les pertes de chaleur par convection à travers l'orifice d'entrée de rayonnement soient évitées sans détériorer les caractéristiques optiques de l'ouverture d'entrée du rayonnement par une forme du récepteur qui
serait défavorable.
A cet effet, l'invention concerne un procédé du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'on
aspire l'air froid pénétrant dans le volume creux à tra-
vers l'ouverture hors du volume creux du récepteur.
L'invention concerne également un récepteur de rayonnement, à volume creux caractérisé en ce quesur au moins une paroi située en partie inférieure
du bottier, on a des passages traversants.
La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels:
- la figure 1 est une vue en pers-
pective d'un récepteur en forme de corps creux, en vue
de devant et de-dessous.
- la figure 2 est une vue en coupe
du récepteur de la figure 1 par son plan de symétrie.
- les figures 3 à 7 sont des vues en coupe de différents autres exemples de réalisation de l'invention.
La figure 1 est une vue en perspecti-
ve d'un récepteur en forme de corps creux en vue de-des-
sous et de l'avant. L'ouverture circulaire de pénétration du rayonnement apparaît comme- une ellipse. Le récepteur a une forme symétrique par rapport à un plan vertical de symétrie a qui coupe le récepteur suivant la ligne
tracée en traits interrompus.
Le récepteur creux de rayonnement se compose d'un corps creux 3 entouré de parois 1 et
d'une ouverture 2 pour la pénétration du rayonnement.
Les parois 1 peuvent être en partie refroidies et en partie ne pas être refroidies.-Le rayonnement utile du récepteur se fait à l'aide de l'air se trouvant dans le
volume creux 3.
La figure 2 est une coupe transver-
sale du récepteur par son plan de symétrie. Les parois chaudes 1 du récepteur se composent du fond horizontal
11, de la paroi verticale à gauche, de la partie supé-
rieure horizontale 12 et du toit incliné. A droite et en bas, se trouve l'orifice d'entrée de rayonnement 2
situé dans un plan incliné entre le fond 11 et le toit.
Le volume du corps creux 3 est
subdivisé en deux zones.
La zone 1 constitue la partie infé-
rieure du volume. Le niveau moyen de température de l'air est relativement faible; ce niveau est principalement déterminé par la température de l'air ambiant. Dans cette zone, il se produit un échange d'air relativement rapide
avec l'environnement extérieur.
La zone 2 est la partie supérieure du volume. Le niveau moyen de la température de l'air y est relativement élevé et est fortement influencé par la température de la paroi du volume creux. Cette zone n'est que très faiblement en relation d'échange d'air
avec l'environnement extérieur.
Cette subdivision de l'espace en deux parties provient de la situation en partie basse de
l'ouverture. L'air chaud remonte du fait de sa plus fai-
ble densité par rapport à l'environnement et ne peut
s'échapper que difficilement du volume creux 3 par l'ori-
fice situé en partie basse. L'air chaud de la zone 2 refoule l'air froid de la zone 1 du fait de ce gradient
de densité.
Selon les considérations théoriques et expérimentales, il est connu que pour la zone 1 d'un
tel volume creux 3, on a le schéma d'écoulement qualita-
tivement suivant.
L'air 7 aspiré à travers l'ouverture 2 de sa partie basse dans le volume creux 3 s'écoule par un passage à travers la zone 1 et quitte alors le volume
creux 3 de nouveau par la partie supérieure de l'ouver-
ture 2. A ce moment, une partie Dl de cette veine d'air balaie la surface des parois de la zone 1 ainsi que la surface de séparation fictive entre les deux zones. La partie restante D2 de la veine d'air d'entrée ne touche aucune surface de parois et quitte de nouveau le volume
creux 3 après un parcours de longueur réduite.
L'entraînement de l'écoulement selon la figure i se fait notamment en deux endroits: - la poussée dans le sens ascendant de l'air chauffé dans le volume creux 3 par rapport- à l'air ambiant après sa sortie du volume creux 3, - la poussée de l'air réchauffé sur les parois verticales
du volume creux 3 pour la veine d'air proche des parois.
Les figures 3 à 7 montrent d'autres
exemples de réalisation de l'invention.
Selon la figure 3, par comparaison avec le mode de réalisation des figures 1 et 2, on a prévu en outre dans la zone inférieure de préférence au
fond 11 du récepteur et dans la zone supérieure de préfé-
rence dans le plafond 12 du récepteur, des orifices de passage 4 et 5 réalisés en forme de passages traversants par lesquels l'air est aspiré hors du volume creux 3 ou est inspiré dans ce volume. La forme de ces passages 4,5 peut être variable. Suivant la destination, il peut s'agir de quelques orifices de grandes dimensions, de
nombreux orifices de petites dimensions ou encore de pla-
ques poreuses de grande surface. Les ouvertures peuvent être concentrées localement ou encore être réparties de
façon très espacée.
Pour l'aspiration et I'injection de
l'air, les ouvertures peuvent être reliées respective-
ment de façon séparée à une machine soufflante. On peut également regrouper plusieurs ouvertures avec une machine soufflante ou encore toutes les ouvertures du fond ou
toutes celles du plafond à une machine soufflante commune.
Par l'aspiration ou par la combinai-
son de l'aspiration et de l'injection de l'air par les ouvertures 4 et 5, on peut freiner l'écoulement de l'air ambiant à travers le volume creux 3 ou du moins réduire fortement cet écoulement. La perte par convection diminue de façon correspondante. Ce phénomène sera explicité à
l'aide de deux exemples de fonctionnement particuliers.
Selon la figure 4, on utilise le récepteur à corps creux décrit ci-dessus en fermant les ouvertures 5 supérieures ou en ne prévoyant pas de telles ouvertures alors que l'air est aspiré par les ouvertures 4.
L'air aspiré par une machine souf-
flante 6 au niveau du fond 11 est toujours remplacé par
l'introduction d'air ambiant 7, froid passant par l'ori-
fice d'entrée de rayonnement 2. Au cours de sa trajectoire au niveau du fond 11 du récepteur jusqu'aux orifices d'aspiration 4 pour l'évacuation, l'air se réchauffe par conduction thermique dans la couche limite. Cet air est évacué par la veine aspirée hors du volume creux 3 et correspond en général à une perte. Cependant, il est connu que la quantité de chaleur échangée dans la couche limite au niveau du fond est beaucoup plus faible que celle transmise dans la couche limite au niveau des parois verticales selon la figure 2. La perte par convection qui subsiste ainsi ne représente qu'une faible fraction
de la perte qu'il y a sans aspiration au niveau du fond.
L'aspiration au niveau du fond
n'extrait pratiquement pas d'air chaud de la zone supé-
rieure du volume creux, car cet air chaud du fait de sa faible densité flotte sur la veine d'air froid proche du fond, veine d'air froid qui provient de l'orifice d'en-
trée 2 pour le rayonnement.
La perte d'énergie correspondant au fonctionnement de la machine aspirante 6. est très faible par comparaison au gain d'énergie qui en résulte par l'interruption de la veine d'air de passage selon la
figure 2.
Le système d'aspiration d'air et de la soufflante 6 peut être réalisé de façon que les différents orifices d'aspiration 4 permettent d'évacuer des masses d'importances différentes, choisies, réglables (par exemple par des volets tournants). De cette manière,
on peut rendre le système optimum sur le plan énergétique.
Le fait que les températures de l'air soient basses dans le système d'aspiration constitue une simplification
technique.
Selon la figure 5, l'air aspiré
au niveau du fond 11 comme décrit ci-dessus est de nou-
veau expulsé par la machine soufflante 6 au point 8 au voisinage de l'orifice d'entrée 2. De cette manière, on arrive à une recirculation forcée, très accentuée de l'air. Mais cette circulation d'air signifie également une circulation d'énergie. La perte par convection du récepteur peut également être réduite de façon plus importante. Une autre solution du problème est rendue possible par la combinaison de l'utilisation des orifices d'air réalisés dans le fond 1l et du plafond 12 du récepteur. (figure 6). De l'air très chaud est aspiré du volume creux 3 par les orifices 5 et est de nouveau insufflé par les orifices 4 réalisés dans le fond. Cette
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circulation se fait avec un débit massique tellement
faible que le but recherché est précisément atteint.
Par l'injection par le bas, on obtient que de petites couches d'air froid, lourd, se forment au niveau du fond. Comme-du fait de sa densité relativement élevée, l'air froid 7 n'a pas tendance à
remonter, les parois intérieures du volume creux 3 peu-
vent être très largement protégées contre le contact avec l'air froid. Dans cette solution, il faut veiller à ce que la veine d'air chaud, forcée dans le volume creux 3 ne circule pas à une vitesse trop importante, car sinon on a le risque d'un mélange plus important avec l'air
froid au voisinage de l'orifice d'entrée 2.
Pour rendre optimum le système, on
peut, là encore choisir librement la répartition des ori-
fices d'injection et d'aspiration ainsi que la réparti-
tion du flux massique entre les orifices.
Enfin, il est possible de combiner cette circulation d'air chaud et l'aspiration d'air froid décrites ci-dessus dans le cas o cela est par exemple
avantageux sur le plan énergétique au voisinage de l'ori-
fice d'entrée de rayonnement. Un exemple est donné à la
figure 7 qui prévoit une machine soufflante 61 complé-
mentaire pour aspirer en outre l'air froid par un passage
41 au voisinage de l'orifice d'entrée 2.
R E- VEND I CA T I 0 N S
1 ) Procédé pour la mise en oeuvre d'un récepteur à volume creux dans lequel le rayonnement solaire, concentré, pénètre dans une ouverture et dans lequel, par l'intermédiaire d'un moyen de transfert de chaleur, une partie de l'énergie fournie par rayonnement
sert à refroidir une veine massique d'agent de refroidis-
sement, procédé caractérisé en ce qu'on aspire l'air
froid (7) pénétrant dans le volume creux à travers l'ou-
verture (2) hors du volume creux (3) du récepteur.
2 0) Récepteur à volume creux pour la
mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, com-
posé d'un boltier ayant une ouverture pour laisser entrer le rayonnement solaire, récepteur caractérisé en ce que, sur au moins une paroi (11) située en partie inférieure du
bottier, on a des passages traversants (4).
3 ) Récepteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un dispositif d'aspiration (6) est
associé aux passages traversants (4).
4 ) Récepteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'aspiration (6)
débouche à l'air ambiant par son côté de pression.
) Récepteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'aspiration (6)
débouche,par son côté de pression dans des passages d'en-
trée (8) prévus de façon complémentaire dans le boîtier (1). 6 ) Récepteur selon l'une quelconque
des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bottier
comporte des passages complémentaires (5) dans sa partie supérieure, passages à travers lesquels un dispositif d'aspiration (6) aspire l'air du volume creux (3) du boîtier (1), le dispositif d'aspiration étant relié par son côté de pression aux passages traversants (4) prévus
dans la paroi inférieure (11).
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