FR2998357A1 - Groupe de conversion d'une energie thermique en une energie hydraulique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un groupe de conversion (3) d'une énergie thermique en une énergie hydraulique remarquable en ce qu'il comporte au moins deux pistons (15,16) solidaires d'une unique tige de piston (17) et définissant quatre chambres (18,19,20,21) dans un corps cylindrique (22), deux chambres dites distales (18,19) et deux chambres proximales (20,21), et deux échangeurs thermiques (23,24) à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales (18,19), les deux chambres proximales (20,21) étant connectées à une conduite d'admission (25) d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement (26) dudit fluide, de telle sorte qu'il convertisse l'énergie thermique en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique comportant deux isobares, une compression quasi-isotherme ou adiabatique et une détente adiabatique ou quasi-isotherme. Un autre objet de l'invention concerne une centrale électrique solaire thermique comprenant au moins un champ de collecte solaire à concentration (1) comportant une pluralité d'héliostats (4) qui concentrent les rayons solaires sur des tubes (6) où un fluide caloporteur circule ; ladite centrale est remarquable en ce qu'elle comprend au moins un groupe de conversion (3) suivant l'invention, un groupe de compression (7) et une turbine hydraulique (11) couplée à une génératrice (12) pour transformer l'énergie hydraulique en électricité.
Description
GROUPE DE CONVERSION D'UNE ENERGIE THERMIQUE EN UNE ENERGIE HYDRAULIQUE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un groupe de conversion d'une énergie thermique en une énergie hydraulique particulièrement adapté pour une centrale électrique solaire thermique du type comprenant une pluralité d'héliostats qui concentrent les rayons solaires sur des tubes où un fluide caloporteur circule, une unité de dessalement comportant une ou plusieurs unité à osmose inverse, ou un dispositif de cogénération d' électricité notamment. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Dans le domaine de la production d'énergie, il est bien connu des centrales électriques solaires thermiques qui sont une alternative aux centrales électriques fonctionnant à partir d'énergies fossiles telles que le pétrole ou le charbon par exemple. Il existe plusieurs types de centrale électrique solaire thermique. Les quatre principaux types de centrale sont les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques, les centrales à tour, les centrales à capteurs paraboliques et les centrales solaires à miroirs de Fresnel. Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques se composent de rangées parallèles de longs miroirs cylindro-paraboliques qui tournent autour d'un axe horizontal pour suivre la course du soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube récepteur horizontal, dans lequel circule un fluide caloporteur dont la température atteint en général 400 °C. Ce fluide est ensuite pompé à travers des échangeurs afin de produire de la vapeur surchauffée qui actionne une turbine ou un générateur électrique.
Outre le coût de fabrication de telles centrales qui est important, ces centrales nécessitent l'utilisation de sels fondus pour stocker l'énergie afin de régulariser la production journalière et la maintenir pendant le non fonctionnement de la centrale, c'est- à-dire pendant la nuit notamment. Or ces sels fondus sont particulièrement toxiques et présentent un risque important pour l'environnement en cas de fuite. Les centrales solaires à tour sont constituées de nombreux miroirs concentrant les rayons solaires vers une chaudière située au sommet d'une tour. Les miroirs uniformément répartis sont appelés héliostats. Chaque héliostat est orientable, et suit le soleil individuellement et le réfléchit précisément en direction du receveur au sommet de la tour solaire. Le facteur de concentration peut dépasser 1000, ce qui permet d'atteindre des températures importantes, de 600 °C à 1000 °C. L'énergie concentrée sur le receveur est ensuite soit directement transférée à un fluide thermodynamique pour générer de la vapeur entraînant une turbine ou chauffer de l'air alimentant une turbine à gaz, soit utilisée pour chauffer un fluide caloporteur intermédiaire. Ce fluide caloporteur est ensuite envoyé dans une chaudière et la vapeur générée actionne des turbines. Dans tous les cas, les turbines entraînent des alternateurs produisant de l'électricité.
Ces centrales à tour présentent l'inconvénient d'être particulièrement onéreuses Dans les centrales à capteurs paraboliques, ces derniers fonctionnent d'une manière autonome. Ils s'orientent automatiquement et suivent le soleil sur deux axes afin de réfléchir et de concentrer les rayons du soleil vers un point de convergence appelé foyer consistant usuellement dans une enceinte fermée contenant du gaz qui est monté en température sous l'effet de la concentration. Cela entraîne un moteur Stirling qui convertit l'énergie solaire thermique en énergie mécanique puis en électricité. Le rapport de concentration de ce système est souvent supérieur à 2000 et le récepteur peut atteindre une température de 1000 °C. Outre le coût particulièrement important de ces centrales, ces dernières présentent l'inconvénient de ne pas permettre un stockage de l'énergie.
Les centrales solaires les moins onéreuses consistent dans les centrales solaires à miroir de Fresnel. En effet, ces dernières sont similaires aux centrales à collecteurs cylindro-parabolique à l'exception du fait que les collecteurs cylindro-paraboliques, qui sont chers à fabriquer, sont substitués par une succession de miroirs plans qui approxime la forme parabolique du collecteur. Chacun des miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers un tube ou un ensemble de tubes récepteurs linéaires fixes. En circulant dans ce récepteur horizontal, le fluide thermodynamique peut être vaporisé puis surchauffé jusqu'à 500 °C. La vapeur alors produite actionne une turbine qui produit de l'électricité. Le cycle thermodynamique est généralement direct, ce qui permet d'éviter les échangeurs de chaleur. Ce type de centrale, bien que moins onéreux que les autres centrales, présente l'inconvénient de nécessiter l'utilisation de sels fondus pour stocker l'énergie afin de régulariser la production journalière et la maintenir pendant le non fonctionnement de la centrale EXPOSE DE L'INVENTION L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un groupe de conversion d'une énergie thermique en énergie hydraulique présentant un bon rendement et pouvant trouver de nombreuses applications notamment pour une centrale électrique solaire thermique, un système de dessalement ou un cogénérateur d'électricité par exemple.
A cet effet, et conformément à l'invention, il est proposé un roupe de conversion d'une énergie thermique en une énergie hydraulique remarquable en ce qu'il comporte au moins deux pistons solidaires d'une unique tige de piston et définissant quatre chambres dans un corps cylindrique, deux chambres dites distales et deux chambres proximales, et deux échangeurs thermiques à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales, les deux chambres proximales étant connectées à une conduite d'admission d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement dudit fluide, de telle sorte qu'il convertisse l'énergie thermique en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique comportant deux isobares, une compression quasi-isotherme ou adiabatique et une détente adiabatique ou quasi-isotherme. De préférence, chaque piston comporte des moyens d'isolation thermique et présente une forme sensiblement hémi-sphérique creuse.
Par ailleurs, le groupe de conversion suivant l'invention comporte une unité de commande pilotant des vannes montées sur quatre conduites connectant les deux chambres proximales aux conduites d'admission de fluide et d'échappement de fluide et respectivement sur quatre conduites connectant les deux échangeurs thermiques aux chambres distales. De plus, le groupe de conversion comporte au moins un capteur de position apte à déterminer la position des pistons dans les chambres, ledit capteur de position étant connecté à l'unité de commande. Un autre objet de l'invention concerne une centrale électrique solaire thermique comprenant au moins un champ de collecte solaire à concentration comportant une pluralité d'héliostats qui concentrent les rayons solaires sur des tubes où un fluide caloporteur circule remarquable en ce qu'elle comprend au moins un groupe de conversion suivant l'invention, un groupe de compression et une turbine hydraulique couplée à une génératrice pour transformer l'énergie hydraulique en électricité. Ladite centrale électrique solaire thermique suivant l'invention comporte au moins un moyen stockage de l'eau sous pression et/ou de l'air comprimée par le ou les groupes de conversion. Par ailleurs, ladite centrale électrique solaire thermique comporte au moins deux groupes de conversion montés en série et/ou au moins deux groupes de conversion montés en parallèle. Accessoirement, le fluide caloporteur circulant dans le tube de chaque champ de collecte solaire à concentration consiste dans de l'air.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre, d'une unique variante d'exécution, donnée à titre d'exemple non limitatif, du groupe de conversion conforme à l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une centrale électrique solaire thermique comportant deux groupes de conversion montés en série conformément à l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'un champ de collecte de la centrale électrique thermique suivant l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective de l'ensemble de production d'électricité de la centrale électrique solaire thermique suivant l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective d'un groupe de conversion suivant 10 l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective déchirée du groupe de conversion suivant l'invention, - la figure 6 est une représentation graphique du cycle thermodynamique dit de Ericsson comportant deux isobares, une compression isotherme et une détente 15 adiabatique, - les figures 7A à 7F sont des vues de dessus schématiques du groupe de conversion suivant l'invention dans les différentes étapes de fonctionnement, - la figure 8 est une vue en perspective d'une variante d'exécution de l'ensemble de production d'électricité de la centrale électrique solaire thermique suivant l'invention, 20 - la figure 9 est une vue de dessus schématique d'une variante d'exécution du groupe de conversion suivant l'invention, - la figure 10 est une représentation schématique d'une centrale électrique solaire thermique comportant une pluralité de groupes de conversion suivant l'invention, - la figure 11 est une représentation schématique d'un cogénérateur d'électricité 25 comportant une pluralité de groupes de conversion suivant l'invention, - la figure 12 est une représentation schématique d'une unité de dessalement à osmose inverse comportant une pluralité de groupes de conversion suivant l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 30 Par souci de clarté, dans la suite de la description, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Par ailleurs, le groupe de conversion suivant l'invention est essentiellement décrit dans une application à une centrale électrique solaire thermique ; toutefois, il est bien évident que le groupe de conversion suivant l'invention trouvera de nombreuses applications nécessitant la conversion d'une énergie thermique en une énergie hydraulique telles que notamment pour une unité de dessalement à osmose inverse ou un dispositif de cogénération d'électricité notamment En référence à la figure 1, la centrale électrique solaire thermique est du type à miroir de Fresnel et comporte plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1), un ensemble dit de production (2) comportant des moyens pour transformer l'énergie hydraulique en électricité et au moins un groupe de conversion (3) permettant de convertir l'énergie thermique fournie par le champ de collecte solaire à concentration (1) en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique dit de Ericsson comportant deux isobares, une compression isotherme et une détente adiabatique. Dans cet exemple particulier de réalisation, en référence aux figures 1 et 2, la centrale électrique solaire thermique comporte quatre champs de collecte solaire à concentration (1). Chaque champ de collecte solaire à concentration (1) comprend une pluralité d'héliostats (4) solidaires d'un châssis (5) métallique qui concentrent les rayons solaires sur un tube (6) dans lequel un fluide caloporteur circule, ledit fluide caloporteur consistant dans un gaz tel que de l'air par exemple. On entend par « héliostat » un dispositif permettant de suivre la course du Soleil pour orienter toute la journée les rayons solaires vers le tube (6) à l'aide de miroirs. Les miroirs plans sont articulés au châssis (5) de manière à approximer une forme parabolique. Ainsi, chacun des miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers le tube (6). En circulant dans le tube (6), l'air peut être chauffé à plus de 650°C. Il est bien évident que l'air circulant dans le tube (6) de chaque champ de collecte solaire à concentration (1) pourra être substitué par tout autre gaz équivalent bien connu de l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Par ailleurs, en référence aux figures 1 et 3, l'ensemble de production (2) de la centrale électrique solaire thermique comporte un groupe de compression (7) constitué d'un compresseur à air (8), un démultiplicateur de pression (9) et un distributeur (10), tel qu'un groupe de compression commercialisé par la société ENAIRYS® par exemple, une turbine hydraulique (11) couplée à une génératrice (12), un réservoir hydraulique (13) et au moins un aéroréfrigérant (14). On entend par « aéroréfrigérant » un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique du fluide thermodynamique vers l'air extérieur. En l'espèce, l'aérofrigérant permet de refroidir l'eau à la sortie de la turbine hydraulique (11) avant de la renvoyer vers le ou les groupes de conversion (3) qui seront décrits en détail dans la suite de la description. On observera que tout type de groupe de compression (7) pourra être utilisé ; toutefois, on utilisera de préférence un groupe de compression commercialisé par la société ENAIRYS ® qui fonctionne non pas avec un piston mécanique mais grâce à un concept de compression et de détente d'air basé sur le principe du « piston liquide ». L'eau refroidit l'air pendant la phase de compression permettant de réduire les pertes thermiques au minimum et donc d'avoir un bien meilleur rendement.
En référence aux figures 4 et 5, chaque groupe de conversion (3) comprend des moyens de conversion de l'énergie thermique fournie par le champ de collecte solaire à concentration (1) en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique dit de Ericsson comportant deux isobares, une compression isotherme et une détente adiabatique en référence à la figure 6. Chaque groupe de conversion (3) comporte deux pistons (15,16) solidaires d'une unique tige de piston (17) et définissant quatre chambres (18,19,20,21) dans un corps (22) sensiblement cylindrique, deux chambres dites distales (18,19) et deux chambres proximales (20,21), et deux échangeurs thermiques (23,24) à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales (18,19) par l'intermédiaire des tubes (6) de deux champs de collecte (1) solaire à concentration, les deux chambres proximales (20,21) étant connectées à une conduite d'admission (25) d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement (26) dudit fluide, en l'espèce de l'eau. Chaque échangeur thermique (23,24) est connecté aux chambres distales (18) et respectivement (19) ainsi qu'à l'entrée d'un tube (6) d'un champ de collecte solaire à concentration (1) et à la sortie du groupe de compression (7) de l'ensemble de production (2). Ainsi la température de l'air circulant dans les échangeurs thermiques (23,24) varie de la température ambiante à approximativement à la température de fin de la détente adiabatique, soit environ 400°C. Chaque piston (15,16) comporte avantageusement des moyens d'isolation thermique. De préférence, chaque piston (15,16) présente une forme sensiblement hémi-sphérique creuse procurant ladite isolation thermique.
Accessoirement, le groupe de conversion comporte au moins un capteur de position apte à déterminer la position des pistons (15,16) dans les chambres (18,19,20,21), ledit capteur de position étant connecté à une unité de commande, non représentée sur les figures, pilotant des vannes (27,28,29,30 ; 31,32,33,34) montées sur quatre conduites (35,36,37,38) connectant les deux chambres proximales (20,21) aux conduites d'admission (25) de fluide et d'échappement (26) de fluide et respectivement sur quatre conduites (39,40,41,42) connectant les deux échangeurs thermiques (23,24) aux chambres distales (18,19). On notera que les conduites (39) et (42) représentées sur la figure 5 correspondent chacune à un tube (6) d'un champ de collecte à concentration solaire (1). Ledit capteur de position pourra consister dans tout capteur de position bien connu de l'homme du métier et pourra être positionné, par exemple, sur la tige de piston (17). La conduite d'échappement (26) de fluide fournit de l'eau sous pression à l'ensemble de production (2) ou à la conduite d'admission d'un groupe de conversion (3) monté en série et la conduite d'admission (25) est connectée à la conduite d'échappement (26) d'un groupe de conversion (3) monté en série en amont ou à la sortie de l'aéroréfigérant (13).
On observera que le fluide utilisé dans le groupe de conversion (3) pourra consister dans tout type de fluide et qu'il consiste, de préférence, dans de l'eau. Par ailleurs, on notera que la centrale électrique solaire thermique suivant l'invention pourra comporter une pluralité de groupe de conversion (3) montés en série et/ou en parallèle sans pour autant sortir du cadre de l'invention. De cette manière, il est aisé d'augmenter progressivement la puissance du champ de collecte. On notera qu'un montage en série de groupes de conversion (3) suivant l'invention, lesdits groupes de conversion fonctionnant alors de manière décalée, permet de lisser la courbe de pression à l'entrée de l'ensemble de production (2).
Accessoirement, en référence à la figure 3, l'ensemble de production (2) comporte également des réservoirs d'air comprimé (43) pour stocker l'énergie et permettre la production d'électricité lorsqu'il n'y a plus de soleil, l'air comprimé étant produit par le groupe de compression (7).
On expliquera maintenant le fonctionnement du groupe de conversion suivant l'invention en référence aux figures 7A à 7F. En début de cycle, en référence à la figure 7A, la vanne d'admission (31) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (23) est ouverte et la vanne d'échappement (33) de l'air contenu dans la chambre distale (19) connectée à l'échangeur thermique (23) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (27) de l'eau circulant dans la conduite (35) connectée à la chambre proximale (20) est ouverte et la vanne d'admission (30) de l'eau circulant dans la conduite (38) est également ouverte. Ainsi, le cycle commence par une admission isobare dans laquelle l'air à haute pression et haute température, environ 650°C, est admis dans la chambre distale gauche (18) en même temps que l'air à basse pression de la chambre distale droite (19) est évacué. Le flux d'air entrant passe par l'échangeur thermique (23) afin de récupérer une partie de l'énergie du flux sortant de la chambre distale droite (19) puis il se réchauffe dans le champ de collecte (1) auquel il est raccordé par l'intermédiaire de la conduite (39) correspondant au tube (6) du champ de collecte solaire à concentration (1). La pression de l'air admis dans la chambre distale gauche (18) agit simultanément sur le piston avec la pression de l'eau entrant dans la chambre proximale droite (21) pour chasser l'eau de la chambre proximale gauche (20), l'eau sous pression s'échappant alors vers la conduite d'échappement (26). En référence à la figure 7B, lors de la deuxième étape du cycle, la vanne d'admission (31) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (23) est fermée et la vanne d'échappement (33) de l'air contenu dans la chambre distale (19) connectée à l'échangeur thermique (23) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (27) de l'eau circulant dans la conduite (35) connectée à la chambre proximale (20) est ouverte et la vanne d'admission (30) de l'eau circulant dans la conduite (38) est également ouverte. Ainsi, la seconde étape du cycle consiste en une détente adiabatique de l'air emprisonnée dans la chambre distale gauche (18). Dans le même temps, l'air à basse pression de la chambre distale droite (19) continue à être évacué vers l'échangeur thermique (23) et libère dans ledit échangeur (23) de l'énergie récupérable lors du cycle suivant. Le mouvement du piston se poursuit procurant l'évacuation de l'eau de la chambre proximale gauche (20), l'eau sous pression s'échappant vers la conduite d'échappement (26).
En référence à la figure 7C, lors de la troisième étape du cycle, correspondant à la fin de la détente et à la moitié du cycle de fonctionnement du groupe de conversion suivant l'invention, la vanne d'admission (31) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (23) est fermée et la vanne d'échappement (33) de l'air contenu dans la chambre distale (19) connectée à l'échangeur thermique (23) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (27) de l'eau circulant dans la conduite (35) connectée à la chambre proximale (20) est ouverte et la vanne d'admission (30) de l'eau circulant dans la conduite (38) est également ouverte. La détente se termine quand le piston arrive au point mort bas, c'est-à-dire quand le volume de la chambre distale gauche (18) est maximal et le volume de la chambre proximale gauche (20) est minimal. Simultanément, cette troisième étape du cycle se termine dans la chambre distale droite (19) par la fin du transfert de l'air basse pression.
La quatrième étape du cycle est identique à la première étape du cycle. En référence à la figure 7D, la vanne d'admission (34) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (24) est ouverte et la vanne d'échappement (32) de l'air contenu dans la chambre distale (18) connectée à l'échangeur thermique (24) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (28) de l'eau circulant dans la conduite (36) connectée à la chambre proximale droite (21) est ouverte et la vanne d'admission (29) de l'eau circulant dans la conduite (37) est également ouverte. Ainsi, le cycle commence par une admission isobare dans laquelle l'air à haute pression et haute température, environ 650°C, est admis dans la chambre distale droite (19) en même temps que l'air à basse pression de la chambre distale gauche (18) est évacué. Le flux d'air entrant passe par l'échangeur thermique (24) afin de récupérer une partie de l'énergie du flux sortant de la chambre distale gauche (18) puis il se réchauffe dans le champ de collecte (1) auquel il est raccordé par l'intermédiaire de la conduite (42) correspondant au tube (6) d'un second champ de collecte solaire à concentration (1). La pression de l'air admis dans la chambre distale droite (19) agit simultanément sur le piston avec la pression de l'eau entrant dans la chambre proximale gauche (20) pour chasser l'eau de la chambre proximale droite (21), l'eau sous pression s'échappant alors vers la conduite d'échappement (26).
En référence à la figure 7E, lors de la cinquième étape du cycle, la vanne d'admission (34) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (24) est fermée et la vanne d'échappement (32) de l'air contenu dans la chambre distale (18) connectée à l'échangeur thermique (24) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (28) de l'eau circulant dans la conduite (36) connectée à la chambre proximale droite (21) est ouverte et la vanne d'admission (29) de l'eau circulant dans la conduite (37) est également ouverte. Ainsi, la quatrième étape du cycle consiste en une détente adiabatique de l'air emprisonné dans la chambre distale droite (19). Dans le même temps, l'air à basse pression de la chambre distale gauche (18) continue à être évacué vers l'échangeur thermique (24) et libère dans ledit échangeur (24) de l'énergie récupérable lors du cycle suivant. Le mouvement du piston se poursuit procurant l'évacuation de l'eau de la chambre proximale droite (21), l'eau sous pression s'échappant vers la conduite d'échappement (26).
En référence à la figure 7F, lors de la sixième étape du cycle, correspondant à la fin de la seconde détente et à fin du cycle de fonctionnement du groupe de conversion suivant l'invention, la vanne d'admission (34) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (24) est fermée et la vanne d'échappement (32) de l'air contenu dans la chambre distale (18) connectée à l'échangeur thermique (24) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (28) de l'eau circulant dans la conduite (36) connectée à la chambre proximale droite (21) est ouverte et la vanne d'admission (29) de l'eau circulant dans la conduite (37) est également ouverte. La détente se termine quand le piston arrive au point mort bas, c'est-à-dire quand le volume de la chambre distale droite (19) est maximal et le volume de la chambre proximale droite (21) est minimal. Simultanément, cette dernière étape du cycle se termine dans la chambre distale gauche (18) par la fin du transfert de l'air basse pression. Le groupe de conversion (3) est alors prêt pour un nouveau cycle.
Selon une variante d'exécution de la centrale électrique solaire thermique, en référence à la figure 8, l'ensemble de production (2) de la centrale électrique solaire thermique comporte un groupe de compression (7) constitué d'un compresseur à air (8), un démultiplicateur de pression (9) et un distributeur (10), tel qu'un groupe de compression commercialisé par la société ENAIRYS® par exemple, une turbine hydraulique (11) couplée à une génératrice (12), un réservoir hydraulique (13) et au moins un aéroréfrigérant (14), tel que décrit précédemment, pourra être substitué par un ensemble de production (2) comprenant une turbine hydraulique (44) couplée à une génératrice (45) et un compresseur d'air (46). L'ensemble de production (2) comporte également des aérofrigérants (47) pour maintenir l'eau à température ambiante, ladite eau étant utilisée pour le refroidissement de l'étage de compression. De plus, l'ensemble de production (2) comporte également un réservoir hydraulique (48) formant tampon. Selon une variante d'exécution du groupe de conversion suivant l'invention, en référence à la figure 9, ce dernier comporte comme précédemment deux pistons (15,16) solidaires d'une unique tige de piston (17) et définissant quatre chambres (18,19,20,21) dans un corps (22) sensiblement cylindrique, deux chambres dites distales (18,19) et deux chambres proximales (20,21), et deux échangeurs thermiques (23,24) à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales (18,19) par l'intermédiaire des tubes (6) de deux champs de collecte (1) solaire à concentration, les deux chambres proximales (20,21) étant connectées à une conduite d'admission (25) d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement (26) dudit fluide, en l'espèce de l'eau. Chaque échangeur thermique (23,24) est connecté aux chambres distales (18) et respectivement (19) ainsi qu'à l'entrée d'un tube (6) d'un champ de collecte solaire à concentration (1) et à la sortie du groupe de compression (7) de l'ensemble de production (2). Chaque piston (15,16) comporte avantageusement des moyens d'isolation thermique. De préférence, chaque piston (15,16) présente une forme sensiblement hémi-sphérique creuse procurant ladite isolation thermique. Le groupe de conversion comporte au moins un capteur de position apte à déterminer la position des pistons (15,16) dans les chambres (18,19,20,21), ledit capteur de position étant connecté à une unité de commande, non représentée sur les figures, pilotant des vannes (27,28,29,30 ; 31,32,33,34) montées sur quatre conduites (35,36,37,38) connectant les deux chambres proximales (20,21) aux conduites d'admission (25) de fluide et d'échappement (26) de fluide et respectivement sur quatre conduites (39,40,41,42) connectant les deux échangeurs thermiques (23,24) aux chambres distales (18,19). Ledit capteur de position pourra consister dans tout capteur de position bien connu de l'homme du métier et pourra être positionné, par exemple, sur la tige de piston (17).
Le groupe de conversion se distingue de la variante d'exécution précédemment décrite par le fait que le corps (22) comporte une double paroi (49) au niveau des chambres distales (18,19) définissant un volume alimenté en fluide chaud par les conduites (39,42), lesdites doubles paroi (49) comportant une entrée connectée à un tronçon (39a,42a) de la conduite (39,42) et une sortie connectée à un tronçon (39b,42b) de la conduite (39,42). Les tronçons (39a,39b ;42a,42b) consistent par exemple en des tronçons d'un ou plusieurs tubes (6) d'un champ de collecte à concentration solaire ou dans tous tubes dans lequel circule un fluide chauffé par tout moyen approprié tel qu'une chaudière par exemple.
On notera que le fluide chaud circulant ainsi dans le volume délimité par la double paroi au niveau des chambres distales (18,19) procure ainsi un cycle thermodynamique comportant deux isobares, une compression adiabatique ou quasi-isotherme et une détente quasi-isotherme. On observera que la compression est adiabatique ou quasi- isotherme en fonction du compresseur associé à l'unité de conversion. En référence à la figure 10, une première application du groupe de conversion suivant l'invention consiste dans une centrale électrique solaire thermique comportant un ou plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1) incluant un ou plusieurs échangeurs thermique, un premier échangeur thermique (100), un groupe de conversion (3), un second échangeur thermique (101) consistant dans le refroidisseur de l'unité de compression et les moyens de refroidissement du retour des groupes de conversion (3) et un ensemble de production (2) comprenant une turbine hydraulique (44) alimentée par le groupe de conversion (3) et couplée à une génératrice (45) et un compresseur d'air (46) alimenté et refroidit par le second échangeur thermique (101). Le groupe de conversion (3) comporte un ou plusieurs groupe de conversion connectés en série ou en parallèle sans les échangeurs thermiques (23,24) décrits précédemment. En référence à la figure 11, une seconde application du groupe de conversion suivant l'invention consiste dans un cogénérateur d'électricité comportant un ou plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1) incluant un ou plusieurs échangeurs thermique, un premier échangeur thermique (100), un groupe de conversion (3), un second échangeur thermique (101) alimentant un réseau d'eau domestique (102), ledit second échangeur thermique consistant dans le refroidisseur de l'unité de compression et les moyens de refroidissement du retour des groupes de conversion (3), et un ensemble de production (2) comprenant une turbine hydraulique (44) alimentée par le groupe de conversion (3) et couplée à une génératrice (45) et un compresseur d'air (46) alimenté et refroidit par le second échangeur thermique (101).
En référence à la figure 12, une troisième application du groupe de conversion suivant l'invention consiste dans une unité de dessalement à osmose inverse comportant un ou plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1), un premier échangeur thermique (100) incluant un ou plusieurs échangeurs thermique, un groupe de conversion (3), un second échangeur thermique (101) consistant dans le refroidisseur de l'unité de compression et les moyens de refroidissement du retour des groupes de conversion (3) et un ensemble comprenant une turbine hydraulique (44) couplée à un dispositif à osmose inverse (103) et un compresseur d'air (46) alimenté par le second échangeur thermique (101), le dispositif à osmose inverse (103) étant alimenté en eau sous pression par le groupe de conversion (3) et étant connecté à la turbine hydraulique (44). De la même manière que précédemment, le groupe de conversion (3) comporte un ou plusieurs groupe de conversion connectés en série ou en parallèle sans les échangeurs thermiques (23,24) décrits précédemment.
On observera que le champ de collecte solaire à concentration (1) pourra être substitué par une chaudière ou analogue sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières, en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de 25 l'invention.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Groupe de conversion (3) d'une énergie thermique en une énergie hydraulique caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux pistons (15,16) solidaires d'une unique tige de piston (17) et définissant quatre chambres (18,19,20,21) dans un corps cylindrique (22), deux chambres dites distales (18,19) et deux chambres proximales (20,21), et deux échangeurs theiiniques (23,24) à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales (18,19), les deux chambres proximales (20,21) étant connectées à une conduite d'admission (25) d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement (26) dudit fluide, de telle sorte qu'il convertisse l'énergie thermique en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique comportant deux isobares, une compression quasi-isotherme ou adiabatique et une détente adiabatique ou quasi-isotherme.
- 2. Groupe de conversion suivant la revendication 1 caractérisé en ce que chaque piston (15,16) comporte des moyens d'isolation theimique.
- 3. Groupe de conversion suivant la revendication 2 caractérisé en ce que chaque 20 piston (15,16) présente une forme sensiblement hémi-sphérique creuse.
- 4. Groupe de conversion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de commande pilotant des vannes (27,28,29,30 ;31,32,33,34) montées sur quatre conduites (35,36,37,38) connectant les 25 deux chambres proximales (20,21) aux conduites d'admission (25) de fluide et d'échappement (26) de fluide et respectivement sur quatre conduites (39,40,41,42) connectant les deux échangeurs thermiques (23,24) aux chambres distales (18,19).
- 5. Groupe de conversion suivant la revendication 4 caractérisé en ce qu'il 30 comporte au moins un capteur de position apte à déterminer la position des pistons (15,16) dans les chambres (18,19,20,21), ledit capteur de position étant connecté à l'unité de commande.
- 6. Centrale électrique solaire theimique comprenant au moins un champ de collecte solaire à concentration (1) comportant une pluralité d'héliostats (4) qui concentrent les rayons solaires sur des tubes (6) où un fluide caloporteur circule caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un groupe de conversion (3) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, un groupe de compression (7) et une turbine hydraulique (11) couplée à une génératrice (12) pour transfoimer l'énergie hydraulique en électricité.
- 7. Centrale électrique solaire thei Enigue suivant la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un moyen stockage (43) de l'eau sous pression et/ou de l'air comprimée par le ou les groupes de conversion (3).
- 8. Centrale électrique solaire thermique suivant l'une quelconque des revendications 6 ou 7 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux groupes de conversion (3) montés en série.
- 9. Centrale électrique solaire thermique suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux groupes de conversion (3) montés en parallèle.
- 10. Centrale électrique solaire thermique suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisée en ce que le fluide caloporteur circulant dans le tube de - chaque champ de collecte solaire à concentration (1) consiste dans de l'air. î
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