FR3013427A1 - Centrale solaire - Google Patents

Abstract

Un système 100 de production d'une énergie solaire 90 comporte un premier ensemble 101 de production et de stockage d'énergie sous forme de chaleur. Le premier ensemble comporte un réseau 30 avec un capteur 10 à concentration, un accumulateur 20 de l'énergie sous forme de chaleur et un premier échangeur thermique 50 pour le transfert de la chaleur vers un deuxième ensemble 102 de production d'une énergie utilisable souhaitée. Une première boucle 31 ouverte du réseau comporte : une conduite froide de capteur 33, le capteur 10, une conduite chaude de capteur 35, une conduite chaude d'accumulateur 37, l'accumulateur 20, une conduite de décharge ; Une seconde boucle 32 ouverte du réseau comporte : une conduite froide d'accumulateur 34, l'accumulateur 20, une conduite chaude d'accumulateur 37, une conduite chaude de premier échangeur 36, le premier échangeur thermique 50, une conduite de décharge. Des vannes 331, 341, 381, 391 sont agencées sur les conduites du réseau 30 pour permettre la circulation de l'air sélectivement dans la première boucle 31 et ou dans la seconde boucle 32.

Description

CENTRALE SOLAIRE La présente invention appartient au domaine de la récupération de l'énergie solaire. L'invention s'adresse plus particulièrement à un dispositif de récupération principalement sous forme de chaleur de l'énergie solaire parvenant au sol 5 incorporant un stockage de chaleur et s'adresse à un système comportant un tel dispositif. La récupération de l'énergie apportée par le soleil à la surface de la Terre est ancienne et prend de nombreuse formes. 10 Les énergies dites fossiles, charbon, pétrole ou gaz naturel, qui constituent une forme de récupération et de stockage chimique de l'énergie solaire, ont entre autres le défaut bien connu d'avoir un cycle de renouvellement très long et incompatible avec les besoins des activités humaines. A l'opposé il est aujourd'hui conçus des dispositifs pour récupérer l'énergie 15 solaire de manière à rendre disponible immédiatement l'énergie reçue du soleil. Ces dispositifs sont principalement des capteurs électriques du type photovoltaïque convertissant le rayonnement solaire sous forme électrique ou des capteurs thermiques convertissant le rayonnement solaire sous forme de chaleur. Dans les deux cas la question du stockage de l'énergie produite pour faire 20 face aux caprices des conditions météorologiques, aux cycles jour-nuit ou encore aux alternances saisonnières se pose dés que les besoins en utilisation de l'énergie ne correspondent pas avec les conditions d'ensoleillement. Dans le cas de la production d'énergie électrique photovoltaïque, la méthode de stockage la plus pratiquée consiste à disposer de batteries d'accumulation 25 électrique. Toutefois, les batteries d'accumulation électriques sont coûteuses et, même avec des système complexes de régulation de leurs cycles de charge et de décharge, leur durée de vie est limitée, notamment compte tenu des conditions, en particulier de températures élevées ou basses, dans lesquelles elles sont appelé à fonctionner. En outre les matériaux entrant dans la fabrication de tels accumulateurs sont particulièrement polluants. Pour stocker l'énergie sous forme thermique à faibles coûts et avec des effets limités sur l'environnement, il est souvent mis en oeuvre une masse 5 thermique constituée d'un matériau d'une chaleur spécifique aussi élevée que possible et dont la température est augmentée pour stocker l'énergie et refroidie pour prélever de l'énergie. Dans ce type d'installation un fluide caloporteur, liquide ou gaz, transporte en circuit fermé la chaleur depuis le capteur solaire jusqu'à la masse thermique de stockage, un second circuit réalisant le transport de la 10 chaleur depuis la masse de stockage vers l'utilisateur et évitant le mélange des fluides des deux circuits. Ce type d'architecture est relativement complexe de par les différents circuits, en particulier dans la masse thermique qui doit être traversé par les deux systèmes à fluide caloporteur avec des efficacités suffisantes des échanges 15 thermiques pour chacun d'eux. En outre la mise en oeuvre d'un circuit fermé entre le capteur et la masse thermique conduit en fonctionnement à une élévation de la température du fluide à l'entrée du capteur, du fait de l'augmentation de la température à la sortie de la masse thermique échauffée, qui augmente de fait la température du capteur et rend moins performant les solutions souhaitant 20 combiner ces dispositifs avec la production d'électricité photovoltaïque. La présente invention propose un système de production d'une énergie utilisable à partir du rayonnement solaire. Le système comporte un premier ensemble de production et de stockage 25 d'énergie sous forme de chaleur, ce premier ensemble comportant au moins un capteur à concentration du rayonnement solaire par un réflecteur linéaire, comportant au moins un accumulateur de l'énergie sous forme de chaleur et comportant au moins un premier échangeur thermique ou un mélangeur d'un dispositif de transfert de la chaleur vers un deuxième ensemble de production 30 d'une énergie utilisable sous une forme souhaitée. Le premier ensemble comporte un réseau de conduites d'air dans lequel réseau : -au moins une première boucle ouverte comporte suivant un sens de circulation de l'air dans cette première boucle : une conduite froide de capteur dans laquelle de l'air atmosphérique est introduit, depuis l'extérieur du premier ensemble ; l'au moins un capteur ; une conduite chaude de capteur ; une conduite chaude d'accumulateur ; l'au moins un accumulateur ; une conduite de décharge d'accumulateur de laquelle l'air est rejetée vers l'atmosphère ; -au moins une seconde boucle ouverte comporte suivant un sens de circulation de l'air dans cette seconde boucle : une conduite froide d'accumulateur dans laquelle de l'air atmosphérique est introduit, depuis l'extérieur du premier ensemble ; l'au moins un accumulateur ; une conduite chaude d'accumulateur ; une conduite chaude de premier échangeur ; le premier échangeur thermique ; une conduite de décharge de premier échangeur de laquelle l'air est rejetée vers l'atmosphère ; -des vannes agencées sur les conduites du réseau de sorte à permettre la 15 circulation de l'air sélectivement dans la première boucle et ou dans la seconde boucle. Il est ainsi obtenu un système dans lequel de l'énergie sous forme de chaleur issue du rayonnement solaire est stockée puis restituée à température relativement élevé du fait de la mise en oeuvre de concentrateurs du rayonnement 20 solaire. Le système en utilisant de l'air à la pression ambiante comme fluide caloporteur circulant dans le capteur et l'accumulateur en circuit ouvert prenant l'air atmosphérique ambiant et en évacuant celui ci vers l'atmosphère lorsqu'il a circulé dans le réseau évite une élévation de la température en entrée du capteur comme il serait le cas avec une boucle fermée et présente l'avantage de ne pas 25 être sensible aux problèmes d'étanchéité propres aux circuits fermés. Dans une forme de réalisation, l'air atmosphérique est introduit dans la conduite froide de capteur et dans la conduite froide d'accumulateur, suivant la boucle active, par des moyens de forçage de la circulation de l'air atmosphérique. Le moyen de forçage, mettant en oeuvre par exemple un ou des ventilateurs 30 ou une ou des turbines, permet de contrôler et de réguler le débit de l'air dans le réseau et, du fait du fonctionnement en circuit ouvert, ne nécessite pas d'augmenter la pression statique dans le réseau.

Dans une forme de réalisation, les moyens de forçage de la circulation de l'air atmosphérique dans le réseau sont communs à la première boucle et à la seconde boucle. Il est ainsi simplifié le système en disposant les moyens de forçage sur une 5 partie conduite commune à la conduite froide du capteur et à la conduite froide de l'accumulateur. Avantageusement les vannes sont agencées sur des conduites froides du réseau. Il est ainsi possible d'isoler ou d'activer et de réguler le débit d'air dans une 10 boucle sans que les vannes soient soumises à des températures élevées susceptibles de nuire à leur fiabilité. Dans une forme de réalisation, le capteur comporte sur une face supérieure du capteur, directement exposée au rayonnement solaire, des cellules photovoltaïques. 15 Il est ainsi produit une énergie électrique directement utilisable, en particulier par le système lui-même pour alimenter les éléments pouvant nécessiter une énergie électrique tel que les vannes, les moyens de forçage et des moyens de régulation, ce qui permet de rendre le système autonome en énergie sans prendre sur les surfaces d'ensoleillement exploitées par le système pour réchauffer l'air 20 dans la première boucle. Dans une forme de réalisation, le capteur comporte sur une face inférieure du capteur, exposée au rayonnement solaire réfléchi par le réflecteur linéaire, des cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à haute température. Il est ainsi produit comme dans le cas précédent une énergie électrique 25 directement utilisable à partir du rayonnement solaire concentré et donc avec de faibles surfaces de cellules photovoltaïques, indépendamment ou en complément des cellules photovoltaïques placées sur le dessus du capteur. Ce résultat n'affecte pas les capacités de production de chaleur du capteur, les cellules photovoltaïques étant pratiquement transparente vis à vis des rayonnements 30 solaires produisant la chaleur dans le capteur. Avantageusement les cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à haute température sont superposées à une fenêtre par laquelle le rayonnement solaire concentré par le réflecteur linéaire dans une zone du capteur dans laquelle la température est inférieure à une température définie en un point de fonctionnement nominal du capteur. Il est ainsi évité de placer des cellules photovoltaïques, éventuellement coûteuses, dans des zones dont la température atteint en fonctionnement des 5 valeurs pour lesquelles le rendement des cellules photovoltaïques chute drastiquement. Dans une forme de réalisation, le capteur comporte un tube comportant un radiateur dont une surface de captage thermique est située du côté d'une fenêtre du capteur recevant le rayonnement solaire concentré par le miroir linéaire, et le 10 radiateur comporte des ailettes en contact avec l'air dans le tube. Il est ainsi obtenu une efficacité des échange thermique avec l'air et une faible inertie thermique du capteur. Dans des formes variées de réalisation : - au moins deux capteurs sont agencés dans le réseau pour fonctionner 15 en parallèle avec une conduite chaude de capteur commune aux dits au moins deux capteurs ; - lorsque deux capteurs sont agencés pour fonctionner en parallèle, de préférence les deux capteurs sont alignés avec leurs extrémités correspondant aux conduites chaudes se faisant vis à vis, et le cas échéant chaque comporte 20 des moyens de forçage qui lui sont propre agencé sur la conduite froide de capteur ; - au moins deux accumulateurs sont agencés dans le réseau et pourvus chacun : d'une conduite chaude ; d'une conduite froide d'accumulateur comportant une troisième vanne ; d'une conduite de décharge pourvue d'une deuxième 25 vanne, et le réseau comporte une vanne multivoies agencée entre les conduites chaudes d'accumulateur, la conduite chaude de capteur et la conduite chaude d'échangeur de sorte que suivant la position de la vanne multivoies, un ou les au moins deux accumulateurs sont dans un mode de stockage d'énergie sous forme de chaleur dans la première boucle et ou un ou les deux accumulateurs sont dans 30 un mode d'utilisation de l'énergie stockée sous forme de chaleur dans la deuxième seconde ; - la conduite froide de capteur, et ou la conduite froide d'accumulateur, ou une partie commune des dites conduites froides de capteur et d'accumulateur, comportent un réchauffeur assurant un chauffage de l'air circulant dans la conduite comportant le réchauffeur, le réchauffeur étant le cas échéant une source froide d'une machine thermique du deuxième ensemble ; - un ou des échangeurs thermiques sont agencés dans des conduites chaudes de capteur et ou d'accumulateur et ou d'échangeur. Il est ainsi obtenu un système dans lequel le fonctionnement peut être modulé, et le rendement amélioré. Dans le système, le deuxième ensemble, qui utilise la chaleur produite et stockée par le premier ensemble, est par exemple un générateur de vapeur d'eau, 10 et ou est un générateur de froid, et ou est un générateur de puissance électrique. Le système permet de réaliser des installations de petites ou moyennes puissances mettant en oeuvre des technologies relativement simples et peu coûteuses et donc faciles à mettre en oeuvre dans des lieux ne bénéficiant pas d'un environnement ayant accès à des technologies performantes et délicates à 15 implanter et à faire fonctionner. La description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention est faite en référence aux figures qui illustrent schématiquement de manière non limitative : figure 1 : un exemple de système suivant l'invention comportant un premier 20 ensemble de production et de stockage d'énergie sous forme de chaleur et un second ensemble de production d'énergie électrique à partir de l'énergie produite ou stockée sous forme de chaleur ; figure 2 : un schéma de du premier ensemble de production et de stockage de l'énergie sous forme thermique isolé de la figure 1 ; 25 figures 3a, 3b et 3c: des schémas du premier ensemble de la figure 1 dans différentes configurations de fonctionnement : figure 3a en mode de production et de stockage de l'énergie thermique ; figure 3b en mode de déstockage et d'utilisation de l'énergie thermique ; figure 3c suivant un mode de fonctionnement hybride de production d'énergie thermique, et simultanément de stockage et 30 d'utilisation de l'énergie thermique ; figure 4: une section transversale d'un exemple de capteur hybride pour le chauffage de l'air et la production d'électricité photovoltaïque à température ambiante et à haute température ; figure 5 : une section longitudinale du capteur de la figure 4 montrant un exemple de répartition des capteurs photovoltaïques en fonction de gradient thermiques suivant la longueur du capteur ; figure 6 : une illustration d'un exemple de système à deux accumulateurs 5 pouvant fonctionner en parallèle suivant des modes similaires ou différents ; figure 7 : une illustration d'un exemple de système comportant un échangeur thermique avec l'air introduit dans le réseau de conduites du premier ensemble ; figure 8 : une illustration d'un exemple de système comportant un récupérateur de chaleur basse température de l'air sortant vers l'atmosphère du 10 réseau de conduites du premier ensemble ; figure 9 : une illustration d'un exemple de système comportant des échangeurs placés sur les conduites chaudes du réseau de conduites du premier ensemble. 15 Sur les différentes figures, des éléments assurant des fonctions équivalentes sont identifiés par le même repère. Les différents éléments sont représentés de manière symbolique et ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle ni dans leurs formes possibles. 20 La figure 1 présente un système 100 de production d'énergie électrique à partir des rayonnements solaires 90 arrivant à la surface du sol. Conformément aux principes de l'invention, la production d'énergie électrique utilise dans cet exemple de réalisation une production et un stockage de l'énergie 25 solaire sous forme de chaleur. Le système de la figure 1 comporte un premier ensemble 101 de production et de stockage de chaleur, un deuxième ensemble 102 de production d'énergie électrique et entre le premier ensemble et le deuxième ensemble un dispositif de transfert de chaleur 103. 30 Le dispositif de transfert de chaleur 103 assure un transfert de l'énergie sous forme de chaleur depuis un circuit du premier ensemble 101 vers un circuit du deuxième ensemble 102 qui est associé dans l'exemple de réalisation à une machine thermique pouvant entraîner un générateur électrique G tel qu'un alternateur. La production d'énergie électrique dans le deuxième ensemble est ici présenté à titre d'illustration non limitative, l'énergie apportée par le premier ensemble pouvant être mise en oeuvre pour d'autres applications consommatrices d'énergie telles que la production de vapeur, la production de froid, la désalination d'eau de mer ... Le premier ensemble 101 comporte un capteur solaire 10 à concentration, un 10 accumulateur 20 de chaleur du type à matériau granulaire et un réseau 30 de circulation forcé d'air. Le réseau 30 de circulation forcé d'air comporte des conduites assurant la circulation de l'air dont la température est comprise entre la température ambiante 15 et une température de sortie du capteur solaire, température généralement supérieure à 150°C et pouvant dépasser 600°C dans 'bxemple de réalisation suivant la performance du capteur mis en oeuvre. Le réseau 30 de circulation forcé d'air comporte des vannes pour déterminer des segments du réseau de circulation forcé dans lequel l'air doit ou non circuler à 20 un moment donné. Le réseau 30 de circulation forcé d'air comporte également des moyens de forçage 40 de la circulation de l'air, par exemple une ou plusieurs turbines. Considérant à nouveau le premier ensemble 101 de la figure 1, également 25 représenté isolé sur la figure 2, le réseau 30 de circulation forcé d'air détermine au moins deux boucles ouvertes. La première boucle 31 est une boucle d'accumulation dans laquelle l'énergie solaire captée est stockée sous forme de chaleur. Considérant un cheminement de l'air dans ladite première boucle, on trouve : 30 - une bouche d'entrée d'air associée aux moyens de forçage 40; - une conduite froide de capteur 33 pourvue d'une première vanne 331 de l'écoulement dans ladite conduite froide de capteur ; - le capteur solaire 10 à concentration ; - une conduite chaude de capteur 35; - une conduite chaude d'accumulateur 37; - l'accumulateur 20 de chaleur ; - une conduite de décharge 38 pourvue d'une deuxième vanne 381 de 5 l'écoulement dans ladite conduite de décharge. Sur la même figure 1, la deuxième boucle 32 est une boucle de restitution dans laquelle l'énergie stockée sous forme de chaleur dans l'accumulateur 20 est restituée à de l'air dirigé après son réchauffement vers un échangeur 10 thermique 50. Considérant un cheminement de l'air dans ladite deuxième boucle, on trouve : -la bouche d'entrée d'air associée aux moyens de forçage 40 ; - une conduite froide d'accumulateur 34 pourvue d'une troisième vanne 331 15 de l'écoulement dans ladite conduite froide d'accumulateur ; - l'accumulateur 20 de chaleur ; - la conduite chaude d'accumulateur 37; - une conduite chaude d'échangeur 36; - un circuit primaire d'un premier échangeur thermique 50 du dispositif de 20 transfert de chaleur 103. - une conduite de décharge 39 pourvue d'une quatrième vanne 391 de l'écoulement dans ladite conduite de décharge. L'examen de la figure 1 décrite ci-dessus montre que la première boucle 31 25 et la deuxième boucle 32 comportent une branche commune dans la laquelle se trouve l'accumulateur 20. Cette branche commune comporte également les moyens de forçage 40 de la circulation de l'air qui sont donc dans cet exemple de réalisation partagés entre la première boucle et la deuxième boucle. 30 Dans une forme de réalisation différente de celle illustrée, la branche commune peut être plus ou moins limité par rapport au cas décrit mais incorpore nécessairement l'accumulateur.

Il doit être compris que cette description de l'exemple illustré n'est pas limitative, en particulier vis à vis du nombre de circuits pouvant coexister et du nombre de composants : capteurs, accumulateur, vannes ... pouvant assurer des fonctions équivalentes sur le premier ensemble et qui seront détaillées ultérieurement dans la description du fonctionnement du système. Les moyens de forçage 40 de la circulation de l'air assurent une circulation de l'air dans les conduites du premier ensemble 101. Les moyens de forçage prélèvent l'air extérieur à la pression et température 10 ambiantes et apportent à l'air prélevé l'énergie nécessaire, essentiellement sous forme de pression dynamique, pour obtenir un débit souhaité dans chacune des première et deuxième boucles lorsqu'elles sont actives. Le capteur 10 est un capteur à concentration utilisant l'air comme fluide caloporteur. Dans le capteur 10, de l'air circule dans un tube ou un réseau de 15 tubes fixe 11 sur lequel le rayonnement solaire 90 est concentré par des miroirs 121 orientables constituant un réflecteur linéaire de Fresnel 12. Un réflecteur linéaire est ici un réflecteur qui concentre le rayonnement solaire sur une surface réduite de largeur petite par rapport à une longueur, autour d'une ligne théorique. 20 Le nombre et les dimensions des miroirs orientables sont choisis pour obtenir, dans les conditions d'ensoleillement nominales du capteur, une température souhaitée de l'air à une sortie du capteur, dans l'exemple de réalisation une température pouvant atteindre 600°C Avantageusement, le capteur est un capteur à concentrateur linéaire dans 25 lequel les miroirs 121 sont dans des plans parallèles à une direction principale du capteur et sont orientables autour d'axes parallèles à cette même direction principale. La figure 4 illustre une section d'un exemple de capteur 10. Dans le capteur 10 de la figure 4, le tube 11 comporte un radiateur 13 dont 30 une surface de captage 131 thermique est située du côté d'une fenêtre 18 exposée au rayonnement solaire concentré par le réflecteur linéaire 12. Le radiateur 13 comporte avantageusement, comme illustré en section sur la figure 4, des ailettes qui augmentent la surface de contact entre le radiateur et l'air circulant dans le tube 11 de sorte à favoriser les échanges rapides de chaleur et donner au capteur une faible inertie thermique. Un tel radiateur est réalisé dans un matériau bon conducteur de l'énergie thermique et présente une forme dont la géométrie permet de réaliser une surface 5 de contact nécessaire avec l'air circulant dans le tube pour réchauffer l'air. Le radiateur 13 est par exemple réalisé dans un matériau métallique ou dans un matériau céramique. Compte tenu des élévations de la température dans le tube 11, il sera avantageusement recherché des matériaux pour réaliser ledit tube et son radiateur avec des coefficients de dilatation aussi réduit que possible. Le 10 radiateur peut également être réalisé par assemblage de segments dont des joints absorbent une dilatation des segments. En dehors de la fenêtre 18, le tube est enfermé dans un boîtier 111 comportant un isolant thermique 16, 17 entre des parois du boîtier et le tube 11 pour limiter les pertes thermiques de l'air réchauffé par conduction. Dans 15 l'exemple de réalisation illustré, l'isolant thermique est réalisé en partie avec un isolant thermique rigide 16, par exemple une mousse à cellules fermées, sur lequel repose le tube 11 et en partie avec un isolant thermique souple 17, par exemple un matériau fibreux telle qu'une laine de roche, qui recouvre le tube 11 et qui absorbe une dilatation transversale dudit tube lorsque le boîtier ne subit pas de 20 dilatation sensible. La section de la figure 4 illustre également deux types de capteurs photovoltaïques agencés sur le capteur 10. D'une part une face supérieur du boîtier 111 comporte des cellules photovoltaïques 14 fonctionnant à température ambiante. Les cellules 25 photovoltaïques 14 sont agencées sur une face du boîtier qui est exposée au rayonnement solaire directe et est situé à l'opposé du miroir de Fresnel 12. Avantageusement toute la face supérieure du boîtier 111 est recouverte de cellules photovoltaïques, ce qui permet de produire une électricité solaire directement utilisable sans qu'il soit nécessaire de mettre en place un support 30 spécifique et sans qu'il ne soit produit de zone d'ombre supplémentaire sur le miroir linéaire et sur le capteur thermique. D'autre part des cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à hautes températures 15 sont fixées devant la fenêtre 18 dans le rayonnement solaire concentré par le réflecteur linéaire 12. Pour de telles cellules, il est fait usage d'un procédé de collage résistant aux températures de la zone où le rayonnement solaire est concentré.

De préférence dans cette forme de réalisation, les cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à hautes températures 15 sont fixées sur le capteur 10 dans une zone dans laquelle la température est la plus faible, a priori une extrémité du capteur 10 au niveau de laquelle est introduit l'air devant être réchauffée. La zone recouverte de cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à haute température sera par exemple limitée à une zone dans laquelle la température est inférieur en fonctionnement nominal du capteur à une température au-dessus de laquelle le rendement des cellules photovoltaïques mises en oeuvre est fortement dégradé. La figure 5 montrant une vue schématique suivant une section longitudinale d'un capteur 10, illustre un exemple de répartition des cellules photovoltaïques 14 et des cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à hautes températures 15 sur le capteur 10 en fonction d'une température probable suivant la position dans le capteur telle que représenté par la courbe de température en fonction de la position suivant la longueur du capteur.

Dans cet exemple une température maximale de l'ordre de 150°C est prise en compte en considérant la disponibilité des cellules photovoltaïques pouvant fonctionner dans ces conditions de températures. L'accumulateur 20 est constitué principalement d'une masse d'un matériau granulaire 21 solide remplissant un volume clos, de préférence isolé sur le plan 25 thermique pour éviter des pertes par conduction et par rayonnement, exception faite d'entrées et sorties d'air de l'accumulateur. La masse du matériau granulaire 21 est choisie, en prenant en considération sa chaleur spécifique, pour obtenir une capacité d'accumulation thermique voulue entre une température maximale de stockage et une température minimale 30 efficace, fonction des moyens qui seront mis en oeuvre pour utiliser l'énergie stockée sous forme de chaleur dans le matériau granulaire de l'accumulateur. Dans l'accumulateur 20, l'air circule entre les grains du matériau 21. Les dimensions des dits grains seront choisies pour permettre une circulation souhaitée de l'air, notamment de la vitesse de l'écoulement entre les grains de matériau, en particulier pour offrir à l'air une section de passage dans sa traversée de l'accumulateur suffisante pour maintenir les pertes de charge à un niveau admissible, et pour obtenir une surface de contact entre l'air et les grains du matériau suffisante pour les échanges thermiques devant se réaliser dans l'accumulateur. Les différentes conduites du réseau 30 sont des conduites rigides et ou souples de sections adaptées à des débits d'air devant circuler compte tenu de vitesses attendues dans lesdites conduites.

En pratique pour limiter les pertes de charge dans les conduites la vitesse de l'air, qui circule dans les conduites avec une pression statique voisine de la pression atmosphérique extérieure aux dites conduites, est comprise entre 0,1 m/s et 20 m/s, ces valeurs n'étant toutefois pas impératives et pouvant être adaptées à une installation donnée.

Avantageusement les conduites, en particulier les conduites devant transporter de l'air échauffé : la conduite chaude de capteur 35, la conduite chaude d'accumulateur 37 et la conduite chaude d'échangeur 36, comportent une isolation thermique pour limiter les pertes d'énergie thermique par les parois des dites conduites et accessoirement pour éviter que la température de surface des dites tuyauteries n'atteigne une température pouvant provoquer des brûlures à des personnes ou des animaux venant au contact des dites tuyauteries. Les vannes 331, 341, 381, 391 sont des vannes conventionnelles comportant une position fermée dans laquelle position l'air ne traverse pas la vanne et comportant au moins une position ouverte dans laquelle l'air traverse la 25 vanne. Avantageusement la vanne est une vanne à passage intégral présentant une section d'ouverture correspondant à la section de la conduite sur laquelle est placé ladite vanne telle qu'une vanne à tournant sphérique ou une vanne papillon. Les vannes sont mises en oeuvre comme des vannes d'arrêt de l'écoulement lorsque l'air ne doit pas circuler compte tenu du mode mis en oeuvre ou comme 30 des vannes de régulation du débit d'air lorsqu'un débit contrôlé doit être régulé.

Le premier échangeur thermique 50, dont le circuit primaire est traversé par de l'air amené par la conduite chaude d'échangeur 36, comporte un circuit secondaire dans lequel circule un liquide caloporteur. Le liquide caloporteur est par exemple de l'eau qui dans cet exemple est 5 maintenu à une pression suffisante pour rester à l'état liquide à la température de à laquelle est portée l'eau dans le circuit secondaire. Le dispositif étant conçu pour fonctionner avec des températures pouvant dépasser la température de vaporisation du liquide caloporteur dans le circuit secondaire, avantageusement ledit fluide caloporteur dans le circuit secondaire 10 est maintenue à une pression suffisante pour rester en phase liquide. Par exemple, avec de l'eau comme fluide caloporteur avec une température de l'ordre de 150°C, la pression est maintenue à au moins 7 bas dans le circuit secondaire. Considérant le système 100 de la figure 1, ledit système comporte deux 15 mode principaux de fonctionnement. Le premier mode correspond à la production et au stockage de l'énergie sous forme thermique. Ce premier mode est illustré par le schéma de la figure 3a sur lequel seul le 20 premier ensemble 101 de production et de stockage de chaleur du système 100 est représenté. Dans ce premier mode, seule la première boucle 31 est active, les première vanne 331 et deuxième vanne 381 sont ouvertes et les troisième vanne 341 et quatrième vanne 391 sont fermées. 25 Les moyens de forçage 40 de la circulation de l'air dans les conduites prélèvent de l'air atmosphérique extérieur à pression et température ambiante. L'air est envoyé dans la conduite froide de capteur 33 par la première vanne 331 en position ouverte alors que sa progression est interdite dans la conduite froide d'accumulateur par la troisième vanne 341 en position fermée. 30 Ensuite l'air passe dans le capteur 10 dans lequel sa température augmente en fonction de l'énergie solaire reçue. L'orientation principale du capteur et l'orientation des miroirs sont fonctions du lieu sur lequel est implanté le système 100 et de la position du soleil, comme il est connu de l'homme du métier.

L'air réchauffé ressort alors du capteur 10 et est envoyé vers l'accumulateur 20 par la conduite chaude de capteur 35 puis la conduite chaude d'accumulateur 37 alors que sa progression est interdite dans la conduite chaude d'échangeur par la quatrième vanne 391 en position fermée située sur la conduite froide d'échangeur 39. Ensuite l'air passe dans l'accumulateur où, lors de son contact avec les grains du matériau 21 dudit accumulateur, il communique une partie de la quantité de chaleur qu'il a acquise dans le capteur 10 aux dits grains de matériau et est lui-même refroidi.

Ensuite l'air sort de l'accumulateur 20 par la conduite de décharge 38 dont la deuxième vanne 381 est en position ouverte et est enfin expulsé du réseau 30 vers l'atmosphère. Dans une forme de réalisation, l'air est expulsé par une cheminée, non représentée sur les figures.

Le second mode correspond au déstockage et à l'utilisation de l'énergie stockée sous forme thermique dans l'accumulateur 20. Ce second mode est illustré par le schéma de la figure 3b sur lequel seul le premier ensemble 101 de production et de stockage de chaleur du système 100 20 est représenté. Dans ce second mode, seule la deuxième boucle 32 est active, les troisième vanne 341 et quatrième vanne 391 sont ouvertes et les première vanne 331 et deuxième vanne 381 sont fermées. Les moyens de forçage 40 de la circulation de l'air dans les conduites 25 prélèvent de l'air atmosphérique extérieur à pression et température ambiante. L'air est envoyé dans la conduite froide d'accumulateur 34 par la troisième vanne 341 en position ouverte alors que sa progression est interdite dans la conduite froide de capteur 33 par la première vanne 331 en position fermée et est également interdite dans la conduite de décharge 38 par la deuxième vanne 381 30 en position fermée. Ensuite l'air passe dans l'accumulateur 20 où, lors de son contact avec les grains du matériau 21 dudit accumulateur, il se réchauffe en prenant une partie de la quantité de chaleur stockée dans ledit accumulateur.

L'air réchauffé ressort alors de l'accumulateur 20 et est envoyé vers le premier échangeur thermique 50 par la conduite chaude d"accumulateur 37 puis la conduite chaude d'échangeur 36 alors que sa progression est interdite dans la conduite chaude de capteur par la première vanne 331 en position fermée située sur la conduite froide de capteur 33. Ensuite l'air passe dans le circuit primaire du premier échangeur 50. Dans le dit premier échangeur, une quantité de chaleur est transférée de l'air passant dans le primaire du premier échangeur 50 au fluide caloporteur circulant dans le circuit secondaire dudit premier échangeur.

Ensuite l'air refroidit sort de l'échangeur 50 par la conduite froide d'échangeur 39 dont la quatrième vanne 391 est en position ouverte et est enfin expulsé du réseau 30 vers l'atmosphère. Dans une forme de réalisation, l'air est expulsé par une cheminée, non représentée sur les figures.

Avantageusement le passage du fonctionnement alternativement entre premier mode de production et de stockage et le second mode de déstockage et d'utilisation est contrôlé par une unité de contrôle centralisée qui pilote les vannes 331, 341, 381, 391 du réseau 30. L'unité de contrôle centralisé pilote également le fonctionnement des moyens de forçage 40, avantageusement en fonction des conditions d'ensoleillement et de la demande en quantité de chaleur au niveau du premier échangeur 50, de sorte à réguler les températures dans les différentes conduites et équipements du premier ensemble 101 et à adapter le stockage et la consommation de l'énergie sous forme de quantité de chaleur dans le système 100.

Dans un mode fonctionnement hybride illustré sur la figure 3c, une partie de l'énergie produite sous forme de chaleur dans le capteur 10 est stockée dans l'accumulateur 20 suivant le premier mode de fonctionnement mais par une régulation de la quatrième vanne 391, une partie de l'air chaud de la conduite chaude de capteur 35 est dérivée vers la conduite chaude d'échangeur 36 pour apporter une partie de la chaleur produite directement du capteur 10 vers le premier échangeur 50 pour être utilisé sans avoir été stockée. Avantageusement, l'unité de contrôle, les vannes et les moyens de forcage sont alimentés électriquement par un circuit de génération électrique alimenté par les capteurs à cellules photovoltaïques 13 de sorte que le premier ensemble 101 fonctionne de manière autonome lorsqu'il ne dispose pas d'une source d'alimentation électrique autre, extérieure au système ou provenant du deuxième ensemble 102.

De manière préférée, lorsque le capteur 10 est pourvu de cellules photovoltaïques 14 et ou de cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à hautes températures 15, l'énergie électrique produite par les dites cellules photovoltaïques est prioritairement utilisée pour assurer l'autonomie de fonctionnement du premier ensemble 101.

Dans le premier ensemble 101, il doit être noté que les moyens de forçage 40 et toutes les vannes 331, 341, 381, 391 sont agencés en des emplacement du réseau 30 tels que la température de l'air est minimale, soit que la température est la température ambiante de l'air, soit que l'air est à une température abaissée en sortant de l'accumulateur 20 ou du premier échangeur 50 dans le second mode. Considérant à nouveau le schéma du système 100 de la figure 1, le deuxième ensemble 102 de production d'énergie reçoit de l'énergie sous forme 20 thermique du premier ensemble 101 de production et de stockage d'énergie par le dispositif de transfert de chaleur 103. Dans l'exemple de réalisation, le fluide caloporteur circule entre le premier échangeur thermique 50 et un second échangeur thermique 51 agencés pour former un circuit fermé, la circulation étant assuré par une pompe 52. 25 Dans une autre forme de réalisation, non représentée, le fluide caloporteur réchauffé au niveau du premier échangeur circule directement dans le circuit utilisant la chaleur apportée par le premier ensemble 101. La chaleur transférée du premier échangeur thermique 50 au second échangeur thermique 51 est alors reprise au niveau dudit second échangeur 30 thermique par un circuit d'une machine thermique à cycle Rankine dont une turbine 60 entraîne un alternateur 61, en pratique toute machine thermique en mesure d'exploiter comme source chaude l'énergie apportée au niveau du second échangeur thermique 51 qui est en pratique à relativement basse température, dans l'exemple illustré au environ de 150°C en condtion de fonctionnement nominal. Un système 100, tel que le système décrit dans l'exemple de réalisation détaillé des figures 1 à 3, présente les avantages de mettre en oeuvre des technologies relativement simples qui conduisent à un système d'un coût réduit, d'une grande fiabilité et ne présentant que peu de difficultés dans sa mise en place sur un site. En particulier le système 100 est adapté à des installations autonomes de production d'énergie à partir du rayonnement solaire de petites et moyennes capacités, en particulier des installations de production d'énergie électrique jusqu'à des puissance de 250 kW en continu, ou pour d'autres forme d'énergie en particulier en chaleur ou en froid. La mise en oeuvre de boucles de fluide ouverte avec de l'air à pression ambiante comme fluide caloporteur dans l'ensemble de production et de stockage de l'énergie thermique solaire s'avère particulièrement avantageux en évitant d'utiliser un fluide spécifique et du fait que les contraintes d'étanchéité en deviennent marginales.

Il doit également être noté que dans sa structure le système 100, et en particulier le premier ensemble 101 de production et de stockage d'énergie thermique, est susceptible de variantes tout en restant dans le principe de l'invention. Ainsi, par exemple pour des raisons de régulation de la puissance, pour des raisons de fiabilité ou de sûreté de fonctionnement, pour des raisons de modularité dans la fabrication et l'assemblage du système, pour améliorer le rendement ... le premier ensemble peut comporter des conduites du réseau 30 avec un agencement différent pour canaliser l'air utilisé comme fluide caloporteur suivant des boucles équivalentes et peut comporter plus de composants que dans l'exemple de réalisation décrit de manière détaillée. Par exemple, le capteur peut comporter une pluralité de capteurs élémentaires, solution non illustrée, agencés en parallèle par exemple pour augmenter la capacité de collecte d'énergie solaire et ou par exemple agencés en série pour augmenter la température en sortie de capteur. Dans ce cas par exemple les capteurs sont alimentés en air frais par une ou plusieurs conduites froides de capteur et l'air réchauffé des différents capteurs est 5 évacué par une conduite chaude de capteur qui peut être commune à deux ou plus capteurs. Dans de telles configurations, chaque conduite froide de capteur peut être alimenté par les mêmes moyens de forçage ou au contraire par différents moyens de forçage. 10 En agençant ainsi des capteurs avec un fonctionnement en parallèle, équivalent topologiquement à un raccordement en étoile, la puissance de l'installation peut être adaptée par des ajouts de capteurs sans que la température en sortie de capteur ni la perte de charge dans l'écoulement de l'air ne soit augmentée comme il en résulterait d'un montage en série des capteurs. 15 Dans l'exemple illustré sur la figure 6 d'un premier ensemble 101 ,deux accumulateurs 20 sont agencés dans le réseau 30. Chaque accumulateur dispose d'une troisième vanne 341 et d'une deuxième vanne 381 de sorte qu'il peut fonctionner alternativement suivant le premier mode de stockage de l'énergie sous 20 forme de chaleur ou suivant le second mode de restitution de l'énergie sous forme de chaleur. En outre un dispositif 22 de vannes multivoies permet par exemple de stocker de la chaleur produite par le capteur 10 pendant que la chaleur stockée dans le l'autre accumulateur est utilisée, vanne multivoies 22 dans la position illustrée (1), et d'inverser les fonctions respectives des deux accumulateurs, vanne 25 multivoies dans la position illustrée (2), pour être en mesure de fonctionner simultanément dans les deux modes de stockage et d'utilisation de l'énergie sous forme de chaleur sans affecter le fonctionnement de chacune des première et deuxième boucles par l'autre boucle. Dans une position non illustrée du dispositif de vannes multivoies, les deux 30 accumulateurs sont chargés en parallèle suivant le mode de fonctionnement général décrit pour le système avec un seul accumulateur.

Dans une position non illustrée du dispositif de vannes multivoies, les deux accumulateurs sont utilisés en parallèle suivant le mode de fonctionnement général décrit pour le système avec un seul accumulateur.

Dans l'exemple illustré sur la figure 7 le réseau comporte un dispositif de préchauffage 23, par exemple un échangeur thermique, de l'air introduit dans le réseau 30 par les moyens de forçage 40 de sorte que l'énergie thermique de l'air est déjà augmentée avant que l'air ne soit à nouveau réchauffé dans le capteur 10 ou dans l'accumulateur 20. Un tel dispositif de préchauffage peut prélever de la chaleur dans toute source de chaleur accessoire proche du système ou dans les pertes thermiques du système lui-même, par exemple au niveau des conduites de décharge par lesquelles une chaleur résiduelle non stockée ou non utilisée est évacuée vers l'atmosphère. Dans une forme de réalisation, le dispositif de préchauffage 23 est utilisé 15 comme une source froide pour le dispositif, utilisant l'énergie thermique de la première boucle 101, mis en oeuvre dans la deuxième boucle 102. Dans l'exemple illustré sur la figure 8, un échangeur thermique basse température 24 est agencé sur la conduite de décharge 39 du premier échangeur 20 thermique 50 du dispositif de transfert de chaleur 103. Ainsi il est repris une partie de la chaleur résiduelle de l'air évacué vers l'atmosphère lors du second mode de fonctionnement, par exemple pour des applications accessoires de chauffage. Dans l'exemple illustré sur la 9 des échangeurs thermiques 25, 26 sont 25 agencés sur différentes conduites du réseau 30 pour apporter un supplément d'énergie thermique à l'air sortant du capteur 10 par la conduite chaude de capteur 35 dans le premier mode ou sortant de l'accumulateur 20 par la conduite chaude d'échangeur 36 dans le second mode, échangeur thermique 25, ou par la conduite chaude d'accumulateur, échangeur thermique 26. Il est ainsi possible, 30 sans nécessité de disposer un autre système spécialisé, par une source de chaleur extérieure, par exemple une chaudière ou un source géothermique, d'augmenter la température de l'air ou de palier à un manque de production ou de stockage pour permettre le fonctionnement continu du dispositif 100.

Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le système est configuré pour la production d'électricité au moyen du générateur électrique 61 entraîné par la turbine 60. Le système peut également être configuré, comme déjà signalé, pour d'autre utilisations de l'énergie produite comme par exemple une production de froid qui peut être produit par l'intermédiaire de l'alternateur ou par un cycle thermodynamique adapté, solutions non illustrées, pour la production de chaleur, de vapeur.., et de manière pour tout dispositif ou besoin mettant en oeuvre une source de chaleur.

Dans une forme de réalisation, l'air chaud de la conduite chaude d'échangeur est, en toute ou en partie, amené dans un mélangeur dans lequel il est mélangé à de l'air plus froid pour obtenir une température souhaitée, par exemple à des fins de chauffage L'homme du métier pourra combiner autant que de besoin les différentes solutions et en suivant les exemple proposé pourra introduire divers agencements sans se démarquer de l'invention. Il est ainsi réalisé des centrales solaires à concentration du rayonnement 20 solaire pour la production de chaleur à température intermédiaire comprise entre 150°C et 600°C. Le système s'avère particulièrement adapté pour la réalisation d'installation à bas coûts avec des puissance nominales allant de 250 kW à 2,5 MW, avec une emprise au sol correspondante du système d'environ 500 m2 à 5000 m2.

25 Pour de telles puissances, les capacités du ou des accumulateurs sont avantageusement comprises entre 1 Mwh et 50 Mwh, représentant des volumes d'accumulateur de 10 m3 à 1000 m3 pour un matériaux granulaire réalisé avec des roches naturelles le cas échéant concassées pour obtenir des grains de dimensions souhaitées. 30

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1 - Système (100) de production d'une énergie utilisable à partir du rayonnement solaire (90) comportant un premier ensemble (101) de production et de stockage d'énergie sous forme de chaleur, ledit premier ensemble comportant au moins un capteur (10) à concentration du rayonnement solaire (90) par un réflecteur linéaire (12), comportant au moins un accumulateur (20) de l'énergie sous forme de chaleur et comportant au moins un premier échangeur thermique (50) ou un mélangeur d'un dispositif de transfert de la chaleur (103) vers un deuxième ensemble (102) de production d'une énergie utilisable souhaitée, caractérisé en ce que le premier ensemble (101) comporte un réseau (30) de conduites d'air dans lequel réseau : - au moins une première boucle (31) ouverte comporte suivant un sens de circulation de l'air dans ladite première boucle : une conduite froide de capteur (33) dans laquelle de l'air atmosphérique est introduit, l'au moins un capteur (10), une conduite chaude de capteur (35), une conduite chaude d'accumulateur (37), l'au moins un accumulateur (20), une conduite de décharge d'accumulateur (38) de laquelle l'air est rejetée vers l'atmosphère ; - au moins une seconde boucle (32) ouverte comporte suivant un sens de circulation de l'air dans ladite seconde boucle : une conduite froide d'accumulateur (34) dans laquelle de l'air atmosphérique est introduit, l'au moins un accumulateur (20), une conduite chaude d'accumulateur (37), une conduite chaude de premier échangeur (36), le premier échangeur thermique (50), une conduite de décharge de premier échangeur (39) de laquelle l'air est rejetée vers l'atmosphère ; - des vannes (331, 341, 381, 391) agencées sur les conduites du réseau (30) de sorte à permettre la circulation de l'air sélectivement dans la première boucle (31) et ou dans la seconde boucle (32).
2. 2 - Système suivant la revendication 1 dans lequel l'air atmosphérique est introduit dans la conduite froide de capteur (33) et dans la conduite froide d'accumulateur (34) par des moyens de forçage (40) de la circulation de l'air atmosphérique.
3. 3 - Système suivant la revendication 2 dans lequel les moyens de forçage (40) de la circulation de l'air atmosphérique dans le réseau (30) sont communs à la première boucle (31) et à la seconde boucle (32).
4. 4 - Système suivant l'une des revendications précédentes dans lequel les vannes (331, 341, 381, 391) sont agencées sur des conduites froides du réseau (30).
5. 5 - Système suivant l'une des revendications dans lequel le capteur (10) comporte sur une face supérieure dudit capteur, directement exposée au rayonnement solaire, des cellules photovoltaïques (14).
6. 6 - Système suivant l'une des revendications dans lequel le capteur (10) comporte sur une face inférieure dudit capteur, exposée au rayonnement solaire réfléchi par le réflecteur linéaire (12), des cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à haute température (15).
7. 7 - Système suivant la revendication 6 dans lequel les cellules photovoltaïques agencées pour fonctionner à haute température (15) sont superposées à une fenêtre (18) par laquelle le rayonnement solaire concentré par le réflecteur linéaire (12) dans une zone du capteur (10) dans laquelle la température est inférieure à une température définie en un point de fonctionnement nominal du capteur.
8. 8 - Système suivant l'une des revendications dans lequel le capteur (10) comporte un tube (11) comportant un radiateur (13) dont une surface de captage (131) thermique est située du côté d'une fenêtre (18) recevant lerayonnement solaire concentré par le miroir linéaire (12), ledit radiateur comportant des ailettes en contact avec l'air dans ledit tube.
9. 9 - Système suivant l'une des revendications précédentes dans lequel au moins deux capteurs (10) sont agencés dans le réseau (30) pour fonctionner en parallèle avec une conduite chaude de capteur (35) commune aux dits au moins deux capteurs. - Système suivant la revendication 9 dans lequel au moins deux 10 capteurs (10) agencés dans le réseau (30) pour fonctionner en parallèle sont fixés alignés avec leurs extrémités correspondant à des sorties des conduites chaudes placées en vis à vis. 11 - Système suivant l'une des revendications précédentes comportant au moins deux accumulateurs pourvus chacun : d'une conduite chaude (37) ; d'une conduite froide d'accumulateur (34) comportant une troisième vanne (341) ; d'une conduite de décharge (38) pourvue d'une deuxième vanne (381), le réseau (30) comportant une vanne multivoies (22) agencées entre les conduites chaudes d'accumulateur (37), la conduite chaude de capteur (35) et la conduite chaude d'échangeur (36) de sorte que suivant la position de la vanne multivoies (22), un ou les au moins deux accumulateurs (20) sont dans un mode de stockage d'énergie sous forme de chaleur dans la première boucle (31) et ou un ou les deux accumulateurs (20) sont dans un mode d'utilisation de l'énergie stockée sous forme de chaleur dans la deuxième seconde (32). 12 - Système suivant l'une des revendications précédentes dans lequel la conduite froide de capteur (33), et ou la conduite froide d'accumulateur (34), ou une partie commune des dites conduites froides de capteur et d'accumulateur, comportent un réchauffeur (23) assurant un chauffage de l'air circulant dans la conduite comportant ledit réchauffeur, ledit réchauffeurétant le cas échéant une source froide d'une machine thermique du deuxième ensemble (102). 13- Système suivant l'une des revendications précédentes dans lequel un ou des échangeurs thermiques (25, 26) sont agencés dans des conduites chaudes de capteur (35) et ou d'accumulateur (37) et ou d'échangeur (50). 14 - Système suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le deuxième ensemble (102) est un générateur de vapeur d'eau, et ou est un générateur de froid, et ou est un générateur de puissance électrique.