FR3075332A1 - Absorbeur de rayonnements solaires, systeme et procede associe - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène, notamment pour la réalisation d'un capteur ou d'un système pour centrale solaire, ainsi qu'un procédé de préparation d'un tel absorbeur.
Description
ABSORBEUR DE RAYONNEMENTS SOLAIRES CAPTEUR OU SYSTEME POUR CENTRALE SOLAIRE, ET PROCEDE DE PREPARATION D'UN TEL ABSORBEUR.
Domaine de 1'invention
La présente invention concerne le domaine des absorbeurs d'énergie, dont les caractéristiques se rapprochent du comportement d'un corps noir.
Le corps noir est un objet idéal qui absorberait parfaitement toute l'énergie électromagnétique qu'il reçoit, sans en réfléchir ni en transmettre. Sous l'effet de l'agitation thermique, le corps noir émet un rayonnement électromagnétique. À l'équilibre thermique, émission et absorption s'équilibrent et le rayonnement effectivement émis ne dépend que de la température (rayonnement thermique).
L'invention concerne domaine des absorbeurs destinés à partir du rayonnement solaire plus particulièrement le à la production d'énergie par des centrales thermosolaires
Les procédés thermo-solaires ont de meilleurs rendements que les procédés photovoltaïques, de l'ordre de
30%, en revanche ils sont plus encombrants et adaptés pour une production importante d'électricité.
De nouveaux dispositifs couplant un moteur Stirling avec un concentrateur, sont actuellement développés pour produire du courant électrique. Toutefois, l'utilisation de gaz rares tels que 1 ' argon pour améliorer le rendement de ces machines, les rendent plus coûteux et relativement fragiles.
Etat de la technique
Il existe différentes techniques pour concentrer les rayonnements solaires, pour transporter et éventuellement stocker la chaleur et pour convertir la chaleur en
solaire thermique ' une
concentration
une
rayonnements solaires
maximiser
revêtement, comporte appelé revêtement sélectif ou revêtement partie récepteur
général traitement
sélectif. Le
permettre une absorption maximale de 1 'énergie solaire incidente tout en réémettant le moins possible de rayonnements infrarouges (principe du corps noir). En particulier, un tel revêtement sélectif est considéré comme parfait s'il absorbe toutes les longueurs d'ondes inférieures à une longueur d'onde de coupure et réfléchit toutes les longueurs d'ondes supérieures à cette même longueur d'onde de coupure. La longueur d'onde de coupure optimale dépend de la température de fonctionnement de 1'élément absorbeur considéré et elle est en général comprise entre 1 ,5pm et 2,5pm. Elle est, par exemple, d'environ 1 ,8 pm pour une température de l'ordre de 650 K.
Il existe différents types de revêtements sélectifs, chacun comportant en général une couche antireflet destinée à limiter la réflexion des rayons solaires incidents. En particulier, un type de revêtement sélectif consiste à venir déposer, sur la surface de l'absorbeur, un matériau possédant intrinsèquement les propriétés souhaitées. Ce type de matériau est plutôt rare et . le plus performant d ' entre eux est le ZrB2, notamment lorsqu'il est associé à une couche antireflet en SÏ3N4, en S1O2 ou en AI2O3.
Une autre voie consiste à structurer la surface de l'absorbeur, pour créer les conditions favorables d'une absorption (principe de la réflexion multiple ou gradient d'indice de réfraction, en fonction de l'échelle de la structuration de surface), tout en limitant les émissions infrarouges. Le principal frein à ce type de traitement sélectif est d'ordre technologique : il n'existe actuellement pas de moyen de production industriel à grande échelle d'une structuration submicronique adaptée.
Le revêtement sélectif peut aussi consister en un filtre interférentiel, formé par un empilement de plusieurs couches minces d'épaisseurs soigneusement contrôlées, typiquement de l'ordre de quelques nanomètres. Ce type de traitement sélectif permet d'obtenir d'excellentes performances, mais sa réalisation est relativement difficile à mettre en œuvre.
À titre d'exemple, la demande de brevet WO-A2009/051595 propose un revêtement sélectif solaire de cette famille de revêtement pour recouvrir la surface extérieure d'un tube absorbeur de rayonnement solaire, typiquement en acier inoxydable. Le revêtement sélectif comporte un empilement de plusieurs couches ayant chacune une fonction et une épaisseur déterminées par simulation optique. Dans un mode particulier de réalisation, le tube absorbeur de rayonnement solaire est successivement recouvert par une succession de bicouches constitués par une couche en matériau réfléchissant les rayonnements IR et par une couche en matériau absorbant le rayonnement solaire, suivie par l'application d'une couche antireflet. Le tube absorbeur de rayonnement solaire est, par exemple, en acier inoxydable de structure austénitique, par exemple de type AISI 316, 321 , 347 ou 304L.
On connaît aussi le brevet US4316048 décrivant un système de conversion d'énergie de rayonnement, comportant un conteneur calorifugé de stockage de l'énergie, un matériau de stockage de 1'énergie situé à 1'intérieur du conteneur, des moyens d'entrée de l'énergie et des moyens de sortie de l'énergie, caractérisé en ce que le matériau de stockage de 1'énergie possède une conductibilité thermique supérieure à 41, 81 watts par mètre Kelvin (0,1 calorie/cm2/cm/°C/s), une chaleur latente de fusion supérieure à 4,184 kilojoules (1 kilocalorie) par mole, et un point de fusion non inférieur à 960°C, et que les moyens de sortie de 1'énergie comprennent un convertisseur de bande de longueurs d'onde d'énergie thermique en une bande étroite sélectionnée de longueurs d'ondes d'énergie de rayonnement, qui est accouplé optiquement à un convertisseur photovoltaïque répondant de façon efficace à la bande sélectionnée de longueurs d'ondes d'énergie. Ce document évoque le fait que l'émetteur est du tungstène dendritique.
| Ce | document ne concerne | pas | la | conversion |
| thermosolaire, | mais photovoltaïque, qui | n ' est | pas | l'objet de |
| 1'invention. | ||||
| On | connaît en particulier | dans | l'état de la | |
| technique le | brevet européen EP 2462345 B1 | un | système de | |
| production et | de stockage d'énergie électrique | et | thermique a |
partir d'une cyclo turbine décrivant un procédé de production et de stockage d'énergies électrique et thermique d'origine solaire, caractérisé en ce qu'il comprend :
a) une phase lumineuse qui comporte la production d'une énergie cinétique et d'une énergie thermique par l'accélération et le chauffage d'un gaz au travers au moins d'une cycloturbine sous l'action d'un rayonnement solaire, l'utilisation de ces énergies pour produire de l'électricité tout en refroidissant, voire liquéfiant ledit gaz, en accumulant une partie des énergies du gaz dans au moins un réservoir comprenant au moins un compartiment d'eau et au moins un compartiment d'une solution saturée en acétate de sodium, un stockage d'une énergie d'un rayonnement solaire, en une énergie potentielle par chauffage dudit gaz en condition de volume variable dans un accumulateur thermique solaire à volume variable et,
b) une phase sombre, où l'énergie stockée dans 1'accumulateur thermique solaire et le réservoir est utilisée pour produire de l'énergie électrique et thermique.
On connaît aussi le brevet américain US9551507 décrivant un procédé de réalisation d'un élément absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration, comprenant la formation d'un revêtement sélectif sur une surface extérieure d'un substrat en acier inoxydable. La formation du revêtement sélectif comporte les étapes successives suivantes :
le traitement de surface par polissage du substrat et le traitement thermique, en atmosphère oxydante, du substrat dans une gamme de températures comprises entre 550°C et 650°C, pour former à la surface extérieure du
| substrat, | au | moins | une | couche superficielle ayant une | |
| épaisseur | supérieure à | 70nm | de | manière à être intrinsèquement | |
| sélective, | |||||
| et | en ce | que | 1 ’ | acier inoxydable du substrat |
présente une teneur en aluminium supérieure à 0,5% en poids.
La demande de brevet internationale WO 1983000169 décrit un autre procédé de fabrication d'un absorbeur sélectif de capteur solaire permettant 1'obtention d'une surface de captation des rayonnements solaires à facteur d'absorption élevé et à faible facteur d'émission. La surface de captation est réalisée à partir d'un alliage ferreux contenant du chrome qui est plongé dans un bain acide contenant des atomes d'oxygène et au moins une substance métalloïdique à base de soufre, sélénium et/ou tellure; préalablement, l'état de la surface de captation est ajusté en vue de l'activer.
Inconvénients de l'art antérieur
Les performances des solutions de l'état de la technique sont limitées par les capacités de conversion énergétique de l'absorbeur, ce qui conduit à des rendements limités.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène.
Selon une variante, l'absorbeur présente une configuration en nid d'abeille.
Selon une autre variante, l'absorbeur présente une forme conique.
L'invention concerne aussi un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène.
Avantageusement, le capteur comporte un brûleur disposé à l'intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur.
Selon une variante, il comporte une fibre optique transportant l'énergie solaire vers ladite cavité.
Avantageusement, une partie au moins de la surface intérieure de la cavité présente des cavités micrométriques.
L'invention concerne aussi un système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration accouplé thermiquement et mécaniquement à l'admission d'une machine thermique caractérisé en ce que ledit capteur est formé par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène.
Avantageusement, ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium.
L'invention concerne encore un procédé de préparation d'un absorbeur selon l'invention caractérisé en ce qu'il comporte une étape de projection par plasma de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium.
Selon une variante, le procédé comporte une étape de projection par laser de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium.
Description du contexte d'utilisation d'un absorbeur selon 1'invention
L'invention sera décrite dans ce qui suit à titre d'exemple non limitatif sans référence à des figures, dans la mesure où l'invention porte sur un revêtement de l'intérieur d'un capteur de photoconversion solaire.
Un capteur thermique permet d1 absorber le rayonnement solaire pour le transformer en chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise à un fluide caloporteur. Un capteur est composé d'un absorbeur, d'un fluide caloporteur, d'une isolation, parfois d'un vitrage et de réflecteurs.
L ' absorbeur est 1 ' un des éléments les plus importants d'un capteur thermique; il convertit le rayonnement solaire en chaleur.
L'absorbeur se caractérise par deux paramètres:
le facteur d'absorption solaire a* (ou absorptivité): le rapport du rayonnement lumineux absorbé par le rayonnement lumineux incident;
le facteur d'émission infrarouge ε (ou émissivité): le rapport entre l'énergie rayonnée dans
1'infrarouge lorsque
1'absorbeur est chaud et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température.
Dans les applications de chauffage solaire, on cherche à obtenir le meilleur rapport facteur d'absorption solaire / facteur d'émission infrarouge. Ce rapport est appelé sélectivité.
Le matériau constituant 1'absorbeur est en règle général en cuivre ou aluminium mais aussi parfois en matière plastique. Les propriétés de quelques matériaux utilisés comme absorbeurs
| Matériaux | absorptivité | émissivité | sélectivité | Température max. |
| a* | ε | a* / ε | ||
| Nickel noirci (Black nickel) | 0,88 - 0,98 | 0,03 - 0,25 | 3,7 - 32 | 300°C |
| Film graphite (Graphitic films) | 0,876 - 0,92 | 0,025 - 0,061 | 14,4 - 36,8 | 250°C |
| Cuivre noirci (Black copper) | 0,97 - 0,98 | 0,02 | 48,5 - 49 | 250°C |
| Chrome noirci (Black chrome) | 0,95 - 0,97 | 0,09 - 0,30 | 3,2 - 10,8 | 350 - 425°C |
Afin d'obtenir un meilleur rendement, certains systèmes sont donc constitués d'un revêtement particulier.
Le fluide caloporteur (ou caloriporteur) permet d'évacuer la chaleur emmagasinée par 1'absorbeur et de la transmettre vers là où elle doit être consommée. Un bon fluide caloporteur doit prendre en compte les conditions suivantes:
- être chimiquement stable lorsqu'il atteint une forte température, en particulier lors de la stagnation du capteur;
- posséder des propriétés antigel en corrélation avec les conditions météorologiques locales;
- posséder des propriétés anticorrosives selon la nature des matériaux présents dans le circuit capteur;
posséder une chaleur spécifique et une conductivité thermique élevées afin de transporter efficacement la chaleur;
- être non-toxique et avoir un faible impact sur 1'environnement;
- avoir une basse viscosité afin de faciliter la tâche de la pompe de circulation;
- être facilement disponible et bon marché
Le bon compromis par rapport à ces critères est un mélange d'eau et de glycol (utilisé dans le liquide de refroidissement des automobiles), même s'il n'est pas rare de trouver des systèmes fonctionnant à 1'eau pure ou tout simplement à l'air selon l'utilisation.
Le vitrage permet de protéger 1'intérieur du capteur contre les effets de l'environnement et d'améliorer le rendement du système par effet de serre.
Si l'on souhaite un vitrage efficace, il doit posséder les propriétés suivantes:
réfléchir le rayonnement lumineux au minimum quelle que soit son inclinaison;
- absorber le rayonnement lumineux au minimum;
- avoir une bonne isolation thermique en gardant le rayonnement infrarouge au maximum;
résister dans le temps aux effets de l'environnement (pluie, grêle, rayonnement solaire,...) et aux grandes variations de températures.
Les principaux vitrages utilisés pour les capteurs thermiques sont à base de verre non-ferrugineux ou en verre acrylique, et souvent dotés d'un revêtement anti-reflet.
L'isolant thermique permet de limiter les déperditions thermiques, sa caractéristique est le coefficient de conductivité; plus il est faible meilleur est l'isolant. Les principaux matériaux utilisés pour les capteurs thermiques sont la laine de roche et de verre, des mousses de polyuréthane ou encore de la résine de mélamine.
Quelques isolants utilisés pour les capteurs thermiques :
| Matériaux | Conductivité thermique |
| Laine de roche | 0,032 - 0,040 W/m.K |
| Laine de verre | 0,030 - 0,040 W/m.K |
| Mousses de polyuréthane (étanchéité) | 0,022 - 0,030 W/m.K |
Dans le cas des capteurs thermiques vitrés, il est aussi intéressant de remplacer 1'isolation entre la vitre et 1'absorbeur par de l'air. En effet, l'air a un grand pouvoir d'isolation, il est ainsi utilisé dans le double vitrage. Toujours dans l'objectif d'obtenir de meilleurs rendements, certains fabricants utilisent d'autres gaz comme l'argon ou le xénon, et lorsque cela est possible, on préférera même utiliser le vide. Voici les coefficients d'isolation de gaz utilisés comme isolants :
| Gaz | Conductivité thermique à 283 K, 1 bar. |
| Air | 0,0253 W/m.K |
| Argon | 0,01684 W/m.K |
| Xénon | 0,00540 W/m.K |
Description de 1'absorbeur selon l'invention
L'absorbeur selon l'invention est constitué par une pièce monolithique en carbone/ graphite sur laquelle sont projeté par laser ou plasma des dendrites de tungstène, une forme cristalline absorbant 98% du rayonnement infra-rouge et à un point de fusion supérieur à 3.400 °C.
On entend par dendrite au sens du présent brevet une forme cristalline obtenue par solidification, et présentant une forme arborescente. Un flocon de neige, par exemple, a une structure dendritique.
L'agglomération des dendrites de tungstène sur le carbone/graphite est réalisée en couche mince et sous haute température.
L'absorbeur forme ainsi un piège à lumière, notamment à l'aide de micro cavités réalisées lors du moulage, pour présenter des caractéristiques proches d'un corps noir.
Claims (9)
- Revendications1 - Absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène.
- 2- Absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente une configuration en nid d'abeille.
- 3Absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente une forme coniqueCapteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène
- 5 — Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 4 caractérisé en ce que ce qu'il comporte un brûleur disposé à l'intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur.
- 6 — Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 4 caractérisé en ce que ce qu'il comporte une fibre optique transportant l'énergie solaire vers ladite cavité.
- 7 — Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'une partie au moins de la surface intérieure de la cavité présente des cavités micrométriques.
- 8 — Système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration accouplé thermiquement et mécaniquement à l'admission d'une machine thermique caractérisé en ce que ledit capteur est formé par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène.
- 9 — Système pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite machine à détente présente une partie supérieure en carbure de silicium.
- 10 — Procédé de préparation d'un absorbeur rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration formé par une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de tungstène caractérisé en ce qu'il comporte une étape de projection par plasma de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium.
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2017
- 2017-12-14 FR FR1762191A patent/FR3075332B1/fr active Active
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| CUOMO J J ET AL: "A new concept for solar energy thermal conversion", APPLIED PHYSICS LETTERS,, vol. 26, no. 10, 15 May 1975 (1975-05-15), pages 559, XP001620471 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3075332B1 (fr) | 2020-04-03 |
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