FR3097304A1 - HYBRID RADIATION ABSORBER FOR SOLAR POWER PLANTS, AND PROCESS FOR PREPARING SUCH AN ABSORBER - Google Patents

HYBRID RADIATION ABSORBER FOR SOLAR POWER PLANTS, AND PROCESS FOR PREPARING SUCH AN ABSORBER Download PDF

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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 d’une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d’absorption est par exemple 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 absorbeurThe present invention relates to a solar radiation absorber, for a concentrated solar thermal power plant, characterized in that it is formed from a monolithic piece of silicon carbide, the absorption surface of which is for example coated with tungsten dendrites, in particular for the production of a collector or a system for a solar power plant, as well as a process for preparing such an absorber

Description

ABSORBEUR HYBRIDE DE RAYONNEMENTS POUR CENTRALE SOLAIRE, ET PROCEDE DE PREPARATION D’UN TEL ABSORBEURHYBRID RADIATION ABSORBER FOR SOLAR POWER PLANTS, AND METHOD FOR PREPARING SUCH AN ABSORBER

Domaine de l’inventionField of invention

La présente invention concerne le domaine des absorbeurs d’énergie, dont les caractéristiques se rapprochent du comportement d’un corps noir.The present invention relates to the field of energy absorbers, the characteristics of which approximate the behavior of a black body.

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).The black body is an ideal object that would perfectly absorb all the electromagnetic energy it receives, without reflecting or transmitting it. Under the effect of thermal agitation, the black body emits electromagnetic radiation. At thermal equilibrium, emission and absorption balance each other and the radiation actually emitted depends only on the temperature (thermal radiation).

Applications types non limitatives : Fluide gazeux : moteur à combustion externe type Stirling/Ericsson, turbine à air chaud (turbo alternateurs), process industriels, cuisson, etc… le fluide liquide peut être de l’eau que l’on souhaite chauffer, un liquide à stériliser, une production de vapeur pour alimenter un turbo alternateur standard, un ECS (eau chaude sanitaire/chauffage), fluides divers,…Non-limiting typical applications: Gaseous fluid: Stirling/Ericsson type external combustion engine, hot air turbine (turbo alternators), industrial processes, cooking, etc. the liquid fluid can be water that one wishes to heat, a liquid to be sterilized, steam production to supply a standard turbo-alternator, DHW (domestic hot water/heating), various fluids, etc.

L’invention concerne plus particulièrement le domaine des absorbeurs destinés à la production d’énergie à partir du rayonnement solaire par des centrales thermo-solaires complémentés par une flamme idéalement hho ou renouvelableThe invention relates more particularly to the field of absorbers intended for the production of energy from solar radiation by thermo-solar power plants supplemented by an ideally hho or renewable flame.

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.The thermo-solar processes have better yields than the photovoltaic processes, of the order of 30%, on the other hand they are more cumbersome and adapted for a significant production of electricity.

De nouveaux dispositifs couplant un moteur Stirling avec un concentrateur, sont actuellement développés pour produire du courant électrique. Toutefois le rendement thermodynamique est lié corrélativement à la température d’entrée qui nécessite d’être alors suffisamment élevée pour la meilleure efficacité. Les dispositifs existants sont limités à 650/800°C et ne peuvent donc dépasser les 40% de rendement. L’invention permet d’atteindre 1200°C et donc d’atteindre et dépasser 60% de rendement net.New devices coupling a Stirling engine with a concentrator are currently being developed to produce electric current. However, the thermodynamic efficiency is correlatively linked to the inlet temperature, which then needs to be high enough for the best efficiency. Existing devices are limited to 650/800°C and therefore cannot exceed 40% efficiency. The invention makes it possible to reach 1200°C and therefore to reach and exceed 60% net efficiency.

D’autre part l’absorbeur selon l’invention permet l’hybridation de différentes sources de chaleur, par exemple solaire et « solar fuel » = hho (ou biogaz, dérivés du pétrole, …), permettant ainsi un fonctionnement continu et à pleine puissance d’une installation malgré les variations ou absences du flux solaires.On the other hand, the absorber according to the invention allows the hybridization of different heat sources, for example solar and "solar fuel" = hho (or biogas, petroleum derivatives, etc.), thus allowing continuous and full operation. power of an installation despite variations or absences of the solar flux.

Etat de la techniqueState of the art

Il existe différentes techniques pour concentrer les rayonnements solaires, pour transporter et éventuellement stocker la chaleur et pour convertir la chaleur en électricité. Dans tous les cas, un des éléments essentiels d'une centrale solaire thermique à concentration est l'élément absorbeur de rayonnements solaires qui forme une partie du récepteur. Afin de maximiser le rendement de l'absorbeur, celui-ci comporte en général un revêtement, appelé revêtement sélectif ou traitement sélectif. Le revêtement sélectif est destiné à permettre une absorption maximale de l'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 l'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.There are different techniques for concentrating solar radiation, for transporting and possibly storing heat and for converting heat into electricity. In any case, one of the essential elements of a concentrated solar thermal power plant is the solar radiation absorber element which forms part of the receiver. In order to maximize the performance of the absorber, the latter generally comprises a coating, called selective coating or selective treatment. The selective coating is intended to allow maximum absorption of incident solar energy while re-emitting as little infrared radiation as possible (black body principle). In particular, such a selective coating is considered perfect if it absorbs all the wavelengths below a cut-off wavelength and reflects all the wavelengths above this same cut-off wavelength. The optimum cut-off wavelength depends on the operating temperature of the absorber element considered and it is generally between 1.5 μm and 2.5 μm. It is, for example, approximately 1.8 μm for a temperature of the order of 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.There are different types of selective coatings, each generally comprising an anti-reflective layer intended to limit the reflection of incident solar rays. In particular, a type of selective coating consists in depositing, on the surface of the absorber, a material intrinsically possessing the desired properties. This type of material is rather rare and the most efficient of them is ZrB 2 , in particular when it is associated with an antireflection layer of SÏ3N 4 , of S1O2 or of Al2O3.

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.Another way consists in structuring the surface of the absorber, to create favorable conditions for absorption (principle of multiple reflection or refractive index gradient, depending on the scale of the surface structuring), while by limiting infrared emissions. The main obstacle to this type of selective treatment is of a technological nature: there is currently no means of large-scale industrial production of a suitable submicron structuring.

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.The selective coating can also consist of an interference filter, formed by a stack of several thin layers of carefully controlled thicknesses, typically of the order of a few nanometers. This type of selective processing makes it possible to obtain excellent performance, but its realization is relatively difficult to implement.

À titre d'exemple, la demande de brevet WO-A-2009/051595 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.By way of example, patent application WO-A-2009/051595 proposes a selective solar coating of this family of coatings to cover the outer surface of a solar radiation absorber tube, typically made of stainless steel. The selective coating comprises a stack of several layers each having a function and a thickness determined by optical simulation. In a particular embodiment, the solar radiation absorber tube is successively covered by a succession of bilayers consisting of a layer of material that reflects IR radiation and by a layer of material that absorbs solar radiation, followed by the application of a anti-reflective layer. The solar radiation absorber tube is, for example, made of stainless steel of austenitic structure, for example of the AISI 316, 321, 347 or 304L type.

On connait 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 l'énergie situé à l'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 l'énergie possède une conductibilité thermique supérieure à 41, 81 watts par mètre Kelvin (0,1 calorie/cm2/cm/OC/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 l'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.Patent US4316048 is also known describing a radiation energy conversion system, comprising a heat-insulated energy storage container, an energy storage material located inside the container, input means of energy and energy output means, characterized in that the energy storage material has a thermal conductivity greater than 41.81 watts per meter Kelvin (0.1 calorie/cm 2 /cm/ O C/s), a latent heat of fusion greater than 4.184 kilojoules (1 kilocalorie) per mole, and a melting point not less than 960°C, and the energy output means includes a length band converter of thermal energy into a selected narrow band of radiant energy wavelengths, which is optically coupled to a photovoltaic converter efficiently responding to the selected band of energy wavelengths. This document mentions the fact that the emitter is dendritic tungsten.

Ce document ne concerne pas la conversion thermosolaire, mais photovoltaïque, qui n’est pas l’objet de l’invention.This document does not concern solar thermal conversion, but photovoltaic, which is not the subject of the invention.

On connait 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 à 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 :We know in particular in the state of the art the European patent EP 2462345 B1 a system for the production and storage of electrical and thermal energy from a cyclo turbine describing a process for the production and storage of electrical energy and heat of solar origin, characterized in that it comprises:

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,a) a light phase which includes the production of kinetic energy and thermal energy by accelerating and heating a gas through at least one cycloturbine under the action of solar radiation, l use of these energies to produce electricity while cooling, or even liquefying said gas, by accumulating part of the energies of the gas in at least one tank comprising at least one water compartment and at least one solution compartment saturated with sodium acetate, storage of energy from solar radiation, in potential energy by heating said gas under variable volume conditions in a variable volume solar thermal accumulator and,

b) une phase sombre, où l'énergie stockée dans l'accumulateur thermique solaire et le réservoir est utilisée pour produire de l'énergie électrique et thermique.b) a dark phase, where the energy stored in the solar thermal accumulator and the tank is used to produce electrical and thermal energy.

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 :Also known is US patent US9551507 describing a process for producing a solar radiation absorber element, for a concentrated solar thermal power plant, comprising the formation of a selective coating on an outer surface of a stainless steel substrate. The formation of the selective coating comprises the following successive steps:

- le traitement de surface par polissage du substrat- surface treatment by polishing the substrate

- 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,- and the heat treatment, in an oxidizing atmosphere, of the substrate in a range of temperatures between 550° C. and 650° C., to form on the outer surface of the substrate, at least one surface layer having a thickness greater than 70 nm so as to be inherently selective,

et en ce que l'acier inoxydable du substrat présente une teneur en aluminium supérieure à 0,5% en poids.and in that the stainless steel of the substrate has an aluminum content greater than 0.5% by weight.

La demande de brevet internationale WO 1983000169 décrit un autre procédé de fabrication d'un absorbeur sélectif de capteur solaire permettant l'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.International patent application WO 1983000169 describes another method for manufacturing a selective solar collector absorber making it possible to obtain a surface for collecting solar radiation with a high absorption factor and a low emission factor. The capture surface is made from a ferrous alloy containing chromium which is immersed in an acid bath containing oxygen atoms and at least one metalloid substance based on sulphur, selenium and/or tellurium; beforehand, the state of the capture surface is adjusted in order to activate it.

Inconvénients de l’art antérieurDisadvantages of the Prior Art

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. D’autre part les absorbeurs connus sont exposés à l’air libre générant une déperdition thermique importante. Les absorbeurs connus présentent une surface de captation lisse peu absorbante et fortement émissive. Les matériaux des absorbeurs connus ne permettent pas une utilisation dans les hautes températures et ne peuvent supporter de trop fortes pressions ou contraintes.The performances of state-of-the-art solutions are limited by the energy conversion capacities of the absorber, which leads to limited yields. On the other hand, the known absorbers are exposed to the open air generating significant heat loss. Known absorbers have a smooth capture surface that is not very absorbent and highly emissive. The materials of known absorbers do not allow use at high temperatures and cannot withstand excessive pressures or stresses.

Solution apportée par l’inventionSolution provided by the 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 par exemple revêtue de dendrites de tungstène (ou autre substrat)In order to remedy these drawbacks, the invention relates, in its most general sense, to a solar radiation absorber, for a concentrated solar thermal power station, characterized in that a monolithic piece of silicon carbide is formed, the absorption surface of which is for example coated with dendrites of tungsten (or other substrate)

L’invention concerne aussi un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu’il est formé par une cavité par exemple en graphite avec une fenêtre d’entrée transparente dans laquelle est disposée l’absorbeur selon l’invention formé par une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d’absorption est idéalement revêtue de dendrites de tungstène (ou autres).The invention also relates to a thermal collector for a concentrated solar thermal power plant, characterized in that it is formed by a cavity, for example made of graphite, with a transparent inlet window in which the absorber according to the invention is placed, formed by a monolithic silicon carbide part whose absorption surface is ideally coated with tungsten (or other) dendrites.

Avantageusement, le capteur comporte un brûleur disposé à l’intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur.Advantageously, the sensor comprises a burner arranged inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.

Selon une variante, il comporte une fibre optique transportant l’énergie solaire vers ledit absorbeur.Alternatively, it includes an optical fiber carrying solar energy to said absorber.

Avantageusement, une partie au moins de la surface intérieure de la cavité présente des cavités se comportant comme un piège à lumière (nid d’abeille conique).Advantageously, at least part of the inner surface of the cavity has cavities that behave like a light trap (conical honeycomb).

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 par une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d’absorption est revêtue de dendrites de tungstène.The invention also relates to a system consisting of a thermal sensor for a concentrated solar thermal power plant thermally and mechanically coupled to the inlet of a thermal machine, characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with an inlet window transparent in which is arranged an absorber formed by a monolithic piece of silicon carbide whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.

Avantageusement, ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium.Advantageously, said expansion machine with an upper part made of silicon carbide.

L’invention concerne encore un procédé de préparation d’un absorbeur selon l’invention caractérisé en ce qu’il comporte une étape de dépôt d’une fine couche absorbant le rayonnement pouvant être constitué par exemple d’une projection par torche plasma ou flux solaire concentré de dendrites de tungstène sur la surface d’une pièce monolithique en carbure de silicium. Ladite couche peut aussi avantageusement être déposée dès la sortie du moulage, la pâte obtenue étant relativement collante et permettant ainsi la fixation aisée des dendrites par simple projection mécanique ou poudrage.The invention also relates to a process for the preparation of an absorber according to the invention, characterized in that it comprises a step of depositing a thin layer absorbing the radiation which can consist, for example, of a projection by a plasma torch or flux sunburst concentrate of tungsten dendrites on the surface of a monolithic piece of silicon carbide. Said layer can also advantageously be deposited immediately after molding, the paste obtained being relatively sticky and thus allowing easy attachment of the dendrites by simple mechanical spraying or dusting.

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.According to a variant, the method comprises a step of laser projection of tungsten dendrites on the surface of a monolithic piece of silicon carbide.

Selon d’autres variantes, l’invention concerne :According to other variants, the invention relates to:

Un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu’il est formé par une cavité isolée sous vide par exemple en graphite avec une fenêtre d’entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé d’une pièce monolithique en carbure de silicium de grande pureté dont la surface d’absorption est revêtue de dendrites de tungstène.A thermal collector for a concentrated solar thermal power station characterized in that it is formed by a cavity insulated under vacuum, for example made of graphite, with a transparent inlet window in which is placed an absorber formed from a monolithic piece of silicon carbide of high purity whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.

Avantageusement, cet absorbeur de rayonnements solaires, pour centrale solaire thermique à concentration présente :Advantageously, this solar radiation absorber, for a concentrated solar thermal power plant, has:

une configuration en nid d’abeille dont les cellules sont coniques/évasées avec une hauteur plus importante au centre et présentant des microcavités.a honeycomb configuration whose cells are conical / flared with a greater height in the center and presenting microcavities.

- une interface sphérique étanche supportant supérieur/inférieur faisant office de bride d’assemblage/étanchéité avec un support présentant un nid et des ailettes et un assemblage par filetages d’un tuyau sur un dispositif thermodynamique.- a sealed spherical interface supporting upper/lower acting as an assembly/sealing flange with a support having a nest and fins and an assembly by threads of a pipe on a thermodynamic device.

- des ailettes pour l’échange thermique avec le fluide en forme de rosaces et présentant des microcavités avec une hauteur plus élevée au centre.- fins for heat exchange with the fluid in the shape of rosettes and having microcavities with a higher height in the center.

- un disque obturation et des lumières de passage du fluide.- a shut-off disc and fluid passage ports.

- une section tronconique hélicoïdale centrale avec un renvoi à 90° et une forme évasée/conique.- a central helical tapered section with a 90° offset and a flared/conical shape.

- un brûleur disposé à l’intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur.- a burner arranged inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber.

- des surfaces d’échange avec microcavités.- exchange surfaces with microcavities.

L’invention concerne aussi un système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration susvisé, accouplé thermiquement et mécaniquement à une tubulure (sortie fluide chaud) ou 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 d’une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d’absorption est revêtue de dendrites de tungstène.The invention also relates to a system consisting of a thermal collector for the aforementioned concentrated solar thermal power plant, thermally and mechanically coupled to a pipe (hot fluid outlet) or to the inlet of a thermal machine, characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with a transparent inlet window in which is placed an absorber formed of a monolithic piece of silicon carbide whose absorption surface is coated with tungsten dendrites.

De préférence, ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium.Preferably, said expansion machine with upper part in silicon carbide.

Avantageusement, il comporte une étape de projection par plasma de dendrites de tungstène sur la surface d’une pièce monolithique en carbure de silicium et/ou une étape de dépôt par poudrage lors de l’élaboration en phase pâteuse de dendrites de tungstène sur la surface d’une pièce monolithique en carbure de silicium.Advantageously, it comprises a step of spraying tungsten dendrites by plasma onto the surface of a monolithic part made of silicon carbide and/or a step of deposition by powdering during the production in the pasty phase of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part in silicon carbide.

Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'inventionDetailed description of a non-limiting example of the invention

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :The present invention will be better understood on reading the detailed description of a non-limiting example of the invention which follows, with reference to the appended drawings where:

La figure 1 représente un absorbeur vu en coupe, partie supérieure vers le haut (soleil/flamme) comportant le nid d’abeille, l’interface étanche au milieu (3) et les ailettes de l’échangeur fluide en dessous Figure 1 shows an absorber seen in section, upper part upwards (sun/flame) comprising the honeycomb, the sealed interface in the middle (3) and the fins of the fluid exchanger below

La figure 2 représente une vue de dessous de l’échangeur avec son cône hélicoïdal au centre. Figure 2 shows a bottom view of the exchanger with its helical cone in the center.

La figure 3 représente une coupe de l’interface et de la partie inférieure seule. FIG. 3 represents a section of the interface and of the lower part alone.

La figure 4 représente une vue des nids d’abeille Figure 4 shows a view of the honeycombs

La figure 4A représente une vue des dendrites Figure 4A shows a view of the dendrites

La figure 5 est une représentation simplifiée de la matrice nid d’abeilles Figure 5 is a simplified representation of the honeycomb array

La figure 6 est une représentation d’une première forme de dendrite de tungstène agrandies Figure 6 is a representation of a first enlarged tungsten dendrite shape

La figure 6A est une représentation d’une autre forme de dendrite de tungstène agrandies Figure 6A is a representation of another magnified form of tungsten dendrite

La figure 7 représente une gros plan dendrites fusionnées sur le support en CSi Figure 7 shows a close-up of fused dendrites on the CSi support

La figure 8 représente une enceinte de confinement externe (unité pour concentrateur solaire). Figure 8 shows an external containment enclosure (unit for solar concentrator).

La figure 9 représente une coupe détaillée du cône hélicoïdal Figure 9 shows a detailed section of the helical cone

La figure 10 représente une représentation 3D du cône hélicoïdal pour la compréhension du dispositif. Figure 10 shows a 3D representation of the helical cone for understanding the device.

Description du contexte d’utilisation d’un absorbeur selon l’inventionDescription of the context of use of an absorber according to the invention

Le capteur thermique permet d'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.The thermal sensor absorbs solar radiation to transform it into heat. This heat is then transmitted to a heat transfer fluid. A collector is made up of an absorber, a heat transfer fluid, insulation, sometimes glazing and reflectors.

L'absorbeur est l'un des éléments les plus importants d'un capteur thermique ; il convertit le rayonnement solaire en chaleur.The absorber is one of the most important elements of a thermal sensor; it converts solar radiation into heat.

L'absorbeur se caractérise par deux paramètres :The absorber is characterized by two parameters:

- le facteur d'absorption solaire α* (ou absorptivité): le rapport du rayonnement lumineux absorbé par le rayonnement lumineux incident;- the solar absorption factor α* (or absorptivity): the ratio of the light radiation absorbed by the incident light radiation;

- le facteur d'émission infrarouge ε (ou émissivité): le rapport entre l'énergie rayonnée dans l'infrarouge lorsque l'absorbeur est chaud et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température.- the infrared emission factor ε (or emissivity): the ratio between the energy radiated in the infrared when the absorber is hot and that which a black body would radiate at the same temperature.

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.In solar heating applications, the aim is to obtain the best solar absorption factor/infrared emission factor ratio. This ratio is called selectivity.

Le matériau constituant l'absorbeur est en règle générale en cuivre ou aluminium mais aussi parfois en matière plastique. Les propriétés de quelques matériaux utilisés comme absorbeurs.The material constituting the absorber is generally copper or aluminum but also sometimes plastic. The properties of some materials used as absorbers.

La structure de l’absorbeur est illustrée par les figures 1, 2, 3 et 8.The structure of the absorber is illustrated in figures 1, 2, 3 and 8.

Il comprend une structure (1) en nid d’abeille exposé au rayonnement solaire par l’intermédiaire d’un hublot (10). Elle est fixée sur l’enceinte par une bride (2). Une membrane (3) forme une interface étanche. Un joint (4) assure l’étanchéité entre la bride (2) et un épaulement interne de l’enceinte. Une structure (6, 12) présente une section tronconique hélicoïdale centrale avec des ailettes inférieures (5). Elle est fixée par des vis (7).It comprises a honeycomb structure (1) exposed to solar radiation through a porthole (10). It is fixed to the enclosure by a flange (2). A membrane (3) forms a sealed interface. A seal (4) ensures the seal between the flange (2) and an internal shoulder of the enclosure. A structure (6, 12) has a central truncated helical section with lower fins (5). It is fixed by screws (7).

Un disque d’obturation (11) s’étend sous la structure (12).A shutter disc (11) extends under the structure (12).

Dans la zone comprise entre le hublot (10) et la structure en nid d’abeille (1), un brûleur injecte des gaz chauds. Cette zone présente par ailleurs des orifices d’évacuation (14).In the area between the porthole (10) and the honeycomb structure (1), a burner injects hot gases. This zone also has evacuation orifices (14).

La structure en nid d’abeilles reçoit le flux thermique, et présente une interface étanche au centre, avec une bride sur les côtés avec les ailettes sur toute la hauteur (permet de supporter de fortes pressions), en dessous au centre le cône hélicoïdal (permet de renvoyer le fluide à 90°), en bas le disque d’obturation = permet de rendre étanche le circuit fluide et permettre la circulation de la périphérie vers le centre et inversement (réversible/alternatif)The honeycomb structure receives the heat flow, and has a sealed interface in the center, with a flange on the sides with the fins over the entire height (allows to withstand high pressures), below in the center the helical cone ( allows the fluid to be returned at 90°), at the bottom the closing disc = allows the fluid circuit to be sealed and allows circulation from the periphery to the center and vice versa (reversible/alternating)

MatériauxMaterials absorptivitéabsorptivity émissivitéemissivity sélectivitéselectivity Tempéra-ture max.Max. temperature α*α* εε α* / εα* / ε Nickel noirci (Black nickel)Blackened nickel (Black nickel) 0,88 - 0,980.88 - 0.98 0,03 - 0,250.03 - 0.25 3,7 - 323.7 - 32 300°C300°C Film graphite (Graphitic films)Graphite films 0,876 - 0,920.876 - 0.92 0,025 - 0,0610.025 - 0.061 14,4 - 36,814.4 - 36.8 250°C250°C Cuivre noirci (Black copper)Black copper 0,97 - 0,980.97 - 0.98 0,020.02 48,5 - 4948.5 - 49 250°C250°C Chrome noirci (Black chrome)Black chrome (Black chrome) 0,95 - 0,970.95 - 0.97 0,09 - 0,300.09 - 0.30 3,2 - 10,83.2 - 10.8 350 - 425°C350 - 425°C

Afin d'obtenir un meilleur rendement, certains systèmes sont donc constitués d'un revêtement particulier.In order to obtain better performance, certain systems therefore consist of a particular coating.

Le fluide caloporteur (ou caloriporteur) permet d'évacuer la chaleur emmagasinée par l'absorbeur et de la transmettre vers là où elle doit être consommée. Un bon fluide caloporteur doit prendre en compte les conditions suivantes :The heat transfer fluid (or heat transfer fluid) makes it possible to evacuate the heat stored by the absorber and to transmit it to where it must be consumed. A good heat transfer fluid must take into account the following conditions:

- être chimiquement stable lorsqu'il atteint une forte température, en particulier lors de la stagnation du capteur;- be chemically stable when it reaches a high temperature, in particular during sensor stagnation;

- posséder des propriétés antigel en corrélation avec les conditions météorologiques locales;- possess antifreeze properties in correlation with local weather conditions;

- posséder des propriétés anticorrosives selon la nature des matériaux présents dans le circuit capteur;- have anticorrosive properties depending on the nature of the materials present in the sensor circuit;

- posséder une chaleur spécifique et une conductivité thermique élevées afin de transporter efficacement la chaleur;- possess a high specific heat and thermal conductivity in order to transport heat efficiently;

- être non-toxique et avoir un faible impact sur l'environnement;- be non-toxic and have a low impact on the environment;

- avoir une basse viscosité afin de faciliter la tâche de la pompe de circulation;- have a low viscosity in order to facilitate the task of the circulation pump;

- être facilement disponible et bon marché- be readily available and inexpensive

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 l'eau pure ou tout simplement à l'air selon l'utilisation.The good compromise in relation to these criteria is a mixture of water and glycol (used in automobile coolant), even if it is not uncommon to find systems operating on pure water or simply to air depending on use.

Le vitrage permet de protéger l'intérieur du capteur contre les effets de l'environnement et d'améliorer le rendement du système par effet de serre.The glazing makes it possible to protect the interior of the collector against the effects of the environment and to improve the yield of the system by greenhouse effect.

Si l'on souhaite un vitrage efficace, il doit posséder les propriétés suivantes:If effective glazing is desired, it must have the following properties:

- réfléchir le rayonnement lumineux au minimum quelle que soit son inclinaison;- reflect light radiation to a minimum regardless of its inclination;

- absorber le rayonnement lumineux au minimum;- absorb light radiation to a minimum;

- avoir une bonne isolation thermique en gardant le rayonnement infrarouge au maximum;- have good thermal insulation by keeping infrared radiation to a maximum;

- résister dans le temps aux effets de l'environnement (pluie, grêle, rayonnement solaire,...) et aux grandes variations de températures.- withstand the effects of the environment over time (rain, hail, solar radiation, etc.) and large temperature variations.

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.The main glazings used for thermal sensors are based on non-ferruginous glass or acrylic glass, and often have an anti-reflective coating.

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.The thermal insulation makes it possible to limit the thermal losses, its characteristic is the coefficient of conductivity; the lower the better the insulation. The main materials used for thermal sensors are rock and glass wool, polyurethane foams or even melamine resin.

Quelques isolants utilisés pour les capteurs thermiques :Some insulators used for thermal sensors:

MatériauxMaterials Conductivité thermiqueThermal conductivity Laine de rocheRockwool 0,032 - 0,040 W/m.K0.032 - 0.040 W/m.K Laine de verreGlass wool 0,030 - 0,040 W/m.K0.030 - 0.040 W/m.K Mousses de polyuréthane (étanchéité)Polyurethane foams (sealing) 0,022 - 0,030 W/m.K0.022 - 0.030 W/m.K

Dans le cas des capteurs thermiques vitrés, il est aussi intéressant de remplacer l'isolation entre la vitre et l'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 :In the case of glazed thermal collectors, it is also interesting to replace the insulation between the glass and the absorber with air. Indeed, the air has a great power of insulation, it is thus used in the double glazing. Always with the aim of obtaining better yields, some manufacturers use other gases such as argon or xenon, and when possible, it is even preferable to use a vacuum. Here are the insulation coefficients of gases used as insulators:

GazGas Conductivité thermique à 283 K, 1 bar.Thermal conductivity at 283 K, 1 bar. AirAir 0,0253 W/m.K0.0253 W/m.K ArgonArgon 0,01684 W/m.K0.01684 W/m.K XénonXenon 0,00540 W/m.K0.00540 W/m.K

Description de l’absorbeur selon l’inventionDescription of the absorber according to the invention

L’absorbeur selon l’invention est constitué par une pièce monolithique en CSi sur laquelle sont déposés lors de l’élaboration en phase pâteuse, ou encore 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.The absorber according to the invention consists of a monolithic CSi part on which are deposited during production in the pasty phase, or even projected by laser or plasma, tungsten dendrites, a crystalline form absorbing 98% of the infrared radiation. red and has a melting point above 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. Lesdites dendrites sont préférentiellement des résidus ou poussières industrielles ou être réalisées par voie solaire à haute température.By dendrite is meant within the meaning of the present patent a crystalline form obtained by solidification, and having a tree-like shape. A snowflake, for example, has a dendritic structure. Said dendrites are preferentially industrial residues or dust or be produced by solar means at high temperature.

L’agglomération des dendrites de tungstène sur le CSi peut être réalisée en couche mince et sous haute température ou par tout autre procédé.The agglomeration of tungsten dendrites on the CSi can be carried out in a thin layer and under high temperature or by any other process.

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.The absorber thus forms a light trap, in particular using micro cavities made during molding, to present characteristics close to a black body.

Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention

Les principales qualités d’un absorbeur sont :The main qualities of an absorber are:

  1. Capacité à recevoir et transférer le maximum d’énergieAbility to receive and transfer the maximum amount of energy
  2. Être un très bon conducteur thermiqueBe a very good thermal conductor
  3. Ne pas réfléchir ou rayonner les IR (infra rouge)Do not reflect or radiate IR (infra red)
  4. Supporter une très forte densité énergétiqueSupport a very high energy density
  5. Supporter les chocs thermiques et rester inerte chimiquementWithstand thermal shocks and remain chemically inert
  6. Ne pas se détériorer dans le tempsDo not deteriorate over time
  7. Avoir un coût de fabrication le plus bas possibleHave the lowest possible manufacturing cost
  8. Être facilement industrialisableBe easily industrialized
  9. Avoir d’importantes propriétés mécaniquesHave significant mechanical properties

La première qualité d’un absorbeur est sa capacité à recevoir un rayonnement (soleil/flamme) et le transférer dans un fluide avec le meilleur rendement possible.The first quality of an absorber is its ability to receive radiation (sun/flame) and transfer it to a fluid with the best possible efficiency.

L’absorbeur se trouve être dans une enceinte sous vide permettant une isolation thermique parfaite, laquelle est idéalement en graphite et recouverte d’un hublot transparent au rayonnement solaire et recouverte d’un revêtement anti réflexion limitant les pertes optiques. La cavité sous vide est équipée d’un brûleur permettant d’apporter l’énergie nécessaire lors de l’absence du flux solaire et une sortie est aménagée pour évacuer les résidus de la combustion.The absorber is located in a vacuum enclosure allowing perfect thermal insulation, which is ideally made of graphite and covered with a window transparent to solar radiation and covered with an anti-reflection coating limiting optical losses. The vacuum cavity is equipped with a burner to provide the necessary energy in the absence of solar flux and an outlet is provided to evacuate combustion residues.

La majorité des absorbeurs connus utilisent des matériaux tels que l’inox, avec ou sans revêtement absorbant/sélectif. Ce matériau à un taux d’absorption très limité et rediffuse une bonne part du rayonnement infrarouge. D’autre part sa conductivité est très limitée puisque de l’ordre de 20 W/m.K, ce qui est très peu comparé à d’autres matériaux reconnus tels que le cuivre = 386 W/m.k qui s’avère être 20 fois meilleur conducteur thermique, propriété importante pour la qualité d’un absorbeur. Ensuite l’inox n’est utilisable que jusqu’à 800°C ce qui limite d’autant les rendements thermodynamiques avantageux dans les hautes plages de température. L’un des matériaux appropriés proposé dans l’invention et qui sera cité à titre d’exemple est le CSi (carbure de silicium) sous une forme relativement pure.The majority of known absorbers use materials such as stainless steel, with or without an absorbent/selective coating. This material has a very limited absorption rate and redistributes a good part of the infrared radiation. On the other hand its conductivity is very limited since of the order of 20 W/m.K, which is very little compared to other recognized materials such as copper = 386 W/m.k which turns out to be 20 times better conductor thermal, an important property for the quality of an absorber. Then, stainless steel can only be used up to 800°C, which limits the advantageous thermodynamic yields in the high temperature ranges. One of the suitable materials proposed in the invention and which will be cited by way of example is CSi (silicon carbide) in a relatively pure form.

Le CSi pur est un excellent conducteur thermique jusqu’à 1.200 °C avec une conductivité maximale d’environ 350 W/m.k proche de celle du cuivre, ce qui lui confère des propriétés exceptionnelles, de plus il conduit parfaitement les IR (infra rouges). Il supporte d’importants chocs thermiques et sa très importante dureté et résistance mécanique permet de concevoir des pièces pouvant supporter de très fortes contraintes permettant ainsi la réalisation de pièces de faible épaisseur dans avec une excellente conductivité thermique. Inerte chimiquement, il supporte les très hautes températures et ne se dégrade pas dans le temps.Pure CSi is an excellent thermal conductor up to 1,200°C with a maximum conductivity of approximately 350 W/m.k close to that of copper, which gives it exceptional properties, moreover it perfectly conducts IR (infrared) . It withstands significant thermal shocks and its very high hardness and mechanical resistance makes it possible to design parts that can withstand very high stresses, thus allowing the production of thin parts with excellent thermal conductivity. Chemically inert, it withstands very high temperatures and does not degrade over time.

Par contre le CSi pur est entaché de plusieurs problématiques car il est quasi transparent au rayonnement solaire, ressemblant à du verre, et n’absorbe donc pas le flux solaire concentré. D’autre part il est très difficile de réaliser des pièces de géométrie complexe nécessaires pour réaliser des absorbeurs quasi parfaits. Enfin, sa mise en œuvre nécessite une très grande quantité d’énergie et de très hautes températures.On the other hand, pure CSi is marred by several problems because it is almost transparent to solar radiation, resembling glass, and therefore does not absorb the concentrated solar flux. On the other hand, it is very difficult to produce parts of complex geometry necessary to produce almost perfect absorbers. Finally, its implementation requires a very large amount of energy and very high temperatures.

Pour remédier à cela, l’absorbeur selon l’invention est recouvert d’une fine couche de dendrites de tungstène sur la face exposée à la source de chaleur. Les dendrites de tungstène ont la propriété de capter parfaitement le rayonnement solaire ou provenant d’une flamme et le transmettre dans un substrat support avec une efficacité de 98%. Pour cela on dépose les dendrites par l’intermédiaire, par exemple, d’une torche à plasma ou tout autre procédé adapté, notamment lorsque le CSi sort de la phase de moulage, sa consistance pâteuse adhérente permettant une parfaite cohésion.To remedy this, the absorber according to the invention is covered with a thin layer of tungsten dendrites on the side exposed to the heat source. Tungsten dendrites have the property of perfectly capturing solar radiation or radiation from a flame and transmitting it to a support substrate with an efficiency of 98%. For this, the dendrites are deposited by means, for example, of a plasma torch or any other suitable process, in particular when the CSi comes out of the molding phase, its adherent pasty consistency allowing perfect cohesion.

Pour absorber avec la plus grande efficacité possible un flux incident, il est nécessaire de réaliser une géométrie particulière qui puisse capter et piéger le rayonnement incident. Les absorbeurs connus ont en générale une surface lisse, laquelle réfléchit une grande part du rayonnement. L’invention dispose d’une géométrie agissant comme un piège à lumière et se compare à un corps noir. Pour cela la surface est constituée d’une structure en nid d’abeille dont la section est conique, fine en partie supérieure, et large en parie inférieure. Ainsi il est possible de capter avec la plus grande efficacité qui soit le rayonnement entrant car il ne peut ainsi s’échapper et est parfaitement capté par les dendrites qui transfèrent dès lors le flux dans le substrat en CSi. D’autre part la conformation conique du nid d’abeilles permet un démoulage aiséTo absorb an incident flux as efficiently as possible, it is necessary to produce a particular geometry which can capture and trap the incident radiation. Known absorbers generally have a smooth surface, which reflects a large part of the radiation. The invention has a geometry acting as a light trap and is comparable to a black body. For this, the surface consists of a honeycomb structure whose section is conical, thin in the upper part, and wide in the lower part. Thus it is possible to capture with the greatest efficiency that is the incoming radiation because it cannot thus escape and is perfectly captured by the dendrites which then transfer the flux into the CSi substrate. On the other hand, the conical conformation of the honeycomb allows easy demolding

Concernant la réalisation, l’état de l’art ne permet pas actuellement de fabriquer des pièces à géométries complexes, d’autant que pour un bon absorbeur il faut limiter au maximum l’épaisseur, au détriment de sa solidité, ce qui n’est actuellement pas envisageable dans l’état de l’art car nécessitant un usinage avec des outils dont le diamètre et la longueur sont limités pour des raisons mécaniques.Regarding the production, the state of the art does not currently allow the manufacture of parts with complex geometries, especially since for a good absorber it is necessary to limit the thickness as much as possible, to the detriment of its solidity, which does not is currently not possible in the state of the art because it requires machining with tools whose diameter and length are limited for mechanical reasons.

L’invention permet de remédier à ces problèmes grâce à deux procédés novateurs, l’un étant le pressage isostatique haute pression, le second en fabrication additive par imprimante 3D.The invention makes it possible to remedy these problems thanks to two innovative processes, one being high pressure isostatic pressing, the second in additive manufacturing by 3D printer.

Le pressage isostatique haute pression développé par l’inventeur permet d’envoyer une pâte de CSi dans un moule formé de deux ou plusieurs pièces, quasi similaire à l’injection plastique ou métallique, l’un pour la partie supérieure, et le second pour la partie inférieure, et éventuellement un troisième pour le cône hélicoïdal central pouvant nécessiter une fonction de vissage/devissage ou encore deux demi-coquilles de moulages indépendantes. Il est ainsi possible d’obtenir des pièces de géométrie complexe avec une très faible épaisseur, pouvant être de l’ordre du millimètre, l’architecture géométrique de la pièce permettant ce genre de réalisation. Le disque d’obturation pouvant être rajoutés dans la foulée pour obtenir une pièce monolithique.The high pressure isostatic pressing developed by the inventor makes it possible to send a CSi paste into a mold formed of two or more parts, almost similar to plastic or metal injection, one for the upper part, and the second for the lower part, and possibly a third for the central helical cone which may require a screwing/unscrewing function or even two independent molding half-shells. It is thus possible to obtain parts of complex geometry with a very small thickness, which can be of the order of a millimeter, the geometric architecture of the part allowing this kind of realization. The blanking disc can be added immediately to obtain a monolithic part.

Le second procédé testé avec succès par l’inventeur est l’impression additive ou impression 3D. Une buse ou un ensemble de buses dépose la pâte de CSi au fur et à mesure sur un plateau formant progressivement une pièce à géométrie dont la complexité est quasi infinie ou l’obtention de formes impossibles à réaliser autrement.The second process successfully tested by the inventor is additive printing or 3D printing. A nozzle or a set of nozzles gradually deposits the CSi paste on a plate gradually forming a part with a geometry whose complexity is almost infinite or the obtaining of shapes impossible to achieve otherwise.

La surface en nid d’abeilles est idéalement constituée d’une surface rugueuse présentant des microcavités absorbant avantageusement la lumière et permettant une accroche plus facile des dendrites. De même, les ailettes de la partie inférieure peuvent présenter des microcavités générant des micro turbulences, lesquelles contribuent d’une part à augmenter les coefficients d’échange thermique, d’autre part à diminuer les frottements sur les surfaces augmentant le rendement global.The honeycomb surface is ideally made up of a rough surface with microcavities that advantageously absorb light and allow easier attachment of the dendrites. Similarly, the fins of the lower part may have microcavities generating micro turbulence, which contribute on the one hand to increasing the heat exchange coefficients, on the other hand to reducing friction on the surfaces increasing the overall efficiency.

Les pièces, après différents traitements appropriés, sont ensuite frittées dans un four à haute température, traditionnellement alimenté par du gaz ou électrique, mais peuvent aussi idéalement être frittées par voie solaire à concentration pour diminuer drastiquement les coûts de production. L’absence de la source solaire étant idéalement palliée par la combustion d’un mélange hho lequel produit une flamme de très grande qualité à 2800°C dont le résidu n’est que de la vapeur d’eau laquelle peut indéfiniment être recyclée. Le mélange hho, aussi appelé « solar fuel », peut idéalement être produit par voie solaire et baisser d’autant le coût énergétique. L’autre avantage de ce procédé solaire est que l’on peut ensuite envisager un recuit contrôlé pour libérer les tensions, celui-ci étant très peu coûteux.The parts, after various appropriate treatments, are then sintered in a high-temperature furnace, traditionally powered by gas or electricity, but can also ideally be sintered by concentrated solar power to drastically reduce production costs. The absence of the solar source being ideally compensated by the combustion of an hho mixture which produces a flame of very high quality at 2800°C whose residue is only water vapor which can be recycled indefinitely. The hho mixture, also called "solar fuel", can ideally be produced by solar energy and reduce the energy cost accordingly. The other advantage of this solar process is that you can then consider controlled annealing to release the tensions, which is very inexpensive.

On peut ainsi envisager la production industrielle à très grande cadence de pièces de géométrie complexe et à très bas coût de fabrication tout en ayant un indice carbone proche ou égal à zéro et donc aucun impact environnemental.It is thus possible to envisage the industrial production at a very high rate of parts of complex geometry and at very low manufacturing cost while having a carbon index close to or equal to zero and therefore no environmental impact.

L’absorbeur bien qu’il soit monolithique, est divisé ici en trois sections pour des raisons de compréhension de la description. La première section est la partie supérieure recevant le flux thermique, la seconde est l’interface permettant de supporter les deux sections principales et de réaliser l’assemblage dans une structure sous pression tout en garantissant l’étanchéité. La troisième section est la partie inférieure, laquelle est chargée de transmettre l’énergie thermique au sein d’un fluide. L’ensemble est de forme concave de manière à optimiser la captation et transfert d’énergie, mais aussi d’assurer la meilleure résistance mécanique qui soit en rendant homogènes les flux d’énergie et les forces mécaniques appliquées sur les surfaces.The absorber, although monolithic, is divided here into three sections for the sake of understanding the description. The first section is the upper part receiving the heat flow, the second is the interface allowing to support the two main sections and to carry out the assembly in a pressurized structure while guaranteeing sealing. The third section is the lower part, which is responsible for transmitting thermal energy within a fluid. The assembly is concave in shape so as to optimize the capture and transfer of energy, but also to ensure the best possible mechanical resistance by making the energy flows and the mechanical forces applied to the surfaces homogeneous.

La partie supérieure, décrite précédemment, est une structure en nid d’abeilles de forme conique évasée vers la partie opposée (Fig 4) de manière à uniformiser les gradients de température, et sa surface est recouverte d’une fine couche de dendrites de tungstène. Ces cônes sont plus hauts et larges au centre du fait qu’un flux solaire ou une flamme est toujours plus important en son centre, nécessitant de ce fait une densité de matière plus importante laquelle transmets ensuite par conduction aux éléments environnants.The upper part, described previously, is a honeycomb structure of conical shape flared towards the opposite part (Fig 4) so as to even out the temperature gradients, and its surface is covered with a thin layer of tungsten dendrites. . These cones are higher and wider in the center because a solar flux or a flame is always more important in its center, thus requiring a greater density of matter which then transmits by conduction to the surrounding elements.

Du fait des excellentes propriétés du CSi et de la méthode de mise en œuvre selon l’invention, il est possible de réaliser des ailettes de convection (nid d’abeille) d’une épaisseur de l’ordre du millimètre à sa partie haute. Le « bord d’attaque » (terminologie ?), qui reçoit le rayonnement solaire direct ou la flamme (donc le dessus), est arrondi pour éviter les angles vifs trop fragiles et permettre le démoulageDue to the excellent properties of CSi and the implementation method according to the invention, it is possible to produce convection fins (honeycomb) with a thickness of the order of a millimeter at its upper part. The "leading edge" (terminology?), which receives direct solar radiation or the flame (therefore the top), is rounded to avoid sharp angles that are too fragile and allow demolding

L’autre intérêt de la structure en nid d’abeille est qu’elle répartie de manière parfaite les contraintes tant thermiques que mécaniques. La hauteur du nid d’abeille étant plus important au centre qu’en périphérie, les contraintes tant thermiques que mécaniques sont ainsi uniformément réparties sur l’ensemble de la surface et la structure peut dès lors subir une pression beaucoup plus importante en son centre ce qui permet de supporter des densités d’énergie et mécaniques les plus extrêmes, contrairement aux absorbeurs connus par exemple en inox dont la surface est lisse, sphérique et d’épaisseur constante.The other advantage of the honeycomb structure is that it perfectly distributes both thermal and mechanical stresses. The height of the honeycomb being greater in the center than at the periphery, both thermal and mechanical stresses are thus uniformly distributed over the entire surface and the structure can therefore undergo a much greater pressure in its center. which makes it possible to withstand the most extreme energy and mechanical densities, unlike known absorbers, for example made of stainless steel, the surface of which is smooth, spherical and of constant thickness.

Dans la continuité de la structure en nid d’abeille vient une « interface » (disque concave étanche séparant partie inférieure et supérieure), laquelle reçoit les deux parties échangeuses, supérieure et inférieure. Cette interface permet d’assurer la continuité de l’étanchéité entre les deux parties opposées et la bonne transmission énergétique uniformément répartie sur toute sa surface. Sa forme est préférentiellement sphérique et sa concavité orientée vers la partie supérieure (recevant le flux), ce qui permet à l’absorbeur de supporter de très importantes pressions avec l’épaisseur la plus faible qui soit, concourant ainsi au rendement thermique. Cette faible épaisseur permet en outre de limiter le stress mécanique ou les défauts moléculaires connus dans une forte épaisseur ainsi que la qualité du frittage, lequel est essentiel pour assurer la pérennité et fiabilité de l’absorbeur.In the continuity of the honeycomb structure comes an "interface" (sealed concave disc separating the lower and upper part), which receives the two exchanger parts, upper and lower. This interface ensures the continuity of the seal between the two opposing parts and the good transmission of energy evenly distributed over its entire surface. Its shape is preferably spherical and its concavity oriented towards the upper part (receiving the flow), which allows the absorber to withstand very high pressures with the lowest possible thickness, thus contributing to thermal efficiency. This low thickness also makes it possible to limit the mechanical stress or the molecular defects known in a high thickness as well as the quality of the sintering, which is essential to ensure the durability and reliability of the absorber.

Pour assurer le montage étanche de l’absorbeur entre les différents constituants d’un dispositif thermique, le pourtour extérieur est constitué d’une portée périphérique s’apparentant à une bride, laquelle vient s’assembler avec les dispositifs extérieurs. Celle-ci est d’épaisseur adaptée aux contraintes qui lui seront soumises et est prévue pour s’insérer dans un cylindre de section légèrement plus grande sur laquelle l’absorbeur vient se positionner et assurer un assemblage étanche.To ensure the leaktight assembly of the absorber between the various components of a thermal device, the outer perimeter consists of a peripheral bearing similar to a flange, which is assembled with the external devices. This is of a thickness adapted to the constraints that will be subjected to it and is designed to fit into a cylinder of slightly larger section on which the absorber is positioned and ensures a sealed assembly.

Pour cela il peut être envisagé un anneau identique à un joint d’étanchéité, lequel est réalisé sur le pourtour central de manière à appliquer une pression sur une surface limitée définie comme au sein d’une bride, idéal dans le cadre de très fortes pressions appliquées. Cet anneau en relief peut aussi être remplacé par une gorge recevant un joint standard ou être une portée plate pour certains joints plats notamment du type métallique. Un joint isolant, par exemple en graphite, peut aussi être idéalement envisagé pour supporter les hautes températures, l’autre avantage de ce type de joint est qu’il constitue un pont thermique évitant de ce fait la transmission de chaleur vers le support externe.For this, a ring identical to a seal can be envisaged, which is made on the central perimeter so as to apply pressure to a limited surface defined as within a flange, ideal in the context of very high pressures. applied. This ring in relief can also be replaced by a groove receiving a standard seal or be a flat surface for certain flat seals, in particular of the metallic type. An insulating seal, for example in graphite, can also be ideally considered to withstand high temperatures, the other advantage of this type of seal is that it constitutes a thermal bridge thereby avoiding the transmission of heat to the external support.

Dans ce cas de figure l’absorbeur vient se monter directement sur le cylindre de réception extérieur tel que Fig 8, et l’on applique une pression gazeuse suffisante permettant un montage rapide et aisé, à la façon des pneus tubeless, considérant d’autant plus que le hublot de la cavité recevant l’absorbeur est idéalement sous vide. On évite ainsi de créer un stress mécanique lors des écarts de dilation des différents constituants du dispositif en permettant un auto-ajustement et déplacement de l’absorbeur sur la portée étanche.In this case, the absorber is mounted directly on the outer receiving cylinder such as Fig 8, and sufficient gas pressure is applied allowing quick and easy mounting, like tubeless tires, considering all the more than the porthole of the cavity receiving the absorber is ideally under vacuum. This avoids creating mechanical stress during expansion differences of the various components of the device by allowing self-adjustment and movement of the absorber on the sealed surface.

La partie inférieure de la « bride » permet le montage de composants et dispositifs complémentaires et dispose en ce sens d’éléments permettant leur liaison mécanique tels que des filetages ou tout système d’assemblage approprié, notamment un assemblage type quart de tour pour permettre un assemblage rapide et économique. Lesdits filetages ou dispositifs d’assemblage peuvent se trouver sur les deux faces pour permettre un assemblage mécanique durable et sans risque tout en permettant un parfait maintien de la pression devant être exercée sur le dispositif d’étanchéité/joint.The lower part of the "flange" allows the assembly of additional components and devices and has in this sense elements allowing their mechanical connection such as threads or any appropriate assembly system, in particular a quarter-turn type assembly to allow a fast and economical assembly. Said threads or assembly devices may be on both sides to allow a durable and risk-free mechanical assembly while allowing perfect maintenance of the pressure to be exerted on the sealing device/seal.

La partie inférieure Figures 2 et 3 est constituée de fines ailettes formant une rosace (terminologie à vérifier) permettant de transmettre l’énergie thermique au fluide caloporteur ou fluide de travail/à réchauffer. Les ailettes sont imbriquées dans la partie « bride » sur toute leur hauteur de manière à obtenir une pièce monolithique particulièrement résistante aux fortes pressions et répartir les forces de manière uniforme.The lower part Figures 2 and 3 is made up of thin fins forming a rosette (terminology to be checked) allowing the thermal energy to be transmitted to the heat transfer fluid or working fluid/fluid to be heated. The fins are nested in the "flange" part over their entire height so as to obtain a monolithic part particularly resistant to high pressures and to distribute the forces evenly.

Le flux solaire concentré s’apparente à une courbe de Gauss, soit avec un maxima d’intensité en son centre. De ce fait le fluide provient idéalement de la périphérie vers le centre pour éviter des pertes thermiques au niveau de la bride d’étanchéité. Pour cela une « lumière » (passage) est pratiquée sur tout le pourtour de l’entrée des ailettes pour permettre le passage du fluide. Cette lumière est imposée par un disque obturateur apposé sur les ailettes et verrouillé par un procédé tel que des ergots de montage pour éviter son déplacement ou toutes vibrations. Son montage peut aussi avantageusement se faire sous forme monolithique suivant la méthode de fabrication, cette dernière évitant le rajout de dispositifs de fixation/maintien mécanique.The concentrated solar flux is similar to a Gaussian curve, i.e. with a maximum intensity in its center. As a result, the fluid ideally comes from the periphery towards the center to avoid heat losses at the level of the sealing flange. For this, a "light" (passage) is made all around the inlet of the fins to allow the passage of the fluid. This light is imposed by a shutter disc affixed to the fins and locked by a process such as mounting lugs to prevent its displacement or any vibrations. It can also advantageously be mounted in monolithic form according to the manufacturing method, the latter avoiding the addition of mechanical fixing/holding devices.

Cette disposition en portions de cercles (rosaces ?) imbriquées les unes dans les autres permet de créer un certain nombre de turbulences et de guider le fluide dans une direction bien précise. De plus la force centripète permet d’augmenter l’interaction du fluide sur la surface des ailettes, améliorant ainsi le coefficient d’échange. Cette disposition singulière permet aussi d’augmenter les surfaces d’échange et augmenter le rendement thermique de l’absorbeur. L’espace entre les ailettes est plus important à la périphérie qu’au centre pour une parfaite corrélation avec la densité énergétique mise en œuvre sur les surfaces.This arrangement in portions of circles (rosettes?) nested in each other makes it possible to create a certain amount of turbulence and to guide the fluid in a very precise direction. Moreover, the centripetal force makes it possible to increase the interaction of the fluid on the surface of the fins, thus improving the exchange coefficient. This singular arrangement also makes it possible to increase the exchange surfaces and increase the thermal efficiency of the absorber. The space between the fins is greater at the periphery than at the center for a perfect correlation with the energy density implemented on the surfaces.

D‘autre part les ailettes sont plus hautes en leur centre que vers la périphérie ce qui permet d’une part d’optimiser les échanges thermiques, la plus grande densité d’énergie étant au centre, et d’autre part de contribuer à la résistance mécanique de l’ensemble lorsqu’il est soumis à de très fortes pressions rendues nécessaires notamment dans les dispositifs thermodynamiques par exemple du type Stirling. Il est ainsi possible de disposer d’une interface de très faible épaisseur tout en assurant une extrême résistance mécanique aux très fortes pressions.On the other hand the fins are higher in their center than towards the periphery which allows on the one hand to optimize the thermal exchanges, the greatest density of energy being in the center, and on the other hand to contribute to the mechanical resistance of the assembly when it is subjected to very high pressures made necessary in particular in thermodynamic devices, for example of the Stirling type. It is thus possible to have a very thin interface while ensuring extreme mechanical resistance to very high pressures.

Du fait de la géométrie particulière des ailettes, un vortex rapide est formé au centre de la structure inférieure, lequel est redirigé à l’extérieur de l’absorbeur par une section tronconique hélicoïdale reprenant le sens du flux initial dans une direction perpendiculaire soit vers une tuyauterie, soit vers un piston pour certains dispositifs thermodynamiques. Ladite section tronconique comporte des ailettes de formes hélicoïdales, lesquelles permettent de diriger le flux dans le nouvel axe perpendiculaire d’une part, et d’éviter la surchauffe sur la zone centrale la plus exposée au rayonnement thermique incident d’autre part du fait d’une vitesse d’écoulement accrue par effet Venturi. Le centre du cône est relativement épais alors que son extrémité est plus fine. La base inférieure de la section tronconique est avantageusement de forme courbe pour éviter de trop grandes turbulences et pertes de charge préjudiciables au rendement global. Cette forme hélicoïdale se rapproche du disque obturateur pour éviter des pertes liées à des fuites ou défauts de guidage préférentiellement dans une direction du fluide.Due to the particular geometry of the fins, a fast vortex is formed in the center of the lower structure, which is redirected outside the absorber by a truncated helical section resuming the direction of the initial flow in a perpendicular direction either towards a piping, or to a piston for certain thermodynamic devices. Said frustoconical section comprises fins of helical shape, which make it possible to direct the flow in the new perpendicular axis on the one hand, and to avoid overheating on the central zone most exposed to incident thermal radiation on the other hand due to increased flow velocity by Venturi effect. The center of the cone is relatively thick while its end is thinner. The lower base of the frustoconical section is advantageously of curved shape to avoid excessive turbulence and pressure drops that are detrimental to overall efficiency. This helical shape approximates the obturator disc to avoid losses linked to leaks or guide faults preferentially in one direction of the fluid.

Pour assurer l’étanchéité de la partie inférieure un disque d’obturation permet de refermer et d’ainsi parfaitement diriger le fluide destiné à être chauffé. Ce disque comporte une ouverture en son centre permettant l’éventuelle connexion par une section de cylindre sur une tuyauterie ou l’envoi sur un piston, ainsi qu’un diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre des ailettes permettant ainsi le passage du fluide depuis la périphérie.To ensure the tightness of the lower part, an obturation disc makes it possible to close and thus perfectly direct the fluid intended to be heated. This disc has an opening in its center allowing the possible connection by a cylinder section on a pipe or the sending on a piston, as well as an outer diameter slightly smaller than the diameter of the fins thus allowing the passage of the fluid from the periphery. .

Un dispositif d’accrochage avec le corps de l’absorbeur est réalisé sur le disque d’obturation, celui-ci pouvant être de plusieurs façons telles que des ergots, des échancrures ou tout autre procédé d’assemblage, ou constituant un ensemble monolithique dans le cas d’impression additive. Un autre procédé avantageux étant l’assemblage du disque dès lors que le corps de l’absorbeur sort de moulage, l’adhérence se faisant alors aisément, ou encore lors de la réalisation par impression additive.A hooking device with the body of the absorber is made on the blanking disc, the latter being able to be in several ways such as lugs, notches or any other assembly method, or constituting a monolithic assembly in the case of additive printing. Another advantageous process is the assembly of the disc as soon as the body of the absorber comes out of the molding, the adhesion then being done easily, or even during the production by additive printing.

De manière générale tous les angles vifs interférant avec le déplacement du fluide son arrondis pour éviter de générer des turbulences et autres pertes de charge préjudiciables.In general, all sharp angles interfering with the movement of the fluid are rounded to avoid generating turbulence and other harmful pressure drops.

La partie inférieure est aussi conçue pour permettre un passage alternatif rapide et sans pertes de charges de fluides dans le sens aller et retour, comme par exemple dans le cas d’un procédé FPSE (free piston Stirling engine, cela avec des fréquences pouvant être de l’ordre de plusieurs dizaines de cycles par seconde.The lower part is also designed to allow rapid alternating passage without loss of fluid pressure in the outward and return direction, as for example in the case of an FPSE process (free piston Stirling engine, with frequencies that can be the order of several tens of cycles per second.

Claims (12)

- Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu’il est formé par une cavité isolée sous vide par exemple en graphite avec une fenêtre d’entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur formé d’une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d’absorption est revêtue de dendrites de tungstène.- Thermal sensor for concentrated solar thermal power plant characterized in that it is formed by a vacuum insulated cavity, for example made of graphite, with a transparent inlet window in which is placed an absorber formed from a monolithic piece of silicon carbide whose absorption surface is coated with tungsten dendrites. - Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il présente une configuration en nid d’abeille dont les cellules sont coniques et évasées avec une hauteur plus importante au centre et présentant des microcavités.- Thermal sensor for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has a honeycomb configuration whose cells are conical and flared with a greater height in the center and having microcavities. - Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il présente une interface sphérique étanche supportant supérieur et inférieur faisant office de bride d’assemblage et d’étanchéité avec un support présentant un nid et des ailettes et un assemblage par filetages d’un tuyau sur un dispositif thermodynamique.- Thermal sensor for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has a sealed spherical interface supporting upper and lower acting as an assembly and sealing flange with a support having a nest and fins and a assembly by threads of a pipe on a thermodynamic device. – Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il présente des ailettes pour l’échange thermique avec le fluide en forme de rosaces et présentant des microcavités avec une hauteur plus élevée au centre.– Thermal collector for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has fins for heat exchange with the fluid in the form of rosettes and having microcavities with a higher height in the center. – Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il présente un disque obturation et des lumières de passage du fluide.– Thermal sensor for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has a shutter disc and fluid passage lights. – Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il présente une section tronconique hélicoïdale centrale avec un renvoi à 90° et une forme évasée et conique.– Thermal sensor for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has a central helical frustoconical section with a 90° return and a flared and conical shape. – Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce que ce qu’il comporte un brûleur disposé à l’intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction dudit absorbeur.– Thermal sensor for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it comprises a burner disposed inside said cavity, directing a flame in the direction of said absorber. - Capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il présente des surfaces d’échange avec microcavités.- Thermal sensor for concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it has exchange surfaces with microcavities. – Système constitué par un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1, accouplé thermiquement et mécaniquement à une tubulure (sortie fluide chaud) ou 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 d’une pièce monolithique en carbure de silicium dont la surface d’absorption est revêtue de dendrites de tungstène.– System consisting of a thermal collector for a concentrated solar thermal power plant according to claim 1, thermally and mechanically coupled to a pipe (hot fluid outlet) or to the inlet of a thermal machine characterized in that said sensor is formed by a graphite cavity with a transparent inlet window in which is placed an absorber formed of a monolithic piece of silicon carbide whose absorption surface is coated with tungsten dendrites. – Système pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite machine à détente avec partie supérieure en carbure de silicium.– System for concentrated solar thermal power plant according to the preceding claim characterized in that said expansion machine with upper part of silicon carbide. – Procédé de préparation d’un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration conforme à la revendication 1 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.– Process for the preparation of a thermal collector for a concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it comprises a step of plasma spraying of tungsten dendrites on the surface of a monolithic piece of silicon carbide. – Procédé de préparation d’un capteur thermique pour centrale solaire thermique à concentration selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte une étape de dépôt par poudrage lors de l’élaboration en phase pâteuse de dendrites de tungstène sur la surface d’une pièce monolithique en carbure de silicium.– Process for the preparation of a thermal collector for a concentrated solar thermal power plant according to claim 1 characterized in that it comprises a step of deposition by powdering during the development in the pasty phase of tungsten dendrites on the surface of a monolithic part in silicon carbide.
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