FR3138168A1 - Hydro-solar-steam-electric power plant - Google Patents

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Mouaze Dominique
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Abstract

Dispositif pour produire de l’énergie  à partir de nappe d’eau telle que lac, rivière, mer, nappe souterraine.. pompée à une température initiale, surchauffée par le soleil par un système solaire thermique (4) pour être transformée partiellement ou totalement en vapeur , permettant l’entraînement d’une turbine (6).Device for producing energy from a body of water such as a lake, river, sea, groundwater, etc. pumped at an initial temperature, superheated by the sun by a solar thermal system (4) to be partially or totally transformed in steam, allowing the drive of a turbine (6).

Description

Centrale Hydro-solaire-vapeur-électriqueHydro-solar-steam-electric power plant

La présente invention concerne une centrale pour produire de l’électricité à partir de nappe d’eau telle que lac, rivière, mer, nappe souterraine, etc pompée à une température initiale, surchauffée par le soleil pour être transformée partiellement ou totalement en vapeur, permettant l’entraînement d’une turbine à vapeur.
Une génératrice électrique associée à cette turbine permets de produire de l’électricité.The present invention relates to a power plant for producing electricity from a body of water such as a lake, river, sea, groundwater, etc. pumped at an initial temperature, superheated by the sun to be transformed partially or totally into steam, allowing the driving of a steam turbine.
An electric generator associated with this turbine makes it possible to produce electricity.

A la pression atmosphérique, l’eau à l’état liquide se transforme intégralement en vapeur à la température de cent degrés Celsius.
Le processus de changement de phase de liquide à gaz (vapeur) se déroule à des températures plus faibles mais le processus n’est que partiel.
Pour avoir un processus de changement de phase intégral à des températures plus faibles que la températures de cent degrés Celsius, il faut que la pression soit plus faible que la pression atmosphérique.At atmospheric pressure, water in the liquid state completely transforms into vapor at a temperature of one hundred degrees Celsius.
The phase change process from liquid to gas (vapor) takes place at lower temperatures but the process is only partial.
To have a full phase change process at temperatures lower than one hundred degrees Celsius, the pressure must be lower than atmospheric pressure.

L’eau pompée a une température initiale en général de quelques degrés ou de quelques dizaine de degrés. L’eau pompée passant dans un panneau solaire thermique peut être surchauffée d’une trentaine de degrés ou très nettement plus.
Si la température finale est supérieure à cent degrés, il n’y a aucune difficulté à obtenir de la vapeur. Si la température finale est de l’ordre de 50 degrés, il n’y aura qu’un changement de phase partiel.The pumped water generally has an initial temperature of a few degrees or tens of degrees. Pumped water passing through a solar thermal panel can be overheated by around thirty degrees or significantly more.
If the final temperature is above one hundred degrees, there is no difficulty in obtaining steam. If the final temperature is around 50 degrees, there will only be a partial phase change.

La est un schéma représentant le schéma de base de la centrale sujet de cette invention. There is a diagram representing the basic diagram of the power plant subject of this invention.

L’eau est pompée à l’aide d’une pompe (3) par un tuyau d’aspiration (1). L’eau sera rejetée par un tuyau de refoulement (2). L’eau pompée est surchauffée par un système thermique solaire (4) exposée au soleil pour être transformée en partie ou complètement en vapeur. La cuve (5) permet de récupérer en partie basse de l’eau liquide épurée et en partie haute de la vapeur. La vapeur permets d’entraîner une turbine (6). La vapeur redevient par refroidissement à l’aide d’un échangeur (7) de l’eau liquide. La pompe de circulation de l’eau pour le refroidissement n’est pas représentée sur le schéma. L’aspiration et le refoulement de l’eau de circulation pour le refroidissement sont repérés (8) et (9).The water is pumped using a pump (3) through a suction pipe (1). The water will be discharged through a discharge pipe (2). The pumped water is superheated by a solar thermal system (4) exposed to the sun to be transformed partly or completely into steam. The tank (5) makes it possible to recover purified liquid water in the lower part and steam in the upper part. The steam drives a turbine (6). The steam returns to liquid water by cooling using an exchanger (7). The water circulation pump for cooling is not shown in the diagram. The suction and delivery of circulating water for cooling are marked (8) and (9).

Au lieu d’utiliser de l’eau, il est possible d’utiliser un autre liquide comme par exemple l’ammoniac qui se vaporise intégralement à des températures plus faible que 100 degrés Celsius à la pression atmosphérique. L’eau est une source abondante et qui est peu être rejetée dans la nature sans problème particulier. Ce qui n’est pas le cas pour les autres fluides. Pour résoudre le non rejet, le fluide circule en circuit fermé et des échangeurs de chaleur permettent de faire le transfert.Instead of using water, it is possible to use another liquid such as ammonia, which vaporizes completely at temperatures lower than 100 degrees Celsius at atmospheric pressure. Water is an abundant source and can be released into nature without any particular problem. This is not the case for other fluids. To resolve the non-rejection, the fluid circulates in a closed circuit and heat exchangers make the transfer possible.

La est un schéma représentant le schéma de la variante de la centrale sujet de cette invention avec un fluide autre que de l’eau. There is a diagram representing the diagram of the variant of the power plant subject of this invention with a fluid other than water.

La pompe (18) permet de faire circuler le fluide en circuit fermé. L’échangeur de chaleur (12) permet de transfert de la chaleur du fluide à pomper au fluide en circulation fermé et permettre au fluide en circulation fermée d’être à la température du fluide à pomper. Le fluide en circulation fermé est réchauffé par le système solaire thermique (13). Ce dernier système (13) permet d’effectuer le changement de phase du liquide en circulation fermée. Le liquide étant maintenant sous forme de gaz, il peut entraîner la turbine (14) pour produire de l’électricité avec un générateur électrique. Le gaz doit être refroidi pour qu’il se retrouve sa forme initiale liquide. C’est l’échangeur de chaleur (15) qui permet d’effectuer le refroidissement.The pump (18) allows the fluid to circulate in a closed circuit. The heat exchanger (12) transfers heat from the fluid to be pumped to the fluid in closed circulation and allows the fluid in closed circulation to be at the temperature of the fluid to be pumped. The closed circulating fluid is heated by the solar thermal system (13). This last system (13) makes it possible to carry out the phase change of the liquid in closed circulation. With the liquid now in gas form, it can drive the turbine (14) to produce electricity with an electric generator. The gas must be cooled so that it returns to its initial liquid form. It is the heat exchanger (15) which allows cooling to be carried out.

Il existe plusieurs type de panneau solaire thermique. Il est proposé une solution avec un cylindre creux en verre qui est décrit dans les paragraphes suivants.There are several types of thermal solar panels. A solution is proposed with a hollow glass cylinder which is described in the following paragraphs.

La est un schéma représentant plusieurs versions de système solaire thermique avec un cylindre creux en verre (20). Un tube métallique (22) dans lequel circule le fluide à réchauffer est positionner en partie centrale du cylindre en verre (20). Le volume compris entre la surface interne du cylindre en verre (20) et la surface externe du tube métallique (22) est rendu en chaque extrémité, étanche. Le volume étant étanche, il est possible de faire du vide par exemple avec une pompe à vide. Le vide est un excellent isolant thermique. Un miroir (21) de forme demi cylindrique est positionné à l’intérieur du cylindre en verre (20). Ce miroir (21) permets de faire réfléchir les rayons du soleil vers le tube métallique (22). Lorsque le fluide à l’intérieur du tube métallique (22) commence à se transformer en vapeur. Le liquide à l’état gaz a une masse volumique nettement supérieure, comme le débit reste constant, la vitesse du fluide augmente considérablement et de ce fait la pression chute. La dépression créée favorise l’accélération de la vaporisation.
Dans le cas de vaporisation très rapide, il peut être nécessaire de prévoir un tube métallique (23) de forme conique.
Dans le cas des périodes de faible ensoleillement, il est possible de prévoir un tube métallique (24) qui ne soit pas cylindrique. La section non cylindrique du tube métallique (24) permets d’emprisonner des volumes de liquide qui peuvent se vaporiser beaucoup plus lentement. Cette section du tube métallique (24) favorise l’écoulement dans un seul sens. There is a diagram representing several versions of a solar thermal system with a hollow glass cylinder (20). A metal tube (22) in which the fluid to be heated circulates is positioned in the central part of the glass cylinder (20). The volume between the internal surface of the glass cylinder (20) and the external surface of the metal tube (22) is made watertight at each end. The volume being sealed, it is possible to create a vacuum, for example with a vacuum pump. Vacuum is an excellent thermal insulator. A mirror (21) of half-cylindrical shape is positioned inside the glass cylinder (20). This mirror (21) allows the sun's rays to be reflected towards the metal tube (22). When the fluid inside the metal tube (22) begins to turn into steam. The liquid in the gas state has a significantly higher density, as the flow rate remains constant, the velocity of the fluid increases considerably and as a result the pressure drops. The depression created promotes the acceleration of vaporization.
In the case of very rapid vaporization, it may be necessary to provide a metal tube (23) of conical shape.
In the case of periods of low sunlight, it is possible to provide a metal tube (24) which is not cylindrical. The non-cylindrical section of the metal tube (24) makes it possible to trap volumes of liquid which can vaporize much more slowly. This section of the metal tube (24) promotes flow in only one direction.

Il existe plusieurs types de turbine à vapeur (6). La turbine de Laval est de conception simple. Une turbine proposée est un mixte entre la turbine de Laval et la turbine de Pelton avec un refroidissement spécifique afin d’optimiser les performances de la turbine.There are several types of steam turbine (6). The Laval turbine is simple in design. A proposed turbine is a mix between the Laval turbine and the Pelton turbine with specific cooling in order to optimize the performance of the turbine.

La est un schéma représentant un injecteur (25) et des aubes (26) d’une turbine Pelton. There is a diagram representing an injector (25) and blades (26) of a Pelton turbine.

La est un schéma représentant la détente de la vapeur. La vapeur est introduit dans l’injecteur (25) en (27). La vapeur ressort de l’injecteur (25) en (28). la vapeur détendue à gagner de la vitesse et permets d’exercer une force sur les aubes (26). There is a diagram representing the expansion of steam. The steam is introduced into the injector (25) at (27). The steam comes out of the injector (25) at (28). the relaxed steam gains speed and allows a force to be exerted on the blades (26).

La est un schéma représentant la position des injecteurs (25) et des aubes (26) sur la turbine (6). Les aubes (26) sont positionnées en périphérie d’un grand disque. Les injecteurs (25) sont positionnés de telle manière que la vapeur détendue (28) arrive tangentiellement au grand disque de la turbine (6) au niveau des aubes (26).
Les injecteurs (25) sont isolés thermiquement, le disque avec les aubes (26) ainsi que le corps de turbine (6) ou (14) sont refroidis par l’intermédiaire de l’échangeur (7). La différence de température étant maximale, la détente de la vapeur (28) est optimale et permets d’améliorer les performances de la turbine vapeur (6). There is a diagram representing the position of the injectors (25) and the blades (26) on the turbine (6). The blades (26) are positioned on the periphery of a large disk. The injectors (25) are positioned in such a way that the expanded steam (28) arrives tangentially to the large disk of the turbine (6) at the level of the blades (26).
The injectors (25) are thermally insulated, the disk with the blades (26) as well as the turbine body (6) or (14) are cooled via the exchanger (7). The temperature difference being maximum, the expansion of the steam (28) is optimal and makes it possible to improve the performance of the steam turbine (6).

En fonction de l’ensoleillement, la pression obtenue dans la cuve (5) est différente. Pour la turbine vapeur (6), il n’est pas nécessaire de mettre en œuvre tous les injecteurs (25) lorsque la pression est faible. Il est possible de gérer les nombre d’injecteurs (25) en fonction de la pression par l’intermédiaire d’un automate, de capteurs et de vannes pilotées. Il est possible de gérer le nombre d’injecteur (25) de façon mécanique.Depending on the amount of sunshine, the pressure obtained in the tank (5) is different. For the steam turbine (6), it is not necessary to use all the injectors (25) when the pressure is low. It is possible to manage the number of injectors (25) according to the pressure via a PLC, sensors and piloted valves. It is possible to manage the number of injectors (25) mechanically.

La est un schéma représentant un système très simple pour gérer le passage de la vapeur en fonction de la pression. Ce système est similaire au système des autocuiseurs utilisées en cuisine. La vapeur en partie basse exerce sur la masse (29) une force de soulèvement. En fonction de la masse (29), celle-ci se soulève ou pas, ce système est une soupape lestée (29) . There is a diagram representing a very simple system for managing the passage of steam as a function of pressure. This system is similar to the pressure cooker system used in cooking. The steam in the lower part exerts a lifting force on the mass (29). Depending on the mass (29), it lifts or not, this system is a weighted valve (29).

La est un schéma représentant le schéma de base de la centrale sujet de cette invention dans une conception de technologie simple.
La pompe (3) aspire l’eau à une température initiale en (1) et est rejetée en fin de processus en (2). L’eau pompée est surchauffée par le système thermique solaire (4), en passant dans le tube métallique (22) ou (23) ou (24), l’eau liquide se transforme partiellement ou totalement en vapeur. Dans la cuve (5), il est récupéré de l’eau liquide épurée. Une soupape (29) limite la pression dans cette cuve (5). La vapeur est injectée dans la turbine vapeur (6). Chaque injecteur (25) de la turbine vapeur (6) est muni de soupape (29) permettant leur mise en œuvre en fonction de la pression. A la sortie de chaque injecteur (25), la vapeur se détend et exerce une force sur les aubes (26) permettant la mise en rotation de la roue de la turbine et crée un couple moteur permettant d’entraîner une génératrice électrique. Pour que la détente soit maximale, le corps de la turbine (6) et la roue de la turbine (6) sont refroidis par l’eau à pomper par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur (7). La circulation de l’eau de refroidissement se fait avec une pompe (30) dont les points d’aspiration et de refoulement sont en (8) et (9). There is a diagram representing the basic diagram of the power plant subject of this invention in a simple technology design.
The pump (3) draws in water at an initial temperature in (1) and is discharged at the end of the process in (2). The pumped water is superheated by the solar thermal system (4), passing through the metal tube (22) or (23) or (24), the liquid water is transformed partially or completely into vapor. In the tank (5), purified liquid water is recovered. A valve (29) limits the pressure in this tank (5). The steam is injected into the steam turbine (6). Each injector (25) of the steam turbine (6) is provided with a valve (29) allowing their implementation depending on the pressure. At the exit of each injector (25), the steam expands and exerts a force on the blades (26) allowing the turbine wheel to rotate and creates a driving torque making it possible to drive an electric generator. For maximum expansion, the turbine body (6) and the turbine wheel (6) are cooled by the water to be pumped via a heat exchanger (7). The circulation of the cooling water is done with a pump (30) whose suction and discharge points are at (8) and (9).

La est un schéma représentant une variante du schéma précédent. Dans le cas ou l’eau à pomper est une rivière, les pompes (3) et (30) peuvent être remplacées par des venturi (31)
 There is a diagram representing a variation of the previous diagram. In the case where the water to be pumped is a river, the pumps (3) and (30) can be replaced by venturis (31)

Claims (7)

Dispositif pour produire de l’énergie à partir de nappe d’eau telle que lac, mer, fleuve, nappe souterraine, etc pompée à une température initiale à l’aide d’une pompe (3) et d'un tuyau d’aspiration (1), surchauffée par le soleil par un système solaire thermique (4) dans une cuve (5) pour être transformée partiellement ou totalement en vapeur en partie haute de la cuve, qui permet l’entraînement d’une turbine (6).Device for producing energy from a body of water such as a lake, sea, river, groundwater, etc. pumped at an initial temperature using a pump (3) and a suction pipe (1), superheated by the sun by a solar thermal system (4) in a tank (5) to be transformed partially or completely into steam in the upper part of the tank, which allows the driving of a turbine (6). Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce que le système solaire thermique comprend un tube métallique (22) ou (23) ou (24) qui est chauffé par le soleil permettant la vaporisation totale ou partielle de l’eau liquide pompée passant dedans, et qui par augmentation de volume dû au changement de phase liquide vapeur, provoque une accélération du fluide et une dépression favorisant la vaporisationDevice according to claim 1, characterized in that the solar thermal system comprises a metal tube (22) or (23) or (24) which is heated by the sun allowing the total or partial vaporization of the pumped liquid water passing through it, and which by increase in volume due to the change of liquid-vapor phase, causes an acceleration of the fluid and a depression favoring vaporization Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube métallique est un cylindre creux (22) ou est un cylindre creux conique (23) ou est une forme de révolution (24) favorisant l’emprisonnement de fluide et favorisant l’écoulent dans un seul sens.Device according to claim 2, characterized in that the metal tube is a hollow cylinder (22) or is a conical hollow cylinder (23) or is a shape of revolution (24) favoring the imprisonment of fluid and favoring the flow in only one meaning. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine vapeur (6) est une turbine Pelton dont les injecteurs vapeur (25) fonctionnent par détente (28), permettant une accélération du fluide.Device according to claim 1, characterized in that the steam turbine (6) is a Pelton turbine whose steam injectors (25) operate by expansion (28), allowing acceleration of the fluid. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur (7) configuré pour maintenir le corps et la roue de la turbine à la température initiale du liquide à pomper, les injecteurs étant isolés thermiquement du corps de la turbine (6) et de la roue de la turbine (6) comportant les aubes (26) afin de favoriser la détente (28) de la vapeur.Device according to claim 4, characterized in that it comprises a heat exchanger (7) configured to maintain the body and the wheel of the turbine at the initial temperature of the liquid to be pumped, the injectors being thermally isolated from the body of the turbine (6) and the turbine wheel (6) comprising the blades (26) in order to promote the expansion (28) of the steam. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pilotage du nombre d’injecteurs (25) mis en service dépend de la pression de la vapeur.Device according to claim 4, characterized in that the control of the number of injectors (25) put into service depends on the steam pressure. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque injecteur (25) de la turbine vapeur (6) est muni de soupape lestée (29) permettant sa mise en œuvre en fonction de la pression.
Device according to claim 6, characterized in that each injector (25) of the steam turbine (6) is provided with a weighted valve (29) allowing its implementation as a function of pressure.
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