FR3075331A1 - Concentrateur d'energie solaire - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un concentrateur d'énergie solaire comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire constitué par une fibre optique caractérisé en ce que l'entrée de la fibre optique est constitué par une zone non étirée (3) de la préforme et l'extrémité de sortie est introduite dans un module de conversion énergétique.

Description

(54) CONCENTRATEUR D'ENERGIE SOLAIRE.
(57) La présente invention concerne un concentrateur d’énergie solaire comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire constitué par une fibre optique caractérisé en ce que l'entrée de la fibre optique est constitué par une zone non étirée (3) de la préforme et l'extrémité de sortie est introduite dans un module de conversion énergétique.
FR 3 075 331 - A1
Figure FR3075331A1_D0001
Figure FR3075331A1_D0002
La présente invention concerne le domaine de la production d'énergie renouvelable d'origine solaire, à partir d'une centrale solaire concentrant l'énergie solaire sur un
CONCENTRATEUR D'ENERGIE SOLAIRE
Domaine de 1'invention collecteur thermique.
centrales solaires à concentrateurs solaires
Les présente une solaire plus interceptent le concentre surface par petite que le rayonnement flux laquelle il la surface solaire. Un récupère être de
11 énergie à 1500 récupère 1'énergie par laquelle ils dispositif optique solaire sur le collecteur thermique, qui solaire. Le facteur de concentration peut fois l'intensité solaire. Le collecteur peut thermique corps absorbeur être une
Une dans lequel méthode de cellule solaire photovoltaïque circule un caloporteur. transport de utilisée plus récemment ou développée et l'utilisation de guides optiques.
Le type de guide optique dernière
11 énergie qui a dans
11 histoire le été est est probablement la fibre optique. Cette de silice, de verre ou de polymère, d'indice de réfraction nc et d'une
Elle est plus connu peut être faite faite d 1 un cœur gaine ayant un indice de réfraction ng moindre que celui du cœur. Le rayonnement qu'elle transporte se propage dans le coeur par réflexion totale interne.
Selon un autre aspect de l'invention, le convertisseur d'énergie utilise le principe de la dissociation de la molécule d'eau en hydrogène et oxygène sous l'effet d'une énergie lumineuse de forte intensité.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique le brevet américain US 4201197 décrivant un concentrateur à miroir parabolique recueillant de 11 énergie solaire rayonnante et le reflète dans un petit miroir placé sur la direction du grand miroir. Un câble à fibre optique présente une extrémité positionnée à l'intérieur d'une ouverture dans le sommet du grand miroir, et l'énergie lumineuse est dirigée vers les extrémités des fibres dans le câble fibre optique. Pour éviter la formation de points chauds destructeurs par la focalisation de rayons inclinés par rapport à la direction des fibres, les fibres proches de 1'extrémité recevant 1'énergie rayonnante sont collectées en groupes et un revêtement opaque et réfléchissant entoure chacun des groupes.
La demande de brevet internationale WO 2015036809 décrit une autre solution de l'art antérieur de récupération d'énergie solaire par des fibres optiques polymérisées ou des fibres de verre enlacées de manière hélicoïdale avec des bandes ou des patchs de cellules solaires organiques pour récupérer 1'énergie électrique à partir de concentrateurs de lumière solaire à partir de la diffraction au niveau du périmètre du guide lumineux.
Concernant le deuxième aspect de l'invention, on connaît dans l'état de la technique le brevet français
FR2902416 décrivant un réacteur avec gradient thermique contrôlé pour la production d'hydrogène pur. Ce brevet concerne une approche holistique de la dissociation thermique de l'eau et de la séparation de l'hydrogène, où un profil de température est réalisé par le choix d'une géométrie spécifique, par le dimensionnement du dispositif, et par le positionnement de ses composants. La ou les sources de chaleur sont placées dans 1'eau à 1'intérieur d'une chambre de réaction, avec suffisamment de puissance pour chauffer l'eau dans leur proximité jusqu'à des températures où celle-ci se dissocie. Les parois de la chambre de réaction sont refroidies. Des membranes sélectives à l'oxygène sont placées près des sources de chaleur. Elles sont employées pour extraire l'oxygène et elles servent d'écran pour protéger les autres composants du rayonnement thermique direct venant des sources de chaleur. Des membranes sélectives à l'hydrogène sont placées dans les zones plus froides près des parois de la chambre de réaction.
Le brevet européen EP1019316 décrit une autre solution de production d'hydrogène par décomposition thermique de l'eau.
Ce procédé de l'art antérieur consiste à chauffer l'eau jusqu'à une température de dissociation de manière à obtenir un mélange réactionnel dissocié comprenant de l'hydrogène et de l'oxygène à l'état gazeux. On crée dans le mélange réactionnel un tourbillon afin de soumettre ce mélange à une force centrifuge sur 1'axe longitudinal interne d ' un réacteur à tube vortex de telle sorte que se produise une stratification radiale des gaz d'hydrogène et d'oxygène dans l'espace interne dudit tube. L'hydrogène et l'oxygène doivent de préférence être extraits du mélange réactionnel en des points espacés le long de 1'espace interne du réacteur à tube vortex.
Inconvénients de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur concernant le
transport de l'énergie solaire par des fibres optiques ne sont
pas totalement satisfaisantes car elles nécessitent un
traitement complexe de chacune des fibres afin de permettre un
recueil optimal de l'énergie solaire sans dégradation de la
fibre.
Les solutions de l'art antérieur concernant la
conversion de l'énergie pour la production d'hydrogène et
d'oxygène ne sont pas non plus satisfaisantes car elles nécessitent des équipements complexes et de faible rendement.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne en premier lien un concentrateur d'énergie solaire comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire constitué par une fibre optique caractérisé en ce que l'entrée de la fibre optique est constitué par une zone non étirée de la préforme et l'extrémité de sortie est introduite dans un module de conversion énergétique.
Selon un mode de réalisation avantageux, ledit module de conversion énergétique est constitué par un réacteur en graphite présentant une cavité reliée à un moyen de mise sous vide, ledit module comprenant une buse de micronisation d'eau à l'intérieur de ladite cavité, dans une zone recevant l'énergie lumineuse transmise, le réacteur de graphite présentant une sortie débouchant sur un vortex pour séparer l'oxygène et l'hydrogène.
Selon une variante particulière, l'extrémité de sortie d'une fibre optique de collecte d'énergie solaire est engagée dans ladite cavité.
Avantageusement, ladite buse de micronisation est disposée en face de l'extrémité de sortie de ladite fibre optique, de manière coaxiale.
Selon une variante, le réacteur définit une cavité absorbante sous vide avec un conduit relié à une source de dépression et présentant une fenêtre.
Avantageusement, ledit réacteur présente une sortie air chaud.
Selon une variante, ledit réacteur un injecteur d'eau pour la brumisation d'un très fin brouillard d'eau qui sera soumis à une température résultant de l'interaction avec le faisceau d'énergie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et 0.
Selon une autre variante, ledit réacteur présentant un séparateur pour dissocier l'eau brumisée par thermolyse et produire un jet de molécules de masses différentes séparé par l'intermédiaire d'un dispositif de type vortex cyclonique générant deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène.
Avantageusement, un brûleur permet de générer une flamme permettant de faire fonctionner notre système en l'absence de soleil, la nuit ou par ciel couvert, à partir de la production d'hydrogène préalablement stocké.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de
1'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 oû :
- la figure 1 représente une vue schématique d'une fibre
- la figure 2 représente une vue schématique du convertisseur énergétique.
Description du transport énergétique entre le collecteur d'énergie et le convertisseur énergétique
Le transport de l'énergie solaire concentrée par l'héliostat entre le collecteur d'énergie et le convertisseur énergétique est réalisé par une fibre optique ou par un faisceau de fibres optiques.
La fibre optique présente une ouverture numérique qui permet l'injection de tout le rayonnement solaire envoyé par le concentrateur. L'ouverture numérique est de préférence supérieure à 0,42. La fibre optique doit également transmettre le plus efficacement possible le spectre solaire, c'est-à-dire avec un minimum d'absorption. La tolérance de la fibre est d'au moins 500 °C notamment lorsque le rayonnement solaire injecté est fortement concentré et lorsque la fibre absorbe
Figure FR3075331A1_D0003
une certaine créant spectre solaire, sa première section, résistance
Figure FR3075331A1_D0004
Figure FR3075331A1_D0005
échauffement du guide dans
De plus, la son couplage avec mesures particulières
Figure FR3075331A1_D0006
moins
Figure FR3075331A1_D0007
Figure FR3075331A1_D0008
Figure FR3075331A1_D0009
'accumulateur thermique
Figure FR3075331A1_D0010
Figure FR3075331A1_D0011
que le convertisseur énergétique ne transmette trop de chaleur au guide, créant sa surchauffe dans sa section près du convertisseur. La flexibilité ou maniabilité du guide est également un avantage à considérer afin de donner plus d'aisance quant à son installation sur la matrice de concentrateur. Les contraintes sont souvent au niveau du rayon de courbure minimum du guide à respecter.
De préférence, la fibre ou le faisceau de fibre est à base de silice en raison de sa transmission du spectre solaire qui peut être excellente ainsi que de sa résistance à la chaleur. En effet, après intégration suivant le spectre solaire. L'absorption de telles fibres de silice est faible, de l'ordre de 0,014dB/m à 0,348dB/m.
Cela revient à dire que de 92,3 % à
99,7 % du spectre solaire injecté dans une portion de fibre d'un mètre de long sera transmis, sans tenir compte des pertes par réflexion en bout de fibre
Une limitation est au niveau de la focale maximale que peut avoir un concentrateur concerne le diamètre des fibres de silice sur le marché qui ne dépasse pas 1,5 mm au niveau du cœur. En effet, plus la focale est élevée, plus le point focal est grand. La grandeur théorique du point focal donné par le soleil est de 0,01 fois la focale du concentrateur.
En considérant un concentrateur parfait, si on veut injecter toute l'énergie solaire collectée par ce
dernier dans une fibre de silice de 1,5mm, la focale ne peut
être de plus de 150mm.
Afin d'améliorer ce paramètre, le transport est
assuré par une ou plusieurs fibres formée par étirage d ' un
barreau de verre dont on conserve l'amorce.
La fibre monomode est formée par étirage d ' un
barreau présentant un diamètre initial de 100 millimètres et d'une longueur de quelques dizaines de centimètres.
La première étape consiste en l'assemblage d'un tube et d'une barre de silice cylindrique montés concentriquement. On chauffe le tout pour assurer l'homogénéité du barreau de verre.
Le barreau ainsi obtenu sera installé verticalement dans une tour et chauffé par des rampes à gaz. Le verre va s'étirer et couler vers le bas pour être enroulé sur une bobine. On mesure l'épaisseur de la fibre pour asservir la vitesse du moteur de l'enrouleur, afin d'assurer un diamètre constant.
Lorsque la longueur désirée est obtenue, on conserve la zone d'étirage où le barreau est prolongé par la partie effilée ( 1 ), et on coupe le barreau pour conserver un talon (2) d'une longueur de quelques millimètres, dont on polit l'extrémité selon un plan de coupe transversal (3).
Pour une surface de collecte étendue, on associe plusieurs fibres ainsi réalisées pour former un faisceau dont la zone de collecte est constituée par la juxtaposition des extrémités frontales (3).
Description du convertisseur énergétique
Selon un aspect non limitatif de l'invention, la conversion de l'énergie solaire est assurée par un principe de photolyse, par la décomposition de l'eau, éventuellement en présence d'un catalyseur, sous l'action de la lumière, avec production de H2 et de 02, ou d'autres molécules comme H2O2, dans un réacteur formé par un corps de graphite (10) présentant une cavité (11) sous vide partiel.
Ce réacteur est destiné à permettre une dissociation chimique de l'eau par la chaleur, c'est-à-dire une rupture des molécules approchant 100% d'efficacité à 2.500 C, ou à des températures moindre en présence d'un catalyseur. Il s’ agit donc d’ une réaction chimique endothermique, donnant 2 H2O 2 H2 + 02, et Δ H ° = 286 kJ/mole. La séparation moléculaire pourrait s'effectuer soit par vortex cyclonique, les molécules étant éjectés à vitesse supersonique, soit par filtration membranaire, soit thermochimique.
En préparant du dihydrogène par photodissociation de l'eau par irradiation, en particulier par irradiation à partir de rayonnement solaire, il est possible de transformer de l'énergie lumineuse, en particulier de l'énergie la forme de dihydrogène chimique sous la être transportée en énergie alors être r
chimique sous stocké. Cette stocké peut dihydrogène utilisée ultérieurement.
énergie alors solaire, qui peut forme de ou être
Le réacteur (10) est carbone/graphite et dendrites réalisé en graphite de tungstène, une ou en forme cristalline absorbant 98% du rayonnement IR et à un point de fusion supérieur à 3.400 °C.
L'agglomération des dendrites de tungstène sur le carbone/graphite est réalisé, en couche mince et sous haute température, pour former un carbure particulièrement résistant. Le réacteur (10) présente une configuration formée de micro cavités réalisées lors du moulage.
La cavité absorbante (11) est une enceinte sous vide pour limiter les pertes limiter le coût des isolants réacteur présente un conduit
par diffusion dans l'air et
thermiques. A cet effet, le
(15) relié à une source de
Une fenêtre (12), dépression, par exemple une pompe à vide.
par exemple en quartz, ferme cette enceinte sous vide à très haute température. Celle-ci est avantageusement recouverte d'un revêtement anti réflexion dans le spectre adéquat pour éviter plus de 30% de pertes optiques/thermiques. L'isolation thermique générale peut être obtenue, par exemple, avec des aérogels, de la perlite expansée (d'un type bien spécifique), ou encore certaines formes de carbone/graphites aux excellentes propriétés isolantes et d'un faible coût puisque s'agissant de matériaux abondants et recyclés.
L'énergie solaire venant directement du concentrateur ou par l'intermédiaire d'une fibre (13) est transmise, selon une direction axiale, à travers la fenêtre (12).
Optionnellement, un absorbeur (14) est disposé dans la cavité (11).
Le réacteur présente par ailleurs différents raccordements :
1°) un sortie air chaud (16) ajustable en température pour le chauffage, la cuisson, et toutes opérations de métallurgie ou chimie industrielle.
2°) un injecteur d'eau (17) pour la brumisation d'un très fin brouillard d'eau qui sera soumis à une température de 2.500°C résultant de l'interaction avec le faisceau d'énergie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et O.
3°) un séparateur (17) : L'eau dissociée par thermolyse produit un jet de molécules de masses différentes séparé par l'intermédiaire d'un dispositif de type vortex cyclonique générant deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène.
4°) un brûleur HHO (18) permettant de générer une flamme à environ 2.400°C permettant de faire fonctionner notre système en l'absence de soleil, la nuit ou par ciel couvert, à partir de la production d'hydrogène préalablement stocké.
Le dispositif absorbeur est modulable, permettant ainsi l'utilisation de chaleur extérieure lorsque par exemple le réservoir HHO se trouve être vide.
Les ions hydrogène peuvent être séparés des ions 5 oxygène à l'aide d'un vortex de Ranque-Hilsch et d'un champ électrostatique.

Claims (9)

  1. Revendications
    1 - Concentrateur d'énergie solaire comportant un moyen de collecte de l'énergie solaire constitué par une fibre optique caractérisé en ce que l'entrée de la fibre optique est constitué p^.r une zone non étirée ( 3 ) de la préforme de ladite fibre et l'extrémité de sortie est introduite dans un module de conversion énergétique.
  2. 2 - Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit module de conversion énergétique est constitué par un réacteur (10) en graphite présentant une cavité (11) reliée à un moyen de mise sous vide, ledit module comprenant une buse (17) de micronisation d'eau à l'intérieur de ladite cavité (11), dans une zone recevant l'énergie lumineuse transmise, le réacteur (10) de graphite présentant une sortie (18) débouchant sur un vortex pour séparer l'oxygène et l'hydrogène.
  3. 3 - Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'extrémité de sortie d'une fibre optique de collecte d'énergie solaire est engagée dans ladite cavité (11).
  4. 4 — Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite buse (18) de micronisation est disposée en face de l'extrémité de sortie de ladite fibre optique, de manière coaxiale.
  5. 5 — Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que le réacteur (10) définit une cavité absorbante (11) sous vide avec un conduit (15) relié à une source de dépression et présentant une fenêtre (12).
  6. 6 — Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit réacteur (10) présente une sortie air chaud (16).
  7. 7 — Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit réacteur (10) comporte un injecteur d'eau (17) pour la brumisation d'un très fin brouillard d'eau qui sera soumis à une température élevée résultant de l'interaction avec le faisceau d'énergie lumineuse, provoquant sa dissociation chimique spontanée en ses deux éléments, H2 et 0.
  8. 8 — Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit réacteur (10) présentant un séparateur (17) pour dissocier l'eau brumisée par thermolyse et produire un jet de molécules de masses différentes séparé par l'intermédiaire d'un dispositif de type vortex cyclonique générant deux flux distincts d'hydrogène et d'oxygène.
  9. 9 — Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte un brûleur (18) générant une flamme permettant de faire fonctionner le système en l'absence de soleil, la nuit ou par ciel couvert, à partir de la production d'hydrogène préalablement stocké.
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