Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

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Ainsi, la géométrie anti-émissive de la cavité (6) doit être capable de confiner à la fois les rayons injectés et le rayonnement thermique résultant de l’échauffement des parois (9,10).

Pour cela, tel qu’illustré aux figures 11A et 11H, la présente invention préconise l’utilisation :
- de deux miroirs paraboliques (9,10) de distance focale différente,
- de confondre les foyers F de ces 2 miroirs de manière à créer une cavité afocale (6) dont les deux variantes sont :
o cavité biconcave (présentée à la figure 11A)
o cavité convexe/concave (figure 11H),
- de préférence, d’aligner les axes optiques des 2 miroirs (9,10) ainsi positionnés.
Tel qu’illustré à la figure 11B pour une cavité (6) biconcave, des petits miroirs (17A,17B) optimisant le confinement ou simplifiant la construction de la cavité peuvent parfaire cette géométrie afocale anti-émissive.
Tel qu’illustré aux figures 11C et 11I, tout rayon (R) incident et parallèle aux axes alignés des miroirs paraboliques (9,10) à foyers confondus se voit alors imposer un trajet géométrique infini, et donc un nombre de réflexions infini. C’est le caractère afocal de la cavité (6) qui permet ce phénomène fondamental pour la présente invention.
Tel qu’illustré aux figures 11D et 11L, un faisceau parallèle (FP) est piégé sur l’axe des miroirs paraboliques, comme s’il était géométriquement attracteur.
Il s’agit là d’un piégeage progressif et irrémédiable obtenu par réflexions successives sur les parois des miroirs. Ce phénomène ne fonctionne que si les distances focales des deux miroirs sont différentes, le premier impact devant se faire préférentiellement sur le miroir de plus grande distance focale (9).
Tel qu’illustré aux figures 11E et 11F pour les géométries biconcaves, et 11J et 11K pour les géométries de type concave/convexe, le piégeage reste de très bonne qualité pour des rayons (R) légèrement inclinés par rapport à l’axe des miroirs, imposant des dizaines de réflexions avant d’offrir une possibilité géométrique de sortie de la cavité (6). L’enveloppe des rayons dans le cas de la cavité biconcave est sensiblement parabolique et l’orientation de cette courbe caustique parabolique s’inverse au moment où l’incidence est parallèle à l’axe des miroirs (9,10).

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Principe schématique d'une centrale solaire optimisée à PHRSD: bâtiment lentement rotatif évitant tout phénomène d'ombre en incidence rasante du soleil.
Le bâtiment peut intégrer de nombreuses fonctionnailités, notamment le stockage thermique, des turbines... Une telle structure offre une prise au vent plus facile à contenir que si les PHRSD étaient montés sur des mâts.

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Tel qu’illustré aux figures 11F et 11M, la combinaison d’un couloir (7) à section croissante (dans le sens d’injection des rayons) et d’une cavité afocale (6) rend parfait le confinement géométrique des rayons (R) quelle que soit l’incidence initiale de ceux-ci à l’entrée de l’enceinte de confinement de l’énergie (ECE), constituée par le couloir (7), la cavité afocale (6) et les miroirs isolantes (11A,11B,11C) ainsi que les isolants thermiques (12A,12B,12C).
Les figures 11N à 11Q illustrent la robustesse du confinement même dans le cas d’une cavité (6) à la géométrie imparfaite :
- dans le cas d’un désalignement des axes des 2 miroirs (9,10) pour les figures 11N et 11O,
- dans le cas d’un désalignement et de foyers F non confondus pour les figures 11P et 11Q.
Le caractère confondu des foyers F demeure important pour garantir le caractère afocal et donc le confinement. Néanmoins, une tolérance de l’ordre du vingtième de la distance focale ne compromet pas significativement la qualité du confinement.
Les figures 12A à 12D illustrent un dispositif (1), formant dans l'application illustrée un piège hyperthermique du rayonnement solaire direct à fluide caloporteur. Son but est de produire de l’énergie électrique. Tel qu’illustré à la figure 12A en vue éclatée et schématique, et 12D, en vue assemblée et schématique , le piège (1) s’articule autour :
- de 2 organes optiques impactés successivement par les rayons solaires : le miroir (5) sensiblement parabolique et l’enceinte de confinement de l’énergie (ECE) dont l’entrée (8) est placée exactement au foyer (13) du miroir (5),
- de 3 dispositifs de conversion successifs :
o les parois (9,10) de la cavité anti-émissive et/ou les paroi (16A,16B) du couloir anti-retour,
o une machine thermodynamique (32), équipée de ses échangeurs thermiques (24,25), et,
o une génératrice électrique (non représentée),
- de 2 organes de réglages (non représentés) :
o un système de suivi et d’orientation de la parabole face au soleil, et,
o un système de modulation de la puissance de la machine thermodynamique,

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Prise au soleil optimal de la centrale optimisée sur socle rotatif

Centrale plus classique mais non optimisée, de type "champ solaire"

[Pierre-Yves]

img14

oui, mais il n'y a pas de lien !! Je vais aller voir sur ton site.

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Les parois (9,10,16A,16B) de l’enceinte (ECE) imposent, aussi bien aux rayons captés que ré-émis par le rayonnement thermique, des dizaines de réflexions absorbantes avant d’avoir la possibilité géométrique de sortir. Typiquement, ces parois peuvent être réalisées en acier ou en matériaux réfractaires lisses. Tel qu’illustré à la figure 13B, la machine thermodynamique (32) peut être montée au contact de la cavité (6) pour en extraire la chaleur afin de produire du travail mécanique avec la source froide constituée par l’atmosphère ou le sol extérieur, selon un cycle moteur thermodynamique de Brayton-Joule, vapeur, Stirling…
Comme l’illustre la figure 13A, la machine thermodynamique (32) peut aussi être montée sur le sol (20) à condition de lui amener la chaleur recueillie dans l’enceinte (ECE) par un fluide circulant dans des tuyaux (27) calorifugés avec grand soin.

Le rendement de cette machine thermodynamique est le produit d’un rendement mécanique, supposé de 90%, et d’un rendement thermodynamique. Ce rendement thermodynamique dépend lui même d’un produit :
- le rendement théorique de Carnot : 75% en supposant 1200 K pour la source chaude et 300 K pour la source froide.
- un coefficient d’irréversibilité supposé de 0.85 modélisant les pertes et imperfections de réalisation du cycle thermodynamique.

La machine thermodynamique (32), a dans ces hypothèses, 57.37% de rendement.

La génératrice électrique est couplée à un organe mécanique de la machine thermodynamique porteur de la puissance mécanique et la convertit en puissance électrique avec un rendement de 95% pour les génératrices de très bonne qualité.
Des simulations numériques montrent que le rendement de la cavité anti-émissive se maintient à plus de 90% à 1200 Kelvin. Le rendement global « solaire direct à électrique » du dispositif 1 est ainsi égal à :

0.9 x 0.9 x 0.5737 x 0.95 = 44%
réflexion| cavité| machine| génératrice
miroir| anti-émissive| thermo| électrique

Ce rendement est 4 fois supérieur au photovoltaïque et meilleur que celui des dispositifs actuels à concentration solaire parabolique ou cylindro-parabolique.

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Animation montrant le piégeage progressif et géométriquement irrémédiable d'un rayon parallèle à l'axe de la cavité afocale de type concave/concave

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En effet, les réalisations actuelles (Dish Stirling ou tour solaire multi-miroirs) fonctionnent à environ 700 K, et perdent un minimum de 20 % de l’énergie collectée, à cause de la réflexion sur leur absorbeur et de leur rayonnement thermique, ce qui leur donne dans les mêmes conditions un rendement nettement inférieur :

0.9 x 0.8 x 0.4371 x 0.95 = 30%
réflexion| absorbeur| machine| génératrice
miroir| réflexif et| thermo| électrique|
rayonnant

Le gain du piège hyperthermique (1) représente la moitié de la performance des technologies actuelles de concentration solaire.
Avec des améliorations sur le miroir (95% de réflexion avec de l’aluminium soigneusement poli ou des alliages argentés), sur les matériaux supportant 2000 K (céramiques, matériaux réfractaires…), et sur la mécanique (95% avec des mouvements guidés par roulements soignés) et la thermodynamique (irréversibilités 90%), le rendement deviendra :

0.95 x 0.9 x 0.7267 x 0.95 = 59%
réflexion| cavité| machine| génératrice
miroir| anti-émissive| thermo | électrique

Ce rendement deux fois meilleur que celui de « l’art actuel » est réalisé principalement grâce à la hausse de la température chaude (optimisant le rendement thermodynamique) et la quasi-suppression du rayonnement et de la conduction thermique de l’absorbeur (qui à ces températures perdrait plus d’énergie qu’il n’en capterait). Aussi, ce rendement est inaccessible aux systèmes de concentration actuels, même optimisés.

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Ici une version "thermolyse directe" à four hyperthermique bifoyer



La rotation se fait au sol en montant sur des roulettes le socle
http://video.google.fr/videoplay?docid= ... 4792&hl=fr

Le suivi du soleil se fait simultanément sur un axe horizontal, éventiellement actionné par un vérin.
http://video.google.fr/videoplay?docid= ... 2799&hl=fr

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L’enceinte de confinement de l’énergie (ECE) est la pierre angulaire du piège solaire hyperthermique : sa structure isolante (11A,11B,11C,12A,12B,12C) et la géométrie spéciale de ses parois (9,10,16A,16B) assurent ensemble une température chaude de plusieurs milliers de Kelvin grâce à la quasi-suppression des fuites par conduction et rayonnement thermique et une quasi impossibilité géométrique de sortie pour les rayons collectés par le miroir (5).
Tel qu’illustré aux figures 14A et 14B, le piège solaire hyperthermique (1) est un concept flexible et adaptable à de nombreux usages :
- fig. 14A : four solaire de bonnes dimensions,
- fig. 14B : panneaux photovoltaïques (33) sur l’envers du miroir (5) avec cinématique basculante (21B) montée sur pivot (21A) et roulettes (35A,35B,35C,35D) pour capter le rayonnement diffus, même en conditions nuageuses.
La figure (14A) présente un piège solaire hyperthermique (1) à deux cavités afocales (6A,6B) placées à l’arrière du miroir collecteur (5) et dotées chacune d’un couloir anti-retour (7A,7B). Les rayons solaires (4) convergent vers un miroir de renvoi (17) placé sensiblement au foyer image principal (14) du miroir (5). Ce miroir (17) guide les rayons vers le centre du miroir (5) qui est percé de manière à constituer l’entrée (8) de l’enceinte de confinement de l’énergie (ECE). L’entrée est équipée optionnellement d’un vitrage (38) dont la courbure permet de redresser légèrement les rayons. Ceux-ci vont alors se réfléchir sur les miroirs de renvoi (17A,17B) pour ensuite traverser les couloirs anti-retour (7A,7B) avant d’effectuer des dizaines de réflexions absorbantes dans la cavité afocale (6A) ou (6B). Lorsque la température des cavités est suffisamment chaude, ou bien que le flux solaire est insuffisant, un clapet (26) ferme complètement l’enceinte (ECE). Des objets ou fluides peuvent y être introduits par une trappe ou des tubulures non représentées.
Enfin, tel qu’illustré aux figures 15A,15B,15C et 15D, le piège solaire hyperthermique (1) est facilement implantable dans des installations industrielles. La juxtaposition de centaines de pièges à miroir parabolique ou extrudé est possible (fig. 15D). Que le soleil soit au lever, au coucher (fig. 15C) ou au zénith (fig. 15B), l’utilisation de rehausseur (36) permet de capter en permanence une surface solaire maximale. Plusieurs constructions sont possibles, notamment un « bâtiment escalier » (fig. 15A) monté sur un socle rotatif (37). Le bâtiment pourrait accueillir tous les corps de stockage thermique ou des turbines à vapeur. Les possibilités sont très variées et technologiquement accessibles.