WO2014080130A1 - Groupe de conversion d'une energie thermique en une energie hydraulique - Google Patents

Groupe de conversion d'une energie thermique en une energie hydraulique Download PDF

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WO2014080130A1
WO2014080130A1 PCT/FR2013/052814 FR2013052814W WO2014080130A1 WO 2014080130 A1 WO2014080130 A1 WO 2014080130A1 FR 2013052814 W FR2013052814 W FR 2013052814W WO 2014080130 A1 WO2014080130 A1 WO 2014080130A1
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Olivier JOURNEAUX
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present invention relates to a group for converting a thermal energy into a hydraulic energy particularly suitable for a solar thermal power plant of the type comprising a plurality of heliostats which concentrate the solar rays on tubes where a heat transfer fluid circulates, a unit of desalination comprising one or more reverse osmosis units, or an electricity cogeneration device in particular.
  • thermal solar power plants that are an alternative to power plants operating from fossil fuels such as oil or coal for example.
  • the four main types of plants are parabolic trough plants, tower plants, parabolic trough plants and Fresnel solar mirrors.
  • the cylindro-parabolic collector plants consist of parallel rows of long cylindro-parabolic mirrors that rotate around a horizontal axis to follow the course of the sun.
  • the sun's rays are concentrated on a horizontal receiver tube, in which circulates a coolant whose temperature generally reaches 400 ° C. This fluid is then pumped through exchangers to produce superheated steam that drives a turbine or electric generator.
  • these plants require the use of molten salts to store energy in order to regulate the daily production and maintain it during the non-operation of the plant. to say during the night in particular. But these molten salts are particularly toxic and pose a significant risk to the environment in case of leakage.
  • Tower solar power plants consist of numerous mirrors concentrating the sun's rays towards a boiler located at the top of a tower.
  • the uniformly distributed mirrors are called heliostats.
  • Each heliostat is steerable, and follows the sun individually and reflects it precisely in the direction of the receiver at the top of the solar tower.
  • the concentration factor can exceed 1000, which makes it possible to reach high temperatures, from 600 ° C to 1000 ° C.
  • the energy concentrated on the receiver is then either directly transferred to a thermodynamic fluid to generate steam driving a turbine or to heat air supplying a gas turbine, or used to heat an intermediate heat transfer fluid. This heat transfer fluid is then sent to a boiler and the steam generated drives turbines. In all cases, the turbines drive alternators producing electricity.
  • parabolic power plants In parabolic power plants, the latter operate autonomously. They automatically orient themselves and follow the sun on two axes in order to reflect and concentrate the sun's rays towards a point of convergence called focus usually consisting in a closed chamber containing gas which is raised in temperature under the effect of the concentration. . This drives a Stirling engine that converts solar thermal energy into mechanical energy and then electricity.
  • concentration ratio of this system is often greater than 2000 and the receiver can reach a temperature of 1000 ° C.
  • the least expensive solar power plants consist of Fresnel solar power plants. Indeed, the latter are similar to cylindro-parabolic collector plants with the exception that the cylindro-parabolic collectors, which are expensive to manufacture, are replaced by a succession of flat mirrors which approximates the parabolic form of the collector. Each of the mirrors can rotate following the race from the sun to constantly redirect and focus the sun's rays towards a tube or set of fixed linear receiver tubes. While circulating in this horizontal receiver, the thermodynamic fluid can be vaporized and then superheated up to 500 ° C. The steam then produced drives a turbine that produces electricity. The thermodynamic cycle is usually direct, which avoids heat exchangers.
  • This type of plant although less expensive than other plants, has the disadvantage of requiring the use of molten salts to store energy in order to regulate the daily production and maintain during non-operation of the plant.
  • the document US Pat. No. 5,899,071 describes a system for converting solar energy into mechanical or electrical energy, comprising a control device that varies the speed of a cooling fan and the fan of the cooling fluid pump according to the the amount of available solar energy, the ambient temperature around the system, and other operating conditions.
  • the means convert heat energy provided by the solar collection field at mechanical energy concentration according to a thermodynamic cycle called Ericsson. More specifically, the heat is transmitted to a working fluid which feeds a heat engine operating according to a thermodynamic cycle called Ericsson, said engine having a single piston.
  • the document US 2009/0133689 discloses an elementary solar module comprising a frame adapted to rest directly or indirectly on a ground, solar radiation processing means mounted movably on the frame by a pivot connection, an axis of rotation of the link pivot substantially passing through a center of gravity of the processing means. It is specified that the means of conversion of thermal energy provided by the solar energy concentration collection field may consist of an Ericsson type motor. Such an Ericsson engine is of the type comprising a single piston.
  • US 3,991,574 discloses a fluid pressure power plant that converts externally generated heat energy into hydraulic pressure.
  • the system generates thermal energy in the form of steam or hot gases, provides thermal energy to a double-acting intensifying piston, which converts thermal energy into high pressure which is stored in an accumulator.
  • Said high pressure hydraulic energy thus stored in the accumulator is used to drive hydraulic motors or turbines through the hydraulic output control valves.
  • the device is comprised of a plurality of dual effect intensifier pistons mounted in series.
  • US 4,617,801 discloses an engine comprising a pair of power cylinders, each of these power cylinders defining a closed interior space, each cylinder having an upper end and a lower end, a piston slidably mounted in space the interior of each cylinder, the piston dividing the interior space of each cylinder into an upper portion and a lower portion, a piston rod connected to each piston and extending through the upper end of each cylinder.
  • a fluid substantially filling the upper portions of the two cylinders and means for allowing the fluid to flow between the upper cylinder portions, a heat transfer loop for a working fluid comprising an evaporator, a condenser and the lower portions of each of the two power cylinders.
  • the motor also comprises control means able to control the flow of working fluids through the heat transfer loop and through the lower portion of each of the cylinders, these control means operating so as to alternately connect the lower portion of one of the cylinders with ⁇ evaporator and with the condenser, and the lower portion of the other cylinder with the condenser and with the evaporator, so that a piston movement whose phase is shifted by 180 ° is caused, and means for converting the movement of both types of piston into usable work.
  • One of the aims of the invention is thus to overcome these disadvantages by proposing a conversion group of thermal energy into hydraulic energy with good performance and can find many applications including a solar thermal power plant, a system desalination or a cogenerator electricity for example.
  • a conversion group of a thermal energy into a remarkable hydraulic energy in that it comprises at least two pistons integral with a single piston rod and defining four chambers in a cylindrical body, two so-called distal chambers and two proximal chambers, and two double-flow heat exchangers respectively connected to the two distal chambers, the two proximal chambers being connected to a fluid intake pipe and respectively to a exhausting said fluid, so that it converts thermal energy into hydraulic energy following a thermodynamic cycle comprising two isobars, a quasi-isothermal or adiabatic compression and an adiabatic or quasi-isothermal expansion.
  • each piston comprises thermal insulation means and has a substantially hollow hemispherical shape.
  • the conversion unit comprises a control unit controlling valves mounted on four lines connecting the two proximal chambers to the fluid inlet and fluid exhaust pipes and respectively on four lines connecting the two heat exchangers to the distal chambers.
  • the conversion unit comprises at least one position sensor capable of determining the position of the pistons in the chambers, said position sensor being connected to the control unit.
  • Another subject of the invention relates to a solar thermal power plant comprising at least one solar concentration collection field comprising a plurality of heliostats which concentrate the solar rays on tubes where a coolant circulates remarkable in that it comprises least one conversion group according to the invention, a compression unit and a hydraulic turbine coupled to a generator for converting hydraulic energy into electricity.
  • Said solar thermal power plant according to the invention comprises at least one means for storing water under pressure and / or air compressed by the conversion group or groups.
  • said solar thermal power plant comprises at least two conversion groups connected in series and / or at least two conversion groups connected in parallel.
  • the heat transfer fluid circulating in the tube of each solar collecting field concentration consists of air.
  • FIG. 1 is a perspective view of a solar thermal power plant comprising two conversion units connected in series in accordance with the invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a collection field of the thermal power plant according to the invention
  • FIG. 3 is a perspective view of the power generation assembly of the solar thermal power plant according to the invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a conversion unit according to the invention.
  • FIG. 5 is a torn perspective view of the conversion unit according to the invention.
  • FIG. 6 is a graphical representation of the so-called Ericsson thermodynamic cycle comprising two isobars, an isothermal compression and an adiabatic expansion,
  • FIGS. 7A to 7F are schematic top views of the conversion unit according to the invention in the different operating steps
  • FIG. 8 is a perspective view of an alternative embodiment of the electricity production assembly of the solar thermal power plant according to the invention.
  • FIG. 9 is a schematic top view of a variant of FIG. execution of the conversion group according to the invention.
  • FIG. 10 is a schematic representation of a solar thermal power plant comprising a plurality of conversion units according to the invention.
  • FIG. 11 is a schematic representation of an electricity cogenerator comprising a plurality of conversion units according to the invention.
  • Figure 12 is a schematic representation of a reverse osmosis desalination unit having a plurality of conversion units according to the invention.
  • the conversion group according to the invention is essentially described in an application to a solar thermal power plant; however, it is obvious that the conversion group according to the invention will find many applications requiring the conversion of thermal energy into a hydraulic energy such as in particular for a reverse osmosis desalination unit or an electricity cogeneration device especially With reference to FIG.
  • the solar thermal power plant is of the Fresnel mirror type and comprises several solar concentration collection fields (1), a so-called production unit (2) comprising means for transforming the hydraulic energy into electricity and at least one conversion unit (3) for converting the heat energy supplied by the concentration solar collection field (1) into hydraulic energy according to a so-called Ericsson thermodynamic cycle comprising two isobars, an isothermal compression and a detent adiabatic.
  • the solar thermal power station comprises four solar concentration collection fields (1).
  • Each solar concentrating collection field (1) comprises a plurality of heliostats (4) integral with a metal frame (5) which concentrate the solar rays on a tube (6) in which a coolant circulates, said coolant consisting of in a gas such as air for example.
  • heliostat means a device for tracking the path of the Sun to direct the sun all day to the tube (6) with the help of mirrors.
  • the flat mirrors are articulated to the frame (5) so as to approximate a parabolic shape.
  • each of the mirrors can rotate following the path of the sun to constantly redirect and focus the sunlight to the tube (6). While circulating in the tube (6), the air can be heated to more than 650 ° C.
  • each concentration solar collection field (1) may be substituted by any other equivalent gas well known to those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. 'invention.
  • the production unit (2) of the solar thermal power plant comprises a compression unit (7) consisting of an air compressor (8) and a pressure reduction gear (9). ) and a distributor (10), such as a compression unit marketed by ENAIRYS® for example, a hydraulic turbine (11) coupled to a generator (12), a hydraulic reservoir (13) and at least one air cooler ( 14).
  • the term "air cooler” means a device for transferring thermal energy from the thermodynamic fluid to the outside air. In this case, ⁇ air cooler allows to cool the water at the outlet of the turbine hydraulic (11) before returning it to the conversion group or groups (3) which will be described in detail in the following description.
  • any type of compression group (7) may be used; however, a compression group marketed by ENAIRYS ®, which operates not with a mechanical piston but with a concept of compression and expansion of air based on the "liquid piston” principle, will preferably be used.
  • ENAIRYS ® which operates not with a mechanical piston but with a concept of compression and expansion of air based on the "liquid piston” principle, will preferably be used.
  • the water cools the air during the compression phase to minimize heat loss and therefore have a much better performance.
  • each conversion group (3) comprises means for converting the heat energy supplied by the solar collecting field at concentration (1) into hydraulic energy according to a so-called Ericsson thermodynamic cycle comprising two isobars. , an isothermal compression and an adiabatic expansion with reference to FIG. 6.
  • Each conversion group (3) comprises two pistons (15, 16) integral with a single piston rod (17) and defining four chambers (18, 19, 20,21) in a substantially cylindrical body (22), two distal chambers (18,19) and two proximal chambers (20,21), and two heat exchangers (23,24) with double flow respectively connected to the two distal chambers (18, 19) through the tubes (6) of two concentrating solar collection fields (1), the two proximal chambers (20, 21) being connected to an inlet pipe (25) of a fluid and respectively to an exhaust pipe ( 26) of said fluid, in this case water.
  • Each heat exchanger (23,24) is connected to the distal chambers (18) and respectively (19) as well as to the inlet of a tube (6) of a concentrating solar collection field (1) and to the output of the compression group (7) of the production unit (2).
  • the temperature of the air circulating in the heat exchangers (23,24) varies from ambient temperature to approximately the end temperature of the adiabatic expansion, ie approximately 400 ° C.
  • Each piston (15, 16) advantageously comprises thermal insulation means.
  • each piston (15, 16) has a substantially hollow hemispherical shape providing said thermal insulation.
  • the conversion unit comprises at least one position sensor able to determine the position of the pistons (15, 16) in the chambers (18, 19, 20, 21), said position sensor being connected to a control unit, not shown on Figures, piloting valves (27,28,29,30; 31,32,33,34) mounted on four lines (35,36,37,38) connecting the two proximal chambers (20,21) to the intake lines (25) fluid and fluid exhaust (26) and respectively on four lines (39,40,41,42) connecting the two heat exchangers (23,24) to the distal chambers (18,19).
  • the lines (39) and (42) shown in FIG. 5 each correspond to a tube (6) of a solar concentration collection field (1).
  • Said position sensor may consist in any position sensor well known to those skilled in the art and may be positioned, for example, on the piston rod (17).
  • the fluid exhaust duct (26) supplies pressurized water to the production unit (2) or the intake duct of a conversion unit (3) connected in series and the duct inlet (25) is connected to the exhaust pipe (26) of a conversion unit (3) connected in series upstream or at the outlet of ⁇ dry cooler (13).
  • the fluid used in the conversion group (3) may consist of any type of fluid and that it consists, preferably, in water.
  • the solar thermal power plant according to the invention may comprise a plurality of conversion units (3) connected in series and / or in parallel. In this way, the configuration of the valves allows the series operation of the conversion units which causes a cumulative hydraulic pressure of each group. In addition, the operation of the groups with offset cycles results in a smoothing of the final hydraulic pressure curve.
  • the grouping of units makes it possible to easily increase the production capacity, the advantage is to be able to extend the power of the plant, but also to reach powers that conventional Ericsson heat engines can not reach.
  • a secondary advantage to the use of a plurality of conversion groups (3) is to be able to bring the hot springs (6) to the conversion means and thus reduce heat losses related to high temperatures. In this way, it is easy to gradually increase the power of the collection field.
  • the production unit (2) also comprises compressed air tanks (43) for storing energy and for generating electricity when the sun is out of the sun , the compressed air being produced by the compression group (7).
  • the admission valve (31) of the high-pressure, high-temperature air coming from the heat exchanger (23) is open and the exhaust valve (33) air contained in the distal chamber (19) connected to the heat exchanger (23) is also open. Furthermore, the exhaust valve (27) of the water flowing in the pipe (35) connected to the proximal chamber (20) is open and the inlet valve (30) of the water flowing in the pipe ( 38) is also open.
  • the cycle begins with an isobaric admission in which high pressure and high temperature air, about 650 ° C, is admitted into the left distal chamber (18) together with the low pressure air of the distal chamber. right (19) is evacuated.
  • the incoming air flow passes through the heat exchanger (23) in order to recover a portion of the energy of the flow leaving the right distal chamber (19) and then it heats up in the collection field (1) to which it is connected via the pipe (39) corresponding to the tube (6) of the solar concentrating collection field (1).
  • the pressure of the air admitted into the left distal chamber (18) acts simultaneously on the piston with the pressure of the water entering the right proximal chamber (21) to expel water from the left proximal chamber (20), the pressurized water then escaping to the exhaust pipe (26).
  • the intake valve (31) of the high pressure and high temperature air coming from the heat exchanger (23) is closed and the exhaust valve (33) air contained in the distal chamber (19) connected to the heat exchanger (23) is also open.
  • the exhaust valve (27) of the water flowing in the pipe (35) connected to the proximal chamber (20) is open and the inlet valve (30) of the water flowing in the pipe ( 38) is also open.
  • the second stage of the cycle consists of an adiabatic relaxation of the air trapped in the left distal chamber (18).
  • the low pressure air of the right distal chamber (19) continues to be discharged to the heat exchanger (23) and releases into the exchanger (23) energy recoverable in the next cycle.
  • the movement of the piston continues providing the evacuation of water from the left proximal chamber (20), the pressurized water escaping to the exhaust pipe (26).
  • the inlet valve (31) of the air at high pressure and high temperature from the heat exchanger (23) is closed and the exhaust valve (33) of the air contained in the distal chamber (19) connected to the heat exchanger (23) is also opened. Furthermore, the exhaust valve (27) of the water flowing in the pipe (35) connected to the proximal chamber (20) is open and the inlet valve (30) of the water flowing in the pipe ( 38) is also open.
  • this third stage of the cycle ends in the right distal chamber (19) by the end of the transfer of low pressure air.
  • the fourth stage of the cycle is identical to the first stage of the cycle.
  • the intake valve (34) of the high pressure and high temperature air coming from the heat exchanger (24) is open and the exhaust valve (32) from the contained air in the distal chamber (18) connected to the heat exchanger (24) is also open.
  • the exhaust valve (28) of the water flowing in the pipe (36) connected to the right proximal chamber (21) is open and the inlet valve (29) of the water circulating in the pipe (37) is also open.
  • the cycle begins with an isobaric admission in which the air at high pressure and high temperature, about 650 ° C, is admitted into the right distal chamber (19) together with the low pressure air of the distal chamber left (18) is evacuated.
  • the incoming air stream passes through the heat exchanger (24) to recover a portion of the energy of the outgoing flow of the left distal chamber (18) and then warms up in the collection field (1) to which it is connected via the pipe (42) corresponding to the tube (6) of a second concentration solar collection field (1).
  • the pressure of the air admitted into the right distal chamber (19) acts simultaneously on the piston with the pressure of water entering the left proximal chamber (20) to expel water from the right proximal chamber (21), the pressurized water then escaping to the exhaust pipe (26).
  • the intake valve (34) of the high pressure and high temperature air coming from the heat exchanger (24) is closed and the exhaust valve (32) air contained in the distal chamber (18) connected to the heat exchanger (24) is also open.
  • the exhaust valve (28) of the water flowing in the pipe (36) connected to the right proximal chamber (21) is open and the inlet valve (29) of the water circulating in the pipe (37) is also open.
  • the fourth stage of the cycle consists of an adiabatic relaxation of the air trapped in the right distal chamber (19).
  • the low pressure air of the left distal chamber (18) continues to be discharged to the heat exchanger (24) and releases into the exchanger (24) energy recoverable in the next cycle.
  • the movement of the piston continues providing water discharge from the right proximal chamber (21), the pressurized water escaping to the exhaust pipe (26).
  • the inlet valve (34) of the air at high pressure and high temperature from the heat exchanger (24) is closed and the exhaust valve (32) of the air contained in the distal chamber (18) connected to the heat exchanger (24) is also opened.
  • the exhaust valve (28) of the water flowing in the pipe (36) connected to the right proximal chamber (21) is open and the inlet valve (29) of the water circulating in the pipe (37) is also open.
  • the production unit (2) of the solar thermal power plant comprises a compression unit (7) consisting of an air compressor ( 8), a pressure reducer (9) and a distributor (10), such as a compression unit marketed by ENAIRYS® for example, a hydraulic turbine (11) coupled to a generator (12), a hydraulic tank (13) and at least one air cooler (14), as described above, may be substituted by a production assembly (2) comprising a hydraulic turbine (44) coupled to a generator (45) and an air compressor (46). ).
  • the production assembly (2) also comprises air coolers (47) for maintaining the water at ambient temperature, said water being used for cooling the compression stage.
  • the production assembly (2) also comprises a hydraulic tank (48) forming a buffer.
  • the latter comprises, as previously, two pistons (15, 16) integral with a single piston rod (17) and defining four chambers ( 18,19,20,21) in a substantially cylindrical body (22), two so-called distal chambers (18,19) and two proximal chambers (20,21), and two heat exchangers (23,24) respectively connected respectively to the two distal chambers (18, 19) via the tubes (6) of two concentrating solar collecting fields (1), the two proximal chambers (20, 21) being connected to an inlet duct (25) a fluid and respectively to an exhaust pipe (26) of said fluid, in this case water.
  • Each heat exchanger (23,24) is connected to the distal chambers (18) and respectively (19) as well as to the inlet of a tube (6) of a concentrating solar collection field (1) and to the output of the compression group (7) of the production unit (2).
  • Each piston (15, 16) advantageously comprises thermal insulation means.
  • each piston (15, 16) has a substantially hollow hemispherical shape providing said thermal insulation.
  • the conversion unit comprises at least one position sensor capable of determining the position of the pistons (15, 16) in the chambers (18, 19, 20, 21), said position sensor being connected to a control unit, not shown.
  • driving valves (27,28,29,30; 31,32,33,34) mounted on four lines (35,36,37,38) connecting the two proximal chambers (20,21) to the fluid inlet and fluid inlet (25) and respectively on four lines (39, 40, 41, 42) connecting the two heat exchangers (23, 24) distal chambers (18,19).
  • Said position sensor may consist in any position sensor well known to those skilled in the art and may be positioned, for example, on the piston rod (17).
  • the conversion unit differs from the embodiment variant described above in that the body (22) has a double wall (49) at the distal chambers (18, 19) defining a volume supplied with hot fluid by the pipes.
  • said double walls (49) having an inlet connected to a section (39a, 42a) of the pipe (39,42) and an outlet connected to a section (39b, 42b) of the pipe (39, 42).
  • the sections (39a, 39b; 42a, 42b) consist, for example, of sections of one or more tubes (6) of a solar concentrating collection field or in all tubes in which circulates a fluid heated by any appropriate means such as as a boiler for example.
  • the hot fluid thus circulating in the volume delimited by the double wall at the level of the distal chambers (18, 19) thus provides a thermodynamic cycle comprising two isobars, an adiabatic or quasi-isothermal compression and a quasi-isothermal expansion. It will be observed that the compression is adiabatic or quasi-isothermal depending on the compressor associated with the conversion unit.
  • a first application of the conversion unit according to the invention consists in a solar thermal power plant comprising one or more concentration solar collection fields (1) including one or more heat exchangers, a first heat exchanger ( 100), a conversion unit (3), a second heat exchanger (101) consisting of the cooler of the compression unit and the cooling means of the return of the conversion units (3) and a production unit (2).
  • the conversion group (3) comprises one or more conversion groups connected in series or in parallel without the heat exchangers (23, 24) described above.
  • the reference (100) corresponds to the exchangers (23, 24) described above.
  • This configuration with a single double flow heat exchanger (100) is particularly suitable for a desalination or cogeneration application in the case where a boiler is used instead of a solar receiver. Indeed, the use of a boiler makes possible the grouping of different hot heat exchangers (6) and also double flow heat exchangers to reduce costs. Referring to FIG.
  • a second application of the conversion group according to the invention consists in an electricity cogenerator comprising one or more concentration solar collection fields (1) including one or more heat exchangers, a first heat exchanger ( 100), a conversion unit (3), a second heat exchanger (101) supplying a domestic water network (102), said second heat exchanger consisting of the compressor unit cooler and the return cooling means conversion units (3), and a production assembly (2) comprising a hydraulic turbine (44) fed by the conversion unit (3) and coupled to a generator (45) and an air compressor (46) powered and cooled by the second heat exchanger (101).
  • a third application of the conversion group consists in a reverse osmosis desalination unit comprising one or more concentration solar collection fields (1), a first heat exchanger (100) including a or a plurality of heat exchangers, a conversion unit (3), a second heat exchanger (101) consisting of the cooler of the compression unit and the cooling means of the return of the conversion units (3) and an assembly comprising a turbine hydraulic unit (44) coupled to a reverse osmosis device (103) and an air compressor (46) fed by the second heat exchanger (101), the reverse osmosis device (103) being supplied with water under pressure by the group conversion (3) and being connected to the hydraulic turbine (44).
  • a reverse osmosis desalination unit comprising one or more concentration solar collection fields (1), a first heat exchanger (100) including a or a plurality of heat exchangers, a conversion unit (3), a second heat exchanger (101) consisting of the cooler of the compression unit and the cooling means of the return of the conversion units (3) and an assembly comprising
  • the conversion group (3) comprises one or more conversion groups connected in series or in parallel without the heat exchangers (23, 24) described above. It will be observed that the conversion group (3) is fed with salt water. Part of the pressurized water passes through the reverse osmosis device (103) and the other portion of the water feeds the hydraulic turbine (44) before being discharged outside the system.
  • concentration solar collection field (1) may be substituted by a boiler or the like without departing from the scope of the invention.
  • a boiler makes it possible to combine the various hot heat exchangers (6) and also the double flow heat exchangers to reduce costs.

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Abstract

La présente invention concerne un groupe de conversion (3) d'une énergie thermique en une énergie hydraulique remarquable en ce qu'il comporte au moins deux pistons (15, 16) solidaires d'une unique tige de piston (17) et définissant quatre chambres (18, 19, 20, 21) dans un corps cylindrique (22), deux chambres dites distales (18, 19) et deux chambres proximales (20, 21), et deux échangeurs thermiques (23, 24) à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales (18,19), les deux chambres proximales (20, 21) étant connectées à une conduite d'admission (25) d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement (26) dudit fluide, de telle sorte qu'il convertisse l'énergie thermique en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique comportant deux isobares, une compression quasi-isotherme ou adiabatique et une détente adiabatique ou quasi-isotherme. Un autre objet de l'invention concerne une centrale électrique solaire thermique comprenant au moins un champ de collecte solaire à concentration (1) comportant une pluralité d'héliostats (4) qui concentrent les rayons solaires sur des tubes (6) où un fluide caloporteur circule; ladite centrale est remarquable en ce qu'elle comprend au moins un groupe de conversion (3) suivant l'invention, un groupe de compression (7) et une turbine hydraulique (11) couplée à une génératrice (12) pour transformer l'énergie hydraulique en électricité.

Description

GROUPE DE CONVERSION D'UNE ENERGIE THERMIQUE EN UNE
ENERGIE HYDRAULIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un groupe de conversion d'une énergie thermique en une énergie hydraulique particulièrement adapté pour une centrale électrique solaire thermique du type comprenant une pluralité d'héliostats qui concentrent les rayons solaires sur des tubes où un fluide caloporteur circule, une unité de dessalement comportant une ou plusieurs unité à osmose inverse, ou un dispositif de cogénération d'électricité notamment.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Dans le domaine de la production d'énergie, il est bien connu des centrales électriques solaires thermiques qui sont une alternative aux centrales électriques fonctionnant à partir d'énergies fossiles telles que le pétrole ou le charbon par exemple.
Il existe plusieurs types de centrale électrique solaire thermique. Les quatre principaux types de centrale sont les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques, les centrales à tour, les centrales à capteurs paraboliques et les centrales solaires à miroirs de Fresnel.
Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques se composent de rangées parallèles de longs miroirs cylindro-paraboliques qui tournent autour d'un axe horizontal pour suivre la course du soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube récepteur horizontal, dans lequel circule un fluide caloporteur dont la température atteint en général 400 °C. Ce fluide est ensuite pompé à travers des échangeurs afin de produire de la vapeur surchauffée qui actionne une turbine ou un générateur électrique.
Outre le coût de fabrication de telles centrales qui est important, ces centrales nécessitent l'utilisation de sels fondus pour stocker l'énergie afin de régulariser la production journalière et la maintenir pendant le non fonctionnement de la centrale, c'est- à-dire pendant la nuit notamment. Or ces sels fondus sont particulièrement toxiques et présentent un risque important pour l'environnement en cas de fuite.
Les centrales solaires à tour sont constituées de nombreux miroirs concentrant les rayons solaires vers une chaudière située au sommet d'une tour. Les miroirs uniformément répartis sont appelés héliostats. Chaque héliostat est orientable, et suit le soleil individuellement et le réfléchit précisément en direction du receveur au sommet de la tour solaire. Le facteur de concentration peut dépasser 1000, ce qui permet d'atteindre des températures importantes, de 600 °C à 1000 °C. L'énergie concentrée sur le receveur est ensuite soit directement transférée à un fluide thermodynamique pour générer de la vapeur entraînant une turbine ou chauffer de l'air alimentant une turbine à gaz, soit utilisée pour chauffer un fluide caloporteur intermédiaire. Ce fluide caloporteur est ensuite envoyé dans une chaudière et la vapeur générée actionne des turbines. Dans tous les cas, les turbines entraînent des alternateurs produisant de l'électricité.
Ces centrales à tour présentent l'inconvénient d'être particulièrement onéreuses
Dans les centrales à capteurs paraboliques, ces derniers fonctionnent d'une manière autonome. Ils s'orientent automatiquement et suivent le soleil sur deux axes afin de réfléchir et de concentrer les rayons du soleil vers un point de convergence appelé foyer consistant usuellement dans une enceinte fermée contenant du gaz qui est monté en température sous l'effet de la concentration. Cela entraîne un moteur Stirling qui convertit l'énergie solaire thermique en énergie mécanique puis en électricité. Le rapport de concentration de ce système est souvent supérieur à 2000 et le récepteur peut atteindre une température de 1000 °C.
Outre le coût particulièrement important de ces centrales, ces dernières présentent l'inconvénient de ne pas permettre un stockage de l'énergie. Les centrales solaires les moins onéreuses consistent dans les centrales solaires à miroir de Fresnel. En effet, ces dernières sont similaires aux centrales à collecteurs cylindro-parabolique à l'exception du fait que les collecteurs cylindro-paraboliques, qui sont chers à fabriquer, sont substitués par une succession de miroirs plans qui approxime la forme parabolique du collecteur. Chacun des miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers un tube ou un ensemble de tubes récepteurs linéaires fixes. En circulant dans ce récepteur horizontal, le fluide thermodynamique peut être vaporisé puis surchauffé jusqu'à 500 °C. La vapeur alors produite actionne une turbine qui produit de l'électricité. Le cycle thermodynamique est généralement direct, ce qui permet d'éviter les échangeurs de chaleur.
Ce type de centrale, bien que moins onéreux que les autres centrales, présente l'inconvénient de nécessiter l'utilisation de sels fondus pour stocker l'énergie afin de régulariser la production journalière et la maintenir pendant le non fonctionnement de la centrale.
Par ailleurs, il est bien connu des systèmes de conversion de l'énergie solaire, i.e. d'une énergie thermique, en énergie hydraulique. C'est le cas notamment du brevet américain US 5,899,071, de la demande de brevet américain, US 2009/0133689 et des brevets américains US 3,991,574 et US 4,617,801.
Le document US 5,899,071 décrit un système de conversion de l'énergie solaire en énergie mécanique ou électrique comprenant un dispositif de commande qui fait varier la vitesse d'un ventilateur de refroidissement et le ventilateur de la pompe de fluides de refroidissement en fonction de l'intensité de l'énergie solaire disponible, de la température ambiante autour du système, et d'autres conditions de fonctionnement. Les moyens convertissent de l'énergie thermique fournie par le champ de collecte solaire à concentration en énergie mécanique suivant un cycle thermodynamique dit de Ericsson. Plus précisément, la chaleur est transmise à un fluide de travail qui alimente un moteur thermique fonctionnant selon un cycle thermodynamique dit de Ericsson, ledit moteur comportant un unique piston.
Le document US 2009/0133689 décrit un module solaire élémentaire comportant un bâti apte à reposer directement ou indirectement sur un sol, des moyens de traitement d'un rayonnement solaire montés mobiles sur le bâti par une liaison pivot, un axe de rotation de la liaison pivot passant sensiblement par un centre de gravité des moyens de traitement. Il est précisé que les moyens de conversion de l'énergie thermique fournis par le champ de collecte solaire à concentration en énergie mécanique peuvent consister dans un moteur du type Ericsson. Un tel moteur Ericsson est du type comportant un seul et unique piston.
Le document US 3,991,574 décrit une centrale électrique à pression de fluide qui convertit l'énergie thermique, générée de façon externe, en une pression hydraulique. Le système génère de l'énergie thermique sous forme de vapeur ou de gaz chauds, fournit de l'énergie thermique à un piston intensifïcateur à double effet, qui convertit l'énergie thermique en haute pression qui est stockée dans un accumulateur. Ladite énergie hydraulique à haute pression ainsi stockée dans l'accumulateur est utilisée pour entraîner des moteurs hydrauliques ou des turbines à travers les soupapes de commande de sorties hydrauliques. Le dispositif est constitué d'une pluralité de pistons intensifïcateurs à double effet montés en série .
Le document US 4 617 801 décrit un moteur comprenant une paire de cylindres de puissance, chacun de ces cylindres de puissance définissant un espace intérieur fermé, chaque cylindre en possédant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, un piston monté à coulissement dans l'espace intérieur de chaque cylindre, le piston divisant l'espace intérieur de chaque cylindre en une portion supérieure et en une portion inférieure, une tige de piston connectée à chaque piston et s 'étendant au travers de l'extrémité supérieure de chaque cylindre. Un fluide remplissant substantiellement les portions supérieures des deux cylindres et des moyens pour permettre au fluide de s'écouler entre les portions supérieures de cylindre, une boucle de transfert de chaleur pour un fluide de travail comprenant un évaporateur, un condensateur ainsi que les portions inférieures de chacun des deux cylindres de puissance. Le moteur comprend également des moyens de commande aptes à contrôler l'écoulement de fluides de travail au travers de la boucle de transfert de chaleur et au travers de la portion inférieure de chacun des cylindres, ces moyens de commande fonctionnant de manière à connecter alternativement la portion inférieure de l'un des cylindres avec Γ évaporateur et avec le condensateur, et la portion inférieure de l'autre cylindre avec le condensateur et avec l'évaporateur, afin qu'un mouvement de piston dont la phase est décalée de 180° soit provoquée, et des moyens pour convertir le mouvement des deux types de piston en travail utilisable.
Tous ces systèmes de conversion ont notamment l'inconvénient de présenter un mauvais rendement.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un groupe de conversion d'une énergie thermique en énergie hydraulique présentant un bon rendement et pouvant trouver de nombreuses applications notamment pour une centrale électrique solaire thermique, un système de dessalement ou un cogénérateur d'électricité par exemple. A cet effet, et conformément à l'invention, il est proposé un groupe de conversion d'une énergie thermique en une énergie hydraulique remarquable en ce qu'il comporte au moins deux pistons solidaires d'une unique tige de piston et définissant quatre chambres dans un corps cylindrique, deux chambres dites distales et deux chambres proximales, et deux échangeurs thermiques à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales, les deux chambres proximales étant connectées à une conduite d'admission d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement dudit fluide, de telle sorte qu'il convertisse l'énergie thermique en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique comportant deux isobares, une compression quasi-isotherme ou adiabatique et une détente adiabatique ou quasi-isotherme.
De préférence, chaque piston comporte des moyens d'isolation thermique et présente une forme sensiblement hémi-sphérique creuse.
Par ailleurs, le groupe de conversion suivant l'invention comporte une unité de commande pilotant des vannes montées sur quatre conduites connectant les deux chambres proximales aux conduites d'admission de fluide et d'échappement de fluide et respectivement sur quatre conduites connectant les deux échangeurs thermiques aux chambres distales.
De plus, le groupe de conversion comporte au moins un capteur de position apte à déterminer la position des pistons dans les chambres, ledit capteur de position étant connecté à l'unité de commande.
Un autre objet de l'invention concerne une centrale électrique solaire thermique comprenant au moins un champ de collecte solaire à concentration comportant une pluralité d'héliostats qui concentrent les rayons solaires sur des tubes où un fluide caloporteur circule remarquable en ce qu'elle comprend au moins un groupe de conversion suivant l'invention, un groupe de compression et une turbine hydraulique couplée à une génératrice pour transformer l'énergie hydraulique en électricité. Ladite centrale électrique solaire thermique suivant l'invention comporte au moins un moyen stockage de l'eau sous pression et/ou de l'air comprimée par le ou les groupes de conversion.
Par ailleurs, ladite centrale électrique solaire thermique comporte au moins deux groupes de conversion montés en série et/ou au moins deux groupes de conversion montés en parallèle.
Accessoirement, le fluide caloporteur circulant dans le tube de chaque champ de collecte solaire à concentration consiste dans de l'air.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre, d'une unique variante d'exécution, donnée à titre d'exemple non limitatif, du groupe de conversion conforme à l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une vue en perspective d'une centrale électrique solaire thermique comportant deux groupes de conversion montés en série conformément à l'invention, la figure 2 est une vue en perspective d'un champ de collecte de la centrale électrique thermique suivant l'invention,
la figure 3 est une vue en perspective de l'ensemble de production d'électricité de la centrale électrique solaire thermique suivant l'invention,
- la figure 4 est une vue en perspective d'un groupe de conversion suivant l'invention,
la figure 5 est une vue en perspective déchirée du groupe de conversion suivant l'invention,
la figure 6 est une représentation graphique du cycle thermodynamique dit de Ericsson comportant deux isobares, une compression isotherme et une détente adiabatique,
les figures 7A à 7F sont des vues de dessus schématiques du groupe de conversion suivant l'invention dans les différentes étapes de fonctionnement,
la figure 8 est une vue en perspective d'une variante d'exécution de l'ensemble de production d'électricité de la centrale électrique solaire thermique suivant l'invention, la figure 9 est une vue de dessus schématique d'une variante d'exécution du groupe de conversion suivant l'invention,
la figure 10 est une représentation schématique d'une centrale électrique solaire thermique comportant une pluralité de groupes de conversion suivant l'invention,
- la figure 11 est une représentation schématique d'un cogénérateur d'électricité comportant une pluralité de groupes de conversion suivant l'invention,
la figure 12 est une représentation schématique d'une unité de dessalement à osmose inverse comportant une pluralité de groupes de conversion suivant l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L 'INVENTION
Par souci de clarté, dans la suite de la description, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Par ailleurs, le groupe de conversion suivant l'invention est essentiellement décrit dans une application à une centrale électrique solaire thermique ; toutefois, il est bien évident que le groupe de conversion suivant l'invention trouvera de nombreuses applications nécessitant la conversion d'une énergie thermique en une énergie hydraulique telles que notamment pour une unité de dessalement à osmose inverse ou un dispositif de cogénération d'électricité notamment En référence à la figure 1, la centrale électrique solaire thermique est du type à miroir de Fresnel et comporte plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1), un ensemble dit de production (2) comportant des moyens pour transformer l'énergie hydraulique en électricité et au moins un groupe de conversion (3) permettant de convertir l'énergie thermique fournie par le champ de collecte solaire à concentration (1) en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique dit de Ericsson comportant deux isobares, une compression isotherme et une détente adiabatique. Dans cet exemple particulier de réalisation, en référence aux figures 1 et 2, la centrale électrique solaire thermique comporte quatre champs de collecte solaire à concentration (1). Chaque champ de collecte solaire à concentration (1) comprend une pluralité d'héliostats (4) solidaires d'un châssis (5) métallique qui concentrent les rayons solaires sur un tube (6) dans lequel un fluide caloporteur circule, ledit fluide caloporteur consistant dans un gaz tel que de l'air par exemple. On entend par « héliostat » un dispositif permettant de suivre la course du Soleil pour orienter toute la journée les rayons solaires vers le tube (6) à l'aide de miroirs. Les miroirs plans sont articulés au châssis (5) de manière à approximer une forme parabolique. Ainsi, chacun des miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers le tube (6). En circulant dans le tube (6), l'air peut être chauffé à plus de 650°C.
Il est bien évident que l'air circulant dans le tube (6) de chaque champ de collecte solaire à concentration (1) pourra être substitué par tout autre gaz équivalent bien connu de l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Par ailleurs, en référence aux figures 1 et 3, l'ensemble de production (2) de la centrale électrique solaire thermique comporte un groupe de compression (7) constitué d'un compresseur à air (8), un démultiplicateur de pression (9) et un distributeur (10), tel qu'un groupe de compression commercialisé par la société ENAIRYS® par exemple, une turbine hydraulique (11) couplée à une génératrice (12), un réservoir hydraulique (13) et au moins un aéroréfrigérant (14). On entend par « aéroréfrigérant » un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique du fluide thermodynamique vers l'air extérieur. En l'espèce, Γ aéroréfrigérant permet de refroidir l'eau à la sortie de la turbine hydraulique (11) avant de la renvoyer vers le ou les groupes de conversion (3) qui seront décrits en détail dans la suite de la description.
On observera que tout type de groupe de compression (7) pourra être utilisé ; toutefois, on utilisera de préférence un groupe de compression commercialisé par la société ENAIRYS ® qui fonctionne non pas avec un piston mécanique mais grâce à un concept de compression et de détente d'air basé sur le principe du « piston liquide ». L'eau refroidit l'air pendant la phase de compression permettant de réduire les pertes thermiques au minimum et donc d'avoir un bien meilleur rendement.
En référence aux figures 4 et 5, chaque groupe de conversion (3) comprend des moyens de conversion de l'énergie thermique fournie par le champ de collecte solaire à concentration (1) en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique dit de Ericsson comportant deux isobares, une compression isotherme et une détente adiabatique en référence à la figure 6. Chaque groupe de conversion (3) comporte deux pistons (15,16) solidaires d'une unique tige de piston (17) et définissant quatre chambres (18,19,20,21) dans un corps (22) sensiblement cylindrique, deux chambres dites distales (18,19) et deux chambres proximales (20,21), et deux échangeurs thermiques (23,24) à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales (18,19) par l'intermédiaire des tubes (6) de deux champs de collecte (1) solaire à concentration, les deux chambres proximales (20,21) étant connectées à une conduite d'admission (25) d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement (26) dudit fluide, en l'espèce de l'eau. Chaque échangeur thermique (23,24) est connecté aux chambres distales (18) et respectivement (19) ainsi qu'à l'entrée d'un tube (6) d'un champ de collecte solaire à concentration (1) et à la sortie du groupe de compression (7) de l'ensemble de production (2). Ainsi la température de l'air circulant dans les échangeurs thermiques (23,24) varie de la température ambiante à approximativement à la température de fin de la détente adiabatique, soit environ 400°C. Chaque piston (15,16) comporte avantageusement des moyens d'isolation thermique. De préférence, chaque piston (15,16) présente une forme sensiblement hémi-sphérique creuse procurant ladite isolation thermique.
Accessoirement, le groupe de conversion comporte au moins un capteur de position apte à déterminer la position des pistons (15,16) dans les chambres (18,19,20,21), ledit capteur de position étant connecté à une unité de commande, non représentée sur les figures, pilotant des vannes (27,28,29,30 ; 31,32,33,34) montées sur quatre conduites (35,36,37,38) connectant les deux chambres proximales (20,21) aux conduites d'admission (25) de fluide et d'échappement (26) de fluide et respectivement sur quatre conduites (39,40,41,42) connectant les deux échangeurs thermiques (23,24) aux chambres distales (18,19). On notera que les conduites (39) et (42) représentées sur la figure 5 correspondent chacune à un tube (6) d'un champ de collecte à concentration solaire (1). Ledit capteur de position pourra consister dans tout capteur de position bien connu de l'homme du métier et pourra être positionné, par exemple, sur la tige de piston (17). La conduite d'échappement (26) de fluide fournit de l'eau sous pression à l'ensemble de production (2) ou à la conduite d'admission d'un groupe de conversion (3) monté en série et la conduite d'admission (25) est connectée à la conduite d'échappement (26) d'un groupe de conversion (3) monté en série en amont ou à la sortie de Γ aéroréfrigérant (13).
On observera que le fluide utilisé dans le groupe de conversion (3) pourra consister dans tout type de fluide et qu'il consiste, de préférence, dans de l'eau. Par ailleurs, on notera que la centrale électrique solaire thermique suivant l'invention pourra comporter une pluralité de groupe de conversion (3) montés en série et/ou en parallèle. De cette manière, la configuration des clapets permet le fonctionnement en série des groupes de conversion ce qui provoque un cumul de la pression hydraulique de chaque groupe. De plus le fonctionnement des groupes avec des cycles décalés engendre un lissage de la courbe de pression finale hydraulique. Ces deux points induisent l'avantage de pouvoir utiliser une turbine hydraulique à haut rendement de type Pelton, donc d'améliorer le rendement global de la centrale. La mise en parallèle des groupes permet d'augmenter facilement la capacité de production, l'avantage est de pouvoir étendre la puissance de la centrale, mais aussi de parvenir à des puissances que les moteurs thermiques Ericsson conventionnels ne peuvent atteindre. Un avantage secondaire à l'utilisation d'une pluralité de groupes de conversion (3) est de pouvoir rapprocher les sources chaudes (6) aux moyens de conversion et ainsi réduire les pertes thermiques liées aux hautes températures. De cette manière, il est aisé d'augmenter progressivement la puissance du champ de collecte. Accessoirement, en référence à la figure 3, l'ensemble de production (2) comporte également des réservoirs d'air comprimé (43) pour stocker l'énergie et permettre la production d'électricité lorsqu'il n'y a plus de soleil, l'air comprimé étant produit par le groupe de compression (7).
On expliquera maintenant le fonctionnement du groupe de conversion suivant l'invention en référence aux figures 7 A à 7F.
En début de cycle, en référence à la figure 7A, la vanne d'admission (31) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (23) est ouverte et la vanne d'échappement (33) de l'air contenu dans la chambre distale (19) connectée à l'échangeur thermique (23) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (27) de l'eau circulant dans la conduite (35) connectée à la chambre proximale (20) est ouverte et la vanne d'admission (30) de l'eau circulant dans la conduite (38) est également ouverte. Ainsi, le cycle commence par une admission isobare dans laquelle l'air à haute pression et haute température, environ 650°C, est admis dans la chambre distale gauche (18) en même temps que l'air à basse pression de la chambre distale droite (19) est évacué. Le flux d'air entrant passe par l'échangeur thermique (23) afin de récupérer une partie de l'énergie du flux sortant de la chambre distale droite (19) puis il se réchauffe dans le champ de collecte (1) auquel il est raccordé par l'intermédiaire de la conduite (39) correspondant au tube (6) du champ de collecte solaire à concentration (1). La pression de l'air admis dans la chambre distale gauche (18) agit simultanément sur le piston avec la pression de l'eau entrant dans la chambre proximale droite (21) pour chasser l'eau de la chambre proximale gauche (20), l'eau sous pression s'échappant alors vers la conduite d'échappement (26).
En référence à la figure 7B, lors de la deuxième étape du cycle, la vanne d'admission (31) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (23) est fermée et la vanne d'échappement (33) de l'air contenu dans la chambre distale (19) connectée à l'échangeur thermique (23) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (27) de l'eau circulant dans la conduite (35) connectée à la chambre proximale (20) est ouverte et la vanne d'admission (30) de l'eau circulant dans la conduite (38) est également ouverte. Ainsi, la seconde étape du cycle consiste en une détente adiabatique de l'air emprisonnée dans la chambre distale gauche (18). Dans le même temps, l'air à basse pression de la chambre distale droite (19) continue à être évacué vers l'échangeur thermique (23) et libère dans ledit échangeur (23) de l'énergie récupérable lors du cycle suivant. Le mouvement du piston se poursuit procurant l'évacuation de l'eau de la chambre proximale gauche (20), l'eau sous pression s'échappant vers la conduite d'échappement (26).
En référence à la figure 7C, lors de la troisième étape du cycle, correspondant à la fin de la détente et à la moitié du cycle de fonctionnement du groupe de conversion suivant l'invention, la vanne d'admission (31) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (23) est fermée et la vanne d'échappement (33) de l'air contenu dans la chambre distale (19) connectée à l'échangeur thermique (23) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (27) de l'eau circulant dans la conduite (35) connectée à la chambre proximale (20) est ouverte et la vanne d'admission (30) de l'eau circulant dans la conduite (38) est également ouverte. La détente se termine quand le piston arrive au point mort bas, c'est-à-dire quand le volume de la chambre distale gauche (18) est maximal et le volume de la chambre proximale gauche (20) est minimal. Simultanément, cette troisième étape du cycle se termine dans la chambre distale droite (19) par la fin du transfert de l'air basse pression. La quatrième étape du cycle est identique à la première étape du cycle. En référence à la figure 7D, la vanne d'admission (34) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (24) est ouverte et la vanne d'échappement (32) de l'air contenu dans la chambre distale (18) connectée à l'échangeur thermique (24) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (28) de l'eau circulant dans la conduite (36) connectée à la chambre proximale droite (21) est ouverte et la vanne d'admission (29) de l'eau circulant dans la conduite (37) est également ouverte. Ainsi, le cycle commence par une admission isobare dans laquelle l'air à haute pression et haute température, environ 650°C, est admis dans la chambre distale droite (19) en même temps que l'air à basse pression de la chambre distale gauche (18) est évacué. Le flux d'air entrant passe par l'échangeur thermique (24) afin de récupérer une partie de l'énergie du flux sortant de la chambre distale gauche (18) puis il se réchauffe dans le champ de collecte (1) auquel il est raccordé par l'intermédiaire de la conduite (42) correspondant au tube (6) d'un second champ de collecte solaire à concentration (1). La pression de l'air admis dans la chambre distale droite (19) agit simultanément sur le piston avec la pression de l'eau entrant dans la chambre proximale gauche (20) pour chasser l'eau de la chambre proximale droite (21), l'eau sous pression s'échappant alors vers la conduite d'échappement (26). En référence à la figure 7E, lors de la cinquième étape du cycle, la vanne d'admission (34) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (24) est fermée et la vanne d'échappement (32) de l'air contenu dans la chambre distale (18) connectée à l'échangeur thermique (24) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (28) de l'eau circulant dans la conduite (36) connectée à la chambre proximale droite (21) est ouverte et la vanne d'admission (29) de l'eau circulant dans la conduite (37) est également ouverte. Ainsi, la quatrième étape du cycle consiste en une détente adiabatique de l'air emprisonné dans la chambre distale droite (19). Dans le même temps, l'air à basse pression de la chambre distale gauche (18) continue à être évacué vers l'échangeur thermique (24) et libère dans ledit échangeur (24) de l'énergie récupérable lors du cycle suivant. Le mouvement du piston se poursuit procurant l'évacuation de l'eau de la chambre proximale droite (21), l'eau sous pression s'échappant vers la conduite d'échappement (26).
En référence à la figure 7F, lors de la sixième étape du cycle, correspondant à la fin de la seconde détente et à fin du cycle de fonctionnement du groupe de conversion suivant l'invention, la vanne d'admission (34) de l'air à haute pression et haute température provenant de l'échangeur thermique (24) est fermée et la vanne d'échappement (32) de l'air contenu dans la chambre distale (18) connectée à l'échangeur thermique (24) est également ouverte. Par ailleurs, la vanne d'échappement (28) de l'eau circulant dans la conduite (36) connectée à la chambre proximale droite (21) est ouverte et la vanne d'admission (29) de l'eau circulant dans la conduite (37) est également ouverte. La détente se termine quand le piston arrive au point mort bas, c'est-à-dire quand le volume de la chambre distale droite (19) est maximal et le volume de la chambre proximale droite (21) est minimal. Simultanément, cette dernière étape du cycle se termine dans la chambre distale gauche (18) par la fin du transfert de l'air basse pression.
Le groupe de conversion (3) est alors prêt pour un nouveau cycle. Selon une variante d'exécution de la centrale électrique solaire thermique, en référence à la figure 8, l'ensemble de production (2) de la centrale électrique solaire thermique comporte un groupe de compression (7) constitué d'un compresseur à air (8), un démultiplicateur de pression (9) et un distributeur (10), tel qu'un groupe de compression commercialisé par la société ENAIRYS® par exemple, une turbine hydraulique (11) couplée à une génératrice (12), un réservoir hydraulique (13) et au moins un aéroréfrigérant (14), tel que décrit précédemment, pourra être substitué par un ensemble de production (2) comprenant une turbine hydraulique (44) couplée à une génératrice (45) et un compresseur d'air (46). L'ensemble de production (2) comporte également des aéroréfrigérants (47) pour maintenir l'eau à température ambiante, ladite eau étant utilisée pour le refroidissement de l'étage de compression. De plus, l'ensemble de production (2) comporte également un réservoir hydraulique (48) formant tampon.
Selon une variante d'exécution du groupe de conversion suivant l'invention, en référence à la figure 9, ce dernier comporte comme précédemment deux pistons (15,16) solidaires d'une unique tige de piston (17) et définissant quatre chambres (18,19,20,21) dans un corps (22) sensiblement cylindrique, deux chambres dites distales (18,19) et deux chambres proximales (20,21), et deux échangeurs thermiques (23,24) à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales (18,19) par l'intermédiaire des tubes (6) de deux champs de collecte (1) solaire à concentration, les deux chambres proximales (20,21) étant connectées à une conduite d'admission (25) d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement (26) dudit fluide, en l'espèce de l'eau. Chaque échangeur thermique (23,24) est connecté aux chambres distales (18) et respectivement (19) ainsi qu'à l'entrée d'un tube (6) d'un champ de collecte solaire à concentration (1) et à la sortie du groupe de compression (7) de l'ensemble de production (2). Chaque piston (15,16) comporte avantageusement des moyens d'isolation thermique. De préférence, chaque piston (15,16) présente une forme sensiblement hémi-sphérique creuse procurant ladite isolation thermique. Le groupe de conversion comporte au moins un capteur de position apte à déterminer la position des pistons (15,16) dans les chambres (18,19,20,21), ledit capteur de position étant connecté à une unité de commande, non représentée sur les figures, pilotant des vannes (27,28,29,30 ; 31,32,33,34) montées sur quatre conduites (35,36,37,38) connectant les deux chambres proximales (20,21) aux conduites d'admission (25) de fluide et d'échappement (26) de fluide et respectivement sur quatre conduites (39,40,41,42) connectant les deux échangeurs thermiques (23,24) aux chambres distales (18,19). Ledit capteur de position pourra consister dans tout capteur de position bien connu de l'homme du métier et pourra être positionné, par exemple, sur la tige de piston (17). Le groupe de conversion se distingue de la variante d'exécution précédemment décrite par le fait que le corps (22) comporte une double paroi (49) au niveau des chambres distales (18,19) définissant un volume alimenté en fluide chaud par les conduites (39,42), lesdites doubles paroi (49) comportant une entrée connectée à un tronçon (39a,42a) de la conduite (39,42) et une sortie connectée à un tronçon (39b,42b) de la conduite (39,42). Les tronçons (39a,39b ;42a,42b) consistent par exemple en des tronçons d'un ou plusieurs tubes (6) d'un champ de collecte à concentration solaire ou dans tous tubes dans lequel circule un fluide chauffé par tout moyen approprié tel qu'une chaudière par exemple. On notera que le fluide chaud circulant ainsi dans le volume délimité par la double paroi au niveau des chambres distales (18,19) procure ainsi un cycle thermodynamique comportant deux isobares, une compression adiabatique ou quasi-isotherme et une détente quasi-isotherme. On observera que la compression est adiabatique ou quasi- isotherme en fonction du compresseur associé à l'unité de conversion.
En référence à la figure 10, une première application du groupe de conversion suivant l'invention consiste dans une centrale électrique solaire thermique comportant un ou plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1) incluant un ou plusieurs échangeurs thermique, un premier échangeur thermique (100), un groupe de conversion (3), un second échangeur thermique (101) consistant dans le refroidisseur de l'unité de compression et les moyens de refroidissement du retour des groupes de conversion (3) et un ensemble de production (2) comprenant une turbine hydraulique (44) alimentée par le groupe de conversion (3) et couplée à une génératrice (45) et un compresseur d'air (46) alimenté et refroidit par le second échangeur thermique (101). Le groupe de conversion (3) comporte un ou plusieurs groupe de conversion connectés en série ou en parallèle sans les échangeurs thermiques (23,24) décrits précédemment. On observera que, dans cette configuration pour centrale solaire, le repère (100) correspond aux échangeurs (23,24) décrits précédemment. Cette configuration avec un seul échangeur double flux (100) est particulièrement adaptée une application de dessalement ou de cogénération dans le cas où l'on utilise une chaudière en lieu et place d'un récepteur solaire. En effet, l'utilisation d'une chaudière rend possible le regroupement des différents échangeurs chauds (6) et également des échangeurs doubles flux pour réduire les coûts. En référence à la figure 11, une seconde application du groupe de conversion suivant l'invention consiste dans un cogénérateur d'électricité comportant un ou plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1) incluant un ou plusieurs échangeurs thermique, un premier échangeur thermique (100), un groupe de conversion (3), un second échangeur thermique (101) alimentant un réseau d'eau domestique (102), ledit second échangeur thermique consistant dans le refroidisseur de l'unité de compression et les moyens de refroidissement du retour des groupes de conversion (3), et un ensemble de production (2) comprenant une turbine hydraulique (44) alimentée par le groupe de conversion (3) et couplée à une génératrice (45) et un compresseur d'air (46) alimenté et refroidit par le second échangeur thermique (101).
En référence à la figure 12, une troisième application du groupe de conversion suivant l'invention consiste dans une unité de dessalement à osmose inverse comportant un ou plusieurs champs de collecte solaire à concentration (1), un premier échangeur thermique (100) incluant un ou plusieurs échangeurs thermique, un groupe de conversion (3), un second échangeur thermique (101) consistant dans le refroidisseur de l'unité de compression et les moyens de refroidissement du retour des groupes de conversion (3) et un ensemble comprenant une turbine hydraulique (44) couplée à un dispositif à osmose inverse (103) et un compresseur d'air (46) alimenté par le second échangeur thermique (101), le dispositif à osmose inverse (103) étant alimenté en eau sous pression par le groupe de conversion (3) et étant connecté à la turbine hydraulique (44). De la même manière que précédemment, le groupe de conversion (3) comporte un ou plusieurs groupe de conversion connectés en série ou en parallèle sans les échangeurs thermiques (23,24) décrits précédemment. On observera que le groupe de conversion (3) est alimenté en eau salée. Une partie de l'eau sous pression traverse le dispositif à osmose inverse (103) et l'autre partie de l'eau alimente la turbine hydraulique (44) avant d'être rejetée à l'extérieur du système.
On observera que le champ de collecte solaire à concentration (1) pourra être substitué par une chaudière ou analogue sans pour autant sortir du cadre de l'invention. L'utilisation d'une chaudière rend alors possible le regroupement des différents échangeurs chauds (6) et également des échangeurs doubles flux pour réduire les coûts.
Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières, en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Groupe de conversion (3) d'une énergie thermique en une énergie hydraulique caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux pistons (15,16) solidaires d'une unique tige de piston (17) et définissant quatre chambres (18,19,20,21) dans un corps cylindrique (22), deux chambres dites distales (18,19) et deux chambres proximales (20,21), et deux échangeurs thermiques (23,24) à double flux respectivement connectés aux deux chambres distales (18,19), les deux chambres proximales (20,21) étant connectées à une conduite d'admission (25) d'un fluide et respectivement à une conduite d'échappement (26) dudit fluide, de telle sorte qu'il convertisse l'énergie thermique en énergie hydraulique suivant un cycle thermodynamique comportant deux isobares, une compression quasi-isotherme ou adiabatique et une détente adiabatique ou quasi- isotherme.
2. Groupe de conversion suivant la revendication 1 caractérisé en ce que chaque piston (15,16) comporte des moyens d'isolation thermique.
3. Groupe de conversion suivant la revendication 2 caractérisé en ce que chaque piston (15,16) présente une forme sensiblement hémi-sphérique creuse.
4. Groupe de conversion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de commande pilotant des vannes (27,28,29,30 ;31,32,33, 34) montées sur quatre conduites (35,36,37,38) connectant les deux chambres proximales (20,21) aux conduites d'admission (25) de fluide et d'échappement (26) de fluide et respectivement sur quatre conduites (39,40,41,42) connectant les deux échangeurs thermiques (23,24) aux chambres distales (18,19).
5. Groupe de conversion suivant la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur de position apte à déterminer la position des pistons
(15,16) dans les chambres (18,19,20,21), ledit capteur de position étant connecté à l'unité de commande.
6. Centrale électrique solaire thermique comprenant au moins un champ de collecte solaire à concentration (1) comportant une pluralité d'héliostats (4) qui concentrent les rayons solaires sur des tubes (6) où un fluide caloporteur circule caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un groupe de conversion (3) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, un groupe de compression (7) et une turbine hydraulique (11) couplée à une génératrice (12) pour transformer l'énergie hydraulique en électricité.
7. Centrale électrique solaire thermique suivant la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un moyen stockage (43) de l'eau sous pression et/ou de l'air comprimée par le ou les groupes de conversion (3).
8. Centrale électrique solaire thermique suivant l'une quelconque des revendications 6 ou 7 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux groupes de conversion (3) montés en série.
9. Centrale électrique solaire thermique suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux groupes de conversion (3) montés en parallèle.
10. Centrale électrique solaire thermique suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisée en ce que le fluide caloporteur circulant dans le tube de chaque champ de collecte solaire à concentration (1) consiste dans de l'air.
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