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CA 03142844 2021-12-07
WO 2020/249885
PCT/FR2020/050882
ABSORBEUR HYBRIDE DE RAYONNEMENTS POUR CENTRALE SOLAIRE, ET
PROCEDE DE PREPARATION D'UN TEL ABSORBEUR
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine des absorbeurs
d'énergie, dont les caractéristiques se rapprochent du
comportement d'un corps noir.
Le corps noir est un objet idéal qui absorberait parfaitement
toute l'énergie électromagnétique qu'il reçoit, sans en
réfléchir ni en transmettre. Sous l'effet de l'agitation
thermique, le corps noir émet un rayonnement électromagnétique.
A l'équilibre thermique, émission et absorption s'équilibrent et
le rayonnement effectivement émis ne dépend que de la température
(rayonnement thermique).
Applications types non limitatives : Fluide gazeux : moteur à
combustion externe type Stirling/Ericsson, turbine à air chaud
(turbo alternateurs), process industriels, cuisson, etc_ le
fluide liquide peut être de l'eau que l'on souhaite chauffer, un
liquide à stériliser, une production de vapeur pour alimenter un
turbo alternateur standard, un ECS (eau chaude
sanitaire/chauffage), fluides divers,_
L'invention concerne plus particulièrement le domaine des
absorbeurs destinés à la production d'énergie à partir du
rayonnement solaire par des centrales thermo-solaires
complémentés par une flamme idéalement hho ou renouvelable
Les procédés thermo-solaires ont de meilleurs rendements que les
procédés photovoltaïques, de l'ordre de 30%, en revanche ils
sont plus encombrants et adaptés pour une production importante
d'électricité.
De nouveaux dispositifs couplant un moteur Stirling avec un
concentrateur, sont actuellement développés pour produire du
courant électrique. Toutefois le rendement thermodynamique est
lié corrélativement à la température d'entrée qui nécessite
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d'être alors suffisamment élevée pour la meilleure efficacité.
Les dispositifs existants sont limités à 650/800 C et ne peuvent
donc dépasser les 40% de rendement. L'invention permet
d'atteindre 1200 C et donc d'atteindre et dépasser 60% de
rendement net.
D'autre part l'absorbeur selon l'invention permet l'hybridation
de différentes sources de chaleur, par exemple solaire et solar
fuel = hho (ou biogaz, dérivés du pétrole, ...), permettant ainsi
un fonctionnement continu et à pleine puissance d'une
installation malgré les variations ou absences du flux solaires.
Etat de la technique
Il existe différentes techniques pour concentrer les
rayonnements solaires, pour transporter et éventuellement
stocker la chaleur et pour convertir la chaleur en électricité.
Dans tous les cas, un des éléments essentiels d'une centrale
solaire thermique à concentration est l'élément absorbeur de
rayonnements solaires qui forme une partie du récepteur. Afin de
maximiser le rendement de l'absorbeur, celui-ci comporte en
général un revêtement, appelé revêtement sélectif ou traitement
sélectif. Le revêtement sélectif est destiné à permettre une
absorption maximale de l'énergie solaire incidente tout en
réémettant le moins possible de rayonnements infrarouges
(principe du corps noir). En particulier, un tel revêtement
sélectif est considéré comme parfait s'il absorbe toutes les
longueurs d'ondes inférieures à une longueur d'onde de coupure
et réfléchit toutes les longueurs d'ondes supérieures à cette
même longueur d'onde de coupure. La longueur d'onde de coupure
optimale dépend de la température de fonctionnement de
l'élément absorbeur considéré et elle est en général comprise
entre 1 ,5pm et 2,5pm. Elle est, par exemple, d'environ 1 ,8 pm
pour une température de l'ordre de 650 K.
La demande de brevet US2015033740 décrit un récepteur solaire
comprenant:
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= une chambre à fluide à basse pression configurée pour
fonctionner à des pressions allant jusqu'à 2 atmosphères,
et comprenant une entrée de fluide, une sortie de fluide et
une ouverture pour recevoir le rayonnement solaire
concentré;
= un absorbeur solaire logé dans la chambre de fluide basse
pression; et
= une pluralité d'objets transparents qui définissent une
paroi segmentée de la chambre à fluide basse pression;
= dans lequel le rayonnement solaire concentré reçu à travers
l'ouverture passe à travers la paroi segmentée et entre des
objets transparents pour passer dans la chambre de fluide
à basse pression et frappe l'absorbeur solaire.
La demande de brevet US4047517 décrit un récepteur d'énergie
rayonnante comprenant une pluralité de structures à aubes
allongées agencées dans une configuration convergente d'une
partie extérieure de celle-ci à une partie intérieure de gorge
de celle-ci, les surfaces extérieures aux surfaces
intermédiaires des aubes étant au moins en partie une surface
réfléchissante et les surfaces intermédiaires aux surfaces
intérieures des aubes étant au moins en partie d'une surface
sélective qui absorbe l'énergie rayonnante frappant la surface
sélective à un petit angle d'incidence, mais reflète une telle
énergie frappant à un angle d'incidence plus grand, l'énergie
rayonnante frappant les parties extérieures de l'aube étant
réfléchie vers la gorge convergente des aubes et l'énergie
rayonnante dans la partie intérieure frappant la surface
sélective à un angle d'incidence relativement faible, comme
l'indiquerait une inversion naissante ou réelle de la direction
de déplacement du l'énergie rayonnante par rapport aux aubes est
absorbée tandis que celle frappant la surface sélective à un
angle d'incidence relativement grand est réfléchie dans la gorge
des aubes pour générer une température élevée adjacente à la
gorge des aubes.
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Inconvénients de l'art antérieur
Les performances des solutions de l'état de la technique sont
limitées par les capacités de conversion énergétique de
l'absorbeur, ce qui conduit à des rendements limités. D'autre
part les absorbeurs connus sont exposés à l'air libre générant
une déperdition thermique importante. Les absorbeurs connus
présentent une surface de captation lisse peu absorbante et
fortement émissive. Les matériaux des absorbeurs connus ne
permettent pas une utilisation dans les hautes températures et
ne peuvent supporter de trop fortes pressions ou contraintes.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon
son acception la plus générale un absorbeur de rayonnements
solaires, pour centrale solaire thermique à concentration
caractérisé en ce qu'il est formé une pièce monolithique en
carbure de silicium dont la surface d'absorption est par exemple
revêtue de dendrites de tungstène (ou autre substrat)
L'invention concerne aussi un capteur thermique pour centrale
solaire thermique à concentration caractérisé en ce qu'il est
formé par une cavité par exemple en graphite avec une fenêtre
d'entrée transparente dans laquelle est disposée l'absorbeur
selon l'invention formé par une pièce monolithique en carbure de
silicium dont la surface d'absorption est idéalement revêtue de
dendrites de tungstène (ou autres).
Avantageusement, le capteur comporte un brûleur disposé à
l'intérieur de ladite cavité, orientant une flamme en direction
dudit absorbeur.
Selon une variante, il comporte une fibre optique transportant
l'énergie solaire vers ledit absorbeur.
Avantageusement, une partie au moins de la surface intérieure de
la cavité présente des cavités se comportant comme un piège à
lumière (nid d'abeille conique).
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L'invention concerne aussi un système constitué par un capteur
thermique pour centrale solaire thermique à concentration
accouplé thermiquement et mécaniquement à l'admission d'une
machine thermique caractérisé en ce que ledit capteur est formé
par une cavité en graphite avec une fenêtre d'entrée transparente
dans laquelle est disposé un absorbeur formé par une pièce
monolithique en carbure de silicium dont la surface d'absorption
est revêtue de dendrites de tungstène.
Avantageusement, ladite machine à détente avec partie supérieure
en carbure de silicium.
L'invention concerne encore un procédé de préparation d'un
absorbeur selon l'invention caractérisé en ce qu'il comporte une
étape de dépôt d'une fine couche absorbant le rayonnement pouvant
être constitué par exemple d'une projection par torche plasma ou
flux solaire concentré de dendrites de tungstène sur la surface
d'une pièce monolithique en carbure de silicium. Ladite couche
peut aussi avantageusement être déposée dès la sortie du moulage,
la pâte obtenue étant relativement collante et permettant ainsi
la fixation aisée des dendrites par simple projection mécanique
ou poudrage.
Selon une variante, le procédé comporte une étape de projection
par laser de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce
monolithique en carbure de silicium.
Selon d'autres variantes, l'invention concerne :
Un capteur thermique pour centrale solaire thermique à
concentration caractérisé en ce qu'il est formé par une cavité
isolée sous vide par exemple en graphite avec une fenêtre
d'entrée transparente dans laquelle est disposé un absorbeur
formé d'une pièce monolithique en carbure de silicium de grande
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pureté dont la surface d'absorption est revêtue de dendrites de
tungstène.
Avantageusement, cet absorbeur de rayonnements solaires, pour
centrale solaire thermique à concentration présente :
- une configuration en nid d'abeille dont les
cellules sont coniques/évasées avec une hauteur plus
importante au centre et présentant des microcavités.
- une interface sphérique étanche supportant
supérieur/inférieur faisant office de
bride
d'assemblage/étanchéité avec un support présentant un nid et des
ailettes et un assemblage par filetages d'un tuyau sur un
dispositif thermodynamique.
- des ailettes pour l'échange thermique avec le
fluide en forme de rosaces et présentant des microcavités avec
une hauteur plus élevée au centre.
- un disque obturation et des lumières de passage du
fluide.
- une section tronconique hélicoïdale centrale avec
un renvoi à 90 et une forme évasée/conique.
- un brûleur disposé à l'intérieur de ladite cavité,
orientant une flamme en direction dudit absorbeur.
- des surfaces d'échange avec microcavités.
L'invention concerne aussi un système constitué par un capteur
thermique pour centrale solaire thermique à concentration
susvisé, accouplé thermiquement et mécaniquement à une tubulure
(sortie fluide chaud) ou à l'admission d'une machine thermique
caractérisé en ce que ledit capteur est formé par une cavité en
graphite avec une fenêtre d'entrée transparente dans laquelle
est disposé un absorbeur formé d'une pièce monolithique en
carbure de silicium dont la surface d'absorption est revêtue de
dendrites de tungstène.
De préférence, ladite machine à détente avec partie supérieure
en carbure de silicium.
Avantageusement, il comporte une étape de projection par plasma
de dendrites de tungstène sur la surface d'une pièce monolithique
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en carbure de silicium et/ou une étape de dépôt par poudrage
lors de l'élaboration en phase pâteuse de dendrites de tungstène
sur la surface d'une pièce monolithique en carbure de silicium.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la
description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention
qui suit, se référant aux dessins annexés où :
- La figure 1 représente un absorbeur vu en coupe, partie
supérieure vers le haut (soleil/flamme) comportant le nid
d'abeille, l'interface étanche au milieu (3) et les ailettes
de l'échangeur fluide en dessous
- La figure 2 représente une vue de dessous de l'échangeur avec
son cône hélicoïdal au centre.
- La figure 3 représente une coupe de l'interface et de la
partie inférieure seule.
- La figure 4 représente une vue des nids d'abeille
- La figure 4A représente une vue des dendrites
- La figure 5 est une représentation simplifiée de la matrice
nid d'abeilles
- La figure 6 est une représentation d'une première forme de
dendrite de tungstène agrandies
- La figure 6A est une représentation d'une autre forme de
dendrite de tungstène agrandies
- La figure 7 représente une gros plan dendrites fusionnées sur
le support en CSi
- La figure 8 représente une enceinte de confinement externe
(unité pour concentrateur solaire).
- La figure 9 représente une coupe détaillée du cône hélicoïdal
- La figure 10 représente une représentation 3D du cône
hélicoïdal pour la compréhension du dispositif.
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Description du contexte d'utilisation d'un absorbeur selon
l'invention
Le capteur thermique permet d'absorber le rayonnement solaire
pour le transformer en chaleur. Cette chaleur est ensuite
transmise à un fluide caloporteur. Un capteur est composé d'un
absorbeur, d'un fluide caloporteur, d'une isolation, parfois
d'un vitrage et de réflecteurs.
L'absorbeur est l'un des éléments les plus importants d'un
capteur thermique ; il convertit le rayonnement solaire en
chaleur.
L'absorbeur se caractérise par deux paramètres :
- le facteur d'absorption solaire a* (ou
absorptivité): le rapport du rayonnement lumineux absorbé par le
rayonnement lumineux incident;
- le facteur d'émission infrarouge E (ou émissivité):
le rapport entre l'énergie rayonnée dans l'infrarouge lorsque
l'absorbeur est chaud et celle qu'un corps noir rayonnerait à la
même température.
Dans les applications de chauffage solaire, on cherche à obtenir
le meilleur rapport facteur d'absorption solaire / facteur
d'émission infrarouge. Ce rapport est appelé sélectivité.
Le matériau constituant l'absorbeur est en règle générale en
cuivre ou aluminium mais aussi parfois en matière plastique. Les
propriétés de quelques matériaux utilisés comme absorbeurs.
La structure de l'absorbeur est illustrée par les figures 1, 2,
3 et 8.
Il comprend une structure (1) en nid d'abeille exposé au
rayonnement solaire par l'intermédiaire d'un hublot (10). Elle
est fixée sur l'enceinte par une bride (2). Une membrane (3)
forme une interface étanche. Un joint (4) assure l'étanchéité
entre la bride (2) et un épaulement interne de l'enceinte. Une
structure (6, 12) présente une section tronconique hélicoïdale
centrale avec des ailettes inférieures (5). Elle est fixée par
des vis (7).
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Un disque d'obturation (11) s'étend sous la structure (12).
Dans la zone comprise entre le hublot (10) et la structure en
nid d'abeille (1), un brûleur injecte des gaz chauds. Cette zone
présente par ailleurs des orifices d'évacuation (14).
La structure en nid d'abeilles reçoit le flux thermique, et
présente une interface étanche au centre, avec une bride sur les
côtés avec les ailettes sur toute la hauteur (permet de supporter
de fortes pressions), en dessous au centre le cône hélicoïdal
(permet de renvoyer le fluide à 90 ), en bas le disque
d'obturation = permet de rendre étanche le circuit fluide et
permettre la circulation de la périphérie vers le centre et
inversement (réversible/alternatif)
Tableau 1
Matériaux absorptivité émissivité sélectivité Tempéra-
ture max.
a* E
Nickel noirci 0,88 - 0,98 0,03 - 3,7 - 32 300 C
(Black 0,25
nickel)
Film graphite 0,876 - 0,92 0,025 - 14,4 - 36,8 250 C
(Graphitic 0,061
films)
Cuivre noirci 0,97 - 0,98 0,02 48,5 - 49 250 C
(Black
copper)
Chrome noirci 0,95 - 0,97 0,09 - 3,2 - 10,8 350
-
(Black 0,30 425 C
chrome)
Afin d'obtenir un meilleur rendement, certains systèmes sont
donc constitués d'un revêtement particulier.
Le fluide caloporteur (ou caloriporteur) permet d'évacuer la
chaleur emmagasinée par l'absorbeur et de la transmettre vers là
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où elle doit être consommée. Un bon fluide caloporteur doit
prendre en compte les conditions suivantes :
- être chimiquement stable lorsqu'il atteint une
forte température, en particulier lors de la stagnation du
capteur;
- posséder des propriétés antigel en corrélation
avec les conditions météorologiques locales;
- posséder des propriétés anticorrosives selon la
nature des matériaux présents dans le circuit capteur;
- posséder une chaleur spécifique et une
conductivité thermique élevées afin de transporter efficacement
la chaleur;
- être non-toxique et avoir un faible impact sur
l'environnement;
- avoir une basse viscosité afin de faciliter la
tâche de la pompe de circulation;
- être facilement disponible et bon marché
Le bon compromis par rapport à ces critères est un mélange d'eau
et de glycol (utilisé dans le liquide de refroidissement des
automobiles), même s'il n'est pas rare de trouver des systèmes
fonctionnant à l'eau pure ou tout simplement à l'air selon
l'utilisation.
Le vitrage permet de protéger l'intérieur du capteur contre les
effets de l'environnement et d'améliorer le rendement du système
par effet de serre.
Si l'on souhaite un vitrage efficace, il doit posséder les
propriétés suivantes:
- réfléchir le rayonnement lumineux au minimum
quelle que soit son inclinaison;
- absorber le rayonnement lumineux au minimum;
- avoir une bonne isolation thermique en gardant le
rayonnement infrarouge au maximum;
- résister dans le temps aux effets de
l'environnement (pluie, grêle, rayonnement solaire,...) et aux
grandes variations de températures.
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Les principaux vitrages utilisés pour les capteurs thermiques
sont à base de verre non-ferrugineux ou en verre acrylique, et
souvent dotés d'un revêtement anti-reflet.
L'isolant thermique permet de limiter les déperditions
thermiques, sa caractéristique est le coefficient de
conductivité; plus il est faible meilleur est l'isolant. Les
principaux matériaux utilisés pour les capteurs thermiques sont
la laine de roche et de verre, des mousses de polyuréthane ou
encore de la résine de mélamine.
Quelques isolants utilisés pour les capteurs thermiques :
Tableau 2
Matériaux Conductivité thermique
Laine de roche 0,032 - 0,040 W/m.K
Laine de verre 0,030 - 0,040 W/m.K
Mousses de polyuréthane 0,022 - 0,030 W/m.K
(étanchéité)
Dans le cas des capteurs thermiques vitrés, il est aussi
intéressant de remplacer l'isolation entre la vitre et
l'absorbeur par de l'air. En effet, l'air a un grand pouvoir
d'isolation, il est ainsi utilisé dans le double vitrage.
Toujours dans l'objectif d'obtenir de meilleurs rendements,
certains fabricants utilisent d'autres gaz comme l'argon ou le
xénon, et lorsque cela est possible, on préférera même utiliser
le vide. Voici les coefficients d'isolation de gaz utilisés comme
isolants :
Tableau 3
Gaz Conductivité thermique à 283 K,
1 bar.
Air 0,0253 W/m.K
Argon 0,01684 W/m.K
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Xénon 0,00540 W/m.K
Description de l'absorbeur selon l'invention
L'absorbeur selon l'invention est constitué par une pièce
monolithique en CSi sur laquelle sont déposés lors de
l'élaboration en phase pâteuse, ou encore projeté par laser ou
plasma des dendrites de tungstène, une forme cristalline
absorbant 98% du rayonnement infra-rouge et à un point de fusion
supérieur à 3.400 C.
On entend par dendrite au sens du présent brevet une forme
cristalline obtenue par solidification, et présentant une forme
arborescente. Un flocon de neige, par exemple, a une structure
dendritique. Lesdites dendrites sont préférentiellement des
résidus ou poussières industrielles ou être réalisées par voie
solaire à haute température.
L'agglomération des dendrites de tungstène sur le CSi peut être
réalisée en couche mince et sous haute température ou par tout
autre procédé.
L'absorbeur forme ainsi un piège à lumière, notamment à l'aide
de micro cavités réalisées lors du moulage, pour présenter des
caractéristiques proches d'un corps noir.
Description détaillée de l'invention
Les principales qualités d'un absorbeur sont :
a) capacité à recevoir et transférer le maximum d'énergie
b)Etre un très bon conducteur thermique
c)Ne pas réfléchir ou rayonner les IR (infra rouge)
d) Supporter une très forte densité énergétique
e)Supporter les chocs thermiques et rester inerte
chimiquement
f)Ne pas se détériorer dans le temps
g) Avoir un coût de fabrication le plus bas possible
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h)Etre facilement industrialisable
i) Avoir d'importantes propriétés mécaniques
La première qualité d'un absorbeur est sa capacité à recevoir un
rayonnement (soleil/flamme) et le transférer dans un fluide avec
le meilleur rendement possible.
L'absorbeur se trouve être dans une enceinte sous vide permettant
une isolation thermique parfaite, laquelle est idéalement en
graphite et recouverte d'un hublot transparent au rayonnement
solaire et recouverte d'un revêtement anti réflexion limitant
les pertes optiques. La cavité sous vide est équipée d'un brûleur
permettant d'apporter l'énergie nécessaire lors de l'absence du
flux solaire et une sortie est aménagée pour évacuer les résidus
de la combustion.
La majorité des absorbeurs connus utilisent des matériaux tels
que l'inox, avec ou sans revêtement absorbant/sélectif. Ce
matériau à un taux d'absorption très limité et rediffuse une
bonne part du rayonnement infrarouge. D'autre part sa
conductivité est très limitée puisque de l'ordre de 20 W/m.K, ce
qui est très peu comparé à d'autres matériaux reconnus tels que
le cuivre = 386 W/m.k qui s'avère être 20 fois meilleur
conducteur thermique, propriété importante pour la qualité d'un
absorbeur. Ensuite l'inox n'est utilisable que jusqu'à 800 C ce
qui limite d'autant les rendements thermodynamiques avantageux
dans les hautes plages de température. L'un des matériaux
appropriés proposé dans l'invention et qui sera cité à titre
d'exemple est le CSi (carbure de silicium) sous une forme
relativement pure.
Le CSi pur est un excellent conducteur thermique jusqu'à 1.200
C avec une conductivité maximale d'environ 350 W/m.k proche de
celle du cuivre, ce qui lui confère des propriétés
exceptionnelles, de plus il conduit parfaitement les IR (infra
rouges). Il supporte d'importants chocs thermiques et sa très
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importante dureté et résistance mécanique permet de concevoir
des pièces pouvant supporter de très fortes contraintes
permettant ainsi la réalisation de pièces de faible épaisseur
dans avec une excellente conductivité thermique. Inerte
chimiquement, il supporte les très hautes températures et ne se
dégrade pas dans le temps.
Par contre le CSi pur est entaché de plusieurs problématiques
car il est quasi transparent au rayonnement solaire, ressemblant
à du verre, et n'absorbe donc pas le flux solaire concentré.
D'autre part il est très difficile de réaliser des pièces de
géométrie complexe nécessaires pour réaliser des absorbeurs
quasi parfaits. Enfin, sa mise en uvre nécessite une très grande
quantité d'énergie et de très hautes températures.
Pour remédier à cela, l'absorbeur selon l'invention est
recouvert d'une fine couche de dendrites de tungstène sur la
face exposée à la source de chaleur. Les dendrites de tungstène
ont la propriété de capter parfaitement le rayonnement solaire
ou provenant d'une flamme et le transmettre dans un substrat
support avec une efficacité de 98%. Pour cela on dépose les
dendrites par l'intermédiaire, par exemple, d'une torche à
plasma ou tout autre procédé adapté, notamment lorsque le CSi
sort de la phase de moulage, sa consistance pâteuse adhérente
permettant une parfaite cohésion.
Pour absorber avec la plus grande efficacité possible un flux
incident, il est nécessaire de réaliser une géométrie
particulière qui puisse capter et piéger le rayonnement
incident. Les absorbeurs connus ont en générale une surface
lisse, laquelle réfléchit une grande part du rayonnement.
L'invention dispose d'une géométrie agissant comme un piège à
lumière et se compare à un corps noir. Pour cela la surface est
constituée d'une structure en nid d'abeille dont la section est
conique, fine en partie supérieure, et large en parie inférieure.
Ainsi il est possible de capter avec la plus grande efficacité
qui soit le rayonnement entrant car il ne peut ainsi s'échapper
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et est parfaitement capté par les dendrites qui transfèrent dès
lors le flux dans le substrat en CSi. D'autre part la
conformation conique du nid d'abeilles permet un démoulage aisé
Concernant la réalisation, l'état de l'art ne permet pas
actuellement de fabriquer des pièces à géométries complexes,
d'autant que pour un bon absorbeur il faut limiter au maximum
l'épaisseur, au détriment de sa solidité, ce qui n'est
actuellement pas envisageable dans l'état de l'art car
nécessitant un usinage avec des outils dont le diamètre et la
longueur sont limités pour des raisons mécaniques.
L'invention permet de remédier à ces problèmes grâce à deux
procédés novateurs, l'un étant le pressage isostatique haute
pression, le second en fabrication additive par imprimante 3D.
Le pressage isostatique haute pression développé par l'inventeur
permet d'envoyer une pâte de CSi dans un moule formé de deux ou
plusieurs pièces, quasi similaire à l'injection plastique ou
métallique, l'un pour la partie supérieure, et le second pour la
partie inférieure, et éventuellement un troisième pour le cône
hélicoïdal central pouvant nécessiter une fonction de
vissage/devissage ou encore deux demi-coquilles de moulages
indépendantes. Il est ainsi possible d'obtenir des pièces de
géométrie complexe avec une très faible épaisseur, pouvant être
de l'ordre du millimètre, l'architecture géométrique de la pièce
permettant ce genre de réalisation. Le disque d'obturation
pouvant être rajoutés dans la foulée pour obtenir une pièce
monolithique.
Le second procédé testé avec succès par l'inventeur est
l'impression additive ou impression 3D. Une buse ou un ensemble
de buses dépose la pâte de CSi au fur et à mesure sur un plateau
formant progressivement une pièce à géométrie dont la complexité
est quasi infinie ou l'obtention de formes impossibles à réaliser
autrement.
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La surface en nid d'abeilles est idéalement constituée d'une
surface rugueuse présentant des microcavités absorbant
avantageusement la lumière et permettant une accroche plus
facile des dendrites. De même, les ailettes de la partie
inférieure peuvent présenter des microcavités générant des micro
turbulences, lesquelles contribuent d'une part à augmenter les
coefficients d'échange thermique, d'autre part à diminuer les
frottements sur les surfaces augmentant le rendement global.
Les pièces, après différents traitements appropriés, sont
ensuite frittées dans un four à haute température,
traditionnellement alimenté par du gaz ou électrique, mais
peuvent aussi idéalement être frittées par voie solaire à
concentration pour diminuer drastiquement les coûts de
production. L'absence de la source solaire étant idéalement
palliée par la combustion d'un mélange hho lequel produit une
flamme de très grande qualité à 2800 C dont le résidu n'est que
de la vapeur d'eau laquelle peut indéfiniment être recyclée. Le
mélange hho, aussi appelé solar fuel , peut idéalement être
produit par voie solaire et baisser d'autant le coût énergétique.
L'autre avantage de ce procédé solaire est que l'on peut ensuite
envisager un recuit contrôlé pour libérer les tensions, celui-
ci étant très peu coûteux.
On peut ainsi envisager la production industrielle à très grande
cadence de pièces de géométrie complexe et à très bas coût de
fabrication tout en ayant un indice carbone proche ou égal à
zéro et donc aucun impact environnemental.
L'absorbeur bien qu'il soit monolithique, est divisé ici en trois
sections pour des raisons de compréhension de la description. La
première section est la partie supérieure recevant le flux
thermique, la seconde est l'interface permettant de supporter
les deux sections principales et de réaliser l'assemblage dans
une structure sous pression tout en garantissant l'étanchéité.
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La troisième section est la partie inférieure, laquelle est
chargée de transmettre l'énergie thermique au sein d'un fluide.
L'ensemble est de forme concave de manière à optimiser la
captation et transfert d'énergie, mais aussi d'assurer la
meilleure résistance mécanique qui soit en rendant homogènes les
flux d'énergie et les forces mécaniques appliquées sur les
surfaces.
La partie supérieure, décrite précédemment, est une structure en
nid d'abeilles de forme conique évasée vers la partie opposée
(Fig 4) de manière à uniformiser les gradients de température,
et sa surface est recouverte d'une fine couche de dendrites de
tungstène. Ces cônes sont plus hauts et larges au centre du fait
qu'un flux solaire ou une flamme est toujours plus important en
son centre, nécessitant de ce fait une densité de matière plus
importante laquelle transmets ensuite par conduction aux
éléments environnants.
Du fait des excellentes propriétés du CSi et de la méthode de
mise en uvre selon l'invention, il est possible de réaliser des
ailettes de convection (nid d'abeille) d'une épaisseur de
l'ordre du millimètre à sa partie haute. Le bord d'attaque
(terminologie ?), qui reçoit le rayonnement solaire direct ou la
flamme (donc le dessus), est arrondi pour éviter les angles vifs
trop fragiles et permettre le démoulage
L'autre intérêt de la structure en nid d'abeille est qu'elle
répartie de manière parfaite les contraintes tant thermiques que
mécaniques. La hauteur du nid d'abeille étant plus important au
centre qu'en périphérie, les contraintes tant thermiques que
mécaniques sont ainsi uniformément réparties sur l'ensemble de
la surface et la structure peut dès lors subir une pression
beaucoup plus importante en son centre ce qui permet de supporter
des densités d'énergie et mécaniques les plus extrêmes,
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contrairement aux absorbeurs connus par exemple en inox dont la
surface est lisse, sphérique et d'épaisseur constante.
Dans la continuité de la structure en nid d'abeille vient une
interface (disque concave étanche séparant partie inférieure
et supérieure), laquelle reçoit les deux parties échangeuses,
supérieure et inférieure. Cette interface permet d'assurer la
continuité de l'étanchéité entre les deux parties opposées et la
bonne transmission énergétique uniformément répartie sur toute
sa surface. Sa forme est préférentiellement sphérique et sa
concavité orientée vers la partie supérieure (recevant le flux),
ce qui permet à l'absorbeur de supporter de très importantes
pressions avec l'épaisseur la plus faible qui soit, concourant
ainsi au rendement thermique. Cette faible épaisseur permet en
outre de limiter le stress mécanique ou les défauts moléculaires
connus dans une forte épaisseur ainsi que la qualité du frittage,
lequel est essentiel pour assurer la pérennité et fiabilité de
l'absorbeur.
Pour assurer le montage étanche de l'absorbeur entre les
différents constituants d'un dispositif thermique, le pourtour
extérieur est constitué d'une portée périphérique s'apparentant
à une bride, laquelle vient s'assembler avec les dispositifs
extérieurs. Celle-ci est d'épaisseur adaptée aux contraintes qui
lui seront soumises et est prévue pour s'insérer dans un cylindre
de section légèrement plus grande sur laquelle l'absorbeur vient
se positionner et assurer un assemblage étanche.
Pour cela il peut être envisagé un anneau identique à un joint
d'étanchéité, lequel est réalisé sur le pourtour central de
manière à appliquer une pression sur une surface limitée définie
comme au sein d'une bride, idéal dans le cadre de très fortes
pressions appliquées. Cet anneau en relief peut aussi être
remplacé par une gorge recevant un joint standard ou être une
portée plate pour certains joints plats notamment du type
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métallique. Un joint isolant, par exemple en graphite, peut aussi
être idéalement envisagé pour supporter les hautes températures,
l'autre avantage de ce type de joint est qu'il constitue un pont
thermique évitant de ce fait la transmission de chaleur vers le
support externe.
Dans ce cas de figure l'absorbeur vient se monter directement
sur le cylindre de réception extérieur tel que Fig 8, et l'on
applique une pression gazeuse suffisante permettant un montage
rapide et aisé, à la façon des pneus tubeless, considérant
d'autant plus que le hublot de la cavité recevant l'absorbeur
est idéalement sous vide. On évite ainsi de créer un stress
mécanique lors des écarts de dilation des différents
constituants du dispositif en permettant un auto-ajustement et
déplacement de l'absorbeur sur la portée étanche.
La partie inférieure de la bride permet le montage de
composants et dispositifs complémentaires et dispose en ce sens
d'éléments permettant leur liaison mécanique tels que des
filetages ou tout système d'assemblage approprié, notamment un
assemblage type quart de tour pour permettre un assemblage rapide
et économique. Lesdits filetages ou dispositifs d'assemblage
peuvent se trouver sur les deux faces pour permettre un
assemblage mécanique durable et sans risque tout en permettant
un parfait maintien de la pression devant être exercée sur le
dispositif d'étanchéité! joint.
La partie inférieure Figures 2 et 3 est constituée de fines
ailettes formant une rosace (terminologie à vérifier) permettant
de transmettre l'énergie thermique au fluide caloporteur ou
fluide de travail/à réchauffer. Les ailettes sont imbriquées
dans la partie bride sur toute leur hauteur de manière à
obtenir une pièce monolithique particulièrement résistante aux
fortes pressions et répartir les forces de manière uniforme.
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Le flux solaire concentré s'apparente à une courbe de Gauss,
soit avec un maxima d'intensité en son centre. De ce fait le
fluide provient idéalement de la périphérie vers le centre pour
éviter des pertes thermiques au niveau de la bride d'étanchéité.
Pour cela une lumière (passage) est pratiquée sur tout le
pourtour de l'entrée des ailettes pour permettre le passage du
fluide. Cette lumière est imposée par un disque obturateur apposé
sur les ailettes et verrouillé par un procédé tel que des ergots
de montage pour éviter son déplacement ou toutes vibrations. Son
montage peut aussi avantageusement se faire sous forme
monolithique suivant la méthode de fabrication, cette dernière
évitant le rajout de dispositifs de fixation/maintien mécanique.
Cette disposition en portions de cercles (rosaces ?) imbriquées
les unes dans les autres permet de créer un certain nombre de
turbulences et de guider le fluide dans une direction bien
précise. De plus la force centripète permet d'augmenter
l'interaction du fluide sur la surface des ailettes, améliorant
ainsi le coefficient d'échange. Cette disposition singulière
permet aussi d'augmenter les surfaces d'échange et augmenter le
rendement thermique de l'absorbeur. L'espace entre les ailettes
est plus important à la périphérie qu'au centre pour une parfaite
corrélation avec la densité énergétique mise en uvre sur les
surfaces.
D'autre part les ailettes sont plus hautes en leur centre que
vers la périphérie ce qui permet d'une part d'optimiser les
échanges thermiques, la plus grande densité d'énergie étant au
centre, et d'autre part de contribuer à la résistance mécanique
de l'ensemble lorsqu'il est soumis à de très fortes pressions
rendues nécessaires notamment dans les dispositifs
thermodynamiques par exemple du type Stirling. Il est ainsi
possible de disposer d'une interface de très faible épaisseur
tout en assurant une extrême résistance mécanique aux très fortes
pressions.
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Du fait de la géométrie particulière des ailettes, un vortex
rapide est formé au centre de la structure inférieure, lequel
est redirigé à l'extérieur de l'absorbeur par une section
tronconique hélicoïdale reprenant le sens du flux initial dans
une direction perpendiculaire soit vers une tuyauterie, soit
vers un piston pour certains dispositifs thermodynamiques.
Ladite section tronconique comporte des ailettes de formes
hélicoïdales, lesquelles permettent de diriger le flux dans le
nouvel axe perpendiculaire d'une part, et d'éviter la surchauffe
sur la zone centrale la plus exposée au rayonnement thermique
incident d'autre part du fait d'une vitesse d'écoulement accrue
par effet Venturi. Le centre du cône est relativement épais alors
que son extrémité est plus fine. La base inférieure de la section
tronconique est avantageusement de forme courbe pour éviter de
trop grandes turbulences et pertes de charge préjudiciables au
rendement global. Cette forme hélicoïdale se rapproche du disque
obturateur pour éviter des pertes liées à des fuites ou défauts
de guidage préférentiellement dans une direction du fluide.
Pour assurer l'étanchéité de la partie inférieure un disque
d'obturation permet de refermer et d'ainsi parfaitement diriger
le fluide destiné à être chauffé. Ce disque comporte une
ouverture en son centre permettant l'éventuelle connexion par
une section de cylindre sur une tuyauterie ou l'envoi sur un
piston, ainsi qu'un diamètre extérieur légèrement inférieur au
diamètre des ailettes permettant ainsi le passage du fluide
depuis la périphérie.
Un dispositif d'accrochage avec le corps de l'absorbeur est
réalisé sur le disque d'obturation, celui-ci pouvant être de
plusieurs façons telles que des ergots, des échancrures ou tout
autre procédé d'assemblage, ou constituant un ensemble
monolithique dans le cas d'impression additive. Un autre procédé
avantageux étant l'assemblage du disque dès lors que le corps de
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l'absorbeur sort de moulage, l'adhérence se faisant alors
aisément, ou encore lors de la réalisation par impression
additive.
De manière générale tous les angles vifs interférant avec le
déplacement du fluide son arrondis pour éviter de générer des
turbulences et autres pertes de charge préjudiciables.
La partie inférieure est aussi conçue pour permettre un passage
alternatif rapide et sans pertes de charges de fluides dans le
sens aller et retour, comme par exemple dans le cas d'un procédé
FPSE (free piston Stirling engine, cela avec des fréquences
pouvant être de l'ordre de plusieurs dizaines de cycles par
seconde.
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