FR3138168A1 - Centrale Hydro-solaire-vapeur-électrique - Google Patents

Abstract

Dispositif pour produire de l’énergie  à partir de nappe d’eau telle que lac, rivière, mer, nappe souterraine.. pompée à une température initiale, surchauffée par le soleil par un système solaire thermique (4) pour être transformée partiellement ou totalement en vapeur , permettant l’entraînement d’une turbine (6).

Description

Centrale Hydro-solaire-vapeur-électrique

La présente invention concerne une centrale pour produire de l’électricité à partir de nappe d’eau telle que lac, rivière, mer, nappe souterraine, etc pompée à une température initiale, surchauffée par le soleil pour être transformée partiellement ou totalement en vapeur, permettant l’entraînement d’une turbine à vapeur.
Une génératrice électrique associée à cette turbine permets de produire de l’électricité.

A la pression atmosphérique, l’eau à l’état liquide se transforme intégralement en vapeur à la température de cent degrés Celsius.
Le processus de changement de phase de liquide à gaz (vapeur) se déroule à des températures plus faibles mais le processus n’est que partiel.
Pour avoir un processus de changement de phase intégral à des températures plus faibles que la températures de cent degrés Celsius, il faut que la pression soit plus faible que la pression atmosphérique.

L’eau pompée a une température initiale en général de quelques degrés ou de quelques dizaine de degrés. L’eau pompée passant dans un panneau solaire thermique peut être surchauffée d’une trentaine de degrés ou très nettement plus.
Si la température finale est supérieure à cent degrés, il n’y a aucune difficulté à obtenir de la vapeur. Si la température finale est de l’ordre de 50 degrés, il n’y aura qu’un changement de phase partiel.

La est un schéma représentant le schéma de base de la centrale sujet de cette invention.

L’eau est pompée à l’aide d’une pompe (3) par un tuyau d’aspiration (1). L’eau sera rejetée par un tuyau de refoulement (2). L’eau pompée est surchauffée par un système thermique solaire (4) exposée au soleil pour être transformée en partie ou complètement en vapeur. La cuve (5) permet de récupérer en partie basse de l’eau liquide épurée et en partie haute de la vapeur. La vapeur permets d’entraîner une turbine (6). La vapeur redevient par refroidissement à l’aide d’un échangeur (7) de l’eau liquide. La pompe de circulation de l’eau pour le refroidissement n’est pas représentée sur le schéma. L’aspiration et le refoulement de l’eau de circulation pour le refroidissement sont repérés (8) et (9).

Au lieu d’utiliser de l’eau, il est possible d’utiliser un autre liquide comme par exemple l’ammoniac qui se vaporise intégralement à des températures plus faible que 100 degrés Celsius à la pression atmosphérique. L’eau est une source abondante et qui est peu être rejetée dans la nature sans problème particulier. Ce qui n’est pas le cas pour les autres fluides. Pour résoudre le non rejet, le fluide circule en circuit fermé et des échangeurs de chaleur permettent de faire le transfert.

La est un schéma représentant le schéma de la variante de la centrale sujet de cette invention avec un fluide autre que de l’eau.

La pompe (18) permet de faire circuler le fluide en circuit fermé. L’échangeur de chaleur (12) permet de transfert de la chaleur du fluide à pomper au fluide en circulation fermé et permettre au fluide en circulation fermée d’être à la température du fluide à pomper. Le fluide en circulation fermé est réchauffé par le système solaire thermique (13). Ce dernier système (13) permet d’effectuer le changement de phase du liquide en circulation fermée. Le liquide étant maintenant sous forme de gaz, il peut entraîner la turbine (14) pour produire de l’électricité avec un générateur électrique. Le gaz doit être refroidi pour qu’il se retrouve sa forme initiale liquide. C’est l’échangeur de chaleur (15) qui permet d’effectuer le refroidissement.

Il existe plusieurs type de panneau solaire thermique. Il est proposé une solution avec un cylindre creux en verre qui est décrit dans les paragraphes suivants.

La est un schéma représentant plusieurs versions de système solaire thermique avec un cylindre creux en verre (20). Un tube métallique (22) dans lequel circule le fluide à réchauffer est positionner en partie centrale du cylindre en verre (20). Le volume compris entre la surface interne du cylindre en verre (20) et la surface externe du tube métallique (22) est rendu en chaque extrémité, étanche. Le volume étant étanche, il est possible de faire du vide par exemple avec une pompe à vide. Le vide est un excellent isolant thermique. Un miroir (21) de forme demi cylindrique est positionné à l’intérieur du cylindre en verre (20). Ce miroir (21) permets de faire réfléchir les rayons du soleil vers le tube métallique (22). Lorsque le fluide à l’intérieur du tube métallique (22) commence à se transformer en vapeur. Le liquide à l’état gaz a une masse volumique nettement supérieure, comme le débit reste constant, la vitesse du fluide augmente considérablement et de ce fait la pression chute. La dépression créée favorise l’accélération de la vaporisation.
Dans le cas de vaporisation très rapide, il peut être nécessaire de prévoir un tube métallique (23) de forme conique.
Dans le cas des périodes de faible ensoleillement, il est possible de prévoir un tube métallique (24) qui ne soit pas cylindrique. La section non cylindrique du tube métallique (24) permets d’emprisonner des volumes de liquide qui peuvent se vaporiser beaucoup plus lentement. Cette section du tube métallique (24) favorise l’écoulement dans un seul sens.

Il existe plusieurs types de turbine à vapeur (6). La turbine de Laval est de conception simple. Une turbine proposée est un mixte entre la turbine de Laval et la turbine de Pelton avec un refroidissement spécifique afin d’optimiser les performances de la turbine.

La est un schéma représentant un injecteur (25) et des aubes (26) d’une turbine Pelton.

La est un schéma représentant la détente de la vapeur. La vapeur est introduit dans l’injecteur (25) en (27). La vapeur ressort de l’injecteur (25) en (28). la vapeur détendue à gagner de la vitesse et permets d’exercer une force sur les aubes (26).

La est un schéma représentant la position des injecteurs (25) et des aubes (26) sur la turbine (6). Les aubes (26) sont positionnées en périphérie d’un grand disque. Les injecteurs (25) sont positionnés de telle manière que la vapeur détendue (28) arrive tangentiellement au grand disque de la turbine (6) au niveau des aubes (26).
Les injecteurs (25) sont isolés thermiquement, le disque avec les aubes (26) ainsi que le corps de turbine (6) ou (14) sont refroidis par l’intermédiaire de l’échangeur (7). La différence de température étant maximale, la détente de la vapeur (28) est optimale et permets d’améliorer les performances de la turbine vapeur (6).

En fonction de l’ensoleillement, la pression obtenue dans la cuve (5) est différente. Pour la turbine vapeur (6), il n’est pas nécessaire de mettre en œuvre tous les injecteurs (25) lorsque la pression est faible. Il est possible de gérer les nombre d’injecteurs (25) en fonction de la pression par l’intermédiaire d’un automate, de capteurs et de vannes pilotées. Il est possible de gérer le nombre d’injecteur (25) de façon mécanique.

La est un schéma représentant un système très simple pour gérer le passage de la vapeur en fonction de la pression. Ce système est similaire au système des autocuiseurs utilisées en cuisine. La vapeur en partie basse exerce sur la masse (29) une force de soulèvement. En fonction de la masse (29), celle-ci se soulève ou pas, ce système est une soupape lestée (29) .

La est un schéma représentant le schéma de base de la centrale sujet de cette invention dans une conception de technologie simple.
La pompe (3) aspire l’eau à une température initiale en (1) et est rejetée en fin de processus en (2). L’eau pompée est surchauffée par le système thermique solaire (4), en passant dans le tube métallique (22) ou (23) ou (24), l’eau liquide se transforme partiellement ou totalement en vapeur. Dans la cuve (5), il est récupéré de l’eau liquide épurée. Une soupape (29) limite la pression dans cette cuve (5). La vapeur est injectée dans la turbine vapeur (6). Chaque injecteur (25) de la turbine vapeur (6) est muni de soupape (29) permettant leur mise en œuvre en fonction de la pression. A la sortie de chaque injecteur (25), la vapeur se détend et exerce une force sur les aubes (26) permettant la mise en rotation de la roue de la turbine et crée un couple moteur permettant d’entraîner une génératrice électrique. Pour que la détente soit maximale, le corps de la turbine (6) et la roue de la turbine (6) sont refroidis par l’eau à pomper par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur (7). La circulation de l’eau de refroidissement se fait avec une pompe (30) dont les points d’aspiration et de refoulement sont en (8) et (9).

La est un schéma représentant une variante du schéma précédent. Dans le cas ou l’eau à pomper est une rivière, les pompes (3) et (30) peuvent être remplacées par des venturi (31)

Claims (7)

1. Dispositif pour produire de l’énergie à partir de nappe d’eau telle que lac, mer, fleuve, nappe souterraine, etc pompée à une température initiale à l’aide d’une pompe (3) et d'un tuyau d’aspiration (1), surchauffée par le soleil par un système solaire thermique (4) dans une cuve (5) pour être transformée partiellement ou totalement en vapeur en partie haute de la cuve, qui permet l’entraînement d’une turbine (6).
2. Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce que le système solaire thermique comprend un tube métallique (22) ou (23) ou (24) qui est chauffé par le soleil permettant la vaporisation totale ou partielle de l’eau liquide pompée passant dedans, et qui par augmentation de volume dû au changement de phase liquide vapeur, provoque une accélération du fluide et une dépression favorisant la vaporisation
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube métallique est un cylindre creux (22) ou est un cylindre creux conique (23) ou est une forme de révolution (24) favorisant l’emprisonnement de fluide et favorisant l’écoulent dans un seul sens.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine vapeur (6) est une turbine Pelton dont les injecteurs vapeur (25) fonctionnent par détente (28), permettant une accélération du fluide.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur (7) configuré pour maintenir le corps et la roue de la turbine à la température initiale du liquide à pomper, les injecteurs étant isolés thermiquement du corps de la turbine (6) et de la roue de la turbine (6) comportant les aubes (26) afin de favoriser la détente (28) de la vapeur.
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pilotage du nombre d’injecteurs (25) mis en service dépend de la pression de la vapeur.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque injecteur (25) de la turbine vapeur (6) est muni de soupape lestée (29) permettant sa mise en œuvre en fonction de la pression.