[Blog de Remundo] Machines et Animaux non conventionnels

[Remundo]

Géométrie de cavité afocale anti-émissive
de type concave/concave,
avec petit miroirs de perfectionnement


Piégeage géométrique parfait de tout rayon entrant dans la cavité parallèmement à son axe optique

[Remundo]

Les enceintes de confinement de l’énergie

Les enceintes de confinement de l’énergie (ECE) recueillent des faisceaux convergents à faible angle d’ouverture (AO de l’ordre de 50°) et ont une partie optiquement ouverte sur l’atmosphère. Ce sont des parois récupératrices de rayonnement à très hautes températures (jusqu’à plusieurs milliers de Kelvin) qui doivent être isolées de l’extérieur pour supprimer :
- les pertes par rayonnement en plaçant une ou plusieurs parois (11) sensiblement concentriques autour de l’enceinte (ECE) dont la face réfléchissante est tournée vers l’intérieur de l’enceinte, et l’autre face, idéalement noire, est tournée vers l’extérieur. Ainsi, cela permet :
o à tout rayonnement provenant de l’enceinte d’y retourner instantanément, et,
o à tout rayonnement extérieur à l’enceinte d’être absorbé par la face noire, et ainsi de revenir progressivement vers le centre l’enceinte.
- les pertes par conduction thermique en plaçant entre les parois concentriques un excellent isolant thermique (12) comme de l’argon sous vide poussé : secondaire (10-6 Pa) ou moléculaire (10-10 Pa).
Les parois (7,9,10) des enceintes nécessitent d’être sommairement réfléchissantes et non diffusantes : ceci permet aux rayons collectés d’être absorbés à chaque nouvelle réflexion.

Les propriétés anti-émissives des enceintes (ECE) sont obtenues :
- par la possibilité de fermer complètement l’enceinte par un clapet (26) lorsque le soleil disparaît,
- par des composés physicochimiques, déposés sur ou entre les parois de l’enceinte, capables d’absorber et retenir fortement le rayonnement infrarouge d’un corps de quelques milliers de Kelvin,
- avec une géométrie des parois de la enceinte obligeant tout rayon pénétrant dans l’enceinte (ECE) d’y effectuer des dizaines, voire centaines de réflexions absorbantes avant d’avoir la possibilité géométrique d’en ressortir.
C’est ce dernier point qui est crucial pour le caractère anti-émissif de l’enceinte (ECE). Les meilleures géométries anti-émissives peuvent être notamment de trois types :o surfaces paraboliques ou sensiblement paraboliques, à foyers de préférence confondus et à axes optiques de préférence alignés, l’une de longue focale (9,9A,9B), l’autre de courte focale (10,10A,10B) :
§ concave/concave, ou,
§ concave/convexe
définissant une « cavité afocale » (6,6A,6B)

o « couloirs anti-retour » (7,7A,7B) à section croissante dans le sens d’entrée des rayons focalisés
o combinaison des deux précédentes : au moins un couloirs anti-retour (7,7A,7B) débouchant dans au moins une « cavité afocale » (6,6A,6B).

[Remundo]

Comportement anti-émissif d'une cavité afocale concave/concave pour des rayons entrant inclinés par rapport à l'axe optique


Comportement anti-émissif d'une cavité afocale convexe/concave pour des rayons entrant inclinés par rapport à l'axe optique


Comportement anti-émissif d'une cavité afocale concave/concave à géométrie altérée par désalignement des axes optiques des paraboles

[Remundo]

Principe général de fonctionnement

Le dispositif (1) de type « piège solaire hyperthermique simple » comprend essentiellement :
- un socle (20) fixé sur le sol, doté d’un mécanisme l’orientant selon 2 axes de rotation distincts
o l’un (21A) assurant un suivi de l’angle local d’azimut du soleil,
o l’autre (21B), assurant un suivi de l’angle local de hauteur du soleil,
- un support (22) subissant exactement l’orientation des 2 rotations précédentes,
- au moins un miroir collecteur (5) fixé sur le support dont l’orientation permet à chaque miroir de pointer précisément vers le centre apparent du soleil (S),
- une ou plusieurs enceintes de confinement de l’énergie (ECE) dans lesquelles pénètrent les rayons (4) collectés par le miroir collecteur (5), éventuellement renvoyés par un jeu de miroirs complémentaires (19),

L’enceinte de confinement (ECE) est constituée :
- soit d’au moins une cavité afocale (6,6A,6B)
- soit d’au moins un couloir anti-retour (7,7A,7B)
- soit de l’association d’au moins une cavité afocale et d’au moins un couloir anti-retour, et,
- d’une coque isolante obtenue grâce à des miroirs (11, 11A, 11B, 11C) sensiblement concentriques, enveloppant chaque cavité afocale (6,6A,6B) et chaque couloir anti-retour (7,7A,7B), destinés à supprimer les pertes thermiques par rayonnement et conduction, grâce aux aménagements suivants :
o leurs faces réfléchissantes, de préférence à haut pouvoir réfléchissant, sont orientées vers l’intérieur, leurs faces non-réfléchissantes, de préférence à haut pouvoir absorbant, sont orientées vers l’extérieur,
o l’espace entre ces miroirs est rempli par un ou plusieurs excellents isolants thermiques (12,12A,12B,12C).
Une exposition prolongée au soleil (S) pourra élever la température interne de l’enceinte (ECE) à plusieurs milliers de Kelvin ; à condition d’y aménager une trappe, celle-ci pourra alors constituer un four solaire expérimental pour des objets de petite taille, ou de plus grande taille si l’enceinte (ECE) a une dimension adaptée à l’objet.

Le dispositif (1) de type « piège solaire hyperthermique à fluide caloporteur » reprend les éléments du « piège solaire hyperthermique simple » en lui ajoutant des tubulures d’échange thermique (27,30) au contact de l’enceinte de confinement de l’énergie (ECE), dans lequel circulera ledit fluide. Les pièges solaires à fluide caloporteur peuvent assurer différentes fonctions :
- four solaire de plus grande dimension et excentré de l’emplacement de la cavité anti-émissive,
- thermolyse de composés chimiques en les mettant au contact du fluide, ou bien dans une cavité plus grande (29) réchauffée par le fluide,
- récupération de chaleur ou d’un travail mécanique dans le cadre d’un cycle thermodynamique :
o ouvert : le fluide caloporteur est injecté à partir de l’extérieur de la machine (32), réchauffé au contact (24) de la cavité hyperthermique, puis rejeté à l’extérieur en produisant éventuellement un travail mécanique,
o fermé : le fluide caloporteur reste confiné dans un circuit fermé dont le parcours lui permet de se réchauffer au contact (24) de la cavité anti-émissive et se refroidir au contact (25) d’un autre échangeur thermique.
Dans ce dernier cas, une production d’énergie mécanique est possible, tout particulièrement avec un cycle de Stirling. La solution la plus élégante est :
- l’intégration dans la coque isolante du régénérateur du moteur Stirling,
- la mise en contact de la partie chaude (24) du moteur Stirling avec la cavité anti-émissive (6) ou le couloir anti-retour (7) dans la coque isolante,
- le refroidissement de la partie froide du moteur à l’extérieur de la coque (25), par tout moyen adéquat (refroidissement à l’air brassé ou non, à l’eau…)

Pour la production d’énergie électrique, il suffira de coupler l’axe du moteur Stirling à une génératrice. Le cycle de Stirling respecte théoriquement le rendement optimal de Carnot entre une source chaude et une source froide. De plus, le circuit fermé du fluide caloporteur permet de le choisir à haute conductivité thermique.

[Remundo]

Comportement anti-émissif d'une cavité afocale concave/concave à géométrie fortement altérée par désalignement des axes optiques des paraboles ET foyers non confondus


Vue éclaté et schématique des composants typiques d'un piège solaire hyperthermique

[Remundo]

Dimensions et implantations

La taille des pièges solaires hyperthermiques (1) peut être très variable : toutefois, des miroirs (5) de quelques mètres carrés possèdent les dimensions adéquates pour obtenir par beau temps :
- une puissance thermique de quelques milliers de Watt
- une puissance mécanique de 300 à 600 W/m² selon le cycle thermodynamique et la qualité du moteur utilisés.
- une prise au vent de l’ordre de celle d’une parabole satellite qui ne pose pas de problème particulier.

Pour des installations à usage industriel, on obtient une centrale électrique solaire de haut rendement en juxtaposant les pièges solaires (1) sur toute la surface mise à disposition. Des dispositifs rehausseurs (36) montés ou non sur des socles rotatifs (37) peuvent être envisagés pour éviter les phénomènes d’ombre intervenant en incidence rasante du soleil à son lever et à son coucher.

Le caractère modulaire de la centrale sera particulièrement profitable en terme de fiabilité et de maintenance, car :
- la probabilité de panne simultanée sur tous les pièges hyperthermiques est quasi nulle,
- une intervention sur un piège se fait en le déconnectant sans arrêter la centrale, avec une influence faible sur sa puissance dès que le nombre de pièges juxtaposés dépasse 10.
De telles installations trouveront particulièrement bien leur place dans des zones bien insolées et peu valorisées, représentant des milliers de km² telles que :- les crêtes à valeur agricole très faible,
- les mers et océans,
- les déserts.

La ressource solaire étant intermittente et irrégulière, la régulation de la production électrique de telles centrales doit être prévue :
- sans stockage d’énergie : le réseau gère les irrégularités en jouant sur la production d’autres centrales électriques régulatrices (notamment thermiques ou hydrauliques), comme il le fait actuellement pour gérer l’irrégularité des centrales éoliennes,
- avec stockage d’énergie : les pièges solaires hyperthermiques présentent l’avantage de permettre un stockage thermique de grande ampleur, efficace et peu onéreux puisqu’il suffira de chauffer à environ 1000°C, à l’aide d’un fluide caloporteur et de tubulures d’échange thermique (27,30), une masse importante de matériaux de bonne capacité thermique (29) : roche, terre, sable, métaux, eau, fluide spécifique… Ces matériaux devront être positionnés dans des containers (29) reprenant les principes de fabrication de la coque isolante. Les containers pourront éventuellement être enterrés ou intégrés dans le dispositif rehausseur (36).

Dans le cadre de cette production électrique, sur la base d’un rendement de 60%, il reste 40% de l’énergie solaire incidente rejetée sous la forme de chaleur. Deux options de cogénération sont envisageables :
- source froide peu refroidie : rejetant un fluide à environ 90°C et plus, permettant l’alimentation en appoint d’un chauffage urbain,
- source froide très refroidie : rejetant un fluide à moins de 25°C permettant de réchauffer gratuitement une serre à vocation agricole toute l’année, ce qui est actuellement impossible selon les saisons et/ou les pays.

Le potentiel solaire est très important puisque, avec un rendement de conversion thermoélectrique de 60% et 100 W/m² de puissance solaire moyenne annuelle :
- une installation semi-industrielle de 100 m² (soit 10x10m) a une puissance moyenne électrique de 6 kW adaptée à un immeuble bien insolé de 15 appartements « 3 pièces »
- une grosse installation de 900 km², en un seul carré de 30 km de côté, ou répartie en plusieurs ilots en mer produirait 54 GW, soit l’équivalent de 54 centrales nucléaires, ce qui doublerait la puissance électrique installée en France.
Ces plates-formes off-shore sont tout à fait envisageables puisqu’elles sont largement maîtrisées depuis des années dans le cadre d’extractions pétrolières et que l’électricité produite peut transiter par câble sous-marin. Par ailleurs, dans le cas d’une construction proche du continent, leur périmètre important pourrait être aménagé en quais pour désengorger les ports de plaisance.

Ainsi, le piège solaire hyperthermique (1) s’adapte aussi bien à une approche centralisée que décentralisée de la production d’énergie électrique d’origine solaire.

Pour une installation à usage domestique, un ou plusieurs pièges solaires sont implantables sur les toits des immeubles ou des maisons. Les puissances sont alors beaucoup plus faibles, mais amplement suffisantes pour couvrir plus de la moitié des besoins électriques, voire la totalité. Sur la base de 3500 kWh annuels par foyer, cela représente une puissance moyenne de 400 W, ce qui correspond à la production de 4 paraboles de 150 cm de diamètre, de rendement 60% et insolées à 100 W/m² en moyenne.

La cogénération est aussi envisageable en utilisant l’air de la maison, ou son eau « chaude » comme source froide. La maison dispose dans ce cas de 2333 kWh thermiques d’appoint et de 3500 kWh électriques par année.

Enfin, quel que soit le type d’installation (industrielle, semi-industrielle ou domestique), lorsque le piège hyperthermique (1) se destine à la production d’énergie électrique, la face non réfléchissante de son miroir collecteur (5) peut être tapissée de panneaux photovoltaïques (33) qui sont les seuls dispositifs capables de convertir directement un rayonnement solaire indirect ou diffus en électricité. En période diurne, cette conversion du rayonnement diffus sera permanente quelles que soient les conditions atmosphériques. Toutefois, si les conditions deviennent nuageuses, et avec une cinématique d’orientation adéquate, le miroir collecteur pourra être basculé de 180° environ afin de placer face aux nuages les panneaux photovoltaïques (33).

Une telle machine, combinant un haut rendement de conversion électrique du rayonnement solaire direct (grâce à son piège hyperthermique) et la récupération optimale du rayonnement solaire diffus (grâce à ses panneaux photovoltaïques), se classe immédiatement parmi les machines hélioélectriques les plus efficaces et adaptatives pour des applications variées et respectueuses de l’environnement, qu’elles soient industrielles ou à plus petite échelle.

[Remundo]

Fonctionnement optique d'un PHRSD à enceinte de confinement constituée d'un couloir anti-retour à colimaçon de géométrie de révolution ou extrudée.


Vue schématique du Piège Hyperthermique assemblé

[Remundo]

Description détaillée

Le rayonnement solaire direct est issu du Soleil (S), notre étoile, dont le centre S est situé à 150 000 000 de kilomètres du centre de la Terre T. Le diamètre du soleil vaut environ 1 350 000 km. Il est donc vu depuis la Terre sous le diamètre angulaire DA = 0.52°. Ainsi, tel qu’illustré en figure 1A, tout point M d’une surface exposée au soleil est susceptible d’être impacté par des rayons situés dans un cône (3) de sommet M, d’angle au sommet 0.52°, et d’axe de révolution MS. En pratique, compte tenu des turbulences atmosphériques, il est judicieux de retenir un diamètre angulaire de 0.6° .
Le Soleil est une centrale de fusion thermonucléaire naturelle et écologique sans laquelle la vie sur Terre telle qu’on la connaît serait absente. Bien qu’il soit une étoile de taille modeste, il dégage d’énormes quantités d’énergie, se dispersant dans l’espace principalement sous forme de rayonnement (4). La Terre n’en intercepte qu’une infime partie, sur la moitié de sa surface en moyenne, et pourtant, le captage de cette infime partie fournirait 10000 fois les besoins énergétiques humains actuels.
Les rayons solaires sont au départ des ondes sphériques issues des points émissifs du Soleil. Toutefois, 150 000 000 de kilomètres plus loin, et à l’échelle des quelques mètres du piège hyperthermique (1), ces ondes (4) sont perçues comme quasi-planes. On appelle O le centre de la surface collectrice (5) de ces ondes. Ainsi, le rayonnement (4) à collecter est assimilé à une assemblée d’ondes planes dont les directions font un angle de +/- 0.3° avec l’axe OS.

[Remundo]

PHRSD en variante réhausseur et stockage thermique. La machine thermodynamique est déportée à la base du container de confinement thermique


PHRSD en version machine thermodynamique directement implantée sur l'enceinte de confinement de l'énergie

Cette version n'est pas incompatible avec un réhausseur et/ou un stockage thermique. Il suffirait de faire remonter un fluide caloporteur du container vers la machine thermique.

[Remundo]

Les figures 10A à 10G montrent les différents types de couloir de guidage anti-retour, également anti-émissif (7) pour le confinement de rayons lumineux.
La figure 10A montre un couloir (7) courbe et à section constante, ce qui permet la canalisation des rayons (SP) quelle que soit leur incidence initiale dans le couloir (7).
La figure 10B montre un couloir (7) anguleux sur sa paroi de rayon le plus faible (16A). La section est constante, ce qui permet, là-aussi, la canalisation des rayons (SP) quelle que soit leur incidence initiale dans le couloir (7).
La figure 10C montre un couloir (7) courbe et à section décroissante dans le sens de parcours des rayons (SP) injectés : ceci ralentit leur progression jusqu’à provoquer leur retour systématique, quelle que soit leur incidence initiale dans le couloir (7).
La figure 10D montre un couloir (7) anguleux sur sa paroi (16A) de rayon le plus faible, et à section décroissante dans le sens de parcours des rayons (SP) injectés : ceci ralentit leur progression jusqu’à provoquer leur retour systématique, quelle que soit leur incidence initiale dans le couloir (7).
Ces phénomènes de retour systématique sont capables de confiner efficacement le rayonnement infrarouge émis par la cavité chauffée à plusieurs milliers de Kelvin.
La figure 10E montre un couloir (7) courbe et à section croissante dans le sens de parcours des rayons (SP), ce qui permet leur progression sans aucun phénomène de retour et quelle que soit leur incidence initiale dans le couloir.
La figure 10F montre un couloir (7) anguleux sur sa paroi de rayon le plus faible (16A). La section est croissante dans le sens de parcours des rayons (SP), ce qui permet leur progression sans aucun phénomène de retour et quelle que soit leur incidence initiale dans le couloir.
Ces phénomènes anti-retour sont capables de conduire très efficacement vers la cavité le rayonnement solaire direct focalisé par le miroir collecteur.
La figure 10G présente le comportement d’un couloir (7) rectiligne de section décroissante, constante et croissante dans le sens de parcours des rayons (R) injectés.
L’utilisation des parois (16A,16B) tel que le couloir (7) ait une section croissante permet à la fois :
- la canalisation systématique des rayons solaires (4) vers l’enceinte de confinement de l’énergie (ECE) où ils vont se convertir en chaleur, portant sa température à plus de 1500 K,
- le reflux du rayonnement infrarouge émis par la cavité (6) et le couloir anti-retour (7), et ainsi son confinement dans l’enceinte (ECE).
Les figures 11A à 11O illustrent les principes géométriques utilisés par les cavités anti-émissives (6). Le rôle de ces cavités (6) est d’imposer aux rayons (R) collectés des dizaines, voire des centaines de réflexions sur leur paroi (9,10), chacune de ces réflexions étant partiellement absorbante. Ainsi, l’énergie lumineuse est progressivement convertie en chaleur. Les parois (9,10) se mettent alors à produire un rayonnement proche de celui d’un corps noir, qu’il faut à son tour confiner.

[Remundo]

PHRSD en version four solaire très haute température, adapté à la réalisation de réactions chimiques très endothermiques, notamment des thermolyses.


PHRSD avec équipé en panneaux photovoltaïques sur l'envers de son miroir, le rendant hyperadaptatif en captant le rayonnement solaire diffus quelles que soient les conditions atmosphériques.

[Remundo]

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

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

[Remundo]

Principe schématique d'une centrale solaire optimisée à PHRSD: bâtiment lentement rotatif évitant tout phénomène d'ombre en incidence rasante du soleil.

Le bâtiment peut intégrer de nombreuses fonctionnailités, notamment le stockage thermique, des turbines... Une telle structure offre une prise au vent plus facile à contenir que si les PHRSD étaient montés sur des mâts.

[Remundo]

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

[Remundo]

Prise au soleil optimal de la centrale optimisée sur socle rotatif

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