[Blog de Remundo] Machines et Animaux non conventionnels

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:00

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

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

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

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

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

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

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:01

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

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:01

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

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

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

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

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

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:02

Ici une version "thermolyse directe" à four hyperthermique bifoyer

Image

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

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

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:02

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

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:03

Quelques vues CAO d'une version "thermolyse directe à 2 cavités hyperthermiques"

Trajet des rayons
Image

Vues écorchée et zoom sur les éventuels extracteurs de chaleur
Image
Idem et mise en évidence d'une solution possible à vérin électrique pour régler l'inclinaison du miroir collecteur
Image

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:04

Estimation trèsgrossière des coûts et du temps de retour sur investissement

En ne comptant pas son temps personnel... de ce que j'ai pu lire ou obtenir par contact mail des "sociétés"...

Pour un capteur de 4 m² (envergure 2m) avec machine à vapeur

Tôles miroirs 1500 Euros
Lates de maillages pour panier parabolique + visserie : 150 Euros
Support rotatif : 1000 Euros
Cavité hyperthermique 500 Euros
Electronique + moteurs de pointé solaire : 1500 Euros
Machine à vapeur 1000 Euros

Total : 5650 Euros.

Production en méditérannée 200W/m² à l'année, sur 4 m² à rendement 50%:
3504 kWh.

Vendu 30 cts Euros hors taxe : 1051 Euros

Retour sur investissement d'un prototype: 5 à 6 ans

Evidemment, une fabrication en série peut abaisser le coût d'un facteur 2 ou 3... avec les coûts salariaux, 3 ans de retour sur investissement sont envisageables pour un industriel qui en ferait faire des moyennes séries (>100)

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:06

En conclusion

Principe général de fonctionnement
Image
Schéma aimablement fourni par un ami forumer Toto65

L'exposé est maintenant achevé et je serai ravi de répondre à vos remarques ou de discuter de vos idées...

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par GillesH38 » 02 mars 2008, 11:15

joli boulot, mais ton estimation de la chaleur de la source chaude à 1200 K m'intrigue, avec quel matériaux tu réalises ça ? si l'enceinte est portée à cette température elle va forcément rayonner !
"Ce ne sont plus les faits contrôlés, les choses examinées avec soin qui forment la conviction ; c'est la conviction souveraine, irrésistible, qui déforme les faits et les choses." Joseph Reinach, à propos de l'affaire Dreyfus.

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:21

Bien vu Gilles H38 ! C'est là la clé de l'invention... et c'est le point de bloquage actuel pour augmenter les rendements des centrales à concentration solaire !

Pour la température, 1200 K est supportable par de l'acier, et dans l'idéal il faudrait des matériaux réfractaires bien plus à l'aise dans cette gamme de température.

Pour les pertes... schématiquement, on entoure le four par des miroirs en poupée russe séparés par du vide.
- le vide bloque les pertes par conduction/convection thermique
- les miroirs renvoient le rayonnement infrarouge vers la cavité

Cf. Schéma de principe et fonctionnement détaillé dans les pages précédentes.

A bientôt !

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Re: Machine à pistons rotatifs à battement contrôlé

Message par echazare » 02 mars 2008, 11:21

Remundo a écrit :Bonsoir Echazare,

Pour les schémas cinématiques, pas très facile, il s'agit de contacts linéiques galets/came mobiles, glissières, pivots...

Autant faire un gif animé bien plus explicite :D

Comme la cinématique est totalement différente de celle d'un Wankel, le PRBC ne rencontre pas les problème d'étanchéité du Wankel.

Les surfaces de séparation des chambres sont justement des surfaces, il est aisé de fixer des segments sur les extrémités de pistons rotatifs et de lubrifier par films d'huile. Ces segments sont naturellement plaqués par la force centrifuge et peuvent ainsi assurer ainsi une étanchéité convenable.

Il faut que je fasse des protos et probablement que le recours aux segments sera superflux.

A bientôt !
Un schéma cinématique apporte des infos essentielles sur les liaisons, les jeux, ne pas le faire c'est prendre le risque de ne pas voir des problèmes graves.
Je connais rien de vraiment aisé en mécanique des que l'on sort des sentiers battus. Hors ta mécanique n'est pas très commune, ce qui est un bon point pour l'innovation, mais un risque majeur pour la réalisation.

Faire des protos c'est une très bonne idée.... les problèmes tu vas vite les rencontrer et peut être, je te le souhaite, les régler....

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Re: Machine à pistons rotatifs à battement contrôlé

Message par Remundo » 02 mars 2008, 11:29

Merci Echazare pour ces conseils pleins de bon sens.

TU dis que la mécanique est totalement inconnue, je te dirais oui et non...
- oui pour la cinématique
- non pour les liaisons, qui sont ultraclassiques et complètement maîtrisées : glissière, pivots et contacts came / galet.

@+,

Et je t'invite "chaleureusement" (tu comprendras... :D ) , ainsi que tous les autres forumeurs fans d'énergie renouvelable à jeter un oeil là dessus
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Re: Machine à pistons rotatifs à battement contrôlé

Message par echazare » 02 mars 2008, 11:31

Remundo a écrit :Bonjour Energie Isère,

Je vais probablement utiliser des pièces en découpage laser pour contourner les coûts d'usinage classique.

L'idée est de prendre une tôle de 1 cm et de faire découper au laser 50 profils identiques. Cela abaisse les couts pour le découpeur : une seule manutention de tôle et répétion du même profil (programmation très réduite)

Ensuite pas empilage et boulonnage, on obtient une pièce massive.

Cela m'offre en plus le luxe de faire varier l'épaisseur de mon moteur comme je veux.


Dans une fourchette large, il faut dans les 2000 Euros de pièces pour un prototype moteur de 70 Ch.
Je t'arrête tout de suite, le laser, ça a une précision de découpe "mesurable" de +- 0.2mm. C'est totalement insuffisant pour faire ce que tu veux, à savoir une étanchéité métal/métal. On parle plutôt de microns dans ton cas. Donc usinage obligatoire et bonjour les coûts horaires d'une CNC.
Je te conseille, si tu veux valider ta cinématique (mais pas la thermo), de passer par une stéréolythographie, mais au niveau précision dimensionnelles c'est pas mieux. Ça revient moins cher que l'usinage.

Bon courage
Dernière modification par echazare le 02 mars 2008, 11:51, modifié 1 fois.

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Re: Machine à pistons rotatifs à battement contrôlé

Message par echazare » 02 mars 2008, 11:37

Remundo a écrit :Merci Echazare pour ces conseils pleins de bon sens.

TU dis que la mécanique est totalement inconnue, je te dirais oui et non...
- oui pour la cinématique
- non pour les liaisons, qui sont ultraclassiques et complètement maîtrisées : glissière, pivots et contacts came / galet.

@+,

Et je t'invite "chaleureusement" (tu comprendras... :D ) , ainsi que tous les autres forumeurs fans d'énergie renouvelable à jeter un oeil là dessus
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Liaisons et schéma sont deux choses différentes. Un schéma est toujours fait de liaisons ultra classique, encore heureux, on n'inventa pas des liaisons, mais des mécanismes fait de liaisons cinématiques.
C'est l'ensemble des liaisons qui peut poser problème, et qui détermine quels seront les jeux, micro jeux de liberté à donner a ton système.

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Re: Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD)

Message par GillesH38 » 02 mars 2008, 11:40

ok, mais le blocage n'est jamais total parce que la réflectivité ne l'est pas. Il faut donc calculer assez précisement le transfert thermique pour voir la température d'équilibre. d'autre part le rendement de Carnot sera déterminé par la température du fluide actionnant l'alternateur, garder un fluide à 1200 K ça ne me parait pas trivial ! pour les centrales nucléaires, on est plutot autour de 800 je crois, meme si les projets de génération IV à très haute température (VHTR) pourraient fonctionner à 1000 ° C on y est pas encore..
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