Centrale énergétique sociétale

Il semble, compte tenu des "études préalables" que j'ai faites (recherches sur internet et recopies ici même, je n'ai pas inventé grand chose : un grand merci à l'association "Soleil et vapeur" http://perso.wanadoo.fr/jean.boubour/index.htm ) , qu'on peut envisager l'architecture suivante pour une centrale énergétique sociétale:

I - un capteur concentrateur linéaire à deux étages, orienté Est-Ouest.
Le premier étage est constitué d'un miroir cylindro-parabolique renvoyant le rayonnement solaire sur sa ligne focale.
Le second étage est constitué d'un Concentrateur Parabolique Composé (CPC) de R. Winston, dont la pupille d'entrée, centrée sur la ligne focale du miroir, est notablement plus large que le ruban lumineux renvoyé par la parabole.
De ce fait, le suivi du soleil par le miroir n'a pas besoin d'être "parfait". il peut même être manuel à raison d'une fois par heure.

Le miroir primaire cylindro parabolique est capable de recueillir les rayons solaires parallèles entre eux et de les faire converger vers une ligne focale; le CPC est capable de recueillir les rayons réfléchis et non parallèles entre eux, et de les rediriger vers une cible déterminée.
Si le miroir n'est pas parfaitement pointé vers le soleil, le ruban lumineux des rayons réfléchis ne sera pas axé sur la ligne focale, mais si la pupille d'entrée du CPC est notablement plus large que le ruban lumineux, et pour peu que le ruban soit situé à l'intérieur de cette pupille, alors les rayons réfléchis seront redirigés vers la pupille de sortie. Le suivi parfait du soleil, automatisé et motorisé, peut être remplacé par une suite discrète de repointages, à effectuer manuellement. On en profite pour abandonner le traditionnel tube de verre sous vide, qui n'a plus aucune utilité .

1.1.: Le premier étage est constitué d'un miroir cylindro-parabolique renvoyant le rayonnement solaire sur sa ligne focale ( ? support ?, ? construction du miroir du premier étage ? , ? matériaux ?, ? système d'orientation ? , ? géométrie nécessaire ?).
Le miroir primaire cylindro parabolique est capable de recueillir les rayons solaires parallèles entre eux et de les faire converger vers une ligne focale
Vu en coupe, le miroir est une fraction de demi parabole, quelque peu décalée du sommet afin d'éviter l'effet d'ombre du second étage. Lorsque le plan focal du premier miroir est correctement pointé ver le le soleil, les rayons réfléchis convergent vers la ligne focale en formant un ruban lumineux (et non une "ligne", car le soleil est un disque, et non un point).

1.2.Le second étage est constitué d'un Concentrateur Parabolique Composé de R. Winston, ( ? le CPC ne devrait-il pas être plus long (dépasser) que le 1 er étage, compte tenu de l'angle d'incidence des rayons du soleil le matin et le soir?)
Le CPC est une construction optique conçue dans les années 1960 par un Américain R. Winston, un Soviétique V. Baranov, et un Allemand M. Ploke, chacun séparément. Utilisé en physique des hautes énergies notamment pour mesurer l'effet Cerenkov, son application à la collecte de l'énergie solaire fut développée par R. Winston au début des années 1970.

http://oemagazine.com/fromTheMagazine/dec02/taminglight.html et sur Google, voir : "R. Winston" + parabolic

Le CPC est composé de deux arcs de parabole symétriques, n'appartenant pas à la même parabole. Chacune des paraboles passe par le foyer de l'autre. Le segment AB joignant les foyers des deux paraboles est la pupille de sortie. La perpendiculaire issue du milieu de la pupille de sortie est l'axe de symétrie du système. Les paraboles sont coupées à une hauteur telle que leurs tangentes soient parallèles à l'axe de symétrie. Le segment CD joignant ces deux points est la pupille d'entrée du CPC. On peut remarquer que la droite DB est parallèle à l'axe de la parabole 1 (et AC parallèle à l'axe de la parabole 2).
L'angle Théta(c) de la figure est appelé angle d'ouverture du CPC.Le taux de concentration géométrique du CPC est défini comme le rapport des largeur de la pupille d'entrée sur la pupille de sortie. C = CD / AB= 1/Sin théta(c)

II - le concentrateur parabolique permet de chauffer un tube linéaire (? en quel matériau?, ? cuivre peint en noir, ou même tube d'acier ?) producteur de vapeur ( ? vapeur sèche ou humide ?)

III - la vapeur aboutit à une turbine ( ? Rechercher les turbines commerciales, calculs ?)

IV - la turbine entraine l'alternateur (? Rechercher les alternateurs ? )

V - la vapeur condensée sous forme d'eau (ou fluide) toujours chaude après utilisation (détente et refroidissement) dans la turbine, passe par un échangeur ( ? trouver les échangeurs du commerce ?) chauffant l'eau du réseau de chauffage basse température bien connu de tous les chauffagistes (40° C si possible) avant de revenir sous forme condensée dans le tube linéaire

VI - pour les périodes de nuit ou sans ensoleillement:

5.1 Alternative 1: Une chaudière biomasse (ou bois) chauffe l'eau de chauffage. Un stockage air comprimé (chargé éventuellement la journée pendant la production d'électricité surnuméraire) permet de faire tourner un alternateur (ou batteries + onduleur) ( ? voir les moteurs à air comprimé MIDI ? ? est-il possibible de se procurer des moteurs seuls ?) Voir MIDI: http://www.mdi.lu/modules.php?op=modload&name=News&file=article&sid=32

5.2: Alternative 2: La chaudière biomasse ou bois ( ? types et fabriquants de chaudieres multicombustibles ?) chauffe directement le fluide avant la turbine, ce qui permet de continuer en plus la production électrique durant la nuit, mais il sera souhaitable de by passer le tube extérieur qui jouerai dans ce cas le rôle de radiateur pour l'atmosphère...

VII - Production parallèle de froid par système à absorption.

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RENSEIGNEMENTS EN VRAC

Fonctionnement
Par sa conception, la capteur fonctionne pendant six heures par jour, entre 9 et 15hoo (heure solaire). Le fonctionnement est entièrement manuel: le conducteur alimente la chaudière en eau fraîche, et repointe périodiquement le capteur en fonction de la course du soleil -geste similaire à celui de l'éclairagiste de théâtre pointant son projecteur de poursuite sur un acteur.

Performances
Le capteur restitue à son utilisateur la moitié de l'énergie reçue sous forme de rayonnement solaire direct, à l'exclusion du rayonnement diffus.
La vapeur est délivrée à une température de 164°C (6 bars) ou plus si besoin, le rendement est de 0.5. Sous un ensoleillement crête de 1 kW/m², la puissance disponible est de 500 W, soit une production de 0.660 kg de vapeur par heure et par m² de miroir.
La mesure de la production de vapeur s'effectue au moyen d'un diaphragme en détente critique (= orifice calibré; cf ex-norme NF X 10-104), ou par pesée des condensats au sortir de la machine utilisatrice.
En version de base, parfaitement modulable, le capteur a une surface de miroirs actifs de 16 à 22.5 m², à adapter aux conditions climatiques du site d'exploitation. En première approche, pour établir un avant projet, on prend en compte pour la version de base une puissance disponible de 8 kW sous 75 à 80% de l'ensoleillement-crête. soit une production d'environ 50 kW par jour . C'est l'équivalent d'une chaudière classique produisant 10 kg de vapeur par heure.

Domaines d'utilisation
De telles caractéristiques ouvrent à son utilisateur l'immense champ des applications usuelles de la vapeur: cuisson, petites installations agro-alimentaires, stérilisation alimentaire, stérilisation médicale, etc...
Compte tenu du niveau de température disponible, le capteur peut alimenter un générateur de froid par adsorption qui produit des galettes de glace

Le calcul de la géometrie du miroir
Pour dessiner un capteur, il convient de tenir compte de nombreux paramètres fortement imbriqués. Comme en architecture navale, tout ici est affaire de compromis, le capteur pouvant d'ailleurs être considéré comme une "voile solaire".
Au sujet du taux de concentration global du système par exemple, on constate qu'il y a une limite basse et une limite haute:
- si l'on concentre peu, un seul repointage quotidien, voir hebdomadaire, suffit, mais le niveau de température est moins élevé, et l'avantage du capteur concentrateur s'estompe au profit du capteur plan qui n' pas besoin de repointage.
- si l'on concentre fortement, on bénéficie alors largement d'un haut niveau de température élevé, mais le suivi du soleil devient très pointu, et l'on dérive rapidement vers la nécessité d'une automatisation, d'une motorisation, avec abandon du second étage et le retour vers l'utilisation du tube de vere sous vide installé sur la ligne focale.
La "fenêtre de calcul" du capteur, alliant un niveau de température permettant cuisson/stérilisation/production de froid avec une conduite manuelle simple, est donc (étonnament) étroite.

Combien de repointages par jour ?
Le nombre de repointages dépend du taux de concentration, et des données astronomiques (qui sont entièrement développées dans la Notice descriptive d'une quarantaine de pages): en matière d'énergie solaire, et ici plus que jamais, "tout ce qui est simple est faux, et ce qui ne l'est pas est inutilisable".
On résumera ainsi: pour disposer d'un taux de concentration global permettant de produire de la vapeur d'eau entre 4 et 7 bars manométriques (152 à 170°C), il faut effectuer en moyenne une dizaine de repointages sur une période de six heures, entre 9 et 15 h solaires. Le nombre de repointages est d'autant plus élevé que l'on s'éloigne du midi solaire au cours d'une journée, et d'autant moins élevé que l'on se rapproche des équinoxes au cours de l'année.
Le capteur est à conduite manuelle, nécessitant la présence d'un "conducteur". Tel quel, le capteur permet de produire de la vapeur entre 4 et 7 bars -un des piliers du développement industriel au 19ème siècle-, avec le soleil, et dans des conditions technologiques simples.
Il serait toujours possible d'automatiser le suivi du soleil (? propositions ?)

LE GENERATEUR DE GLACE

http://www.limsi.fr/Individu/mpons/pricyc.htm

http://hydre.auteuil.cnrs-dir.fr/dae/competences/cnrs/consultation/desc.asp?poleID=4

http://www.ademe.fr/entreprises/polluants/themes/TechnTrait/Adsorp.asp

http://www.em6.fr/articles_plus/frigo_plus.html et en local

(google: "adsorption + réfrigération", ou "absorption + réfrigération")

Description
Le générateur de glace est une machine frigorifique à adsorption produisant des galettes de glace en utilisant non pas de l'énergie électrique mais uniquement de l'énergie thermique sous forme de vapeur. La vapeur est fournie par le capteur solaire thermique, ou par toute autre chaudière à vapeur.
Le générateur comprend essentiellement
- un réacteur contenant un matériau adsorbant, et parcouru par un échangeur,
- un évaporateur, où sont disposés des plateaux d'eau à transformer en glace,
- une pompe à vide, actionnée à la main.

Fonctionnement
Le générateur de glace -tout comme le capteur solaire- est à fonctionnement entièrement manuel, et ne comporte aucun automatisme. Il nécessite donc la présence d'un conducteur.
Le générateur de glace fonctionne par cycle. Chaque cycle comprend
- une phase de production de glace, dite adsorption: sous l'effet du vide, une (petite) partie de l'eau contenue dans les plateaux s'évapore, et le reste se transforme en glace. Les vapeurs d'eau frigorigène sont piégées par le matériau adsorbeur du réacteur.
- une phase de régénération, dite désorption: le réacteur est chauffé, le matériau adsorbeur rejete l'eau dont il s'était précédemment gorgé.
La machine est alors prête pour un nouveau cycle.

Performances
En association avec un capteur solaire thermique, le générateur peut effectuer un cycle par jour. En version de base, totalement modulable, la production quotidienne est de 100 kg de glace par cycle, avec un capteur de 16 à 22 m² selon les conditions climatiques du site d'exploitation.
En association avec une chaudière à vapeur classique, par exemple à gaz: on peut alors effectuer deux à trois cycles par jour.

Domaines d'utilisation
La glace est un moyen de stockage, de transport et de commercialisation de l'énergie.
- froid ménager en glacière, pour la conservation des aliments ou le rafraîchissement des boissons.
- froid commercial pour la conservation des denrées pendant la période de vente.
- froid agro alimentaire: laiteries, ateliers viande, pêche, conservation de semences de pommes de terre.
- froid médical, conservation de vaccins, etc...

Froid par compression et froid par sorption:
énergie mécanique ou énergie thermique
L'évaporation d'un liquide produit du froid; toutes les machines frigorifiques fonctionnent sur le principe d'évaporation d'un liquide frigorigène.
L'évaporation peut être provoquée par une pompe qui aspire les vapeurs, les comprime, les liquéfie; puis le frigorigène est refroidi: il est disponible pour une nouvelle évaporation. C'est le processus de froid par compression, utilisé par exemple par la quasi totalité des réfrigérateurs domestiques et industriels.
L'évaporation peut aussi être provoquée par l'affinité qu'a un autre corps pour les vapeurs du frigorigène, qui se fait adsorber par lui: c'est le processus de froid par adsorption. L'adsorption est un phénomène physico-chimique consistant dans la fixation de molécules de gaz ou de liquide (dit adsorbat) par adhérence superficielle à la surface d'un corps (dit adsorbant). Il convient ensuite de séparer les deux corps en les chauffant: c'est la phase de désorption.

Le froid par compression nécessite de l'énergie mécnique, -dite énergie noble- pour actionner la pompe à frigorigène, alors que le froid par sorption se contente d'énergie thermique. Dans notre cas de figure, le choix s'est porté sur un procesus par sorption.

Le choix du processus de sorption ?
Il existe de multiples processus de froid par sorption, selon les couples utilisés (adsorbant/frigorigène), et selon que le fonctionnement est cyclique ou continu. Dans le cas présent, le fluide frigorigène utilisé est l'eau. Son seul inconvénient est la nécessité de faire le vide pendant la production de glace, d'où un léger besoin en énergie mécanique pour actionner une pompe à vide; le générateur ne nécessitant, en version de base, aucun appoint en alimentation électrique, la pompe à vide est à motricité humaine. Le geste est identique à celui de la fermière qui, autrefois, actionnait son écrémeuse ou sa baratte.
Par contre les avantages de l'eau comme frigorigène sont incomparables: disponibilité, prix, et absence de pollution.
Le fonctionnement du générateur de glace est du type alternatif. Il s'accomodera très bien du rythme diurne/nocturne d'un capteur solaire produisant de la vapeur.

Description du générateur
Comme toute machine à sorption, le générateur comprend principalement un réacteur et un évaporateur. Des auxiliaires la complètent: pompe à vide, système de refroidissement, et condenseur.

Réacteur
Le réacteur est un réservoir chargé d'un matériau adsorbant, et parcouru par un échangeur thermique dont le rôle est double: apporter la chaleur nécessaire à la désorption, et évacuer la chaleur produite pendant l'adsorption (l'adsorption est une réaction exothermique, c'est à dire au cours de laquele il y a émission de chaleur). L'échangeur est donc relié alternativement soit au capteur solaire (auquel cas il véhicule de la vapeur), soit au système de refroidissement (auquel cas il véhicule de l'eau). Le réacteur est relié par une conduite à l'évaporateur.

Evaporateur
L'évaporateur est également un réservoir, accessible par un couvercle supérieur, que l'on garnit de paniers à étages en fil inox, sur lesquels sont disposés des plateaux d'eau à congeler. Un hublot permet de surveiller visuellement la formation de la glace.
Réacteur et évaporateur sont enfermés dans une caisse isolée.

Pompe à vide
C'est la pièce hi-tec, l'incongruité du paysage. C'est cependant un appareil d'usage courant chez les frigoristes, qui eux aussi doivent faire le vide avant de charger leur installation en fluide frigorigène. Puissance requise: la centaine de Watts. En version de base, la pompe est à motricité humaine. En option et avec supplément, elle pourra être couplée à une installation photovoltaïque.

mais elle peut aussi être obtenu par l'électricité produite par l'alternateur, ou la nuit, par un stokage d'air comprimé.

Condenseur
Le condenseur est un réservoir plus petit que l'évaporateur, garni d'un serpentin parcouru par de l'eau froide, et qui fonctionne sous vide également. La vapeur dégorgée lors de la désorption s'y condense.
Dans une version simplifiée, le même réservoir peut servir alternativment d'évaporateur puis de condenseur

Fonctionnement manuel
Dans sa version de base, le générateur de glace est une machine frigorifique à conduite manuelle; elle nécessite la présence permanente d'un conducteur lors de son fonctionnement.

Production de glace: phase d'adsorption. durée: deux à trois heures
Le conducteur
- installe dans l'évaporateur des paniers garnis de plateaux d'eau à congeler, et ferme l'évaporateur
- ouvre la vanne entre réacteur et évaporateur,
- fait circuler de l'eau froide dans l'échangeur,
- met l'installation sous vide.
Lorsque la pression est suffisamment basse, de l'ordre de quelques millibars, l'eau contenue dans les plateaux entre en ébullition et une partie de cette eau s'évapore (le point d'ébullition de l'eau dépend de sa température et de la pression). L'évaporation est une réaction endothermique, c'est à dire au cours de laquelle il y absorption de chaleur ; de ce fait, le restant de l'eau se refroidit, puis se congèle en galettes de 2 kg environ.
Corrélativement, les vapeurs d'eau frigorigène sont piégées, adsorbées, par l'adsorbeur, qu s'échauffe. Le circuit de refroidissement évacue la chaleur produite, faute de quoi les capacités de l'adsorbeur diminueraient à mesure de l'élévation de sa température.
Le conducteur observe visuellement la formation de la glace à travers le hublot de l'évaporateur.
En fin de cycle, le conducteur ouvre l'évaporateur pour récolter le galettes de glace; environ un cinquième de l'eau s'est évaporé en tant que fluide frigorigène, le reste est congelé.

Régénération de l'adsorbant: phase de désorption. durée: trois à six heures
Le conducteur
- ouvre la vanne entre le réacteur et le condenseur,
- fait circuler de l'eau froide dans le serpentin du condenseur,
- met l'installation sous vide,
- alimente l'échangeur du réacteur en vapeur 164°C/6 bars. Sous l'action de la chaleur, l'adsorbant désorbe, c'est à dire rejette sous forme de vapeur l'eau frigorigène dont il s'était précédemment gorgé. Cette vapeur, au contact du serpentin dans le condenseur, se liquéfie et s'accumule dans le fond du condenseur. Le conducteur observe visuellement le niveau des désorbats à travers un hublot; lorsque le niveau des désorbats n'augmente plus, l'adsorbeur est considéré comme régénéré.
Le conducteur du générateur assure la régulation de la chauffe en manoeuvrant manuellement, de temps à autre, un petit robinet-purgeur en sortie de l'échangeur.
La machine frigorifique est alors disponible pour un nouveau cycle.


Quelques spécificités du générateur de glace

L'eau dans tous ses états:
Dans le générateur de glace, on ne distingue pas moins de trois circuits d'eau différents, ou l'eau se retrouve sous toutes ses formes.
- le circuit de chauffage, qui transite dans l'échangeur du réacteur. La vapeur provenant du capteur cède sa chaleur (à l'adsorbant) à travers l'échangeur, et en ressort sous forme liquide. L'eau est ici un fluide thermique.
- le circuit de refroidissement, qui transite alternativement dans l'échangeur du réacteur et dans le serpentin du condenseur. L'eau est également ici un fluide thermique.
- le circuit d'eau frigorigène à l'intérieur même de la machine frigorifique: l'eau y pénêtre sous forme liquide, dans les plateaux installés par le conducteur dans l'évaporateur; une partie s'évapore, l'autre partie se congèle. L'eau est ici pour partie fluide frigorigène, et pour partie moyen de stockage de l'énergie.
Il convient notamment de ne pas confondre la vapeur d'eau du circuit de chauffage avec la vapeur d'eau frigorigène.Dans les circuits de chauffage et de refroidissement, c'est par commodité que l'on utilise l'eau comme fluide caloporteur; tout autre fluide caloporteur (huile...) ferait aussi bien l'affaire.

La gestion du froid après sa production
Une fois les pains de glace produits, leur gestion n'est plus du ressort du producteur, mais de celui de l'acheteur-utilsiateur, en fonction de ses choix économiques: maintient en température d'une enceinte isotherme (glacière portative, armoire frigorifique individuelle, ou chambre froide collective), voire consommation directe sous forme de glaçons d'eau aromatisée ou non.
La glace est un moyen de commercialisation des frigories: c'est à l'utilisateur (et non au producteur) que revient la gestion de la glace dans le temps. La glace est une forme de stockage de l'énergie permetant de pallier aux aléas de la disponibilité en énergie-vapeur, notamment dans le cas de l'énergie solaire.

Performances
Le générateur de glace est conçu pour fonctionner avec le capteur solaire thermique à production directe de vapeur. Dans sa version de base (totalement modulable), le duo capteur-générateur est capable de produire 100 kg de glace par cycle quotidien. Dans le cas d'une source de vapeur par combustible fossile, il est possible d'effectuer deux à trois cycle par jour. En première approche, on peut considérer que
- chaque kg de vapeur permet de produire 1.5 kg de glace,
- le capteur a un rendement de 0.5. Sous un ensoleillement de 1 kW/m², il fournit à son utilisateur 0.660 kg de vapeur par heure et par m² de miroir, pendant 6 heures par jour au maximum (entre 9 et 15 h solaires).
Les performances du capteur et les performances du générateur de glace sont étroitement liée aux conditions climatiques du site d'utilisation. L'ajustement s'effectue prinipalement par une adpatation dela surface du miroir du capteur, ente 16 et 22 m² en version de base.

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Une petite comparaison.

Soit d'une part une forêt de Un hectare sous climat tempéré recevant un ensoleillement cumulé de 4 200 MégaJoules(*) par m² et par an. Rationnellement exploité, cet hectare fournit chaque année entre 2 200 et 3 600 kg de bois sec, dont la valeur énergétique est de 12 MégaJoules par kg environ, soit 2.64 à 4.32 MJ de bois par m² et par an.

En définissant le "rendement énergétique" d'une surface boisée comme le rapport entre la valeur énergétique du bois/quantité d'énergie reçue, ce rendement oscille entre 0.00063 et 0.001. (ce calcul de rendement ne retient que le bois utilisable, on ne prend pas en compte toute la biomasse: feuilles, brindilles, racines...) Et si l'on introduit le bois produit annuellement par cet hectare de forêt dans une chaudière à vapeur ayant un rendement de 0.6, on obtient 5 926 à 9 697 kg de vapeur par an (**).

Soit d'autre part un capteur "Soleil et Vapeur" de 16 m² utiles produisant de la vapeur, avec un rendement de 0.5, utilisé sous les tropiques pendant 200 jours par an, pendant six heures par jour, sous un ensoleillement moyen de 0.750 kW/m²; il produira également 9 697 kg de vapeur par an, de mêmes caractéristiques (température/pression) que celle de la chaudière à bois ci dessus. 10 000 m²/16 M² = 625.

En première approche, le rendement énergétique du capteur concentrateur est plusieurs centaines de fois plus élevé que le rendement énergétique de la même surface exploitée en biomasse, tout en bénéficiant d'un niveau de température élevé.

Cette première approche serait à affiner pour tenir compte d'une part des coûts annexes d'exploitation du bois (coupe, transport...) et d'autre part de l'encombrement global du capteur.

Last but not least, le charbon et le pétrole sont issus d'une conversion supplémentaire de la biomasse (***).

Lors des calculs comparatifs des coefficients de performance du type froid par compression/ froid par adsorption, il conviendra de s'en souvenir.

(*) 1 Méga Joule = 0.28 kWh = 240 Kilocalories. 1 kWh = 3.6 MégaJoules.1 calorie = 4.2 Joules

(**) La production de 1 kg de vapeur à 165°C/6 bars mano à partir d'eau à 20°C représente 2.673 MJ nets

- forêt:

(2 200 kg * 12 MJ * 0.60)/2.673 MJ = 5 926 kg de vapeur par an
(3 600 kg * 12 MJ * 0.60)/2.673 MJ = 9 697 kg de vapeur par an

- capteur:

(0.750 kW * 3.6 * 6 heures * 16 m² * 200 jours * 0.5)/2 673 = 9 697 kg de vapeur par an .