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FR2957388A1 - Cheminee solaire de production d'electricite, de recyclage d'eau et de production agricole - Google Patents

Cheminee solaire de production d'electricite, de recyclage d'eau et de production agricole Download PDF

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FR2957388A1
FR2957388A1 FR1001023A FR1001023A FR2957388A1 FR 2957388 A1 FR2957388 A1 FR 2957388A1 FR 1001023 A FR1001023 A FR 1001023A FR 1001023 A FR1001023 A FR 1001023A FR 2957388 A1 FR2957388 A1 FR 2957388A1
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water
greenhouse
solar
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air
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FR1001023A
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Essertaux Jean Marie D
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Individual
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Abstract

La présente invention concerne une cheminée solaire dont le collecteur solaire à air intègre des serres closes comportant un système de climatisation du volume intérieur de la serre close utilisant en particulier des échangeurs air/eau connectés à un réservoir de chaleur et des systèmes d'échange de chaleur par conduction ainsi qu'un système de refroidissement par évaporation d'eau.

Description

Domaine technique La présente invention repose sur deux technologies qu'elle combine. D'une part la production d'électricité par l'énergie solaire au moyen d'une cheminée solaire dressée au centre d'une aire de forme circulaire et plane recouverte d'une enveloppe transparente au rayonnement solaire et fixée sur des supports à une certaine hauteur par rapport au sol. Ce dispositif crée l'effet de serre sous l'enveloppe ce qui échauffe l'air sous l'enveloppe et provoque une circulation d'air chaud vers le conduit intérieur de la cheminée dans lequel l'air chaud monte avec une force permettant d'entraîner soit une turbine fixée à l'intérieur du conduit de la cheminée, soit plusieurs turbines fixées autour de la base de la cheminée. D'autre part l'invention concerne les serres totalement closes telle que celle qui a été construite en Espagne, près d'Almeria dans le cadre du projet européen « WATERGY », comportant des moyens de climatisation du volume intérieur de la serre permettant de maintenir des conditions de température et d'humidité adaptées à la croissance de plantes ou des conditions permettant l'évaporation d'eau et la condensation de cette vapeur. Etat de l'art Les deux domaines techniques de climatisation de serres totalement closes et de production d'électricité par l'énergie solaire au moyen d'une cheminée solaire ont chacun connu une réalisation sous la forme d'un prototype, construit en Espagne pour l'un comme pour l'autre. Cependant la serre close du projet Watergy, qui a fonctionné durant 2 ans(2004-2006) , n'a pas résolu tous les problèmes techniques et n'a pas connu de développement économique et la cheminée solaire construite près de Manzanares et qui a fonctionné durant 8 ans (1980) a fini par s'écrouler ayant été construite avec des matériaux non adaptés à une longue durée d'exploitation. Aucune entreprise n'a , trouvé, 30 ans après, de financement pour en construire une deuxième. Dans les deux cas les problèmes de coûts en investissement et de rentabilité économique défavorable ou incertaine auxquels viennent s'ajouter des problèmes techniques non résolus ont bloqué le développement.
Le problème des cheminées solaires La cheminée solaire est une des solutions qui ont été proposées pour produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire. Elle combine trois technologies anciennes et éprouvée:. l'effet de cheminée, l'effet de serre, et la turbine éolienne. L'air contenu dans une serre de très grande surface entourant la base d'une haute cheminée, est chauffé par le soleil. La convection de l'air qui en résulte crée un courant d'air ascendant dans le conduit de la cheminée. Cela fait fonctionner des turbines d'air, qui produisent de l'électricité. Un prototype de recherche a été exploité avec succès en Espagne dans les années 1980, et de nombreuses études de modélisation ont été publiées traitant de l'optimisation, l'échelle, et la faisabilité économique. En particulier de mettre au sol dans 25% de la surface de serre, des tubes noirs contenant de l'eau pour qu'il y ait stockage de chaleur durant le jour et dégagement de chaleur la nuit afin que le système continue à produire de l'électricité la nuit. Le tableau suivant présente les caractéristiques sous une forme synthétique : Propriétés pour un site recevant 2300 kwh/m2/an et sans stockage de chaleur pour renforcer la production d'électricité la nuit Puissance électrique en MW 5 30 100 200 Hauteur de la tour en m 550 750 1000 1000 Diamètre de la tour en m 45 70110 120 Diamètre de le collecteur solaire à air en m 1250 2900 4300 7000 électricité produite en Gwhlannée 14 99 320 680 La cheminée de 1000 m de hauteur proposée par une société australienne a un coût du W produit de l'ordre de 2{, 3 fois moins cher que celui des panneaux photovoltaïques mais 5 fois plus cher que celui des centrales à charbon en Australie. D'autres projets existent mais n'ont pas connu de réalisation : une cheminée de 1500m de hauteur en Namibie où le gouvernement est prêt à financer 50% du projet. Les limitations de cette solution sont le peu de productivité d'énergie électrique par rapport à l'énergie solaire incidente par m2 : 0,5watt d'électricité produite pour 1000 watts reçus par m2 et l'étendue de la surface de sol requise, sang compter les problèmes à résoudre dans les régions à ensoleillement favorable qui n'ont pas été traités : les vents de sable. Une seconde solution reposant sur les mêmes principes de base a été proposée pour réduire la hauteur de la cheminée ou produire 5 fois plus de puissance électrique pour la même hauteur de cheminée : La tour à vortex qui a pour objectif de créer artificiellement un phénomène naturel : le cyclone. Le cyclone artificiel visé est censé monter jusqu'à 20 km de hauteur.
Le premier brevet a été déposé par Edgar-Henri Nazare à Alger(Algérie) en 1957 lequel a pu observer et mesurer les caractéristiques des tourbillons de sable dans le Sahara algérien. Il en a proposé une seconde version en 1966 : FR 1439849 : « l'invention est une tour dite à dépression aussi grande que possible, à l'intérieur de laquelle, par des dispositifs aérodynamiques convenables, il est possible d'engendrer le phénomène du cyclone dans des conditions de puissance qui justifieraient l'installation. Pour fixer les idées cette tour pourra avoir de 100 à 300 mètres de hauteur ou plus. Sa forme sera approximativement celle d'une tuyère de Laval » La société Sumatel , dans laquelle a travaillé Edgar-Henri Nazare, propose aujourd'hui une telle tour de 500 m de hauteur sensée produire une puissance de 1500MW. Une variante de cette solution a été proposée par Louis Michaud qui a disposé des mesures d'un cyclone réel (Alice) : la tour à Vortex laquelle produit un tourbillon à la base de la tour par des déflecteurs disposés tout autour de la base à la sortie des turbines.
Le prototype de 18 m de hauteur et 65 Millions de Dollars de Louis Michaud n'a toujours pas trouvé de financement.
Le problème de la climatisation des serres totalement fermées. Le recours traditionnel à la ventilation naturelle ou forcée pour réduire l'excès de chaleur et d'humidité de l'environnement à effet de serre a des inconvénients majeurs. Poussières, Insectes et maladies entrent à travers les ouvertures, la fertilisation par un apport de dioxyde de carbone devient inefficace et l'évacuation de la chaleur et de l'humidité par ventilaton a lieu avec une efficacité énergétique beaucoup plus faible et des pertes en eau très élevées. Dans des conditions optimales de croissance, la température est d'environ 18-25 ° C, l'humidité de l'air 70-90% et la concentration de dioxyde de carbone de plus de 1000 ppm. Les conditions optimales exigent un bon contrôle de la température de l'air, de l'humidité et la concentration de dioxyde de carbone. Il est clair que cela ne peut être atteint dans une serre ouverte. Lorsque l'énergie solaire excédentaire est ventilée durant la journée, il est nécessaire de chauffer la serre durant la nuit. En outre, la ventilation pour éliminer l'humidité doit être effectuée au printemps et en automne, ce qui nécessite un chauffage complémentaire. Une serre fermée est considérée comme la solution idéale pour la culture des plantes parce que les paramètres régissant les conditions optimales de croissance des plantes peuvent ,tre totalement contrôlés. Cependant l'utilisation de l'effet de serre dans une serre close est encore limitée par une mauvaise maîtrise de cette technologie ou à cause du coût élevé des solutions existantes. Une serre fermée est une serre qui n'a pas de moyens de ventilation ou d'échange d'air avec l'extérieur de la serre. Lorsqu'il est question de serre fermée à effet de serre, la plupart des experts pensent, économie d'énergie, efficacité et réduction des coûts sur la base d'une année complète. Or, le refroidissement pour le fonctionnement de la serre fermée durant tout l'été 2957388 -4
demande des équipements et une quantité d'énergie tels que cela rend négligeables et les économies d'énergie et la réduction des coûts pour les autres saisons. Les solutions qui ont été proposées. Plusieurs brevets internationaux ont été déposés pour un système à effet de serre, dans lesquels 5 les excès de température et d'humidité sont contrôlés au moyen d'un système fermé. WO 00/76296 présente une solution de refroidissement basée sur l'utilisation de réservoirs d'eau souterrains. Cette solution est limitée aux rares cas de disponibilité des bassins d'eau souterraine. En outre, afin de réduire les apports d'eau de refroidissement, des accumulateurs de chaleur d'eau sont utilisées dans de telles solutions dans laquelle environ la 10 moitié de l'énergie solaire par jour est accumulée pour être utilisée pour le chauffage de la serre pendant la nuit. La taille de ces accumulateurs de chaleur est par exemple de 200 mètres cubes pour une serre de 1000 mètres carrés. Dans le brevet U. S. Pat. N ° 4044078 est présenté un dispositif mis au point pour le refroidissement de dépôts de stockages, dans lequel l'eau froide est pulvérisée en haut d'une 15 grille traversée par un flux d'air. L'eau ainsi chauffée par l'air est conduite vers un échangeur externe qui la refroidit. La vitesse de débit d'air et d'eau nécessaire pour le refroidissement des serres fermées avec ce dispositif exigerait un système d'une taille inacceptable. En outre, l'appareil n'est pas adapté pour condenser l'humidité de l'air, parce qu'il y a une entrée et une sortie d'eau mais pas d'évacuation de l'excès d'humidité. 20 Le brevet US Pat. N ° 4707995 comprend un système de contrôle de l'humidité de l'air et de la température de la serre, dont la fonction est basée sur l'utilisation de l'eau salée pour évacuer l'humidité. L'air est transporté par des projections d'eau et de l'eau traitée est collectée et valorisée à l'extérieur du système. Comme dans le cas précédent, le système n'est généralement pas approprié pour le refroidissement de serre ou l'évacuation de l'humidité. 25 Les créateurs du projet européen Watergy ont produit une serre tunnel close de 14 m X 14m comportant une tour centrale de 10 m et une cloison centrale en plastique séparant deux espaces, inférieur côté sol et supérieur vers le toit de la serre, ce qui crée un flux d'air montant par convection le long des parois extérieures vers le sommet du toit de la serre puis monte au sommet de la tour le toit en longeant les parois latérales, puis vers sommet de la tour centrale. 30 La tour centrale. La tour centrale comporte une double cloison dans laquelle l'air chaud et humide de la serre monte par l'espace entre les deux cloisons de la tour jusqu'au sommet puis redescend dans la tour par l'espace délimité par la cloison intérieure de la tour car s'y trouve un échangeur Air/eau au contact duquel l'air refroidit, devient plus lourd et redescend jusqu'au sol où il se répand dans toute la serre. L'humidité, provenant de l'évapotranspiration des plantes et d' humidificateurs d'air supplémentaires dans le toit est condensée sur la surface de l'échangeur et peut être recueillie sous forme d'eau liquide. L'échangeur est relié à un réservoir de stockage de chaleur dans un circuit fermé de conduites d'eau. Tout au long de la journée, le liquide contenu dans le réservoir est chauffé par le circuit d'eau relié à l'échangeur Air/Eau. Durant la nuit la circulation s'inverse et l'échangeur Air/Eau se comporte comme un radiateur qui chauffe l'air de la serre et refroidit le liquide du réservoir. Un avantage spécifique d'une serre fermée est, l'absence d'insectes et de poussière, de sorte que les pesticides peuvent être éliminés. En outre, le dioxyde de carbone, pouvant être accumulé sans perte au niveau des plantes, constitue un apport efficace d'engrais des plantes.
Les bénéfices de la serre totalement fermée : • Maîtrise de la température et de l'humidité • Recyclage de l'eau perdue par évapotranspiration des plantes(si les plantes sont irriguées par des eaux grises, il y a recyclage des eaux grises en eau potable après une légère reminéralisation) • Désalinisation d'eau de mer (apporte un complément de refroidissement) • Efficacité de la fertilisation par CO2 • Elimination des pesticides Le système de refroidissement s'est révélé insuffisant à certaines périodes de grosse chaleur (on a dû changer de type de culture, on a recouru à un réservoir de 1000m3 d'eau pour 20 200m2 de serre) . Le problème de trouver une enveloppe en plastique ayant des propriétés anmibuée avec une durée d'exploitation de plus de 2 ans n'a pas été résolu dans la limite de coût envisageable(ETFE). Ces problèmes d'ordre technique ainsi que le coût élevé du prototype de l'aveux même de ses propres auteurs n'ont pas permis de surmonter les réticences des 25 investisseurs depuis 2006 .
Description de l'invention Le demandeur s'est fixé pour objectif de concevoir un dispositif et un procédé capable de 30 créer une synergie entre deux technologies, la cheminée solaire pour produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire et la serre totalement close comportant un système de climatisation du volume intérieur, dont la combinaison apporte à chacune des deux technologies des bénéfices non seulement d'ordre fonctionnel, en particulier dans la gestion de l'énergie thermique mais également en termes de rentabilité économique globale par la multiplication des fonctions 2957388 -6
assurées et des potentialités de création d'activités économiques induites, y compris dans des régions hyper arides grâce à un mode de fonctionnement en continu jour et nuit amélioré et à une valorisation supérieure de l'énergie solaire sur une même surface de terrain. Le dispositif comporte en effet selon une première caractéristique des serres en forme de 5 tunnel ou autres formes longitudinales, totalement closes selon le modèle du prototype du projet Watergy européen, disposées dans la direction Nord-Sud selon leur longueur, dont la structure porteuse, de préférence en aluminium, est extérieure à l'enveloppe plastique au moins sur la partie au delà de 2 mètres de hauteur par rapport au sol. Selon une deuxième caractéristique, la structure porteuse métallique extérieure comporte 10 des éléments métalliques de fixation permettant de fixer une deuxième structure intérieure dont les éléments métalliques sont parallèles aux éléments métalliques de la structure porteuse externe selon un plan vertical perpendiculaire à la longueur de la serre. Ce dispositif permet d'étendre l'enveloppe plastique sur cette structure interne avant de fixer celle-ci à la structure externe par des fixations de préférence en aluminium assurant un flux thermique par conduction avec la 15 structure externe. L'enveloppe en plastique des serres closes est isolée thermiquement des éléments métalliques, tout en assurant une étanchéité totale du volume intérieur de la serre. Ces serres comportent un dispositif, selon une troisième caractéristique de l'invention, constitué par neuf éléments, présents simultanément ou non selon l'objectif prioritaire recherché(évaporer le plus d'eau possible ou assurer la plus grande productivité des plantes possible ou autre), permettant de maintenir un climat modéré dans l'espace intérieur de la serre : 1) au sol l'évapotranspiration de plantes, qui sont irriguées par de l'eau qui peut être issue des stations d'épuration de l'assainissement. 2) chaque portion de serre tunnel de 25m de long et 8m de large, par exei le, comporte en son centre une tour de 10 mètres de haut dont le sommet est fermé par une plaque métallique et dont la partie dépassant l'enveloppe de la serre comporte une double paroi, la paroi extérieure étant métallique, de préférence en aluminium et de forme cylindrique. Un échangeur de chaleur air/liquide relié par un circuit de conduites à un réservoir de stockage de chaleur est fixé verticalement dans l'espace délimité par la paroi intérieure de la tour. La direction des conduites de l'échangeur est 45° par rapport à l'horizontale. Un système de récupération d'eau de condensation s'égouttant de l'échangeur est placé au bas de la cheminée, laquelle n'a pas de paroi un mètre au moins à partir du sol afin que l'air refroidi descendant de la cheminée le jour puisse se répandre sur toute la surface de la serre. La circulation du liquide dans l'échangeur relié au réservoir de chaleur s'inverse durant la nuit afin que l'échangeur ait la fonction de radiateur. 3) Des diffuseurs d'eau permettent d'asperger l'échangeur pour augmenter son pouvoir de réchauffement de l'air de la serre la nuit et en même temps son pou\ ~r de refroidissement du liquide du réservoir de chaleur. 4) un réservoir d'un mélange de sel de magnésium et d'eau permettant de réduire le volume de liquide nécessaire au stockage de la chaleur tout au long de la journée. Ce réservoir comporte sur sa partie supérieure un « vase d'expansion » pour la vapeur d'eau dégagée de la solution eau chlorure de magnésium durant la période de montée en température dans la journée. Ce vase d'expansion peut être une serre tunnel totalement close placée au dessus du réservoir(le protégeant du soleil par une épaisseur d'isolant constituant le sol de la serre) permettant de condenser la vapeur d'eau qui ne doit retourner dans le réservoir que durant la nuit. Avec une amplitude d'énergie latente de 60K et une densité d'énergie d'environ 70 kWh / m3, une solution saline avec une amplitude de salinité (par ex MgCl entre 20% (solution diluée) et 33% (solution concentrée)) représente une densité d'énergie de 267 kWh par m3 de solution saline stockée. Ce qui se traduit par une réduction de la taille du système de stockage par un facteur de 3,8 comparé à de l'eau uniquement. 5) Un dispositif d'évaporation d'eau à recycler (eau de la qualité d'eau de piscine provenant d'eau grise(salle de bain lavabo,eau de lavage de linge), ayant subi un traitement biologique anaérobie, un deuxième traitement aérobie et un troisième traitement par ultraviolet par exemple pour éliminer tout microbe ou virus) ou de désalinisation d'eau de mer ou d'eau saumâtre par évaporation, est constitué des éléments suivants : a. Un réservoir de réception d'eau à évaporer alimenté par une coi.: ;cite dont l'écoulement est asservi à un système d'arrêt/ouverture par flotteur. b. Entre deux tours de serres closes, une plaque en aluminium en forme de gouttière aplatie est fixée par chacun de ses embouts à la paroi métallique de chacune des deux tours et le long de sa longueur à la structure extérieure de la serre par des tiges métalliques, tout en se trouvant à l'intérieur du volume fermée par l'enveloppe en plastique de la serre. Cette gouttière a une pente orientée Sud suffisante pour que du liquide puisse s'y écouler. La largeur de la gouttière est fonction de l'objectif. Si on veut évaporer le plus d'eau possible à recycler, la largeur sera maximale en tenant compte d'un optimum de pénétration du rayonnement solaire dans la serre. c. Une pompe à eau pompe l'eau se trouvant dans le réservoir d'eau à évaporer vers des conduites positionnées dans l'espace entre le sommet du toit de la serre et la gouttière métallique. Ces conduites sont fixées parallèlement à la gouttière et au dessus de celle-ci de sorte que des diffuseurs d'enl intégrés à ces conduites aspergent la gouttière et dans la limite de la largeur de la gouttière. L'eau s'écoulant dans la gouttière est redirigée vers le réservoir d'où elle est à nouveau pompée. d. S'il s'agit d'eau de mer, un système de détection du niveau de salinité supérieur acceptable permet dans ce cas de diriger cette eau s'écoulant des gouttières vers un espace de production de sel par évaporation à l'extérieur de la serre. 6) Un dispositif d'échange thermique supplémentaire par conduction entre l'air intérieur et l'air extérieur à la serre positionné sur la partie la plus haute du toit, de part et d'autre de la cheminée centrale dans la longueur de la serre et ayant la r .me largeur que la gouttière, constitué par exemple d'une plaque métallique de préférence en aluminium comportant des éléments propres à augmenter la surface d'échange, par exemple des ailettes sur la face extérieure comme sur la face intérieure de la serre. Ce dispositif est en contact thermique avec la paroi extérieure de la tour centrale. L'enveloppe plastique de la serre close est donc alors constituée de deux parties latérales jointes avec une isolation thermique aux bords de ce dispositif d'échange thermique constituant le sommet du toit. 7) Le système anti-buée sur les parois intérieures de la serre close est constitué par 25 l'application d' une couche de « verre liquide » de la société Nanopool sur la surface de la paroi intérieure de l'enveloppe de la serre close. 8) Le dispositif d'échange supplémentaire par conduction peut se révéler insuffisant dans certaines régions ou en été, surtout si on applique du verre liquide à effet de serre. C'est pourquoi un dispositif d'échangeur air/eau de type « FIWIHEX », de 30 forme allongé est à fixer le long de la crête du toit à la place de la plaque métallique ou au-dessus de celle-ci. Le moteur électrique de ventilation qui équipe le matériel du commerce est remplacé par une bouche d'air, dont la surface est proportionnelle à la vitesse moyenne du vent dominant, perpendiculaire à la direction du vent. Ce dispositif est relié en série par des conduites d'eau à l'échangeur air/eau de la tour centrale de la serre et au réservoir de chaleur, mais la circulation de l'eau n'y est ouverte que durant la nuit, d'où un vase d'expansion propre à cette portion de circuit. 9) Afin de diriger le flux d'air ascendant dans la serre sur les parois latérales de la serre close tout en protégeant les plantes des gouttelettes d'eau éventuelles provenant du système d'évaporation d'eau situé sur la partie supérieure de la serre, un panneau de polyéthylène est étendu horizontalement au centre de la serre sur toute sa longueur, à une hauteur de 2 mètres ou plus. L'invention comporte, selon une quatrième caractéristique une cheminée solaire(l)(figure 1) dont le collecteur solaire à air(3)(figure 1), transparent au rayonnement solaire, est étendu sur une aire en forme de disque(3)(figure 3) sur des supports solides à une hauteur de 10 m du sol au moins à la périphérie et 26 m au moins aux abords de la cheminée solaire. Le pourtour de l'espace délimité par cette enveloppe principale et le sol est ouvert sur l'espace extérieur en mode de fonctionnement normal, mais peut être refermé par un rideau (6)(figure 1) non pas vertical mais ayant une pente de 45° et dont la fermeture a lieu en remontant ce rideau par le cylindre autour duquel il est enroulé à partir du sol vers le bord extérieur du collecteur solaire à air en cas de vent de sable. Dans le cas où des vents de sable ou de poussière se produisent dans la région, une ou plusieurs barrières constituées d'un rideau vertical ou de murs en sacs de sable peuvent être dressés autour du dispositif et à une certaine distance de cette aire, formant un ou plusieurs cercles concentriques. Le cercle de jonction entre le collecteur solaire à air et la cheminée solaire est en forme de cône ouvert dont le diamètre de la base et la hauteur ont des dimensions permettant un moindre frottement du flux d'air entrant dans le conduit de cheminée. Sous le collecteur solaire à air, selon une cinquième caractéristique de l'invention, des serres comportant chacune sa propre enveloppe et totalement closes selon les caractéristiques 1,2, et 3 de l'invention sont placées sur l'ensemble de la surface totale de sol couverte par le collecteur solaire à air, dans l'espace entre le collecteur solaire à air et le sol, de la périphérie jusqu'au cercle entourant la base de la cheminée solaire centrale, les turbines se trouvant légèrement au dessus des toits des serres. La densité en nombre de supports des serres closes varie de la périphérie vers le centre en fonction de la vitesse de déplacement du flux d'air. La température du flux d'air vers le centre croît. C'est pourquoi la portion de serres closes situées dans la périphérie immédiate de la cheminée centrale sur environ 1/3 du rayon du collecteur solaire à air ne comportent pas de culture de plantes. Elles sont utilisées pour l'évaporation d'eau à recycler ou pour la désalinisation d'eau de mer ou saumâtre,ou pour le chauffage de panneaux contenant 2957388 -10-
un produit hydrophile à recycler par évaporation de son eau, ou pour le séchage de produits agricoles ou d'autres produits. Selon une sixième caractéristique de l'invention, les supports du collecteur solaire à air peuvent reposer sur les structures externes des serres closes (ne se trouvant pas à l'intérieur des 5 enveloppes des serres closes), ces dernières étant aménagées pour que la surface du collecteur solaire à air soit plane ou bien soit une aire en relief constituée de toits en forme de serre tunnel, orientés dans leur longueur parallèlement aux rayons convergeant autour de la cheminée solaire ou parallèlement aux serres closes dans la direction Nord-Sud et perpendiculaires à ces serres closes dans la direction Est-Ouest (3) (figure 3) . Selon ce mode de mise en oeuvre, un espace 10 variant de deux mètres de hauteur au moins à 10 mètres de hauteur ou plus est aménagé entre le collecteur solaire à air et les enveloppes des serres closes, dans lequel l'air extérieur va circuler de la périphérie vers la cheminée solaire centrale. Ce mode de mise en oeuvre peut être réalisé avec des modèles de serre plastique du marché(serre avec ouvrant) dont la largeur peut aller jusqu'à 15 mètres, auxquelles on ajoute une structure dite interne servant de support à 15 l'enveloppe de la serre close. Ce mode de mise en oeuvre est normalisé quant à la densité des supports à mettre en place en fonction de la vitesse des vents et on peut utiliser ces normes pour calculer la densité de supports des structures des serres closes adaptée aux vitesses du flux d'air centripète. Ces vitesses de flux d'air sont de plus en plus rapides au fur et à mesure que l'on s'approche de la cheminée solaire centrale, pour atteindre 16 mètres par seconde pour une 20 cheminée solaire de 1000 mètres de hauteur. D'autres mises en oeuvre de serres closes selon les caractéristiques 1,2 et 3 de l'invention ne sauraient sortir pour autant du cadre de la présente invention, dans la mesure où des changements et des modifications divers apparaissent évidents pour des personnes du métier, en particulier d'autres modes de mise en oeuvre de la serre close dans lesquels plusieurs portions 25 de serres tunnels partagent une même tour centrale de refroidissement ou bien des serres closes visant à augmenter les pertes de chaleur par conduction au travers d'éléments métalliques internes et externes connectés thermiquement (caractéristique 1 et 2.5.b et 2.6), notamment l'ajout d'éléments augmentant la surface de contact avec le flux d'air centripète, fixés éventuellement sur les éléments de structure porteuse externe à l'enveloppe de la serre close ou 30 par des échangeurs air/eau utilisant le flux d'air centripète. Par ailleurs des considér nations propres au climat plus froid peuvent donner lieu à des éléments d'échange par conduction dont la surface varie selon la saison pour réduire ces échanges de chaleur en hiver et les augmenter en été. 2957388 -11-
Enfin les modes de mise en oeuvre de l'invention dans sa globalité , concer nt les dimensions par exemple peuvent dépendre des dimensions de la hauteur de la cheminée solaire et de la surface du collecteur solaire à air ainsi que de l'objectif recherché. Objectif 1 : production de plantes et recyclage d'eau issue des stations d'épuration par 5 l'irrigation des plantes. Dans ce cas la serre close seule suffit on a pas besoin de cheminée solaire. L'eau produite par l'évapotranspiration des plantes et recueillie par condensation au bas de l'échangeur air/eau, est une eau purifiée qui peut devenir de l'eau potable à condition de la minéraliser légèrement, ou servir directement à des besoins industriel (pharmacie en particulier). Pour des besoins de complément de refroidissement de la serre durant la journée par un 10 deuxième niveau d'évaporation d'eau dans le haut de la serre close, on a besoin d'un réservoir supplémentaire contenant de l'eau qui va être évaporée durant la journée par le systme d'évaporation (caractéristique 2.5.a : réservoir plein d'eau à la mise en route de la serre close, et rempli en continu durant la journée avec de l'eau recueillie au bas de l'échangeur air/eau ). La serre close produit alors de la nourriture et recycle l'eau d'assainissement (90% d'économie 15 d'eau d'irrigation par rapport à des cultures de plein champs). Objectif 2 : production de plantes et recyclage d'eau issue des stations d'épuration pour l'irrigation des plantes et recyclage d'eau grise dont l'épuration doit être finalisée par évaporation ou dessalement d'eau de mer ou d'eau saumâtre pré-traitée. Dans ce cas la serre close seule suffit on a pas besoin de cheminée solaire. L'eau produite par l'évapotranspiration 20 des plantes et l'eau produite par l'évaporation d'eau grise pré-traitée ou d'eau de mer ou d'eau saumâtre pré-traitée est recueillies par condensation au bas de l'échangeur air/eau. Cette eau est une eau purifiée qui peut devenir de l'eau potable à condition de la minéraliser légèrement, ou servir directement à des besoins industriel (pharmacie en particulier). La serre close produit alors de la nourriture et recycle l'eau d'assainissement et l'eau grise pré-traitée ou dessale de l'eau de 25 mer ou de l'eau saumâtre prétraitée. Objectif 3 : production de plantes et recyclage d'eau issue des stations d'épuration pour l'irrigation des plantes et recyclage d'eau grise dont l'épuration doit être finalisée par évaporation ou dessalement d'eau de mer ou d'eau saumâtre prétraitée et production d'électricité. Dans ce cas il y a nécessité de construire une cheminée solaire et de mettre en 30 oeuvre l'invention dans son intégralité, mais cela peut se faire selon un mode progressif selon un plan défini au départ sur plusieurs années et selon les étapes suivantes : Etape 1 : construction de la conduite d'eau apportant l'eau issue des station: D'épuration d'une ou plusieurs collectivités territoriales associées jusqu' à l'aire de la cheminée solaire et de la conduite d'eau purifiée de retour vers la ou les collectivités territoriales. 2957388 - 12 -
Etape 2 : construction des serres closes par lots à la périphérie et sur les 2/3 du rayon de l'aire de la future cheminée solaire et mise en place des réservoirs à l'abri du soleil. Etape 3 : construction de la cheminée solaire. Etape 4 : mise en place du collecteur solaire à air sur les structures externes des serres 5 closes. Construction de serres closes destinées uniquement au recyclage d'eau sur la partie de l'aire entourant immédiatement la tour centrale sur 1/3 du rayon de l'aire totale. Ces serres closes de recyclage d'eau uniquement ont une enveloppe beaucoup plus basse que les autres serres, mais elles sont dans le prolongement des autres serres périphériques et communiquent avec ces dernières afin que la vapeur d'eau qui s'y produit puisse être aussi condensée dans 10 l'espace des serres périphériques, lesquelles reçoivent un courant d'air plus frais permettant un plus grand pouvoir de condensation. Etape 5 : Mise en place d'un dispositif de récupération d'eau à partir de l'air circulant vers la cheminée solaire la nuit. Ce dispositif comporte des panneaux dressés tout autour de l'aire à la périphérie entre deux serres closes. Ces panneaux contiennent un produit hydrophile. 15 Le jour, ces panneaux sont acheminés dans les serres centrales de recyclage d'eau et positionnés en dessous des plaques métalliques gouttières à l'abri du soleil pour être chauffés et libérer par évaporation l'eau extraite de l'air la nuit. Le soir ils sont ré acheminés à nouveau à la périphérie, le système pouvant être automatisé.
20 Objectif 4 : production de plantes et recyclage d'eau issue des stations d'épuration pour l'irrigation des plantes et recyclage d'eau grise dont l'épuration doit être finalisée par évaporation ou dessalement d'eau de mer ou d'eau saumâtre prétraitée et production d'électricité et aménagement de locaux de vie sociale diverse en dessous de l'ensemble de l'aire de la cheminée solaire et son enveloppe. Dans ce cas, le plan de départ prévoit des cons-Lichons à 25 demi enterrées au dessus desquelles seront construites les serres closes. Seules les fondations de la tour restent sans autres construction en dessous d'elles. Un système de recyclage total des eaux d'assainissement en particulier une séparation des urines sera de préférence mis en place. La quantité d'urine qu'un homme produit durant une année permet de fertiliser en grande partie (potassium...) la production de 2000 kg de tomates. Le système de climatisation doit permettre 30 de récupérer l'air vicié dans les serres pour fertiliser les plantes par le CO2 et pour la fraîcheur. Des hublots de lumière naturelle et des cheminées d'entrée d'air extérieur au collecteur solaire à air permettront d'aménager des résidences d'habitation, des hôtels, des bases entières de loisir ou des locaux professionnels ou industriels : en particulier de production de protéines(aquaculture), des studios de production de cinéma ou des salles d'ordinateurs comme ceux de Grégle , 15 20 25 30 2957388 - 13 -
éventuellement sur plusieurs étages en dessous du niveau du sol permettant un système global de plus en plus écologique.
Enfin des considérations économiques peuvent inverser les priorités si par exemple la demande 5 en électricité est estimée prioritaire, alors la construction de la cheminée solaire et la mise en place du collecteur solaire à air constituent les deux étapes précédant les autres étapes d'autant plus que ces deux étapes ne nécessitent aucun besoin d'acheminement d'eau pour la production d'électricité.
10 On comprendra mieux l'invention et la richesse des possibilités de mise en oeuvre à l'aide de la description illustrée par les figures suivantes:
la figure 1 représente une coupe suivant AA de la figure 3 au niveau du diamètre de l'aire de l'ensemble du dispositif cheminée solaire et serres closes sous le collecteur solaire à air : cheminée solaire (1), serres closes (2) , enloppe principale (3), serres closes situées sur le 1/3 du rayon immédiatement en contact avec la base de la cheminée solaire (4) et destinées uniquement au recyclage d'eau par évaporation ou au chauffage de panneaux contenant un produit hydrophile pour en extraire l'eau ou au séchage de produits agricoles.
La figure 2 représente schématiquement une portion de serre close avec deux tours à deux parois dans la partie dépassant le toit de la serre close(T1 et T2). Le sommet du toit est une plaque métallique(7) en contact avec les deux tours Ti et T2, des diffuseurs d'eau(non représentés, sous la plaque métallique (7)) dispersent de l'eau sur la gouttière(10) pour l'évaporer et en même temps refroidir l'air, l'eau non évaporée s'écoule dans la gouttière(10) puis dans un circuit de conduites qui la retourne au réservoir d'où elle est pompée à nouveau pour revenir dans les diffuseurs. Une surface plane horizontale de polyéthylène (9) sépare en deux espaces la serre close.
La figure 3 représente un mode de mise en oeuvre du collecteur solaire à air adapté aux régions chaudes connaissants des vents de sable. Le collecteur solaire à air est constituée de serres tunnels dont la direction est Nord-Sud ou Est-Ouest avec une convergence vers la cheminée solaire centrale. Des moyens d'ouverture 5

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. cheminée solaire dont le collecteur solaire à air, transparent au rayonnement solaire, sur une aire en forme de disque au centre de laquelle se dresse une cheminée cylindrique est étendu sur des supports solides, caractérisée en ce que la hauteur par rapport au sol du collecteur solaire à air est de 10 m ou plus vers la périphérie et 26 mou plus aux abords immédiats du pourtour de la cheminée solaire. Le pourtour de l'espace délimité par le collecteur solaire à air et le sol est ouvert sur l'espace extérieur en mode de fonctionnement normal, mais peut être refermé par un rideau non pas vertical mais ayant une pente de 45° et dont la fermeture a lieu en remontant ce rideau à partir du sol vers le bord extérieur du collecteur solaire à air. [2] cheminée solaire selon la revendication [1] caractérisée en ce que SOUS le collecteur solaire à air de la cheminée solaire des serres closes comportant chacune sa propre enveloppe sont construites sur l'ensemble de l'aire sous le collecteur solaire à air. Les plantei`ire sont cultivées que sur la partie périphérique occupant jusqu'à 2/3 du rayon de la surface totale du collecteur solaire à air. Les serres closes occupant la partie de l'aire à proximité immédiate de la cheminée solaire sur le 1/3 du rayon de l'aire du collecteur solaire à air sont dédiées à l'évaporation d'eau à recycler, au séchage de produits agricoles ou au chauffage de panneaux contenant un produit hydrophile pour en extraire l'eau. [3] cheminée solaire selon la revendication [2] caractérisée en ce que les serres construites sous le collecteur solaire à air sont en forme de tunnel ou autres formes longitudinales, disposées dans la direction Nord-Sud selon leur longueur et ont une structure porteuse, de préférence en aluminium, extérieure à l'enveloppe plastique au moins sur la partie au delà de 2 mètres de hauteur par rapport au sol. [4] Cheminée solaire selon l'une quelconque des revendications [2] à [3] caractérisée en ce que la structure porteuse métallique extérieure des serres closes comporte des éléments métalliques de fixation permettant de fixer une deuxième structure intérieure dont les éléments métalliques sont parallèles aux éléments métalliques de la structure porteuse externe, sur le même plan vertical perpendiculaire à la longueur de la serre close, et ce dispositif permet d'étendre l'enveloppe plastique sur cette structure interne avant de fixer celle-ci à la structure externe par des fixations assurant un transfert thermique par conduction avec la structure externe. L'enveloppe en plastique est isolée thermiquement des éléments métalliques, tout en assurant une étanchéité totale du volume intérieur de la serre. 2957388 - 16 - [5] ] Cheminée solaire selon l'une quelconque des revendications [2] à [4] caractérisée en ce que les supports du collecteur solaire à air sont les structures externes des serres closes (ne se trouvant pas à l'intérieur des enveloppes des serres closes). Selon ce mode de mise en oeuvre, un espace variant de 2 mètres de hauteur ou plus à 10 mètres de hauteur ou 5 plus est aménagé entre le collecteur solaire à air et le sommet du toit des serres closes, dans lequel l'air extérieur va circuler de la périphérie vers la cheminée centrale solaire. Ces dimensions dépendent de la hauteur de la cheminée solaire. [6] Cheminée solaire selon l'une quelconque des revendications [2] à [5] caractérisée en ce qu'une serre close comporte un dispositif constitué par neuf éléments, présents 10 simultanément ou non selon l'objectif recherché(évaporer le plus d'eau possible ou assurer la plus grande productivité des plantes possible ou autre), permettant de maintenir un climat modéré dans l'espace intérieur de la serre : 1) Au sol l'évapotranspiration de plantes, qui sont irriguées par de l'eau qui peut être issue des stations d'épuration de l'assainissement. 15
  2. 2) chaque portion de serre tunnel de 25m de long et 8m de large, par exen£ le, comporte en son centre une tour de 10 mètres de haut dont le sommet est fermé par une plaque métallique et dont la partie dépassant l'enveloppe de la serre comporte une double paroi, la paroi extérieure étant métallique, de préférence en aluminium et de forme cylindrique. Un échangeur de chaleur air/liquide relié par un circuit de conduites à un 20 réservoir de stockage de chaleur est fixé verticalement dans l'espace délimité par la paroi intérieure de la tour. La direction des conduites de l'échangeur est 45° par rapport à l'horizontale. Un système de récupération d'eau de condensation s'égouttant de l'échangeur est placé au bas de la cheminée, laquelle n'a pas de paroi un mètre au moins à partir du sol afin que l'air refroidi descendant de la cheminée le 25 jour puisse se répandre sur toute la surface de la serre. La circulation dqiquide dans l'échangeur relié au réservoir de chaleur s'inverse durant la nuit afin que l'échangeur ait la fonction de radiateur.
  3. 3) Des diffuseurs d'eau permettent d'asperger l'échangeur pour augmenter son pouvoir de réchauffement de l'air de la serre la nuit et en même temps son pouvoir de 30 refroidissement du liquide du réservoir de chaleur.
  4. 4) un réservoir d'un mélange de sel de magnésium et d'eau permettant de réduire le volume de liquide nécessaire au stockage de la chaleur tout au long de la journée. Ce réservoir comporte sur sa partie supérieure un « vase d'expansion » pour la vapeur d'eau dégagée de la solution eau chlorure de magnésium durant la période de montée 15 20 25 30 2957388 -17- en température dans la journée. Ce vase d'expansion peut être une serre tunnel totalement close placée au dessus du réservoir(le protégeant du soleil par une épaisseur d'isolant constituant le sol de la serre) permettant de condenser la vapeur d'eau qui ne doit retourner dans le réservoir que durant la nuit. 5
  5. 5) Un dispositif d'évaporation d'eau à recycler (eau de la qualité d'eau de piscine provenant d'eau grise(salle de bain lavabo,eau de lavage de linge), ayant subi un traitement biologique anaérobie, un deuxième traitement aérobie et un troisième traitement par ultraviolet par exemple pour éliminer tout microbe ou virus) ou de désalinisation d'eau de mer ou d'eau saumâtre par évaporation, est constitué des 10 éléments suivants : a. Un réservoir de réception d'eau à évaporer alimenté par une conduite dont l'écoulement est asservi à un système d'arrêt/ouverture par flott=r. b. Entre deux tours de serres closes, une plaque en aluminium en forme de gouttière aplatie est fixée par chacun de ses embouts à la paroi métallique de chacune des deux tours et le long de sa longueur à la structure extérieure de la serre par des tiges métalliques, tout en se trouvant à l'intérieur du volume fermée par l'enveloppe en plastique de la serre. Cette gouttière a une pente orientée Sud suffisante pour que du liquide puisse s'y écouler. La largeur de la gouttière est fonction de l'objectif. Si on veut évaporer le plus d'eau possible à recycler, la largeur sera maximale en tenant compte d'un optimum de pénétration du rayonnement solaire dans la serre. c. Une pompe à eau pompe l'eau se trouvant dans le réservoir d' m. à évaporer vers des conduites positionnées dans l'espace entre le sommet du toit de la serre et la gouttière métallique. Ces conduites sont fixées parallèlement à la gouttière et au dessus de celle-ci de sorte que des diffuseurs d'eau intégrés à ces conduites aspergent la gouttière et dans la limite de la largeur de la gouttière. L'eau s'écoulant dans la gouttière est redirigée vers le réservoir d'où elle est à nouveau pompée. d. S'il s'agit d'eau de mer, un système de détection du niveau de salinité supérieur acceptable permet dans ce cas de diriger cette eau s'écoulant des gouttières vers un espace de production de sel par évaporation à l'extérieur de la serre.
  6. 6) Un dispositif d'échange thermique supplémentaire par conduction entre 'air intérieur et l'air extérieur à la serre positionné sur la partie la plus haute du toit, de part et 2957388 -18- d'autre de la cheminée centrale dans la longueur de la serre et ayant la même largeur que la gouttière, constitué par exemple d'une plaque métallique de préférence en aluminium comportant des éléments propres à augmenter la surface d'échange, par exemple des ailettes sur la face extérieure comme sur la face intérieure de la serre. Ce 5 dispositif est en contact thermique avec la paroi extérieure de la tour centrale L'enveloppe plastique de la serre close est donc alors constituée de deux parties latérales jointes avec une isolation thermique aux bords de ce dispositif d'échange thermique constituant le sommet du toit.
  7. 7) Le système anti-buée sur les parois intérieures de la serre close est constitué par 10 l'application d' une couche de « verre liquide » de la société Nanopool sur la surface de la paroi intérieure de l'enveloppe de la serre close.
  8. 8) Le dispositif d'échange supplémentaire par conduction peut se révéler insuffisant dans certaines régions ou en été, surtout si on applique du verre liquide à effet de serre. C'est pourquoi un dispositif d'échangeurs air/eau de type « FIWI1-1EX », de 15 forme rallongé est à fixer le long de la crête du toit à la place de la plaque métallique ou au-dessus de celle-ci. Le moteur électrique de ventilation qui équipe le matériel du commerce est remplacé par une bouche d'air, dont la surface est proportionnelle à la vitesse moyenne du vent dominant, perpendiculaire à la direction du vent. Ce dispositif est relié en série par des conduites d'eau à l'échangeur de la tour centrale de 20 la serre et au réservoir de chaleur, mais la circulation de l'eau n'y est ouverte que durant la nuit, d'où un vase d'expansion propre à cette portion de circuit.
  9. 9) Afin de diriger le flux d'air ascendant dans la serre sur les parois latérales de la serre close tout en protégeant les plantes des gouttelettes d'eau éventuelles provenant du système d'évaporation d'eau situé sur la partie supérieure de la serre, un panneau de 25 polyéthylène est étendu horizontalement au centre de la serre sur toute sa longueur, à une hauteur de 2 mètres ou plus.
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