EP2129974A2 - Capteur solaire - Google Patents

Capteur solaire

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EP2129974A2
EP2129974A2 EP08775618A EP08775618A EP2129974A2 EP 2129974 A2 EP2129974 A2 EP 2129974A2 EP 08775618 A EP08775618 A EP 08775618A EP 08775618 A EP08775618 A EP 08775618A EP 2129974 A2 EP2129974 A2 EP 2129974A2
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EP
European Patent Office
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lens
receiver
sensor according
box
walls
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08775618A
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German (de)
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Inventor
Qinglong Lin
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2129974A2 publication Critical patent/EP2129974A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a solar collector of the type comprising, as a collector, a convergent lens having, in a manner known per se, a focal distance and an image focal plane on which are concentrated, in a line, called “focus image primary ", the beam of solar rays that receives said lens, said concentrated beam moving with the course of the sun.
  • a solar collector of the type comprising, as a collector, a convergent lens having, in a manner known per se, a focal distance and an image focal plane on which are concentrated, in a line, called “focus image primary ", the beam of solar rays that receives said lens, said concentrated beam moving with the course of the sun.
  • Such a lens is said to be “linear” in that its focus is a line.
  • the present invention proposes to provide a simple and effective solution to overcome these disadvantages.
  • the present invention provides a solar collector of the aforementioned type, wherein said convergent lens constitutes one of the walls of a box defined by: two pairs of side walls, a bottom wall and a front wall constituted by said lens, the side walls of each pair being parallel to each other, and each pair of side walls being perpendicular to the other pair, the side and bottom walls, inner side of the box being reflective, the depth p between the front wall and the bottom wall being smaller than the focal length f of the lens, so that, after multiple reflections, the ray beam thus reflected is concentrated on a line called "final image focus", symmetrical to said primary image focus relative to said bottom wall and belonging to a "close-up focal plane” itself symmetrical to said image focal plane with respect to said bottom wall, but located inside said box, said sensor enclosing a movable receiver held within said concentrated beam, or in a position at least secant to said beam, by means controlling the moving said receiver to move said beam.
  • the front wall and the bottom of the box are perpendicular to the side walls; in other words, the box takes the form of a rectangular parallelepiped.
  • the structure of the sensor according to the invention makes it possible to follow the course of the sun, by slaving to this race, not the orientation of the box, but the position of the receiver in the box.
  • the servo-control means can be considerably lighter than if it were to move the whole box and, on the other hand, that the mobile element (the receiver) is protected from the outside by the box.
  • the receiver is movably mounted in the focal plane image close to said lens or in a plane parallel to said close-up focal plane.
  • Servo control means that can be used are in the field of skill of the person skilled in the art. In particular, they can apply principles similar to those implemented in the known sensors.
  • the receiver in the absence of solar rays or insufficient radiation, the receiver can remain temporarily immobile in the box and come to reposition relative to the concentrated beam when the radiation has recovered to a sufficient level.
  • a photonic flowmeter adapted to send signals to drive means to which the heat pipe is subjected.
  • the center of the receiver In order for the receiver position to be optimal, that is, to receive all the concentrated beam, the center of the receiver must be located within an area that ranges from + jc to -Jc on both sides of said close-up focal plane, median to said area, Jc satisfying the relation
  • r_ is the radius of the cross-section of the receiver if this section is circular or of the circle inscribed in the section of the receiver if this section is not circular, it being understood that by “center of the receiver” is meant the line parallel to the focus final image and passing through the center of the circle;
  • sin [Atan] means sinus [arc tangent];
  • d is the distance between the optical axis of the lens and the edge of the lens, taken in the plane containing said optical axis and which is perpendicular to the bottom of the box and orthogonal to the final image focus.
  • the converging lens can take various forms as long as it concentrates the sun's rays along a line.
  • the convergent lens may be plane-convex, biconvex or convergent meniscus.
  • the convergent lens will be a Fresnel lens, for reasons of reducing the size and weight of the lens.
  • a Fresnel lens also has the advantage of less absorbing rays that pass through it than other lenses.
  • a plano-convex Fresnel lens that is to say a lens having a flat face and a sawtooth face
  • said lens will preferably be mounted so that its face plane is turned towards the outside of said box.
  • This orientation has the advantage of placing inside the box the face of the lens that is most likely to trap dirt, the flat face, outside, obviously being easier to clean.
  • the Fresnel lens is biconvex, i.e. a lens having a convex smooth face and a sawtooth face, the lens will preferably be mounted so that its convex face is turned towards the outside of said box.
  • the lens may be a convergent meniscus lens, i.e. a lens having a convex face and a concave face; such a lens will necessarily be mounted so that its convex face is facing outwardly of said box.
  • the receiver is advantageously a heat pipe covered with a material whose absorption coefficient of the heat is greater than the heat emission coefficient.
  • the heat pipe takes the form of a tube, possibly flexible, included in a vacuum tube, to limit the heat loss.
  • the heat pipe is advantageously connected to an extraction exchanger fed with a heat transfer fluid to exploit the heat obtained, for example to heat water or another fluid, to heat a device or to generate solar cold.
  • the receiver is an extraction exchanger supplied with a heat transfer fluid.
  • the receiver may be a photovoltaic cell receiver.
  • the receiver is capable of occupying two positions, namely a service position in which it receives a certain thermal energy and a retracted position in which it receives a lower thermal energy than in the service position.
  • retractable means being able to move the receiver from its operating position to its retracted position, in the event of risk of overheating, for example, in the event that the circulation of coolant no longer occurs in the extraction exchanger .
  • the receiver can be connected to a Stirling engine, that is to say an engine that exploits a temperature difference between a hot source and a cold source, especially for the purpose of generating electricity.
  • a Stirling engine that is to say an engine that exploits a temperature difference between a hot source and a cold source, especially for the purpose of generating electricity.
  • the surfaces of the lens are treated so as to reduce their potential deterioration with time, alterations which may consist, mainly on the outside, in soiling, and on the inner side in depositing metal particles ejected from the reflective surfaces.
  • Such treatment may consist of a non-stick surface treatment increasing the wettability and obtained by application of thin layers consisting of SiOx-based compounds (SiO 2, etc.) and / or coatings which make it possible to reduce the adhesion of various pollutants, such as TiO 2 type photocatalytic compounds.
  • Such an antireflection treatment has, in addition, the advantage of reducing the reflection, by the lens, the rays it receives according to certain incidences.
  • the reflective walls alternatively, they may be made of removable reflective panels for cleaning, replacement or complete flattening of the box for transport or displacement.
  • FIG. 1 is a diagram, in perspective, cutaway, of an embodiment of a box according to the invention
  • FIGS. 2a, 2b and 2c illustrate various types of lenses that can be used according to the invention with identification of the thickness e_;
  • FIGS. 3a and 3b are diagrams of one embodiment of the box according to the invention, illustrating the effect of the useful distance b on the depth of the box;
  • FIGS. 4a and 4b are diagrams of one embodiment of a box according to the invention, seen in section in a plane perpendicular to the general direction of the lens, and illustrating the path of the solar rays in two angles. different;
  • FIGS. 5a and 5b are diagrams illustrating the parameter k and the optimal positioning zone of the receiver, FIG. 5b being a view on a larger scale of the area of the final image focus of FIG. 5a, and
  • the casing 1, in this embodiment of the invention is of rectangular parallelepipedal shape, composed of a front wall consisting of a linear converging lens 2, a rear wall or bottom 3 and side walls 4a-d.
  • the inner faces of the side walls 4a-d and bottom 3 of the box 1 are reflective, either they are coated with a reflective film or they are lined with a removable reflective wall.
  • the side wall 4b has a slot such as 5, in which is slidable a heat pipe 6 in a plane parallel to the general plane of the lens 2, the heat pipe being supported, opposite the slot, by appropriate means (not shown) allowing this sliding.
  • the heat pipe 6 is sheathed with a material having a heat dissipation coefficient lower than its thermal absorption coefficient to limit the losses as much as possible.
  • the casing 1 is extended by a housing 8 (dashed in FIG. 1) for the extraction exchanger 7 and a drive mechanism not shown in FIG. 1
  • the housing 8 may have the same rectangular section as the casing 1 and be closely connected to avoid infiltration of rainwater or dust. It can be advantageously opaque to slow the aging of the hoses 9a and 9b ( Figure 6).
  • the lens 2 of the box 1 is struck by the sun's rays at an incidence that varies with the time of day, the season, and so on. and two such different incidences are illustrated by the rays R and R 1 . If we come to the optical plane, FIG. 4a, which represents the casing 1 without the heat pipe 6 nor the extraction exchanger 7 for the clarity of the representation, we see that the lens 2 is constituted by a lens of Fresnel 2 convex plane whose flat face is turned towards the outside of the box.
  • the thickness of the lens has been exaggerated in the figure also for the sake of clarity.
  • the lens 2 has an optical axis AA, a focal length f greater than the depth p of the box 1 and an image focal plane PFI which is beyond the bottom 3 of said box 1.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c respectively show a plano-convex lens 2a, in this case a Fresnel lens, a biconvex lens 2b, and a meniscus lens 2c, forming one of the walls of a box which can be seen in FIG. primer of the side walls 4a and 4c.
  • the plane face of the lens coincides with the plane FF passing through the adjacent edge of the side walls 4a-4d, and the penetration thickness e is the distance between this plane FF and the TT plane tangent to the most prominent part of the lens inside the box.
  • the thickness e_ of penetration is the distance between the median plane of the lens, which is confuses with the plane FF, passing through the adjacent edge of the side walls 4a-4d, and the plane TT tangent to the most prominent part of the lens inside the box.
  • the thickness e_ is substantially zero.
  • FIGS. 3a and 3b where the lens has been schematized in the form of a simple rectangle designated 2a-c, to show that it may be any of the types of lenses 2a, 2b or 2c illustrated in Figures 2a to 2c, the parameters necessary for the determination of the depth of the box are indicated.
  • the lens 2a-c has a thickness e_ and a focal distance f_, which distance determines the image focal plane PFI.
  • the receiver 6 is in the plane PFIR situated at e + b1 of the plane FF, which is a special case, as will be seen with reference to FIGS. 5a and 5b.
  • the bottom 3 of the box must be equidistant from the PFIR plane and the PFI plane.
  • sun rays striking the lens 2 parallel to the ray R would focus on a primary image focus in the image focal plane PFI.
  • the lateral reflecting walls, such as 4a, and the reflecting bottom 3 of the box stop the R-rays and reflect them until they focus on a final image focal point, in a close-up image plane PFIR parallel to the plane focal image PFI, but inside the box 1.
  • this final image focus is seen in section, thus in the form of a point I.
  • FIG. 4b is similar to FIG. 4a except that it illustrates another orientation of impact of the rays, such as R ', on the lens 2. As can be seen, at the end of multiple reflections, these rays R 'focus on a final image focus, also located in the PFIR plane, and this final image focus is seen in section in Figure 4b, thus in the form of a point I'.
  • the final image focus of the R-rays and that of the R 'rays are located in the same plane PFIR, but along two different lines or, expressed otherwise, the linear final image focus moves in translation in the plane PFIR as and when measure of the sun's course.
  • the heat pipe 6 which, in the particular case envisaged, is arranged in the plane PFIR, moves to follow this displacement in translation of the final linear image focus.
  • motor means enslaving the displacement of the heat pipe to the race of the sun, or more precisely to the race of the concentrated ray beam towards the final image focus. This enslavement takes into account the location of the caisson, the season, the time of day, etc.
  • the heat pipe may, in addition, be subjected to retractable means adapted to move it, if necessary, out of its operating position, to avoid overheating.
  • the retracting means will move the heat pipe from its service position where it receives a certain thermal energy to a retracted position where it receives a lower thermal energy than in the service position.
  • FIG. 5a there is the box 1 with its lens 2 and its bottom 3. It also shows a receiver 6a which has been presented in the form of a circular section device of radius r (see Figure 5b), but not necessarily circular. If the receiver is not circular, consider the circle in the non-circular section. The distance d used in the calculation of the value I is also identified in this figure.
  • R 1 and R ⁇ are indicated solar rays forming the outer boundaries of the beam of rays striking the lens 2 with zero incidence.
  • the beam bounded by Ri and R 2 converges towards the plane PFI but is stopped and reflected by the bottom 3 to converge in a concentrated beam towards the plane PFIR that crosses along a line seen in section I ", corresponding to the focus image final, to diverge beyond the RETP plan.
  • concentrated beam thus delimits, on either side of the final image center I ", two X planes forming an angle ⁇ between them.
  • the receiver receives the entire concentrated beam.
  • a part of the concentrated beam namely the part which lies between, respectively, the plane of R 1 and R 2 and the tangents T 1 and T 2 to the receiver 6c do not hit the receiver.
  • the line which passes through the center of the receiver and which is parallel to the final image focus I "(line C 3 for the receiver in position 6a, line C b for the receiver in position 6b) must be located in a zone of extent E ranging from + k to -k, on either side of the plane PFIR, k having to satisfy the relation
  • positions 6a, 6b and 6c could just as easily be on the other side of the PFIR plane.
  • FIG. 5b shows, in addition, for the receiver 6a a service position (in this case, within the beam concentrated and tangent to the planes bounding this beam) and a retracted position, illustrated in 6a 'or the receiver is totally out of the concentrated beam.
  • the position ⁇ c could also be considered to constitute the retracted position of the receiver 6a.
  • references E1 and E8 respectively designate the interior space of the box 1 and the interior space of the housing 8, separated by the partition 4b, slotted at 5.
  • the heat pipe 6 and the exchanger 7 with its cold fluid supply according to 7a and its discharge in hot fluid according to 7b, as shown in FIG. 1. More specifically, this supply and this evacuation are done via flexible hoses, respectively 9a and 9b, connected to tubings, respectively 10a and 10b, themselves in fluid communication with the inside of the exchanger 7.
  • Flexible tubes 9a and 9b are used, obviously, to allow the displacement of the heat pipe 6.
  • the heat pipe 6 is connected, via a collar 11 provided with a fork 12a, 12b, to the axis of rotation of a pinion 13 which meshes with a rack 14, pinion 13 which is itself driven in rotation by a motor 15.
  • the lens and the bottom of the box are not necessarily perpendicular to the side walls of said box, and not necessarily parallel to each other.
  • the box could contain an extraction exchanger supplied with heat transfer fluid or a linear volume coated with photovoltaic cells, both mobile as has been described for the heat pipe.

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Abstract

Le capteur comprend une lentille convergente (2) ayant une distance focale f et un plan focal image (PFI). La lentille convergente (2) constitue l'une des parois d'un caisson (1) défini par deux paires de parois latérales (4a, 4c), une paroi de fond (3) et une paroi avant constituée par ladite lentille (2), les parois latérales et de fond, côté intérieur du caisson, étant réfléchissantes, la profondeur p du caisson étant inférieure à la distance focale f de la lentille, de sorte qu'à l'issue de réflexions multiples, le faisceau de rayons (R1,R2) ainsi réfléchi est concentré sur un 'foyer image final' (I'), situé à l'intérieur dudit caisson, ledit capteur renfermant un récepteur mobile (6a) maintenu au sein dudit faisceau concentré, ou dans une position au moins sécante audit faisceau, par des moyens asservissant le déplacement dudit récepteur (6a) au déplacement dudit faisceau.

Description

Capteur solaire.
La présente invention a pour objet un capteur solaire du type comprenant, comme collecteur, une lentille convergente ayant, d'une manière connue en soi, une distance focale et un plan focal image sur lequel se concentrent, selon une ligne, dite "foyer image primaire", le faisceau des rayons solaires que reçoit ladite lentille, ledit faisceau concentré se déplaçant avec la course du soleil. Une telle lentille est dite "linéaire" en ce sens que son foyer est une ligne.
Pour tenir compte de la variation de la direction des rayons du soleil au cours de la journée et au cours des saisons, les capteurs solaires connus ou bien utilisent des miroirs paraboliques coûteux ou bien sont inclus dans des équipements pivotants et motorisés, compliqués et fragiles.
La présente invention se propose d'apporter une solution simple et efficace pour remédier à ces inconvénients .
A cette fin, la présente invention apporte un capteur solaire du type précité, dans lequel ladite lentille convergente constitue l'une des parois d'un caisson défini par : deux paires de parois latérales, une paroi de fond et une paroi avant constituée par ladite lentille, les parois latérales de chaque paire étant parallèles entre elles, et chaque paire de parois latérales étant perpendiculaire à l'autre paire, les parois latérales et de fond, côté intérieur du caisson, étant réfléchissantes, la profondeur p_ entre la paroi avant et la paroi de fond étant inférieure à la distance focale f de la lentille, de sorte qu'à l'issue de réflexions multiples, le faisceau de rayons ainsi réfléchi est concentré sur une ligne dite "foyer image final", symétrique audit foyer image primaire par rapport à ladite paroi de fond et appartenant à un "plan focal image rapproché" lui-même symétrique audit plan focal image par rapport à ladite paroi de fond, mais situé à l'intérieur dudit caisson, ledit capteur renfermant un récepteur mobile maintenu au sein dudit faisceau concentré, ou dans une position au moins sécante audit faisceau, par des moyens asservissent le déplacement dudit récepteur au déplacement dudit faisceau.
Dans une forme d'exécution préférée, la paroi avant et le fond du caisson sont perpendiculaires aux parois latérales ; autrement dit, le caisson revêt la forme d'un parallélépipède rectangle.
Dans ce cas particulier, la profondeur p du caisson répond à la relation p = 0,5*(f+e+b) où : e est l'épaisseur de pénétration de la lentille dans le caisson, et b est la distance comprise entre la lentille et le plan focal image rapproché ou distance utile de fonctionnement, ledit capteur renfermant un récepteur mobile maintenu au sein dudit faisceau concentré, ou dans une position au moins sécante audit faisceau, par des moyens asservissant le déplacement dudit récepteur au déplacement dudit faisceau.
Ainsi, la structure du capteur selon l'invention permet de suivre la course du soleil, en asservissant à cette course, non pas l'orientation du caisson, mais la position du récepteur dans le caisson. Il s'ensuit, d'une part, que les moyens d'asservissement peuvent être considérablement plus légers que s'il s'agissait de déplacer tout le caisson et, d'autre part, que l'élément mobile (le récepteur) est protégé du milieu extérieur par le caisson. En pratique, le récepteur est monté mobile, dans le plan focal image rapproché de ladite lentille ou dans un plan parallèle audit plan focal image rapproché. Les moyens d'asservissement utilisables sont dans le domaine de compétence de l'homme du métier. Ils peuvent notamment appliquer des principes similaires à ceux mis en œuvre dans les capteurs connus. On comprendra qu'en l'absence de rayons solaires ou d'insuffisance de rayonnement, le récepteur pourra rester temporairement immobile dans le caisson et venir se repositionner par rapport au faisceau concentré lorsque le rayonnement aura repris à un niveau suffisant. Dans une forme d'exécution possible, pour piloter la vitesse et la direction de déplacement dudit caloduc, celui-ci est pourvu d'un fluxmètre photonique adapté à envoyer des signaux à des moyens d'entraînement auxquels est soumis le caloduc. Pour que la position du récepteur soit optimale, c'est-à-dire pour qu'il reçoive tout le faisceau concentré, le centre du récepteur doit être situé au sein d'une zone qui affecte une étendue allant de +jc à -Jc de part et d'autre dudit plan focal image rapproché, médian à ladite zone, Jc satisfaisant à la relation
où : r_ est le rayon de la section transversale du récepteur si cette section est circulaire ou du cercle inscrit dans la section du récepteur si cette section n'est pas circulaire, étant entendu que par "centre du récepteur" on entend la droite parallèle au foyer image final et qui passe par le centre dudit cercle ; sin[Atan] signifie sinus [arc tangente] ; . d est la distance entre l'axe optique de la lentille et le bord de la lentille, prise dans le plan contenant ledit axe optique et qui est perpendiculaire au fond du caisson et orthogonal au foyer image final. Cependant, il est possible de placer le centre du récepteur à l'extérieur de cette zone optimale en obtenant toujours un résultat acceptable, par exemple un résultat économiquement acceptable si la perte de performance est compensée par une réduction significative du coût du capteur. La lentille convergente peut revêtir diverses formes pourvu qu'elle concentre les rayons solaires selon une ligne. Ainsi, la lentille convergente pourra être plan- convexe, biconvexe ou ménisque convergente.
De préférence et sans que cela soit limitatif, la lentille convergente sera une lentille de Fresnel, ce, pour des raisons de réduction d'encombrement et de poids de la lentille. Une lentille de Fresnel a également l'avantage de moins absorber les rayons qui la traversent que d'autres lentilles . Dans le cas d'une lentille de Fresnel plan-convexe, c'est-à-dire d'une lentille ayant une face plane et une face en dents de scie, ladite lentille sera, de préférence, montée de telle sorte que sa face plane soit tournée vers l'extérieur dudit caisson. Cette orientation a l'avantage de placer à l'intérieur du caisson la face de la lentille qui est la plus susceptible de piéger les salissures, la face plane, extérieure, étant évidemment plus facile à nettoyer. Pour la même raison, si la lentille de Fresnel est biconvexe, c'est-à-dire une lentille ayant une face lisse convexe et une face en dents de scie, la lentille sera, de préférence, montée de telle sorte que sa face convexe soit tournée vers l'extérieur dudit caisson.
Dans une autre forme d'exécution, la lentille peut être une lentille ménisque convergente, c'est-à-dire une lentille ayant une face convexe et une face concave ; une telle lentille sera nécessairement montée de telle sorte que sa face convexe soit tournée vers l'extérieur dudit caisson. Le récepteur est avantageusement un caloduc recouvert d'un matériau dont le coefficient d'absorption de la chaleur est supérieur au coefficient d'émission de la chaleur.
Dans une forme d'exécution particulière de l'invention, plus particulièrement destinée aux centrales solaires, le caloduc revêt la forme d'un tube, éventuellement flexible, inclus dans un tube sous vide, pour limiter la perte thermique.
Le caloduc est avantageusement connecté à un échangeur d'extraction alimenté en un fluide caloporteur pour exploiter la chaleur obtenue, par exemple pour chauffer de l'eau ou un autre fluide, pour chauffer un dispositif ou pour générer du froid solaire.
Dans une autre forme d'exécution, le récepteur est un échangeur d'extraction alimenté par un fluide caloporteur. Dans une autre forme d'exécution encore, le récepteur peut être un récepteur à cellules photovoltaïques.
Dans une forme d'exécution préférée, le récepteur est susceptible d'occuper deux positions, à savoir une position de service dans laquelle il reçoit une certaine énergie thermique et une position escamotée dans laquelle il reçoit une énergie thermique moindre qu'en position de service, des moyens escamoteurs étant susceptibles de faire passer le récepteur de sa position de service à sa position escamotée, en cas de risque de surchauffe, par exemple, au cas où la circulation de fluide caloporteur ne se ferait plus dans l' échangeur d'extraction.
Le récepteur peut être connecté à un moteur Stirling, c'est-à-dire un moteur qui exploite une différence de température entre une source chaude et une source froide, notamment aux fins de produire de l'électricité.
De préférence, les surfaces de la lentille sont traitées de façon à réduire leur altération potentielle avec le temps, altérations qui peuvent consister, côté extérieur principalement, en salissures, et côté intérieur en dépôt de particules métalliques éjectées des surfaces réfléchissantes. Un tel traitement pourra consister en un traitement de surface antiadhérent augmentant la mouillabilité et obtenu par application de couches minces constituées de composés à base de SiOx (SiO2 etc.) et/ou de revêtements qui permettent de réduire l'accrochage de différents polluants, tels que des composés photocatalytiques de type TiO2.
Il peut s'agir, en outre, d'une protection contre le vieillissement de la matière de la lentille, obtenue par dépôt sur la surface extérieure de la lentille de couches optiques classiques en matière de traitement anti-reflets. Un tel traitement anti-reflets a, en outre, l'avantage de réduire la réflexion, par la lentille, des rayons qu'elle reçoit selon certaines incidences.
Il en va de même des parois réfléchissantes du caisson qui seront avantageusement traitées de façon à réduire leur altération potentielle avec le temps.
S 'agissant des parois réfléchissantes, en variante, elles pourront être constituées de panneaux réfléchissants démontables à des fins de nettoyage, de remplacement ou de mise à plat complet du caisson à des fins de transport ou de déplacement.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma, en perspective, écorché, d'une forme d'exécution d'un caisson selon l'invention,
- les figures 2a, 2b et 2c illustrent divers types de lentilles utilisables selon l'invention avec identification de l'épaisseur e_ ;
- les figures 3a et 3b sont des schémas d'une forme d'exécution du caisson selon l'invention, illustrant l'effet de la distance utile b sur la profondeur du caisson ;
- les figures 4a et 4b sont des schémas d'une forme d'exécution d'un caisson selon l'invention, vu en coupe dans un plan perpendiculaire à la direction générale de la lentille, et illustrant le trajet des rayons solaires selon deux incidences différentes ; - les figures 5a et 5b sont des schémas illustrant le paramètre k et la zone de positionnement optimale du récepteur, la figure 5b étant une vue à plus grande échelle de la zone du foyer image final de la figure 5a, et - la figure 6 est un schéma illustrant une forme d'exécution d'un mécanisme d'entraînement pour le caloduc.
Comme il ressort de la figure 1, le caisson 1, dans cette forme d'exécution de l'invention, est de forme parallélépipédique rectangle, composée d'une paroi avant constituée d'une lentille convergente linéaire 2, d'une paroi arrière ou fond 3 et de parois latérales 4a-d. Les faces internes des parois latérales 4a-d et de fond 3 du caisson 1 sont réfléchissantes, soit qu'elles sont revêtues d'un film réfléchissant soit qu'elles sont doublées d'une paroi réfléchissante amovible.
La paroi latérale 4b comporte une fente telle que 5, dans laquelle est susceptible de coulisser un caloduc 6 dans un plan parallèle au plan général de la lentille 2, le caloduc étant supporté, à l'opposé de la fente, par des moyens appropriés (non représentés) autorisant ce coulissement .
Le caloduc 6 est gainé d'un matériau ayant un coefficient de dissipation thermique inférieur à son coefficient d'absorption thermique pour limiter les pertes, autant que possible. Un échangeur d'extraction 7, alimenté en fluide froid selon 7a ressortant chaud selon 7b, évacue la chaleur du caloduc pour une exploitation appropriée.
Le caisson 1 est prolongé par un logement 8 (amorcé en pointillés sur la figure 1) pour l' échangeur d'extraction 7 et un mécanisme d'entraînement non représenté à la figure 1
(voir figure 6) . Le logement 8 peut avoir la même section rectangulaire que le caisson 1 et y être étroitement connecté pour éviter toute infiltration d'eau de pluie ou de poussière. Il peut être avantageusement opaque pour ralentir le vieillissement des tuyaux souples 9a et 9b (figure 6) . La lentille 2 du caisson 1 est frappée par les rayons solaires selon une incidence qui varie avec l'heure de la journée, la saison, etc. et deux telles incidences différentes sont illustrées par les rayons R et R1. Si l'on en vient au plan optique, la figure 4a, qui représente le caisson 1 sans le caloduc 6 ni l'échangeur d'extraction 7 pour la clarté de la représentation, on voit que la lentille 2 est constituée par une lentille de Fresnel 2 plan convexe dont la face plane est tournée vers l'extérieur du caisson. L'épaisseur de la lentille a été exagérée sur la figure également à des fins de clarté. La lentille 2 a un axe optique AA, une distance focale f supérieure à la profondeur p du caisson 1 et un plan focal image PFI qui est au-delà du fond 3 dudit caisson 1. Comme indiqué plus haut, la profondeur p du caisson doit répondre à la relation : p = 0,5* (f+e+b)
Cette relation est expliquée par référence aux figures 2a-2c et 3a-3b. Les figures 2a, 2b et 2c montrent respectivement une lentille plan-convexe 2a, en l'occurrence une lentille de Fresnel, une lentille biconvexe 2b, et une lentille ménisque 2c, formant l'une des parois d'un caisson dont on voit l'amorce des parois latérales 4a et 4c.
Dans le cas de la lentille de Fresnel 2a, la face plane de la lentille se confond avec le plan FF passant par le bord adjacent des parois latérales 4a-4d, et l'épaisseur e de pénétration est la distance entre ce plan FF et le plan TT tangent à la partie la plus proéminente de la lentille à l'intérieur du caisson.
Dans le cas de la lentille biconvexe 2b, l'une des faces convexes de la lentille fait saillie vers l'extérieur du caisson 1 et l'autre face convexe fait saillie vers l'intérieur du caisson. L'épaisseur e_ de pénétration est la distance entre le plan médian de la lentille, plan qui se confond avec le plan FF, passant par le bord adjacent des parois latérales 4a-4d, et le plan TT tangent à la partie la plus proéminente de la lentille à l'intérieur du caisson. Dans le cas de la lentille ménisque 2c, aucune partie de la lentille ne pénètre dans le caisson (à la fixation de la lentille près), de sorte que l'épaisseur e_ est sensiblement nulle.
Comme il ressort des figures 3a et 3b, où la lentille a été schématisée sous la forme d'un simple rectangle désigné par 2a-c, pour montrer qu'il peut s'agit de l'un quelconque des types de lentilles 2a, 2b ou 2c illustrées aux figures 2a à 2c, les paramètres nécessaires à la détermination de la profondeur du caisson sont indiqués. Aux figures 3a et 3b, on voit que la lentille 2a-c a une épaisseur e_ et une distance focale f_, distance qui détermine le plan focal image PFI.
Dans le cas de la figure 3a, il est prévu une distance utile bl, distance qui doit permettre de loger le récepteur, autrement dit le caloduc 6 dans la forme d'exécution de la figure 1, et son support à l'opposé de la fente 5, en tenant compte de la sensibilité à la chaleur de la lentille, donc du matériau de la lentille.
Dans un premier temps, pour simplifier, on considérera que le récepteur 6 se trouve dans le plan PFIR situé à e+bl du plan FF, ce qui est un cas particulier, comme on le verra à propos des figures 5a et 5b. Le fond 3 du caisson doit être à égale distance du plan PFIR et du plan PFI.
Dans le cas où b=bi (figure 3a), la distance entre PFIR
Dans le cas où b=b2 avec b2>bi (figure 3b), la distance entre PFIR et PFI est de 2*x2.
Le choix de b est à la portée de l'homme de l'art. Il dépend de l'encombrement du récepteur 6 et des moyens qui lui sont associés ainsi que de la matière de la lentille.
A titre d'exemple, pour une lentille de Fresnel plan-convexe de 50 cm x 100 cm, en verre ayant un indice de réfraction n = 1,5, une distance focale f de 80 cm et une épaisseur e = 1,5cm, avec respect d'une distance utile b= 15 cm, la profondeur p du caisson 1 sera égale au produit 0,5(f+e+b)=0,5* (80+1, 5+15) =48, 25 cm. Il est bien entendu que ces valeurs ne sont données que pour permettre au lecteur de bien comprendre le principe de l'invention. En pratique, ces valeurs peuvent être autres et la profondeur du caisson encore plus réduite par rapport à la distance focale. Si l'on revient à la figure 4a, en l'absence du fond du caisson, des rayons solaires venant frapper la lentille 2 parallèlement au rayon R viendraient se concentrer sur un foyer image primaire, dans le plan focal image PFI. Cependant, les parois réfléchissantes latérales, telles que 4a, et le fond réfléchissant 3 du caisson arrêtent les rayons R et les réfléchissent jusqu'à ce qu'ils se concentrent sur un foyer image final, dans un plan focal image rapproché PFIR parallèle au plan focal image PFI, mais à l'intérieur du caisson 1. Sur la figure 4a, ce foyer image final est vu en coupe, donc sous la forme d'un point I.
La figure 4b est semblable à la figure 4a à cela près qu'elle illustre une autre orientation d'impact des rayons, tels que R', sur la lentille 2. Comme on le voit, à l'issue de multiples réflexions, ces rayons R' se concentrent sur un foyer image final, également situé dans le plan PFIR, et ce foyer image final est vu en coupe à la figure 4b, donc sous la forme d'un point I'.
Ainsi, le foyer image final des rayons R et celui des rayons R' sont situés dans le même plan PFIR, mais selon deux lignes différentes ou, exprimé autrement, le foyer image final linéaire se déplace en translation dans le plan PFIR au fur et à mesure de la course du soleil.
Le caloduc 6 qui, dans le cas particulier envisagé, est disposé dans le plan PFIR, se déplace pour suivre ce déplacement en translation du foyer image final linéaire. A cette fin, il est prévu des moyens moteurs asservissant le déplacement du caloduc à la course du soleil, ou plus exactement à la course du faisceau de rayons concentrés vers le foyer image final. Cet asservissement prend en compte le lieu d'implantation du caisson, la saison, l'heure du jour, etc.
Comme indiqué plus haut, le caloduc peut, en outre, être soumis à des moyens escamoteurs adaptés à le déplacer, si nécessaire, hors de sa position de service, pour éviter une surchauffe. A cette fin, les moyens escamoteurs déplaceront le caloduc de sa position de service où il reçoit une certaine énergie thermique vers une position escamotée où il reçoit une énergie thermique moindre qu'en position de service.
Comme il ressort de l'exemple chiffré indiqué plus haut, l'invention réduit considérablement la distance nécessaire entre la lentille et le caloduc. Sans l'invention, dans l'exemple donné, cette distance serait de f-e = 80-1,5 = 78,5 cm, alors que selon l'invention et toujours dans l'exemple en cause, elle n'est que de 48,25 cm.
Si l'on en vient à la figure 5a, on y retrouve le caisson 1 avec sa lentille 2 et son fond 3. On y voit également un récepteur 6a qui a été présenté sous la forme d'un appareil de section circulaire de rayon r (voir figure 5b), mais qui n'est pas nécessairement circulaire. Si le récepteur n'est pas de section circulaire, on prend en compte le cercle inscrit dans la section non circulaire. Est également identifiée sur cette figure la distance d utilisée dans le calcul de la valeur je. Sont indiqués en R1 et R∑ des rayons solaires formant les bornes extérieures du faisceau de rayons frappant la lentille 2 avec une incidence nulle. Le faisceau borné par Ri et R2 converge vers le plan PFI mais est arrêté et réfléchi par le fond 3 pour converger en un faisceau concentré vers le plan PFIR qu'il croise selon une ligne vue en coupe en I", correspondant au foyer image final, pour diverger au-delà du plan PFIR. On comprend que le faisceau concentré délimite ainsi, de part et d'autre du foyer image final I", deux plans en X faisant entre eux un angle α.
Tant que ces plans sont tangents au récepteur (position 6a - figures 5a et 5b) ou sécants au récepteur (position 6b - figure 5b) , le récepteur reçoit la totalité du faisceau concentré. Par contre, si le récepteur est bien situé entre ces plans, sans que ces plans lui soient sécants ou tangents (position 6c - figure 5d) , une partie du faisceau concentré, à savoir la partie qui est comprise entre, respectivement, le plan des rayons Ri et R2 et les tangentes T1 et T2 au récepteur 6c, ne frappe pas le récepteur.
Ainsi, comme il ressort de la figure 5b, pour que le récepteur occupe une position optimale, la ligne qui passe par le centre du récepteur et qui est parallèle au foyer image final I" (ligne C3 pour le récepteur en position 6a, ligne Cb pour le récepteur en position 6b) doit être située dans une zone d'étendue E allant de +k à -k, de part et d'autre du plan PFIR, k devant satisfaire à la relation
où r, d et f sont tels que définis plus haut, le centre du récepteur pouvant éventuellement se confondre avec ledit foyer image final I" (cas particulier précité) . Une position du récepteur telle que 6c, où la ligne Cc est à l'extérieur de la zone d'étendue E, n'est cependant pas un cas de figure sortant de la portée de l'invention : cette position peut être acceptable, même si le récepteur ne reçoit pas la totalité du faisceau concentré, par exemple s'il est moins coûteux de positionner le récepteur en 6c qu'en 6a ou 6b.
Naturellement, les positions 6a, 6b et 6c pourraient tout aussi bien se trouver de l'autre côté du plan PFIR.
La figure 5b montre, en outre, pour le récepteur 6a une position de service (en l'occurrence, au sein du faisceau concentré et tangent aux plans bornant ce faisceau) et une position escamotée, illustrée en 6a' ou le récepteur est totalement hors du faisceau concentré. La position βc pourrait également être considérée comme constituant la position escamotée du récepteur 6a.
Si l'on en vient à la figure 6, les références El et E8 désignent respectivement l'espace intérieur du caisson 1 et l'espace intérieur du logement 8, séparés par la cloison 4b, fendue en 5. On y retrouve la caloduc 6 et l'échangeur 7 avec son alimentation en fluide froid selon 7a et son évacuation en fluide chaud selon 7b, comme représenté à la figure 1. Plus précisément, Cette alimentation et cette évacuation se font via des tuyaux souples, respectivement 9a et 9b, connectés à des tubulures, respectivement 10a et 10b, elles-mêmes en communication de fluide avec l'intérieur de l'échangeur 7. On utilise des tuyaux souples 9a et 9b, bien évidemment, pour permettre le déplacement du caloduc 6.
Pour assurer ce déplacement, le caloduc 6 est connecté, via un collier 11 pourvu d'une fourche 12a, 12b, à l'axe de rotation d'un pignon 13 qui engrène avec une crémaillère 14, pignon 13 qui est lui-même entraîné en rotation par un moteur 15.
Il est schématisé en 16 un fluxmètre photonique qui permet d'envoyer des signaux auxdits moyens moteurs pour piloter la direction et la vitesse de rotation du pignon 13, et donc du caloduc 6.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes d'exécution décrites et représentées. Ainsi, la lentille et le fond du caisson ne sont pas nécessairement perpendiculaires aux parois latérales dudit caisson, et pas nécessairement parallèles entre eux. Au lieu d'incorporer un caloduc, le caisson pourrait renfermer un échangeur d'extraction alimenté en fluide caloporteur ou un volume linéaire revêtu de cellules photovoltaïques, l'un et l'autre mobiles comme il a été décrit pour le caloduc. Par ailleurs, il est possible de juxtaposer plusieurs lentilles formant chacune une face d'un "sous-caisson", les sous- caissons ainsi juxtaposés ayant des composants en commun, notamment un mécanisme d'entraînement commun, pour limiter la quantité de matériaux constitutifs utilisés et pour réduire le nombre d'asservissements pour le déplacement du récepteur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur solaire du type comprenant/ comme collecteur, une lentille convergente (2; 2a; 2b; 2c) ayant une distance focale f_ et un plan focal image (PFI), sur lequel se concentrent, selon une ligne, dite "foyer image primaire", le faisceau des rayons solaires (R;R';Ri,R2) que reçoit ladite lentille, ledit faisceau concentré se déplaçant avec la course du soleil, caractérisé en ce que ladite lentille convergente (2;2a;2b;2c) constitue l'une des parois d'un caisson (1) défini par : deux paires de parois latérales (4a, 4c et 4b, 4d), une paroi de fond (3) et une paroi avant (2; 2a; 2b; 2c) constituée par ladite lentille, les parois latérales (4a, 4c et 4b, 4d) de chaque paire étant parallèles entre elles, et chaque paire (4a, 4c) de parois latérales étant perpendiculaire à l'autre paire (4b,4d), les parois latérales et de fond (4a-d, 3), côté intérieur du caisson, étant réfléchissantes, la profondeur p_ entre la paroi avant (2; 2a; 2b; 2c) et la paroi de fond (3) étant inférieure à la distance focale f_ de la lentille, de sorte qu'à l'issue de réflexions multiples, le faisceau de rayons ainsi réfléchi est concentré sur une ligne dite "foyer image final" (I;I';I"), symétrique audit foyer image primaire par rapport à ladite paroi de fond (3) et appartenant à un "plan focal image rapproché" (PFIR) lui-même symétrique audit plan focal image (PFI) par rapport à ladite paroi de fond (3), mais situé à l'intérieur dudit caisson, ledit capteur renfermant un récepteur mobile
(6; 6a; 6b; 6c) maintenu au sein dudit faisceau concentré, ou dans une position au moins sécante audit faisceau, par des moyens asservissent le déplacement dudit récepteur
(6; 6a; 6b; 6c) au déplacement dudit faisceau.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit caisson (1) est parallélépipédique rectangle eten ce que la profondeur p du caisson répondant, pour ce faire, à la relation p = 0,5* (f+e+b) où : • e est l'épaisseur de pénétration de la lentille
(2; 2a; 2b; 2c) dans le caisson (1), et
• b est la distance comprise entre la lentille (2; 2a; 2b; 2c) et le plan focal image rapproché (PFIR) ou distance utile de fonctionnement,
3. Capteur solaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le centre dudit récepteur (6; 6a; 6b; 6c) est situé au sein d'une zone qui affecte une étendue (E) allant de +k à -Jc de part et d'autre dudit plan focal image rapproché (PFIR), médian à ladite zone, Jc satisfaisant à la relation
où :
• r est le rayon de la section transversale du récepteur si cette section est circulaire ou du cercle inscrit dans la section du récepteur si cette section n'est pas circulaire, étant entendu que par "centre du récepteur" on entend la droite (Ca;Cb;Cc) parallèle au foyer image final (I;I';I") et qui passe par le centre dudit cercle ; • sin[Atan] signifie sinus [arc tangente] ;
• d est la distance entre l'axe optique (A-A') de la lentille et le bord de la lentille, prise dans le plan contenant ledit axe optique (A-A' ) et qui est perpendiculaire au fond (3) du caisson et orthogonal au foyer image final (I;I';I").
4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite lentille convergente est plan-convexe (2; 2a), biconvexe (2b) ou ménisque convergente (2c).
5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite lentille convergente est une lentille de Fresnel (2; 2a) .
6. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lentille convergente est une lentille de Fresnel plan-convexe (2; 2a) montée de telle sorte que sa face plane soit tournée vers l'extérieur dudit caisson (1).
7. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lentille convergente est une lentille de Fresnel biconvexe, montée de telle sorte que sa face lisse convexe soit tournée vers l'extérieur dudit caisson (1).
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit récepteur (6; 6a; 6b; 6c) est un caloduc recouvert d'un matériau dont le coefficient d'absorption de la chaleur est supérieur au coefficient d'émission de la chaleur.
9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le caloduc revêt la forme d'un tube inclus dans un tube sous vide.
10. Capteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le récepteur ( 6; 6a; 6b; 6c) ) est connecté à un échangeur d'extraction (7) alimenté en un fluide caloporteur .
11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le récepteur est un récepteur à cellules photovoltaïques.
12. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit récepteur (6; 6a; 6b; 6c) est un échangeur d'extraction alimenté en fluide caloporteur.
13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit récepteur est susceptible d'occuper deux positions, à savoir une position de service (6a) dans laquelle il reçoit une certaine énergie thermique et une position escamotée (6a1) dans laquelle il reçoit une énergie thermique moindre qu'en position de service.
14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le récepteur (6; 6a; 6b; 6c) est connecté à un moteur Stirling
15. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les surfaces de la lentille
(2; 2a; 2b; 2c) et/ou les parois réfléchissantes (3,4a-4d) du caisson sont traitées de façon à réduire l'altération potentielle de leur matière avec le temps.
16. Capteur selon l'une quelconque des revendications l à 15, caractérisé en ce que la surface extérieure de la lentille (2; 2a; 2b; 2c) comporte un traitement anti-reflets.
17. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que les parois réfléchissantes (3,4a-4d) sont constituées de panneaux réfléchissants démontables.
18. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que, pour piloter la vitesse et la direction de déplacement du récepteur (6), celui-ci est pourvu d'un fluxmètre photonique (16) adapté à envoyer des signaux à des moyens d'entraînement auxquels est soumis ledit récepteur.
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