FR2513746A1 - Solar collector for energy storage unit - uses parabolic section polycarbonate container with water filling to form reflecting surface to focus sun onto working fluid - Google Patents

Solar collector for energy storage unit - uses parabolic section polycarbonate container with water filling to form reflecting surface to focus sun onto working fluid Download PDF

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Abstract

The appts. has a reflective surface on a support structure to reflect incident sun rays to concentrate them onto a storage medium. The reflective surface is constituted from the interface between two refractive media, assuring total reflection of the incident rays. The base of the reflector (3) is formed as a parabolic section and has a working fluid in a cylindrical duct (14) with its axis on the focus (5) of the reflector. An insulating air chamber (12) is formed by a transparent cover over the wall of the working fluid cylinder facing the sun. One of the refractive media (2) - for example water - is retained in a transparent polycarbonate container (3) with the outer wall part of the parabolic reflector and having an inner wall following the outer wall, while having an upper face (8) facing square on to the direction of the mid-day solar rays.

Description

Structure concentration pour la recupération de l'énergie solaire
La présente invention concerne une structure a concentration pour la récupération de l'énergie solaire, structure du type comportant une surface de réflexion sur laquelle le rayonnement solaire incident est réfléchi pour être concentré sur un milieu de stockage d1 énergie. Concentration structure for the recovery of solar energy
The present invention relates to a concentration structure for recovering solar energy, structure of the type comprising a reflecting surface on which the incident solar radiation is reflected to be concentrated on an energy storage medium.

De telles structures font appel aux surfaces aluminisées ou argentées pour former des miroirs permettant la concentration du rayonnement incident I1 en résulte un prix de revient coûteux qui s'oppose a la prolifération de telles structures, notamment a des fins domestiques. Such structures use aluminized or silver surfaces to form mirrors allowing the concentration of incident radiation I1, resulting in an expensive cost price which prevents the proliferation of such structures, in particular for domestic purposes.

Le but de 1 invention est de pallier cet inconvénient et de proposer une structure ne comportant pas de miroir. The object of the invention is to overcome this drawback and to propose a structure that does not include a mirror.

Ce but est atteint conformément a l'invention du fait que la surface de réflexion est constituée par l'interface de deux milieux réfringents assurant la réflexion totale du rayonnement incident. This object is achieved in accordance with the invention because the reflection surface is formed by the interface of two refractive media ensuring the total reflection of the incident radiation.

En effet, au sein d'un milieu réfringent, solide ou liquide, un pinceau lumineux est soumis aux lois de l'Optique géométrique. Aùx confins delta surface limitée par le premier milieu réfringent, le pinceau lumineux peint être totalement réfléchi si l'angle d'in- cidence dans le premier milieu réfringent, est tel que son sinus soit supérieur ou égal a l/n, n étant l'indice de réfraction du premier milieu réfringent par rapport au second milieu réfringent. Indeed, in a refractive medium, solid or liquid, a light brush is subject to the laws of geometric optics. In the confines of the delta area limited by the first refractive medium, the painted light brush should be fully reflected if the angle of incidence in the first refractive medium is such that its sine is greater than or equal to al / n, n being the refractive index of the first refractive medium with respect to the second refractive medium.

L'objet de cette structure optique ré- side dans la présence d'un milieu réfringent (l'eau, par exemple, mais ce pourrait être un milieu solide transparent, comme le verre ou un matériau plastique) destiné uniquement à assurer la réflexion du rayonnement incident. A travers la réflexion limite qui se manifeste aux confins du volume du premier milieu, ce dernier ne sert que de support au phénomene physique, et non de stockage d'énergie. The object of this optical structure resides in the presence of a refractive medium (water, for example, but it could be a transparent solid medium, such as glass or a plastic material) intended solely to ensure the reflection of the incident radiation. Through the limiting reflection which manifests itself at the edge of the volume of the first medium, the latter only serves as a support for the physical phenomenon, and not for energy storage.

Avantageusement, le premier.milieu réfringent dans lequel pénètre le rayonnement incident,-est disposé de manière a ne pas sensiblement dévier -ledit rayonnement lors de sa pénétration. Advantageously, the first refractive medium into which the incident radiation penetrates, is arranged so as not to substantially deviate from said radiation during its penetration.

Avantageuseme-nt, le premier milieu réfringent, dans lequel pénètre le rayonnement incident est disposé de manière ne pas sensiblement dévier redit rayonnement, lors de sa sortie dudit milieu apres réflexion totale. Advantageously, the first refractive medium, into which the incident radiation penetrates, is arranged so as not to substantially deviate said radiation, when it leaves said medium after total reflection.

Ces deux dispositions ne sont nullement critiques, et permettent simplement de faciliter l'éla- boration d'une structure nouvelle en simplifiant le cheminement des rayons lumineux. These two provisions are by no means critical, and simply make it possible to facilitate the development of a new structure by simplifying the path of the light rays.

Avantageusement, le milieu de stockage d'énergie est séparé du premier milieu réfringent, dans lequel pénètre le rayonnement incident, par un matelas d'air. Ce matelas, ou lame d'air, de faible volume, permet de profiter de l'effet de serre. Advantageously, the energy storage medium is separated from the first refractive medium, into which the incident radiation penetrates, by an air mattress. This mattress, or air space, of small volume, allows to take advantage of the greenhouse effect.

Avantageusement, le milieu de stockage d'énergie est accessible au rayonnement solaire direct, en plus du rayonnement solaire réfléchi par la surface de réflexion. Advantageously, the energy storage medium is accessible to direct solar radiation, in addition to the solar radiation reflected by the reflection surface.

Avantageusement, un même matelas d'air a couverture transparente est interposé entre le milieu de stockage d'énergie et le rayonnement solaire direct et réfléchi. Advantageously, the same air mattress with transparent cover is interposed between the energy storage medium and the direct and reflected solar radiation.

Dans un premier mode de réalisation, le milieu de stockage d'énergie est constitué par un fluide caloporteur confiné dans une enceinte transparente.  In a first embodiment, the energy storage medium consists of a heat transfer fluid confined in a transparent enclosure.

Dans un second mode de réalisation, le milieu de stockage d'énergie est constitué par un fluide-caloporteur confiné dans une enceinte opaque. In a second embodiment, the energy storage medium consists of a heat-transfer fluid confined in an opaque enclosure.

Avantageusement, la surface de réflexion est une surface à section sensiblement p-arabolique En d'autres termes, la surface réfléchissante est constituée par une partie d'un parabololde de révolution, ou par une partie d'une surface cylindrique droite a base parabolique. Ces deux surfaces permettent une focalisation respectivement ponctuelle ou linéaire de 1 'éner- gie réfléchie, mais bien entendu, d'autres surfaces conviennent. Advantageously, the reflecting surface is a surface with a substantially p-arabolic cross section. In other words, the reflecting surface is formed by a part of a paraboloid of revolution, or by a part of a straight cylindrical surface with a parabolic base. These two surfaces allow respectively a point or a linear focus of the reflected energy, but of course, other surfaces are suitable.

La structure cylindrique a base parabolique est plus favorable à une production économique de ces structures car elle peut être extrudée en une seule pièce, par exemple en polycarbonate. The cylindrical structure with a parabolic base is more favorable for an economical production of these structures because it can be extruded in a single piece, for example made of polycarbonate.

Dans ce cas, il est avantageuxque la structure soit constituée de parois transparentes délimitant
- une enceinte de réflexion remplie d'un liquide réfringent et dont une surface intérieure constitue une surface de réflexion totale à section parabolique, cette enceinte comportant une surface d'entrée du rayonnement sensiblement perpendiculaire au rayonnement incident et une surface de sortie du rayonnement à section sensiblement circulaire centrée sur le foyer de la section parabolique de la surface de réflexion ;;
- une enceinte de confinement du milieu de stockage d'énergie de section entourant le foyer de la section parabolique de la surface de réflexion
- une enceinte renfermant un matelas d'air interposé entre l'enceinte de confinement du milieu de stockage d'énergie et d'une part la surf-ace de sortie de l'enceinte de réflexion et, d'autre part, la direction du rayonnement solaire direct. In this case, it is advantageous for the structure to consist of transparent walls delimiting
a reflection chamber filled with a refractive liquid and an inner surface of which constitutes a total reflection surface with a parabolic section, this chamber comprising a radiation entry surface substantially perpendicular to the incident radiation and a radiation exit surface with a section substantially circular centered on the focal point of the parabolic section of the reflection surface;
a containment enclosure for the section energy storage medium surrounding the hearth of the parabolic section of the reflection surface
an enclosure enclosing an air mattress interposed between the enclosure for confining the energy storage medium and on the one hand the outlet surf-ace of the reflection enclosure and, on the other hand, the direction of the direct solar radiation.

L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description suivante de deux exemples de réalisation. I1 sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 représentent chacun de ces deux exemples, en coupe radiale ou transversale selon que ces structures sont de révolution ou linéaires. The invention will be better understood on reading the following description of two exemplary embodiments. I1 will be referred to the accompanying drawings in which Figures 1 and 2 show each of these two examples, in radial or transverse section depending on whether these structures are of revolution or linear.

La figure 1 represente une structure comprenant une enceinte de réflexion 1 remplie d'un liquide réfringent 2 (de l'eau par exemple). L'enceinte 1 comporte une surface de réflexion 3 suivant, en coupe, le tracé d'une parabole 4 de foyer 5 et d'axe 6. Figure 1 shows a structure comprising a reflection enclosure 1 filled with a refractive liquid 2 (water for example). The enclosure 1 has a reflecting surface 3 along, in section, the outline of a parabola 4 of focus 5 and axis 6.

Une partie du rayonnement solaire 7 rentre dans l'enceinte 1 perpendiculairement à une surface d'entrée 8 de l'enceinte disposée dans un plan perpendiculaire a l'axe 6. Les rayons 7 ne sont donc pas déviés en entrant dans l'enceinte 1
En fait, étant donné que la position du soleil varie avec l'heure, ces conditions ne sont sensiblement respectées que dans la période où le soleil est à peu-près au zénith, l'axe 6 étant lui-même dirigé vers le zénith.On s'intéressera dans la suite de c-e texte à cette seule période (aux alentours de llh à 12h) où d'ailleurs le rayonnement solaire est le plus fort et suffit largement pour chauffer le milieu de stockage d'énergie des structures conformes à l'invention, d'autant que celles-ci sont prévues pour des capacités de stockage relativement -faibles.Part of the solar radiation 7 enters the enclosure 1 perpendicular to an entry surface 8 of the enclosure arranged in a plane perpendicular to the axis 6. The rays 7 are therefore not deflected when entering the enclosure 1
In fact, given that the position of the sun varies with the hour, these conditions are only substantially observed during the period when the sun is nearly at its zenith, axis 6 itself being directed towards the zenith. We will focus in the rest of this text on this single period (around 11h to 12h) where, moreover, the solar radiation is strongest and is more than enough to heat the energy storage medium of structures conforming to l invention, especially as these are provided for relatively-low storage capacities.

Le rayonnement est réfléchi sur la surface 3 : dans ce but, l'indice. dumilieu réfringent 2 satisfait, vis- -vis du milieu réfringent constitue par la paroi 9del'enceinte définissant la surface de réflexion 3 (ou par le milieu extérieur 10 au cas où la réflexion totale est prévue sur la surface limite extérieure 3' de la paroi 9) aux conditions nécessaires pour assurer une réflexion totale, pour tous les angles d'incidence possibles du rayonnement 7 aux différents endroits d'incidence de la surface parabolique 4. The radiation is reflected on the surface 3: for this purpose, the index. the refractive medium 2 satisfied, vis-à-vis the refractive medium constituted by the wall 9 of the enclosure defining the reflection surface 3 (or by the external medium 10 in the event that total reflection is provided on the external limit surface 3 ′ of the wall 9) under the conditions necessary to ensure total reflection, for all the possible angles of incidence of the radiation 7 at the various places of incidence of the parabolic surface 4.

Par exemple, le rayon 17 définit avec la normale 18 a la surface 3 au point d'impact, un angle a dont le sinus est supérieur au rapport des indices de réfraction absolus du matériau de la paroi 9 et du premier milieu réfringent 2. For example, the radius 17 defines with the normal 18 at the surface 3 at the point of impact, an angle a whose sine is greater than the ratio of the absolute refractive indices of the material of the wall 9 and of the first refractive medium 2.

Le rayonnement réfléchi quitte l'enceinte 1 par une surface de sortie 11 à section circulaire centrée sur le foyer 5. The reflected radiation leaves the enclosure 1 through an outlet surface 11 of circular section centered on the focal point 5.

Le rayonnement traverse lors un matelas d'air 12 avant de pénétrer dans l'enceinte 13 de confinement du milieu 14 de stockage d'énergie (de l'eau, par exemple). The radiation passes through an air mattress 12 before entering the enclosure 13 for confining the medium 14 for storing energy (water, for example).

L'enceinte 13 est accessible au rayonnement direct qui l'atteint au travers du matelas d'air 12 fermé par la couverture transparente 15 du côté de ce rayonnement direct. The enclosure 13 is accessible to direct radiation which reaches it through the air mattress 12 closed by the transparent cover 15 on the side of this direct radiation.

Il est clair qutune telle structure se preste remarquablement à la fabrication économique en une seule pièce extrudée, par exemple en polycarbonate. It is clear that such a structure is remarkably suitable for economical manufacture in a single extruded piece, for example polycarbonate.

Seules les parois d'extrémité sont à ajouter avant de pouvoir remplir les différentes enceintes des milieux qui conviennent.Only the end walls must be added before the various enclosures can be filled with suitable media.

La figure 1 montre également que la structure de l'invention, étant prévue pour un fonctionnement optimal quand le rayonnement incident 7 est sensiblement parallèle à l'axe 6, ne permet plus la réflexion totale du rayonnement lorsque le rayonnement incident 16 est incliné d'un angle dépassant un angle limite fonction de la courbe 4 et des indices de réfrac-
tion des milieux réfringents.FIG. 1 also shows that the structure of the invention, being designed for optimal operation when the incident radiation 7 is substantially parallel to the axis 6, no longer allows the total reflection of the radiation when the incident radiation 16 is inclined by an angle exceeding a limit angle as a function of curve 4 and of the refractive indices
tion of refractive media.

Le rayonnement absorbé par le milieu de stockage d'énergie 14 au foyer 5 et dans son voisinage immédiat, engendre des températures d'autant plus élevées que l'angle total, de sommet colncidant avec le foyer 5 et sous-tendant la trace, dans le plan de coupe, de la surface 3 (ou 3') de réflexion totale, est grand.  The radiation absorbed by the energy storage medium 14 at the focus 5 and in its immediate vicinity, generates temperatures all the higher as the total angle, from the apex coinciding with the focus 5 and underlying the trace, in the section plane, of the surface 3 (or 3 ') of total reflection, is large.

Dans la figure 2, des références identiques indiquent des éléments identiques à ceux décrits pour la figure 1. On note que l'abs-orbeur y est cette. fois-ci matérialisé- par une enceinte 13' aux parois opaques, de préférence noires, au sein de laquelle peut évoluer un fluide caloporteur 14'. Cette réalisation a davantage sur la première de ne pas demander une focalisation rigoureuse des rayons réfléchis, ceux-ci devant simplement pouvoir échauffer les parois opaques de l'enceinte 13'. In FIG. 2, identical references indicate elements identical to those described for FIG. 1. It is noted that the abs-orbiter is this. this time materialized by an enclosure 13 ′ with opaque walls, preferably black, within which a heat transfer fluid 14 ′ can evolve. This embodiment has more on the first not to require rigorous focusing of the reflected rays, these simply having to be able to heat the opaque walls of the enclosure 13 ′.

Contrairement à la représentation de la figure 1, où, au se-in de l'enceinte 13, la température s'élève depuis les parois jusqu'au foyer, dans la realisa- tion de la fig.2, c'est au niveau des parois de l'absorbeur 13' que la température est la plus élevée. Contrary to the representation of FIG. 1, where, at the end of the enclosure 13, the temperature rises from the walls to the hearth, in the embodiment of FIG. 2, it is at the level walls of the absorber 13 'that the temperature is the highest.

I1 est avantageux que, comme représenté sur la fig. 2, le matelas d'air 12 entoure complètement l'enceinte 13 ou 13', à l'exception d'entretoises de supports, non représentées.  It is advantageous that, as shown in FIG. 2, the air mattress 12 completely surrounds the enclosure 13 or 13 ′, with the exception of support spacers, not shown.

Claims (13)

REVENDICATIONS 1. - Structure à concentration pour la récupération de l'énergie solaire, structure du type comportant une surface de réflexion sur laquelle le rayonnement solaire incident est réfléchi pour etre concentré sur un milieu de stockage d'énergie, caractérisée en ce que la surface de réflexion est constituée par l'interface de deux milieux réfringents assurant la réflexion totale du rayonnement incident.1. - Concentration structure for the recovery of solar energy, structure of the type comprising a reflection surface on which the incident solar radiation is reflected to be concentrated on an energy storage medium, characterized in that the surface of reflection is formed by the interface of two refractive media ensuring the total reflection of the incident radiation. 2. Structure selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que l'un des deux milieux réfringents est un polycarbonate.2. Structure according to claim 1, characterized in that one of the two refractive media is a polycarbonate. 3. Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'un des deux milieux réfringents est l'air.3. Structure according to one of claims 1 or 2, characterized in that one of the two refractive media is air. Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'un des deux milieux réfringents est un liquide. Structure according to one of claims 1 or 2, characterized in that one of the two refractive media is a liquid. 5. Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'un des deux milieux réfringents est liteau. 5. Structure according to claim 4, characterized in that one of the two refractive media is batten. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier milieu réfringent,dans lequel pénètre le rayonnement incident,est disposé de manière à ne pas sensiblement dévier ledit rayonnement lors de sa pénétration.6. Structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the first refractive medium, into which the incident radiation penetrates, is arranged so as not to substantially deflect said radiation during its penetration. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications precédentes, caractérisée en ce que le premier milieu réfringent, dans lequel pénètre le rayonnement incident, est disposé de maniere à ne pas sensiblement dévier ledit rayonnement, lors de sa sortie dudit milieu après réflexion totale. 7. Structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the first refractive medium, into which the incident radiation penetrates, is arranged so as not to substantially deflect said radiation, when it leaves said medium after total reflection. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu de stockage d'énergie est séparé du premier milieu réfringent dans lequel pénètre le rayonnement incident, par un matelas d'air. 8. Structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the energy storage medium is separated from the first refractive medium into which the incident radiation penetrates, by an air mattress. 9. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu de stockage d'énergie est accessible au rayonnement solaire direct, en plus du rayonnement solaire réfléchi par la surface de réflexion.9. Structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the energy storage medium is accessible to direct solar radiation, in addition to the solar radiation reflected by the reflection surface. 10. Structure selon les revendications 8 et 9, caractérisée en ce qu'un même niatelas d'air à couverture transparente est interpose entre- le milieu de stockage d'énergie et le rayonnement solaire direct et réfléchi.10. Structure according to claims 8 and 9, characterized in that the same air niatelas with transparent cover is interposed between the energy storage medium and the direct and reflected solar radiation. 11. Structure selon l'une quelconque des revendications precedentes, caractérisée en ce que le milieu de stockage d'énergie est constitué par un fluide caloporteur confiné dans une enceinte transparente.11. Structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the energy storage medium consists of a heat transfer fluid confined in a transparent enclosure. 12. Structure selon l'une quelconque des. revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu de stockage d'énergie est constitué par un fluide calopor teur confiné-dans une -enceinte.opaque. 12. Structure according to any one of. previous claims, characterized in that the energy storage medium is constituted by a heat transfer fluid confined in an -opaque.enceinte. 13. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface de réflexion est une- surface à section sensiblement parabolique.13. Structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the reflection surface is a surface with a substantially parabolic section. 14; Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est cons tituée par une structure linéaire extrudée. 14; Structure according to any one of the preceding claims, characterized in that it is constituted by an extruded linear structure. 15. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est constituée de parois transparentes délimitant15. Structure according to any one of the preceding claims, characterized in that it consists of transparent walls delimiting - une enceinte de réflexion remplie d'un liquide réfringent et dont une. surface intérieure constitue une surface. de réflexion totale à section parabolique, cette enceinte comportant une surface d'entrez du rayon nement sensiblement perpendiculaire au rayonnement incident et une surface de sortie du rayonnement à section sensiblement circulaire centrée sur le foyer de la section parabolique de la surface de réflexion; ; - a reflection chamber filled with a refractive liquid and one of which. inner surface constitutes a surface. of total reflection with parabolic section, this enclosure comprising an entry surface of the radius substantially perpendicular to the incident radiation and an exit surface of the radiation with substantially circular section centered on the focal point of the parabolic section of the reflection surface; ; - une enceinte de confinement du milieu de stockage d'énergie de section entourant le foyer de la section parabolique de la surface de réflexion - a containment enclosure for the section energy storage medium surrounding the hearth of the parabolic section of the reflection surface - une enceinte renfermant un matelas d'air interposé entre l'enceinte de confinement du milieu de stockage d'énergie et, d'une part,la surface de sortie de l'enceinte de réflexion et,d'autre part* la direction du rayonnement solaire direct.  - an enclosure containing an air mattress interposed between the confinement enclosure of the energy storage medium and, on the one hand, the outlet surface of the reflection enclosure and, on the other hand * the direction of the direct solar radiation.
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