FR2890181A1 - Solar energy condensing optical system e.g. converging lens, for producing electricity, has converging lens positioned so that longitudinal, transversal and lateral axes are oriented horizontally, south and towards polar star, respectively - Google Patents
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Abstract
Description
2890181 -i-2890181 -i-
La présente invention se rapporte à un système optique condenseur de l'énergie solaire. The present invention relates to a condenser optical system of solar energy.
Les systèmes optiques condenseur de l'énergie solaire, tels que les lentilles convergentes et les miroirs paraboliques, utilisent soit des systèmes multi-lentilles ou multi-miroirs, donc complexes, soit un suivi optique du soleil dans son mouvement apparent de rotation autour de la terre. En effet dans les systèmes optiques condenseur de l'énergie solaire la zone de focalisation de la lumière se déplace en même temps que la position du soleil dans le ciel. Le suivi optique du soleil nécessite alors une partie mécanique avec des pièces en mouvement qui sont sujettes à l'usure donc à la panne. La présente invention permet, à partir d'une lentille unique et immobile de créer une zone de concentration de l'énergie solaire qui reste fixe quelque soit la position du soleil, ce qui ne nécessite pas de suivi optique du soleil et apporte une simplification par rapport aux systèmes existants. Solar energy condenser optical systems, such as convergent lenses and parabolic mirrors, use either multi-lens or multi-mirror systems, which are complex, or an optical tracking of the sun in its apparent rotational movement around the lens. Earth. Indeed, in the condenser optical systems of solar energy, the focusing area of the light travels at the same time as the position of the sun in the sky. The optical tracking of the sun then requires a mechanical part with moving parts that are subject to wear and therefore to failure. The present invention makes it possible, from a single immobile lens, to create a zone of concentration of solar energy which remains fixed whatever the position of the sun, which does not require optical tracking of the sun and provides a simplification by compared to existing systems.
Le système optique selon l'invention est constitué d'une lentille rectiligne convergente optiquement transparente dont l'axe longitudinal est horizontal et orienté suivant la direction géographique Est/Ouest et dont l'axe latéral est orienté vers l'étoile polaire. Quelque soit la position du soleil au dessus de l'horizon la lentille rectiligne créé un espace de concentration solaire permanent. The optical system according to the invention consists of an optically transparent convergent rectilinear lens whose longitudinal axis is horizontal and oriented along the geographical direction East / West and whose lateral axis is oriented towards the polar star. Whatever the position of the sun above the horizon the rectilinear lens creates a permanent space of solar concentration.
On défini par lentille rectiligne une lentille dont le dioptre supérieur est une surface qui peut être représentée par une succession de droites parallèles juxtaposées. Une surface plane et une surface demicylindrique sont des exemples non limitatifs de telles surfaces. On défini par lentille convergente une lentille qui transforme un faisceau incident de rayons lumineux parallèles dont la section transversale est une surface de valeur SI, en un faisceau réfracté de rayons lumineux qui, sur son parcours optique, contient au moins une section dont la surface prend une valeur S2 inférieure à SI. A lens is defined by a rectilinear lens whose upper diopter is a surface that can be represented by a succession of parallel lines juxtaposed. A flat surface and a semi-cylindrical surface are non-limiting examples of such surfaces. Convergent lens defines a lens which converts an incident beam of parallel light rays whose cross-section is a surface of value S1 into a refracted beam of light rays which, on its optical path, contains at least one section whose surface takes a value S2 less than SI.
On défini par optiquement transparente la propriété de la matière à transmettre la lumière du soleil avec un coefficient de transmission supérieur à 0,9 sur tout ou partie du spectre solaire. The property of the material to transmit sunlight is defined by optically transparent with a transmission coefficient greater than 0.9 on all or part of the solar spectrum.
On défini le centre de la lentille par un point qui se confond avec le centre de gravité de la lentille. The center of the lens is defined by a point that merges with the center of gravity of the lens.
On défini l'axe longitudinal d'une lentille rectiligne par la droite passant par le centre de la lentille et qui est parallèle au dioptre supérieur de la lentille. The longitudinal axis of a rectilinear lens is defined by the straight line passing through the center of the lens and parallel to the upper surface of the lens.
On défini l'axe transversal et l'axe latéral d'une lentille rectiligne par les deux droites perpendiculaires entre elles, passant par le centre de la lentille, et qui sont toutes deux perpendiculaires à l'axe longitudinal. On défini la longueur d'une lentille rectiligne par la plus grande dimension de la lentille suivant son axe longitudinal. The transverse axis and the lateral axis of a rectilinear lens are defined by the two lines perpendicular to each other, passing through the center of the lens, and both of which are perpendicular to the longitudinal axis. The length of a rectilinear lens is defined by the largest dimension of the lens along its longitudinal axis.
On défini la largeur d'une lentille rectiligne par la plus grande dimension de la lentille suivant son axe latéral. The width of a rectilinear lens is defined by the largest dimension of the lens along its lateral axis.
On définir épaisseur d'une lentille rectiligne par la plus grande dimension de la lentille suivant son axe transversal. We define the thickness of a rectilinear lens by the largest dimension of the lens along its transverse axis.
On défini les coordonnées horaires du soleil par un système de repérage du soleil sur la sphère céleste. Les coordonnées horaires utilisent deux plans de référence: l'équateur céleste et le méridien du lieu dans la direction du Sud. Les coordonnées horaires du soleil sont l'angle horaire H que fait l'angle horaire du soleil avec le méridien du lieu, et la déclinaison D qui est la hauteur du soleil au dessus ou au dessous de l'équateur céleste. H se mesure de 0 à 360 dans le sens rétrograde, c'est-à-dire dans le sens Sud, Ouest, Nord, Est, et D se mesure de 0 à 90 en précisant s'il s'agit d'une déclinaison Nord (+) ou d'une déclinaison Sud (-). The hour coordinates of the sun are defined by a system of tracking the sun on the celestial sphere. The hourly coordinates use two reference planes: the celestial equator and the meridian of the place in the South direction. The hourly coordinates of the sun are the hourly angle H which is the hour angle of the sun with the meridian of the place, and the declination D which is the height of the sun above or below the celestial equator. H is measured from 0 to 360 in the retrograde direction, that is to say in the direction South, West, North, East, and D is measured from 0 to 90 by specifying if it is a declination North (+) or a declination South (-).
On défini une incidence i(H,D) par un faisceau de rayons lumineux parallèles issu d'un soleil dont les coordonnées horaires sont H et D. On défini la zone focale sous une incidence i(H,D) par la surface de plus grande concentration de rayonnement solaire résultant de la convergence d'un faisceau de rayons solaires parallèles dont l'incidence vaut i(H,D). Cette surface, dans des cas particuliers, peut se réduire à un point ou à une ligne. On montre d'autre part que la position et la forme de cette zone focale varient en fonction de l'incidence i(H,D). On défini par longueur focale f d'une lentille rectiligne la plus petite distance f entre le centre de la lentille et la zone focale sous une incidence i(0,0). An incidence i (H, D) is defined by a beam of parallel light rays from a sun whose hourly coordinates are H and D. The focal zone is defined at an incidence i (H, D) by the area of more high concentration of solar radiation resulting from the convergence of a beam of parallel solar rays whose incidence is i (H, D). This surface, in particular cases, can be reduced to a point or a line. It is shown on the other hand that the position and shape of this focal zone vary according to the incidence i (H, D). The f-focal length f of a rectilinear lens is defined as the smallest distance f between the center of the lens and the focal zone at an incidence i (0.0).
Le soleil n'est visible qu'au dessus de l'horizon. Au cours de son déplacement journalier et de son déplacement annuel le soleil prend des positions au dessus de l'horizon dont les coordonnées horaires varient pour les déclinaisons entre D=+23 et D=-23 , et pour les angles horaires entre H=247 et H=113 . Mais l'axe latéral de la lentille étant incliné vers l'étoile polaire c'est-à-dire d'un angle par rapport à l'horizon Nord égal à la latitude du lieu, seules les positions du soleil au-dessus de la lentille permettent d'avoir des rayons lumineux qui frappent le dioptre supérieur de la lentille. Les positions possible du soleil au- dessus de la lentille dépendent donc du lieu géographique et ont des coordonnées horaires qui varient au minimum entre D=+23 et D=-23 pour les déclinaisons, et entre H=270 et H=90 pour les angles horaires. The sun is visible only above the horizon. During its daily movement and its annual displacement the sun takes positions above the horizon whose hourly coordinates vary for the declensions between D = + 23 and D = -23, and for the hour angles between H = 247 and H = 113. But since the lateral axis of the lens is inclined toward the polar star, that is to say at an angle to the North horizon equal to the latitude of the place, only the positions of the sun above the lens allow to have light rays that strike the upper diopter of the lens. The possible positions of the sun above the lens therefore depend on the geographical location and have hourly coordinates which vary at least between D = + 23 and D = -23 for the declensions, and between H = 270 and H = 90 for the hour angles.
A toutes les positions possible du soleil au dessus de l'horizon correspondent des zones focales sous incidences i(H,D). Aux valeurs extrêmes i(270 ,+23 ,) i(90 ,+23 ) i(270 ,-23 ) et i(90 ,-23 ) correspondent quatre zones focales qui délimitent un espace de concentration solaire permanent ES. At all possible positions of the sun above the horizon correspond focal areas under incidences i (H, D). At the extreme values i (270, + 23,) i (90, + 23) i (270, -23) and i (90, -23) correspond four focal zones which delimit a permanent solar concentration space ES.
On défini par espace de concentration solaire un espace à une, deux ou trois dimensions à l'intérieur duquel l'intensité moyenne du rayonnement solaire est supérieure à celle du rayonnement solaire direct. A space of solar concentration is defined as a space with one, two or three dimensions within which the average intensity of solar radiation is greater than that of direct solar radiation.
Afin de réduire ou d'éviter les réflexions totales ou partielles des faisceaux de lumière au passage du second dioptre de la lentille on -4 choisira de préférence une épaisseur de lentille suffisante pour que l'espace de concentration solaire permanent soit à l'intérieur de la lentille. Selon des modes particuliers de réalisation: - Le système optique condenseur de l'énergie solaire objet de cette invention peut s'associer à une cellule photovoltaïque afin d'augmenter la quantité d'électricité produite par celle-ci. En effet la quantité d'électricité produite par une cellule photovoltaïque est proportionnelle à l'intensité de la lumière reçue. Dans ce mode particulier de réalisation la cellule photovoltaïque se positionnera en place de l'espace de concentration solaire permanent, sa face active orientée vers le dioptre supérieur de la lentille. In order to reduce or avoid the total or partial reflections of the beams of light at the passage of the second lens diopter, a lens thickness sufficient for the permanent solar concentrating space to be within The lens. According to particular embodiments: The solar energy condenser optical system object of this invention can associate with a photovoltaic cell in order to increase the quantity of electricity produced by it. Indeed the amount of electricity produced by a photovoltaic cell is proportional to the intensity of the light received. In this particular embodiment, the photovoltaic cell will be positioned in place of the permanent solar concentration space, its active face oriented towards the upper diopter of the lens.
- plusieurs lentilles identiques peuvent se positionner juxtaposées les unes à côté des autres, leurs axes longitudinaux étant tous parallèles et leurs axes latéraux tous orientés vers l'étoile polaire et former ainsi une surface optique unique dont sa longueur sera la longueur d'une des lentilles, sa largeur sera la somme de toutes les largeurs et son épaisseur sera l'épaisseur d'une des lentilles. several identical lenses can be positioned juxtaposed next to one another, their longitudinal axes being all parallel and their lateral axes all oriented towards the polar star and thus forming a single optical surface whose length will be the length of one of the lenses its width will be the sum of all the widths and its thickness will be the thickness of one of the lenses.
- la surface optique selon le mode particulier de réalisation précédente pourra s'associer à une série de cellules photovoltaïques positionnées dans les espaces de concentration solaire permanents générés par cette surface optique unique. the optical surface according to the preceding particular embodiment can be associated with a series of photovoltaic cells positioned in the permanent solar concentration spaces generated by this single optical surface.
Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente le schéma de principe du système optique condenseur de l'énergie solaire pour trois incidences i(H,D) différentes. The accompanying drawings illustrate the invention: FIG. 1 represents the schematic diagram of the solar energy condenser optical system for three different incidences i (H, D).
La figure 2 représente un mode particulier de réalisation avec une lentille rectiligne de forme demi-cylindrique associée à une cellule photovoltaïque. FIG. 2 represents a particular embodiment with a rectilinear lens of semi-cylindrical shape associated with a photovoltaic cell.
La figure 3 représente en coupe le mode particulier de réalisation précédente. Figure 3 shows in section the particular embodiment of previous embodiment.
La figure 4 représente un mode particulier de réalisation d'une surface optique constituée d'une juxtaposition de lentilles rectilignes demicylindriques associée à une série de cellules photovoltaïques. La figure 5 représente la disposition des espaces de concentration permanents et des cellules photovoltaïques associées pour le mode particulier de réalisation précédente. FIG. 4 represents a particular embodiment of an optical surface consisting of a juxtaposition of semi-cylindrical rectilinear lenses associated with a series of photovoltaic cells. FIG. 5 represents the arrangement of the permanent concentration spaces and the associated photovoltaic cells for the particular previous embodiment.
En référence à ces dessins, le système optique objet de cette invention (figure 1) est constitué d'une lentille rectiligne L convergente, d'axe longitudinal Y, d'axe transversal Z, d'axe latéral X. La lentille est orientée de telle sorte que son axe Y soit à l'horizontal et dans la direction géographique Est/Ouest. Son axe X est orienté vers l'étoile polaire EP, c'est-à-dire incliné au Nord par rapport à l'horizon Hz d'un angle a égal à la latitude du lieu. Son axe Z est perpendiculaire à X et à Y, il est orienté au Sud vers l'équateur céleste EC. Dans cette position la lentille L reçoit les rayons solaires issus du soleil dans ses positions extrêmes SI,S2,S3,S4 dont les coordonnées horaires sont respectivement il(247 ,+23 ) i2(247 ,-23 ) i3(113 ,+23 ) et i4(113 ,-23 ). A chacune de ces incidences correspond une zone focale Z1,Z2,Z3,Z4 qui délimitent un espace de concentration solaire permanent ES. With reference to these drawings, the optical system that is the subject of this invention (FIG. 1) consists of a convergent rectilinear lens L, a longitudinal axis Y, a transverse axis Z and a lateral axis X. The lens is oriented from so that its Y axis is horizontal and in the geographical direction East / West. Its X axis is oriented towards the polar star EP, that is to say, inclined to the North with respect to the Hz horizon of an angle equal to the latitude of the place. Its Z axis is perpendicular to X and Y, it is oriented South towards the celestial equator EC. In this position the lens L receives solar rays from the sun in its extreme positions SI, S2, S3, S4 whose hour coordinates are respectively il (247, + 23) i2 (247, -23) i3 (113, + 23 ) and i4 (113, -23). At each of these incidences corresponds a focal zone Z1, Z2, Z3, Z4 which delimit a permanent solar concentration space ES.
Sous une incidence H=0 et D=0 le soleil S5 passe au méridien du lieu à l'équinoxe de printemps ou d'automne. La zone focale ZF correspondante se trouve à la longueur focale f = CF du centre C de la lentille. F étant le point de la zone focale ZF le plus proche du centre C de la lentille. Suivant un mode particulier de réalisation (figure 2 et figure 3), et pour exemple non limitatif, la lentille pourra avoir la forme d'un demicylindre de rayon R, d'indice de réfraction n=1,49. La lentille est associée à une cellule photovoltaïque plane CP. La longueur focale f de la lentille vaut 4R/3. L'espace de concentration permanent ES prend la forme d'un rectangle plat de longueur lm égale à la longueur de la lentille Lg, de largeur ln égale à la moitié de la largeur Ig de la lentille. L'espace de concentration permanent ES est parallèle à la face inférieure plane Sp de la lentille et est placée à une distance d du centre de la lentille C égale à f/4. ES est à l'intérieur de la lentille. ES est centré par rapport à l'axe longitudinal Y de la lentille. La cellule photovoltaïque prend la même forme rectangulaire et les mêmes dimensions que l'espace de concentration permanent ES. La cellule photovoltaïque CP se positionne en place de l'espace de concentration permanent ES, sa face active orientée vers la face supérieure de la lentille. L'intensité moyenne du rayonnement solaire reçu par la cellule photovoltaïque vaut K fois l'intensité moyenne du rayonnement solaire direct. K est un facteur d'amplification qui, dans ce mode particulier de réalisation, peut prendre des valeurs comprises entre 1,1 et 1,5. At an incidence H = 0 and D = 0 the sun S5 changes to the meridian of the place at the equinox of spring or autumn. The corresponding focal zone ZF is at the focal length f = CF of the center C of the lens. F being the point of the focal zone ZF closest to the center C of the lens. According to a particular embodiment (Figure 2 and Figure 3), and for non-limiting example, the lens may have the shape of a half-cylinder of radius R, refractive index n = 1.49. The lens is associated with a flat photovoltaic cell CP. The focal length f of the lens is 4R / 3. The permanent concentration space ES takes the form of a flat rectangle of length lm equal to the length of the lens Lg, of width ln equal to half the width lg of the lens. The permanent concentration space ES is parallel to the flat lower face Sp of the lens and is placed at a distance d from the center of the lens C equal to f / 4. ES is inside the lens. ES is centered with respect to the longitudinal axis Y of the lens. The photovoltaic cell takes the same rectangular shape and the same dimensions as the permanent concentration space ES. The photovoltaic cell CP is positioned in place of the permanent concentration space ES, its active face oriented towards the upper face of the lens. The average intensity of the solar radiation received by the photovoltaic cell is worth K times the average intensity of direct solar radiation. K is an amplification factor which, in this particular embodiment, can take values of between 1.1 and 1.5.
Dans un autre mode de réalisation (figure 4) plusieurs lentilles, suivant l'invention, LI,L2,L3..Lx sont juxtaposées les unes à côté des autres de manière à ce que leurs axes longitudinaux Y1,Y2,Y3,...Yx soient tous parallèles entre eux et tous orientés horizontalement dans la direction Est/Ouest. Leurs axes transversaux Z1,Z2,Z3,...Zx sont tous parallèles entre eux et orientés vers I'equateur céleste EC. Leurs axes latéraux X1, X2,X3,...Xx sont tous parallèles entre eux et orientés vers l'étoile polaire EP. La surface optique multi-lentilles ainsi obtenue a une longueur LG égale à la longueur commune des lentilles, une largeur LT égale à la somme de toutes les largeurs des lentilles, et une épaisseur ee égale à l'épaisseur commune des lentilles. In another embodiment (FIG. 4), several lenses according to the invention LI, L2, L3..Lx are juxtaposed next to each other so that their longitudinal axes Y1, Y2, Y3, .. .Yx are all parallel to each other and all oriented horizontally in the East / West direction. Their transverse axes Z1, Z2, Z3, ... Zx are all parallel to each other and oriented towards the EC equator. Their lateral axes X1, X2, X3, ... Xx are all parallel to each other and oriented towards the polar star EP. The optical multi-lens surface thus obtained has a length LG equal to the common length of the lenses, a width LT equal to the sum of all the widths of the lenses, and a thickness ee equal to the common thickness of the lenses.
La surface optique multi-lentilles ainsi obtenue génère des espaces de concentration solaire permanents ES1,ES2,ES3,... ESx qui, dans ce mode particulier de réalisation (figure 5) forment des bandes rectangulaires planes de longueurs identiques Lg, de largeurs identiques ln. Ces espaces de concentration solaire permanents sont parallèles entre eux, équidistants, et séparées par des espaces de largeur ln identique à leur propre largeur. Dans ces espaces de concentration solaire permanents ES1, ES2,ES3,..ESx sont disposées des cellules photovoltaïques planes CPI,CP2, CP3,.. CPx dont la forme et les dimensions sont identiques aux espaces de concentration solaire permanents. The optical multi-lens surface thus obtained generates permanent solar concentration spaces ES1, ES2, ES3,... ESx which, in this particular embodiment (FIG. 5), form plane rectangular strips of identical lengths Lg, of identical widths. ln. These permanent spaces of solar concentration are parallel to each other, equidistant, and separated by spaces of width ln identical to their own width. In these permanent solar concentration spaces ES1, ES2, ES3,... ESx, flat photovoltaic cells CP1, CP2, CP3, CPx are arranged, the shape and dimensions of which are identical to the permanent solar concentration spaces.
Dans un mode particulier de réalisation, et pour exemple, la lentille L aura la forme d'un demi cylindre d'indice de réfraction n=1,49, de longueur Lg égal à 100 mm, de rayon R=1 cm, d'une longueur focale f=13 mm, à laquelle est associée une cellule photovoltaïque rectangulaire plane CP, face active tournée vers la face courbe de la lentille, de largeur In=10 mm, de longueur Lg=100 mm, positionnée dans la lentille, à une distance d=3 mm du centre C de la lentille. L'ensemble est orientée de telle sorte que son axe longitudinal Y soit à l'horizontal et dans la direction Est/Ouest, et que son axe latéral X soit dirigé vers l'étoile polaire EP donc incliné au Nord rapport à l'horizontal (Hz) d'un angle a égal à la latitude du lieu géographique, soit par exemple 48 à Paris. Dans ces conditions la cellule photovoltaïque reçoit en moyenne annuelle 30% de plus d'énergie solaire, ce qui équivaut à un gain du même ordre en matière de production d'électricité. In a particular embodiment, and for example, the lens L will be in the form of a half-cylinder of refractive index n = 1.49, length Lg equal to 100 mm, radius R = 1 cm, a focal length f = 13 mm, with which is associated a flat rectangular photovoltaic cell CP, active face turned towards the curved surface of the lens, of width In = 10 mm, length Lg = 100 mm, positioned in the lens, a distance d = 3 mm from the center C of the lens. The assembly is oriented so that its longitudinal axis Y is horizontal and in the east / west direction, and that its lateral axis X is directed towards the polar star EP so inclined north relative to the horizontal ( Hz) of an angle equal to the latitude of the geographical place, for example 48 in Paris. Under these conditions, the photovoltaic cell receives an annual average of 30% more solar energy, which is equivalent to a gain of the same order in terms of electricity production.
La présente invention est particulièrement adaptée à la production d'électricité par des panneaux solaires photovoltaïques. The present invention is particularly suitable for the production of electricity by photovoltaic solar panels.
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