FR2942058A1 - OPTIMIZED CALCULATION METHOD OF A DEVICE FOR CONCENTRATION OF RADIUS, IN PARTICULAR SOLAR RAYS, AND A RAY CONCENTRATOR THUS OBTAINED - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de calcul de la forme d'un concentrateur de rayonnement, comportant des étapes consistant à : - définir un ensemble de paramètres d'entrée représentatifs de la propagation du rayonnement ; - faire varier lesdits paramètres d'entrée et simuler l'émission d'un rayonnement vers le concentrateur ; - constituer un historique des impacts sur le capteur du concentrateur - définir en fonction des paramètres d'entrée et de sortie, un score représentatif de la configuration courante du concentrateur; - optimiser numériquement lesdits paramètres d'entrée de façon à maximiser ledit score; - enregistrer la géométrie des formes optimales du réflecteur et du capteur, correspondant au score le plus élevé obtenu pendant la période de simulation.The invention relates to a method for calculating the shape of a radiation concentrator, comprising the steps of: - defining a set of input parameters representative of the propagation of the radiation; - vary said input parameters and simulate the emission of radiation to the concentrator; - build a history of the impacts on the concentrator sensor - define, according to the input and output parameters, a score representative of the current configuration of the concentrator; numerically optimizing said input parameters so as to maximize said score; - record the geometry of the optimal shapes of the reflector and the sensor, corresponding to the highest score obtained during the simulation period.
Description
Procédé de calcul optimisé d'un dispositif de concentration de rayons, notamment de rayons solaires, et concentrateur de rayons ainsi obtenu 5 La présente invention concerne de façon générale le domaine des dispositifs de captage et de concentration de rayons provenant d'une ou de plusieurs sources. L'invention trouve en particulier son application dans le domaine de la concentration des rayons solaires, à des fins de génération d'énergie solaire 10 photovoltaïque par exemple. En particulier, l'invention sera principalement décrite, à titre d'exemple, en rapport avec un cas d'application dans le domaine photovoltaïque. The present invention relates generally to the field of devices for the collection and concentration of rays from one or more radiophotocals. sources. The invention finds particular application in the field of the concentration of solar rays, for photovoltaic solar energy generation for example. In particular, the invention will be mainly described, by way of example, in connection with a case of application in the photovoltaic field.
Etat de la Technique 15 On connaît déjà des concentrateurs de rayonnement mobiles asservis à la trajectoire de la source, par exemple à la course apparente du soleil, afin de présenter constamment la surface de captage de telle manière que le rayonnement frappe le capteur avec un angle d'incidence faible pour optimiser l'énergie 20 photonique reçue, pour augmenter par conséquent la quantité d'électricité photovoltaïque générée. Ces concentrateurs sont typiquement complexes à réaliser, coûteux, et susceptibles d'être affectés par des incidents de fonctionnement du fait de la présence de pièces mobiles et de phénomènes d'usure. On connaît par ailleurs des concentrateurs fixes ayant une forme optimisée 25 selon une formule analytique, comme par exemple des concentrateurs de forme parabolique, la parabole étant orientée vers la source. Leur structure de base se compose d'une partie réfléchissante de relativement grande taille qui réfléchit le rayonnement incident vers une surface de captage de dimension plus petite. Cette architecture vient du fait que la surface de captage est typiquement en silicium, un 30 matériau coûteux dont l'utilisation doit être optimisée pour des raisons économiques. Cet agencement fixe permet d'éviter la complexité des concentrateurs mobiles et les inconvénients associés. En revanche, ces concentrateurs fixes connus ont un rendement énergétique moindre qu'un concentrateur mobile asservi en fonction de la trajectoire relative de la source. De plus, afin d'obtenir une formule analytique réalisable en pratique, ces concentrateurs négligent des phénomènes annexes, comme l'incidence des ombres portées par certains composants du dispositif, les réflexions multiples, ou les altérations de réflexion dues à la nature du matériau du concentrateur, ainsi qu'aux conditions environnementales. Comme ces phénomènes annexes peuvent conduire à des impacts de rayons sur le concentrateur qui ne sont pas pris en compte, on voit bien que ce type de concentrateur ne peut pas en pratique générer l'énergie maximale théorique disponible à partir d'une source de rayonnement donnée. STATE OF THE ART Movable radiation concentrators that are slaved to the trajectory of the source, for example to the apparent path of the sun, are already known in order to constantly present the sensing surface in such a way that the radiation strikes the sensor with an angle of low incidence to optimize the photonic energy received, thereby increasing the amount of photovoltaic electricity generated. These concentrators are typically complex to achieve, expensive, and likely to be affected by operating incidents due to the presence of moving parts and wear phenomena. Also known are fixed concentrators having an optimized form according to an analytical formula, such as parabolic concentrators, the dish being oriented towards the source. Their basic structure consists of a relatively large reflective portion that reflects incident radiation to a smaller size sensing surface. This architecture comes from the fact that the sensing surface is typically silicon, an expensive material whose use must be optimized for economic reasons. This fixed arrangement makes it possible to avoid the complexity of the mobile concentrators and the associated disadvantages. On the other hand, these known fixed concentrators have a lower energy efficiency than a mobile concentrator controlled according to the relative trajectory of the source. Moreover, in order to obtain an analytic formula practically feasible, these concentrators neglect additional phenomena, such as the incidence of shadows worn by certain components of the device, the multiple reflections, or the reflection alterations due to the nature of the material of the device. concentrator and environmental conditions. Since these additional phenomena can lead to beam impacts on the concentrator that are not taken into account, it is clear that this type of concentrator can not in practice generate the theoretical maximum energy available from a radiation source. given.
Buts de l'invention Goals of the invention
Un but général de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif permettant de favoriser et/ou d'optimiser la forme géométrique de surfaces réfléchissantes d'un rayonnement en vue de maximiser la réflexion de rayons impactant la surface sur une zone géométrique définie de l'espace. Un but particulier de l'invention est de proposer un procédé de calcul de formes de concentrateurs de rayons, notamment de concentrateurs de rayons solaires, et un dispositif de concentration calculé à l'aide dudit procédé de calcul, qui soient susceptibles de résoudre les inconvénients des procédés de calcul et des concentrateurs, notamment solaires, existants. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de calcul de concentrateurs, qui soit à même d'augmenter leur rendement énergétique ou de réduire les coûts de fabrication et d'exploitation du concentrateur, pour un rendement énergétique donné. A general object of the invention is to provide a method and a device for promoting and / or optimizing the geometric shape of reflective surfaces of a radiation in order to maximize the reflection of rays impacting the surface on a defined geometric area from space. A particular object of the invention is to propose a method for calculating forms of beam concentrators, in particular solar ray concentrators, and a concentration device calculated using said calculation method, which are capable of solving the disadvantages. calculation methods and concentrators, in particular solar, existing. Another object of the invention is to propose a method for calculating concentrators, which is able to increase their energy efficiency or to reduce the manufacturing and operating costs of the concentrator, for a given energy efficiency.
Un autre objectif de l'invention est de proposer un procédé qui prenne en compte, non pas, comme c'est classiquement le cas, un positionnement optimal à chaque instant de la surface réfléchissante servant de concentrateur pour une orientation de la source donnée, mais bien plutôt de considérer le gain réalisé en termes énergétiques sur une année d'ensoleillement, et de considérer ce gain moyenné comme une variable d'optimisation. Another object of the invention is to propose a method which takes into account, not, as is conventionally the case, optimal positioning at each instant of the reflecting surface acting as a concentrator for an orientation of the given source, but rather, to consider the gain achieved in energy terms over a year of sunshine, and to consider this averaged gain as an optimization variable.
Objet de l'invention Afin d'atteindre les buts visés, l'invention a pour objet un procédé de calcul de la forme d'un concentrateur de rayonnement provenant d'au moins une source placée dans un espace de dimension 2 ou 3, ledit concentrateur étant solidaire d'un support et comportant d'une part un réflecteur du rayonnement ayant une forme réfléchissante notée FR et s'étendant dans une zone de réflexion notée ZR, et comportant d'autre part un capteur de rayonnement ayant une forme de captage notée FC et s'étendant dans une zone de captage du rayonnement notée ZC, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte des étapes consistant à: - définir un ensemble de paramètres d'entrée représentatifs de la propagation du rayonnement entre ladite au moins une source, la zone de réflexion ZR et la zone de captage ZC; - faire varier par valeurs discrètes lesdits paramètres d'entrée pendant une période de simulation, et simuler l'émission d'un rayonnement à partir de ladite 15 source vers le concentrateur ; - pour chaque ensemble de valeurs des paramètres d'entrée correspondant à un impact sur le capteur du rayonnement simulé émis, mémoriser les paramètres d'entrée correspondants, ainsi que l'énergie de l'impact, de façon à constituer pour chaque configuration des paramètres d'entrée, un historique des impacts sur le 20 capteur en fonction du temps ; - définir une fonction des paramètres d'entrée et de sortie qui serve d'établissement d'un score représentatif de la configuration courante du réflecteur et du capteur; - optimiser numériquement lesdits paramètres d'entrée de façon à 25 maximiser ledit score; - enregistrer la géométrie de la forme optimale FR du réflecteur, et la géométrie de la forme optimale FC du capteur, correspondant au score le plus élevé obtenu pendant la période de simulation. Ainsi, le procédé de simulation permet, en faisant varier les paramètres 30 d'entrée, de définir en sortie une géométrie optimale du capteur et du réflecteur, susceptible de maximiser le score représentatif de la fonction. OBJECT OF THE INVENTION In order to achieve the intended aims, the subject of the invention is a method for calculating the shape of a radiation concentrator originating from at least one source placed in a space of dimension 2 or 3, said concentrator being secured to a support and having on the one hand a reflector of the radiation having a reflective form denoted FR and extending in a reflection zone denoted ZR, and further comprising a radiation sensor having a capture shape denoted FC and extending into a radiation detection zone denoted ZC, said method being characterized in that it comprises the steps of: - defining a set of input parameters representative of the propagation of the radiation between said at least a source, the reflection zone ZR and the catchment zone ZC; - discretely varying said input parameters during a simulation period, and simulating the emission of radiation from said source to the concentrator; for each set of values of the input parameters corresponding to an impact on the emitted simulated radiation sensor, memorizing the corresponding input parameters, as well as the energy of the impact, so as to constitute, for each configuration, parameters input, a history of impacts on the sensor as a function of time; define a function of the input and output parameters that serves to establish a score representative of the current configuration of the reflector and the sensor; optimizing numerically said input parameters so as to maximize said score; - record the geometry of the optimal shape FR of the reflector, and the geometry of the optimum shape FC of the sensor, corresponding to the highest score obtained during the simulation period. Thus, the simulation method makes it possible, by varying the input parameters, to define at the output an optimal geometry of the sensor and the reflector, capable of maximizing the score representative of the function.
Avantageusement, dans une application de type solaire photovoltaïque, la fonction est choisie de manière que ledit score est d'autant plus élevé que l'énergie cumulée des impacts sur le capteur pendant la période de simulation est élevée. Dans le cas d'une application de type solaire photovoltaïque, la source de rayonnement est le soleil, et la période de simulation est de préférence une année. En outre, la position géographique du concentrateur est prise en compte pour le calcul de l'énergie impactant le capteur. Ainsi, le procédé de calcul permet de déterminer la forme optimale, en moyenne annuelle, du réflecteur et du capteur, compte tenu des données d'entrées dépendant notamment du lieu d'implantation du concentrateur. Ceci permet de calculer des concentrateurs à réflecteur et capteur fixe, présentant malgré tout un rendement énergétique supérieur à celui des concentrateurs fixes ou mobiles connus. Afin de réaliser une simulation fine, ce qui impose de faire varier les paramètres d'entrée du procédé par valeurs discrètes pendant une période de simulation, on procède à une discrétisation desdits paramètres d'entrée sur un nombre ni de points de la zone de réception ZR de façon à obtenir une forme réfléchissante FR définie par lesdits ni points, et on procède à une discrétisation desdits paramètres d'entrée sur un nombre n2 de points de la zone de captage ZC de façon à obtenir une forme de captage FC définie par lesdits n2 points. Advantageously, in a solar photovoltaic type application, the function is chosen so that said score is even higher than the cumulative energy of the impacts on the sensor during the simulation period is high. In the case of a solar photovoltaic type application, the radiation source is the sun, and the simulation period is preferably one year. In addition, the geographical position of the concentrator is taken into account for the calculation of the energy impacting the sensor. Thus, the calculation method makes it possible to determine the optimal average annual shape of the reflector and the sensor, taking into account the input data depending in particular on the location of the concentrator. This makes it possible to calculate concentrators with a reflector and a fixed sensor, which nevertheless has a higher energy efficiency than that of known fixed or mobile concentrators. In order to carry out a fine simulation, which makes it necessary to vary the input parameters of the process by discrete values during a simulation period, the input parameters are discretized on a number of points of the reception zone. ZR so as to obtain a reflective form FR defined by said ni points, and discretization of said input parameters over a number n2 of points of the sensing zone ZC so as to obtain a sensing shape FC defined by said n2 points.
En variante, pour faire varier par valeurs discrètes lesdits paramètres d'entrée pendant une période de simulation, on procède à une discrétisation desdits paramètres d'entrée sur la base d'un tirage aléatoire d'un nombre ni de points de la zone de réception ZR, et d'un nombre n2 de points de la zone de captage ZC. Puis on calcule, à intervalles de temps réguliers, l'énergie d'impact du rayonnement sur chacun des points n2 de la zone de captage, et on intègre cette énergie d'impact pendant la période de simulation choisie. Le procédé de calcul selon l'invention peut être d'autant plus précis en fonction du nombre de paramètres d'entrées significatifs choisis, et pour chaque paramètre, en fonction de la finesse de la discrétisation réalisée. As a variant, in order to vary said input parameters by discrete values during a simulation period, these input parameters are discretized on the basis of a random draw of a number or points of the reception zone. ZR, and a number n2 of points of the catchment area ZC. Then, at regular time intervals, the impact energy of the radiation is calculated on each of the n2 points of the capture zone, and this impact energy is integrated during the simulation period chosen. The calculation method according to the invention can be all the more precise depending on the number of significant input parameters chosen, and for each parameter, depending on the fineness of the discretization performed.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, on choisi les paramètres d'entrée du procédé de calcul parmi les suivants : - une zone réfléchissante ZR incluant la forme réfléchissante FR définie sur ni points ; - une zone de captage ZC incluant la forme de captage FC définie sur n2 points; - au moins un angle d'orientation desdites zones par rapport au soleil ; - le positionnement géographique et astronomique du support du concentrateur, en latitude, longitude et azimut; - les ombres et réflexions éventuellement portées par des murs, immeubles, ou obstacles voisins, susceptibles de constituer des obstacles à la propagation directe 10 du rayonnement; - les conditions météorologiques moyennes du lieu d'implantation du concentrateur; - les règles d'urbanisme locales ou d'autres contraintes environnementales susceptibles de limiter les formes, aspects, et tailles du capteur de forme FC et du 15 réflecteur de forme FR. In an advantageous embodiment of the invention, the input parameters of the calculation method are chosen from among the following: a reflecting zone ZR including the reflective form FR defined on no points; a catchment area ZC including the capture shape FC defined on n2 points; at least one angle of orientation of said zones with respect to the sun; - the geographical and astronomical positioning of the concentrator support, in latitude, longitude and azimuth; shadows and reflections possibly carried by walls, buildings, or neighboring obstacles, likely to constitute obstacles to the direct propagation of the radiation; - the average weather conditions of the concentrator's location; local planning rules or other environmental constraints likely to limit the shapes, aspects, and sizes of the FC shape sensor and the FR shape reflector.
L'invention a également pour objet un concentrateur dont le réflecteur et/ou le capteur ont été calculés selon le procédé de calcul ci-dessus, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un concentrateur de rayonnement caractérisé en ce qu'il comporte 20 des étapes consistant à fabriquer en trois dimensions un panneau conforme à la forme optimale FC de capteur calculée selon le procédé de calcul ci-dessus, puis à positionner sur cette forme de capteur optimale FC, une fine pellicule de silicium photovoltaïque. The subject of the invention is also a concentrator whose reflector and / or sensor have been calculated according to the calculation method above, as well as a method of manufacturing a radiation concentrator characterized in that it comprises 20 steps of manufacturing in three dimensions a panel conforming to the optimal shape sensor FC calculated according to the calculation method above, and then to position on this form of optimal sensor FC, a thin film of photovoltaic silicon.
25 L'invention sera mieux comprise en référence aux dessins, dans lesquels : la Figure 1 représente de façon schématique un immeuble dont le toit est pourvu d'un concentrateur solaire selon l'invention ; la Figure 2 représente une vue schématique en coupe du concentrateur solaire de la figure 1 ; 30 la Figure 3 représente un schéma de principe du procédé de calcul selon l'invention, indiquant les paramètres d'entrée et les données de sortie du procédé selon l'invention ; la Figure 4 représente un organigramme plus détaillé du procédé de calcul selon l'invention The invention will be better understood with reference to the drawings, in which: Figure 1 shows schematically a building whose roof is provided with a solar concentrator according to the invention; Figure 2 is a schematic sectional view of the solar concentrator of Figure 1; Figure 3 shows a block diagram of the calculation method according to the invention, showing the input parameters and the output data of the method according to the invention; Figure 4 shows a more detailed flowchart of the calculation method according to the invention.
Description détaillée de l'invention Le principe de l'invention sera maintenant décrit plus en détail dans un cas assez général, puis une application simplifiée de l'invention sera décrite dans le domaine du captage de l'énergie solaire à des fins de génération d'énergie électrique d'origine thermique ou photovoltaïque. 10 Paramètres d'entrée du procédé de calcul DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The principle of the invention will now be described in more detail in a rather general case, then a simplified application of the invention will be described in the field of solar energy capture for the purpose of generating electricity. electrical energy of thermal or photovoltaic origin. 10 Input parameters of the calculation method
Avant la mise en oeuvre du procédé de calcul proprement dit, il est nécessaire de définir un certain nombre de grandeurs qui seront prises en compte 15 comme paramètres d'entrée du procédé de calcul. Before implementing the actual calculation method, it is necessary to define a number of quantities which will be taken into account as input parameters of the calculation method.
Définition des Zones de réflexion, de captage, et des zones connexes Definition of Areas of Reflection, Capture, and Related Areas
20 Dans le cas général, on se place dans un espace tridimensionnel, par exemple un espace euclidien (RxRxR), ou bidimensionnel (RxR). Dans cet espace on définit deux zones géométriques, à savoir deux sous-ensembles de l'espace, que l'on note respectivement ZR pour la zone de réflexion, et ZC pour la zone de captage du rayonnement. Ces zones correspondent plus généralement à des volumes en 25 dimension trois ou à des aires en dimension deux. In the general case, one places oneself in a three-dimensional space, for example a Euclidean space (RxRxR), or two-dimensional space (RxR). In this space we define two geometrical zones, namely two subsets of the space, which are respectively noted ZR for the reflection zone, and ZC for the radiation detection zone. These areas more generally correspond to three-dimensional volumes or to two-dimensional areas.
Ces zones de réflexion ZR et de captage ZC sont définies par des paramètres géométriques qui sont des données d'entrée du procédé de calcul selon l'invention. These ZR reflection and ZC detection zones are defined by geometrical parameters which are input data of the calculation method according to the invention.
30 Les zones géométriques ZR et ZC sont en fait les lieux au sein desquels des formes géométriques (localement simples, de type affine, polynomial ou relevant d'une banque numérique prédéfinie) sont définies A savoir les formes de réflexion FR5 et de captage FC, respectivement. Il s'agit de courbes ou de surfaces selon la dimension des zones géométriques ZR et ZC. Elles sont respectivement formées par un ensemble de points Pl_{nl} et P2_1,...,P2_{n2} dont les nombres (ni et n2) sont aussi des données d'entrée du procédé (les entiers ni et n2 permettent notamment de contrôler le niveau de finesse numérique par lesquels les zones ZR et ZC sont respectivement définies dans l'algorithme). De cette manière, il est possible de discrétiser les zones géométriques de réflexion ZR et de captage ZC, ainsi que les paramètres associés à chaque point discret de chaque zone. Ainsi, pour la zone géométrique réfléchissante ZR, chaque segment ou face de la forme associée aux points précités est dotée de caractéristiques liées au matériau qui la compose, et à la nature du rayonnement réfléchi qu'elle reçoit. Ces caractéristiques de réfraction/réflexion/altération associées à chaque point des surfaces FR et FC sont également des données d'entrée du procédé de calcul. Dans l'espace, en dehors des zones réfléchissantes ZR, des zones de captage ZC et des sources, il est possible de prendre comme données d'entrée du procédé un certain nombre de formes géométriques connexes, liées à l'environnement des zones ZR, ZC, et notées, 01, ..., Oi. Il s'agit par exemple d'obstacles rencontrés par le rayonnement (on peut imaginer un immeuble vitré dans un environnement urbain, ou encore une surface de Mer en environnement côtier). The geometrical zones ZR and ZC are in fact the places in which geometric shapes (locally simple, of the affine, polynomial or predefined digital bank type) are defined, namely the FR5 reflection and FC capture forms. respectively. These are curves or surfaces depending on the size of the ZR and ZC geometric areas. They are respectively formed by a set of points Pl_ {nl} and P2_1, ..., P2_ {n2} whose numbers (ni and n2) are also input data of the process (the integers ni and n2 make it possible in particular to check the level of numerical finesse by which the zones ZR and ZC are respectively defined in the algorithm). In this way, it is possible to discretize the geometric ZR reflection and ZC sensing zones, as well as the parameters associated with each discrete point of each zone. Thus, for the reflective geometric zone ZR, each segment or face of the shape associated with the aforementioned points is endowed with characteristics related to the material that composes it, and to the nature of the reflected radiation that it receives. These refraction / reflection / alteration characteristics associated with each point of the surfaces FR and FC are also input data of the calculation method. In space, apart from the reflecting zones ZR, catchment areas ZC and sources, it is possible to take as process input data a certain number of related geometric shapes, related to the environment of the zones ZR, ZC, and noted, 01, ..., Oi. For example, there are obstacles encountered by radiation (one can imagine a glass building in an urban environment, or a sea surface in coastal environment).
Chacune de ces formes géométriques 01, ..., Oi est équipée d'une cartographie simplifiée notée R(O1),..., R(Oi), qui en chaque point de sa frontière associe les propriétés caractéristiques de réflexion/réfraction/altération des rayons issus de chacune des sources. Ces formes géométriques et leurs caractéristiques sont également des données d'entrée du procédé. Each of these geometric shapes 01, ..., Oi is equipped with a simplified cartography denoted R (O1), ..., R (Oi), which at each point of its boundary associates the characteristic properties of reflection / refraction / alteration of the rays from each of the sources. These geometric shapes and their characteristics are also input data of the process.
Définition des sources de rayonnement Definition of radiation sources
On définit une ou plusieurs sources de rayonnement que l'on cherche à concentrer, autrement dit un ou plusieurs points de l'espace, notés Si,.. desquels partent des rayons, de façon isotrope ou assujettis à rayonner dans des secteurs angulaires définis. La propagation est supposée rectiligne. Dans le cas général, chacune des sources peut émettre un ou plusieurs rayonnements d'un type particulier notés T1,...,Tk. La position de ces sources, leur nombre, et la nature de leurs rayonnements, ainsi que les lois de leurs propagations dans l'espace, sont variables en fonction du 5 temps, et sont également des variables d'entrée du procédé de calcul. One or more sources of radiation that are to be concentrated are defined, in other words one or more points of space, denoted by Si, from which rays originate, isotropically or are subject to radiating in defined angular sectors. Propagation is assumed to be rectilinear. In the general case, each of the sources may emit one or more particular types of radiation denoted T1, ..., Tk. The position of these sources, their number, and the nature of their radiation, as well as the laws of their propagation in space, are variable as a function of time, and are also input variables of the calculation method.
Par la suite, le changement de nature éventuel du rayonnement sera appelé altération. Ce changement de nature peut être fonction de l'angle d'incidence du rayonnement sur la surface réfléchissante FR. Discrétisation des paramètres d'entrée Subsequently, the change in the eventual nature of the radiation will be called alteration. This change in nature may be a function of the angle of incidence of the radiation on the reflecting surface FR. Discretization of input parameters
Afin de pouvoir ensuite faire un calcul sur des valeurs bien identifiées , il est nécessaire de discrétiser les paramètres d'entrée. 15 Ainsi, on discrétise le paramètre temps. On discrétise aussi en espace les zones de réflexion ZR et de captage ZC tel que décrit précédemment. Les pas de discrétisations sont aisément choisis par l'homme du métier en fonction de l'application visée et de la puissance de calcul disponible. On fait donc varier les nl points suivant cette discrétisation dans la zone ZR, et on fait varier les n2 points 20 suivant la discrétisation choisie pour la zone ZC. On discrétise également en angles les secteurs angulaires d'émission de la source de rayonnement, ou de chacune des sources le cas échéant. A chaque choix des points dans la zone réfléchissante ZR et des points dans la zone de captage ZC, on associe la surface élémentaire (plane, courbe, ou selon la 25 banque de données numériques sélectionnée) naturellement engendrée, qu'on appelle facette de la zone (ou la ligne affine par morceaux, qu'on appelle segment dans le cas bidimensionnel), dont les ensembles définissent les formes FR et FC. A chaque facette on associe une des caractéristiques possibles de 30 réfraction/réflexion/altération pour chaque type de rayonnement reçu par ZR. Ce choix est réalisé par l'homme du métier d'une part, tenant compte, d'autre part, des 10 données contingentes dans le cas applicatif considéré (par exemple, nature des matériaux, ou limitation des longueurs d'onde prises en compte par le capteur, ...). A ce stade, la simulation d'un rayonnement conforme aux paramètres des sources, venant impacter les formes FR et FC conformes aux paramètres de ces zones, va permettre de simuler l'effet de tous les impacts du rayonnement sur la forme de captage FC pendant la durée de simulation choisie, après réflexions éventuelles sur la forme FR, les obstacles O1,...,Oi, et blocages éventuels sur les zones environnantes connexes, ou départ à l'infini. In order to then be able to calculate on well-identified values, it is necessary to discretize the input parameters. Thus, the time parameter is discretized. The ZR reflection and ZC capture zones are also discretized in space as described above. The steps of discretizations are easily chosen by the skilled person according to the intended application and the computing power available. The nl points following this discretization are thus varied in the zone ZR, and the n2 points are varied according to the discretization chosen for the zone ZC. The angular emission sectors of the radiation source, or of each of the sources, where appropriate, are also discretized at angles. At each choice of the points in the reflective zone ZR and points in the sensing zone ZC, the elementary surface (plane, curve, or according to the selected digital data bank) is naturally generated, which is called the facet of the zone (or the piecewise refined line, called segment in the two-dimensional case), whose sets define the forms FR and FC. Each facet is associated with one of the possible refraction / reflection / alteration characteristics for each type of radiation received by ZR. This choice is made by those skilled in the art on the one hand, taking into account, on the other hand, the contingent data in the application case under consideration (for example, nature of the materials, or limitation of the wavelengths taken into account). by the sensor, ...). At this stage, the simulation of a radiation according to the source parameters, impacting the FR and FC shapes in accordance with the parameters of these zones, will make it possible to simulate the effect of all the impacts of the radiation on the FC capture shape during the duration of simulation chosen, after possible reflections on the shape FR, the obstacles O1, ..., Oi, and possible blockages on the surrounding surrounding areas, or departure to infinity.
Simulation des impacts du rayonnement sur les formes de réflexion, de captage, et sur les zones connexes, et génération de l'historique des impacts Simulation of the impacts of radiation on the forms of reflection, of capture, and on the related zones, and generation of the impact history
Ayant défini de façon discrète les formes de réflexion, de captage, et les zones connexes tels que des obstacles à la propagation du rayonnement, et ayant défini les caractéristiques des sources de rayonnement, on procède alors à un calcul de simulation des impacts du rayonnement en chaque point de la surface de captage ZC, et de leur puissance, que l'on intègre sur une période de temps pour en déduire l'énergie photonique qui serait captée par la surface de captage, compte tenu des valeurs des différents paramètres d'entrée. Having discretely defined the forms of reflection, capture, and related areas such as barriers to the propagation of radiation, and having defined the characteristics of radiation sources, we then proceed to a simulation calculation of the impacts of radiation in each point of the capture surface ZC, and their power, which is integrated over a period of time to deduce the photon energy that would be captured by the capture surface, taking into account the values of the different input parameters .
Pour procéder au calcul de simulation, on enregistre en temps et en espace des valeurs numériques correspondant à la nature, au nombre, à l'orientation et à la puissance des rayonnements captés par la forme de captage FC. Ces enregistrements numériques sont des données de sortie du procédé de calcul de simulation d'impact. In order to carry out the simulation calculation, numerical values are recorded in time and space corresponding to the nature, number, orientation and power of the radiation picked up by the FC sensing shape. These digital records are output data from the impact simulation calculation method.
Pour effectuer ces enregistrements numériques, on procède de la façon suivante. A chaque instant discrétisé et pour chaque rayon discrétisé, et pour chaque source, on simule par le calcul la trajectoire du rayon au travers de la géométrie définie par les paramètres d'entrée, et tant qu'il n'impacte aucune facette de la forme de captage FC, on le laisse se réfléchir sur chaque obstacle rencontré, en fonction de la réfraction/réflexion/altération associée à la surface d'impact, selon sa loi de propagation dans le milieu. Le suivi d'un rayon s'arrête lorsqu'il impacte une facette de la forme de captage FC, ou lorsqu'il part à l'infini, ou lorsqu'il impacte une surface totalement absorbante. Lorsqu'un rayon simulé impacte une facette de la forme de captage FC, on enregistre les valeurs numériques correspondant à sa source, à son historique en réfraction/réflexion/altération sur les différents obstacles éventuellement rencontrés avant qu'il n'impacte la facette, ainsi que son orientation d'arrivée et sa puissance. 10 On obtient ainsi de proche en proche un fichier des données numériques de sortie du calcul de simulation d'impact pour l'ensemble des rayons simulés émis à partir de la source. To perform these digital recordings, proceed as follows. At each instant discretized and for each discretized ray, and for each source, the trajectory of the ray is simulated by calculation through the geometry defined by the input parameters, and as long as it does not impact any facet of the shape FC capture, it is allowed to reflect on each obstacle encountered, depending on the refraction / reflection / alteration associated with the impact surface, according to its law of propagation in the medium. Tracking a ray stops when it impacts a facet of the FC capture shape, or when it goes to infinity, or when it impacts a totally absorbent surface. When a simulated ray impacts a facet of the FC capture shape, the numerical values corresponding to its source, to its history in refraction / reflection / alteration on the various obstacles possibly encountered before it impacts the facet, are recorded. as well as its arrival orientation and power. Thus, a file of the numerical output data of the simulation of impact simulation for all the simulated rays emitted from the source is obtained step by step.
15 En cas de pluralité de sources, on effectue ce processus de façon itérative pour chaque source et chaque instant et chaque rayon, et en sortie du procédé de simulation, on obtient l'historique des impacts et des trajets, associé aux choix de tous les points possibles de FR et de FC, ainsi que des matériaux des facettes de FR. In the case of a plurality of sources, this process is performed iteratively for each source and each instant and each ray, and at the output of the simulation method, the history of the impacts and the paths is obtained, associated with the choices of all the sources. possible points of FR and FC, as well as materials of FR facets.
20 L'itération du procédé de simulation sur l'ensemble des paramètres d'entrée (matériaux des facettes ou segments, positions des points définissant les formes FR et FC, etc...) peut bien entendu requérir des capacités et des temps de calcul importants. The iteration of the simulation method on all the input parameters (materials of the facets or segments, positions of the points defining the FR and FC forms, etc.) can of course require capacities and calculation times. important.
25 Par conséquent, une autre façon plus rapide de procéder consiste à fixer un nombre d'itérations données, et à procéder à un tirage aléatoire de valeurs de paramètres d'entrée dans l'ensemble fini des paramètres d'entrée discrétisés. Dans ce cas, on itère le procédé de simulation des impacts tel que décrit précédemment, mais seulement sur chacune des valeurs issues du tirage aléatoire choisi. La loi de 30 tirage aléatoire constitue dans ce dernier cas également une donnée d'entrée du procédé, ainsi que le nombre des tirages aléatoires à effectuer.5 Sortie du procédé de simulation Therefore, another faster way to proceed is to set a given number of iterations, and randomly draw input parameter values in the finite set of discrete input parameters. In this case, it iserger the impact simulation method as described above, but only on each of the values from the selected random draw. In the latter case, the random drawing law also constitutes an input data of the method, as well as the number of random draws to be carried out.
Quelle que soit la façon de réaliser la simulation des impacts des rayons en fonction des variations des configurations sélectionnées (à savoir l'utilisation de tout l'espace de paramètres d'entrée discrétisé, ou un nombre fixé de valeurs de paramètres issues de tirages aléatoires), on obtient en sortie du procédé de simulation, pour chacune des formes ou courbes de ZR, ZC candidates, et pour chacun des choix de matériaux des facettes, un historique des impacts par facette de la forme associée FC, et par source. Cet historique se présente concrètement sous la forme d'un fichier de données numériques. Whatever the way of the simulation of the impacts of the rays as a function of the variations of the selected configurations (ie the use of all the discrete input parameter space, or a fixed number of parameter values resulting from random draws ), at the output of the simulation method, for each of the shapes or curves of ZR, ZC candidates, and for each of the facet material choices, a history of impacts per facet of the associated form FC, and by source. This history is concretely in the form of a digital data file.
Utilisation du fichier de l'historique des impacts simulés Using the simulated impact history file
Pour chaque configuration des paramètres d'entrée conduisant à un historique correspondant d'impacts simulés, on calcule un score pour cette configuration, de sorte que les scores successifs permettent de comparer les formes des zones ZR et ZC optimales, en fonction des paramètres d'entrée donnés. Autrement dit, sur l'ensemble des configurations de ZR et ZC traitées, celles qui obtiennent le meilleur score (elles peuvent être plusieurs) seront considérées comme correspondant aux formes FR et FC optimales, en termes de capacités de concentration des rayonnements par réflexion sur FR et captage sur FC, pour la situation donnée des sources et des conditions de rayonnement en espace-temps. For each configuration of the input parameters leading to a corresponding history of simulated impacts, a score is calculated for this configuration, so that the successive scores make it possible to compare the shapes of the optimal zones ZR and ZC, as a function of the parameters of the parameters. entry given. In other words, for all the configurations of ZR and ZC processed, those which obtain the best score (they can be several) will be considered as corresponding to the optimal forms FR and FC, in terms of the concentration capacities of the radiation by reflection on FR and capture on FC, for the given situation of sources and radiation conditions in space-time.
Le score pour classer les meilleures formes des zones ZR, ZC va être calculé comme le résultat (éventuellement vectoriel) de l'application d'une fonction donnée. Par exemple, dans le cas d'un rayonnement solaire, comme cela sera expliqué plus en détail plus loin, on retiendra comme score la fonction qui effectue le rapport entre l'énergie photonique reçue par une forme de zones ZC, ZR de référence, et l'énergie photonique reçue par un concentrateur de rayonnement solaire dont les formes FC, FR sont celles calculées par le procédé selon l'invention. Évidemment des considérations économiques peuvent être intégrées dans le calcul de score (prise en compte du coût de fabrication). The score for classifying the best forms of the zones ZR, ZC will be calculated as the result (possibly vectorial) of the application of a given function. For example, in the case of solar radiation, as will be explained in more detail below, the function which makes the ratio between the photon energy received by a shape of zones ZC, ZR of reference, and the photon energy received by a solar radiation concentrator whose FC, FR forms are those calculated by the method according to the invention. Obviously economic considerations can be incorporated into the score calculation (taking into account the cost of manufacturing).
Exemple de mise en oeuvre du procédé de calcul selon l'invention, dans le cas du rayonnement solaire Le procédé de calcul présenté jusqu'ici de façon générale trouve une application pratique très intéressante dans le cas où le rayonnement en question est constitué par le rayonnement solaire, notamment dans le cas où l'on cherche à optimiser l'impact énergétique du rayonnement solaire sur la surface de captage d'un four solaire ou d'un panneau photovoltaïque muni d'un concentrateur de rayons. Example of implementation of the calculation method according to the invention, in the case of solar radiation The calculation method presented so far generally has a very practical practical application in the case where the radiation in question is constituted by the radiation solar energy, particularly in the case where it is sought to optimize the energy impact of solar radiation on the collector surface of a solar oven or a photovoltaic panel provided with a concentrator of rays.
Dans le cas du soleil, on a affaire à une source unique émettant son rayonnement de façon isotrope et rectiligne vers tout point de la terre, et la trajectoire de la terre autour du soleil au cours d'une année, combinée à la latitude du lieu d'implantation du capteur solaire, définit le rayonnement solaire au lieu donné, en fonction du temps. In the case of the sun, we are dealing with a single source emitting its radiation isotropically and rectilinearly towards any point of the earth, and the trajectory of the earth around the sun during a year, combined with the latitude of the place of the solar collector, defines the solar radiation at the given location, as a function of time.
On va maintenant décrire, en relation avec les figures, la mise en oeuvre du procédé de calcul selon l'invention, dans le cas d'un concentrateur solaire dont on cherche à optimiser les formes réfléchissante FR et de captage FC. We will now describe, in connection with the figures, the implementation of the calculation method according to the invention, in the case of a solar concentrator which is to optimize the reflective forms FR and FC capture.
Afin de simplifier l'exposé, dans l'exemple développé, on utilise les 20 hypothèses suivantes : - le choix des matériaux est fixe, le matériau est parfaitement réfléchissant et isotrope ; - les obstacles connexes extérieurs sont limités à la partie bloquante ; - la source est unique et la nature du rayonnement invariable, la loi de 25 propagation du rayonnement est isotrope et sans altération ; - on fait des tirages aléatoires indépendants sur l'ensemble des paramètres étudiés avec une loi uniforme ; - le capteur de forme FC est un rectangle, par exemple un capteur plan disposé sur un toit d'immeuble et paramétré en fonction de trois angles d'inclinaisons 30 et de deux dimensions. In order to simplify the presentation, in the example developed, the following hypotheses are used: the choice of materials is fixed, the material is perfectly reflective and isotropic; - the external related obstacles are limited to the blocking part; the source is unique and the nature of the invariable radiation, the law of propagation of the radiation is isotropic and without alteration; - Independent random draws are made on all the parameters studied with a uniform law; the shape sensor FC is a rectangle, for example a planar sensor disposed on a roof of a building and parameterized according to three inclination angles 30 and two dimensions.
On se réfère à la Figure 1, qui représente de façon schématique un immeuble 10 sur le toit duquel doit être implanté un concentrateur solaire 20, notamment photovoltaïque. Ce concentrateur 20 est représenté de façon un peu plus détaillée, en vue en coupe transversale, dans la Figure 2. Comme on le voit, le concentrateur comporte un capteur 24 de forme à déterminer, et localisé dans une zone de captage ZC 21. Le capteur 24 se compose typiquement d'une surface revêtue de silicium photovoltaïque, ladite surface étant solidaire d'un bras de support 23 du capteur. Le concentrateur comporte par ailleurs une zone réfléchissante ZR 22 située à proximité de la zone de captage ZC 21. La zone ZR inclut un réflecteur 25, dont la forme optimale est elle aussi à déterminer à l'aide du procédé selon l'invention. Il est à noter que le capteur 24 et le réflecteur 25 se positionnent dans les zones ZC et ZR respectives, en fonction de contraintes techniques, notamment celles liées à l'environnement du toit d'immeuble à équiper. Ces contraintes techniques constituent autant de variables d'entrée que le procédé de calcul va prendre en compte, comme schématisé sur la Figure 3. Par exemple, les variables d'entrée dont il est possible de tenir compte comprennent : - une zone globale ZR dans laquelle doit tenir la forme réfléchissante FR ; - une zone globale ZC dans laquelle doit tenir la forme de captage FC ; - un angle d'inclinaison du système (comme si le capteur était posé sur un toit incliné), par exemple 44° (on peut considérer que cela fait partie des définitions des zones ZR et ZC). - éventuellement on détermine une ou plusieurs formes globales 11 (préalablement notées 01,..., Oi) dans lesquelles doit tenir la structure bloquante de rayonnement, comme un mur ou un immeuble voisin. Les formes de ces différentes zones sont définies par un maillage, à savoir des séries de points reliés entre eux pour former des droites, courbes, triangles, rectangles, ... - comme représenté sur l'entrée 31, figure 3, le positionnement géographique et astronomique de l'immeuble supportant le concentrateur, en latitude et longitude, azimut ; en 32, les ombres et réflexions éventuellement portées par des murs ou immeubles voisins qui constituent des obstacles à la propagation directe du rayonnement ; en 33, les conditions météorologiques moyennes du lieu d'implantation de l'immeuble ; en 34, les règles d'urbanisme locales ou d'autres contraintes environnementales susceptibles de limiter les formes et tailles de capteur et de zone réfléchissante ; en 36, les règles optiques de réflexion, réfraction, diffusion, liées au matériau du réflecteur ; en 35, des contraintes économiques diverses, par exemple le fait que le capteur en silicium doive avoir une surface qui soit un multiple entier de galettes de silicium élémentaires standardisées. Bien entendu, d'autres contraintes et paramètres peuvent aisément être définis par l'homme du métier qui sera en charge de paramétrer le procédé de calcul. On a représenté en figure 4 un organigramme de base du procédé. Après le début 41, les variables d'entrée mentionnées précédemment sont alors fournies, en 42, à un calculateur, par une simple saisie par un opérateur, ledit calculateur exécutant un logiciel qui met en oeuvre le procédé selon l'invention. Cette mise en oeuvre se fait à l'aide d'un calculateur tel un simple ordinateur personnel. Cependant, la puissance de calcul va conditionner la finesse du résultat issu de l'invention. Referring to Figure 1, which shows schematically a building 10 on the roof of which must be implanted a solar concentrator 20, including photovoltaic. This concentrator 20 is shown in a slightly more detailed manner, in cross-sectional view, in FIG. 2. As can be seen, the concentrator comprises a sensor 24 of shape to be determined, and located in a catchment area ZC 21. The sensor 24 is typically composed of a surface coated with photovoltaic silicon, said surface being secured to a support arm 23 of the sensor. The concentrator further includes a reflecting zone ZR 22 located near the sensing zone ZC 21. The zone ZR includes a reflector 25, the optimal shape of which is also to be determined using the method according to the invention. It should be noted that the sensor 24 and the reflector 25 are positioned in the respective zones ZC and ZR, according to technical constraints, in particular those related to the environment of the building roof to be equipped. These technical constraints constitute as many input variables that the calculation method will take into account, as shown diagrammatically in FIG. 3. For example, the input variables that can be taken into account include: a global zone ZR in which must hold the reflective form FR; a global zone ZC in which the FC capture form must take hold; - An angle of inclination of the system (as if the sensor was placed on an inclined roof), for example 44 ° (it can be considered that this is part of the definitions of ZR and ZC areas). possibly one or more global shapes 11 (previously marked 01, ..., Oi) in which the blocking radiation structure must be held, such as a wall or a neighboring building. The shapes of these different zones are defined by a mesh, namely series of points connected together to form lines, curves, triangles, rectangles, ... - as represented on the input 31, figure 3, the geographical positioning and astronomical building supporting the concentrator, in latitude and longitude, azimuth; at 32, the shadows and reflections possibly borne by neighboring walls or buildings which constitute obstacles to the direct propagation of radiation; in 33, the average weather conditions of the location of the building; in 34, local planning rules or other environmental constraints likely to limit the shapes and sizes of sensor and reflective area; at 36, the optical rules of reflection, refraction, diffusion, related to the material of the reflector; at 35, various economic constraints, for example the fact that the silicon sensor must have a surface that is an integer multiple of standardized elementary silicon wafers. Of course, other constraints and parameters can easily be defined by those skilled in the art who will be in charge of parameterizing the calculation method. FIG. 4 shows a basic flowchart of the process. After the start 41, the input variables mentioned above are then provided, at 42, to a computer, by a simple input by an operator, said computer executing software that implements the method according to the invention. This implementation is done using a computer as a simple personal computer. However, the computing power will condition the fineness of the result of the invention.
En outre, à partir des données précédentes, l'orientation et la puissance des rayonnements lumineux incidents du soleil sont calculées. Une source lumineuse correspondante, simulant le soleil, est alors positionnée arbitrairement loin du concentrateur (source à l'infini, secteur angulaire nul, rayons parallèles). La trajectoire relative du soleil et du concentrateur est alors discrétisée (étape 43ou 44) en fonction du temps, pour chaque jour d'une année simulée. Puis on lance le calcul (étape 45) de puissance photonique reçue, en simulant l'envoi à partir de chaque position discrétisée du soleil, d'un rayon et, en calculant les trajectoires des rayons successifs, et en cas d'impact, en calculant sa puissance d'impact à chaque point du maillage des formes FR et FC. La simulation peut par exemple reproduire l'impact d'un rayon lancé toutes les 15 minutes durant 365 jours. Pour chaque couple de formes FC et FR, si le rayon simulé produit un impact sur FC, on enregistre sa trajectoire (son angle d'arrivée), et son énergie résiduelle au moment de l'impact sur la zone de captage. Si le rayon simulé n'impacte pas la zone de captage, il repart à l'infini et on n'en tient pas compte. Pour les rayons simulés produisant un impact sur une forme FC, les valeurs successives d'énergie d'impact, pour ces formes discrétisées FR et FC, constituent un fichier de sortie du procédé de calcul, pour cette forme discrétisée. Ce fichier est enregistré en mémoire. A partir du fichier de sortie global donnant l'ensemble des valeurs d'énergie d'impact en fonction des formes discrétisées de ZR, ZC, on procède à un calcul d'optimisation de l'énergie d'impact en fonction des formes discrétisées. Pour cela, on attribue (étape 46) un score aux formes de ZC, ZR, et on note celles qui conduisent aux valeurs d'énergie les plus élevées, ou alors aux rendements économiques les plus intéressants. L'itération 48 du calcul des énergies d'impact en fonction des formes de ZC, ZR peut s'arrêter lorsqu'un score supérieur ou égal à un seuil minimal prédéfini est atteint. On fige alors les formes correspondantes de ZR, ZC, qui constituent les sorties recherchées du procédé de calcul du concentrateur. Ces formes sont définies par des côtes en 3 dimensions x, y, z de sorte qu'il est ensuite aisé de fabriquer un réflecteur 25 et un capteur 24 correspondant aux formes optimales calculées. In addition, from the above data, the orientation and the power of the incident light rays of the sun are calculated. A corresponding light source, simulating the sun, is then arbitrarily positioned far from the concentrator (source at infinity, zero angular sector, parallel rays). The relative trajectory of the sun and the concentrator is then discretized (step 43 or 44) as a function of time, for each day of a simulated year. Then the computation (step 45) of received photonic power is started, simulating the sending from each discretized position of the sun, of a radius and, by calculating the trajectories of the successive rays, and in case of impact, in calculating its impact power at each point of the mesh of the shapes FR and FC. The simulation can, for example, reproduce the impact of a ray launched every 15 minutes for 365 days. For each pair of forms FC and FR, if the simulated beam produces an impact on FC, its trajectory (its arrival angle) and its residual energy at the moment of impact on the catchment area are recorded. If the simulated beam does not impact the catchment area, it goes back to infinity and is ignored. For simulated rays producing an impact on an FC shape, the successive values of impact energy, for these discretized forms FR and FC, constitute an output file of the calculation method, for this discretized form. This file is saved in memory. From the global output file giving the set of impact energy values as a function of the discretized forms of ZR, ZC, an optimization calculation of the impact energy as a function of the discretized forms is carried out. For this, we assign (step 46) a score to the forms of ZC, ZR, and we note those that lead to the highest energy values, or the most interesting economic returns. The iteration 48 of the calculation of impact energies as a function of the shapes of ZC, ZR can stop when a score greater than or equal to a predefined minimum threshold is reached. The corresponding forms of ZR, ZC, which form the desired outputs of the concentrator calculation method, are then frozen. These shapes are defined by 3-dimensional ribs x, y, z so that it is then easy to manufacture a reflector 25 and a sensor 24 corresponding to the calculated optimal shapes.
Comme schématisé en Figure 3, la sortie du procédé de calcul de la forme du concentrateur, telle que délivrée en sortie du calculateur 37, comporte notamment : - sur la sortie 38, les côtes de la forme de captage FC ; - sur la sortie 39, les côtes de la forme réfléchissante FR du concentrateur ; Ces côtes permettent de fabriquer le capteur et le réflecteur. De façon optionnelle et avantageuse, le procédé de calcul délivre également en sortie 40 le score associé à la forme ZR, ZC calculée. Ce score peut notamment se présenter sous la forme d'un gain de puissance optique captée, par rapport à une forme de référence prédéterminée. As diagrammatically shown in FIG. 3, the output of the method of calculating the shape of the concentrator, as delivered at the output of the computer 37, comprises in particular: on the output 38, the ribs of the pick-up form FC; on exit 39, the ribs of the reflective form FR of the concentrator; These ribs make it possible to manufacture the sensor and the reflector. Optionally and advantageously, the calculation method also outputs the score associated with the calculated form ZR, ZC. This score may especially be in the form of a captured optical power gain, relative to a predetermined reference shape.
Il est à noter que de façon avantageuse, le procédé de calcul itératif d'optimisation peut être mis en oeuvre à l'aide d'algorithmes génétiques, ou autres méthodes heuristiques d'optimisation en grands espaces de paramètres, ce qui permet alors d'obtenir plus rapidement des formes de plus en plus proches d'une meilleure forme possible. It should be noted that, advantageously, the iterative optimization calculation method can be implemented using genetic algorithms, or other heuristic optimization methods in large parameter spaces, which then makes it possible to get faster forms closer and closer to a better shape possible.
Il est à noter par ailleurs que le score ou le rendement énergétique d'une forme de concentrateur peuvent encore être accrus en augmentant le nombre de points définissant la forme, c'est-à-dire en augmentant la finesse du maillage discrétisant la forme. Mais cela augmente le temps de calcul. It should also be noted that the score or the energy efficiency of a concentrator form can be further increased by increasing the number of points defining the shape, that is to say by increasing the fineness of the mesh discretizing the shape. But this increases the calculation time.
Une première mise en oeuvre expérimentale du procédé de calcul selon l'invention a permis d'atteindre un gain de rendement d'un facteur 2,23 obtenu avec les différentes configurations testées, par rapport au rendement énergétique d'une configuration de référence constituée d'un simple capteur posé à plat sur un toit et dépourvu de zone réfléchissante. A first experimental implementation of the calculation method according to the invention made it possible to achieve a gain in efficiency of a factor of 2.23 obtained with the various configurations tested, with respect to the energy efficiency of a reference configuration consisting of a simple sensor placed flat on a roof and devoid of reflective area.
Avantages de l'invention Advantages of the invention
L'invention remédie au problème posé et atteint les buts visés. En particulier, le procédé selon l'invention permet d'augmenter le rendement énergétique des dispositifs de captage et de concentration d'énergie solaire, sans avoir à mettre en oeuvre de dispositifs d'asservissement pour le suivi de la trajectoire du soleil, Il en résulte que l'invention permet également de diminuer le coût des dispositifs de captage de l'énergie solaire, s'agissant au moins des dispositifs de 30 captage de type photovoltaïque. Par ailleurs, le procédé selon l'invention permet de s'affranchir d'une série de contraintes liées à la mise en oeuvre de capteurs solaires existants, et il permet en conséquence de faciliter une intégration plus efficace de capteurs solaires aux bâtiments, même aux façades verticales ou horizontales de ceux-ci. En effet, grâce à l'optimisation numérique, on peut disposer le capteur à peu près n'importe où, par exemple en façade d'un immeuble. Il suffit alors de faire varier la forme exacte du capteur par rapport au plan de la façade d'immeuble, en tenant compte des zones réfléchissantes environnantes, pour obtenir un résultat en termes d'impacts, bien supérieur à celui d'un capteur plat placé en façade ou sur le toit de l'immeuble. Bien que décrit par voie d'exemple dans le domaine de la concentration de 10 rayonnement solaire, le procédé et le dispositif selon l'invention sont aisément transposables et applicables à d'autres sources de rayonnement, lumineux ou non. The invention overcomes the problem and achieves the desired goals. In particular, the method according to the invention makes it possible to increase the energy efficiency of the devices for collecting and concentrating solar energy, without having to implement servo-control devices for monitoring the trajectory of the sun. As a result, the invention also makes it possible to reduce the cost of solar energy capture devices, as regards at least photovoltaic-type sensing devices. Moreover, the method according to the invention makes it possible to overcome a series of constraints related to the implementation of existing solar collectors, and it consequently makes it possible to facilitate a more efficient integration of solar collectors in buildings, even in buildings. vertical or horizontal facades of these. Indeed, thanks to the numerical optimization, one can have the sensor almost anywhere, for example on the facade of a building. It is then sufficient to vary the exact shape of the sensor relative to the plane of the building facade, taking into account the surrounding reflective zones, to obtain a result in terms of impacts, much higher than that of a flat sensor placed in frontage or on the roof of the building. Although described by way of example in the field of solar radiation concentration, the method and the device according to the invention are easily transposable and applicable to other sources of radiation, luminous or otherwise.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4784700A (en) * | 1987-05-26 | 1988-11-15 | General Dynamics Corp./Space Systems Div. | Point focus solar concentrator using reflector strips of various geometries to form primary and secondary reflectors |
| WO2008005557A2 (en) * | 2006-07-07 | 2008-01-10 | Energy Related Devices, Inc. | Micro concentrators elastically coupled with spherical photovoltaic cells |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4784700A (en) * | 1987-05-26 | 1988-11-15 | General Dynamics Corp./Space Systems Div. | Point focus solar concentrator using reflector strips of various geometries to form primary and secondary reflectors |
| WO2008005557A2 (en) * | 2006-07-07 | 2008-01-10 | Energy Related Devices, Inc. | Micro concentrators elastically coupled with spherical photovoltaic cells |
| WO2008112180A2 (en) * | 2007-03-11 | 2008-09-18 | Soliant Energy, Inc. | Heat transfer and wiring considerations for a photo voltaic receiver for solar concentrator applications |
| US20080289689A1 (en) * | 2007-05-21 | 2008-11-27 | Solaria Corporation | Concentrating module and method of manufacture for photovoltaic strips |
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| LIN A; PHILLIPS J: "Optimization of random diffraction gratings in thin-film solar cells using genetic algorithms", SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL, vol. 92, no. 12, 1 December 2008 (2008-12-01), pages 1689 - 1696, XP025679290, ISSN: 0927-0248, [retrieved on 20080909] * |
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