-1- La présente invention concerne un dispositif de concentration de la lumière, asservi à la position du soleil suivant 1 ou 2 axes, constitué d'un miroir et d'un collecteur de taille et de forme quelconques, permettant de répartir uniformément la puissance d'irradiation à la surface du collecteur. Cette homogénéité du rayonnement à la surface du collecteur favorise la transmission de chaleur à un fluide caloporteur, dans le cas d'un système d'énergie solaire thermique, et est indispensable au bon fonctionnement et à la conservation de l'intégrité des cellules solaires qui recouvrent le collecteur, dans le cas d'un système photovoltaïque. The present invention relates to a light concentration device, slaved to the position of the sun along 1 or 2 axes, consisting of a mirror and a collector of any size and shape, for uniformly distributing the power. irradiation at the surface of the collector. This homogeneity of the radiation at the surface of the collector promotes the transmission of heat to a coolant, in the case of a solar thermal energy system, and is essential for the proper functioning and conservation of the integrity of the solar cells that cover the collector, in the case of a photovoltaic system.
Outre l'utilisation de miroirs paraboliques qui focalisent la lumière en un point (paraboloïde) ou une droite (cylindre parabolique), le principe de concentration en V décrit dans les brevets PCT/ES2008/000763 du 03/11/2010 et US 2010/0282315 Al du 11/11/2010 permet également de concentrer la lumière de manière homogène sur une surface plane. Mais celui-ci est limité à un taux de concentration de 3 et la taille des miroirs devient vite rédhibitoire au-delà d'un taux de 2. La présente invention pallie ces inconvénients et peut s'adapter à des collecteurs de forme quelconque, plan ou cylindrique par exemple. Dans le cas d'un système photovoltaïque, ce dispositif de concentration permet d'augmenter la production énergétique des cellules qui bénéficient par ailleurs du gain 20 apporté par l'asservissement solaire par rapport à des panneaux fixes. Il peut recouvrir un mât sur tout ou partie de sa hauteur afin de rendre autonomes des équipements électriques installés à leur sommet (éclairage, vidéo surveillance, relais hertzien, etc.). Dans le domaine de l'éclairage public (figure 1), il palie les trois inconvénients 25 souvent rédhibitoires des solutions existantes utilisant des panneaux solaires fixes : l'insuffisance de la production d'énergie, notamment en hiver, l'importance des contraintes mécaniques dues à la prise au vent, et le manque d'esthétique. Afin de répartir uniformément la puissance d'irradiation à la surface du collecteur, la forme du miroir est telle que la distance entre les points d'impacts de deux 30 rayons réfléchis sur la surface du collecteur soit proportionnelle à l'écart entre les 2 rayons incidents correspondants (figure 2) ; le rapport de proportionnalité étant l'inverse du taux de concentration. En respectant cette condition, cette forme peut être obtenue simplement par résolution numérique dans une ou deux dimensions selon que -2- l'asservissement solaire soit réalisé selon 1 ou 2 axes. Dans le premier cas, la forme du miroir sera cylindrique avec pour génératrice l'axe d'asservissement. La forme sera obtenue de la même manière dans le cas d'un collecteur de section circulaire (figure 3) ou droite (figure 4) de l'origine du miroir jusqu'à son extrémité. Un 5 rayon incident reçu en un point situé à une certaine proportion de la largeur d'ensoleillement d2 se réfléchit vers un point du collecteur situé exactement dans la même proportion de la largeur dl de celui-ci. La variation des distances d3 et d4 et de l'angle cp d'orientation du panneau par rapport au soleil permet d'obtenir toutes les configurations possibles de disposition d'un collecteur plan éclairé selon une ou deux 10 faces au moyen d'un ou de plusieurs miroirs (figure 5, figure 6, figure 7). La disposition de la figure 7 présente l'avantage qu'aucun rayon n'atteint les cellules solaires avec une faible incidence et permet également de ne pas masquer le champ d'acquisition solaire par les collecteurs. Le principe du concentrateur en V se révèle un cas particulier obtenu quand le miroir est en contact avec le collecteur (d3 = d4 = 0). 15 Quelle que soit la disposition choisie, le dispositif peut être dupliqué pour constituer une pluralité de dispositifs (figure 7). Dans le cas d'un système photovoltaïque, les cellules solaires doivent être refroidies pour évacuer le surcroît de chaleur dû à la concentration dont le taux optimal est fonction de la technologie et des caractéristiques des cellules. Cette dissipation peut 20 être réalisée par convection, naturelle ou forcée, ou au moyen d'un fluide caloporteur passant dans des tubes à travers le collecteur. La chaleur peut être alors valorisée. La longévité des cellules photovoltaïques peut être assurée par une surveillance de la température commandant, si nécessaire, le dépointage solaire du dispositif. La puissance électrique délivrée peut être limitée de la même manière, notamment si le 25 dispositif est utilisé pour recharger des batteries d'accumulateurs. Asservi à la position du soleil autour de l'axe vertical, un panneau photovoltaïque avec son miroir peut être monté verticalement (figure 1) ou incliné (figure 8) afin d'optimiser la production électrique saisonnière (75° par exemple en hiver à 43,5° de latitude) ou annuelle (54 ° à cette même latitude). Des ouvertures dans 30 le dispositif sont alors à prévoir pour limiter la prise au vent. De même, asservi à la position du soleil autour de l'axe vertical et selon une inclinaison choisie en fonction de la latitude du lieu d'installation, le dispositif permet de maximiser la production énergétique annuelle ou saisonnière ramenée à la surface au sol. La production est alors maximale quand la totalité d'une surface d'ensoleillement -3- plane elliptique, dont la projection horizontale est un disque dont le centre est situé sur l'axe de rotation, est exploitée (figure 13). La surface d'ensoleillement exploitée peut être également verticale. Dans le cas ou le dispositif met en oeuvre plusieurs panneaux photovoltaïques montés en 5 parallèle, les noeuds d'interconnexion de ces derniers peuvent se situer sur le disque commun d'un collecteur tournant, en sortie des balais, afin de minimiser les courants au niveau des contacts (figure 9). Le dispositif peut être employé pour recharger des batteries d'accumulateurs utilisées à la fois pour l'éclairage de lampadaire et la traction de véhicule électrique, au moyen 10 d'un mécanisme d'échange standard à verrouillage permettant d'augmenter la capacité de stockage nécessaire à l'éclairage en hiver tout en exploitant l'énergie non utilisée à cette fin durant les autres saisons. La face à l'ombre du dispositif peut être utilisée comme support publicitaire. Le dispositif peut être monté sur véhicule et se déployer à l'arrêt (figure 11, figure 12). 15 Le dispositif peut être supporté par un bâtiment quelconque (maison, immeuble, hall d'accueil, toit, arène, abribus, ...) et peut assurer à ce dernier une fonction de pare-soleil et de climatisation naturelle en été (figure 13). La production énergétique ramenée à la surface d'occupation au sol peut être optimisée et le bâtiment s'intégrer entièrement dans l'espace libre sous le dispositif tournant (concentrateurs et panneaux). 20 Le maillage d'un grand nombre de dispositifs installés sur des mâts au sol (figure 14) permet d'assurer conjointement une production électrique et agricole si l'ombrage défilant généré par les dispositifs reste limité (15 à 20 % de l'ensoleillement voire plus en zone aride). La répartition des efforts mécaniques peut être assurée par des câbles reliant les mâts et ces derniers peuvent servir de support de serres, de moyens 25 d'arrosage ou de protection (contre la grêle, les oiseaux, les sauterelles...) Le dispositif peut être disposé sur des roues au sol ou sur des flotteurs à la surface d'une étendue d'eau. Il peut être utilisé comme générateur d'énergie de véhicule terrestre, marin, aérien ou spatial. Les dessins annexés illustrent l'invention : 30 - La figure 1 représente le dispositif installé sur un lampadaire. - La figure 2 représente le principe général de dimensionnement d'un miroir permettant d'assurer un ensoleillement uniforme à la surface d'un collecteur. - La figure 3 représente le cas particulier d'un collecteur de section circulaire. -4- - la figure 4 représente le principe de dimensionnement d'un miroir permettant d'assurer un ensoleillement uniforme à la surface d'un collecteur de section droite. Les figures 5, 6 et 7 représentent des cas particuliers de dimensionnement de miroirs pour des collecteurs plans. - La figure 8 représente le dispositif appliqué à un lampadaire dont le panneau photovoltaïque et son miroir sont inclinés. - La figure 9 représente le montage en parallèle de plusieurs panneaux photovoltaïques du dispositif dont les noeuds d'interconnexion sont situés sur le disque commun d'un collecteur tournant, en sortie des balais, afin de minimiser les courants au niveau des 10 contacts. - La figure 10 représente un mécanisme d'échange standard à verrouillage permettant de communaliser des batteries d'accumulateurs utilisées à la fois pour l'éclairage d'un lampadaire et la traction de véhicule électrique. - Les figures 11 et 12 représentent des dispositifs déployables montés sur des véhicules. 15 - La figure 13 représente un dispositif supporté par un bâtiment qui s'intègre entièrement dans l'espace libre en dessous de celui-ci. Ce bâtiment supporte par ailleurs le mât d'un relais hertzien. - La figure 14 représente le maillage d'un grand nombre de dispositifs au sol permettant d'assurer conjointement une production électrique et agricole. 20 Dans les formes de réalisation, le dispositif prototype concerne un lampadaire autonome, équipé d'une batterie d'accumulateurs, pouvant fonctionner durant la totalité des nuits d'hiver à 43,5° de latitude. Deux miroirs assurent la concentration du flux solaire vers un panneau photovoltaïque orienté vers le soleil. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à: 25 l'alimentation électrique d'équipements montés sur des mâts l'exploitation de la surface ensoleillée autour de diverses réalisations existantes (château d'eau, réservoir, cheminée, éolienne, relais hertzien etc.) la réalisation de centrales électriques raccordées ou non raccordées au réseau électrique, avec production éventuelle de chaleur à usage domestique ou 30 industriel. Le dispositif de concentration solaire, asservi à la position du soleil suivant 1 ou 2 axes, est caractérisé par l'emploi d'un collecteur et d'un miroir dont la forme est telle que la distance entre les points d'impacts de deux rayons réfléchis sur la surface du collecteur -5- soit proportionnelle à l'écart entre les 2 rayons incidents correspondants, de manière à répartir uniformément la puissance d'irradiation à la surface du collecteur. Le miroir du dispositif peut présenter une courbure non nulle. Une pluralité de dispositifs peut être utilisée pour constituer un système de production 5 d'énergie solaire thermique, thermodynamique ou photovoltaïque. Le dispositif peut être asservi à la position du soleil autour de l'axe vertical et exploiter tout ou partie d'une surface d'ensoleillement plane elliptique, dont la projection horizontale est un disque dont le centre est situé sur l'axe de rotation. Le dispositif peut exploiter une surface d'ensoleillement verticale. 10 Le dispositif peut être installé sur Terre ou sur l'eau. Le dispositif peut se débrayer par grand vent afin de présenter naturellement un profil aérodynamique adapté limitant les efforts mécaniques sur sa structure. Les cellules photovoltaïques du dispositif peuvent être refroidies par convection ou par un fluide caloporteur et la production de chaleur peut être valorisée. 15 La température du collecteur ou la puissance électrique délivrée par le dispositif peuvent faire l'objet d'une surveillance de protection commandant, si nécessaire, son dépointage, partiel ou total, par rapport au soleil. Le dispositif peut comprendre plusieurs panneaux photovoltaïques montés en parallèle dont les noeuds d'interconnexion sont situés sur le disque commun d'un collecteur 20 tournant, en sortie des balais, afin de ne pas sommer les courants au niveau des contacts. Le dispositif peut être monté sur un mât pour rendre autonome des équipements électriques supportés par celui-ci. Le dispositif peut être couplé à un système de recharge de batteries utilisées à la fois pour l'éclairage d'un lampadaire et la traction de véhicule électrique, afin d'optimiser la 25 consommation d'énergie en regard des besoins et de la production saisonnière. La face à l'ombre du dispositif peut être utilisée comme support publicitaire. Le dispositif peut être monté sur un véhicule (terrestre, marin, aérien, spatial) pour assurer sa propulsion ou être transporté puis déployé à l'arrêt. Le dispositif peut être supporté par un bâtiment inscrit dans sa zone d'ombrage afin 30 d'exploiter cet espace libre et pouvoir bénéficier d'une fonction de pare-soleil et de climatisation naturelle en été. Le maillage d'un grand nombre de dispositifs peut permettre d'assurer conjointement une production électrique et agricole et peut servir de support de serre ou de divers moyens d'arrosage ou de protection. ' -6- Le dispositif peut comprendre un panneau photovoltaïque et son concentrateur verticaux ou inclinés. Le dispositif peut constituer un kit adaptable à des mâts existants. Une pluralité de dispositifs peut être disposé de manière jointive. In addition to the use of parabolic mirrors that focus light at a point (paraboloid) or a straight line (parabolic cylinder), the principle of V concentration described in PCT / ES2008 / 000763 of 03/11/2010 and US 2010 / 0282315 Al of 11/11/2010 also allows to concentrate the light homogeneously on a flat surface. But this is limited to a concentration ratio of 3 and the size of the mirrors quickly becomes prohibitive beyond a rate of 2. The present invention overcomes these disadvantages and can adapt to collectors of any shape, plan or cylindrical for example. In the case of a photovoltaic system, this concentration device makes it possible to increase the energy production of the cells, which moreover benefit from the gain provided by the solar servocontrol relative to fixed panels. It can cover a mast on all or part of its height to make self-sufficient electrical equipment installed at the top (lighting, video surveillance, relay radio, etc.). In the field of public lighting (FIG. 1), it overcomes the three often unacceptable disadvantages of existing solutions using fixed solar panels: the insufficiency of energy production, especially in winter, the importance of mechanical stresses due to the wind, and the lack of aesthetics. In order to evenly distribute the irradiating power to the surface of the collector, the shape of the mirror is such that the distance between the points of impact of two rays reflected on the surface of the collector is proportional to the distance between the two radii. corresponding incidents (Figure 2); the ratio of proportionality being the inverse of the concentration rate. By respecting this condition, this shape can be obtained simply by numerical resolution in one or two dimensions depending on whether the solar servocontrol is performed along 1 or 2 axes. In the first case, the shape of the mirror will be cylindrical with generator the servo axis. The shape will be obtained in the same way in the case of a collector of circular section (Figure 3) or right (Figure 4) from the origin of the mirror to its end. An incident ray received at a point at a certain proportion of the sunlight width d2 is reflected to a point in the collector situated exactly in the same proportion of the width d1 thereof. The variation of the distances d3 and d4 and the angle of orientation of the panel with respect to the sun makes it possible to obtain all the possible configurations of arrangement of an illuminated plane collector in one or two faces by means of one or two faces. several mirrors (Figure 5, Figure 6, Figure 7). The arrangement of FIG. 7 has the advantage that no ray reaches the solar cells with a low incidence and also makes it possible not to mask the solar acquisition field by the collectors. The principle of the V concentrator is a special case obtained when the mirror is in contact with the collector (d3 = d4 = 0). Whatever arrangement is chosen, the device may be duplicated to form a plurality of devices (Figure 7). In the case of a photovoltaic system, the solar cells must be cooled to remove the extra heat due to the concentration whose optimal rate depends on the technology and characteristics of the cells. This dissipation can be achieved by convection, natural or forced, or by means of a coolant passing through tubes through the collector. The heat can then be enhanced. The longevity of the photovoltaic cells can be ensured by a temperature monitoring controlling, if necessary, the solar misalignment of the device. The electric power delivered can be limited in the same way, especially if the device is used to recharge storage batteries. Serving the position of the sun around the vertical axis, a photovoltaic panel with its mirror can be mounted vertically (Figure 1) or inclined (Figure 8) to optimize seasonal electricity production (75 ° for example in winter to 43 , 5 ° of latitude) or annual (54 ° at this same latitude). Openings in the device are then to be provided to limit wind resistance. Similarly, subject to the position of the sun around the vertical axis and at an inclination chosen according to the latitude of the installation site, the device maximizes the annual or seasonal energy production brought to the surface on the ground. The production is then maximum when the totality of an elliptical plane-sunshine area, whose horizontal projection is a disc whose center is located on the axis of rotation, is exploited (FIG. 13). The area of sunlight exploited can also be vertical. In the case where the device implements several photovoltaic panels mounted in parallel, the interconnection nodes of these can be located on the common disk of a rotating collector, at the output of the brushes, in order to minimize the currents at the level of contacts (Figure 9). The device can be used to recharge battery packs used for both street lamp lighting and electric vehicle traction, by means of a standard lock exchange mechanism to increase storage capacity. necessary for lighting in winter while exploiting energy not used for this purpose during other seasons. The shadow side of the device can be used as an advertising medium. The device can be mounted on a vehicle and deploy at a standstill (Figure 11, Figure 12). 15 The device can be supported by any building (house, building, lobby, roof, arena, bus shelter, ...) and can ensure the latter a function of sun visor and natural air conditioning in summer (Figure 13). Energy production down to the floor area can be optimized and the building can be fully integrated into the free space under the rotating device (concentrators and panels). The mesh of a large number of devices installed on ground poles (FIG. 14) makes it possible to jointly ensure an electric and agricultural production if the running shading generated by the devices remains limited (15 to 20% of the sunshine). even more in arid zone). The distribution of the mechanical forces can be provided by cables connecting the masts and the latter can serve as support for greenhouses, means of watering or protection (against hail, birds, grasshoppers ...) The device can be placed on ground wheels or floats on the surface of a body of water. It can be used as a terrestrial, marine, air or space vehicle energy generator. The accompanying drawings illustrate the invention: FIG. 1 represents the device installed on a lamp post. - Figure 2 shows the general principle of sizing a mirror to ensure uniform sunlight on the surface of a collector. - Figure 3 shows the particular case of a collector of circular section. 4 represents the principle of sizing a mirror to ensure uniform sunlight on the surface of a cross section collector. Figures 5, 6 and 7 show particular cases of sizing mirrors for planar collectors. - Figure 8 shows the device applied to a lamppost whose photovoltaic panel and its mirror are inclined. FIG. 9 shows the parallel assembly of several photovoltaic panels of the device whose interconnection nodes are located on the common disk of a rotating collector, at the output of the brushes, in order to minimize currents at the contacts. - Figure 10 shows a standard locking exchange mechanism for communicating accumulator batteries used both for lighting a street lamp and traction electric vehicle. Figures 11 and 12 show deployable devices mounted on vehicles. 15 - Figure 13 shows a device supported by a building that fully integrates into the free space below it. This building also supports the mast of a relay hertzien. - Figure 14 shows the mesh of a large number of devices on the ground to jointly ensure an electric and agricultural production. In the embodiments, the prototype device relates to a stand-alone lamp, equipped with a storage battery, which can operate during all winter nights at 43.5 ° of latitude. Two mirrors ensure the concentration of the solar flux towards a photovoltaic panel oriented towards the sun. The device according to the invention is particularly intended for: the power supply of equipment mounted on masts the exploitation of the sunny surface around various existing achievements (water tower, reservoir, chimney, wind, radio relay etc. .) the construction of power plants connected or not connected to the electricity grid, with possible production of heat for domestic or industrial use. The solar concentrating device, controlled by the position of the sun along 1 or 2 axes, is characterized by the use of a collector and a mirror whose shape is such that the distance between the points of impact of two rays reflected on the surface of the collector -5- is proportional to the difference between the 2 incident incident rays, so as to distribute the irradiation power uniformly on the surface of the collector. The mirror of the device may have a non-zero curvature. A plurality of devices can be used to constitute a system for producing solar thermal, thermodynamic or photovoltaic energy. The device can be slaved to the position of the sun around the vertical axis and exploit all or part of an elliptical plane sun surface, whose horizontal projection is a disc whose center is located on the axis of rotation. The device can exploit a vertical sunlight surface. The device can be installed on Earth or on water. The device can be disengaged by high wind in order to naturally have a suitable aerodynamic profile limiting the mechanical forces on its structure. The photovoltaic cells of the device can be cooled by convection or by a heat transfer fluid and the production of heat can be enhanced. The temperature of the collector or the electrical power delivered by the device may be subject to protective supervision controlling, if necessary, its partial or total misalignment with respect to the sun. The device may comprise a plurality of photovoltaic panels mounted in parallel, the interconnection nodes of which are situated on the common disk of a commutator 20 rotating at the outlet of the brushes so as not to overload the currents at the contacts. The device can be mounted on a mast to make autonomous electrical equipment supported by it. The device can be coupled to a battery charging system used for both street lamp lighting and electric vehicle traction to optimize energy consumption in relation to needs and seasonal production. . The shadow side of the device can be used as an advertising medium. The device can be mounted on a vehicle (land, sea, air, space) to ensure its propulsion or be transported and deployed at a standstill. The device can be supported by a building inscribed in its shading zone in order to exploit this free space and to be able to benefit from a function of sunshade and natural air conditioning in summer. The mesh of a large number of devices can make it possible to jointly ensure an electric and agricultural production and can serve as a greenhouse support or various means of watering or protection. The device may comprise a photovoltaic panel and its concentrator vertical or inclined. The device can be a kit adaptable to existing masts. A plurality of devices may be adjacently disposed.
Un dispositif ou ensemble de dispositifs peut être disposé sur des roues au sol ou sur des flotteurs à la surface d'une étendue d'eau. Le dispositif peut produire conjointement de l'électricité et de la chaleur. 15 20 25 30 A device or set of devices may be disposed on ground wheels or floats on the surface of a body of water. The device can jointly produce electricity and heat. 15 20 25 30