FR3039887B1 - Procede de fabrication d'un miroir concentrateur pour la production d'energie solaire et miroir concentrateur obtenu selon le procede - Google Patents

Abstract

procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur, caractérisé en ce qu'il comporte tout d'abord la réalisation d'un panneau composite support dont la surface supérieure présente une forme incurvée appropriée; puis la solidarisation d'une couche réfléchissante 40 et de la face supérieure dudit panneau composite support, en sorte que ladite couche réfléchissante en épouse la forme incurvée.

Description

Procédé de fabrication d’un miroir concentrateur pour la production d’énergie solaire et miroir concentrateur produit selon le procédé

Domaine technique de 1'invention

La présente invention concerne un procédé de mise en forme d'une surface réfléchissante, permettant notamment de réfléchir et de concentrer le rayonnement solaire L'invention concerne également un miroir composite comportant une surface réfléchissante mise en forme par le procédé, susceptible d'être incorporé dans un dispositif destiné à produire de l'énergie thermique ou électrique, notamment en réfléchissant, concentrant ou focalisant l'énergie solaire vers un collecteur de rayonnement solaire.

Arrière-plan technologique

On connaît plusieurs manières de réaliser des miroirs destinés à collecter et à concentrer l'énergie solaire. Une première manière consiste à mettre en forme une membrane en matériau plastique mince recouverte d'une couche de matériau réfléchissant en soumettant sa face non réfléchissante à une pression inférieure à la pression atmosphérique régnant sur sa face réfléchissante, cette action déformant de panière appropriée ladite surface réfléchissante. Il en résulte un miroir particulièrement léger, mais dont la pression intérieure doit être en permanence pilotée pour faire face aux variations de la pression atmosphérique, et qui présente en outre une certaine fragilité vis-à-vis d'événements atmosphériques tels que la grêle.

Une alternative consiste à mettre en forme d'un verre épais par un procédé de formage à chaud. Toutefois, ce mode de réalisation s'avère en pratique réservé à la production en très grande série de miroirs cylindro-paraboliques, compte tenu de la complexité du procédé de formage à chaud, et au coût élevé des investissements industriels nécessaires.

Une alternative consiste à réaliser par contremoulage, en une ou plusieurs étapes, une structure composite sandwich de forme appropriée, généralement une calotte sphérique ou un paraboloïde de révolution. Cette structure est constituée de deux couches de renfort formées d'une paroi mince d'un matériau résistant tel que l'aluminium ou 1'acier,collées de part et d'autre d'une couche d'un matériau d'âme à faces parallèles tel qu'une mousse rigide ou un nid d'abeille a parois d'aluminium. Sur la face concave de la structure est rapportée une mince couche réfléchissante constituée le plus souvent d'un matériau plastique réfléchissant, d'une feuille métallique polie, ou d'une feuille de verre argenté.

Un tel miroir présente toutefois au moins deux types d'inconvénients. D'une part, il nécessite la mise en oeuvre d'un moule précis, donc coûteux et dont l'utilisation constitue un goulet d'étranglement dans le processus de fabrication des miroirs compte tenu du délai de polymérisation des matériaux de collage. D'autre part, les matériaux d'âme mis en oeuvre se présentent sous la forme de plaques à faces parallèles qui ne peuvent supporter de fortes courbures que dans la mesure où elles sont suffisamment minces, une caractéristique limitant la rigidité du miroir fini.

Description générale de 1'invention

Dans ce contexte, la présente invention vise à résoudre tout ou partie des problèmes mentionnés précédemment en proposant un procédé de fabrication d'un miroir composite d'une grande rigidité, et dont la surface réfléchissante est susceptible de présenter une courbure importante. Le procédé offre en outre l'avantage de ne pas nécessiter de moule. A cette fin, l'invention concerne un procédé comportant une première étape de fabrication d'un panneau composite support constitué d'au moins une couche de renfort, et d'au moins une couche de matériau d'âme; ledit panneau composite support étant caractérisé en ce qu'une de ses deux grandes faces (nommée "face supérieure" dans ce qui suit) présente une forme incurvée appropriée. L'autre grande face (nommée "face inférieure dans ce qui suit) est préférentiellement plane mais peut présenter toute autre forme définie par le contexte de l'utilisation du miroir.

Le procédé comporte une seconde étape consistant à solidariser une couche réfléchissante sur la face supérieure dudit panneau composite support, en sorte que ladite couche réfléchissante épouse parfaitement la forme incurvée de la face supérieure du panneau composite support.

La forme incurvée appropriée de la face supérieure du panneau composite support est définie de façon à obtenir un miroir présentant les propriétés focalisantes recherchées, et se présente notamment à cet effet sous la forme d'une calotte sphérique ou d'un paraboloïde de révolution.

Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: • la ou les couche(s) d'âme du panneau composite support est (sont) constituée(s) d'une mousse rigide, et/ou d'un matériau structuré en "nid d'abeille"; • la ou les couche(s) de renfort du panneau composite support sont constituées d'un matériau formé de fibres organiques ou minérales noyées dans une résine; • lesdites fibres sont des fibres de verre et/ou des fibres de carbone et/ou des fibres d'aramide; • la nature et/ou la forme des matériaux constituant les couches de renfort du panneau composite support, l'épaisseur desdites couches, la nature et l'épaisseur du ou des matériau(x) d'âme sont choisies en fonction des caractéristiques mécaniques souhaitées du panneau composite support; • la face inférieure du panneau composite support est plane; • des inserts ou autres dispositifs permettant la fixation et/ou le réglage de l'orientation du miroir sont mis en place sur la face inférieure du panneau composite support; • la courbure de la face supérieure du panneau composite support est très légèrement supérieure à la courbure recherchée pour la face réfléchissante du miroir, de sorte que sous l'effet de la force de rappel exercée sur ledit panneau par la couche de matériau réfléchissant lors de l'étape de solidarisation, ledit panneau composite support et donc le miroir présentent la courbure recherchée; • entre la première et la seconde étape du procédé prend place une étape intermédiaire consistant à enduire la face supérieure du panneau composite support d'un matériau de remplissage puis d'en parfaire la courbure et l'état de surface par tout procédé d'usinage ou d'érosion connu de l'homme de l'art; • la couche de matériau réfléchissant est notamment constituée d'une mince couche de verre argenté, ou d'une feuille de métal poli, ou d'une feuille de matériau polymère revêtu d'une couche réfléchissante métallique; • avant solidarisation avec le panneau composite support, la couche de matériau réfléchissant reçoit une couche de renfort permettant d’en optimiser les caractéristiques mécaniques en vue de l'opération de solidarisation; • la finition du miroir est assurée à l'aide d'une ceinture de protection permettant de préserver l’intégrité du dit miroir lors de son transport, de son montage et de son utilisation.

Grâce à ce procédé, il est possible de réaliser un miroir présentant à la fois une épaisseur importante et une grande courbure, caractéristiques difficilement conciliables dans le cadre habituel d'une réalisation par contre-moulage en une seule opération. L'invention a également pour objet un miroir concentrateur d'énergie solaire, ainsi que tout dispositif de concentration d'énergie solaire caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs miroirs réalisés selon le procédé de l'invention.

Description des figures L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et en référence aux différentes figures.

La figure 1 représente schématiquement l'âme du panneau composite support de miroir, dont la face supérieure présente la courbure visée pour la face réfléchissante du miroir.

La figure 2 représente un panneau composite support du miroir, constitué d'une âme et de deux couches de renfort.

La figure 3 représente le panneau composite support de la figure 2, vu de dessous.

La figure 4 représente le miroir complet, à savoir le panneau composite support sur la face supérieure duquel est solidarisée la couche réfléchissante.

La figure 5 représente, selon un mode de fabrication alternatif, l'âme du panneau composite support dont la face supérieure est brute, équipée d'une couche de renfort sur sa face inférieure.

La figure 6 représente le panneau de la figure 5 après mise en forme de la face supérieure.

La figure 7 représente un miroir constitué du panneau de la figure 6, sur la face supérieure duquel est solidarisée une couche réfléchissante.

La figure 8 représente, selon un mode de fabrication alternatif un miroir dont le panneau composite support est constitué de deux couches de renfort et de deux couches d'âme.

La figure 9 présente un miroir équipé d'une ceinture de protection périphérique.

Description détaillée de modes de réalisation de 1'invention

La première étape du procédé consiste à fabriquer un panneau composite support constitué d'une âme et d'au moins une couche de renfort. L'âme 10 présente une géométrie périphérique correspondant à celle du miroir, notamment carrée, rectangulaire, circulaire, hexagonale ou polygonale. Les dimensions caractérisant cette géométrie périphérique, telles que longueur du côté, diamètre ou distance entre plats peuvent être légèrement supérieures à celles du miroir fini, en sorte de permettre une recoupe de finition du panneau composite support, voire du miroir complet. Pour fixer les idées et de manière non limitative, un diamètre ou une distance entre plats relatifs à l'âme 10 pourront excéder la dimension nominale du miroir de 1 ou 2 centimètres. L'âme présente une face supérieure 1 de forme incurvée» identique à la forme souhaitée pour la face réfléchissante du miroir, ladite forme étant notamment sphérique ou parabolique. Selon une variante, la courbure de ladite face supérieure 1 peut être légèrement supérieure à la courbure nominale de la face réfléchissante du miroir, en sorte de compenser par avance l'éventuelle force de rappel élastique à laquelle la couche réfléchissante soumettra le panneau composite support lors de sa solidarisation avec celui-ci. Pour fixer les idées et de manière non limitative, dans le cas d'un miroir sphérique, le rayon de courbure de la face supérieure 1 est inférieur à celui de la face réfléchissante du miroir d'environ 1 à 3%.

Selon un mode de réalisation préférentiel, la face inférieure de l'âme 2 est plane. Elle peut toutefois présenter toute autre forme rendue nécessaire par le contexte de l'utilisation du miroir. L'âme est constituée de tout matériau connu de l'homme de l'art en vue de la réalisation de panneaux composites, notamment mousse rigide de chlorure de polyvinyle (PVC), de polymethylmétacrylate (P.M.M.A), de polyuréthane (PU). Elle peut également être constituée d'un matériau alvéolaire tel que du nid d'abeille en aluminium ou en papier phénolique.

Le creusement de la face supérieure 1 de l'âme s'opère par tout moyen conventionnel, tel qu'un usinage par commande numérique. Dans le cas où l'âme est constituée de mousse rigide, elle peut être produite par une opération de moulage, notamment par injection, lui conférant sa forme définitive sans qu'une opération de mise en forme ultérieure s'avère nécessaire.

La mise en place des couches de renfort 20 et 30 sur les faces supérieure et inférieure de l'âme s'effectue par tout moyen conventionnel connu de l'homme de l'art. Selon un mode de réalisation préférentiel, lesdites couches de renfort sont constituées de couches tissées ou non d'un matériau tel qu'une fibre de verre, une fibre de carbone ou une fibre aramide. Elles sont disposées et pressées sur lesdites faces supérieure et inférieure après imprégnation par une résine, notamment thermodurcissable telle que résine polyuréthane, résiné polyester ou résine époxy.

La nature des matériaux constituant les couches de renfort 20 et 30, l'épaisseur desdites couches, la nature et l'épaisseur de l'âme 10 sont déterminés par l'homme de l'art selon les règles de conception des matériaux composites, en sorte que le panneau composite support présente une rigidité suffisance.

Selon un mode de réalisation préférentiel, une couche de finition d'un matériau facilement usinable est déposée sur la coucne de renfort 20 couvrant la face supérieure du panneau composite support. Ce matériau peut notamment être un mastic polyester de la famille des produits utilisés en réparation navale ou automobile. Pour fixer les idées, et de manière non limitative, l'épaisseur de la couche de finition est de l'ordre de 1 à 3 millimètres. Ladite couche de finition fait ensuite l'objet d'une abrasion manuelle ou automatisée, selon les procédés notamment connus dans l'industrie optique, permettant l'obtention d'une surface dotée d'excellentes qualités géométriques et d'une bonne régularité d'état de surface.

La seconde étape du procédé consiste à solidariser une couche réfléchissante 40 au panneau composite support par tout moyen connu de l'homme de l'art, tel que le collage. Une couche réfléchissante présentant une certaine rigidité telle qu'une feuille de verre argenté sera avantageusement solidarisée par collage au moyen d'un dispositif tel qu'une bâche à vide, dispositif grâce auquel la pression de la couche réfléchissante sur le panneau composite support sera maintenue tout le temps nécessaire à la polymérisation ou au séchage de la couche de résine ou de colle.

La couche réfléchissante 40 est du type habituellement utilisé dans le domaine de l'énergie solaire. De manière indicative et non limitative, il peut s'agir d'une feuille d'un métal poli et protégé par une ou plusieurs couches d’oxyde, d'une feuille plastique ayant reçu divers dépôts métalliques et d'oxydes, notamment par évaporation sous vide, ou d'une feuille de verre revêtue d'une couche métallique, notamment argentée, par dépôt chimique ou par évaporation sous vide.

Selon une variante, une couche flexible d'un matériau notamment plastique, métallique ou fibreux est solidarisée par collage à plat à la couche réfléchissante, sur la face non réfléchissante de ladite couche, notamment au moyen d'une colle ou d'une résine qui est durcie ou polymérisée. La couche composite ainsi réalisée est ensuite solidarisée au panneau composite support. De la sorte, et notamment dans le cas où la couche réfléchissante est constituée d'un film plastique où de tout autre matériau mince très déformable, le multicouches ainsi créé présente par rapport à la couche réfléchissante seule un surcroît de rigidité facilitant la procédure de collage. Dans le cas où la couche réfléchissante est constituée d'un matériau relativement épais et rigide comme le verre argenté, le-s contraintes de traction subies par le verre lors de sa déformation en vue du collage sur le panneau composite support sont minimisées.

Le miroir sera avantageusement équipé d'une ceinture périphérique 100 constituée d'une bande d'un matériau susceptible d'épouser la forme périphérique du miroir. Ce matériau peut, à titre d'exemple et de manière non limitative, être constitué d'une bande d'acier inoxydable d'épaisseur 0,1 à 1 mm, et préférentiellement 0,5 mm. Ladite bande sera avantageusement plus haute que l'épaisseur maximale du miroir, en sorte qu'il soit possible de mettre en place un joint étanche entre le bord des faces supérieure et inférieure du miroir d'une part, et ladite bande d'autre part. De la sorte, le miroir est protégé des infiltrations d'eau ou de la pénétration d'insectes, susceptibles d'en accélérer la dégradation.

Selon un mode de réalisation préférentiel, un ou plusieurs inserts 200, et préférentiellement trois inserts à trou fileté d'un type couramment utilisé dans l'industrie des composites sont mis en place au niveau de la face inférieure 2 du miroir, en sorte de permettre la fixation et le réglage dudit miroir sur une armature appropriée.

Afin de fixer les idées, et de manière non limitative, des prototypes dotés de bonnes fonctionnalités ont été construits comme suit: • miroir hexagonal de 600 millimètres entre plats, d'une épaisseur totale de 55 millimètres, présentant une face réfléchissante sphérique dont le rayon de courbure est de 5 mètres; • couche réfléchissante constituée d'une feuille de verre argenté d'épaisseur 2mm, renforcée par un tissu de verre "roving" de 200 grammes par mètre carré, imprégné de résine époxy; • âme constituée d'une mousse polyuréthane rigide de 250 kilogrammes par mètre cube; • deux couches de renfort dont chacune est constituée de trois couches de mat de verre de 500 grammes par mètre carré, imprégnées de résine polyester, chaque couche de renfort présentant une épaisseur finie d'environ 3 millimètres chacune; • ceinture périphérique en feuille d'acier inoxydable pliée d'épaisseur 500 microns et de hauteur 60 millimètres • joints d'étanchéité en mastic silicone.

Différents prototypes ont été produits selon plusieurs modes opératoires.

Selon un premier mode opératoire, une âme 10 a tout d'abord été réalisée selon ses spécifications géométriques définitives ou quasi définitives, notamment en ce qui concerne sa face supérieure incurvée. En second lieu, les couches de renfort 20 et 30 ont été appliquées sur les faces supérieure et inférieure 1 et 2 de l'âme 10. Enfin, la couche réfléchissante 40 a été mise en place par collage sur la face supérieure du panneau composite support.

Selon un second mode opératoire, une âme 10 de forme périphérique définitive ou quasi-définitive dont les deux faces supérieure et inférieure sont planes, reçoit sur sa face inférieure une couche de renfort 30 servant de face de référence en vue de faciliter l'usinage de la face supérieure, usinage destiné à donner une forme incurvée à la face supérieure de ladite âme 10. Après usinage, ladite face supérieure reçoit une couche de renfort 20, sur laquelle est solidarisée la couche réfléchissante 40.

Selon un troisième mode opératoire, une âme 10 de forme périphérique définitive ou quasi-définitive dont les deux faces supérieure et inférieure sont planes, reçoit sur sa face inférieure une couche de renfort 30 servant de face de référence en vue de faciliter l'usinage de la face supérieure. Après usinage, ladite face supérieure reçoit la couche réfléchissante 40. Ce mode diffère donc du précédent par l'absence de mise en place de la couche de renfort 20. Il est particulièrement adapté à une configuration de miroirs présentant une mince couche réfléchissante 40, celle-ci n'exerçant donc sur le panneau composite support qu'une faible force de rappel, rendant ainsi inutile la présence de ia couche de renfort 20.

Selon un quatrième mode opératoire, une âme 12 de forme périphérique définitive ou quasi-définitive dont les deux faces supérieure et inférieure sont planes, reçoit une couche de renfort 30 sur sa face inférieure et une couche de renfort 21 sur l'autre face. Une seconde âme 11 est mise en place sur la couche 21. Ladite âme 11 présente une incurvation appropriée sur sa face supérieure. la couche réfléchissante 40 est enfin solidarisée à ladite face supérieure.

Selon . un cinquième mode opératoire, une âme 12 de forme périphérique définitive ou quasi-définitive dont les deux faces supérieure et inférieure sont planes, reçoit une couche de renfort 30 sur sa face inférieure et une couche de renfort 21 sur l'autre face. Une seconde âme 11 dont les faces supérieure et inférieure sont planes est mise en place sur la couche de renfort 21. La face supérieure de l'âme 11 est ensuite usinée, puis est solidarisée à la couche réfléchissante 40.

Claims (2)

1. Revendications 1) procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes: • réalisation d'une âme 12 de panneau composite support présentant deux grandes faces planes et une forme périphérique définitive ou quasi définitive; • application des couches de renfort 21 et 30 sur les faces supérieure et inférieure de l'âme 12; • application sur la couche 21 d'une seconde âme il présentant ùne incurvation appropriée sur sa face supérieure; • solidarisation de la couche réfléchissante 40 et de la face supérieure de l'âme il.
2. 2) procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur caractérisé en ce que le panneau composite support est réalisé au moyen de la séquence des opérations suivantes: • réalisation d'une âme 12 de panneau composite support présentant deux grandes faces planes et une forme périphérique définitive ou quasi définitive; • application des couches de renfort 21 et 30 sur les faces supérieure et inférieure de l'âme 12; • solidarisation de la couche 21 et d'une seconde âme il présentant deux grandes faces planes; • mise en forme de la surface supérieure de l'âme il selon l'incurvation appropriée; • solidarisation de la couche réfléchissante 40 et de la face supérieure incurvée de l'âme il; 3) procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une mince couche de finition est appliquée sur la face supérieure incurvée du panneau composite support puis fait l'objet d'un traitement abrasif en vue d'améliorer la géométrie et l'état de surface de ladite face supérieure; 4) procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la courbure de la face supérieure du panneau composite support est légèrement plus forte que celle de la face réfléchissante du miroir fini; 5) procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des inserts de fixation 200 sont mis en place sur la face inférieure du panneau composite support; 6) procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche réfléchissante 40 est une structure composite constituée d'une feuille d'un matériau dont une face est réfléchissante, sur le côté non réfléchissant de laquelle est solidarisée une couche d'un matériau de renfort; 7) procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une ceinture de protection 100 est mise en place en périphérie du miroir; 8) procédé de fabrication d'un miroir solaire concentrateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un joint étanche est mis en place dans l'angle formé par la périphérie des faces supérieure et inférieure du miroir d'une part, et la ceinture de renfort d'autre part; 9) miroir solaire concentrateur et système de miroirs concentrateurs obtenus au moyen du procédé défini dans l'une quelconque des revendications précédentes.