FR3042026A1 - DEVICE FOR PRODUCTION OF ELECTRICITY BY THERMOELECTRIC PROCESS WITH SEEBECK EFFECT WITH CAPTAGE AND CONCENTRATION BY BALL LENS OF SOLAR ENERGY - Google Patents
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Abstract
Dispositif de production d'électricité par procédé thermoélectrique avec captage et concentration statique par lentille boule de l'énergie solaire, associé à des récepteurs thermoélectriques à effet Seebeck afin de produire de l'électricité La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients des systèmes actuels avec la problématique de suivi de la course du soleil et la complexité technique du récepteur - convertisseur, en remplaçant les systèmes de lentille, parabole et autres concentrateurs solaires mobiles par une sphère pleine (boule) statique de verre, de cristal, de plastique, autres matières ou sphère remplies de liquide avec des propriétés optiques similaires, et de remplacer les récepteurs existants, par des récepteurs thermoélectriques à effet Seebeck, positionné sous la boule, à une distance déterminée, par rapport au diamètre de la boule, pour que la focalisation des rayons se concentre sur une surface restreinte Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à créer une centrale solaire à concentration pour la production d'énergie.TECHNICAL FIELD FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICITY BY A THERMOELECTRIC PROCESS WITH SENSING AND BICYCLE CONCENTRATION BY BALLOON LENS OF SUN ENERGY, ASSOCIATED WITH SELECTIVE THERMOELECTRIC EFFECTS TO SEEBECOK TO GENERATE ELECTRICITY The object of the present invention is to eliminate the drawbacks of current systems with the problem of tracking the solar race and the technical complexity of the receiver - converter, replacing the lens systems, parabolic and other mobile solar concentrators by a solid sphere (ball) static glass, crystal, plastic , other materials or sphere filled with liquid with similar optical properties, and to replace the existing receivers, by Seebeck effect thermoelectric receivers, positioned under the ball, at a determined distance, with respect to the diameter of the ball, so that the focusing of the rays concentrates on a restricted surface The device according to the invention is particularly intended to create a concentrated solar power plant for the production of energy.
Description
La présente invention concerne un dispositif de production d’électricité par procédé thermoélectrique avec captage et concentration statique par lentille boule de l'énergie solaire, associé à des récepteurs thermoélectriques à effet Seebeck afin de produire de l'électricité sans tracking solaire et sans pièce en mouvement, particulièrement destiné à des systèmes de production isolés et autonomes, ou aux centrales solaires à concentration, permettant la production d'électricité.The present invention relates to a device for producing electricity by thermoelectric process with capture and static concentration by ball lens of solar energy, associated with Seebeck effect thermoelectric receivers in order to produce electricity without solar tracking and without any part thereof. movement, especially for isolated and autonomous production systems, or concentrating solar power plants, allowing the production of electricity.
Actuellement les points critiques des systèmes isolés autonomes ou des centrales solaires à concentration se trouvent dans le captage, la concentration, la réception et la transformation de l’énergie solaire, qui se fait à l’aide de lentille de Fresnel, miroir, parabole, capteur cylindro-parabolique et autre concentrateur solaire mobile pour renvoyer l’énergie sur un récepteur complexe et onéreux mettant en œuvre des pièces en mouvement ou sous pression de fluide, afin de la transformer en électricité.At present the critical points of autonomous isolated systems or concentrating solar power plants are in the capture, concentration, reception and transformation of solar energy, which is done using Fresnel lens, mirror, dish, cylindro-parabolic sensor and other mobile solar concentrator for returning energy to a complex and expensive receiver implementing parts in motion or under fluid pressure, in order to transform it into electricity.
Ces différents concentrateurs de rayons solaires doivent suivre la course du soleil afin de faire converger les rayons solaires vers un récepteur complexe (moteur de Stirling, circuit de fluide caloporteur, etc...), pour convertir en électricité la quantité d’énergie récupérée, ce qui nécessite une infrastructure mécanique et électrotechnique importante afin de rester dans l’axe du soleil, engendrant complexité de mise en œuvre, maintenance importante du récepteur, coût prohibitif de l’installation ainsi que du fonctionnement.These different solar concentrators must follow the path of the sun in order to converge the solar rays to a complex receiver (Stirling engine, coolant circuit, etc ...), to convert the amount of energy recovered into electricity, which requires a significant mechanical and electrotechnical infrastructure to stay in the sun's axis, causing implementation complexity, significant maintenance of the receiver, prohibitive cost of installation and operation.
De plus, dans certains cas la fabrication des cellules solaires photovoltaïques à concentration restent polluantes pour l'environnement.In addition, in some cases the manufacture of photovoltaic solar cells concentration remain polluting for the environment.
La présente invention a pour but d’éliminer les inconvénients des systèmes actuels avec la problématique de suivi de la course du soleil et la complexité technique du récepteur - convertisseur, en remplaçant les systèmes de lentille, parabole et autres concentrateurs solaires mobiles par une sphère pleine (boule) statique de verre, de cristal, de plastique, autres matières ou sphère remplies de liquide avec des propriétés optiques similaires, et de remplacer les récepteurs existants, par des récepteurs thermoélectriques à effet Seebeck, positionnés sous la boule, à une distance déterminée, par rapport au diamètre de la boule, pour que la focalisation des rayons se concentre sur une surface restreinte, afin de permettre une absorption optimale de l’énergie dans le récepteur et d'atteindre la température nécessaire pour déclencher l'effet Seebeck sur cette zone.The present invention aims to eliminate the drawbacks of current systems with the problem of tracking the sun's course and the technical complexity of the receiver-converter, replacing the lens systems, parabolic and other mobile solar concentrators by a full sphere (ball) static glass, crystal, plastic, other materials or sphere filled with liquid with similar optical properties, and replace existing receivers, by Seebeck thermoelectric effect receptors, positioned under the ball, at a determined distance , relative to the diameter of the ball, so that the focusing of the rays concentrates on a restricted surface, in order to allow an optimal absorption of the energy in the receiver and to reach the temperature necessary to trigger the Seebeck effect on this zoned.
Avantageusement, ce système permet une focalisation des rayons solaires sur le récepteur tout au long de la journée sans aucun mouvement, car la sphère pleine (boule) de verre ou sphère pleine de liquide à pour propriété optique de faire converger les rayons du soleil en un seul point se déplaçant linéairement en fonction de la course du soleil, tout en gardant la boule statique. La partie réception et transformation de l'énergie solaire en électricité est réalisé par la technologie thermoélectrique à effet Seebeck nécessitant aucune maintenance, aucune pièce mobile, peu d’investissement et non polluante pour sa fabrication. L’invention sera mieux comprise et les autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre, faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d’exemple illustrant un mode de réalisation de l’invention et dans lequel : la figure 1 représente une vue de coté de l’invention la figure 2 représente une coupe de l’inventionAdvantageously, this system makes it possible to focus the sun's rays on the receiver throughout the day without any movement, because the solid sphere (ball) of glass or sphere full of liquid has for optical property to converge the sun's rays into a only point moving linearly according to the course of the sun, while keeping the static ball. The reception and transformation of solar energy into electricity is achieved by the thermoelectric effect Seebeck effect requiring no maintenance, no moving parts, little investment and non-polluting for its manufacture. The invention will be better understood and the other objects, characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly in the following explanatory description, made with reference to the appended diagrammatic drawings given solely by way of example illustrating a method embodiment of the invention and in which: Figure 1 shows a side view of the invention Figure 2 shows a section of the invention
En référence à ces dessins le système comporte deux éléments fondamentaux, un collecteur-concentrateur en forme de boule (1), un récepteur thermoélectrique à effet Seebeck en forme de demi sphère servant également de châssis (3),With reference to these drawings the system comprises two basic elements, a ball-shaped collector-concentrator (1), a semi-sphere-shaped Seebeck thermoelectric receiver which also serves as a frame (3),
Le premier élément, la boule (1) se caractérise par sa matière qui peut être en verre, cristal, plastique, et autres matières ou encore sphère remplie de liquide dont le but est d'avoir les propriétés optiques intrinsèques à faire converger les rayons du soleil (6) en un seul point comme une loupe, tout en étant fixe, malgré le déplacement de l'astre solaire.The first element, the ball (1) is characterized by its material which can be glass, crystal, plastic, and other materials or sphere filled with liquid whose purpose is to have the intrinsic optical properties to converge the rays of the sun (6) in a single point like a magnifying glass, while being fixed, in spite of the displacement of the solar star.
Le déplacement du soleil fera donc varier le point de focalisation tout au long du récepteur sans aucun déplacement mécanique tout en conservant la même quantité d’énergie collectée.The displacement of the sun will therefore vary the focusing point throughout the receiver without any mechanical movement while retaining the same amount of energy collected.
Grâce à ces propriétés optiques et physiques la lentille boule permet d'avoir un facteur de transmittivité-absorptivité excellent et donc de transférer un maximum d'énergie sur le récepteur.Thanks to these optical and physical properties the ball lens makes it possible to have an excellent transmittivity-absorptivity factor and therefore to transfer a maximum of energy to the receiver.
Le facteur de concentration des rayons solaires par la lentille boule est défini par : C = (Sc)Surface Collectrice / (Sr)Surface RéceptriceThe concentration factor of the solar rays by the ball lens is defined by: C = (Sc) Collector Surface / (Sr) Receptor Surface
Pour une lentille boule, le diamètre du disque est collecteur, donc Sc = (Pi*RA2)For a ball lens, the diameter of the disc is collector, so Sc = (Pi * RA2)
Exemple concret pour une boule de 10 cm de rayon :Concrete example for a ball of 10 cm radius:
Sc= (Pi*10A2) = 314 cm2 de surface collectrice avec une focalisation sur une surface réceptrice de 0,5 cm2, on trouve donc C = 628.Sc = (Pi * 10A2) = 314 cm 2 of collecting surface with a focus on a receiving surface of 0.5 cm 2, so C = 628.
Reste à prendre en compte le facteur de transmission du matériau constituant la boule, pour l’exemple on prendra 0,6 de coefficient, donc le facteur de concentration final est d’environ 376.It remains to take into account the transmission factor of the material constituting the ball, for example we will take 0.6 coefficient, so the final concentration factor is about 376.
Température théorique atteignable au foyer (avec 1000 W/m2 reçu au sol par la Terre en plein soleil et une émissivité = 1 pour la cible) : (Température °K )A4 = (puissance reçue * facteur concentration* émissivité) / constante de Stefan-BoltzmannTheoretical achievable temperature at the focus (with 1000 W / m2 received on the ground by the Earth in full sun and an emissivity = 1 for the target): (Temperature ° K) A4 = (power received * concentration factor * emissivity) / Stefan constant -Boltzmann
Avec une boule de 10cm de Rayon soit 314 cm2 de surface collectrice : (T)A4 = 31.4*376/5,67.10A-8 soit T = 402 “Celsius atteignable au point focal sur le récepteur thermoélectrique.With a ball of 10cm radius or 314 cm2 of collecting surface: (T) A4 = 31.4 * 376 / 5,67.10A-8 or T = 402 "Celsius achievable at the focal point on the thermoelectric receiver.
Le deuxième élément, le récepteur thermoélectrique à effet Seebeck en forme de demi sphère servant de convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique (3) se caractérise par sa forme en demi sphère en fonction du diamètre de la boule pour permettre une focalisation tout au long de la journée des rayons solaires sur le récepteur thermoélectrique afin d'atteindre la température nécessaire pour déclencher l'effet Seebeck dans la zone impactée par les rayons focalisés, et de ce fait, à équidistance en dessous de la surface de la boule sur toute sa longueur.The second element, the Seebeck thermoelectric effect receiver in the form of a half sphere serving as a thermal energy converter in electrical energy (3), is characterized by its half-sphere shape as a function of the diameter of the ball to allow focusing throughout. of the day of solar rays on the thermoelectric receiver in order to reach the temperature necessary to trigger the Seebeck effect in the zone impacted by the focused rays, and thus, equidistant below the surface of the ball over all its length.
Les générateurs thermoélectriques à effet Seebeck sont composés de deux faces avec des matériaux différents en interne (principe du thermocouple), une dite froide et l'autre chaude.The thermoelectric effect generators Seebeck are composed of two faces with different materials internally (thermocouple principle), one said cold and the other hot.
Dans le système présent la face chaude est orientée vers la sphère, tandis que l'autre face est à l'extérieur et pourra être muni d'un dissipateur thermique (5) afin de réduire sa température pour accentuer le delta entre les deux faces.In the present system the hot face is oriented towards the sphere, while the other face is outside and may be provided with a heat sink (5) to reduce its temperature to accentuate the delta between the two faces.
La différence de température entre les deux faces entretien l’effet Seebeck, dont le mécanisme est un déplacement d’électron dans la matière du à la chaleur, ce dipôle a donc une borne positive et négative entre lesquelles circule un courant électrique. Selon les matériaux employés dans les récepteurs thermoélectriques la température optimale nécessaire, entre la face chaude et froide, est variable entre 100 et 300 degrés Celsius, ainsi que le rendement pouvant varier de 5 à 20 %.The difference in temperature between the two faces maintains the Seebeck effect, the mechanism of which is an electron displacement in matter from heat, so this dipole has a positive and negative terminal between which flows an electric current. Depending on the materials used in the thermoelectric receivers, the optimum temperature required between the hot and cold surfaces varies between 100 and 300 degrees Celsius, and the efficiency can vary from 5 to 20%.
Dans l’état actuel de la technologie sur les matériaux thermoélectriques une surface de 16 centimètre carré peut produire 10 Watts (soit 2 Ampères sous 5 volts)In the current state of technology on thermoelectric materials a surface of 16 square centimeter can produce 10 Watts (or 2 Amps at 5 volts)
Le récepteur en demi sphère pourra être composé de plusieurs cellules thermoélectriques cote à cote, en forme de pentagone et d'hexagone en nid d’abeille afin de constituer une demi coquille ou d'une seule cellule constituant le récepteur en demi sphère dans sa totalité.The half-sphere receiver may be composed of several thermoelectric cells side by side, in the form of pentagon and honeycomb hexagon to form a half-shell or a single cell constituting the half-sphere receiver in its entirety .
Afin d'éviter toute réflexion du rayonnement incident son coefficient d'absorption doit être aussi élevé que possible.In order to avoid any reflection of the incident radiation, its absorption coefficient must be as high as possible.
Afin d'éviter les pertes par échanges convectifs et radiatifs et de faire augmenter la température de la face chaude, cette dernière peut être entourée d'une enceinte (2) en verre, plastique, ou autres matières, optionnellement sous vide.In order to avoid losses by convective and radiative exchanges and to increase the temperature of the hot face, the latter may be surrounded by an enclosure (2) made of glass, plastic, or other materials, optionally under vacuum.
La zone d'impact des rayons solaires est chauffée très rapidement puis, au fil du temps la chaleur se propage par conduction à toute la demi sphère de captage (3) ainsi que par convection à tout l'espace inter- sphères (4).The zone of impact of the solar rays is heated very rapidly and, over time, the heat is propagated by conduction to the entire half sphere of capture (3) and by convection to the entire intersphere space (4).
Cela permet une optimisation de la production électrique puisque à terme, toute la surface chaude du récepteur aura atteinte la température de production, ainsi au bout d'un temps donné, quel que soit la position du point focal, c'est l'ensemble du récepteur thermoélectrique (demi-sphère) qui va produire en permanence.This allows an optimization of the electrical production since in time, the whole hot surface of the receiver will have reached the production temperature, so after a given time, whatever the position of the focal point, it is the whole of the thermoelectric receiver (half-sphere) that will produce continuously.
Dans l’enceinte sous la sphère la température de la face chaude pourra dépasser les 100 degrés Celsius sur toute la surface, et localement sur le point focal des rayons solaires plusieurs centaines de degré en fonction du diamètre de la sphère, de la focale choisie et de l’ensoleillement. L’enceinte (2) permet d’également de tenir la boule par des points de fixation latéraux, ce dernier étant orienté Est-Ouest pour rester en phase avec la course du soleil.In the chamber under the sphere the temperature of the hot face may exceed 100 degrees Celsius over the entire surface, and locally at the focal point of solar rays several hundred degrees depending on the diameter of the sphere, the focal length chosen and sunshine. The enclosure (2) also allows to hold the ball by lateral attachment points, the latter being oriented East-West to stay in phase with the course of the sun.
Des variantes non illustrées pour le récepteur, seront possibles selon l'évolution des technologies sur les matériaux thermoélectriques. • Le système de base comme il est décrit comporte deux éléments qui suffisent à concentrer les rayons solaires durant une journée pour échauffer suffisamment une face du récepteur thermoélectrique afin de produire de l’électricité tout en étant statique, de plus les systèmes peuvent être couplés entre eux en série ou parallèle, en nombres illimités et nécessitent aucune maintenance, aucune pièce mobile, peu d’investissement et non polluante pour sa fabrication.Non-illustrated variants for the receiver will be possible according to the evolution of technologies on thermoelectric materials. • The basic system as described has two elements that are sufficient to focus the sun's rays for one day to sufficiently heat up one face of the thermoelectric receiver to produce electricity while being static, and systems can be coupled between them in series or parallel, in unlimited numbers and require no maintenance, no moving parts, little investment and non-polluting for its manufacture.
Ce système est techniquement valable à différentes dimensions, en effet il est possible de mettre en œuvre des concentrateurs de ce type, avec des boules de différents diamètres, et de ce fait les applications sont multiples, dont des centrales solaires à concentration, des générateurs mobiles, des lampadaires autonomes, des centrales d’électricités autonomes dans des milieux hostiles, des sources d’énergie sur les systèmes spatiaux, etc...This system is technically valid for different dimensions, because it is possible to implement concentrators of this type, with balls of different diameters, and therefore the applications are multiple, including concentrating solar power plants, mobile generators , stand-alone streetlights, autonomous power stations in hostile environments, energy sources on space systems, etc.
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