WO2010040957A2 - Dispositif concentrateur solaire optimal et capteur comprenant une pluralité de tels dispositifs concentrateurs - Google Patents

Dispositif concentrateur solaire optimal et capteur comprenant une pluralité de tels dispositifs concentrateurs Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a solar radiation concentrator device comprising a device that reflects said radiation and focuses it in at least one predetermined zone, called the focusing zone, serving as an energy collector. It relates in particular to a static solar concentrating device for producing heat and / or electricity for domestic or industrial use, and which has higher performance than previous devices.
  • US 4088116 uses a reflective pseudo-spiral consisting of portions of circles around an oblong tube. The envisaged juxtaposition of several concentrators is accompanied by the loss of a significant part of the flux received by parasitic reflections.
  • GB 1503643 uses a reflective logarithmic spiral that does not have the ability to focus the entire received stream. The envisaged juxtaposition of several concentrators is accompanied by the loss of a significant part of the flux received by multiple parasitic reflections.
  • - FR 2472147 uses a reflective multiple pseudo-spiral consisting of portions of circles. This non-optimal shape requires the use of two-sided reflective surfaces and is necessarily accompanied by parasitic reflections.
  • US 4148299 uses mirrors consisting of portions of circles that are accompanied by the loss of a significant portion of the received stream due to multiple parasitic reflections.
  • the invention aims to remedy these drawbacks.
  • the invention therefore aims at providing a solar radiation concentrator device in which the entirety of the solar flux received is focused on the focusing zone with the best concentration rate.
  • the invention therefore also aims to provide a sensor, in particular in the form of an outer panel (building (building) or space system), having a plurality of concentrator devices according to the invention juxtaposed to each other.
  • the invention also aims to propose a space system - in particular chosen from a launcher, an artificial satellite, an orbital station, a space probe and a spacecraft - comprising at least one concentrator device according to the invention, and more particularly at least one sensor according to the invention.
  • the invention relates to a solar radiation concentrator device comprising a device that reflects said radiation and focuses it in at least one predetermined zone, called the focusing zone, that acts as an energy collector, characterized in that the reflecting device has at least two portions, said proximal portions, each extending from the focusing zone, each proximal portion having a concave reflecting surface (hereinafter sometimes referred to as a "spiral" reflective, although the shape of this surface does not does not correspond, in the purely mathematical sense, to a real spiral), whose normals (from any point on said concave reflecting surface) are tangent to the theoretical envelope surface of the focusing zone (s) (the intersection (point of tangency) of each normal with the theoretical envelope of said focusing zone being located from side of the concavity of the reflecting surface), the concavities of the reflecting surfaces of the proximal portions being oppositely oriented from the focusing area (s) (or said theoretical envelope surface) so as to define a common opening of receiving solar radiation
  • each proximal portion has the space in the form of an involute surface of said theoretical envelope surface of the focusing zone (s).
  • the inventor has indeed determined that, unlike an Archimedean spiral or other type of spiral Mathematical, a "spiral" having this form of involute makes it possible to ensure that all the light rays incident at the level of the common reception opening of the solar radiation are focused on a focusing zone, avoiding any parasitic reflection on the outside. focus area (s).
  • the fact of providing a plurality of proximal portions extending from the focusing zone (s), one on each side of said theoretical envelope surface makes it possible to exploit the various sides of the focus area (s) optimally.
  • the common opening defined by the different proximal portions is oriented generally in a direction of the space, in a direction relative to the latter, for example to correspond to a mean direction of incidence of solar radiation.
  • a device according to the invention can in particular be of static type, that is to say with a reflecting device mounted fixed relative to the ground or with respect to a space system frame.
  • each focusing zone can have any shape in the three-dimensional space (by having an external surface, whether or not it is cylindrical or not, entirely convex or not, partially flat or not, etc.), and the concave reflective surfaces of the proximal portions can be defined from the shape of the focusing zone (s), either by analytical definition in the simplest cases, or by construction step by step from the shape of the focusing zone (s) and that of said theoretical envelope surface, or else by computer simulation.
  • a device according to the invention may have a fractal structure, in that a focusing zone of a device according to the invention may itself be a device according to the invention, that is to say incorporate a reflective device according to the invention. And it is possible to interweave multiple successive levels of solar radiation concentration, in the manner of a fractal structure, the smaller level focusing area (s) receiving all of the solar radiation captured by the different successive levels.
  • each proximal portion extends from a focusing zone to an end of this proximal portion situated at the most at the points of its concave reflecting surface for which the normal to the reflecting surface concave of this proximal portion is also normal to the concave reflecting surface of another proximal portion, this normal forming a common tangent to the theoretical envelope surface of the focusing area (s).
  • said common opening defined by the proximal portions is of maximum dimension at these points, and, beyond these points, said common opening has a dimension which decreases. Accordingly, each proximal portion extends from a focus area and remains within a limit defined by the aforementioned points or by reaching that limit.
  • the (the) focusing zone (s) has (s) a theoretical cylindrical envelope surface in the mathematical sense (that is to say any base, symmetrical revolution or not), and the reflecting device comprises two proximal portions extending on one side and the other with respect to a median axial theoretical plane containing the axis of the cylindrical theoretical envelope surface of the zone (s) of focusing.
  • each proximal portion the concave reflecting surface of each proximal portion:
  • each proximal portion has an involute transverse cross-section of the theoretical envelope curve of the transverse cross section of the focusing zone (s).
  • the concentrator device has a focusing zone in the form of a cylinder of revolution whose base is a circle, and the transverse cross-section of the concave reflecting surface of each proximal portion is involute-shaped of the base circle of the focusing zone.
  • the concave reflecting surface of each proximal portion extends from a generatrix (straight line parallel to the axis) of said theoretical envelope surface.
  • the two generatrices from which the two concave reflecting surfaces of the two proximal portions extend are flanked, and one of the two concave reflecting surfaces extends on one side of the two generators, while the other concave reflecting surface extends on the other side of the two generators.
  • the concave reflecting surfaces of the two proximal portions thus extend from one and the same zone (of the two generatrices of said theoretical envelope area of the focusing zone which are adjacent to each other), one on each side.
  • proximal portions extend from two zones (generatrices) of the focusing zone distant from each other, if it is accepted that the portion between these two remote zones does not receive solar radiation or is fed by another reflective device (several proximal portions of reflective surfaces may for example be superimposed on each side, the outermost proximal portions extending from two generators which adjacent to the focusing zone, the innermost portions located innermost extending from disjoint generators of the focusing zone).
  • the concave reflecting surfaces of the two proximal portions are of symmetrical shapes from each other with respect to a median plane of the focusing zone (s).
  • This symmetry of shape may extend to the entire reflective device, especially when the latter may have an end opening extending in a plane orthogonal to the mean direction of incidence of solar radiation at the considered location.
  • the reflecting surfaces of the proximal portions have shapes and dimensions that are symmetrical to each other with respect to said plane. median, and extend the same distance from the zone (s) of focus, for example up to said limit mentioned above to form the maximum opening.
  • At least one proximal portion is extended by a second portion, said middle portion, also having a concave reflecting surface.
  • the concave reflecting surface of this median portion has, in transverse cross-section, a shape selected from an involute curve portion of the transverse cross section of the concave reflecting surface of the proximal portion which it extends, a parabola portion, and a portion of a curve such that any ray incident on said concave reflecting surface of this medial portion is reflected towards a focusing zone, with any incident ray having an extreme angle of incidence (maximum or minimum) on said concave reflecting surface of this medial portion being reflected tangentially to a focusing zone.
  • a concentrator device comprises, as zone (s) of focus, at least one cylindrical tube of revolution (transparent or black) in which circulates a coolant and / or photovoltaic cells.
  • Other types of collectors may be provided as a focus area: star section radiators; exchangers of rectangular shape; rectangular plates of photovoltaic cells; photovoltaic cells plates contiguous to heat exchangers cooling ...
  • Each collector can itself be contained in a transparent vacuum tube to limit heat losses by convection and / or provided with additional heat exchanger elements (plates, strips, pallets, crowns ).
  • the invention extends to a solar radiation concentrator device comprising a device reflecting said radiation and focusing it in at least one predetermined zone, referred to as a focusing zone, serving as an energy collector characterized in that :
  • the reflecting device comprises at least one portion, called the proximal portion, extending from a focusing zone, each proximal portion having a concave reflecting surface whose normals are tangent to the theoretical envelope surface of the ) focus area (s),
  • At least one focusing zone comprises photovoltaic cells.
  • the concentrator devices according to the invention can be assembled into sets of such devices, each set thus constituting a sensor.
  • the invention therefore also extends to a solar radiation sensor comprising a plurality of solar radiation concentrator devices, characterized in that the solar radiation concentrating devices are devices according to the invention juxtaposed with each other.
  • the concentrator devices are juxtaposed so as to have solar radiation reception apertures opening on a common surface forming an outer wall of said sensor.
  • said outer wall is formed of a rigid transparent flat plate, said sensor being a rigid flat panel of concentrator devices according to the invention.
  • a sensor according to the invention may be mounted integral with a building or a building or a fixed structure in relation to the terrestrial ground.
  • a sensor according to the invention is advantageously characterized in that it is mounted fixed relative to the ground and the various concentrator devices are all oriented in the same direction.
  • the reflecting device is asymmetrical, that is to say that the reflective surfaces are asymmetrical to one another with respect to the focusing zone. The invention makes it possible to provide the reflective devices of all shapes, dimensions and optimal orientations, according to the location, the useful surface of the sensor and the needs.
  • a sensor according to the invention is mounted integral with a space system so as to form an outer face of this space system.
  • the concentrator devices according to the invention can be juxtaposed with each other so that said common surface (receiving solar radiation) of the sensor according to the invention thus formed, has any shape whatsoever set surface, not only flat, but also for example cylindrical revolution or other.
  • a sensor according to the invention may constitute the cylindrical outer face of revolution of a launcher or part of a space system or space station ...
  • a sensor according to the invention may be provided with at least one mirror, said primary mirror, adapted to reflect solar radiation on all the concentrator devices.
  • the invention also relates to a device and a sensor characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. 1 is a geometric diagram showing a portion of the theoretical involute shape of a reflecting surface of a proximal portion of a concentrator device according to the invention in the case of a cylindrical focusing zone of revolution with a cross-section transverse cross section;
  • FIG. 2 is a transverse cross sectional diagram illustrating the shape of a proximal portion of a reflecting surface of a concentrator device or a sensor according to the invention,
  • FIGS. 3a to 3f are diagrams similar to FIG. 2 but illustrating variants according to different shapes of the transverse cross section of the focusing zone of a concentrator device according to the invention
  • FIG. 4 is a cross sectional diagram of a concentrator device according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a cross sectional diagram of a concentrator device according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a transverse cross-sectional diagram of a sensor according to the invention comprising a plurality of concentrator devices according to the second embodiment of the invention
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional diagram of a heat transfer fluid circuit device passing through several concentric tubes in order to be able to connect to the same side, at the input and at the output, and which can be used as a focusing zone in FIG. a concentrator device according to the invention,
  • FIGS. 8a and 8b are transverse cross-section diagrams respectively representing a third embodiment and a fourth embodiment of a concentrator device according to the invention, the proximal portions of which are extended by medial and distal portions formed of mirrors. ,
  • FIG. 9 is a transverse cross-sectional diagram showing a fifth embodiment of a concentrator device according to the invention having two focusing areas, and primary mirrors extending the outer proximal portions,
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional diagram of a heat transfer fluid circuit device for the concentrator device of FIG. 9,
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating an embodiment of the arrangement of two concentrator devices according to the invention juxtaposed to form a sensor having a flat outer wall
  • FIG. 12 is a partial vertical sectional diagram showing a sensor according to the invention forming an external building wall
  • FIGS. 13a and 13b are transverse cross-sectional diagrams of a concentrator device according to a sixth embodiment of the invention in which the focusing zone is formed of a photovoltaic cell plate, FIG. transverse cross-sectional diagram representing a concentrator device according to FIG. 9 receiving solar radiation coming from distant mirrors,
  • FIG. 15 is a diagram showing the use of sensors according to the invention arranged in rows on agricultural grounds;
  • FIG. 16 is an elevational diagram of a sensor according to the invention having a generally cylindrical shape of revolution,
  • FIG. 17 is a transverse cross-sectional diagram of the sensor of FIG.
  • FIG. 18 is a diagram (whose scales are totally fanciful for illustrative purposes) showing a satellite whose orbit is in the Earth's equatorial plane and comprising a cylindrical sensor according to the invention as an energy generator electric,
  • FIG. 19 is a diagram similar to FIG. 18 illustrating an inclined orbit satellite comprising a cylindrical sensor according to the invention that can also act as a gravitational mast
  • FIG. 20 is a cross-sectional diagram illustrating a sensor according to the cylindrical invention of revolution itself forming a focusing zone of a concentrator device according to the invention of larger dimensions
  • FIG. 21 is a diagram. representing an alternative embodiment of FIG.
  • FIG. 22 is a diagram in section through a median axial plane of a sensor according to the invention similar to that of FIG. 20;
  • FIG. 23 is a front perspective diagram of a sensor according to the invention similar to that of FIG. 20.
  • the invention relates in particular to a solar radiation concentrator device comprising a device reflecting said radiation, and focusing it in at least one focusing zone 25 acting as collector of solar energy.
  • the reflective device has concave reflecting surfaces 21, at least one reflective surface being in the general form of a reflective "spiral" 21 which may be simple; or multiple interlaced; or multiple interlaced and connected to a simple spiral.
  • a reflective spiral 21 is of so-called optimal shape, such that in every point of the reflective spiral 21, a radius of the highest possible incidence at this point is reflected according to a reflected ray which, depending on the distance from this point to the origin of the reflective spiral 21: is tangent to the focusing zone 25 (heat transfer tube 26 for example), or reaches the zone 22 of contact between this focusing zone 25 (in particular this tube 26) and the reflective spiral 21, - or is tangent to a proximal portion of the reflective spiral 21.
  • each reflective spiral is that of a cylindrical surface in the mathematical sense of the term (surface generated by the displacement on a curve of a line, called a generator, of fixed direction corresponding to the axis of the cylinder), reflecting on one of its faces 23 which is concave, so that this concave face 23 of the reflecting surface 21 concentrates the received solar flux towards at least one focusing zone 25, in particular a tube 26 cylindrical non-reflective collector (transparent and / or black), in which circulates a coolant.
  • This collector tube 26 may be formed of a cylindrical tube of black revolution that absorbs the solar radiation itself surrounded by a transparent tube 27 (glass or quartz) in which the vacuum is established to limit heat losses.
  • a seal 29 is provided at the end of the transparent tube 27.
  • the tube 26 has an internal pipe arranged so that the heat transfer fluid circulates in a longitudinal back and forth inside the black tube 28 in which it heats up.
  • the heat transfer fluid circuit can operate through several concentric tubes in order to be able to connect on the same side, at the inlet and the outlet, and thereby eliminate the differential expansion problems at the seals of the tube. empty.
  • the cylindrical tube of revolution receiving the solar flux can be transparent and the heat transfer fluid that it contains in black with a low coefficient of reflection.
  • the inner black tube 28 may be star cross section and / or provided with additional heat exchanger elements (plates, strips, pallets, crowns ...) extending into the vacuum space between this black tube 28 and the transparent tube 27.
  • each cylindrical reflective spiral is preferably limited at its two axial ends by mirrors (planes or left surfaces) which return the rays inwardly of the spiral (that is to say towards the face 23 concave of the reflecting surface 21).
  • a concentrator device according to the invention may comprise various imbrications of reflecting surfaces and / or focusing zone (s). Nevertheless, as shown in FIGS. 4 and 5 in particular, for at least one focusing zone 25, the reflecting device has at least two reflective spirals 21 extending from this focusing zone 25, and these two spirals reflectors 21 are generally in opposition to each other, and move away from each other from zones 22 (generators in the case of a cylindrical focusing zone) of the zone of focusing 25 which preferably adjoin.
  • any reflective spiral (whether it is a reflective spiral 21 extending from a focusing zone 25 or not) satisfies the following conditions.
  • a first proximal portion 31 extending from the connection 22 of the reflective spiral 21 to the focusing zone 25 and limited by the tangent 32 common to the focusing zone 25 and to the spiral the normal 33 (straight line perpendicular to the tangent) of the spiral 21 at a point M must be tangent (point T of tangency) to the focusing zone 25.
  • the proximal portion 31 has the shape of a involute of the theoretical envelope surface of the focusing zone 25. This condition is sufficient to ensure the reflection of any incident ray towards the focusing zone 25.
  • FIG. 3a there is shown the example of a flat plate-shaped focusing area 65 (which may be for example a photovoltaic cell plate).
  • the proximal portion 31 of the reflective spiral 21 is then in the form of a portion of a cylinder of revolution.
  • the transverse cross section of the proximal portion 31 of the spiral 21 is an arc whose center is on a longitudinal edge 66 of the plate 65.
  • the transverse cross section of the proximal portion 31 of the reflecting spiral 21 which is an involute of this zone of polygonal base cylindrical focusing is formed of a succession of arcs of circles whose centers are located on the vertices 67 of the polygonal section.
  • FIG. 3f shows the example of a cylindrical focusing zone 25 with an elliptical base, the proximal portion 31 of the reflecting spiral 21 having an elliptical involute cross section. Many other examples are possible.
  • the reflecting surface 21 may be extended (in some embodiments) by a medial portion 34, beyond the proximal portion 31 which is limited by the tangent 32 to the spiral passing through its original point 22 in contact with the focal area 25.
  • the normal 33 (perpendicular to the tangent line) of the spiral 21 at a point M must be the bisector of the angle formed by a line 35 passing through this point M and tangent to the spiral 21 at another point T '(the line 35 being tangent to the proximal portion 31), and the line 36 passing through this point M and the original point 22 of the spiral on the focusing zone 25.
  • This configuration is shown in Figure 6 where a spiral 21 has a focusing zone 25 which is itself a sensor 57 according to the invention.
  • Such a reflective spiral may possibly be further extended (depending on the arrangement of this reflective spiral in the reflective device) beyond the medial portion 34 by a distal portion (not shown) extending from the point L of this spiral to which it is possible to draw two different lines passing through this point L and tangents at two other points different to the spiral.
  • the normal (perpendicular to the tangent) of the spiral at a point M must be the bisector of the angle formed by the two different straight lines that are tangent to the spiral and pass through that point M.
  • a spiral reflective 21 may be further associated with external mirrors 41, 42 to increase the concentration rate and allow the juxtaposition of several concentrators without losing anything of the flux received on any surface.
  • a reflective spiral may be further extended beyond the distal portion by an end portion in which the normal at a point is the bisector of the angle formed by the tangent to the spiral passing through this point and a line oriented according to the minimum radius of incidence passing through this point.
  • a plane mirror Placed in opposition to this end portion of the spiral, a plane mirror, oriented according to the latitude angle of the implantation site, makes it possible to return the flow in the spiral by reflecting with minimal incidence the rays of maximum incidence. .
  • the minimum incidence of the rays reflecting at the beginning of this end portion may be greater than the minimum incidence of the outer rays.
  • the end portion of the reflective spiral 21 may be further extended by a second plane mirror for returning the minimal incidence rays with maximum incidence. It should be noted that the concentration rate can be increased if multiple reflections between the opposing mirrors in the end portion of the spiral are accepted.
  • the plane mirror placed in opposition to the end portion of the spiral may be replaced by a curved mirror.
  • two concentrator devices according to the invention and associated mirrors may be placed in opposition and oriented towards the solar direction, in particular perpendicular to the latitude angle of the implantation location in order to balance the flows received while throughout the year.
  • a multiple reflective spiral can be connected to a simple spiral by respecting the optimality conditions in the different portions and by limiting the length of the multiple spiral elements to avoid any reflection on the non-reflective surfaces of the mirrors.
  • Part of this assembly can be assembled inside a vacuum tube 26.
  • two reflective spirals 21 come from one and the same zone 22 (actually two adjoining generatrices). of the focusing zone 25 (cylindrical tube of revolution in the example of FIG. 4), each respecting the aforementioned optimality conditions, that is to say having a proximal portion 31 with involute transverse cross-section. circle.
  • the distance between two points of the two reflective spirals 21, located on any tangent to the cylindrical focusing zone 25 is then equal to ⁇ D, with D the diameter of the cylindrical focusing zone 25 of revolution.
  • the proximal portions 31 of the two reflective spirals 21 extend until their ends are coplanar and situated in a plane 40 tangential to the focusing zone 25 opposite the zone 22 of FIG. origin and junction of the spirals 21 with the focusing zone 25.
  • the cylindrical focusing zone 25 (for example cylindrical tube of revolution 26) and its two associated spirals 21 constitute a primary concentrator device 60 according to a first embodiment of the invention. invention.
  • the proximal portions 31 of the two reflective spirals 21 extend until their ends are located on the same cylindrical theoretical envelope of revolution tangent to the focusing zone 25 as opposed to the zone 22 of origin and junction of the spirals 21 with the focusing zone 25.
  • the cylindrical focusing zone 25 (for example cylindrical tube of revolution 26) and its two spirals 21 associated constitute a primary concentrator device 61 according to a second embodiment of the invention.
  • a primary concentrator device 60, 61 according to the invention as shown in FIGS. 4 and 5 can be assembled into sets of various shapes, each assembly being itself able to be associated with one or more involute reflective spirals of the theoretical envelope of this set which then forms a new focusing zone of secondary type. These nested assemblies can be multiplied in a succession of focusing stages of solar radiation.
  • several primary concentrator devices 61 as shown in FIG. 5 can be grouped as shown in FIG. 6 in a concentric manner so as to form a cylindrical sensor of revolution whose external cylindrical wall consists of different primary concentrator devices 61 juxtaposed in parallel with each other. to others.
  • This cylindrical sensor 57 of revolution can itself serve as a focus zone 25 for one (or more) other (s) spiral (s) 21 of larger size (which can be described as higher order compared to the spirals of the devices).
  • primary concentrators 61 ).
  • a spiral 21 with a large aperture size close to n ⁇ D, with D the diameter of each primary concentrator device 61 of the sensor 57 and n the number of primary concentrator devices 61 of the sensor 57
  • This spiral 21 comprises a proximal portion 31 in involute of the cylindrical envelope of revolution of the sensor 57, the proximal portion 31 being extended by a median portion 34 which is in the form of involute of the proximal portion 31.
  • such large spirals may themselves be concentrically grouped together to be associated with one (or more) larger spiral (s).
  • a concentrator device for solar radiation comprising a device reflecting said radiation and focusing it into at least one focussing area, serving as an energy collector characterized in that:
  • the reflecting device comprises at least one portion called said proximal portion extending from a focusing zone, each proximal portion having a concave reflecting surface whose normals are tangent to the theoretical envelope surface of the focus area (s),
  • At least one focusing zone comprises photovoltaic cells.
  • the reflective spirals 21 may be associated with external mirrors 41 to increase the concentration ratio and allow the juxtaposition of several concentrators 60, 61 without losing any of the flux received on any surface.
  • the mirrors 41 can extend the reflective spirals 21 of a concentrator device 60 as represented in FIG. 4.
  • the mirrors 41 can then be of parabolic shape in a median portion 44, in order to focus the radii of FIG. minimum and maximum incidence at both ends of the proximal portion 31 of the reflective spirals 21, and planes in a distal portion 47, to return with maximum incidence the minimum incidence radii and vice versa.
  • the proximal portions 31 of the reflective spirals 21 are interrupted at their point passing through a tangent to the focusing zone 25 parallel to a solar ray of maximum incidence likely to be captured.
  • the shape of the mirrors 41 in their median portion 44 is then chosen so that the reflection of a maximum radius of incidence tangent the (s) tube (s) cylindrical (s) 26.
  • a tube 51 with spiral mirrors can make one or more go (s) and return (s) in a collector having the shape of a transparent parallelepiped box 52 ( Figures 9 and 10), to facilitate its evacuation eliminating the problems of differential dilation.
  • the shape of the parabolic mirrors 41 in the central zone 44 must then be adapted so that the reflection a maximum or minimum radius of incidence is tangent to the portion of cylindrical tube of revolution furthest away and not the nearest.
  • Concentrator devices according to the invention and / or sensors of the invention can also be assembled in higher order sensor assemblies in the form of contiguous modular cover panels ensuring both the collection of energy, insulation and cladding of exterior walls and / or roofs of buildings.
  • FIG. 11 represents an example of two concentrator devices 62 according to the invention juxtaposed with their parallel axes and with their median planes 63 parallel inclined with respect to a plane 64 tangential to the two cylindrical focusing zones.
  • the focusing zones 25 may be formed either by simple collector tubes, or by photovoltaic cells, or by cylindrical sensors 57 according to the invention, or even by a combination of collectors of different types.
  • FIG. 12 represents, for example, the case of a vertical wall
  • the assembly thus constitutes a sensor panel 77 wall plane according to the invention.
  • each concentrator device that is to say of its median plane
  • these parameters are adapted so that solar radiation is captured for the entire solar incidence range.
  • these parameters are adapted so that only a portion of the solar incidence range is sensed.
  • a coolant can circulate, in parallel or in series, in the various cylindrical tubes of revolution 26 of the different concentrator devices assembled on the wall 70.
  • This heat transfer fluid can be integrated in a heating installation for the building or for the production of hot water for domestic or industrial use.
  • the concentration coefficient is multiplied by a factor that is the inverse of the cosine of the latitude of the location, in the case of a vertical surface, and the inverse of the sine of the latitude of the location in the case of a horizontal surface.
  • the concentration rate defined as the width of the flow entering the device and the diameter of the tube, is greater than 9, and may even be greater than 11 in the tropics or accepting a limited loss of flow (eg during hot summer hours on a vertical surface).
  • this concentration rate defined as the width of the incoming flow and the width of the surface used by the cells, is greater than a value of the order of 3. It can be therefore reduce the number of cells for the same covered area, and improve their performance by cooling them.
  • the concentrator 10 is advantageously facing south.
  • the concentrator devices according to the invention can be sized and oriented for a voluntarily limited solar incidence range in order to increase their concentration rate during part of the year (in winter for example for heating from a vertical surface) and reflect part of the flow received the rest of the year (for example during hot summer hours to cool the habitat).
  • a concentrator device and / or a sensor according to the invention can be produced by means of flexible mirrors, possibly inflatable so that it can be deployed from a truck or a container also comprising the electrical energy conversion system (machine thermal and alternator).
  • the collector forming the focusing zone 25 may be formed of a rectangular flat surface covered with photovoltaic cells 55 as shown in FIGS. 13a and 13b.
  • This collector 55 is preferably provided with a cooling circuit in which circulates a heat transfer fluid in order to prevent overheating of the photovoltaic cells (less than 70 ° C.) and to improve their efficiency.
  • the two proximal portions 31 are in the form of involute of this surface, that is to say practically in the form of a portion (arc) of a circle, and are extended by mirrors 41 of parabolic shape which focus the incidence rays. minimum or maximum at the ends of the surface of photovoltaic cells 55.
  • Figures 13a and 13b illustrate the path of solar rays in different incidences with such a device according to the invention.
  • a concentrator according to the invention can be used with photovoltaic cells placed on a collector with flat faces, inside which circulates a heat transfer fluid, in order to:
  • photovoltaic cell collectors can thus be placed near collectors at tube (s) so that the coolant circulating in each tube is used to cool the photovoltaic cells, to increase the efficiency of these cells while undergoing preheating, before passing through each tube to be heated.
  • a flat plate of photovoltaic cells can cover one of the flat faces of a collector box with circulation tube of a heat transfer fluid, this tube having a serpentine shape running in the box to optimize exchanges.
  • FIG. 14 illustrates an embodiment in which a concentrator device according to FIG. 9 receives radiation coming from plane mirrors 42, these latter being able to be motorized and mobile, slaved in position by a control unit as a function of the position of the sun.
  • a concentrator device and / or a sensor according to the invention can be used on various space systems to provide energy with or without control of solar orientation.
  • a concentrator device and / or a sensor according to the invention can be used to heat and desalinate the seawater by evaporation.
  • a concentrator device and / or a sensor according to the invention can be used as a collector in a central unit using movable mobile mirrors.
  • Rows of concentrators and / or sensors according to the invention can be installed on agricultural land as shown schematically in Figure 15, at a sufficient distance from each other not to be mutually winter or hinder the work of the fields, in order to produce energy at low cost and in very large quantities while preserving most of the surfaces cultivated for food purposes.
  • the reflecting surfaces are made of polished metal sheet.
  • Each cylindrical tube of transparent revolution is made of glass and surrounds a black copper tube.
  • the heat transfer fluid circuit is made through several concentric tubes in order to overcome the difference in the coefficients of expansion of the materials.
  • a sensor according to the invention can be mounted on a space system such as a solar tug, which can be used for long flights (Mars) or for any other use (delivery of equipment to a space station or lunar, in-orbit satellite repair, space debris recovery, etc.).
  • a space system such as a solar tug, which can be used for long flights (Mars) or for any other use (delivery of equipment to a space station or lunar, in-orbit satellite repair, space debris recovery, etc.).
  • the sensor 75 is formed of a juxtaposition of concentrator devices 61 according to the invention as described above with reference to FIGS. 5 and 6, and the various tubes 26 in which the coolant circulates are connected in series as shown in FIG. 16 so that the heat transfer fluid travels to the cylindrical surface of the sensor 75 (several trips back and forth over the entire height of the cylinder).
  • FIGS. 20 and 21 Examples of shapes of the primary mirrors 41 are shown in FIGS. 20 and 21 in the case of tug steering more or less 10 ° (FIG. 20) and respectively about 20 ° (FIG. under the sun ; the mirrors 41 being all the more open as the steering roll is accurate.
  • the shape of the primary mirrors 41 in their proximal portion which can not be reached by a maximum radius of incidence, is the same as that of a proximal portion 31 of a reflecting surface 21 according to the invention, in involute of circle . In median portion, its shape is such that a radius of maximum incidence is reflected on its surface so as to be tangent to the cylindrical theoretical envelope of the sensor 75.
  • the primary mirrors 41 are closed at their two axial ends by two mirrors planes 45 to reflect the entire input stream to the sensor 75 ( Figures 22 and 23).
  • the upper plane mirror can be replaced by a parabolic mirror to increase the input area S of the primary mirror.
  • This mirror is then dimensioned so that the totality of the solar flux reaches the envelope of the cylindrical sensor 75, after possible reflection on the lower plane mirror, considering a minimum guard angle ⁇ between the trajectory of the tug and the direction of the Sun; the flux captured by the mirror being proportional to S.sin ( ⁇ ).
  • each primary mirror 41 must withstand solar flux substantially greater than that of its middle portion.
  • the surface opposite the Sun in this zone is used as a radiator associated with a fluid loop in order to have a cold source and cool equipment tug placed inside the cylinder.
  • this same cylinder may contain satellites or launch payload.
  • Each primary mirror 41 must be close to the center of the cylindrical sensor 75 of revolution.
  • Each primary mirror 41 may be formed of a flexible reflective surface in the middle portion and semi-rigid in the proximal portion, so as to perfectly fit the shape of the cylindrical sensor 75 before deployment; the latter can be done by inflation or shape memory device.
  • FIG. 18 schematically represents an example of use of a cylindrical sensor 75 according to the invention on board a satellite driven in its own rotation and with an equatorial orbit, as an electric energy generator.
  • FIG. 19 diagrammatically represents an example of use of the cylindrical sensor 75 according to the invention on board a satellite in an inclined orbit, the cylindrical sensor 75 capable of contributing to the orientation of the satellite by gravity gradient.
  • the reflecting surfaces and each focusing zone may have a shape other than cylindrical in the mathematical sense of the term, in particular being non-cylindrical symmetrical surfaces of revolution (generated by the rotation of a cross-section in the form of involute around a fixed axis), left or any other (the proximal portions, however, constituting involutes of the theoretical envelope of at least one focusing zone).

Abstract

L'invention concerne un dispositif concentrateur de rayonnement solaire comprenant un dispositif réfléchissant ledit rayonnement et le focalisant en au moins une zone (25) de focalisation faisant office de collecteur d'énergie caractérisé en ce que le dispositif réfléchissant présente au moins deux portions (31) proximales s'étendant chacune à partir d'une zone (25) de focalisation, et présentant une surface réfléchissante concave dont les normales sont tangentes à la surface d'enveloppe théorique de la (des) zone(s) (25) de focalisation, les concavités des surfaces réfléchissantes des portions (31) proximales étant orientées en opposition à partir de la (des) zone(s) (25) de focalisation de façon à définir une ouverture commune de réception du rayonnement solaire. Elle s'étend à un capteur comprenant une pluralité de dispositifs concentrateurs selon l'invention.

Description

DISPOSITIF CONCENTRATEUR SOLAIRE OPTIMAL ET CAPTEUR COMPRENANT UNE PLURALITÉ DE TELS DISPOSITIFS CONCENTRATEURS
L'invention concerne un dispositif concentrateur de rayonnement solaire comprenant un dispositif réfléchissant ledit rayonnement et le focalisant en au moins une zone prédéterminée, dite zone de focalisation, faisant office de collecteur d'énergie. Elle concerne en particulier un dispositif de concentration solaire statique permettant de produire de la chaleur et/ou de l'électricité à usage domestique ou industriel, et qui présente des performances supérieures à celles des dispositifs antérieurs.
Les chauffe-eaux solaires ne permettent pas d'atteindre des températures suffisantes pour répondre aux besoins de chauffage sans moyens énergétiques complémentaires.
Par ailleurs, outre les techniques photovoltaïques de faible rendement, la production d'électricité à partir de l'énergie solaire nécessite de chauffer un fluide à une température relativement élevée.
Aussi existe-il divers systèmes de concentration solaire basés sur l'utilisation de miroirs paraboliques cylindriques (un axe) ou sphériques (deux axes) dont l'orientation est asservie à la course du Soleil. Cantonnés au domaine de la recherche, ces systèmes relativement sophistiqués ne trouvent pas de débouché industriel parce qu'ils sont limités en puissance, en raison de la taille des pièces mobiles et des problèmes de prise au vent, parce qu'ils doivent faire l'objet d'une maintenance régulière et parce qu'ils s'intègrent difficilement à l'habitat et au paysage urbain. Les brevets antérieurs ci-dessous se rapportent également à des dispositifs de concentration solaire, mais aucun d'entre eux ne prévoit des dispositifs réfléchissants totalement optimaux, c'est-à-dire permettant de récupérer la totalité du flux reçu sur une aire quelconque en maximisant le taux de concentration : - FR 2281549 utilise une spirale réfléchissante mais celle-ci, présentée à tort comme optimale, ne répond pas aux conditions d'optimalité, c'est-à- dire ne permet pas de récupérer la totalité du flux reçu. En effet, une spirale d'Archimède d'équation r = k φ en coordonnées polaires ne garantit pas que tous les rayonnements reçus soient focalisés sur une même zone de focalisation, et ne procure pas le meilleur taux de concentration. Par ailleurs, ce document associe un unique miroir parabolique à la spirale qui ne permet pas de juxtaposer plusieurs concentrateurs sans perdre une partie du flux reçu.
- US 4088116 utilise une pseudo-spirale réfléchissante constituée de portions de cercles autour d'un tube oblong. La juxtaposition envisagée de plusieurs concentrateurs s'accompagne de la perte d'une partie significative du flux reçu par des réflexions parasites.
- US 2004/079358 utilise une spirale réfléchissante dont la forme non optimale génère de nombreuses réflexions parasites que l'ajout de réflecteurs tente de pallier imparfaitement.
- GB 1503643 utilise une spirale logarithmique réfléchissante qui n'a pas la capacité de focaliser la totalité du flux reçu. La juxtaposition envisagée de plusieurs concentrateurs s'accompagne de la perte d'une partie significative du flux reçu par de multiples réflexions parasites.
- FR 2472147 utilise une pseudo-spirale multiple réfléchissante constituée de portions de cercles. Cette forme non optimale nécessite l'utilisation de surfaces réfléchissantes à double face et s'accompagne nécessairement de réflexions parasites.
- US 4148299 utilise des miroirs constitués de portions de cercles qui s'accompagnent de la perte d'une partie significative du flux reçu en raison de multiples réflexions parasites. L'invention vise à remédier à ces inconvénients.
L'invention vise donc à proposer un dispositif concentrateur de rayonnement solaire dans lequel l'intégralité du flux solaire reçu est focalisé sur la zone de focalisation avec le meilleur taux de concentration.
Elle vise également à proposer un tel dispositif concentrateur qui permette la juxtaposition de plusieurs dispositifs selon l'invention les uns par rapport aux autres pour capter l'intégralité du rayonnement solaire reçu sur la surface formée par cette juxtaposition.
L'invention vise donc également à proposer un capteur, notamment en forme de panneau extérieur (de bâtiment (immeuble) ou de système spatial), présentant une pluralité de dispositifs concentrateurs selon l'invention juxtaposés les uns aux autres.
L'invention vise également à proposer un système spatial - notamment choisi parmi un lanceur, un satellite artificiel, une station orbitale, une sonde spatiale et un vaisseau spatial- comprenant au moins un dispositif concentrateur selon l'invention, et plus particulièrement au moins un capteur selon l'invention.
Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif concentrateur de rayonnement solaire comprenant un dispositif réfléchissant ledit rayonnement et le focalisant en au moins une zone prédéterminée, dite zone de focalisation, faisant office de collecteur d'énergie, caractérisé en ce que le dispositif réfléchissant présente au moins deux portions, dites portions proximales, s'étendant chacune à partir de la zone de focalisation, chaque portion proximale présentant une surface réfléchissante concave (qualifiée ci-après parfois de « spirale » réfléchissante, bien que la forme de cette surface ne corresponde pas, au sens purement mathématique, à une réelle spirale), dont les normales (à partir de tout point de ladite surface réfléchissante concave) sont tangentes à la surface d'enveloppe théorique de la (des) zone(s) de focalisation (l'intersection (point de tangence) de chaque normale avec l'enveloppe théorique de ladite zone de focalisation étant située du côté de la concavité de la surface réfléchissante), les concavités des surfaces réfléchissantes des portions proximales étant orientées en opposition à partir de la (des) zone(s) de focalisation (ou de ladite surface d'enveloppe théorique) de façon à définir une ouverture commune de réception du rayonnement solaire.
La surface réfléchissante concave de chaque portion proximale a dans l'espace la forme d'une surface développante de ladite surface d'enveloppe théorique de la (des) zone(s) de focalisation. L'inventeur a en effet déterminé que, contrairement à une spirale d'Archimède ou autre type de spirale mathématique, une « spirale » ayant cette forme de développante permet d'assurer que tous les rayons lumineux incidents au niveau de l'ouverture commune de réception du rayonnement solaire soient focalisés sur une zone de focalisation, en évitant toute réflexion parasite à l'extérieur de la (des) zone(s) de focalisation. Par ailleurs, le fait de prévoir une pluralité de portions proximales s'étendant à partir de la (des) zone(s) de focalisation, une de chaque côté de ladite surface d'enveloppe théorique, permet d'exploiter les différents côtés de la (des) zone(s) de focalisation de façon optimale. L'ouverture commune définie par les différentes portions proximales est orientée globalement selon une direction de l'espace, dans un sens par rapport à cette dernière, par exemple de façon à correspondre à une direction moyenne d'incidence du rayonnement solaire. De la sorte, un dispositif selon l'invention peut en particulier être de type statique, c'est-à- dire avec un dispositif réfléchissant monté fixe par rapport au sol ou par rapport à un bâti de système spatial. Dans un dispositif selon l'invention, chaque zone de focalisation peut présenter toute forme dans l'espace tridimensionnel (en présentant une surface externe réglée ou non, cylindrique ou non, entièrement convexe ou non, partiellement plane ou non...), et les surfaces réfléchissantes concaves des portions proximales peuvent être définies à partir de la forme de la (des) zone(s) de focalisation, soit par définition analytique dans les cas les plus simples, soit par construction de proche en proche à partir de la forme de la (des) zone(s) de focalisation et de celle de ladite surface d'enveloppe théorique, soit encore par simulation informatique.
Il est à noter en outre qu'un dispositif selon l'invention peut présenter une structure fractale, en ce sens qu'une zone de focalisation d'un dispositif selon l'invention peut elle-même être un dispositif selon l'invention, c'est- à-dire incorporer un dispositif réfléchissant conforme à l'invention. Et il est possible d'imbriquer ainsi de multiples niveaux successifs de concentration du rayonnement solaire, à la façon d'une structure fractale, la (les) zone(s) de focalisation de plus petit niveau recevant l'intégralité du rayonnement solaire capté par les différents niveaux successifs. Avantageusement et selon l'invention, chaque portion proximale s'étend à partir d'une zone de focalisation jusqu'à une extrémité de cette portion proximale située au maximum au niveau des points de sa surface réfléchissante concave pour lesquels la normale à la surface réfléchissante concave de cette portion proximale est aussi une normale à la surface réfléchissante concave d'une autre portion proximale, cette normale formant une tangente commune à la surface d'enveloppe théorique de la (des) zone(s) de focalisation. En effet, ladite ouverture commune définie par les portions proximales est de dimension maximum au niveau de ces points, et, au-delà de ces points, ladite ouverture commune présente une dimension qui diminue. En conséquence, chaque portion proximale s'étend à partir d'une zone de focalisation et en restant en deçà d'une limite définie par les points susmentionnés ou en atteignant cette limite.
Avantageusement et selon l'invention, la (les) zone(s) de focalisation présente(nt) une surface d'enveloppe théorique cylindrique au sens mathématique (c'est-à-dire de base quelconque, symétrique de révolution ou non), et le dispositif réfléchissant comprend deux portions proximales s'étendant d'un côté et de l'autre par rapport à un plan théorique axial médian contenant l'axe de la surface d'enveloppe théorique cylindrique de la (des) zone(s) de focalisation.
Selon l'invention, la surface réfléchissante concave de chaque portion proximale :
- est alors également cylindrique au sens mathématique et d'axe parallèle à celui de ladite surface d'enveloppe théorique cylindrique,
- et présente une section droite transversale en forme de courbe dont les normales sont tangentes à la courbe d'enveloppe théorique de la section droite transversale de la (des) zone(s) de focalisation. Autrement dit, la surface réfléchissante concave de chaque portion proximale présente une section droite transversale en forme de développante de la courbe d'enveloppe théorique de la section droite transversale de la (des) zone(s) de focalisation.
Avantageusement et selon des modes de réalisation préférentiels de l'invention, le dispositif concentrateur présente une zone de focalisation en forme de cylindre de révolution dont la base est un cercle, et la section droite transversale de la surface réfléchissante concave de chaque portion proximale est en forme de développante du cercle de base de la zone de focalisation.
En outre, avantageusement et selon l'invention, la surface réfléchissante concave de chaque portion proximale s'étend à partir d'une génératrice (droite parallèle à l'axe) de ladite surface d'enveloppe théorique. Les deux génératrices à partir desquelles les deux surfaces réfléchissantes concaves des deux portions proximales s'étendent se jouxtent, et l'une des deux surfaces réfléchissantes concaves s'étend d'un côté des deux génératrices, tandis que l'autre surface réfléchissante concave s'étend de l'autre côté des deux génératrices. Les surfaces réfléchissantes concaves des deux portions proximales s'étendent ainsi à partir d'une même zone (des deux génératrices de ladite surface d'enveloppe théorique de la zone de focalisation qui se jouxtent), une de chaque côté.
Rien n'empêche au contraire de prévoir que les portions proximales s'étendent à partir de deux zones (génératrices) de la zone de focalisation distantes l'une de l'autre, si l'on accepte que la partie entre ces deux zones distantes ne reçoive pas de rayonnement solaire ou soit alimentée par un autre dispositif réfléchissant (plusieurs portions proximales de surfaces réfléchissantes pouvant par exemple être superposées de chaque côté, les portions proximales situées le plus à l'extérieur s'étendant à partir de deux génératrices qui se jouxtent de la zone de focalisation, les portions proximales situées le plus à l'intérieur s'étendant à partir de génératrices disjointes de la zone de focalisation).
Par ailleurs, de préférence, avantageusement et selon l'invention, les surfaces réfléchissantes concaves des deux portions proximales sont de formes symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan médian de la (des) zone(s) de focalisation.
Cette symétrie de forme peut s'étendre à l'intégralité du dispositif réfléchissant, notamment lorsque ce dernier peut présenter une ouverture d'extrémité s'étendant dans un plan orthogonal à la direction moyenne d'incidence du rayonnement solaire au lieu considéré. Ainsi, dans un mode de réalisation avantageux, les surfaces réfléchissantes des portions proximales présentent des formes et des dimensions qui sont symétriques l'une de l'autre par rapport audit plan médian, et s'étendent sur une même distance à partir de la (des) zone(s) de focalisation, par exemple jusqu'à ladite limite mentionnée ci-dessus permettant de former l'ouverture maximum.
En variante, notamment lorsque la condition précédente n'est pas respectée, rien n'empêche que le dispositif réfléchissant s'étende d'un côté de la (des) zone(s) de focalisation sur une distance plus importante que de l'autre côté de la (des) zone(s) de focalisation.
En outre, avantageusement et selon l'invention, au moins une portion proximale est prolongée par une deuxième portion, dite portion médiane, présentant aussi une surface réfléchissante concave. Avantageusement et selon l'invention, la surface réfléchissante concave de cette portion médiane présente, en section droite transversale, une forme choisie parmi une portion de courbe développante de la section droite transversale de la surface réfléchissante concave de la portion proximale qu'elle prolonge, une portion de parabole, et une portion de courbe telle que tout rayon incident sur ladite surface réfléchissante concave de cette portion médiane se réfléchisse vers une zone de focalisation, avec tout rayon incident présentant un angle d'incidence extrême (maximum ou minimum) sur ladite surface réfléchissante concave de cette portion médiane se réfléchissant tangentiellement à une zone de focalisation. Les deux portions proximales peuvent être prolongées chacune par une portion médiane, et les deux portions médianes peuvent s'étendre à partir de leur portion proximale respective sur une même distance, ou au contraire sur des distances différentes. En variante, l'une seulement des portions proximales est prolongée par une portion médiane. Avantageusement, un dispositif concentrateur selon l'invention comprend, à titre de zone(s) de focalisation, au moins un tube cylindrique de révolution (transparent ou noir) dans lequel circule un fluide caloporteur et/ou des cellules photovoltaïques. D'autres types de collecteurs peuvent être prévus à titre de zone de focalisation : radiateurs profilés à section droite en étoile ; échangeurs de forme rectangulaire ; plaques rectangulaires de cellules photovoltaïques ; plaques de cellules photovoltaïques accolées à des échangeurs de refroidissement... Chaque collecteur peut lui-même être contenu dans un tube à vide transparent pour limiter les déperditions de chaleur par convection et/ou doté d'éléments additionnels échangeurs thermiques (plaques, bandes, palettes, couronnes...). Selon un autre aspect, l'invention s'étend à un dispositif concentrateur de rayonnement solaire comprenant un dispositif réfléchissant ledit rayonnement et le focalisant en au moins une zone prédéterminée, dite zone de focalisation, faisant office de collecteur d'énergie caractérisé en ce que :
- le dispositif réfléchissant comprend au moins une portion, dite portion proximale, s'étendant à partir d'une zone de focalisation, chaque portion proximale présentant une surface réfléchissante concave dont les normales sont tangentes à la surface d'enveloppe théorique de la (des) zone(s) de focalisation,
- au moins une zone de focalisation comprend des cellules photovoltaïques.
Les dispositifs concentrateurs selon l'invention peuvent être rassemblés en ensembles de tels dispositifs, chaque ensemble constituant donc un capteur. L'invention s'étend donc également à un capteur de rayonnement solaire comprenant une pluralité de dispositifs concentrateurs de rayonnement solaire, caractérisé en ce que les dispositifs concentrateurs de rayonnement solaire sont des dispositifs selon l'invention juxtaposés les uns aux autres.
Avantageusement et selon l'invention, les dispositifs concentrateurs sont juxtaposés de façon à présenter des ouvertures de réception du rayonnement solaire débouchant sur une surface commune formant une paroi extérieure dudit capteur.
Selon un premier mode de réalisation d'un capteur selon l'invention ladite paroi extérieure est formée d'une plaque plane transparente rigide, ledit capteur étant un panneau plan rigide de dispositifs concentrateurs selon l'invention. Dans des applications avantageuses de l'invention, un capteur selon l'invention peut être monté solidaire d'un bâtiment ou d'un immeuble ou d'une structure fixe par rapport au sol terrestre. Dans ces applications, un capteur selon l'invention est avantageusement caractérisé en ce qu'il est monté fixe par rapport au sol et les différents dispositifs concentrateurs sont tous orientés selon une même direction. Avantageusement et selon l'invention, le dispositif réfléchissant est asymétrique, c'est-à-dire que les surfaces réfléchissantes sont asymétriques l'une de l'autre par rapport à la zone de focalisation. L'invention permet de doter les dispositifs réfléchissants de toutes formes, dimensions et orientations optimales, selon le lieu, la surface utile du capteur et les besoins.
Selon d'autres applications de l'invention, un capteur selon l'invention est monté solidaire d'un système spatial de façon à former une face externe de ce système spatial. Il est à noter à ce titre que dans le mode de réalisation où les surfaces réfléchissantes sont cylindriques au sens mathématique et symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan médian de la zone de focalisation, tout en s'étendant sur une même distance à partir de la zone de focalisation, les dispositifs concentrateurs selon l'invention peuvent être juxtaposés les uns aux autres de telle sorte que ladite surface commune (recevant le rayonnement solaire) du capteur selon l'invention ainsi formé, présente une forme quelconque de surface réglée, non seulement plane, mais également par exemple cylindrique de révolution ou autre. Par exemple, un capteur selon l'invention peut constituer la face externe cylindrique de révolution d'un lanceur ou d'une partie de système spatial ou de station spatiale...
Par ailleurs, avantageusement un capteur selon l'invention peut être doté d'au moins un miroir, dit miroir primaire, adapté pour réfléchir le rayonnement solaire sur l'ensemble des dispositifs concentrateurs. L'invention concerne également un dispositif et un capteur caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci- dessus ou ci-après.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma géométrique qui représente une partie de la forme théorique en développante d'une surface réfléchissante de portion proximale d'un dispositif concentrateur selon l'invention dans le cas d'une zone de focalisation cylindrique de révolution à section droite transversale circulaire, - la figure 2 est un schéma de principe en section droite transversale illustrant la forme d'une portion proximale d'une surface réfléchissante d'un dispositif concentrateur ou d'un capteur selon l'invention,
- les figures 3a à 3f sont des schémas similaires à la figure 2 mais illustrant des variantes en fonction de différentes formes de la section droite transversale de la zone de focalisation d'un dispositif concentrateur selon l'invention,
- la figure 4 est un schéma en section droite transversale d'un dispositif concentrateur selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est un schéma en section droite transversale d'un dispositif concentrateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 6 est un schéma en section droite transversale d'un capteur selon l'invention comprenant une pluralité de dispositifs concentrateurs selon le deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 7 est un schéma en section longitudinale d'un dispositif formant circuit de fluide caloporteur passant à travers plusieurs tubes concentriques afin de pouvoir se connecter du même côté, en entrée et sortie, et pouvant être utilisé à titre de zone de focalisation dans un dispositif concentrateur selon l'invention,
- les figures 8a et 8b sont des schémas en section droite transversale représentant respectivement un troisième mode de réalisation et un quatrième mode de réalisation d'un dispositif concentrateur selon l'invention dont les portions proximales sont prolongées par des portions médianes et distales formées de miroirs,
- la figure 9 est un schéma en section droite transversale représentant un cinquième mode de réalisation d'un dispositif concentrateur selon l'invention présentant deux zones de focalisation, et des miroirs primaires prolongeant les portions proximales externes,
- la figure 10 est un schéma en section longitudinale d'un dispositif formant circuit de fluide caloporteur pour le dispositif concentrateur de la figure 9,
- la figure 11 est un schéma de principe illustrant une forme de réalisation de la disposition de deux dispositifs concentrateurs selon l'invention juxtaposés pour former un capteur présentant une paroi externe plane,
- la figure 12 est un schéma en coupe verticale partielle représentant un capteur selon l'invention formant un mur extérieur de bâtiment,
- les figures 13a et 13b sont des schémas en section droite transversale d'un dispositif concentrateur selon un sixième mode de réalisation de l'invention dans lequel la zone de focalisation est formée d'une plaque de cellules photovoltaïques, - la figure 14 est un schéma en section droite transversale représentant un dispositif concentrateur selon la figure 9 recevant le rayonnement solaire en provenance de miroirs distants,
- la figure 15 est un schéma représentant l'utilisation de capteurs selon l'invention disposés en rangées sur des terrains agricoles, - la figure 16 est un schéma en élévation d'un capteur selon l'invention présentant une forme générale cylindrique de révolution,
- la figure 17 est un schéma en section droite transversale du capteur de la figure 16,
- la figure 18 est un schéma (dont les échelles sont totalement fantaisistes à des fins d'illustration) figurant un satellite dont l'orbite est dans le plan équatorial terrestre et comportant un capteur cylindrique selon l'invention à titre de générateur d'énergie électrique,
- la figure 19 est un schéma similaire à la figure 18 illustrant un satellite en orbite inclinée comportant un capteur cylindrique selon l'invention pouvant faire office également de mât gravitationnel, - la figure 20 est un schéma en section droite transversale illustrant un capteur selon l'invention cylindrique de révolution formant lui-même une zone de focalisation d'un dispositif concentrateur selon l'invention de plus grandes dimensions, - la figure 21 est un schéma représentant une variante de réalisation de la figure 20,
- la figure 22 est un schéma en coupe par un plan axial médian d'un capteur selon l'invention similaire à celui de la figure 20,
- la figure 23 est un schéma en perspective de face d'un capteur selon l'invention similaire à celui de la figure 20.
Sur les figures, les formes, les échelles et les dimensions ne sont pas strictement respectées. Bien au contraire, sur certaines figures, les échelles sont parfaitement fantaisistes, et ce à des fins d'illustration.
L'invention concerne en particulier un dispositif concentrateur de rayonnement solaire comprenant un dispositif réfléchissant ledit rayonnement, et le focalisant en au moins une zone de focalisation 25 faisant office de collecteur de l'énergie solaire.
Le dispositif réfléchissant présente des surfaces réfléchissantes 21 concaves, au moins une surface réfléchissante étant en forme générale de « spirale » réfléchissante 21 qui peut être simple ; ou multiple entrelacée ; ou encore multiple entrelacée et raccordée à une spirale simple. Une telle spirale réfléchissante 21 est de forme dite optimale, telle qu'en tout point de la spirale réfléchissante 21, un rayon de la plus forte incidence possible en ce point se réfléchisse selon un rayon réfléchi qui, selon l'éloignement de ce point à l'origine de la spirale réfléchissante 21 : est tangent à la zone de focalisation 25 (tube caloporteur 26 par exemple), ou atteint la zone 22 de contact entre cette zone de focalisation 25 (notamment ce tube 26) et la spirale réfléchissante 21, - ou est tangent à une portion proximale de la spirale réfléchissante 21. Dans les modes de réalisation préférentiels de l'invention, la forme générale de chaque spirale réfléchissante est celle d'une surface cylindrique au sens mathématique du terme (surface engendrée par le déplacement sur une courbe d'une droite, dite génératrice, de direction fixe correspondant à l'axe du cylindre), réfléchissante sur l'une 23 de ses faces qui est concave, de sorte que cette face 23 concave de la surface réfléchissante 21 concentre le flux solaire reçu vers au moins une zone de focalisation 25, notamment un tube 26 collecteur cylindrique non réfléchissant (transparent et/ou de couleur noire), dans lequel circule un fluide caloporteur. Ce tube 26 collecteur peut être formé d'un tube 28 cylindrique de révolution noir absorbant le rayonnement solaire lui-même entouré d'un tube 27 transparent (verre ou quartz) dans lequel le vide est établi pour limiter les déperditions de chaleur. Un joint d'étanchéité 29 est prévu à l'extrémité du tube 27 transparent. Le tube 26 comporte une canalisation interne agencée pour que le fluide caloporteur circule selon un aller-retour longitudinal à l'intérieur du tube 28 noir dans lequel il se réchauffe.
Le circuit du fluide caloporteur peut s'opérer à travers plusieurs tubes concentriques afin de pouvoir se connecter du même côté, en entrée et sortie, et supprimer par là-même, les problèmes de dilatations différentielles au niveau des joints d'étanchéité du tube à vide.
Afin d'améliorer les échanges énergétiques, le tube cylindrique de révolution recevant le flux solaire peut être transparent et le fluide caloporteur qu'il contient de couleur noire avec un faible coefficient de réflexion. En outre, toujours pour améliorer les échanges thermiques, le tube noir 28 interne peut être à section droite en étoile et/ou doté d'éléments additionnels échangeurs thermiques (plaques, bandes, palettes, couronnes...) s'étendant dans l'espace sous vide entre ce tube noir 28 et le tube transparent 27.
Suivant son axe, chaque spirale réfléchissante cylindrique est de préférence limitée à ses deux extrémités axiales par des miroirs (plans ou en surfaces gauches) qui renvoient les rayons vers l'intérieur de la spirale (c'est-à-dire vers la face 23 concave de la surface réfléchissante 21). Un dispositif concentrateur selon l'invention peut comporter diverses imbrications de surfaces réfléchissantes et/ou zone(s) de focalisation. Quoi qu'il en soit, comme représenté figures 4 et 5 notamment, pour au moins une zone de focalisation 25, le dispositif réfléchissant présente au moins deux spirales réfléchissantes 21 s'étendant à partir de cette zone de focalisation 25, et ces deux spirales réfléchissantes 21 sont globalement en opposition l'une par rapport à l'autre, et s'éloignent l'une de l'autre à partir de zones 22 (génératrices dans le cas d'une zone de focalisation 25 cylindrique) de la zone de focalisation 25 qui de préférence se jouxtent. Dans un dispositif concentrateur selon l'invention, toute spirale réfléchissante (qu'il s'agisse d'une spirale réfléchissante 21 s'étendant à partir d'une zone de focalisation 25 ou non) satisfait aux conditions suivantes.
Comme représenté figures 1 et 2 en section droite transversale, dans une première portion proximale 31 partant de la liaison 22 de la spirale réfléchissante 21 à la zone de focalisation 25 et limitée par la tangente 32 commune à la zone de focalisation 25 et à la spirale, la normale 33 (droite perpendiculaire à la tangente) de la spirale 21 en un point M doit être tangente (point T de tangence) à la zone de focalisation 25. Autrement dit, la portion proximale 31 présente la forme d'une développante de la surface d'enveloppe théorique de la zone de focalisation 25. Cette condition est suffisante pour assurer la réflexion de tout rayon incident vers la zone de focalisation 25. Elle est en réalité nécessaire, aucune autre forme présentant cette propriété en offrant un taux de concentration (rapport entre la section efficace de l'ouverture d'entrée des rayons et la section efficace de la zone de focalisation) aussi élevé. Cette condition est respectée dans le cas d'une zone de focalisation 25 formée d'un tube 26 cylindrique de révolution, par la courbe qui est une développante de cercle, définie par exemple en coordonnées polaires (r, φ) dans un plan transversal au tube 26 cylindrique de révolution par les équations paramétrées suivantes : r = R(l+ θ 2)172 et φ = θ - arctan(θ) où R est le rayon du tube 26 cylindrique de révolution, et θ est un paramètre qui, en pratique, est la valeur en radians de l'angle entre le rayon dudit cercle passant par le point de jonction 22 de la spirale 21 audit cercle et le rayon dudit cercle passant par le point T de tangence au cercle de la normale 33 passant par M. Sur la figure 3a, on a représenté l'exemple d'une zone de focalisation 25 en forme de plaque plane 65 (qui peut être par exemple une plaque de cellules photovoltaïques). La portion proximale 31 de la spirale réfléchissante 21 est alors en forme de portion de cylindre de révolution. La section droite transversale de la portion proximale 31 de la spirale 21 est un arc de cercle dont le centre est sur un bord longitudinal 66 de la plaque 65.
Lorsque la section droite transversale de la zone de focalisation 25 est polygonale comme représenté sur les exemples des figures 3b, 3c, 3d, 3e, la section droite transversale de la portion proximale 31 de la spirale réfléchissante 21 qui est une développante de cette zone de focalisation 25 cylindrique à base polygonale, est formée d'une succession d'arcs de cercles dont les centres sont situés sur les sommets 67 de la section polygonale.
La figure 3f représente l'exemple d'une zone de focalisation 25 cylindrique à base elliptique, la portion proximale 31 de la spirale réfléchissante 21 présentant une section droite transversale en développante d'ellipse. De nombreux autres exemples sont possibles.
La surface réfléchissante 21 peut être prolongée (dans certains modes de réalisation) par une portion médiane 34, au-delà de la portion proximale 31 qui est limitée par la tangente 32 à la spirale passant par son point 22 d'origine en contact avec la zone de focalisation 25. Dans la portion médiane 34, la normale 33 (droite perpendiculaire à la tangente) de la spirale 21 en un point M doit être la bissectrice de l'angle formé par une droite 35 passant par ce point M et tangente à la spirale 21 en un autre point T' (la droite 35 étant tangente à la portion proximale 31), et la droite 36 passant par ce point M et le point 22 d'origine de la spirale sur la zone de focalisation 25. Cette configuration est représentée figure 6 où une spirale 21 présente une zone de focalisation 25 qui est elle-même un capteur 57 selon l'invention. Une telle spirale réfléchissante peut encore éventuellement être prolongée (selon la disposition de cette spirale réfléchissante dans le dispositif réfléchissant) au-delà de la portion médiane 34 par une portion distale (non représentée) s'étendant à partir du point L de cette spirale pour lequel il est possible de tracer deux droites différentes passant par ce point L et tangentes en deux autres points différents à la spirale. Dans une telle portion distale, la normale (perpendiculaire à la tangente) de la spirale en un point M doit être la bissectrice de l'angle formé par les deux droites différentes qui sont tangentes à la spirale et passent par ce point M. Une spirale réfléchissante 21 peut être en outre associée à des miroirs 41, 42 extérieurs pour augmenter le taux de concentration et permettre la juxtaposition de plusieurs concentrateurs sans ne rien perdre du flux reçu sur une surface quelconque.
Ainsi, selon des modes particuliers de réalisation non représentés, une spirale réfléchissante peut être encore prolongée au-delà de la portion distale par une portion d'extrémité dans laquelle la normale en un point est la bissectrice de l'angle formé par la tangente à la spirale passant par ce point et une droite orientée selon le rayon d'incidence minimale passant par ce point. Placé en opposition de cette portion d'extrémité de la spirale, un miroir plan, orienté suivant l'angle de latitude du lieu d'implantation, permet de renvoyer le flux dans la spirale en réfléchissant avec une incidence minimale les rayons d'incidence maximale. Selon les longueurs respectives des différents miroirs, l'incidence minimale des rayons se réfléchissant en début de cette portion d'extrémité peut être supérieure à l'incidence minimale des rayons extérieurs. La portion d'extrémité de la spirale réfléchissante 21 peut encore être prolongée par un second miroir plan permettant de renvoyer avec une incidence maximale les rayons d'incidence minimale. Il est à noter que le taux de concentration peut être augmenté si l'on accepte des réflexions multiples entre les miroirs opposés dans portion d'extrémité de la spirale. Le miroir plan placé en opposition de la portion d'extrémité de la spirale peut être remplacé par un miroir courbe. Selon une autre variante non représentée, deux dispositifs concentrateurs selon l'invention et miroirs associés peuvent être placés en opposition et orientés vers la direction solaire, notamment perpendiculairement à l'angle de latitude du lieu d'implantation afin d'équilibrer les flux reçus tout au long de l'année. Une spirale réfléchissante multiple peut être raccordée à une spirale simple en respectant les conditions d'optimalité dans les différentes portions et en limitant la longueur des éléments de la spirale multiple pour éviter toute réflexion sur les surfaces non réfléchissantes des miroirs. Une partie de cet ensemble peut être assemblé à l'intérieur d'un tube à vide 26. Comme on le voit notamment figure 4, deux spirales réfléchissantes 21 sont issues d'une même zone 22 (en réalité de deux génératrices qui se jouxtent) de la zone de focalisation 25 (tube cylindrique de révolution dans l'exemple de la figure 4), en respectant chacune les conditions d'optimalité susmentionnées, c'est-à-dire en présentant une portion proximale 31 à section droite transversale en développante de cercle. La distance entre deux points des deux spirales réfléchissantes 21, situés sur une tangente quelconque à la zone de focalisation 25 cylindrique est alors égale à πD, avec D le diamètre de la zone de focalisation 25 cylindrique de révolution.
Dans l'exemple de la figure 4, les portions proximales 31 des deux spirales réfléchissantes 21 s'étendent jusqu'à ce que leurs extrémités soient coplanaires et situées dans un plan 40 tangent à la zone de focalisation 25 opposé à la zone 22 d'origine et de jonction des spirales 21 avec la zone de focalisation 25. La zone de focalisation 25 cylindrique (par exemple tube cylindrique de révolution 26) et ses deux spirales 21 associées constituent un dispositif concentrateur primaire 60 selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Dans l'exemple de la figure 5, les portions proximales 31 des deux spirales réfléchissantes 21 s'étendent jusqu'à ce que leurs extrémités soient situées sur une même enveloppe théorique cylindrique de révolution tangente à la zone de focalisation 25 à l'opposé de la zone 22 d'origine et de jonction des spirales 21 avec la zone de focalisation 25. La zone de focalisation 25 cylindrique (par exemple tube cylindrique de révolution 26) et ses deux spirales 21 associées constituent un dispositif concentrateur primaire 61 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Un dispositif concentrateur primaire 60, 61 selon l'invention tel que représenté sur les figures 4 et 5 peut être assemblé en ensembles de diverses formes, chaque ensemble pouvant lui-même être associé à une ou plusieurs spirales réfléchissantes en forme de développante de l'enveloppe théorique de cet ensemble qui forme alors une nouvelle zone de focalisation de type secondaire. Ces assemblages imbriqués peuvent être multipliés en une succession d'étages de focalisation du rayonnement solaire. Par exemple, plusieurs dispositifs concentrateurs primaires 61 tels que représentés figure 5 peuvent être regroupés comme représenté figure 6 de manière concentrique de façon à former un capteur 57 cylindrique de révolution dont la paroi cylindrique externe est constituée de différents dispositifs concentrateurs primaires 61 juxtaposés parallèlement les uns aux autres. Ce capteur 57 cylindrique de révolution peut lui-même faire office de zone de focalisation 25 pour une (ou plusieurs) autre(s) spirale(s) 21 de plus grande taille (pouvant être qualifiée d'ordre supérieur par rapport aux spirales des dispositifs concentrateurs primaires 61).
Dans l'exemple de la figure 6, il est prévu une spirale 21 de grande taille d'ouverture voisine de nπD, avec D le diamètre de chaque dispositif concentrateur primaire 61 du capteur 57 et n le nombre de dispositifs concentrateurs primaires 61 du capteur 57. Cette spirale 21 comprend une portion proximale 31 en développante de l'enveloppe cylindrique de révolution du capteur 57, la portion proximale 31 étant prolongée par une portion médiane 34 qui est en forme de développante de la portion proximale 31. Comme des poupées gigognes, de telles spirales de grande taille peuvent elles-mêmes être regroupées de manière concentrique afin d'être associées à une (ou plusieurs) spirale(s) de plus grande taille.
En variante non représentée, le capteur 57 de la figure 6 peut être remplacé par un capteur doté de cellules photovoltaïques. Ainsi on forme un dispositif concentrateur de rayonnement solaire comprenant un dispositif réfléchissant ledit rayonnement et le focalisant en au moins une zone 25 de focalisation, faisant office de collecteur d'énergie caractérisé en ce que :
- le dispositif réfléchissant comprend au moins une portion dite portion 31 proximale, s'étendant à partir d'une zone 25 de focalisation, chaque portion 31 proximale présentant une surface réfléchissante concave dont les normales sont tangentes à la surface d'enveloppe théorique de la (des) zone(s) 25 de focalisation,
- au moins une zone 25 de focalisation comprend des cellules photovoltaïques. Comme représenté sur les figures 8a et 8b, les spirales réfléchissantes 21 peuvent être associées à des miroirs 41 extérieurs pour augmenter le taux de concentration et permettre la juxtaposition de plusieurs concentrateurs 60, 61 sans rien perdre du flux reçu sur une surface quelconque.
Comme représenté sur la figure 8a, les miroirs 41 peuvent prolonger les spirales réfléchissantes 21 d'un dispositif concentrateur 60 tel que représenté figure 4. Les miroirs 41 peuvent alors être de forme parabolique dans une portion médiane 44, afin de focaliser les rayons d'incidence minimale et maximale aux deux extrémités de la portion proximale 31 des spirales réfléchissantes 21, et plans dans une portion distale 47, afin de renvoyer avec une incidence maximale les rayons d'incidence minimale et inversement.
Dans l'exemple représenté figure 8b, les portions proximales 31 des spirales réfléchissantes 21 sont interrompues à leur point passant par une tangente à la zone de focalisation 25 parallèle à un rayon solaire d'incidence maximum susceptible d'être capté. La forme des miroirs 41 dans leur portion médiane 44 est alors choisie pour que la réflexion d'un rayon d'incidence maximale tangente le(s) tube(s) cylindrique(s) 26.
Un tube 51 avec miroirs en spirales peut faire un ou plusieurs aller(s) et retour(s) dans un collecteur ayant la forme d'un caisson parallélépipédique transparent 52 (figures 9 et 10), afin de faciliter sa mise sous vide en éliminant les problèmes de dilatation différentielle. La forme des miroirs 41 paraboliques dans la zone médiane 44 doit alors être adaptée pour que la réflexion d'un rayon d'incidence maximale ou minimale soit tangente à la portion de tube cylindrique de révolution la plus éloignée et non pas la plus proche.
Des dispositifs concentrateurs selon l'invention et/ou des capteurs sur l'invention peuvent aussi être rassemblés en ensembles capteurs d'ordre supérieur se présentant sous la forme de panneaux modulaires de couverture jointifs assurant tout à la fois la collecte de l'énergie, l'isolation et le revêtement de murs extérieurs et/ou de toitures d'immeubles.
La figure 11 représente un exemple de deux dispositifs 62 concentrateurs selon l'invention juxtaposés avec leurs axes parallèles et avec leurs plans médians 63 parallèles inclinés par rapport à un plan 64 tangent aux deux zones de focalisation cylindriques. Il est à noter que les zones de focalisation 25 peuvent être formées soit par de simples tubes collecteurs, soit par des cellules photovoltaïques, soit par des capteurs 57 cylindriques selon l'invention, soit même par une combinaison de collecteurs de différents types. La figure 12 représente par exemple le cas d'un mur vertical
70 doté du côté extérieur d'un garnissage 71 isolant recevant une pluralité de dispositifs concentrateurs selon l'invention tels que ceux qui sont représentés figures 8a, 8b, 9, mais dont les dispositifs réfléchissants sont interrompus de façon à ce que leurs extrémistes aboutissent à une paroi 72 plane transparente externe qui les recouvre. Les différents dispositifs concentrateurs sont disposés parallèlement les uns aux autres, avec l'axe des tubes cylindriques 26 globalement horizontal, et avec les surfaces réfléchissantes orientées de telle sorte que les plans médians des dispositifs concentrateurs soient orientés vers le Soleil, notamment avec un angle par rapport à l'horizontale correspondant à la hauteur maximum du Soleil au lieu considéré. L'ensemble constitue donc un panneau capteur 77 plan mural selon l'invention.
L'orientation de chaque dispositif concentrateur (c'est-à-dire de son plan médian) ainsi que l'ouverture de son dispositif réfléchissant recevant le rayonnement solaire peuvent faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation. Dans une première variante, ces paramètres sont adaptés pour que le rayonnement solaire soit capté pour la totalité de la plage d'incidence solaire. Dans une autre variante, ces paramètres sont adaptés pour que seulement une partie de la plage d'incidence solaire soit captée.
Un fluide caloporteur peut circuler, en parallèle ou en série, dans les différents tubes cylindriques de révolution 26 des différents dispositifs concentrateurs réunis sur ce mur 70. Ce fluide caloporteur peut être intégré dans une installation de chauffage pour le bâtiment ou pour la production d'eau chaude à usage domestique ou industriel.
Il est à noter que rien n'empêche de remplacer chaque tube cylindrique 26 d'un tel panneau capteur 77, par un capteur 57 selon l'invention cylindrique de révolution tel que décrit ci-dessus.
Le coefficient de concentration est multiplié par un facteur qui est l'inverse du cosinus de la latitude du lieu d'implantation, dans le cas d'une surface verticale, et l'inverse du sinus de la latitude du lieu d'implantation dans le cas d'une surface horizontale. A titre indicatif, dans le cas d'une surface horizontale ou verticale située en France, le taux de concentration, défini comme la largeur du flux entrant dans le dispositif et le diamètre du tube, est supérieur à 9, et peut même être supérieur à 11 sous les tropiques ou en acceptant une perte limitée du flux (par exemple aux heures chaudes en été sur une surface verticale). Dans le cas d'un dispositif utilisant des cellules photovoltaïques, ce taux de concentration, défini alors comme la largeur du flux entrant et la largeur de la surface utilisée par les cellules, est supérieur à une valeur de l'ordre de 3. On peut donc réduire d'autant le nombre de cellules pour une même surface couverte, et améliorer leur rendement en les refroidissant.
Afin d'assurer une captation optimale du flux solaire reçu avec un taux de concentration maximal (rapport entre le flux entrant et celui qui atteint la zone de focalisation 25, notamment le tube 26 collecteur dans lequel circule le fluide caloporteur) le concentrateur 10 est avantageusement orienté vers le sud.
Les dispositifs concentrateurs selon l'invention peuvent être dimensionnés et orientés pour une plage d'incidence solaire volontairement limitée afin d'augmenter leur taux de concentration durant une partie de l'année (en hiver par exemple pour le chauffage à partir d'une surface verticale) et réfléchir une partie du flux reçu le reste de l'année (par exemple aux heures chaudes en été pour refroidir l'habitat).
Un dispositif concentrateur et/ou un capteur selon l'invention peut être réalisé au moyen de miroirs souples, éventuellement gonflables afin de pouvoir être déployé à partir d'un camion ou d'un conteneur comprenant également le système de conversion en énergie électrique (machine thermique et alternateur).
Le collecteur formant la zone de focalisation 25 peut être formé d'une surface plane rectangulaire couverte de cellules photovoltaïques 55 comme représenté sur les figures 13a et 13b. Ce collecteur 55 est de préférence doté d'un circuit de refroidissement dans lequel circule un fluide caloporteur afin d'éviter une surchauffe des cellules (moins de 70 0C) photovoltaïques et d'améliorer leur rendement.
Les deux portions proximales 31 sont en forme de développante de cette surface, c'est-à-dire en pratique en forme de portion (arc) de cercle, et sont prolongées par des miroirs 41 de forme parabolique qui focalisent les rayons d'incidence minimale ou maximale aux extrémités de la surface de cellules photovoltaïques 55. Les figures 13a et 13b illustrent le cheminement de rayons solaires selon différentes incidences avec un tel dispositif selon l'invention. Un concentrateur selon l'invention peut être utilisé avec des cellules photovoltaïques placées sur un collecteur à faces planes, à l'intérieur duquel circule un fluide caloporteur, afin :
- de réduire significativement le nombre de cellules photovoltaïques nécessaires à l'exploitation d'une surface éclairée, - d'améliorer le rendement des cellules photovoltaïques en les refroidissant,
- de valoriser la chaleur récupérée,
- de limiter la perte de rendement des cellules photovoltaïques aux fortes incidences en réorientant les flux reçus. Dans une même zone de focalisation 25, des collecteurs à cellules photovoltaïques peuvent ainsi être placés à proximité de collecteurs à tube(s) afin que le fluide caloporteur circulant dans chaque tube soit utilisé pour refroidir les cellules photovoltaïques, pour augmenter le rendement de ces cellules tout en subissant un préchauffage, avant de transiter par chaque tube pour y être réchauffé. Par exemple, une plaque plane de cellules photovoltaïques peut recouvrir l'une des faces planes d'un caisson collecteur à tube de circulation d'un fluide caloporteur, ce tube présentant une forme de serpentin cheminant dans le caisson pour optimiser les échanges.
La figure 14 illustre un mode de réalisation dans lequel un dispositif concentrateur conforme à la figure 9 reçoit du rayonnement en provenance de miroirs plans 42, ces derniers pouvant d'ailleurs être motorisés et mobiles, asservis en position par une unité de commande en fonction de la position du soleil.
Un dispositif concentrateur et/ou un capteur selon l'invention peut être employé sur divers systèmes spatiaux pour fournir de l'énergie avec ou sans contrôle de l'orientation solaire.
Un dispositif concentrateur et/ou un capteur selon l'invention peut être employé pour chauffer et désaliniser l'eau de mer par évaporation.
Un dispositif concentrateur et/ou un capteur selon l'invention peut être utilisé comme collecteur dans une centrale utilisant des miroirs mobiles asservis.
Des rangées de concentrateurs et/ou de capteurs selon l'invention, permanents ou déployables à la fin des moissons, peuvent être installées sur des terrains agricoles comme schématisé figure 15, à distance suffisante les uns des autres pour ne pas s'ombrer mutuellement en hiver ou gêner les travaux des champs, afin de produire de l'énergie à bas coût et en très grande quantité tout en préservant l'essentiel des surfaces cultivées à des fins alimentaires.
Outre la production d'énergie, des champs de concentrateurs solaires de grande taille peuvent être utilisés pour modifier localement le climat par génération d'un point froid à la surface du globe terrestre. Ils peuvent ainsi être utilisés à la surface de glaciers pour limiter leur fonte ou dans des zones désertiques pour augmenter localement la pluviométrie. Selon certains modes de réalisation possibles de l'invention, les surfaces réfléchissantes sont réalisées en feuille métallique polie. Chaque tube cylindrique de révolution transparent est en verre et entoure un tube de cuivre noir.
Le circuit du fluide caloporteur est réalisé à travers plusieurs tubes concentriques afin de s'affranchir de la différence des coefficients de dilatation des matériaux.
Les dispositifs concentrateurs et capteurs -notamment en forme de panneaux- selon l'invention sont particulièrement avantageusement destinés au chauffage et à la production d'électricité et d'eau chaude :
- à usage domestique (toits d'immeubles et de maisons individuelles),
- à usage industriel et urbain par l'utilisation de toute surface inutilisée exposée au sud (façades et toits d'usine, murs anti-bruit d'autoroute, bords de lignes TGV, etc.),
- à la réalisation de centrales électriques et d'usines de désalinisation et de purification de l'eau notamment implantées dans les pays ensoleillés, chauds et désertiques,
- à la réalisation de générateur électrique sur des systèmes spatiaux, de faible à très grand puissance (centrale électrique spatialisée).
- à la réalisation de mini-centrales électriques mobiles déployables en temps de crise afin de répondre à des besoins militaires ou de sécurité civile.
Un capteur selon l'invention peut être monté sur un système spatial tel qu'un remorqueur solaire, susceptible d'être utilisé pour des vols de longues durées (Mars) ou pour tout autre usage (livraison de matériel à une station spatiale ou lunaire, réparation de satellite en orbite, récupération de débris spatiaux, etc.).
Basé sur la captation d'une grande quantité d'énergie solaire
(de l'ordre d'un mégawatt environ) associée à un moyen propulsif (avec ou sans conversion préalable du flux solaire en électricité), ce remorqueur se présente comme le troisième étage d'un lanceur par exemple de type Ariane 5. Il est piloté en roulis afin d'être orienté grossièrement par rapport au Soleil. La captation de l'énergie s'effectue au moyen de miroirs souples déployables qui concentrent la totalité du flux solaire reçu selon divers angles d'incidence vers un capteur 75 cylindrique de révolution formant par exemple le corps d'un étage de lanceur. Deux miroirs 41 primaires formant des surfaces réfléchissantes similaires à la figure 8b prolongent deux portions proximales 31 de surfaces réfléchissantes 21, de façon à concentrer le flux reçu par une surface d'environ 1000 m2 vers la surface du capteur 75 cylindrique de révolution selon l'invention tel que représenté figures 16 et 17, dont les dimensions sont par exemple de 5 mètres de diamètre et 20 mètres de longueur environ (équivalent au troisième étage d'Ariane 5).
Le capteur 75 est formé d'une juxtaposition de dispositifs concentrateurs 61 selon l'invention comme décrit ci-dessus en référence aux figures 5 et 6, et les différents tubes 26 dans lequel circule le fluide caloporteur sont montés en série comme représenté sur la figure 16 de sorte que le fluide caloporteur chemine à la surface cylindrique du capteur 75 (plusieurs allers et retours sur toute la hauteur du cylindre).
Des exemples de formes des miroirs 41 primaires sont présentés en figures 20 et 21 dans le cas d'un pilotage du remorqueur en roulis de plus ou moins 10° (figure 20) et respectivement de plus ou moins 20° (figure 21) par rapport au Soleil ; les miroirs 41 étant d'autant plus ouverts que le pilotage en roulis est précis.
La forme des miroirs 41 primaires dans leur portion proximale, qui ne peut être atteinte par un rayon d'incidence maximale, est la même que celle d'une portion proximale 31 d'une surface réfléchissante 21 selon l'invention, en développante de cercle. En portion médiane, sa forme est telle qu'un rayon d'incidence maximale se réfléchit sur sa surface de manière à être tangent à l'enveloppe théorique cylindrique du capteur 75. Les miroirs 41 primaires sont fermés à leurs deux extrémités axiales par deux miroirs plans 45 afin de réfléchir la totalité du flux reçu en entrée vers le capteur 75 (figures 22 et 23). Le miroir plan supérieur peut être remplacé par un miroir parabolique pour augmenter la surface d'entrée S du miroir primaire. Ce miroir est alors dimensionné pour que la totalité du flux solaire atteigne l'enveloppe du capteur 75 cylindrique, après une éventuelle réflexion sur le miroir plan inférieur, en considérant un angle de garde minimal α entre la trajectoire du remorqueur et la direction du Soleil ; le flux capté par le miroir étant proportionnel à S.sin (α).
La portion proximale de chaque miroir 41 primaire doit supporter des flux solaires sensiblement supérieurs à ceux de sa portion médiane. Par ailleurs la surface opposée au Soleil dans cette zone est utilisée comme radiateur associé à une boucle fluide afin de disposer d'une source froide et refroidir les équipements du remorqueur placés à l'intérieur du cylindre. Outre le système propulsif, ce même cylindre peut contenir des satellites ou de la charge utile au lancement.
Le centre de gravité des miroirs 41 primaires doit se trouver à proximité du centre du capteur 75 cylindrique de révolution. Chaque miroir 41 primaire peut être formé d'une surface réfléchissante souple en portion médiane et semi rigide en portion proximale, de façon à épouser parfaitement la forme du capteur 75 cylindrique avant son déploiement ; ce dernier pouvant se faire par gonflage ou dispositif à mémoire de forme. La figure 18 représente schématiquement un exemple d'utilisation d'un capteur 75 cylindrique selon l'invention à bord d'un satellite entraîné en rotation propre et à orbite équatoriale, à titre de générateur énergie électrique. La figure 19 représente schématiquement un exemple d'utilisation du capteur 75 cylindrique selon l'invention à bord d'un satellite en orbite inclinée, le capteur 75 cylindrique pouvant contribuer à l'orientation du satellite par gradient de gravité.
L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation et d'autres applications que celles mentionnées ci-dessus. En particulier, les surfaces réfléchissantes ainsi que chaque zone de focalisation, peuvent présenter une forme autre que cylindrique au sens mathématique du terme, notamment être, des surfaces symétriques de révolution non cylindriques (engendrées par la rotation d'une section droite en forme de développante autour d'un axe fixe), gauches ou quelconques (les portions proximales constituant cependant des développantes de l'enveloppe théorique d'au moins une zone de focalisation).

Claims

REVENDICATIONS
1/ - Dispositif concentrateur de rayonnement solaire comprenant un dispositif réfléchissant ledit rayonnement et le focalisant en au moins une zone prédéterminée, dite zone (25) de focalisation, faisant office de collecteur d'énergie caractérisé en ce que le dispositif réfléchissant présente au moins deux portions, dites portions (31) proximales, s'étendant chacune à partir d'une zone (25) de focalisation, chaque portion (31) proximale présentant une surface réfléchissante concave dont les normales sont tangentes à la surface d'enveloppe théorique de la (des) zone(s) (25) de focalisation, les concavités des surfaces réfléchissantes des portions (31) proximales étant orientées en opposition à partir de la (des) zone(s) (25) de focalisation de façon à définir une ouverture commune de réception du rayonnement solaire.
2/ - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque portion (31) proximale s'étend à partir d'une zone (25) de focalisation jusqu'à une extrémité de cette portion (31) proximale située au maximum au niveau des points de sa surface réfléchissante concave pour lesquels la normale à la surface réfléchissante concave de cette portion (31) proximale est aussi une normale à la surface réfléchissante concave d'une autre portion (31) proximale, cette normale formant une tangente commune à la surface d'enveloppe théorique de la (des) zone(s) (25) de focalisation.
3/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que de la (les) zone(s) (25) de focalisation présente(nt) une surface d'enveloppe théorique cylindrique au sens mathématique, en ce que le dispositif réfléchissant comprend deux portions (31) proximales s'étendant d'un côté et de l'autre par rapport à un plan théorique axial médian contenant l'axe de ladite surface d'enveloppe théorique cylindrique, en ce que la surface réfléchissante concave de chaque portion (31) proximale est également cylindrique au sens mathématique et d'axe parallèle à celui de ladite surface d'enveloppe théorique cylindrique, et en ce que la surface réfléchissante concave de chaque portion (31) proximale présente une section droite transversale en forme de courbe dont les normales sont tangentes à la courbe d'enveloppe théorique de la section droite transversale de la (des) zone(s) (25) de focalisation.
4/ - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il présente une zone (25) de focalisation en forme de cylindre de révolution dont la base est un cercle, et en ce que la section droite transversale de la surface réfléchissante concave de chaque portion (31) proximale est en forme de développante du cercle de base de ladite zone (25) de focalisation.
5/ - Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la surface réfléchissante concave de chaque portion (31) proximale s'étend à partir d'une génératrice de ladite surface d'enveloppe théorique cylindrique, et en ce que les deux génératrices à partir desquelles les deux surfaces réfléchissantes concaves des deux portions (31) proximales s'étendent se jouxtent, l'une des deux surfaces réfléchissantes concaves s'étendant d'un côté des deux génératrices, l'autre s'étendant de l'autre côté. 6/ - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes concaves des deux portions (31) proximales sont de formes symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan médian de la (des) zone(s) (25) de focalisation.
Il - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une portion (31) proximale est prolongée par une deuxième portion, dite portion (34, 44) médiane, présentant aussi une surface réfléchissante concave.
8/ - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface réfléchissante concave de la portion (34, 44) médiane présente, en section droite transversale, une forme choisie parmi une portion de courbe développante de la section droite transversale de la surface réfléchissante concave de la portion proximale qu'elle prolonge, une portion de parabole, et une portion de courbe telle que tout rayon incident sur ladite surface réfléchissante concave de cette portion médiane se réfléchisse vers une zone de focalisation, avec tout rayon incident présentant un angle d'incidence extrême sur ladite surface réfléchissante concave de cette portion médiane se réfléchissant tangentiellement à une zone de focalisation.
9/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend, à titre de zone(s) (25) de focalisation, au moins un tube (26) cylindrique de révolution dans lequel circule un fluide caloporteur.
10/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend, à titre de zone(s) (25) de focalisation, des cellules photovoltaïques (55).
11/ - Capteur de rayonnement solaire comprenant une pluralité de dispositifs concentrateurs de rayonnement solaire, caractérisé en ce que les dispositifs concentrateurs de rayonnement solaire sont des dispositifs (60, 61) selon l'une des revendications 1 à 10 juxtaposés les uns aux autres.
12/ - Capteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les dispositifs concentrateurs (60, 61) sont juxtaposés de façon à présenter des ouvertures de réception du rayonnement solaire débouchant sur une surface commune formant une paroi extérieure dudit capteur.
13/ - Capteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite paroi extérieure est formée d'une plaque plane transparente rigide, ledit capteur étant un panneau plan rigide de dispositifs (60) concentrateurs. 14/ - Capteur selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il est monté fixe par rapport au sol et les différents dispositifs (60) concentrateurs sont tous orientés selon une même direction.
15/ - Capteur selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il est monté solidaire d'un système spatial de façon à former une face externe de ce système spatial.
16/ - Capteur selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce qu'il est doté d'au moins un miroir, dit miroir (41, 42) primaire, adapté pour réfléchir le rayonnement solaire sur l'ensemble des dispositifs concentrateurs.
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