WO2014000895A1 - Device for receiving solar energy and method for producing electricity and heating a fluid simultaneously - Google Patents

Device for receiving solar energy and method for producing electricity and heating a fluid simultaneously Download PDF

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WO2014000895A1
WO2014000895A1 PCT/EP2013/053559 EP2013053559W WO2014000895A1 WO 2014000895 A1 WO2014000895 A1 WO 2014000895A1 EP 2013053559 W EP2013053559 W EP 2013053559W WO 2014000895 A1 WO2014000895 A1 WO 2014000895A1
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heating element
fluid
photovoltaic cell
solar energy
stage
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PCT/EP2013/053559
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Louis Guerin
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Gpc International S.A.
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/10PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40Thermal components
    • H02S40/44Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
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    • Y02E10/52PV systems with concentrators
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/60Thermal-PV hybrids

Definitions

  • the present invention deals with solar energy (energy from sunlight or light).
  • the first consists of photovoltaic systems, which convert sunlight directly into electricity.
  • the second consists of photo-thermal systems, where solar energy is used to heat a fluid.
  • FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) There are two main categories. The first uses “tracking” systems or in other words “tracking the sun”.
  • the solar modules are mounted on a motorized structure in at least two axes of rotation. By turning the motors, we can direct the modules to the sun and have optimal illumination.
  • the second broad category includes mirror systems. These mirrors are also very often mobile and can reflect the sunlight in a specific place. Finally, there is a third method, using lens systems, most often Fresnel lenses.
  • US398118 discloses a system using Fresnel lenses for focusing sunlight onto thermal conductors through which a fluid passes. Thus, it is possible to produce water vapor supplying a turbine coupled to an electric generator. Sun tracking is done by rotating the lenses according to the position of the sun.
  • the patent DE02004001248 describes a system composed of several Fresnel lenses mounted with different positions and angles around a focal point common to all the lenses. Depending on the position of the sun a different lens focuses the light. This system does not need active tracking of the sun.
  • US 2005/0133082 discloses a system that allows the transformation of solar energy into electrical energy and thermal energy. US 2005/0133082 focuses
  • the photovoltaic cell is disposed above a copper foil, ie the photovoltaic cell and the copper foil are not arranged in the same horizontal plane. Their module can operate and extract electrical energy even in the absence of the fluidic part. Solar cells are absolutely necessary for
  • US 2005/0133082 discloses a system that can use Fresnel lenses to focus sunlight on solar cells.
  • the Fresnel lens is optional and a detailed analysis, taking into account the physics of the semiconductors, shows that, in fact, the Fresnel lens is detrimental to the performance of the US 2005/0133082 system.
  • US 2005/0133082 The purpose of US 2005/0133082 is to illuminate solar cells with more intense light. It is well known that this increases the electric current supplied by the solar cells and at the same time increases their energy efficiency. But this implementation also has two problems. The first is that the cells heat up more and have to be cooled heavily. The second problem is more important. In the system described in US 2005/0133082, only a portion of the cells are illuminated more strongly, while another part is less illuminated and these cells therefore have lower yields. It is very likely that a system like D1 works better without a Fresnel lens.
  • WO 2008/020462 discloses a system for transforming solar energy into thermal energy.
  • this system does not use a Fresnel lens.
  • the system consists of a metallic opaque box the size of a tile for a roof. Pipes pass through the box and in these pipes circulates a fluid that will be heated. The solar energy heats the box and the heat will be transferred into the fluid inside the pipes.
  • an opening is made in the box and
  • DE 202007000300 discloses solar cells which are cooled by a fluid system passing under these solar cells. Fresnel lenses are used to focus the light on solar cells to increase their efficiency.
  • the photovoltaic cells (20) are disposed above the copper or aluminum plate (32) (see FIG. 1 of DE 202007000300) and are therefore not coplanar.
  • At least one photovoltaic cell (2.5) is coplanar with at least one heating element (2.1) and that said at least one photovoltaic cell (2.5) is cooled by a cold fluid (5) circulating respectively in the conduits (2.6), (2.7), (2.12), said fluid (5) having been preheated by said at least one photovoltaic cell (2.5) before passing into the duct (2.2) and into channels (4.3) located directly under said at least one heating element (2.1) to be heated.
  • the technical effect of this difference is that the temperature of the fluid (5) goes from 18 ° C (when it enters the duct (2.6) of Figure 2) to 22 ° C (when it arrives at the entrance of the duct (2.2) of FIG. 2) before passing into the channels (4.3) located under the heating element (2.1) and this fluid (5) comes out at a temperature of between 30 ° C. and 45 ° C. (in winters ) and at a temperature between 45 ° C and 65 ° C (in summer) through the conduit (2.3) after passing under the heating element (2.1).
  • the problem to be solved by the present invention is therefore to provide a device for preheating the fluid (5) before passing under the heating element (2.1) in order to increase the temperature of the fluid (5) at the outlet of the conduit ( 2.3).
  • the problem to be solved in US 2005/0133082 is diametrically opposed to the problem of the present invention because in US 2005/0133082 the objective is not to heat the photovoltaic cell (41) and the solution is thus to focus the light on a level lower than the one where the photovoltaic cell (41) is located, whereas in the present invention the objective is to heat the heating element (2.1) by focusing the light on this heating element (2.1) which is located in the same plane horizontal than the photovoltaic cell (s).
  • the cooling of the photovoltaic cell (s) (2.5) of the present invention is effected by passing a fluid (5) (the temperature of the fluid is the ambient temperature, which varies with the seasons) under the Photovoltaic cell (s) (2.1) (see Figure 2).
  • FIG. 7 (26) of document WO 2008/020462 clearly shows that the photovoltaic cell (26) is located above the heating plate (2) of concave shape (cf claim 7 and page 7, lines 23-26 of WO 2008/020462).
  • Figure 1 of WO 2008/020462 shows that the light entering through the top of the tile is diffracted (proof is that the author has represented the sun's rays by 4 arrows (3) divergent, see Figure 1 and Figure 7), while in the present invention the object is to focus the light on the heating element (2.1) (see Figures 7A-7B and 10A-11D of the present invention).
  • the present invention relates to a solar energy receiving device according to claim 1 comprising an upper stage (1) for receiving solar energy comprising at least one Fresnel convergent optical lens (1.3), said upper stage (1).
  • said intermediate stage (2) comprising at least one heating element (2.1) under which channels wind in which a fluid (5) heated by solar energy flows , and at least one photovoltaic cell (2.5), said intermediate stage (2) being connected to a lower stage (3) by at least one fluid transport pipe (2.10) connected to said at least one heating element (2.1), and at least one electric cable (2.8) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5), said intermediate stage (2) being disposed above the lower stage (3), said stage lower (3) comprising said at least one tu a fluid transport means (2.10) connected to said at least one heating element (2.1), said at least one electrical cable (2.8) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5), at least one insulator thermal device (2.4) surrounding said at least one heating element (2.1) and at least one cooling pipe (2.6) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5) said device being characterized in that the solar energy is focused on said at least one heating element (2.1) and said at least one photovoltaic cell (
  • the present invention also relates to a method for producing electricity and heating a fluid (5) according to claim 2 from the device of claim 1, said method comprising the following steps:
  • the electrical energy and thermal energy being transferred to said lower stage comprising said at least one electrical cable (2.8), said at least one fluid transport pipe (2.10), at least one thermal insulation (2.4) and, at least one pipe of
  • FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) cooling (2.6) of said at least one photovoltaic cell, said method being characterized by a step of preheating the fluid (5) by passing said fluid (5) under said at least one photovoltaic cell (2.5) before passing through channels (4.3) located directly under said at least one heating element (2.1) for preheating said fluid (5) and a step of heating a fluid (5) at an intermediate stage (2) by focusing the solar energy on at least one heating element (2.1) and activation of at least one photovoltaic cell (2.5) by diffraction of solar energy at said intermediate stage (2), said at least one photovoltaic cell ( 2.5) being coplanar with said at least one heating element (2.1).
  • the device of the present invention comprises at least one heating element (2.1) where directly below the surface of which serpentines channels in which circulates a fluid (5) which is heated by solar energy focused on said at least one heating element (2.1).
  • the present invention relates to a solar energy receiving device comprising three stages.
  • the upper stage (1) is used to collect solar energy by means of an optical system comprising at least one Fresnel convergent optical lens (1.3) which concentrates the sunlight on the intermediate stage (2).
  • An upper side wall (1.2) separates the upper stage (1) from the intermediate stage (2) by a distance equal to the focal length of the optical system (between 1 cm and 20 cm, preferably between 5 cm and 10 cm). cm, more preferably between 6 cm and 8 cm).
  • the intermediate stage (2) transforms solar energy into useful and exploitable energy. It comprises at least a heating element (2.1) under which channels wind in which circulates a fluid (5) heated by solar energy focused by the upper stage (1).
  • the heating element converts solar energy into heat energy (unit: Joules).
  • the intermediate stage also comprises at least one photovoltaic cell (2.5) which will transform the solar energy into electrical energy (unit: Joules).
  • the third floor (3) said lower floor, is used to harvest the energy from the intermediate stage (2) and make it accessible to the user.
  • the intermediate stage (2) is connected to the lower stage (3) by at least one fluid transport pipe (5) connected to said at least one heating element (2.1), and by at least one electric cable (2.8) connected to at least one photovoltaic cell (2.5).
  • the intermediate stage (2) is arranged on the lower stage (3), a wall (1.1) separating these two stages.
  • Said lower stage comprises at least one fluidic connector (2.2; 2.3) inserted in said lower sidewall (1.1), at least one fluid transporting pipe (2.10; 2.11) connected to said at least one heating element ( 2.1), at least one electrical cable (2.8, 2.9) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5), at least one thermal insulator (2.4) surrounding said at least one heating element (2.1) and at least one cooling pipe (2.6; 2.7) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5).
  • the present invention further relates to a use of the solar energy receiving device described above for producing electricity and heating a fluid (5) simultaneously.
  • the device of the present invention comprises an upper side wall (1.2) and a lower side wall (1.1) having a height of between 1 cm and 20 cm, preferably between 5 cm and 10 cm, more preferably between 6 cm and 8 cm. .
  • the device of the present invention comprises at least one heating element which is a metal plate, preferably copper, aluminum, brass or iron, rectangular, square, oval, round, triangular or parallelogram-shaped.
  • the device of the present invention comprises at least one heating element (2.1) placed at the center of the intermediate stage (2).
  • the device of the present invention comprises a surface around said at least one heating element covered with a plurality of photovoltaic cells.
  • the device of the present invention is fully waterproof and airtight.
  • the vacuum can be realized.
  • the device of the present invention comprises at least one convergent Fresnel optical lens (1.3) having a spherical dome shape (concave shape) or a planar shape.
  • the device of the present invention comprises at least one heating element surmounted by a transparent micro-greenhouse for storing heat.
  • the device of the present invention comprises a partial vacuum under the micro-greenhouse.
  • the device of the present invention comprises at least one cold-cooled photovoltaic cell, which will then pass into channels located directly beneath said at least one heating element to be heated.
  • the problem solved by the present invention is to provide a passive and static sun tracking device, thanks to at least one Fresnel convergent optical lens, not requiring heavy mechanics in order to have optimal exploitation of sunlight.
  • the problem solved by the present invention is also to simultaneously supply electricity and hot water.
  • system is a synonym for the term “device” in the present invention described hereinafter.
  • Figure 1 shows an exploded isometric section of a solar module subject of the present invention.
  • Figure 2 shows a bottom view of the open module (lower stage and intermediate stage).
  • the temperature of the fluid (5) goes from 18 ° C (when it enters the conduit (2.6)) to 22 ° C (when it arrives at the entrance of the conduit (2.2) of Figure 2) before passing in the channels (4.3) located under the heating element (2.1) and this fluid (5) exits at a temperature between 30 ° C and 45 ° C (in winters) and at a temperature between 45 ° C and 65 ° C (in summer) through the duct (2.3) after passing under the heating element (2.1).
  • Figure 3 shows the assembly of several modules (three in this case) for the production of electricity and water heating.
  • Figure 3 also shows the flow of cold water before entering the first module and then the circulation of hot water leaving the first module to enter the second module and pass into the third module.
  • Figure 4 shows an exploded isometric view of the heating element of the solar module.
  • Figure 5 shows the effect of temperature on the characteristics of a solar cell. There is interest in using cold solar cells.
  • Figure 6 shows an exploded isometric view of the solar cell cooling system.
  • Figure 7A shows the behavior of the focal point of an optical system as a function of the angle of incidence of the light focused on the device.
  • Figure 7B shows the focal point behavior of optical systems composed of one or more Fresnel lenses as a function of the angle of incidence of the light focused on the device.
  • Figure 8 shows the transmitted light power as a function of the number of Fresnel lenses.
  • Figure 9A defines the angles used for the measurements of Figures 10 and 11.
  • Figure 9B defines the altitude and azimuthal position of the sun.
  • FIGS. 10A, 10B and 10C show the displacement of the focal point of the optical system, composed of small Fresnel lenses, as a function of the number of lenses and the angles of incidence.
  • FIG. 11A shows the displacement of the focal point of the optical system composed of a Fresnel lens as a function of the angles of incidence.
  • FIG. 11B shows the displacement of the focal point of the optical system composed of two large Fresnel lenses as a function of the angles of incidence.
  • FIG. 11C shows the displacement of the focal point of the optical system, composed of three large Fresnel lenses as a function of the angles of incidence.
  • FIG. 11D shows the displacement of the focal point of the optical system, composed of four large Fresnel lenses as a function of the angles of incidence.
  • Figure 12A shows the characteristics of a solar cell without Fresnel lens optics.
  • Figure 12B shows the characteristics of a solar cell with an optical system of Fresnel lenses.
  • Figure 13A illustrates a heating experiment performed with several modules.
  • Figure 13B shows the results obtained for the temperature of the water leaving the system, the outside air temperature and the temperature of a water tank serving as a reference.
  • Figure 14 shows an isometric view of a solar module having a curved (concave) Fresnel optical lens ie domed lens.
  • Figure 15 gives the results of numerical simulations for different configurations of the heating system.
  • Figure 16 shows the displacement of the focal point in the case of a curved lens (concave) as a function of the angles of incidence.
  • Figure 17 shows the percentages of energy loss in a standard thermal module.
  • Figure 18 shows the yields of a standard module as a function of the fluid velocity.
  • Figure 19 shows the geometry of the hybrid module of the present invention for numerical simulations.
  • Figure 25 shows the yield (%) as a function of the fluid velocity.
  • the present invention describes a hybrid solar module for producing electricity and a hot fluid (5) (or a hot liquid such as water or glycerol or glycol for example) simultaneously.
  • the sunlight is concentrated on a small surface (between 100 cm 2 and 1000 cm 2 , preferably between 150 cm 2 and 600 cm 2 , more preferably between 160 cm 2 and 200 cm 2 ) via an optical system composed of convergent Fresnel lenses.
  • Such a system has the advantage of allowing to follow the course of the sun, while leaving the fixed module.
  • the number of solar cells disposed on the intermediate stage of the device can be 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more.
  • the number of heating plate (s) (or heating element (s)) arranged on the intermediate stage of the device can be 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9, 10 or more.
  • the present invention describes a new hybrid solar module for generating electricity and hot water whose general structure is shown in Figure 1.
  • the photovoltaic system can supplement the thermal system in case the surfaces to be heated are large or in countries with low sunshine or during low sunlight seasons, by sending some of the electrical energy to one or more of the heaters.
  • electric water (s) to supplement the production of hot water or heating the water of a swimming pool.
  • the optical system will focus the sunlight on a heating element (item 2.1) under which a fluid (5) (at room temperature) will be heated. If the optical system will focus much of the light, some will be diffracted and will not be used for heating. For this reason solar cells (item 2.5) are mounted around the heating element.
  • the transparent walls of the superstructure (item 1.2) also allow the light that will be used by the solar cells (item 2.5) to be used to produce electricity.
  • the module has six fluidic connections. In Figure 1, three of these connections are shown, the other three are on the opposite side, hidden in the figure.
  • the middle connectors pos.
  • FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) 1.7) are used to connect the fluidic system of the heating element. Under the solar cells are also fluidic elements, through which cold water circulates. These elements are connected to the external environment by the fluidic connectors (pos 1.6). The electricity produced by the solar cells is harvested by at least one electrical wire (pos.2.8) collected in a cable (item 2.9).
  • FIG 2 shows the inside of the base (item 1.1 in Figure 1) of a module (open module, view from below).
  • the heating element of the module In the middle is the heating element of the module.
  • Cold water enters the pipe (item 2.2) and exits the heating element through the pipe (item 2.3). These are connected to fluidic connectors (pos 1.7 in Figure 1).
  • the hot part of the module ie (pos 2.1, item 2.2 and item 2.3)
  • the solar cells are mounted in the four corners of the base. They are assembled with cooling elements (6.1 in Figure 6). These elements are cooled by cold water flowing through them (see Figure 6).
  • the cooling elements (6.1) are interconnected in pairs by a pipe (item 2.7).
  • the solar cells are connected to the external environment by means of electrical wires (item 2.8) joined in an electric cable (item 2.9).
  • the heating element is described in detail in FIG. 4 and the cooling elements of the solar cells are shown in FIG.
  • FIG. 3 shows the assembly of three solar modules (item 3.1).
  • Cold water enters the system (item 3.2). It passes under the solar cells of the different modules by following the fluidic circuit going from pos. 3.2 to pos. 3.3. At this moment the water enters the hot part of the system (part of the fluidic system going from pos 3.3 to position 3.4). In order to limit thermal losses, the hot part is thermally insulated (item 3.5).
  • the electrical cables (item 2.9) connecting the solar cells of the different modules enter a housing (item 3.7), in which the electrical signals are shaped to allow a user (item 3.8) to use the electricity for his needs.
  • Figure 4 illustrates the heating structure. It consists of a support (4.1) with an inlet and an outlet (4.2) for the fluid (5) and the fluid circulation channels (4.3).
  • the support is made of a polymer which is a bad thermal conductor.
  • FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) To increase the thermal capacity of the structure, part of these channels is made of metal (item 4.4). The channels are covered with a copper plate (item 2.1). This plate is a heat absorber that is heated by the sunlight focused by the Fresnel optical system (item 1.3). In order to limit thermal losses, the copper plate can be surmounted by a micro greenhouse, consisting of walls (item 4.6) and a cover (4.7). The walls and lid are transparent and made of polycarbonate, which is a low thermal conductor. The air in the space (item 4.8) delimited by the copper plate, the walls and the lid, will heat up, this heat will not be diffused outwards, but will be used to heat the liquid in the channels.
  • FIG. 5 shows the electrical characteristics of cells at different temperatures (25 ° C, 50 ° C and 75 ° C) and illuminated with 1000 W / m 2 light .
  • the cell in question is a small module composed of different silicon solar cells. This kind of module is used in the prototype of the solar module of the present invention.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 5 represents the electric potential or the voltage applied across the cell.
  • the left vertical axis represents the current passing through the cell.
  • the right vertical axis shows the electrical power provided by the cell.
  • the power is calculated by multiplying the applied voltage with the corresponding electric current. For low voltages, the current and power are the same for all temperatures. But for high voltages, the current supplied by the cell decreases at high temperatures. It follows that the power also decreases. By increasing the temperature by 50 ° C (from 25 ° C to 75 ° C), the power available from the cell drops by almost 30%. This clearly shows that it is necessary to cool a solar cell. In the context of this invention, the cooling of the solar cells is done through the structure shown in FIG.
  • the inputs and outputs are machined (item 6.2) for the fluid (5), as well as the circulation channels (item 6.3) of the liquid.
  • the channel system is closed by a copper plate (item 6.4).
  • the solar cell pos.2.5.
  • the different cooling structures of a solar module can be connected together. The cold water entering the solar module or in an assembly of several modules passes first into the cooling structures of the cells and is then heated by the heating structures (2.1) as explained in Figure 3.
  • FIG. 7A shows the displacements of the focal point of a lens as a function of the angle of incidence of the light on the lens. If the light hits the lens perpendicularly, the focal point (point fp) is exactly below the middle of the lens on the optical axis of the system. But if the light hits the lens at an angle to the normal of the surface of the lens, the focal point moves (point fpa) and moves away from the optical axis of the system.
  • FIG. 7B The evolution of the distance between fp and fpa as a function of the number of lenses is schematically illustrated in FIG. 7B.
  • Figures 10A, 10B, 10C and 11A, 11B, 11C, 11D show actual measurements with two kinds of optical systems.
  • the lenses are lenses made of PMMA (Poly-Methyl-Methyl-Acrilate), better known as Plexiglas.
  • the dimensions of a lens are 160mmx100mmx2mm and the focal length of such a lens is 120 mm.
  • the focal length is 80 mm and for three lenses it is 24 mm.
  • the dimensions of a lens are 395mmx395mmx2mm.
  • the focal length of a lens is 200 mm, for two lenses it is 150 mm, for three lenses it is 60 mm and for 4 lenses it is 30 mm.
  • FIGS. 10A, 10B, 10C and 11A, 11B, 11C, 11D the position of the focal point is given as a function of the angle of inclination of the optical system with respect to the horizontal and as a function of time. Each time corresponds to a position or an altitude angle of the sun.
  • the different angles used for the measurements of FIGS. 10A to 10C and 11A to 11D are defined in FIGS. 9A and 9B for the sake of clarity.
  • FIG. 10A shows the displacement of the focal point for an optical system composed of a lens of dimension of 160 mm ⁇ 100 mm.
  • the gray area represents the lens.
  • the focal point is not located under the lens.
  • all the focal points are located under the optical system ( Figure 10B).
  • Figure 10C the focal points are all on an area of 60mmx40mm, centered around the optical axis of the system.
  • Figures 11A, 11B, 11C, and 11D show similar measurements for optical systems made of lenses with an area of 395mmx395mm. Again, for a lens ( Figure 11A) the focal points are widely scattered under the lens. By increasing the number of lenses ( Figure 11 B: 2 lenses, Figure 11C: three lenses and Figure 11 D: four lenses), this dispersion decreases and for a system of four lenses, all the focal points are on a surface of 70mmx60mm . This represents an area of 2.7% of the total area of the lens.
  • FIGS. 12A and 12B show the characteristics
  • the power supplied by the solar cells is 0.8 W. With a three-lens optical system, this efficiency drops by 19% to 0.65W. This remains acceptable, especially considering that the solar cells are effectively cooled in the solar modules of the present invention. It must be remembered that the cooling of existing photovoltaic modules on the market is very bad, which has a strong influence on the power achieved by these modules.
  • Figs. 13A and 13B provide practical results for water heating using the module of the present invention.
  • the modules are made with lenses of small dimensions (160mmx100mm).
  • the modules do not include solar cells, because the purpose of the experiment is to test the merits of the use of Fresnel lenses for water heating.
  • Three modules are connected in series. Through a pump, the water is drawn from an isolated tank of a volume of 5 liters and containing 4 liters of water, and is pumped through the three solar modules. The pumping speed is 0.2 liters per minute. At the exit of the modules, the water is returned to the insulated tank.
  • a second tank placed under the same conditions, contains water that will not be heated. This second tank serves as a reference and its temperature is measured at the same times as that of the first tank. A third measured temperature is the ambient temperature.
  • Figure 13B shows the results of measurements made between 10 am and 5 pm. While the ambient temperature and that of the reference tank vary only between 17 and 25 ° C, the temperature of the water heated by the solar module system increases strongly against to reach more than 50 ° C. This experiment demonstrates the merits of the heating system of the present invention.
  • the heating element is heated by non-focused light rays.
  • the incident power is 1000 W / m 2 .
  • the temperature of the system and more particularly the temperature of the liquid is 35 ° C.
  • the micro-greenhouse is included. She is filled with air. The other conditions are identical to that of simulation 2. In this case, the water temperature is 69 ° C.
  • the air in the micro-greenhouse is replaced by a low partial vacuum of 700 mmHg or 93.3 hPa.
  • the water temperature rises to 78 ° C.
  • the second improvement to be considered in the present invention relates to the optical system.
  • the lenses used are flat Fresnel lenses.
  • the absorption losses of light in such an optical system can be quite large. It is then a question of finding a system, which focuses the light well and which uses the least possible lenses. This can be done by employing an optical system consisting of a single domed (concave) Fresnel lens ie dome-shaped (item 14.1).
  • FIG. 1 A module with such a lens is shown in FIG. 1
  • This module is similar to that of Figure 1, with the exception of the optical system.
  • this system consists of flat lenses (item 1.3), while in Figure 14 the system is made of a domed Fresnel lens, ie domed.
  • FIG. 16 shows the effect of the bending of the Fresnel lens on the displacement of the focal point as a function of the relative position of the sun with respect to the module.
  • the results of Figure 16 compare with those of Figure 10A. In both cases, a 160mmx100mm size lens is used.
  • the radius of curvature of the curved lens is 10 cm. It is not in the form of a dome, but only in the form of a cylinder. Nevertheless, it is very apparent that with such a lens, the displacement of the focal point is much smaller than with a flat lens.
  • a lens in the form of a dome will allow to focus the light while decreasing the absorption losses in the optical system.
  • the Simul_01 simulation is a comparison and calibration simulation of the ComsoW.Oa program.
  • Figure 17 shows the losses in a standard thermal module. Typically only 45% of incident solar energy is converted into usable heat. The yield is therefore 45%.
  • the purpose of simulation Simul_01 is to calibrate the program and the calculation method before obtaining yields of the same order of magnitude for a standard module.
  • the size of the module chosen is a square of 0.4 m (40 cm) side. These dimensions have been chosen because they are identical to the dimensions of the prototype of the hybrid module of the present invention.
  • Energy efficiency is defined as the ratio between the energy (or power) coming out of a system and the energy (or power) entering the same system.
  • the yield is expressed as a percentage (%).
  • C P is the thermal capacity of the fluid passing through the module (in J / (kg K))
  • m is the mass of the heated fluid (in kg)
  • is the temperature difference between the initial moment and the final moment ( in Kelvin)
  • A is the surface of the module (in m 2) and J p dt e st solar energy received by the thermal module (in Joule) between the initial and final time point, where P is the incident solar power ( W / m 2 ).
  • the power varies linearly from 50 W / m 2 to 500 W / m 2 in 60 minutes (3600 seconds):
  • the mass is related to the speed of the fluid passing through the module.
  • r be the inside radius of the tube through which the fluid flows.
  • the mass of the fluid passing through this tube is given by: where v in is the velocity of the fluid through the tube (in m / s).
  • the radius r considered here is 1.5 mm.
  • the formula for calculating energy efficiency is then: with being the final time: 3600 s.
  • the efficiency depends only on the speed of the fluid through the module.
  • Figure 18 shows the performance of a standard module (Simul_01) as a function of the speed of a fluid. It is observed that the yield is not constant, but varies according to the speed. Maximum efficiency is achieved for speeds of the order of 20 mm / s. The efficiency achieved is 47%, which is comparable to what is achieved in standard thermal modules.
  • the calibration of two-dimensional (2D) simulations is satisfactory and the methodology used is applied for two-dimensional (2D) simulations of hybrid modules. Note that the ComsoW.Oa program is only used for simulations Simul_02 to Simul_04. Simulations (Simul_05 to Simul_07) involve only solar cells and do not require finite element simulations, but yields can be calculated by considering the physics of solar photovoltaic cells.
  • FIG. 19 shows the structure of the two-dimensional (2D) geometric model of the hybrid module for numerical simulations.
  • the length of the tube and the absorbing surface (part 2) is 150mm.
  • the light is concentrated on a surface (10) of 20 mm in length.
  • Water (1) enters the system through a connector (8) and exits through a connector (9).
  • the fluidic part consists of the inlet (7), the tube (2) and the outlet (7 ').
  • FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) constituting the tube (2) is copper, while the inlet and the outlet (7 and 7 ') are made of polyethylene.
  • the lower part of the tube (2) is thermally insulated with Styropore (6).
  • parts (3), (3 '), (4) and (5) are air.
  • parts (3), (3 ') and (5) are in plexiglass.
  • Part (4) is air.
  • the air is at a pressure of 1 atmosphere, while for simulation Simul_04, the pressure is 0.01 atmosphere, corresponding to a partial vacuum.
  • Figures 20 to 24 show simulation results "Simul_03" at different times and for a fluid velocity of 10 mm / s. The variation of the temperature distribution and the increase of the temperature as a function of time are well observed.
  • Figure 20 Simul_03; v in : 10mm / s; t: 0s
  • Figure 25 shows the results of simulations Simul_02, Simul_03 and Simul_04.
  • Simul_02 is the simplest structure. She has no greenhouse and no vacuum. Simul_03 has a greenhouse and Simul_04 has a greenhouse with partial vacuum. The lowest yield is reached for Simul_02. But it is interesting and important to note that the performance is much higher than a standard thermal photo module (see Figure 18). This shows the goodness of the idea of concentrating sunlight by Fresnel lenses on a small surface.
  • the greenhouse increases the yield once again. But the effect of the vacuum is weak. This is because the vacuum is only on one side of the hotplate. For a larger effect it would be necessary that the vacuum is all around the heating plate. This is possible, but would greatly complicate the construction of the module.
  • simulations Simul_05, Simul_06 and Simul_07 do not require the finite element method (internationally recognized standard).
  • the performance will be the same for the three simulations because solar cells, which are considered here do not use greenhouse or vacuum.
  • the efficiency of the solar cells is of the order of 10 to 15%. For this report, an average value of 12.5% is considered. However this yield is valid for cells directly illuminated by the sun. In the modules, part of the solar power for the solar cells is lost by the Fresnel lenses (about 20%), the
  • case performance Simul_08 to Simlu_10 are the sums of the previous corresponding cases.
  • the device used is the one mentioned in FIG. 1, in which the heating plate has been removed as the case may be and / or the 4 solar cells (photovoltaic cells) have been removed as the case may be (with or without a greenhouse and with or without without a vacuum depending on the case) in order to be able to perform comparative tests where the unit of measure is a percentage yield (%).
  • Energy efficiency (%) efficiency (%) of solar cells + efficiency (%) of the heating plate.

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Abstract

The present invention concerns a three-stage device for receiving solar energy comprising at least one convergent Fresnel lens (1.3) focusing solar energy on at least one heating element (2.1) coplanar to at least one photovoltaic cell (2.5). The present invention also concerns a method for producing electricity and for heating a fluid (5) simultaneously.

Description

Dispositif de réception de l'énergie solaire et  Device for receiving solar energy and
procédé de production d'électricité et de chauffage d'un fluide de manière simultanée. method of generating electricity and heating a fluid simultaneously.
L'utilisation d'énergie renouvelable deviendra de plus en plus importante dans le futur. Parmi les solutions possibles, on peut citer l'énergie éolienne et l'énergie solaire. Ces deux sources d'énergie sont encore limitées, mais elles sont appelées à jouer un rôle de plus en plus grand dans le futur. The use of renewable energy will become more and more important in the future. Possible solutions include wind power and solar energy. These two sources of energy are still limited, but they are expected to play an increasingly larger role in the future.
La présente invention traite de l'énergie solaire (énergie issue des rayons du soleil ou lumière). The present invention deals with solar energy (energy from sunlight or light).
Il existe actuellement deux sortes de systèmes exploitant cette source d'énergie.  There are currently two kinds of systems exploiting this source of energy.
La première est constituée de systèmes photovoltaïques, qui transforment la lumière solaire directement en électricité. La deuxième est constituée de systèmes photo-thermiques, où l'énergie solaire est utilisée pour chauffer un fluide. The first consists of photovoltaic systems, which convert sunlight directly into electricity. The second consists of photo-thermal systems, where solar energy is used to heat a fluid.
Les deux systèmes de l'art antérieur sont employés de manière indépendante, ce qui veut dire que l'on peut produire soit de l'électricité, soit de la chaleur mais pas les deux simultanément. Très peu de systèmes existant aujourd'hui combinent le photovoltaïque et la photo-thermie. Un exemple d'un tel système est décrit dans le brevet JP 200720800, où des cellules photovoltaïques sont montées sur une plaque dans laquelle circule un fluide pour refroidir les cellules. Ceci permet d'augmenter l'efficacité énergétique des cellules photovoltaïques et d'extraire de la chaleur pour des applications de chauffage. The two systems of the prior art are employed independently, which means that one can produce either electricity or heat but not both simultaneously. Very few existing systems today combine photovoltaics and photo-thermics. An example of such a system is described in JP 200720800, where photovoltaic cells are mounted on a plate in which a fluid circulates to cool the cells. This makes it possible to increase the energy efficiency of the photovoltaic cells and to extract heat for heating applications.
Un autre système est décrit dans le brevet US 2011226308 où des miroirs paraboliques concentrent la lumière du soleil sur un tube à l'intérieur duquel circule un fluide qui sera chauffé et à l'extérieur duquel sont fixées des cellules photovoltaïques produisant de l'électricité.  Another system is described in US Patent 2011226308 where parabolic mirrors concentrate sunlight on a tube inside which circulates a fluid that will be heated and outside which are fixed photovoltaic cells producing electricity.
D'autres systèmes sont décrits dans les brevets KR 20110330248, KR 101009688, US 2010147347, EP 2188847, DE 102008013523, US 2009065046, KR 20070080179, DE 202005019, JP 2007081097, WO 2006019091 , KR 20050106164, JP 2004176982, JP 2004039942, JP 2002310516 et EP 0820105.  Other systems are described in patents KR 20110330248, KR 101009688, US 2010147347, EP 2188847, DE 102008013523, US 2009065046, KR 20070080179, DE 202005019, JP 2007081097, WO 2006019091, KR20050106164, JP 2004176982, JP 2004039942, JP 2002310516. and EP 0820105.
Tous les systèmes décrits dans les brevets mentionnés précédemment ont en commun qu'ils sont fixés et qu'ils ne suivent pas la course du soleil. Un suivi du soleil peut être utile afin d'optimiser à tout moment la quantité de lumière entrant dans le système.  All the systems described in the patents mentioned above have in common that they are fixed and that they do not follow the course of the sun. Sun tracking can be useful to optimize the amount of light entering the system at any time.
Afin de remédier à cela, différentes méthodes ont été développées. In order to remedy this, different methods have been developed.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Il en existe deux grandes catégories. La première utilise des systèmes de « tracking » ou autrement dit « de suivi du soleil ». Les modules solaires sont montés sur une structure motorisée dans au moins deux axes de rotation. En faisant tourner les moteurs, on peut diriger les modules vers le soleil et avoir une illumination optimale. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) There are two main categories. The first uses "tracking" systems or in other words "tracking the sun". The solar modules are mounted on a motorized structure in at least two axes of rotation. By turning the motors, we can direct the modules to the sun and have optimal illumination.
Toutefois, ces systèmes sont complexes et nécessitent beaucoup de place au sol. However, these systems are complex and require a lot of floor space.
La deuxième grande catégorie comprend des systèmes de miroirs. Ces miroirs sont aussi très souvent mobiles et permettent de refléter la lumière du soleil en un endroit bien précis. Enfin, il existe une troisième méthode, utilisant des systèmes de lentilles, le plus souvent des lentilles de Fresnel.  The second broad category includes mirror systems. These mirrors are also very often mobile and can reflect the sunlight in a specific place. Finally, there is a third method, using lens systems, most often Fresnel lenses.
Le brevet US398118 décrit un système utilisant les lentilles de Fresnel pour focaliser la lumière solaire sur des conducteurs thermiques à travers desquels passe un fluide. On arrive ainsi à produire de la vapeur d'eau alimentant une turbine couplée à un générateur électrique. Le suivi du soleil se fait en pivotant les lentilles en fonction de la position du soleil. US398118 discloses a system using Fresnel lenses for focusing sunlight onto thermal conductors through which a fluid passes. Thus, it is possible to produce water vapor supplying a turbine coupled to an electric generator. Sun tracking is done by rotating the lenses according to the position of the sun.
Le brevet DE02004001248 décrit un système composé de plusieurs lentilles de Fresnel montées avec des positions et des angles différents autour d'un point focal commun à toutes les lentilles. Suivant la position du soleil une lentille différente focalise la lumière. Ce système n'a pas besoin d'un suivi actif du soleil. The patent DE02004001248 describes a system composed of several Fresnel lenses mounted with different positions and angles around a focal point common to all the lenses. Depending on the position of the sun a different lens focuses the light. This system does not need active tracking of the sun.
Les brevets HK6897 et US4848319 sont similaires au brevet précèdent.  The patents HK6897 and US4848319 are similar to the previous patent.
Tous ces brevets utilisent des lentilles de Fresnel planes. Un système utilisant des lentilles non-planes est divulgué dans le brevet GB1598335. La lentille est une lentille de Fresnel linéaire, bombée afin de former un demi-cylindre. La focale est une droite dans l'axe du cylindre et elle est située sur un tuyau dans lequel circule un fluide. Ce système est fixe et ne suit pas le soleil. En raison de la forme de la lentille, la lumière solaire reste assez bien focalisée au même endroit en fonction du temps. Un tel système est aussi décrit dans R. Leutz et al, Nonimaging lens concentrators for photovoltaic applications, Proceedings of ISES Solar World (1999). All these patents use flat Fresnel lenses. A system using non-planar lenses is disclosed in GB1598335. The lens is a linear Fresnel lens, curved to form a half-cylinder. The focal length is a line in the axis of the cylinder and it is located on a pipe in which a fluid circulates. This system is fixed and does not follow the sun. Due to the shape of the lens, the sunlight remains fairly focused in the same place as a function of time. Such a system is also described in R. Leutz et al, Nonimaging lens concentrators for photovoltaic applications, Proceedings of ISES Solar World (1999).
US 2005/0133082 décrit un système qui permet la transformation d'énergie solaire en énergie électrique et en énergie thermique. US 2005/0133082 se concentre US 2005/0133082 discloses a system that allows the transformation of solar energy into electrical energy and thermal energy. US 2005/0133082 focuses
surtout sur l'aspect photovoltaïque, l'exploitation de l'énergie calorifique y est un aspect secondaire. La cellule photovoltaïque est disposée au-dessus d'une feuille en cuivre, càd la cellule photovoltaïque et la feuille en cuivre ne sont pas disposées dans un même plan horizontal. Leur module peut fonctionner et extraire de l'énergie électrique même en absence de la partie fluidique. Les cellules solaires sont absolument nécessaires pour especially on the photovoltaic aspect, the exploitation of heat energy is a secondary aspect. The photovoltaic cell is disposed above a copper foil, ie the photovoltaic cell and the copper foil are not arranged in the same horizontal plane. Their module can operate and extract electrical energy even in the absence of the fluidic part. Solar cells are absolutely necessary for
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) extraire de la chaleur. US 2005/0133082 décrit un système qui peut utiliser des lentilles de Fresnel afin de concentrer la lumière solaire sur les cellules solaires. Dans US 2005/0133082, la lentille de Fresnel est optionnelle et une analyse détaillée, en tenant compte de la physique des semi-conducteurs, montre, qu'en fait, la lentille de Fresnel nuit aux performances du système de US 2005/0133082. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) extract heat. US 2005/0133082 discloses a system that can use Fresnel lenses to focus sunlight on solar cells. In US 2005/0133082, the Fresnel lens is optional and a detailed analysis, taking into account the physics of the semiconductors, shows that, in fact, the Fresnel lens is detrimental to the performance of the US 2005/0133082 system.
Dans US 2005/0133082, les lentilles de Fresnel ne focalisent pas la lumière sur la surface de cellules solaires, et par conséquent le point focal se trouve sous cette surface. Cela ressort clairement du paragraphe [0050] de US 2005/0133082. Il en résulte que sur la surface des cellules solaires, un cercle de lumière intense apparaît. La situation du document US 2005/0133082 est illustrée ci-dessous.  In US 2005/0133082, Fresnel lenses do not focus light on the surface of solar cells, and therefore the focal point is below this surface. This is clear from paragraph [0050] of US 2005/0133082. As a result, on the surface of the solar cells, a circle of intense light appears. The situation of US 2005/0133082 is illustrated below.
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o n oca  o n oca
Le but du document US 2005/0133082 est d'illuminer les cellules solaires par une lumière plus intense. Il est bien connu que ceci augmente le courant électrique fourni par les cellules solaires et augmente en même temps leur rendement énergétique. Mais cette implémentation présente aussi deux problèmes. Le premier est que les cellules chauffent plus et doivent être refroidies fortement. Le deuxième problème est plus important. Dans le système décrit dans US 2005/0133082, seulement une partie des cellules est illuminée plus fortement, tandis qu'une autre partie l'est moins et ces cellules possèdent donc des rendements plus faibles. Il est très probable qu'un système comme celui de D1 fonctionne mieux sans lentille de Fresnel. The purpose of US 2005/0133082 is to illuminate solar cells with more intense light. It is well known that this increases the electric current supplied by the solar cells and at the same time increases their energy efficiency. But this implementation also has two problems. The first is that the cells heat up more and have to be cooled heavily. The second problem is more important. In the system described in US 2005/0133082, only a portion of the cells are illuminated more strongly, while another part is less illuminated and these cells therefore have lower yields. It is very likely that a system like D1 works better without a Fresnel lens.
WO 2008/020462 décrit un système permettant la transformation de l'énergie solaire en énergie thermique. Dans une première version, ce système n'utilise pas de lentille de Fresnel. Le système consiste en une boite opaque métallique de la dimension d'une tuile pour un toit. Des tuyaux passent à travers la boite et dans ces tuyaux circule un fluide qui va être chauffé. L'énergie solaire chauffe la boite et la chaleur va être transférée dans le fluide à l'intérieur des tuyaux. Dans une deuxième version, une ouverture est faite dans la boite et WO 2008/020462 discloses a system for transforming solar energy into thermal energy. In a first version, this system does not use a Fresnel lens. The system consists of a metallic opaque box the size of a tile for a roof. Pipes pass through the box and in these pipes circulates a fluid that will be heated. The solar energy heats the box and the heat will be transferred into the fluid inside the pipes. In a second version, an opening is made in the box and
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) ce trou est recouvert par une lentille de Fresnel. Son rôle est de concentrer la lumière du soleil quelque part dans la boite. La lumière est ensuite absorbée par les parois, causant un échauffement supplémentaire et cette chaleur est ensuite de nouveau transférée dans le fluide. Dans une troisième version, des cellules solaires sont placées sous une fenêtre dans la boite et permettent la transformation de l'énergie solaire en énergie électrique. Les cellules solaires ne sont pas placées sous la lentille de Fresnel (cf figure 7 (26)) ni dans le même plan horizontal que la plaque métallique (2). En plus les lentilles de Fresnel ne servent pas à focaliser la lumière à un endroit précis, mais seulement à faire entrer le plus de lumière possible à l'intérieur de la boite. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) this hole is covered by a Fresnel lens. Its role is to concentrate the sunlight somewhere in the box. The light is then absorbed by the walls, causing additional heating and this heat is then transferred back into the fluid. In a third version, solar cells are placed under a window in the box and allow the transformation of solar energy into electrical energy. Solar cells are not placed under the Fresnel lens (see Figure 7 (26)) or in the same horizontal plane as the metal plate (2). In addition Fresnel lenses are not used to focus the light in a specific place, but only to bring as much light as possible inside the box.
DE 202007000300 divulgue des cellules solaires qui sont refroidies par un système fluidique passant sous ces cellules solaires. Des lentilles de Fresnel sont utilisées pour focaliser la lumière sur les cellules solaires afin d'augmenter leur rendement. Les cellules photovoltaïques (20) sont disposées au-dessus de la plaque en cuivre ou aluminium (32) (cf figure 1 du document DE 202007000300) et ne sont donc pas coplanaires. DE 202007000300 discloses solar cells which are cooled by a fluid system passing under these solar cells. Fresnel lenses are used to focus the light on solar cells to increase their efficiency. The photovoltaic cells (20) are disposed above the copper or aluminum plate (32) (see FIG. 1 of DE 202007000300) and are therefore not coplanar.
Tout ce qui précède décrit l'état de la technique. La présente invention a pour but d'aller au- delà de l'état de la technique. All of the above describes the state of the art. The present invention aims to go beyond the state of the art.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) L'état de la technique le plus proche est le document US 2005/0133082 car il présente le plus de caractéristiques techniques en commun avec la présente invention et permet la transformation d'énergie solaire en énergie électrique et en énergie thermique. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) The closest state of the art is US 2005/0133082 because it has the most technical features in common with the present invention and allows the transformation of solar energy into electrical energy and thermal energy.
La différence entre le dispositif de la présente invention et celui du document US 2005/0133082 est qu'au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est coplanaire à au-moins un élément chauffant (2.1) et que ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est refroidie par un fluide (5) froid circulant respectivement dans les conduits (2.6), (2.7), (2.12), ledit fluide (5) ayant été préchauffé par ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) avant de passer dans le conduit (2.2) et dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1) pour être chauffé. The difference between the device of the present invention and that of document US 2005/0133082 is that at least one photovoltaic cell (2.5) is coplanar with at least one heating element (2.1) and that said at least one photovoltaic cell (2.5) is cooled by a cold fluid (5) circulating respectively in the conduits (2.6), (2.7), (2.12), said fluid (5) having been preheated by said at least one photovoltaic cell (2.5) before passing into the duct (2.2) and into channels (4.3) located directly under said at least one heating element (2.1) to be heated.
Ceci représente une combinaison de caractéristiques dévoilant une interaction fonctionnelle entre la cellule photovoltaïque et l'élément chauffant et donc une synergie entre la cellule photovoltaïque et l'élément chauffant. This represents a combination of characteristics revealing a functional interaction between the photovoltaic cell and the heating element and therefore a synergy between the photovoltaic cell and the heating element.
L'effet technique de cette différence est que la température du fluide (5) passe de 18°C (lorsqu'il entre dans le conduit (2.6) de la figure 2) à 22°C (lorsqu'il arrive à l'entrée du conduit (2.2) de la figure 2) avant de passer dans les canaux (4.3) situés sous l'élément chauffant (2.1 ) et ce fluide (5) ressort à une température comprise entre 30°C et 45°C (en hivers) et à une température comprise entre 45°C et 65°C (en été) par le conduit (2.3) après passage sous l'élément chauffant (2.1 ). Le problème à résoudre par la présente invention est donc de fournir un dispositif permettant de préchauffer le fluide (5) avant de passer sous l'élément chauffant (2.1) afin d'augmenter la température du fluide (5) à la sortie du conduit (2.3). The technical effect of this difference is that the temperature of the fluid (5) goes from 18 ° C (when it enters the duct (2.6) of Figure 2) to 22 ° C (when it arrives at the entrance of the duct (2.2) of FIG. 2) before passing into the channels (4.3) located under the heating element (2.1) and this fluid (5) comes out at a temperature of between 30 ° C. and 45 ° C. (in winters ) and at a temperature between 45 ° C and 65 ° C (in summer) through the conduit (2.3) after passing under the heating element (2.1). The problem to be solved by the present invention is therefore to provide a device for preheating the fluid (5) before passing under the heating element (2.1) in order to increase the temperature of the fluid (5) at the outlet of the conduit ( 2.3).
La solution n'est pas évidente au vu de US 2005/0133082 seul car US 2005/0133082 divulgue un dispositif où une cellule photovoltaïque (41 ) est disposée au-dessus d'une feuille en cuivre (47) et le point focal ne se trouve pas sur le plan horizontal où se situe la cellule photovoltaïque (41 ) (selon le paragraphe 50, dernière phrase) mais bien plus bas pour éviter la formation de points chauds (hot spots). Aucune indication n'est donnée que le point focal pourrait se trouver sur la feuille en cuivre (47). The solution is not obvious in view of US 2005/0133082 alone because US 2005/0133082 discloses a device where a photovoltaic cell (41) is disposed above a copper foil (47) and the focal point is not not found on the horizontal plane where the photovoltaic cell (41) (according to paragraph 50, last sentence) is located but much lower to avoid the formation of hot spots. No indication is given that the focal point could be on the copper foil (47).
Dans US 2005/0133082 la cellule photovoltaïque (41 ) est maintenue à une température située entre 70°F et 100°F càd entre 21 °C et 37°C (selon la revendication 1 du document US 2005/0133082). Ceci n'encourage pas l'homme du métier à placer l'élément chauffant In US 2005/0133082 the photovoltaic cell (41) is maintained at a temperature between 70 ° F and 100 ° F, ie between 21 ° C and 37 ° C (according to claim 1 of US 2005/0133082). This does not encourage the person skilled in the art to place the heating element
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) sur le même plan que la cellule photovoltaïque (41 ), ni de focaliser les rayons du soleil sur l'élément chauffant situé dans le même plan horizontal que la cellule photovoltaïque comme dans la présente invention afin de pouvoir chauffer un fluide (5) et d'obtenir une température comprise entre 35°C et 45°C après préchauffage du fluide (5) et aussi après passage sous un élément chauffant (2.1 ). Le problème à résoudre dans US 2005/0133082 est diamétralement opposé au problème de la présente invention car dans US 2005/0133082 l'objectif est de ne pas chauffer la cellule photovoltaïque (41 ) et la solution est ainsi de focaliser la lumière à un niveau inférieur de celui où se trouve la cellule photovoltaïque (41), alors que dans la présente invention l'objectif est de chauffer l'élément chauffant (2.1 ) en focalisant la lumière sur cet élément chauffant (2.1) qui est situé dans le même plan horizontal que la/les cellule(s) photovoltaïque(s). Le refroidissement de la/les cellule(s) photovoltaïque(s) (2.5) de la présente invention s'effectue en faisant passer un fluide (5) (la température du fluide est la température ambiante, qui varie selon les saisons) sous la/les cellule(s) photovoltaïque(s) (2.1) (cf figure 2). FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) on the same plane as the photovoltaic cell (41), nor to focus the sun's rays on the heating element located in the same horizontal plane as the photovoltaic cell as in the present invention in order to be able to heat a fluid (5) and obtain a temperature between 35 ° C and 45 ° C after preheating the fluid (5) and also after passing under a heating element (2.1). The problem to be solved in US 2005/0133082 is diametrically opposed to the problem of the present invention because in US 2005/0133082 the objective is not to heat the photovoltaic cell (41) and the solution is thus to focus the light on a level lower than the one where the photovoltaic cell (41) is located, whereas in the present invention the objective is to heat the heating element (2.1) by focusing the light on this heating element (2.1) which is located in the same plane horizontal than the photovoltaic cell (s). The cooling of the photovoltaic cell (s) (2.5) of the present invention is effected by passing a fluid (5) (the temperature of the fluid is the ambient temperature, which varies with the seasons) under the Photovoltaic cell (s) (2.1) (see Figure 2).
La solution n'est pas évidente au vu de US 2005/0133082 combiné à WO 2008/020462 car WO 2008/020462 n'indique pas qu'au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est coplanaire à au-moins un élément chauffant (2.1) et qu'au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est refroidie par un fluide (5) qui sera préchauffé après passage sous au-moins une cellule photovoltaïque, lequel va ensuite passer dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1) pour être chauffé. De plus, rien n'indique que la lumière est focalisée sur la plaque chauffante. The solution is not obvious in view of US 2005/0133082 combined with WO 2008/020462 because WO 2008/020462 does not indicate that at least one photovoltaic cell (2.5) is coplanar with at least one heating element ( 2.1) and that at least one photovoltaic cell (2.5) is cooled by a fluid (5) which will be preheated after passing under at least one photovoltaic cell, which will then pass into channels (4.3) directly below said a heating element (2.1) to be heated. In addition, there is no indication that the light is focused on the hot plate.
En effet, la figure 7 (26) du document WO 2008/020462 montre bien que la cellule photovoltaïque (26) est localisée en surplomb de la plaque chauffante (2) de forme concave (cf revendication 7 et page 7, lignes 23-26 de WO 2008/020462). De plus, la figure 1 de WO 2008/020462 montre que la lumière entrant par le sommet de la tuile est diffractée (preuve en est que l'auteur a représenté les rayons du soleil par 4 flèches (3) divergentes, cf figure 1 et figure 7), alors que dans la présente invention le but est de focaliser la lumière sur l'élément chauffant (2.1) (cf figures 7A-7B et 10A à 11 D de la présente invention).  Indeed, FIG. 7 (26) of document WO 2008/020462 clearly shows that the photovoltaic cell (26) is located above the heating plate (2) of concave shape (cf claim 7 and page 7, lines 23-26 of WO 2008/020462). In addition, Figure 1 of WO 2008/020462 shows that the light entering through the top of the tile is diffracted (proof is that the author has represented the sun's rays by 4 arrows (3) divergent, see Figure 1 and Figure 7), while in the present invention the object is to focus the light on the heating element (2.1) (see Figures 7A-7B and 10A-11D of the present invention).
La solution n'est pas évidente non plus au vu du document US 2005/0133082 combiné à DE 202007000300 car la partie caractérisante des revendications indépendantes n'est pas divulguée et l'homme du métier n'aurait aucune incitation à reproduire la partie caractérisante des revendications indépendantes de la présente invention. En effet, les cellules photovoltaïques (20) sont disposées au-dessus de la plaque en cuivre ou aluminium (32) (cf figure 1 du document DE 202007000300) et ne sont donc pas coplanaires. The solution is not obvious either in view of the document US 2005/0133082 combined with DE 202007000300 because the characterizing part of the independent claims is not disclosed and the person skilled in the art would have no incentive to reproduce the characterizing part of the independent claims of the present invention. Indeed, the photovoltaic cells (20) are disposed above the copper or aluminum plate (32) (see Figure 1 of DE 202007000300) and are not coplanar.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) La présente invention concerne un dispositif de réception de l'énergie solaire selon la revendication 1 comprenant un étage supérieur (1) de réception de l'énergie solaire comprenant au-moins une lentille optique convergente de Fresnel (1.3), ledit étage supérieur (1) étant situé au-dessus d'un étage intermédiaire (2), ledit étage intermédiaire (2) comprenant au-moins un élément chauffant (2.1) sous lequel serpentent des canaux dans lesquels circulent un fluide (5) chauffé par l'énergie solaire, et au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), ledit étage intermédiaire (2) étant connecté à un étage inférieur (3) par au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1), et par au-moins un câble électrique (2.8) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), ledit étage intermédiaire (2) étant disposé au-dessus de l'étage inférieur (3), ledit étage inférieur (3) comprenant ledit au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1), ledit au-moins un câble électrique (2.8) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), au-moins un isolant thermique (2.4) entourant ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) et au-moins un tuyau de refroidissement (2.6) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'énergie solaire est focalisée sur ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) et ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est coplanaire audit au- moins un élément chauffant (2.1 ) et en ce que ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est refroidie par un fluide (5) circulant ns sous ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), ledit fluide (5) ayant été préchauffé par ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) avant de passer dans un tuyau (2.2) et dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) pour être chauffé. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) The present invention relates to a solar energy receiving device according to claim 1 comprising an upper stage (1) for receiving solar energy comprising at least one Fresnel convergent optical lens (1.3), said upper stage (1). ) being located above an intermediate stage (2), said intermediate stage (2) comprising at least one heating element (2.1) under which channels wind in which a fluid (5) heated by solar energy flows , and at least one photovoltaic cell (2.5), said intermediate stage (2) being connected to a lower stage (3) by at least one fluid transport pipe (2.10) connected to said at least one heating element (2.1), and at least one electric cable (2.8) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5), said intermediate stage (2) being disposed above the lower stage (3), said stage lower (3) comprising said at least one tu a fluid transport means (2.10) connected to said at least one heating element (2.1), said at least one electrical cable (2.8) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5), at least one insulator thermal device (2.4) surrounding said at least one heating element (2.1) and at least one cooling pipe (2.6) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5) said device being characterized in that the solar energy is focused on said at least one heating element (2.1) and said at least one photovoltaic cell (2.5) is coplanar with said at least one heating element (2.1) and said at least one photovoltaic cell (2.5) is cooled by a fluid (5) circulating ns under said at least one photovoltaic cell (2.5), said fluid (5) having been preheated by said at least one photovoltaic cell (2.5) before passing into a pipe (2.2) and in channels (4.3) located directly beneath said at least one heating element (2.1) to be heated.
La présente invention concerne aussi un procédé de production d'électricité et de chauffage d'un fluide (5) selon la revendication 2 à partir du dispositif de la revendication 1 , ledit procédé comprenant les étapes suivantes : The present invention also relates to a method for producing electricity and heating a fluid (5) according to claim 2 from the device of claim 1, said method comprising the following steps:
-absorption d'énergie solaire au niveau d'un étage supérieur (1 ) au moyen d'une lentille optique convergente de Fresnel (1.3),  -sorption of solar energy at an upper stage (1) by means of a convergent Fresnel optical lens (1.3),
-transformation de l'énergie solaire diffractée en énergie électrique par au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) et transformation en chaleur de l'énergie solaire focalisée par au-moins un élément chauffant (2.1 ) au niveau dudit étage intermédiaire (2), ledit étage intermédiaire (2) étant connecté à un étage inférieur (3) par au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1) et par au-moins un câble électrique (2.8) relié à au-moins une cellule photovoltaïque (2.5),  -transformation of the solar energy diffracted into electrical energy by at least one photovoltaic cell (2.5) and transformation into heat of the solar energy focused by at least one heating element (2.1) at said intermediate stage (2), said intermediate stage (2) being connected to a lower stage (3) by at least one fluid transport pipe (2.10) connected to said at least one heating element (2.1) and by at least one electric cable ( 2.8) connected to at least one photovoltaic cell (2.5),
l'énergie électrique et l'énergie thermique étant transférées au niveau dudit étage inférieur comprenant ledit au-moins un câble électrique (2.8), ledit au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10 ), au-moins un isolant thermique (2.4) et, au-moins un tuyau de the electrical energy and thermal energy being transferred to said lower stage comprising said at least one electrical cable (2.8), said at least one fluid transport pipe (2.10), at least one thermal insulation (2.4) and, at least one pipe of
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) refroidissement (2.6 ) de ladite au-moins une cellule photovoltaïque, ledit procédé étant caractérisé par une étape de préchauffage du fluide (5) par passage dudit fluide (5) sous ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) avant de passer dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1) pour préchauffer ledit fluide (5) et une étape de chauffage d'un fluide (5) au niveau d'un étage intermédiaire (2) par focalisation de l'énergie solaire sur au-moins un élément chauffant (2.1) et activation d'au- moins une cellule photovoltaïque (2.5) par diffraction de l'énergie solaire au niveau dudit étage intermédiaire (2), ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) étant coplanaire audit au-moins un élément chauffant (2.1). FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) cooling (2.6) of said at least one photovoltaic cell, said method being characterized by a step of preheating the fluid (5) by passing said fluid (5) under said at least one photovoltaic cell (2.5) before passing through channels (4.3) located directly under said at least one heating element (2.1) for preheating said fluid (5) and a step of heating a fluid (5) at an intermediate stage (2) by focusing the solar energy on at least one heating element (2.1) and activation of at least one photovoltaic cell (2.5) by diffraction of solar energy at said intermediate stage (2), said at least one photovoltaic cell ( 2.5) being coplanar with said at least one heating element (2.1).
Dans un mode de réalisation préféré le dispositif de la présente invention comprend au- moins un élément chauffant (2.1) où directement sous la surface duquel serpentent des canaux dans lesquels circulent un fluide (5) qui est chauffé par l'énergie solaire focalisée sur ledit au-moins un élément chauffant (2.1). In a preferred embodiment the device of the present invention comprises at least one heating element (2.1) where directly below the surface of which serpentines channels in which circulates a fluid (5) which is heated by solar energy focused on said at least one heating element (2.1).
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) La présente invention concerne un dispositif de réception de l'énergie solaire comprenant trois étages. L'étage supérieur (1 ) sert à collecter l'énergie solaire grâce à un système optique comprenant au-moins une lentille optique convergente de Fresnel (1.3) qui concentre la lumière solaire sur l'étage intermédiaire (2). Une paroi latérale supérieure (1.2) sépare l'étage supérieur (1) de l'étage intermédiaire (2) d'une distance égale à la distance focale du système optique (entre 1 cm et 20 cm, de préférence entre 5 cm et 10 cm, plus préférentiellement entre 6 cm et 8 cm). L'étage intermédiaire (2) transforme l'énergie solaire en énergie utile et exploitable. Il comprend au-moins un élément chauffant (2.1) sous lequel serpentent des canaux dans lesquels circule un fluide (5) chauffé par l'énergie solaire focalisée par l'étage supérieur (1 ). L'élément chauffant transforme l'énergie solaire en énergie thermique (unité : Joules). L'étage intermédiaire comporte aussi au moins une cellule photovoltaïque (2.5) qui va transformer l'énergie solaire en énergie électrique (unité : Joules). Le troisième étage (3), dit étage inférieur, sert à récolter l'énergie issue de l'étage intermédiaire (2) et à la rendre accessible à l'utilisateur. L'étage intermédiaire (2) est connecté à l'étage inférieur (3) par au-moins un tuyau de transport d'un fluide (5) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1 ), et par au-moins un câble électrique (2.8) relié à au- moins une cellule photovoltaïque (2.5). L'étage intermédiaire (2) est disposé sur l'étage inférieur (3), une paroi (1.1) séparant ces deux étages. Ledit étage inférieur comprend au- moins un connecteur fluidique (2.2; 2.3) inséré dans ladite paroi latérale inférieure (1.1), au- moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10; 2.11) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1), au-moins un câble électrique (2.8; 2.9) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), au-moins un isolant thermique (2.4) entourant ledit au-moins un élément chauffant (2.1) et au-moins un tuyau de refroidissement (2.6; 2.7) relié à ladite au- moins une cellule photovoltaïque (2.5). FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) The present invention relates to a solar energy receiving device comprising three stages. The upper stage (1) is used to collect solar energy by means of an optical system comprising at least one Fresnel convergent optical lens (1.3) which concentrates the sunlight on the intermediate stage (2). An upper side wall (1.2) separates the upper stage (1) from the intermediate stage (2) by a distance equal to the focal length of the optical system (between 1 cm and 20 cm, preferably between 5 cm and 10 cm). cm, more preferably between 6 cm and 8 cm). The intermediate stage (2) transforms solar energy into useful and exploitable energy. It comprises at least a heating element (2.1) under which channels wind in which circulates a fluid (5) heated by solar energy focused by the upper stage (1). The heating element converts solar energy into heat energy (unit: Joules). The intermediate stage also comprises at least one photovoltaic cell (2.5) which will transform the solar energy into electrical energy (unit: Joules). The third floor (3), said lower floor, is used to harvest the energy from the intermediate stage (2) and make it accessible to the user. The intermediate stage (2) is connected to the lower stage (3) by at least one fluid transport pipe (5) connected to said at least one heating element (2.1), and by at least one electric cable (2.8) connected to at least one photovoltaic cell (2.5). The intermediate stage (2) is arranged on the lower stage (3), a wall (1.1) separating these two stages. Said lower stage comprises at least one fluidic connector (2.2; 2.3) inserted in said lower sidewall (1.1), at least one fluid transporting pipe (2.10; 2.11) connected to said at least one heating element ( 2.1), at least one electrical cable (2.8, 2.9) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5), at least one thermal insulator (2.4) surrounding said at least one heating element (2.1) and at least one cooling pipe (2.6; 2.7) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5).
La présente invention concerne encore une utilisation du dispositif de réception de l'énergie solaire décrit précédemment pour produire de l'électricité et chauffer un fluide (5) de manière simultanée. The present invention further relates to a use of the solar energy receiving device described above for producing electricity and heating a fluid (5) simultaneously.
Le dispositif de la présente invention comprend une paroi latérale supérieure (1.2) et une paroi latérale inférieure (1.1) possédant une hauteur comprise entre 1 cm et 20 cm, de préférence entre 5 cm et 10 cm, plus préférentiellement entre 6 cm et 8 cm. The device of the present invention comprises an upper side wall (1.2) and a lower side wall (1.1) having a height of between 1 cm and 20 cm, preferably between 5 cm and 10 cm, more preferably between 6 cm and 8 cm. .
Le dispositif de la présente invention comprend au-moins un élément chauffant qui est une plaque métallique, de préférence en cuivre, en aluminium, en laiton ou en fer, de forme rectangulaire, carrée, ovale, ronde, triangulaire ou en forme de parallélogramme. The device of the present invention comprises at least one heating element which is a metal plate, preferably copper, aluminum, brass or iron, rectangular, square, oval, round, triangular or parallelogram-shaped.
Le dispositif de la présente invention comprend au-moins un élément chauffant (2.1 ) placé au centre de l'étage intermédiaire (2).  The device of the present invention comprises at least one heating element (2.1) placed at the center of the intermediate stage (2).
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Le dispositif de la présente invention comprend une surface autour dudit au-moins un élément chauffant couverte de plusieurs cellules photovoltaïques. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) The device of the present invention comprises a surface around said at least one heating element covered with a plurality of photovoltaic cells.
Le dispositif de la présente invention est entièrement étanche à l'eau et à l'air. The device of the present invention is fully waterproof and airtight.
Dans le dispositif de la présente invention le vide peut être réalisé. In the device of the present invention the vacuum can be realized.
Le dispositif de la présente invention comprend au moins une lentille optique convergente de Fresnel (1.3) possédant une forme de dôme sphérique (de forme concave) ou une forme plane. The device of the present invention comprises at least one convergent Fresnel optical lens (1.3) having a spherical dome shape (concave shape) or a planar shape.
Le dispositif de la présente invention comprend au-moins un élément chauffant surmonté d'une micro-serre transparente permettant le stockage de la chaleur.  The device of the present invention comprises at least one heating element surmounted by a transparent micro-greenhouse for storing heat.
Le dispositif de la présente invention comprend un vide partiel sous la micro-serre. The device of the present invention comprises a partial vacuum under the micro-greenhouse.
Le dispositif de la présente invention comprend au-moins une cellule photovoltaïque refroidie par un liquide froid, lequel va ensuite passer dans des canaux situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant pour être chauffé. Les points essentiels et avantages de la présente invention sont:  The device of the present invention comprises at least one cold-cooled photovoltaic cell, which will then pass into channels located directly beneath said at least one heating element to be heated. The essential points and advantages of the present invention are:
- un système de chauffage d'eau par un assemblage de lentille(s) de Fresnel superposées ne nécessitant pas de suivi actif du soleil.  - A water heating system by a superimposed Fresnel lens assembly (s) that does not require active tracking of the sun.
- un système hybride permettant la génération d'électricité et d'eau chaude de manière simultanée.  - a hybrid system allowing the generation of electricity and hot water simultaneously.
- un système comportant différentes méthodes pour augmenter le rendement énergétique (unité = %). - a system with different methods to increase energy efficiency (unit =%).
Le problème résolu par la présente invention est de fournir un dispositif de suivi du soleil passif et statique, grâce à au moins une lentille optique convergente de Fresnel, ne nécessitant pas de mécaniques lourdes afin d'avoir une exploitation optimale de la lumière solaire. The problem solved by the present invention is to provide a passive and static sun tracking device, thanks to at least one Fresnel convergent optical lens, not requiring heavy mechanics in order to have optimal exploitation of sunlight.
Le problème résolu par la présente invention est aussi de fournir simultanément de l'électricité et de l'eau chaude. The problem solved by the present invention is also to simultaneously supply electricity and hot water.
Le terme « cellules solaires » est un synonyme du terme « cellules photovoltaïques » dans la présente invention décrite ci-après. The term "solar cells" is a synonym for the term "photovoltaic cells" in the present invention described hereinafter.
Le terme « système » est un synonyme du terme « dispositif » dans la présente invention décrite ci-après.  The term "system" is a synonym for the term "device" in the present invention described hereinafter.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Description des figures de la présente invention : FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) Description of the Figures of the Present Invention
La figure 1 montre une coupe isométrique éclatée d'un module solaire faisant l'objet de la présente invention.  Figure 1 shows an exploded isometric section of a solar module subject of the present invention.
La figure 2 montre une vue de dessous du module ouvert (étage inférieur et étage intermédiaire). La température du fluide (5) passe de 18°C (lorsqu'il entre dans le conduit (2.6)) à 22°C (lorsqu'il arrive à l'entrée du conduit (2.2) de la figure 2) avant de passer dans les canaux (4.3) situés sous l'élément chauffant (2.1) et ce fluide (5) ressort à une température comprise entre 30°C et 45°C (en hivers) et à une température comprise entre 45°C et 65°C (en été) par le conduit (2.3) après passage sous l'élément chauffant (2.1).Figure 2 shows a bottom view of the open module (lower stage and intermediate stage). The temperature of the fluid (5) goes from 18 ° C (when it enters the conduit (2.6)) to 22 ° C (when it arrives at the entrance of the conduit (2.2) of Figure 2) before passing in the channels (4.3) located under the heating element (2.1) and this fluid (5) exits at a temperature between 30 ° C and 45 ° C (in winters) and at a temperature between 45 ° C and 65 ° C (in summer) through the duct (2.3) after passing under the heating element (2.1).
La figure 3 montre l'assemblage de plusieurs modules (trois dans ce cas) pour la production d'électricité et le chauffage d'eau. La figure 3 montre aussi la circulation de l'eau froide avant son entrée dans le premier module et ensuite la circulation de l'eau chaude sortant du premier module pour entrer dans le second module et passer dans le troisième module. La figure 4 montre une vue isométrique éclatée de l'élément chauffant du module solaire. La figure 5 montre l'effet de la température sur les caractéristiques d'une cellule solaire. Il existe un intérêt à utiliser des cellules solaires froides. Figure 3 shows the assembly of several modules (three in this case) for the production of electricity and water heating. Figure 3 also shows the flow of cold water before entering the first module and then the circulation of hot water leaving the first module to enter the second module and pass into the third module. Figure 4 shows an exploded isometric view of the heating element of the solar module. Figure 5 shows the effect of temperature on the characteristics of a solar cell. There is interest in using cold solar cells.
La figure 6 montre une vue isométrique éclatée du système de refroidissement des cellules solaires.  Figure 6 shows an exploded isometric view of the solar cell cooling system.
La figure 7 A montre le comportement du point focal d'un système optique en fonction de l'angle d'incidence de la lumière focalisée sur le dispositif. Figure 7A shows the behavior of the focal point of an optical system as a function of the angle of incidence of the light focused on the device.
La figure 7B montre le comportement du point focal de systèmes optiques composés d'une ou plusieurs lentilles de Fresnel en fonction de l'angle d'incidence de la lumière focalisée sur le dispositif.  Figure 7B shows the focal point behavior of optical systems composed of one or more Fresnel lenses as a function of the angle of incidence of the light focused on the device.
La figure 8 montre la puissance lumineuse transmise en fonction du nombre de lentilles de Fresnel. Figure 8 shows the transmitted light power as a function of the number of Fresnel lenses.
La figure 9A définit les angles utilisés pour les mesures des figures 10 et 11.  Figure 9A defines the angles used for the measurements of Figures 10 and 11.
La figure 9B définit l'altitude et la position azimutale du soleil. Figure 9B defines the altitude and azimuthal position of the sun.
Les figures 10A, 10B et 10C montrent le déplacement du point focal du système optique, composé de petites lentilles de Fresnel, en fonction du nombre de lentilles et des angles d'incidences.  FIGS. 10A, 10B and 10C show the displacement of the focal point of the optical system, composed of small Fresnel lenses, as a function of the number of lenses and the angles of incidence.
La figure 11A montre le déplacement du point focal du système optique composé d'une lentille de Fresnel en fonction des angles d'incidences.  FIG. 11A shows the displacement of the focal point of the optical system composed of a Fresnel lens as a function of the angles of incidence.
La figure 11 B montre le déplacement du point focal du système optique composé de deux grandes lentilles de Fresnel en fonction des angles d'incidences.  FIG. 11B shows the displacement of the focal point of the optical system composed of two large Fresnel lenses as a function of the angles of incidence.
La figure 11C montre le déplacement du point focal du système optique, composé de trois grandes lentilles de Fresnel en fonction des angles d'incidences.  FIG. 11C shows the displacement of the focal point of the optical system, composed of three large Fresnel lenses as a function of the angles of incidence.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) La figure 11 D montre le déplacement du point focal du système optique, composé de quatre grandes lentilles de Fresnel en fonction des angles d'incidences. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) FIG. 11D shows the displacement of the focal point of the optical system, composed of four large Fresnel lenses as a function of the angles of incidence.
La figure 12A montre les caractéristiques d'une cellule solaire sans système optique de lentilles de Fresnel.  Figure 12A shows the characteristics of a solar cell without Fresnel lens optics.
La figure 12B montre les caractéristiques d'une cellule solaire avec un système optique de lentilles de Fresnel. Figure 12B shows the characteristics of a solar cell with an optical system of Fresnel lenses.
La figure 13A illustre une expérience de chauffage réalisée avec plusieurs modules.  Figure 13A illustrates a heating experiment performed with several modules.
La figure 13B montre les résultats obtenus pour la température de l'eau sortant du système, la température de l'air extérieur et la température d'un réservoir d'eau servant de référence. La figure 14 montre une vue isométrique d'un module solaire ayant une lentille optique de Fresnel bombée (concave) càd en forme de dôme. Figure 13B shows the results obtained for the temperature of the water leaving the system, the outside air temperature and the temperature of a water tank serving as a reference. Figure 14 shows an isometric view of a solar module having a curved (concave) Fresnel optical lens ie domed lens.
La figure 15 donne les résultats de simulations numériques pour différentes configurations du système de chauffage.  Figure 15 gives the results of numerical simulations for different configurations of the heating system.
La figure 16 montre le déplacement du point focal dans le cas d'une lentille bombée (concave) en fonction des angles d'incidence.  Figure 16 shows the displacement of the focal point in the case of a curved lens (concave) as a function of the angles of incidence.
La figure 17 montre les pourcentages de perte d'énergie dans un module thermique standard.  Figure 17 shows the percentages of energy loss in a standard thermal module.
La figure 18 montre les rendements d'un module standard en fonction de la vitesse du fluide.  Figure 18 shows the yields of a standard module as a function of the fluid velocity.
La figure 19 montre la géométrie du module hybride de la présente invention pour les simulations numériques. Figure 19 shows the geometry of the hybrid module of the present invention for numerical simulations.
La figure 20 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=0s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.  Figure 20 shows the simulation result "Simul_03" at time t = 0s and for a fluid velocity of 10 mm / s.
La figure 21 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=600s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.  Figure 21 shows the simulation result "Simul_03" at time t = 600s and for a fluid velocity of 10 mm / s.
La figure 22 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=1200s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.  Figure 22 shows the simulation result "Simul_03" at time t = 1200s and for a fluid velocity of 10 mm / s.
La figure 23 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=2400s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.  Figure 23 shows the result of simulation "Simul_03" at time t = 2400s and for a fluid velocity of 10 mm / s.
La figure 24 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=3600s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s. Figure 24 shows the simulation result "Simul_03" at time t = 3600s and for a fluid velocity of 10 mm / s.
La figure 25 montre le rendement (%) en fonction de la vitesse du fluide.  Figure 25 shows the yield (%) as a function of the fluid velocity.
La présente invention décrit un module solaire hybride permettant de produire de l'électricité et un fluide (5) chaud (ou un liquide chaud tel que de l'eau ou du glycérol ou du glycol par exemple) de manière simultanée. The present invention describes a hybrid solar module for producing electricity and a hot fluid (5) (or a hot liquid such as water or glycerol or glycol for example) simultaneously.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Ceci permet d'augmenter le rendement énergétique du module solaire (le rendement énergétique est calculé en pourcentage). Le rendement énergétique = rendement (%) des cellules solaires + rendement (%) de la plaque chauffante. La lumière solaire est concentrée sur une petite surface (entre 100 cm2 et 1000 cm2, de préférence entre 150 cm2 et 600 cm2, plus préférentiellement entre 160 cm2 et 200 cm2) par l'intermédiaire d'un système optique composé de lentilles convergentes de Fresnel. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) This increases the energy efficiency of the solar module (energy efficiency is calculated in percentage). Energy efficiency = efficiency (%) of solar cells + efficiency (%) of the heating plate. The sunlight is concentrated on a small surface (between 100 cm 2 and 1000 cm 2 , preferably between 150 cm 2 and 600 cm 2 , more preferably between 160 cm 2 and 200 cm 2 ) via an optical system composed of convergent Fresnel lenses.
Un tel système a l'avantage de permettre de suivre la course du soleil, tout en laissant le module fixe.  Such a system has the advantage of allowing to follow the course of the sun, while leaving the fixed module.
Le nombre de cellules solaires disposées sur l'étage intermédiaire du dispositif peut s'élever à 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou plus.  The number of solar cells disposed on the intermediate stage of the device can be 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more.
Le nombre de plaque(s) chauffante(s) (ou élément(s) chauffant(s)) disposés sur l'étage intermédiaire du dispositif peut s'élever à 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou plus.  The number of heating plate (s) (or heating element (s)) arranged on the intermediate stage of the device can be 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9, 10 or more.
La présente invention décrit un nouveau module solaire hybride permettant de générer de l'électricité et de l'eau chaude dont la structure générale est représentée à la figure 1. The present invention describes a new hybrid solar module for generating electricity and hot water whose general structure is shown in Figure 1.
Les deux fonctions, thermique et photovoltaïque fonctionnent en synergie ou de manière indépendante. Par exemple, le système photovoltaïque peut compléter le système thermique au cas où les surfaces à chauffer sont grandes ou dans des pays à faible ensoleillement ou pendant les saisons à faible ensoleillement, en envoyant une partie de l'énergie électrique à un/des chauffe-eau électrique(s) afin de compléter la production d'eau chaude ou de chauffage de l'eau d'une piscine. The two functions, thermal and photovoltaic work in synergy or independently. For example, the photovoltaic system can supplement the thermal system in case the surfaces to be heated are large or in countries with low sunshine or during low sunlight seasons, by sending some of the electrical energy to one or more of the heaters. electric water (s) to supplement the production of hot water or heating the water of a swimming pool.
Exemples : Examples:
Le module (dispositif) de la présente invention est composé d'une base opaque ou paroi latérale (pos. 1.1) (pos. = position) et d'une superstructure comportant des parois latérales transparentes (pos. 1.2) et d'un système optique, fait d'un assemblage d'une ou de plusieurs lentilles de Fresnel (pos. 1.3). Le système optique va focaliser la lumière solaire sur un élément chauffant (pos. 2.1) sous lequel un fluide (5) (à température ambiante) va être chauffé. Si le système optique va focaliser une grande partie de la lumière, une certaine partie va être diffractée et ne sera pas utilisée pour le chauffage. Pour cette raison des cellules solaires (pos. 2.5) sont montées autour de l'élément chauffant. Les parois transparentes de la superstructure (pos. 1.2) laissent aussi passer de la lumière qui va être utilisée par les cellules solaires (pos. 2.5) pour produire de l'électricité. Le module possède six connexions fluidiques. Sur la figure 1 , trois de ces connections sont représentées, les trois autres sont sur la face opposée, cachée dans la figure. Les connecteurs du milieu (pos. The module (device) of the present invention is composed of an opaque base or side wall (pos.1.1) (pos = position) and a superstructure with transparent sidewalls (item 1.2) and a system optical, made of an assembly of one or more Fresnel lenses (item 1.3). The optical system will focus the sunlight on a heating element (item 2.1) under which a fluid (5) (at room temperature) will be heated. If the optical system will focus much of the light, some will be diffracted and will not be used for heating. For this reason solar cells (item 2.5) are mounted around the heating element. The transparent walls of the superstructure (item 1.2) also allow the light that will be used by the solar cells (item 2.5) to be used to produce electricity. The module has six fluidic connections. In Figure 1, three of these connections are shown, the other three are on the opposite side, hidden in the figure. The middle connectors (pos.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) 1.7) sont utilisés pour connecter le système fluidique de l'élément chauffant. Sous les cellules solaires se trouvent aussi des éléments fluidiques, à travers desquels de l'eau froide circule. Ces éléments sont reliés au milieu extérieur par les connecteurs fluidiques (pos. 1.6). L'électricité produite par les cellules solaires est récoltée par au-moins un fil électrique (pos.2.8) rassemblé dans un câble (pos. 2.9). FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) 1.7) are used to connect the fluidic system of the heating element. Under the solar cells are also fluidic elements, through which cold water circulates. These elements are connected to the external environment by the fluidic connectors (pos 1.6). The electricity produced by the solar cells is harvested by at least one electrical wire (pos.2.8) collected in a cable (item 2.9).
La figure 2 montre l'intérieur du socle (pos. 1.1 sur la figure 1 ) d'un module (module ouvert, vue du dessous). Au milieu se trouve l'élément chauffant du module. L'eau froide entre par le tuyau (pos. 2.2) et sort de l'élément chauffant par le tuyau (pos. 2.3). Ces derniers sont reliés à des connecteurs fluidiques (pos. 1.7 de la figure 1 ). Afin de limiter des pertes thermiques, la partie chaude du module, à savoir (pos 2.1 , pos. 2.2 et pos. 2.3), est entourée d'un isolant thermique (pos. 2.4). Les cellules solaires sont montées dans les quatre coins du socle. Elles sont assemblées avec des éléments de refroidissement (pos. 6.1 à la figure 6). Ces éléments sont refroidis par de l'eau froide circulant à travers eux (voir figure 6). Cette eau entre dans le module par le connecteur (pos. 2.6) et sort par le connecteur (pos. 2.12). Les éléments de refroidissement (6.1 ) sont reliés entre-eux deux à deux par un tuyau (pos. 2.7). Les cellules solaires sont connectées au milieu extérieur par des fils électriques (pos. 2.8) réunis dans un câble électrique (pos. 2.9). L'élément chauffant est décrit en détail à la figure 4 et les éléments de refroidissement des cellules solaires sont présentés à la figure 6. Figure 2 shows the inside of the base (item 1.1 in Figure 1) of a module (open module, view from below). In the middle is the heating element of the module. Cold water enters the pipe (item 2.2) and exits the heating element through the pipe (item 2.3). These are connected to fluidic connectors (pos 1.7 in Figure 1). In order to limit thermal losses, the hot part of the module, ie (pos 2.1, item 2.2 and item 2.3), is surrounded by a thermal insulation (item 2.4). The solar cells are mounted in the four corners of the base. They are assembled with cooling elements (6.1 in Figure 6). These elements are cooled by cold water flowing through them (see Figure 6). This water enters the module through the connector (item 2.6) and exits through the connector (item 2.12). The cooling elements (6.1) are interconnected in pairs by a pipe (item 2.7). The solar cells are connected to the external environment by means of electrical wires (item 2.8) joined in an electric cable (item 2.9). The heating element is described in detail in FIG. 4 and the cooling elements of the solar cells are shown in FIG.
Différents modules de la présente invention peuvent être connectés ensemble afin d'augmenter la puissance du système. Cette connexion est schématiquement illustrée à la figure 3, qui montre l'assemblage de trois modules solaires (pos. 3.1 ). L'eau froide entre dans le système (pos. 3.2). Elle passe sous les cellules solaires des différents modules en suivant le circuit fluidique allant de pos. 3.2 à pos. 3.3. A ce moment l'eau entre dans la partie chaude du système (partie du système fluidique allant de pos. 3.3 à pos. 3.4). Afin de limiter les pertes thermiques, la partie chaude est isolée thermiquement (pos. 3.5). Les câbles électriques (pos. 2.9) connectant les cellules solaires des différents modules entrent dans un boîtier (pos. 3.7), dans lequel les signaux électriques sont mis en forme afin de permettre à un utilisateur (pos. 3.8) d'utiliser l'électricité pour ses besoins. Different modules of the present invention can be connected together to increase the power of the system. This connection is schematically illustrated in Figure 3, which shows the assembly of three solar modules (item 3.1). Cold water enters the system (item 3.2). It passes under the solar cells of the different modules by following the fluidic circuit going from pos. 3.2 to pos. 3.3. At this moment the water enters the hot part of the system (part of the fluidic system going from pos 3.3 to position 3.4). In order to limit thermal losses, the hot part is thermally insulated (item 3.5). The electrical cables (item 2.9) connecting the solar cells of the different modules enter a housing (item 3.7), in which the electrical signals are shaped to allow a user (item 3.8) to use the electricity for his needs.
La figure 4 illustre la structure chauffante. Elle est composée d'un support (4.1 ) comportant une entrée et une sortie (pos. 4.2) pour le fluide (5) ainsi que les canaux de circulations du fluide (pos. 4.3). Afin de limiter les pertes thermiques le support est réalisé en un polymère qui est un mauvais conducteur thermique. Figure 4 illustrates the heating structure. It consists of a support (4.1) with an inlet and an outlet (4.2) for the fluid (5) and the fluid circulation channels (4.3). In order to limit the thermal losses the support is made of a polymer which is a bad thermal conductor.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Pour augmenter la capacité thermique de la structure, une partie de ces canaux est réalisée en métal (pos. 4.4). Les canaux sont recouverts d'une plaque de cuivre (pos. 2.1). Cette plaque est un absorbeur de chaleur qui est chauffé par la lumière solaire focalisée par le système optique de Fresnel (pos. 1.3). Afin de limiter les pertes thermiques, la plaque de cuivre peut être surmontée d'une micro serre, composée de parois (pos. 4.6) et d'un couvercle (4.7). Les parois et le couvercle sont transparents et fabriqués en polycarbonate, qui est un faible conducteur thermique. L'air dans l'espace (pos. 4.8) délimité par la plaque de cuivre, les parois et le couvercle, va s'échauffer, cette chaleur ne va pas être diffusée vers l'extérieur, mais va être utilisée pour chauffer le liquide dans les canaux. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) To increase the thermal capacity of the structure, part of these channels is made of metal (item 4.4). The channels are covered with a copper plate (item 2.1). This plate is a heat absorber that is heated by the sunlight focused by the Fresnel optical system (item 1.3). In order to limit thermal losses, the copper plate can be surmounted by a micro greenhouse, consisting of walls (item 4.6) and a cover (4.7). The walls and lid are transparent and made of polycarbonate, which is a low thermal conductor. The air in the space (item 4.8) delimited by the copper plate, the walls and the lid, will heat up, this heat will not be diffused outwards, but will be used to heat the liquid in the channels.
Il est bien connu de l'homme du métier, que des cellules solaires fonctionnent mieux et possèdent un meilleur rendement énergétique à de basses températures. It is well known to those skilled in the art that solar cells work better and have better energy efficiency at low temperatures.
Ceci est illustré à la figure 5, qui représente les caractéristiques électriques de cellules à différentes températures (25 °C, 50 °C et 75 °C) et illuminées avec une lumière de 1000 W/m2. La cellule en question est un petit module composé de différentes cellules solaires en silicium. Ce genre de module est utilisé dans le prototype du module solaire de la présente invention. L'axe horizontal du graphe de la figure 5 représente le potentiel électrique ou la tension appliquée aux bornes de la cellule. L'axe vertical gauche représente le courant passant à travers la cellule. L'axe vertical droit montre la puissance électrique fournie par la cellule. This is illustrated in Figure 5, which shows the electrical characteristics of cells at different temperatures (25 ° C, 50 ° C and 75 ° C) and illuminated with 1000 W / m 2 light . The cell in question is a small module composed of different silicon solar cells. This kind of module is used in the prototype of the solar module of the present invention. The horizontal axis of the graph of FIG. 5 represents the electric potential or the voltage applied across the cell. The left vertical axis represents the current passing through the cell. The right vertical axis shows the electrical power provided by the cell.
La puissance est calculée en multipliant la tension appliquée avec le courant électrique correspondant. Pour de faibles tensions, le courant et la puissance sont les mêmes pour toutes les températures. Mais pour des tensions élevées, le courant fourni par la cellule diminue pour des températures élevées. Il s'en suit que la puissance diminue aussi. En augmentant la température de 50 °C (de 25 °C à 75 °C), la puissance disponible par la cellule chute de presque 30%. Ceci montre clairement qu'il est nécessaire de refroidir une cellule solaire. Dans le cadre de cette invention, le refroidissement des cellules solaires se fait par l'intermédiaire de la structure représentée à la figure 6.  The power is calculated by multiplying the applied voltage with the corresponding electric current. For low voltages, the current and power are the same for all temperatures. But for high voltages, the current supplied by the cell decreases at high temperatures. It follows that the power also decreases. By increasing the temperature by 50 ° C (from 25 ° C to 75 ° C), the power available from the cell drops by almost 30%. This clearly shows that it is necessary to cool a solar cell. In the context of this invention, the cooling of the solar cells is done through the structure shown in FIG.
Dans un support (pos. 6.1 ) des entrées et des sorties sont usinées (pos. 6.2) pour le fluide (5), ainsi que des canaux de circulations (pos. 6.3) du liquide. Le système de canaux est fermé par une plaque de cuivre (pos. 6.4). Sur cet assemblage est fixée la cellule solaire (pos. 2.5). Les différentes structures de refroidissement d'un module solaire peuvent être reliées ensemble. L'eau froide entrant le module solaire ou dans un assemblage de plusieurs modules passe d'abord dans les structures de refroidissement des cellules et elle est ensuite chauffée par les structures chauffantes (2.1) comme cela est expliqué à la figure 3.  In a support (item 6.1), the inputs and outputs are machined (item 6.2) for the fluid (5), as well as the circulation channels (item 6.3) of the liquid. The channel system is closed by a copper plate (item 6.4). On this assembly is fixed the solar cell (pos.2.5). The different cooling structures of a solar module can be connected together. The cold water entering the solar module or in an assembly of several modules passes first into the cooling structures of the cells and is then heated by the heating structures (2.1) as explained in Figure 3.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Une des grandes innovations de la présente invention est d'utiliser un système optique d'une ou plusieurs lentilles de Fresnel planes ou ayant la forme d'un dôme (concave) pour focaliser la lumière solaire sur la structure chauffante, de préférence en cuivre, du module solaire. La figure 7A montre les déplacements du point focal d'une lentille en fonction de l'angle d'incidence de la lumière sur la lentille. Si la lumière frappe la lentille perpendiculairement, le point focal (point fp) se trouve exactement sous le milieu de la lentille sur l'axe optique du système. Mais si la lumière frappe la lentille avec un angle a par rapport à la normale de la surface de la lentille, le point focal se déplace (point fpa) et s'éloigne de l'axe optique du système. En fonction du nombre de lentilles utilisées, la distance entre fp et fpa peut être très grande et il peut arriver que fpa n'est plus sous la lentille. L'évolution de la distance entre fp et fpa en fonction du nombre de lentilles est illustrée schématiquement à la figure 7B. Ce sont trois systèmes optiques comportant respectivement une, deux et trois lentilles de Fresnel. Deux points importants sont à noter. Premièrement, la distance entre les points fp et fpa diminue en fonction du nombre de lentille. Deuxièmement, la distance focale (distance entre la lentille et le point focal du système) diminue aussi. En utilisant plusieurs lentilles, on arrive donc à mieux focaliser la lumière et indépendamment de l'angle d'incidence le point focal se situe toujours proche de l'axe optique du système. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) One of the great innovations of the present invention is to use an optical system of one or more plane or dome-shaped (concave) Fresnel lenses for focusing the sunlight on the heating structure, preferably made of copper, solar module. Figure 7A shows the displacements of the focal point of a lens as a function of the angle of incidence of the light on the lens. If the light hits the lens perpendicularly, the focal point (point fp) is exactly below the middle of the lens on the optical axis of the system. But if the light hits the lens at an angle to the normal of the surface of the lens, the focal point moves (point fpa) and moves away from the optical axis of the system. Depending on the number of lenses used, the distance between fp and fpa can be very large and it can happen that fpa is no longer under the lens. The evolution of the distance between fp and fpa as a function of the number of lenses is schematically illustrated in FIG. 7B. These are three optical systems respectively comprising one, two and three Fresnel lenses. There are two important points to note. First, the distance between the points fp and fpa decreases as a function of the number of lenses. Secondly, the focal distance (distance between the lens and the focal point of the system) also decreases. By using several lenses, we can better focus the light and regardless of the angle of incidence the focal point is always close to the optical axis of the system.
Toutefois, il est important de noter que l'augmentation du nombre de lentilles utilisées diminue la puissance transmise. Ceci est montré à la figure 8, pour des lentilles construites en plexiglas. Le taux de transmission d'une telle lentille est de 92%. Pour un système composé de quatre lentilles, la puissance transmise n'est plus que de 72%. Il s'agit donc de trouver un optimum entre la position et l'évolution du point focal en fonction de l'angle d'incidence de la lumière et la puissance transmise par le système optique. However, it is important to note that increasing the number of lenses used decreases the transmitted power. This is shown in Figure 8 for lenses made of Plexiglas. The transmission rate of such a lens is 92%. For a system composed of four lenses, the transmitted power is only 72%. It is therefore a question of finding an optimum between the position and the evolution of the focal point as a function of the angle of incidence of the light and the power transmitted by the optical system.
Les figures 10A, 10B, 10C et 11 A, 11 B, 11C, 11 D montrent des mesures réelles avec deux sortes de systèmes optiques. Dans les deux cas, les lentilles sont des lentilles faites en PMMA (Poly-Methyl-Methyl-Acrilate), plus connu sous le nom de plexiglas. Figures 10A, 10B, 10C and 11A, 11B, 11C, 11D show actual measurements with two kinds of optical systems. In both cases, the lenses are lenses made of PMMA (Poly-Methyl-Methyl-Acrilate), better known as Plexiglas.
Dans le cas des figures 10A, 10B et 10C les dimensions d'une lentille sont de 160mmx100mmx2mm et la distance focale d'une telle lentille est de 120 mm. Pour 2 lentilles, la distance focale est de 80 mm et pour trois lentilles, elle est de 24 mm. In the case of Figures 10A, 10B and 10C the dimensions of a lens are 160mmx100mmx2mm and the focal length of such a lens is 120 mm. For 2 lenses, the focal length is 80 mm and for three lenses it is 24 mm.
Pour le système optique des figures 11 A, 11 B, 11C et 11 D les dimensions d'une lentille sont de 395mmx395mmx2mm. La distance focale d'une lentille est de 200 mm, pour deux lentilles, elle est de 150 mm, pour trois lentilles elle est de 60 mm et pour 4 lentilles elle est de 30 mm. For the optical system of FIGS. 11A, 11B, 11C and 11D the dimensions of a lens are 395mmx395mmx2mm. The focal length of a lens is 200 mm, for two lenses it is 150 mm, for three lenses it is 60 mm and for 4 lenses it is 30 mm.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Sur les figures 10A, 10B, 10C et 11 A, 11 B, 11C, 11 D la position du point focal est donnée en fonction de l'angle d'inclinaison du système optique par rapport à l'horizontal et en fonction du temps. A chaque temps correspond une position ou un angle d'altitude du soleil. Les différents angles utilisés pour les mesures des figures 10A à 10C et 11A à 11 D sont définis dans les figures 9A et 9B pour plus de clarté. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) In FIGS. 10A, 10B, 10C and 11A, 11B, 11C, 11D the position of the focal point is given as a function of the angle of inclination of the optical system with respect to the horizontal and as a function of time. Each time corresponds to a position or an altitude angle of the sun. The different angles used for the measurements of FIGS. 10A to 10C and 11A to 11D are defined in FIGS. 9A and 9B for the sake of clarity.
La figure 10A montre le déplacement du point focal pour un système optique composé d'une lentille de dimension de 160mmx100mm.  FIG. 10A shows the displacement of the focal point for an optical system composed of a lens of dimension of 160 mm × 100 mm.
La zone grise représente la lentille. Pour un grand nombre d'angles d'incidence, le point focal ne se situe pas sous la lentille. Pour un système optique de deux de telles lentilles de même dimensions, tous les points focaux sont situés sous le système optique (figure 10B). La même chose est vraie pour un système de trois lentilles (figure 10C). Dans ce dernier cas, les points focaux se trouvent tous sur une surface de 60mmx40mm, centrée autour de l'axe optique du système.  The gray area represents the lens. For a large number of angles of incidence, the focal point is not located under the lens. For an optical system of two such lenses of the same size, all the focal points are located under the optical system (Figure 10B). The same is true for a three-lens system (Figure 10C). In the latter case, the focal points are all on an area of 60mmx40mm, centered around the optical axis of the system.
Les figures 11 A, 11 B, 11 C et 11 D montrent des mesures similaires pour des systèmes optiques faits de lentilles d'une surface de 395mmx395mm. De nouveau, pour une lentille (figure 11 A) les points focaux sont très dispersés sous la lentille. En augmentant le nombre de lentilles (figure 11 B: 2 lentilles, figure 11C: trois lentilles et figure 11 D: quatre lentilles), cette dispersion diminue et pour un système de quatre lentilles, tous les point focaux se trouvent sur une surface de 70mmx60mm. Ceci représente une surface de 2,7% de la surface totale de la lentille.  Figures 11A, 11B, 11C, and 11D show similar measurements for optical systems made of lenses with an area of 395mmx395mm. Again, for a lens (Figure 11A) the focal points are widely scattered under the lens. By increasing the number of lenses (Figure 11 B: 2 lenses, Figure 11C: three lenses and Figure 11 D: four lenses), this dispersion decreases and for a system of four lenses, all the focal points are on a surface of 70mmx60mm . This represents an area of 2.7% of the total area of the lens.
Toutes ces mesures démontrent le bien-fondé de la présente invention. Il est par conséquent possible, en utilisant des lentilles de Fresnel de focaliser la lumière solaire sur une petite surface et ceci indépendamment de la position du soleil et de l'orientation du module. On a donc un système de suivi du soleil passif et statique, ne nécessitant pas de mécaniques lourde afin d'avoir une exploitation optimale de la lumière solaire.  All of these measures demonstrate the merits of the present invention. It is therefore possible, by using Fresnel lenses to focus the sunlight on a small area and this independently of the sun position and orientation of the module. So we have a passive and static sun tracking system, not requiring heavy mechanics in order to have optimal exploitation of sunlight.
Comme la lumière incidente est toujours concentrée sur une petite surface autour de l'axe optique, il reste beaucoup de place disponible sous la lentille. Ainsi pour un système de trois lentilles de dimensions de 395mmx395mm, et qui est la configuration préférée de la présente invention, seulement 7% sous le système optique sont nécessaire pour la partie chauffante du module solaire. Une grande partie des 93% restant est utilisée, dans le cadre de cette invention, pour le montage de cellules solaires. Ceci est aussi justifié par le fait que le système optique ne focalise pas parfaitement la lumière incidente. A cause de la structure géométrique d'une lentille de Fresnel, une partie des rayons lumineux sont diffractés. Dans le cas de la présente invention, les rayons du soleil diffractés illuminent les cellules solaires (cellules photovoltaïques) et permettent la génération d'électricité.  As the incident light is always focused on a small area around the optical axis, there is still a lot of space available under the lens. Thus for a three-lens system of 395mmx395mm, and which is the preferred configuration of the present invention, only 7% under the optical system is required for the heating portion of the solar module. A large part of the remaining 93% is used in the context of this invention for mounting solar cells. This is also justified by the fact that the optical system does not perfectly focus the incident light. Due to the geometric structure of a Fresnel lens, some of the light rays are diffracted. In the case of the present invention, the diffracted sunbeams illuminate the solar cells (photovoltaic cells) and allow the generation of electricity.
Ceci est montré aux figures 12A et 12B, où sont représentées des mesures pratiques sur des cellules montées dans le module solaire. La figure 12A représente les caractéristiques  This is shown in FIGS. 12A and 12B, where practical measurements are shown on cells mounted in the solar module. Figure 12A shows the characteristics
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) d'une cellule lorsque les lentilles de Fresnel sont enlevées, tandis que la figure 12B montre ces mêmes caractéristiques en présence d'un système optique composé de trois lentilles de Fresnel. La puissance incidente de la lumière pour les deux cas est de 1000 W/m2. Les cellules solaires sont de petits modules composés de cellules individuelles en silicium. La taille totale des cellules solaires par module est de 105mmx80mm. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) of a cell when the Fresnel lenses are removed, while Figure 12B shows these same characteristics in the presence of an optical system consisting of three Fresnel lenses. The incident power of light for both cases is 1000 W / m 2 . Solar cells are small modules composed of individual silicon cells. The total size of the solar cells per module is 105mmx80mm.
Dans le cas des mesures sans lentilles, la puissance fournie par les cellules solaires est de 0.8 W. Avec un système optique de trois lentilles, ce rendement chute de 19% à 0.65W. Ceci reste acceptable, surtout si l'on considère que les cellules solaires sont efficacement refroidies dans les modules solaires de la présente invention. Il faut se rappeler que le refroidissement des modules photovoltaïques existants sur le marché, est très mauvais, ce qui a une forte influence sur des puissances atteintes par ces modules.  In the case of measurements without lenses, the power supplied by the solar cells is 0.8 W. With a three-lens optical system, this efficiency drops by 19% to 0.65W. This remains acceptable, especially considering that the solar cells are effectively cooled in the solar modules of the present invention. It must be remembered that the cooling of existing photovoltaic modules on the market is very bad, which has a strong influence on the power achieved by these modules.
Les figures 13A et 13B donnent des résultats pratiques pour le chauffage d'eau en utilisant le module de la présente invention. Les modules sont réalisés avec des lentilles de petites dimensions (160mmx100mm). Les modules ne comportent pas de cellules solaires, car le but de l'expérience est de tester le bienfondé de l'utilisation de lentilles de Fresnel pour le chauffage d'eau. Trois modules sont reliés en série. Par l'intermédiaire d'une pompe, l'eau est puisée d'un réservoir isolé d'un volume de 5 litres et contenant 4 litres d'eau, et est pompé à travers les trois modules solaires. La vitesse de pompage est de 0,2 litre par minute. A la sortie des modules, l'eau est retournée dans le réservoir isolé. Figs. 13A and 13B provide practical results for water heating using the module of the present invention. The modules are made with lenses of small dimensions (160mmx100mm). The modules do not include solar cells, because the purpose of the experiment is to test the merits of the use of Fresnel lenses for water heating. Three modules are connected in series. Through a pump, the water is drawn from an isolated tank of a volume of 5 liters and containing 4 liters of water, and is pumped through the three solar modules. The pumping speed is 0.2 liters per minute. At the exit of the modules, the water is returned to the insulated tank.
La température va donc augmentée dans ledit réservoir isolé et à des intervalles de temps régulier va être enregistrée. Un deuxième réservoir, placé dans les mêmes conditions, contient de l'eau qui ne subira pas de chauffage. Ce deuxième réservoir sert de référence et sa température est mesurée aux mêmes instants que celle du premier réservoir. Une troisième température mesurée est la température ambiante.  The temperature will therefore increase in said isolated tank and at regular time intervals will be recorded. A second tank, placed under the same conditions, contains water that will not be heated. This second tank serves as a reference and its temperature is measured at the same times as that of the first tank. A third measured temperature is the ambient temperature.
La figure 13B montre les résultats des mesures faites entre 10 heures du matin et 5 heures de l'après-midi. Alors que la température ambiante et celle du réservoir de référence varient seulement entre 17 et 25 °C, la température de l'eau chauffée par le système des modules solaires augmente par contre fortement pour atteindre plus de 50°C. Cette expérience montre le bienfondé du système de chauffage de la présente invention.  Figure 13B shows the results of measurements made between 10 am and 5 pm. While the ambient temperature and that of the reference tank vary only between 17 and 25 ° C, the temperature of the water heated by the solar module system increases strongly against to reach more than 50 ° C. This experiment demonstrates the merits of the heating system of the present invention.
Il existe des moyens pour augmenter la température de l'eau. Nous allons présenter deux méthodes qui font partie de la présente invention. There are ways to increase the temperature of the water. We will present two methods that form part of the present invention.
Les résultats de la première sont basés sur des simulations numériques par des calculs d'éléments finis. Ces résultats sont montrés à la figure 15.  The results of the first are based on numerical simulations by finite element calculations. These results are shown in Figure 15.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Dans une première simulation, l'élément chauffant est chauffé par des rayons lumineux non focalisés. La puissance incidente est de 1000 W/m2. La température du système et plus particulièrement la température du liquide s'élève à 35 °C. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) In a first simulation, the heating element is heated by non-focused light rays. The incident power is 1000 W / m 2 . The temperature of the system and more particularly the temperature of the liquid is 35 ° C.
Dans une deuxième simulation, la lumière avec la même puissance de 1000 W/m2, est concentrée par des lentilles. Le point de focalisation a un diamètre de 0.5 cm. La température de l'eau monte à 58°C. Dans cette simulation, il n'y a pas de micro-serre (pos 4.8), composée des pièces pos. 4.7 et pos 4.6. Il y a ainsi des pertes de chaleur dans le système total. In a second simulation, the light with the same power of 1000 W / m 2 , is concentrated by lenses. The focal point has a diameter of 0.5 cm. The temperature of the water rises to 58 ° C. In this simulation, there is no micro-greenhouse (pos 4.8), consisting of pos pieces. 4.7 and pos 4.6. There is heat loss in the total system.
Dans une troisième simulation, la micro-serre est incluse. Elle est remplie d'air. Les autres conditions sont identiques à celle de la simulation 2. Dans ce cas, la température de l'eau s'élève à 69°C.  In a third simulation, the micro-greenhouse is included. She is filled with air. The other conditions are identical to that of simulation 2. In this case, the water temperature is 69 ° C.
Dans une quatrième simulation, l'air dans la micro-serre est remplacé par un vide partiel faible de 700 mmHg ou 93.3 hPa. La température de l'eau monte dans ce cas à 78 °C. In a fourth simulation, the air in the micro-greenhouse is replaced by a low partial vacuum of 700 mmHg or 93.3 hPa. In this case, the water temperature rises to 78 ° C.
Il y a dès lors un intérêt à avoir sur l'élément chauffant une micro serre dans laquelle existe un vide partiel afin d'avoir une extraction de chaleur maximum. There is therefore an interest in having on the heating element a micro greenhouse in which there is a partial vacuum in order to have maximum heat extraction.
La deuxième amélioration à considérer dans la présente invention concerne le système optique. Dans les modules présentés jusqu'ici, les lentilles utilisées sont des lentilles de Fresnel planes. Afin d'avoir une focalisation concentrée sur une petite surface pour toutes les positions du soleil relatives au module solaire, il est nécessaire d'utiliser plusieurs lentilles superposées. Or comme expliqué précédemment, les pertes d'absorption de la lumière dans un tel système optique peuvent être assez grandes. Il s'agit alors de trouver un système, qui focalise bien la lumière et qui utilise le moins de lentilles possibles. Ceci peut être fait en employant un système optique constitué d'une seule lentille de Fresnel bombée (concave) càd en forme de dôme (pos. 14.1 ).  The second improvement to be considered in the present invention relates to the optical system. In the modules presented so far, the lenses used are flat Fresnel lenses. In order to have a concentrated focus on a small area for all solar positions relating to the solar module, it is necessary to use multiple lenses superimposed. However, as previously explained, the absorption losses of light in such an optical system can be quite large. It is then a question of finding a system, which focuses the light well and which uses the least possible lenses. This can be done by employing an optical system consisting of a single domed (concave) Fresnel lens ie dome-shaped (item 14.1).
Un module avec une telle lentille est représenté à la figure 14. A module with such a lens is shown in FIG.
Ce module est similaire à celui de la figure 1 , à l'exception du système optique. Dans la figure 1 , ce système est composé de lentilles planes (pos. 1.3), alors que dans la figure 14, le système est fait d'une lentille de Fresnel bombée càd en forme de dôme.  This module is similar to that of Figure 1, with the exception of the optical system. In Figure 1, this system consists of flat lenses (item 1.3), while in Figure 14 the system is made of a domed Fresnel lens, ie domed.
La figure 16 montre l'effet du bombage de la lentille de Fresnel sur le déplacement du point focal en fonction de la position relative du soleil par rapport au module. Les résultats de la figure 16 sont à comparer avec ceux de la figure 10A. Dans les deux cas, une lentille de dimension de 160mmx100mm est utilisée. Le rayon de courbure de la lentille bombée est de 10 cm. Elle ne se présente pas sous forme de dôme, mais seulement sous forme de cylindre. Néanmoins, il est très apparent qu'avec une telle lentille, le déplacement du point focal est beaucoup plus petit qu'avec une lentille plane. FIG. 16 shows the effect of the bending of the Fresnel lens on the displacement of the focal point as a function of the relative position of the sun with respect to the module. The results of Figure 16 compare with those of Figure 10A. In both cases, a 160mmx100mm size lens is used. The radius of curvature of the curved lens is 10 cm. It is not in the form of a dome, but only in the form of a cylinder. Nevertheless, it is very apparent that with such a lens, the displacement of the focal point is much smaller than with a flat lens.
Une lentille sous forme de dôme va permettre de bien focaliser la lumière tout en diminuant les pertes d'absorption dans le système optique.  A lens in the form of a dome will allow to focus the light while decreasing the absorption losses in the optical system.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Certaines caractéristiques de l'invention qui sont décrites sous forme de mode de réalisation séparés, peuvent aussi être fournies en combinaison dans un mode de réalisation unique. A l'opposé certaines caractéristiques de l'invention qui sont décrites sous forme de mode de réalisation en combinaison dans un mode de réalisation unique, peuvent aussi être fournies séparément sous forme de plusieurs modes de réalisation séparés. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Certain features of the invention which are described as separate embodiments may also be provided in combination in a single embodiment. In contrast, certain features of the invention which are described as an embodiment in combination in a single embodiment may also be provided separately in the form of several separate embodiments.
Bien que l'invention ait été décrite en conjonction avec des modes de réalisation spécifiques de celui-ci, il est évident que plusieurs alternatives, modifications et variations peuvent être détectées par un homme du métier. Ainsi, nous avons l'intention d'englober de telles alternatives, modifications et variations qui tombent dans la portée des revendications. Although the invention has been described in conjunction with specific embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications, and variations may be detected by a person skilled in the art. Thus, we intend to encompass such alternatives, modifications and variations that fall within the scope of the claims.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Tests comparatifs : calculs de rendements des modules solaires hybrides FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) Comparative tests: yield calculations of hybrid solar modules
Le but de ces tests est de présenter des calculs et des résultats de simulations concernant le rendement des modules hybrides de la présente invention. Ces calculs ont été réalisés par la méthode des éléments finis (norme internationalement reconnue et qui est bien connue de l'homme du métier). Le programme utilisé pour ces tests s'appelle le programme ComsoW.Oa. The purpose of these tests is to present calculations and simulation results concerning the performance of the hybrid modules of the present invention. These calculations were performed by the finite element method (internationally recognized standard and which is well known to those skilled in the art). The program used for these tests is called the ComsoW.Oa program.
Seules des simulations en deux dimensions (2D) ont été considérées.  Only simulations in two dimensions (2D) have been considered.
Différents cas ont été simulés. Ils sont résumés dans le tableau 1 suivant: Different cases were simulated. They are summarized in Table 1 below:
Tableau 1 : Table 1:
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000023_0001
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) La simulation Simul_01 est une simulation de comparaison et de calibration du programme ComsoW.Oa. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) The Simul_01 simulation is a comparison and calibration simulation of the ComsoW.Oa program.
La figure 17 montre les pertes dans un module thermique standard. Typiquement seulement 45% de l'énergie solaire incidente est transformée en chaleur utilisable. Le rendement est donc de 45%. Le but de la simulation Simul_01 est de calibrer le programme et la méthode de calcul avant d'obtenir des rendements du même ordre de grandeur pour un module standard. La taille du module choisi est un carré de 0.4 m (40 cm) de côté. Ces dimensions ont été choisies car elles sont identiques aux dimensions du prototype du module hybride de la présente invention.  Figure 17 shows the losses in a standard thermal module. Typically only 45% of incident solar energy is converted into usable heat. The yield is therefore 45%. The purpose of simulation Simul_01 is to calibrate the program and the calculation method before obtaining yields of the same order of magnitude for a standard module. The size of the module chosen is a square of 0.4 m (40 cm) side. These dimensions have been chosen because they are identical to the dimensions of the prototype of the hybrid module of the present invention.
Le rendement énergétique est défini comme étant le rapport entre l'énergie (ou puissance) sortant d'un système et l'énergie (ou puissance) entrant dans ce même système. Le rendement est exprimé en pourcentage (%). Energy efficiency is defined as the ratio between the energy (or power) coming out of a system and the energy (or power) entering the same system. The yield is expressed as a percentage (%).
Le rendement d'un module photo-thermique est donné par la formule suivante:  The yield of a photo-thermal module is given by the following formula:
Figure imgf000024_0001
Figure imgf000024_0001
C P est la capacité thermique du fluide passant dans le module (en J/(kg K)), m est la masse du fluide chauffée (en kg), ΔΤ est la différence de température entre le moment initial et le moment final (en Kelvin), A est la surface du module (en m2) et J p dt est l'énergie solaire reçue par le module thermique (en Joule) entre le moment initial et moment final, P étant la puissance solaire incidente (en W/m2). where C P is the thermal capacity of the fluid passing through the module (in J / (kg K)), m is the mass of the heated fluid (in kg), ΔΤ is the temperature difference between the initial moment and the final moment ( in Kelvin), A is the surface of the module (in m 2) and J p dt e st solar energy received by the thermal module (in Joule) between the initial and final time point, where P is the incident solar power ( W / m 2 ).
Pour les calculs présentés ici, la puissance varie de manière linéaire de 50 W/m2 à 500 W/m2 en 60 minutes (3600 secondes): For the calculations presented here, the power varies linearly from 50 W / m 2 to 500 W / m 2 in 60 minutes (3600 seconds):
P=&i25 f+5Q P = & i25 f + 5Q
avec f étant le temps. with f being the time.
La formule de calcul de l'énergie solaire entrant dans l'étage supérieure du module est alors:  The formula for calculating the solar energy entering the upper stage of the module is then:
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26)
Figure imgf000025_0001
FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26)
Figure imgf000025_0001
La masse est liée à la vitesse du fluide passant dans le module. Soit r le rayon intérieur du tube à travers lequel circule le fluide. La masse du fluide passant à travers ce tube est donnée par: vin est la vitesse du fluide à travers le tube (en m/s). Le rayon r considéré ici est de 1 ,5 mm. The mass is related to the speed of the fluid passing through the module. Let r be the inside radius of the tube through which the fluid flows. The mass of the fluid passing through this tube is given by: where v in is the velocity of the fluid through the tube (in m / s). The radius r considered here is 1.5 mm.
La formule de calcul du rendement éner étique est alors:
Figure imgf000025_0003
avec étant le temps final: 3600 s.
The formula for calculating energy efficiency is then:
Figure imgf000025_0003
with being the final time: 3600 s.
D'après la dernière équation, le rendement dépend uniquement de la vitesse du fluide à travers le module.  According to the last equation, the efficiency depends only on the speed of the fluid through the module.
Les vitesses considérées dans ce travail, ainsi que les masses correspondantes sont résumées dans le tableau 2 suivant:  The speeds considered in this work, as well as the corresponding masses, are summarized in Table 2 below:
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Tableau 2 : FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) Table 2:
Figure imgf000026_0001
La figure 18 montre le rendement d'un module standard (Simul_01 ) en fonction de la vitesse d'un fluide. On observe que le rendement n'est pas constant, mais varie en fonction de la vitesse. Un rendement maximum est atteint pour des vitesses de l'ordre de 20 mm/s. Le rendement atteint est de 47%, ce qui est comparable à ce qui est atteint dans les modules thermiques standards. La calibration des simulations bidimensionnelles (2D) est satisfaisante et la méthodologie employée est appliquée pour les simulations bidimensionnelles (2D) des modules hybrides. Il est à noter que le programme ComsoW.Oa est seulement utilisé pour les simulations Simul_02 à Simul_04. Les simulations (Simul_05 à Simul_07) impliquent seulement les cellules solaires et n'ont pas besoin des simulations d'éléments finis, mais les rendements peuvent être calculés en considérant la physique des cellules solaires photovoltaïques.
Figure imgf000026_0001
Figure 18 shows the performance of a standard module (Simul_01) as a function of the speed of a fluid. It is observed that the yield is not constant, but varies according to the speed. Maximum efficiency is achieved for speeds of the order of 20 mm / s. The efficiency achieved is 47%, which is comparable to what is achieved in standard thermal modules. The calibration of two-dimensional (2D) simulations is satisfactory and the methodology used is applied for two-dimensional (2D) simulations of hybrid modules. Note that the ComsoW.Oa program is only used for simulations Simul_02 to Simul_04. Simulations (Simul_05 to Simul_07) involve only solar cells and do not require finite element simulations, but yields can be calculated by considering the physics of solar photovoltaic cells.
Les résultats des simulations Simul_08 à Simul_010 sont simplement obtenus en ajoutant les résultats correspondants obtenus précédents (Simul_08 = Simul_02 + Simul_05; Simul_09 = Simul_03 + Simul_06; SimuMO = Simul_04 + Simul_07). La figure 19 montre la structure du modèle géométrique bidimensionnelle (2D) du module hybride pour les simulations numériques. La longueur du tube et de la surface absorbante (partie 2) est de 150mm. La lumière est concentrée sur une surface (10) de 20 mm de longueur. L'eau (1 ) entre dans le système par un connecteur (8) et sort par un connecteur (9). La partie fluidique est constituée par l'entrée (7), le tube (2) et la sortie (7'). La matière  The results of Simul_08 Simul_010 simulations are simply obtained by adding the corresponding results obtained previous (Simul_08 = Simul_02 + Simul_05; Simul_09 = Simul_03 + Simul_06; SimuMO = Simul_04 + Simul_07). Figure 19 shows the structure of the two-dimensional (2D) geometric model of the hybrid module for numerical simulations. The length of the tube and the absorbing surface (part 2) is 150mm. The light is concentrated on a surface (10) of 20 mm in length. Water (1) enters the system through a connector (8) and exits through a connector (9). The fluidic part consists of the inlet (7), the tube (2) and the outlet (7 '). The material
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) constituant le tube (2) est du cuivre, tandis que l'entrée et la sortie (7 et 7') sont en polyéthylène. La partie inférieure du tube (2) est thermiquement isolée par du Styropore (6). Pour la simulation Simul_02, les parties (3),(3'),(4) et (5) sont de l'air. Pour les simulations Simul_03 et Simul_04, les parties (3), (3') et (5) sont en plexiglass. La partie (4) est de l'air. Pour la simulation Simul_03, l'air est à une pression de 1 atmosphère, tandis que pour la simulation Simul_04, la pression est de 0.01 atmosphère, correspondant à un vide partiel. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) constituting the tube (2) is copper, while the inlet and the outlet (7 and 7 ') are made of polyethylene. The lower part of the tube (2) is thermally insulated with Styropore (6). For simulation Simul_02, parts (3), (3 '), (4) and (5) are air. For simulations Simul_03 and Simul_04, parts (3), (3 ') and (5) are in plexiglass. Part (4) is air. For simulation Simul_03, the air is at a pressure of 1 atmosphere, while for simulation Simul_04, the pressure is 0.01 atmosphere, corresponding to a partial vacuum.
Les figures 20 à 24 montrent des résultats de la simulation « Simul_03 », à différents instants et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s. On observe bien la variation de la distribution de la température et l'augmentation de cette dernière en fonction du temps.Figures 20 to 24 show simulation results "Simul_03" at different times and for a fluid velocity of 10 mm / s. The variation of the temperature distribution and the increase of the temperature as a function of time are well observed.
Figure 20: Simul_03; vin: 10mm/s; t: 0s Figure 20: Simul_03; v in : 10mm / s; t: 0s
Figure 21: Simul_03; vin: 10mm/s; t: 600s Figure 21: Simul_03; v in : 10mm / s; t: 600s
Figure 22: Simul_03; vin: 10mm/s; t: 1200s Figure 22: Simul_03; v in : 10mm / s; t: 1200s
Figure 23: Simul_03; ¼„: 10mm/s; t: 2400s Figure 23: Simul_03; ¼ ": 10mm / s; t: 2400s
Figure 24: Simul_03; vin: 10mm/s; t: 3600s Figure 24: Simul_03; v in : 10mm / s; t: 3600s
La figure 25 montre les résultats des simulations Simul_02, Simul_03 et Simul_04.  Figure 25 shows the results of simulations Simul_02, Simul_03 and Simul_04.
Simul_02 correspond à la structure la plus simple. Elle n'a pas de serre et pas de vide. Simul_03 comporte une serre et Simul_04 possède une serre avec un vide partiel. Le rendement le plus faible est atteint pour Simul_02. Mais il est intéressant et important de noter que le rendement est largement supérieur à un module photo thermique standard (voir figure 18). Ceci montre le bienfondé de l'idée de concentrer la lumière solaire par des lentilles de Fresnel sur une petite surface. Simul_02 is the simplest structure. She has no greenhouse and no vacuum. Simul_03 has a greenhouse and Simul_04 has a greenhouse with partial vacuum. The lowest yield is reached for Simul_02. But it is interesting and important to note that the performance is much higher than a standard thermal photo module (see Figure 18). This shows the goodness of the idea of concentrating sunlight by Fresnel lenses on a small surface.
La serre augmente encore une fois le rendement. Mais l'effet du vide est faible. Cela provient du fait que le vide se trouve seulement d'un côté de la plaque chauffante. Pour un effet plus grand il faudrait que le vide soit tout autour de la plaque chauffante. Ceci est envisageable, mais compliquerait fortement la construction du module.  The greenhouse increases the yield once again. But the effect of the vacuum is weak. This is because the vacuum is only on one side of the hotplate. For a larger effect it would be necessary that the vacuum is all around the heating plate. This is possible, but would greatly complicate the construction of the module.
Comme indiqué plus haut, les simulations Simul_05, Simul_06 et Simul_07 ne nécessitent pas la méthode de calculs d'éléments finis (norme internationalement reconnue). En plus le rendement sera le même pour les trois simulations car les cellules solaires, qui sont considérées ici n'utilisent pas de serre ni de vide. As mentioned above, simulations Simul_05, Simul_06 and Simul_07 do not require the finite element method (internationally recognized standard). In addition the performance will be the same for the three simulations because solar cells, which are considered here do not use greenhouse or vacuum.
Le rendement des cellules solaires est de l'ordre de 10 à 15%. Pour ce rapport, une valeur moyenne de 12.5% est considérée. Toutefois ce rendement est valable pour des cellules directement illuminées par le soleil. Dans les modules, une partie de la puissance solaire destinée aux cellules solaires est perdue par les lentilles de Fresnel (de l'ordre de 20%), le  The efficiency of the solar cells is of the order of 10 to 15%. For this report, an average value of 12.5% is considered. However this yield is valid for cells directly illuminated by the sun. In the modules, part of the solar power for the solar cells is lost by the Fresnel lenses (about 20%), the
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) rendement des cellules dans un module hybride est de 10%. Ceci est ainsi le rendement pour les cas Simul_05 à Simul_07. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) Cell yield in a hybrid module is 10%. This is the yield for the cases Simul_05 to Simul_07.
Comme indiqué plus haut, le rendement des cas Simul_08 à Simlu_10 sont les sommes des cas correspondants précédents.  As noted above, the case performance Simul_08 to Simlu_10 are the sums of the previous corresponding cases.
Il devient donc maintenant possible de résumer les résultats dans le tableau 3 suivant. It now becomes possible to summarize the results in the following table 3.
Le dispositif utilisé est celui mentionné à la figure 1 , dans lequel la plaque chauffante a été enlevée suivant le cas de figure et/ou les 4 cellules solaires (photovoltaïques) ont été enlevées suivant le cas de figure (avec ou sans serre et avec ou sans vide suivant le cas de figure) afin de pouvoir réaliser des tests comparatifs où l'unité de mesure est un rendement en pourcentage (%).  The device used is the one mentioned in FIG. 1, in which the heating plate has been removed as the case may be and / or the 4 solar cells (photovoltaic cells) have been removed as the case may be (with or without a greenhouse and with or without without a vacuum depending on the case) in order to be able to perform comparative tests where the unit of measure is a percentage yield (%).
Pour les cas impliquant la plaque chauffante, une vitesse du fluide de 20 mm/s est considérée.  For cases involving the hot plate, a fluid velocity of 20 mm / s is considered.
Le rendement énergétique (%) = rendement (%) des cellules solaires + rendement (%) de la plaque chauffante.  Energy efficiency (%) = efficiency (%) of solar cells + efficiency (%) of the heating plate.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Tableau 3 : FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) Table 3:
Figure imgf000029_0001
Figure imgf000029_0001
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)

Claims

Revendications: claims:
1. Dispositif de réception de l'énergie solaire comprenant : A solar energy receiving device comprising:
- un étage supérieur (1) de réception de l'énergie solaire comprenant :  an upper stage (1) for receiving solar energy, comprising:
au-moins une lentille optique convergente de Fresnel (1.3),  at least one Fresnel convergent optical lens (1.3),
ledit étage supérieur (1) étant situé au-dessus d'un étage intermédiaire (2), ledit étage intermédiaire (2) comprenant :  said upper stage (1) being located above an intermediate stage (2), said intermediate stage (2) comprising:
au-moins un élément chauffant (2.1) sous lequel serpentent des canaux dans lesquels circulent un fluide (5) chauffé par l'énergie solaire,  at least one heating element (2.1) under which channels wind in which a fluid (5) heated by solar energy flows,
et au-moins une cellule photovoltaïque (2.5),  and at least one photovoltaic cell (2.5),
ledit étage intermédiaire (2) étant connecté à un étage inférieur (3) par au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1),  said intermediate stage (2) being connected to a lower stage (3) by at least one fluid transport pipe (2.10) connected to said at least one heating element (2.1),
et par au-moins un câble électrique (2.8) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5),  and at least one electrical cable (2.8) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5),
ledit étage intermédiaire (2) étant disposé au-dessus de l'étage inférieur (3), ledit étage inférieur (3) comprenant :  said intermediate stage (2) being disposed above the lower stage (3), said lower stage (3) comprising:
ledit au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au- moins un élément chauffant (2.1 ),  said at least one fluid transport pipe (2.10) connected to said at least one heating element (2.1),
ledit au-moins un câble électrique (2.8) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5),  said at least one electrical cable (2.8) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5),
au-moins un isolant thermique (2.4) entourant ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) et  at least one thermal insulator (2.4) surrounding said at least one heating element (2.1) and
au-moins un tuyau de refroidissement (2.6) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5),  at least one cooling pipe (2.6) connected to said at least one photovoltaic cell (2.5),
ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'énergie solaire est focalisée sur ledit au-moins un élément chauffant (2.1) et ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est coplanaire audit au-moins un élément chauffant (2.1) et en ce que ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est refroidie par un fluide (5) circulant sous ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), ledit fluide (5) ayant été préchauffé par ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) avant de passer dans un tuyau (2.2) et dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1) pour être chauffé.  said device being characterized in that the solar energy is focused on said at least one heating element (2.1) and said at least one photovoltaic cell (2.5) is coplanar with said at least one heating element (2.1) and in that said at least one photovoltaic cell (2.5) is cooled by a fluid (5) circulating under said at least one photovoltaic cell (2.5), said fluid (5) having been preheated by said at least one photovoltaic cell (2.5) ) before passing into a pipe (2.2) and into channels (4.3) located directly under said at least one heating element (2.1) to be heated.
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26)
2. Procédé de production d'électricité et de chauffage d'un fluide (5) à partir du dispositif de la revendication 1 , ledit procédé comprenant les étapes suivantes :A method of generating electricity and heating a fluid (5) from the device of claim 1, said method comprising the steps of:
- absorption d'énergie solaire au niveau d'un étage supérieur (1) au moyen d'une lentille optique convergente de Fresnel (1.3), absorption of solar energy at an upper stage (1) by means of a convergent Fresnel optical lens (1.3),
- transformation de l'énergie solaire diffractée en énergie électrique par au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) et transformation en chaleur de l'énergie solaire focalisée par au-moins un élément chauffant (2.1) au niveau dudit étage intermédiaire (2), ledit étage intermédiaire (2) étant connecté à un étage inférieur (3) par au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1 ) et par au-moins un câble électrique (2.8) relié à au-moins une cellule photovoltaïque (2.5),  transforming the diffracted solar energy into electrical energy by at least one photovoltaic cell (2.5) and transforming into heat of the solar energy focused by at least one heating element (2.1) at said intermediate stage (2), said intermediate stage (2) being connected to a lower stage (3) by at least one fluid transport pipe (2.10) connected to said at least one heating element (2.1) and by at least one electric cable ( 2.8) connected to at least one photovoltaic cell (2.5),
l'énergie électrique et l'énergie thermique étant transférées au niveau dudit étage inférieur comprenant :  the electrical energy and thermal energy being transferred to said lower stage comprising:
ledit au-moins un câble électrique (2.8),  said at least one electrical cable (2.8),
ledit au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10 ),  said at least one hose carrying a fluid (2.10),
au-moins un isolant thermique (2.4) et,  at least one thermal insulation (2.4) and,
au-moins un tuyau de refroidissement (2.6 ) de ladite au-moins une cellule photovoltaïque,  at least one cooling pipe (2.6) of said at least one photovoltaic cell,
- ledit procédé étant caractérisé par une étape de préchauffage du fluide (5) par passage dudit fluide (5) sous ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) avant de passer dans un tuyau (2.2) et dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1) et,  said method being characterized by a step of preheating the fluid (5) by passing said fluid (5) under said at least one photovoltaic cell (2.5) before passing into a pipe (2.2) and into channels (4.3) situated directly under said at least one heating element (2.1) and,
une étape de chauffage d'un fluide (5) au niveau d'un étage intermédiaire (2) par focalisation de l'énergie solaire sur au-moins un élément chauffant (2.1 ) et activation d'au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) par diffraction de l'énergie solaire au niveau dudit étage intermédiaire (2), ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) étant coplanaire audit au-moins un élément chauffant (2.1).  a step of heating a fluid (5) at an intermediate stage (2) by focussing the solar energy on at least one heating element (2.1) and activating at least one photovoltaic cell (2.5) ) by diffraction of the solar energy at said intermediate stage (2), said at least one photovoltaic cell (2.5) being coplanar with said at least one heating element (2.1).
3. Utilisation du dispositif de réception de l'énergie solaire selon la revendication 1 pour simultanément produire de l'électricité et pour chauffer un fluide (5). 3. Use of the solar energy receiving device according to claim 1 for simultaneously producing electricity and for heating a fluid (5).
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26)
4. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la paroi latérale supérieure (1.2) et la paroi latérale inférieure (1.1 ) possèdent une hauteur comprise entre 1 cm et 20 cm, de préférence entre 5 cm et 10 cm. 4. Device according to claim 1, wherein the upper side wall (1.2) and the lower side wall (1.1) have a height of between 1 cm and 20 cm, preferably between 5 cm and 10 cm.
5. Dispositif selon la revendication 1 et procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) est une plaque métallique de forme rectangulaire, carrée, ovale, ronde, triangulaire ou en forme de parallélogramme.5. Device according to claim 1 and method according to claim 2, wherein said at least one heating element (2.1) is a metal plate of rectangular, square, oval, round, triangular or parallelogram-shaped shape.
6. Dispositif selon la revendication 1 et procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) est placé au centre de l'étage intermédiaire. 6. Device according to claim 1 and method according to claim 2, wherein said at least one heating element (2.1) is placed in the center of the intermediate stage.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la surface autour dudit au-moins un élément chauffant est couverte de plusieurs cellules photovoltaïques (2.5).  7. Device according to claim 6, wherein the surface around said at least one heating element is covered with a plurality of photovoltaic cells (2.5).
8. Dispositif selon la revendication 1 , lequel est entièrement étanche à l'eau et à l'air. 8. Device according to claim 1, which is completely waterproof and airtight.
9. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le vide a été réalisé. 9. Device according to claim 1, wherein the vacuum has been realized.
10. Dispositif selon la revendication 1 et procédé selon la revendication 2, dans lequel la lentille optique convergente de Fresnel (1.3) possède une forme de dôme sphérique ou une forme plane. The device of claim 1 and the method of claim 2, wherein the convergent Fresnel optical lens (1.3) has a spherical dome shape or a planar shape.
11. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel ledit au-moins un élément chauffant est surmonté d'une micro-serre transparente permettant le stockage de la chaleur.  11. Device according to claim 1, wherein said at least one heating element is surmounted by a transparent micro-greenhouse for storing heat.
12. Dispositif selon la revendication 11 , dans lequel un vide partiel existe sous la microserre. 12. Device according to claim 11, wherein a partial vacuum exists under the microserre.
13. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel une paroi latérale supérieure (1.2) sépare l'étage supérieur (1 ) de l'étage intermédiaire (2) et une paroi latérale inférieure (1.1) sépare l'étage intermédiaire (2) de l'étage inférieur (3).  13. Device according to claim 1, wherein an upper side wall (1.2) separates the upper stage (1) from the intermediate stage (2) and a lower side wall (1.1) separates the intermediate stage (2) from the lower floor (3).
14. Dispositif selon la revendication 1 et procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit étage inférieur (3) comprend au-moins un connecteur fluidique (2.2) inséré dans ladite paroi latérale inférieure (1.1 ).  The device of claim 1 and the method of claim 2, wherein said lower stage (3) comprises at least one fluid connector (2.2) inserted in said lower side wall (1.1).
15. Dispositif selon la revendication 1 et procédé selon la revendication 2, dans lequel l'élément chauffant (2.1) est situé au centre de l'étage intermédiaire (2) et une pluralité de cellules photovoltaïques (2.5) sont situées autour dudit élément chauffant 15. Device according to claim 1 and method according to claim 2, wherein the heating element (2.1) is located in the center of the intermediate stage (2) and a plurality of photovoltaic cells (2.5) are located around said heating element
(2.1). (2.1).
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