FR3075329A1 - Dispositif concentrateur d'energie solaire - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif concentrateur d'énergie solaire du type plan et statique comportant au moins un premier collecteur primaire (1) réfléchissant concentrant la lumière vers un collecteur secondaire (2) mobile pour le suivi héliostatique dénommé « concentrateur » et concentrant la lumière en direction d'un foyer de conversion énergétique (3) caractérisé en ce que ledit collecteur primaire (1) est constitué par un film ETFE, recevant un revêtement réfléchissant adapté aux longueurs d'onde souhaitées et embossé pour former un réseau optique de type Fresnel fixé sur un support (7) plan fixe.

Description

DISPOSITIF CONCENTRATEUR D'ENERGIE SOLAIRE

Domaine de 1'invention

La présente invention concerne le domaine de la captation et concentration d'énergie solaire à partir d'un système de concentrateurs du type à miroirs de Fresnel assurant par exemple (sinon trop limitatif : le procédé peut aussi servir à alimenter directement des process industriels, exemple chauffage de matière dans un creuset/four) le chauffage d'un fluide caloporteur à des températures élevées, jusqu'à 500° voir plus de 1000°C, dans un élément de collecte thermique présentant par exemple un absorbeur placé au foyer du concentrateur ou de la série de concentrateurs, ou encore une cible destinée à recevoir l'énergie solaire concentrée pour toutes formes d'applications.

L'énergie solaire est la seule source d'ENR (Energie Nouvelle Renouvelable) en totale adéquation avec les nécessités énergétiques mondiales et réponse aux enjeux climatiques. Le dispositif selon l'invention et concentrer avec une efficacité inégalée permet de capter l'énergie solaire avec plus de 900W/m2 sous une irradiance de

1000W/m2, soit un rendement >90%, et atteindre des taux de concentration de l'ordre de 30.000 soleils permettant d'offrir une multitude de nouvelles possibilités.

Les solutions ENR actuelles telles que le

PV (Photovoltaïque, le CPV (Concentrating

PV) ou le

CSP (Concentrating

Solar Power Plant) ne permettent pas de répondre convenablement aux besoins présents et à venir du fait de leurs très faibles rendements « réels » d'à peine 10 à

20%, de leur prix élevé, de leur mise en œuvre usant de moyens complexes et coûteux nécessitant des spécialistes, de la pollution qu'ils engendrent lors de leur fabrication, de la nécessité d'user abondamment des ressources terrestres limitées, de l'impossibilité de recycler leurs constituants, de leur monoproduction (électricité), et de la nécessité recourir à un entretien coûteux et consommateur d'eau.

de

De plus, les procédés solaires existants ne permettent pas d'obtenir les importants taux de concentration nécessaires à de hauts rendements thermodynamiques hormis les lourds dispositifs paraboliques. D'autre part, les dispositifs existants nécessitent pour leur fonctionnement ou pour accroître leur productivité un ensemble héliostatique extrêmement lourd, encombrant et fort coûteux, particulièrement sensible aux conditions météo et nécessitant d'importantes surfaces tout en générant des zones d'ombre préjudiciables.

La présente invention permet de s'affranchir de ces problématiques en offrant une solution extrêmement intelligente, efficace, durable et respectueuse de

1'environnement de captation et concentration de l'énergie solaire grâce à un procédé extrêmement simple, performant et particulièrement innovant de concentration solaire à très bas coût et très haut rendement, étant majoritairement constitué de matériaux recyclés et recyclables. De plus, le dispositif peut aisément être réalisé avec une empreinte carbone inférieure ou égale à zéro.

Le liquide caloporteur (huile ou sels fondus)

1¹ intérieur de

1'élément absorbeur, est envoyé dans un générateur de vapeur. La vapeur fait ensuite tourner des turbines qui entraînent des alternateurs produisant de

1¹ électricité.

L'utilisation d'un moteur Stirling permet d¹ atteindre de très hautes températures (plus de 700 °C) et ainsi la plus grande efficacité de toutes les technologies solaires, soit

0 % dans l'état de la technique par rapport aux 10 à %

de 1¹ énergie solaire photovoltaïque hors CPV utilisant des cellules spécialisées.

On connaît différents types de centrales solaires à miroirs de Fresnel comportant un support pour un ensemble de miroirs constitué par des bandes de miroirs dit miroirs primaires, pivotant chacun autour d'un axe de rotation respectif dit grand axe par rapport au support, et destinés à collecter les rayons du soleil afin de les concentrer en direction d'un ou plusieurs éléments concentrateurs de même nature ou de nature différente.

La difficulté réside dans l'orientation du ou des concentrateurs, nécessitant des mécanismes très robustes compte tenu du poids des concentrateurs et de la masse de verre mise en mouvement, soumis en outre aux intempéries et à des conditions climatiques souvent fluctuantes. Pour réduire les coûts, on utilise aussi dans l'état de la technique le principe d'un concentrateur de Fresnel mettant en œuvre des miroirs plans (plats) dits réflecteurs compacts linéaires, meilleur marché que les miroirs paraboliques. Chacun de ces miroirs peut pivoter en suivant la course du soleil pour rediriger et concentrer en permanence les rayons solaires vers un tube absorbeur.

Les dispositifs existants utilisent des miroirs dont la partie réfléchissante se trouve être à l'arrière d'une masse de verre dont l'épaisseur réduit considérablement les performances optiques et implique une masse importante de verre pour assurer la solidité et durabilité de l'ensemble

D'autres procédés utilisent des miroirs paraboliques, comme dans les procédés dish Stirling qui permettent d'obtenir les meilleures performances, toutefois au détriment de la complexité de l'ensemble, de son coût, de son emprise au sol et de son extrême sensibilité aux conditions météo.

Etat de la technique

On connaît dans l'état de la technique une solution de capteur solaire à miroirs de Fresnel décrite dans le brevet européen EP2534430.

Ce document décrit une centrale solaire à miroirs de Fresnel comportant un support pour un ensemble de miroirs constitué par des bandes de miroirs dit miroirs primaires, pivotant chacun autour d¹ un axe de rotation respectif dit grand axe par rapport au support, et destinés à collecter les rayons du soleil afin de les concentrer en direction d'un ou plusieurs éléments concentrateurs de même nature ou de nature différente caractérisé en ce que ladite centrale solaire comporte des moyens de déplacement de l'un ou plusieurs éléments concentrateurs afin de le rendre mobile par rapport au support de l'ensemble des miroirs primaires.

Cette disposition permet de disposer d'un capteur solaire à miroirs de Fresnel ayant une efficacité satisfaisante sous toutes latitudes, par toutes saisons sans nécessité de disposer de plus de surface que celle occupée par l'ensemble des miroirs primaires. Ainsi, leur installation est envisageable notamment en zone urbaine sur les toitures ou terrasses d'immeubles.

La demande de brevet internationale WO 2013001177 décrit un concentrateur solaire comprenant un héliostat et une lentille de Fresnel. L'héliostat comprend un miroir plan et un premier axe de rotation qui est positionné parallèlement à l'axe de rotation de la Terre. Le rayonnement solaire réfléchi par le miroir est dirigé en permanence vers une lentille de Fresnel fixe qui est perpendiculaire au premier axe de rotation et qui concentre le rayonnement solaire sur une cible fixe. Un champ solaire est composé d'une pluralité d'héliostats selon ces caractéristiques et dont tous les premiers axes de rotation sont mis en rotation grâce à une liaison mécanique couplée à une tige qui est mise en mouvement par un seul moteur. Ce qui réduit le coût global de 1'installation.

La demande de brevet WO 2009125334 décrit un autre exemple de dispositif de génération d'énergie solaire qui comprend au moins un concentrateur à orientation fixe qui est une lentille de Fresnel, et un collecteur solaire mobile dans toute direction perpendiculaire au foyer, de telle sorte qu'il est déplacé sur la trajectoire du foyer.

La demande de brevet US 20110017274 décrit un autre système à énergie solaire à focalisation ponctuelle par grande lentille de Fresnel du type à poursuite, comprenant un corps de boîtier, une lentille de Fresnel à matrice de verre à focalisation ponctuelle, un élément de verre réfléchissant à faible émissivité, un composant photovoltaïque, un accumulateur de chaleur de haute température, la lentille de Fresnel à matrice de verre à focalisation ponctuelle, le verre réfléchissant à faible émissivité et le composant photovoltaïque étant disposés dans une séquence appropriée de haut en bas, et disposés respectivement sur la partie supérieure, la partie médiane et la partie inférieure du corps de boîtier, caractérisé par le fait que l'accumulateur de chaleur de haute température est positionné au-dessus de la lentille de Fresnel à matrice de verre à focalisation ponctuelle, l'accumulateur de chaleur de haute température étant fixé et disposé sur un support transversal relié au corps de boîtier, le corps de boîtier étant disposé sur un dispositif de poursuite.

On connaît aussi le brevet américain US4496787, décrivant un dispositif pour capter et exploiter au maximum le rayonnement solaire, dispositif du type comportant un ou plusieurs moyens optiques, conçus pour capter dans une enceinte, montée orientable, les rayons lumineux directs quasiment converger parallèles provenant du soleil et les faire en un point focal, ce dernier se situant dans l'ouverture de diamètre aussi faible que possible d'une enceinte fixe thermiquement isolée contenant des surfaces fixes d'échanges thermiques avec des canalisations fixes de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisé par le fait qu'il renferme dans 1 'espace intermédiaire entre une couverture transparente et des parois de 1'insolateur :

a) les moyens optiques thermiquement isolés avec les enceintes thermiquement isolées et les surfaces fixes d ' échange thermique contenues dans 1'enceinte fixe qui sont en communication avec des moyens d'admission d'air ou d'un autre gaz et de circulation de ce dernier autour desdites canalisations fixes de circulation dudit fluide caloporteur ;

b) des surfaces réceptrices absorbantes destinées à recevoir le rayonnement solaire non lesdits moyens optiques et des moyens précédemment capté par de circulation d'air ou d'un autre gaz autour des surfaces réceptrices.

Inconvénients de l'art antérieur

L'inconvénient des solutions de l'art antérieur est que les miroirs optiques employés constituent des éléments extrêmement lourds, pour des concentrateurs de grande puissance, très fragiles, particulièrement coûteux et perdant une quantité non négligeable d'énergie, environ 10 à 15%, du fait que les rayons doivent traverser une importante masse de verre.

Ils nécessitent donc des infrastructures robustes et coûteuses, et leur déplacement nécessite des automatismes également très coûteux et puissants faisant notamment appel à une multitude de calculateurs et différents moyens d'asservissement/ rotation et pointage sur la cible

L'exposition aux intempéries limite la durée de vie de ces concentrateurs, dont le remplacement ou la maintenance sont très coûteux. De plus ils nécessitent un entretien régulier utilisant matériaux tel que le nettoyage ou dépoussiérage mécanique de grandes quantités d'eau.

Par ailleurs, dispositifs de l'art antérieur présentent indésirables tels que l'achromatisme, réfraction des rayons leur longueur de 1 ' image qui ou plusieurs tel dispositif de focalisation en des effets du fait que 1 dépend de élargissement l'ajout d'une résulte qu ' un complexe, et lumineux par d¹ onde, ne peut être optiques de focalisation est relativement des ce composants qui optiques ¹ angle de optiques conduit à corrigé que correctrices. Il un par en rayonnement focalisation permet un solaire moins rendement important planes de transmission qu ¹ un par optiques

De plus, une part non négligeable se trouve être perdu en traversant la matière optique.

1'invention.

du comme dispositif proposé du du de par rayonnement dispositif

Solution apportée par l'invention

Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un concentrateur d'énergie solaire comportant au moins un premier collecteur primaire réfléchissant nommé « capteur », « pré » focalisant la lumière vers un collecteur secondaire mobile nommé « concentrateur », concentrant la lumière en direction d'un foyer de captation ou conversion énergétique caractérisé en ce que ledit collecteur primaire peut idéalement être constitué par exemple d'un film ETFE ou tout autre matériaux adapté, étant métallisé et embossé pour former une structure optique du type de Fresnel fixée sur un support idéalement plan et fixe.

Une telle solution permet de réduire considérablement le poids du dispositif, à avec une performance optique bien supérieure, et simplifie de ce fait la construction et le déplacement du dispositif, nécessitant des moyens beaucoup plus simples. Par ailleurs, malgré la finesse ou légèreté du film, il présente une grande résistance à l'usure et à l'abrasion résultant de la projection de particules telles que du sable ou des poussières minérales ou végétales de par l'apport d'un substrat protecteur par exemple en SiO2, ainsi qu'une très grande stabilité et neutralité chimique

Selon différentes variantes, le dispositif selon l'invention présente, une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises en combinaison quelconques :

- ledit concentrateur secondaire est supporté par une monture assurant le déplacement dudit concentrateur selon deux dimensions avec une amplitude d'environ ±11,5° par an sur un axe et d'environ 15° par jour heure sur un autre axe de manière à suivre la course du soleil. Un troisième axe peut être adjoint pour compenser les différences de point focal provenant du capteur.

- ladite monture présente un support mobile pouvant être du type arceau articulé selon un ou plusieurs axes et éventuellement un dispositif de translation pouvant être du type chariot mobile supportant ledit concentrateur secondaire compensant par exemple l'amplitude annuelle.

- ladite monture présente un bras commandé par un ou plusieurs actionneurs dont le déplacement est commandé par un circuit électronique de pilotage.

il peut idéalement comporter une caméra ou n'importe quel capteur adapté pour l'acquisition de l'image du soleil formée sur l'élément de collecte thermique et en ce que ladite monture comporte un ou des actionneurs commandés par un calculateur comportant éventuellement des moyens d'analyse de ladite image focale pour le recalcul de la position du chariot ainsi qu'éventuellement d'autres fonctions telles que le contrôle de température notamment pour éviter toute surchauffe.

- ledit film ou substrat déformable constituant le concentrateur est déformable sous l'effet d'un ou plusieurs actionneurs ou dispositif équivalent pour assurer une compensation dynamique.

il peut comporter des moyens de compensation secondaire constitués par un dispositif actionneur quelconque tel qu'un moteur agissant par un axe sur l'ensemble de la surface du film.

- ledit concentrateur peut comporter une fibre ou faisceau de fibres optiques transmettant l'énergie lumineuse à une cible distante ou un convertisseur thermique distant.

ledit capteur primaire est implanté sur un support présentant une pente de quelques degrés permettant l'évacuation naturelle des polluants et contaminants.

Description détaillée d'un exemple non limitatif de 1'invention

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :

- la figure 1 représente une vue d'ensemble d'une installation selon l'invention.

Il est précisé que dans la description qui suit, une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, peuvent être prises seules ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.

Le dispositif selon l'invention permet de capter et concentrer plus de 900W/m2 d'énergie solaire sous une irradiance de 1000W/m2.

L'invention peut servir à une multitude d'applications, par exemple :

• Concentration solaire en générale • Production d'énergie électrique via procédé PV, CPV, Thermodynamique, Peltier ou autre, • Production de vapeur ou fluides chauds • Production de chaleur ou de froid, climatisation • Eclairage • Process industriels énergivores tels qu'aciérie, verrerie, sidérurgie,...

• Rétrofit de centrales thermiques, nucléaires,...

• Production d'hydrogène ou procédés chimiques divers • Satellites, stations ou vaisseaux spatiaux, bases non terrestres.

• Applications astronomiques ou détection

Etc...

Description schématique de l'architecture

La figure 1 représente de manière très schématique l'architecture générale d'un concentrateur solaire selon un exemple non limitatif de l'invention.

Il est constitué par un capteur principal (1) plan et disposé sur un support ( 7 ) . Ce capteur plan concentre et renvoie les faisceaux lumineux vers un concentrateur secondaire (2), qui renvoie lui-même l'énergie solaire vers une cible ou élément de collecte thermique (3 ) comportant par exemple un absorbeur de chaleur. Ce concentrateur secondaire (2) est supporté par une monture (4) assurant le suivi héliostatique et donc son orientation en fonction du moment dans l'année et de la journée, par l'intermédiaire des moteurs (5, 6).

Description du concentrateur primaire

Le concentrateur primaire peut idéalement être formé par un tétrafluoroéthylène) , abréviation ETFE.

thermoplastique qui /tétrafluoroéthylène, film (1) en poly(éthylène-coplus couramment connu sous son Il s'agit d'un fluoropolymère est un copolymère alterné éthylène ou bien de tout autre substrat adapté

Il est plus léger que le verre (d=2,5) réflexion et non transmission; son coût est 24 à 70% plus faible que celui du verre. Il est capable de supporter 400 fois son poids et présente une grande résistance à l'usure et est utilisable dans une large gamme de températures (de -80 à 155 °C). N'étant pas un matériau composite, l'ETFE est par ailleurs recyclable et injectable. D'autre part ce matériau à une importante durée de vie pouvant dépasser 40 ans.

Le film (1) par exemple en ETFE présente une structure de surface de type prismatique pour former une structure de type Fresnel. L'épaisseur du film (1) est typiquement idéalement compris entre 200 à 400 micromètres mais peut avoir tout type d'épaisseur selon les besoins

Le profil des structures microscopiques peut idéalement présenter de préférence des arêtes prismatiques cassées pour former un ensemble de prismes avec deux ou plusieurs pentes d'angles différents permettant d'augmenter l'angle d'acceptance, celui-ci étant nativement d'environ 60° et pouvant être plus que doublé par ce procédé.

Ces micro-structures sont réalisées par des moyens de fabrication en volume comme la nano-impression, le moulage ou l'embossage à chaud par exemple, et bien d'autres techniques, le master étant lui-même fabricable avec les moyens de 1'industrie telle que pour la réalisation des semiconducteurs (gravure ICP et lithographie électronique) ou tout autre moyen adapté.

La configuration des micro-structures du capteur (1) est par exemple réalisée à l'aide d'un logiciel tel que LightTools (nom commercial).

Le film ( 1 ) est embossé ou moulé dans un moule formant le patron des prismes à la base des micro-structures diffractantes concentrant le flux solaire incident.

La surface du type de Fresnel du film embossé est par ailleurs revêtue par :

une ou plusieurs couches réflectrices ou revêtement diélectrique, par exemple par métallisation permettant de couvrir idéalement le spectre optique IR/ visible, lesquelles peuvent idéalement recevoir une couche d'accroche.

optionnellement une couche protectrice de la couche réflectrice.

La couche protectrice pouvant par exemple être un simple verni ou tout revêtement adapté mais étant préférentiellement dure et chimiquement isolante est étant par exemple réalisée par un dépôt de SiO2, dont la structure externe exposée à l'air libre est rendue omniphobe ou super omniphobe (hydrophobe, oléophobe, etc...), cette propriété étant obtenue par exemple via des micro ou nano reliefs ou structures à géométrie adaptée évitant l'adhésion d'éléments préjudiciables au rendement optique tels que l'eau, la neige, le givre, les poussières, les déjections, les produits non newtoniens et polluants divers, évitant ou limitant ainsi le nettoyage ou l'entretien du capteur, et le protégeant de toute agression chimique (ex : polluants atmosphériques), mécanique (ex : grêle), ou érosion (ex : tempêtes de sable).

De préférence, la couche protectrice en un matériau omniphobe peut être formée d¹ une couche poreuse ou imperméable présentant des pics microscopiques imprégnée ou non d'un lubrifiant. Essentiellement, les liquides ou autres contaminants sont exposés à une surface réduite, ce qui maintient leur forme de gouttelette ou micro particule et les contraint à ne pas pénétrer dans substrat. Cette technique aurait à des applications domestiques, industrielles et militaires.

La surface créée peut notamment présenter pouvant être en forme cristaux métallo-organiques champignons ou de pointes ou toutes surfaces adaptées

La couche protectrice omniphobe peut être de type

MOF (metal-organic frameworks), ou des de en particulier constituée par exemple de structures organométalliques poreuses ou imperméables, qui connectent des structures multidimensionnelles en ions métalliques dans des liens utilisant des hydrocarbonés ou toute autre technique

La couche réfléchissante ou procédé peut être adapté.

réalisée de diverses manières et avec les produits ou matériaux adaptés, préférentiellement étant diélectrique de manière du type diélectrique ou multi à obtenir le meilleur rendement optique sur des qui soit sur la plage de longueurs d'onde souhaitées.

Le dépôt réfléchissant peut être idéalement réalisé machines à déroulement continu, du type à bobines et laizes, permettant une forte productivité industrielle.

Les différentes couches appliquées génèrent des aberrations optiques, réfractions, achromatisme, réflexions partielles et autres général, manières lesquelles phénomènes préjudiciables au rendement peuvent être compensées de diverses (couches, ou par l'ajout d'une ou plusieurs interfaces structures, reliefs, géométries...) adaptées pour compenser ces effets néfastes.

Le film (1) peut idéalement être fixé sur un support rigide (7) qui est de préférence plan et horizontal ou légèrement incliné ou incurvé. Il peut être constitué par une dalle en sable ou terre nivelé et compressé ou en ciment ou un assemblage de tôles métalliques ou encore par un système de mise sous tension du film ( 1) .

Ce support (7) présente idéalement une légère pente, de quelques degrés pour permettre l'évacuation de tout contaminant notamment par le ruissellement des eaux de pluie ou l'action du vent, la gravité aidant en ce sens.

Dans certains cas le point de concentration est proche du point focal (en réalité le point focal se trouve être légèrement après le concentrateur, d'une part pour éviter une densité lumineuse trop importante = risque de surchauffe et dégradation prématurée voir destruction, et d'autre part pour faciliter le travail de correction/concentration optique) peut être décalé d'un certain angle pour compenser certains effets optiques, corriger un angle d'orientation élevé par rapport au soleil (toiture/ support très incliné ou mal orienté), augmenter l'angle d'acceptance (angle maximum utile permettant d'exploiter pleinement le flux solaire incident), limiter certaines distorsions, ou encore compenser les défauts de géométrie liés à la course solaire donc au (quasi) point focal (plus l'angle d'incidence est élevé et plus la déformation géométrique du point focal est importante, on peut donc anticiper pour compenser cet effet en déplaçant le point focal de part et d'autre du point zénithal).

Une autre solution permettant d'augmenter l'angle d'acceptance et corrélativement augmenter la productivité, consiste en une structure prismatique ou autre procédé comportant plusieurs niveaux, un ou plusieurs niveaux captant et concentrant l'énergie solaire sous incidence comprise par exemple entre 180 et 90° d'angle, et un ou plusieurs autres niveaux pour les valeurs entre 90 et 0° d'angle.

Une autre alternative avantageuse peut consister en un procédé auto correcteur ou auto concentrateur par exemple du type holographique, micro billes ou autre.

Description du collecteur thermique

L'élément de collecte thermique présente une forme générale tubulaire, et il est par exemple agencé dans un tube en verre sous vide, coaxialement à ce tube en verre. Le panneau solaire comporte en outre des éléments réfléchissants, agencés de façon à focaliser des rayons solaires reçus vers l'élément de collecte thermique.

L'énergie thermique des rayons solaires est alors restituée au moyen d'un fluide caloporteur, circulant au cœur de l'élément de collecte thermique, par transfert thermique entre l'élément de collecte et ce fluide caloporteur.

Un autre exemple de collecteur thermique ( 3 ) comprend :

- un logement pour l'élément de collecte thermique, délimité par des parois entourant 1'élément de collecte thermique, et présentant une fente de passage des rayons solaires, de préférence une pluralité de fentes, au moins une zone réfléchissante agencée en regard de l'élément de collecte thermique, cette zone réfléchissante étant propre à réfléchir un rayonnement thermique émis par l'élément de collecte thermique,

- au moins une bande réfléchissante, agencée en dehors du logement, chaque bande réfléchissante étant agencée en regard d'une fente respective de façon à focaliser un rayonnement reçu vers cette fente, et

- une pluralité d'éléments réfléchissants allongés, chaque élément réfléchissant allongé comportant une base plane et deux surfaces concaves, de sorte que l'élément réfléchissant allongé présente une section transversale sensiblement triangulaire, les éléments réfléchissants allongés étant agencés côte à côte de sorte que leurs bases planes sont coplanaires et forment ensemble la paroi de logement munie de fentes, chaque fente étant formée par un espace entre deux éléments réfléchissants allongés adjacents, et chaque surface concave étant agencée en regard d'une bande réfléchissante, de sorte qu'un rayonnement réfléchi par une surface concave soit focalisé vers la bande réfléchissante correspondante.

Du fait de la paroi au moins partiellement réfléchissante du logement, au moins une partie du rayonnement thermique émis par 1'élément de collecte est réfléchie par la zone réfléchissante, pour être à nouveau absorbée par cet élément de collecte.

Ainsi, le rayonnement thermique n'est pas perdu en totalité. En d'autres termes, les pertes thermiques sont limitées, et le rendement thermique du panneau solaire est donc augmenté.

Selon des alternatives :

- Chaque paire d'éléments réfléchissants adjacents forme un miroir primaire parabolique, présentant une fente en son centre, la bande réfléchissante agencée en regard de cette paire d'éléments réfléchissants forme un miroir secondaire hyperbolique convexe, et les éléments réfléchissants et la bande réfléchissante sont agencés de sorte que les axes optiques des miroirs primaire et secondaire coïncident, et que le foyer du miroir primaire parabolique coïncide avec l'un des foyers du miroir hyperbolique.

- Chaque paire d'éléments réfléchissants adjacents forme un miroir primaire parabolique, présentant une fente en son centre, la bande réfléchissante agencée en regard de cette paire d'éléments réfléchissants forme un miroir secondaire elliptique concave, les éléments réfléchissants et la bande réfléchissante sont agencés de sorte que les axes optiques des miroirs primaire et secondaire coïncident, et que le foyer du miroir primaire parabolique coïncide avec l'un des foyers du miroir elliptique.

- Chaque paroi du logement comporte au moins une zone réfléchissante agencée en regard de 1'élément de collecte thermique, cette zone réfléchissante s'étendant de préférence sur toute cette paroi.

Le logement comporte des entretoises d'isolation thermique, agencés entre l'élément de collecte thermique et au moins une paroi du logement.

Le panneau solaire thermique présente une forme générale parallélépipédique définie par des faces face supérieure, latérales, une face inférieure et une délimitant ensemble un espace intérieur dans lequel est agencé le logement, de sorte que le logement comporte une paroi inférieure formée par la face inférieure, le logement comporte des parois latérales formées logement comporte une paroi faces supérieure et inférieure par les supérieure, agencée entre du panneau, parallèlement à faces latérales, le les ces faces, comprenant la au moins une fente, et la face supérieure est formée par une plaque transparente, de préférence en

Le panneau transport thermique, verre.

solaire thermique comporte des moyens de comprenant : un échangeur thermique entre l'élément de collecte thermique et un fluide caloporteur, logé dans l'élément de collecte thermique, au moins un élément tubulaire de transfert du fluide caloporteur, reliant ' échangeur passant à thermique avec l'extérieur du panneau solaire, en travers un orifice ménagé dans une paroi du logement, et au moins un joint étanche et isolant thermiquement, intercalé entre 1'élément tubulaire et

1'orifice.

enveloppe thermique,

L'élément de collecte thermique susceptible d'absorber le rayonnement de préférence métallique, enveloppant comporte une solaire et/ou un matériau à changement de phase.

Le matériau à changement de phase est choisi parmi de 1'anthraquinone, ou de l'aluminium.

- L'élément de collecte thermique est formé par un élément tubulaire, dans lequel circule un fluide caloporteur, cet élément tubulaire étant de préférence pourvu d'un revêtement extérieur fortement absorbant thermiquement et présentant une faible émissivité thermique.

- Une zone réfléchissante est formée par un élément tubulaire de réflexion, entourant coaxialement l'élément tubulaire de collecte thermique, cet élément tubulaire de réflexion étant formé par un matériau isolant dont la surface interne est traitée, par exemple métallisée, pour la rendre réfléchissante au rayonnement thermique résiduel émis par l'élément tubulaire de collecte thermique, et comportant sur sa génératrice supérieure une fente destinée à laisser passer le rayonnement thermique incident.

- Le panneau solaire thermique comporte au moins un élément d'introduction ou d'évacuation du fluide thermique, relié à l'ensemble des éléments de collecte thermique, logé dans une enceinte prolongeant latéralement le panneau, délimitée par des parois en matériau isolant thermiquement.

Description du concentrateur secondaire (2)

Le concentrateur secondaire (2) dénommé « concentrateur » est constitué d'un dispositif héliostatique de très petite dimension comparé au capteur et ne représentant que quelques pourcents de la surface de captation, composé d'un miroir monté sur une structure mobile destinée à suivre le (quasi) point focal « primaire » provenant du capteur, lequel (quasi) point focal se déplace en fonction de la course du soleil, et dont le miroir est déformable (optique adaptative) de manière à compenser les défauts notamment géométriques du point focal final « secondaire », en vue de l'envoyer sur une cible, et dont le niveau de focalisation peut s'adapter selon les besoins, voir même être défocalisé pour compenser une surcharge optique ou simplement étaler le flux optique selon les besoins.

Le concentrateur secondaire (2) est un dispositif à miroir mobile dont la structure est du type optique adaptative à large plan de correction, qui reçoit le flux solaire pré concentré du capteur et suit la course du soleil via à un dispositif héliostatique pouvant être sur un ou plusieurs axes.

Le concentrateur secondaire (2 ) peut être composé de plusieurs miroirs distincts (plusieurs concentrateurs en série) constituant une matrice permettant de générer un mouvement complexe pour atteindre une cible, ou un ensemble de concentrateurs.

Le dispositif héliostatique peut être est constitué d'un ou plusieurs support pouvant directement être intégré au capteur ou encore être à proximité immédiate ou en être éloigné, lequel est mu par des dispositifs adaptés tels que micro moteurs, positionneurs, vérins, réducteurs, dispositif mécanique, et tout procédé automatisé ou non. Dans une version optimale, le dispositif héliostatique peut être idéalement constitué d'un seul bras supportant la (ou les) optiques secondaires, lequel étant déplacé par le biais de dispositifs sur un ou plusieurs axes, et fixé sur un support adéquat, le tout pouvant recevoir des capteurs de position, sécurité, butées ou offset, ainsi qu'une mise en position de sécurité lors de conditions météo extrêmes, d'installation, réglage ou de maintenance. Ce bras ou support quelconque peut éventuellement contenir et protéger les câbles de commande de l'optique adaptative et autres câbles ou composants ou dispositifs.

Le bras ou l'ensemble concentrateur peut avantageusement disposer d'un réglage ou d'un axe automatisé ou non supplémentaire permettant de suivre la déclinaison saisonnière et de corriger la position selon l'emplacement géographique (longitude/ latitude/ orientation). Le dispositif est particulièrement adapté pour les aéronefs, satellites, stations ou vaisseaux spatiaux.

A l'extrémité de ce bras se trouve l'ensemble optique adaptative dont le miroir est constitué d'une surface très hautement réfléchissante pour les longueurs d'onde souhaitées, du type par exemple diélectrique ou multi diélectrique, capable de supporter les intenses flux solaires provenant du capteur et protégé de diverses façons des agressions extérieures telles que poussières, polluants, éléments météorologiques, etc...

L'intérêt de l'optique adaptative est de pouvoir modifier le point focal final selon les besoins et corriger tous certains défauts ou aberrations quelles qu'elles soient. Si, par exemple, l'on part d'un capteur de forme circulaire, le point focal primaire sera de même circulaire lorsque le soleil est au zénith, le capteur lui étant perpendiculaire. A l'inverse, lorsque le capteur reçoit le rayonnement proche de l'incidence rasante, des aberrations optiques font se déformer le point focal qui devient un ellipsoïde plus ou moins allongé. Cette déformation se fait au détriment de la qualité du point focal final et peut même endommager le récepteur ou cible destiné à recevoir l'énergie concentrée.

L'optique adaptative reprend donc ces aberrations et les corrige en modifiant les déformations évolutives prédictives ou non grâce au miroir déformable. Le miroir déformable dont le support est conçu dans un matériau (ou ensemble de matériaux) adapté, préférentiellement de très faible épaisseur et relativement souple, susceptible de recevoir un substrat réfléchissant de très haute réflectivité recouvert d'une couche protectrice contribuant éventuellement à la correction de certaines aberrations notamment chromatiques, et de subir une déformation plus ou moins importante. L'utilisation d'un matériau de faible épaisseur et de haute conductivité thermique permet d'évacuer aisément toute éventuelle élévation de température susceptible de détériorer ou détruire le miroir déformable et son support, celui-ci pouvant recevoir recevant idéalement un dispositif d'évacuation calorifique et maintien ou stabilisation en température.

Le concentrateur secondaire (2) peut également être constitué par un assemblage de miroirs déformables ou des miroirs à corolles ou secteurs circulaires souples ou rigides dont l'inclinaison ou déformation permet de modifier le point focal.

Le miroir déformable peut prendre différentes formes, être monobloc ou constitué de multiples éléments, lesquels sont relativement souples ou flexibles de manière à pouvoir subir une déformation réversible avec un angle de plus ou moins grande amplitude permettant d'obtenir un point focal de grande qualité à une courte ou longue distance.

Le miroir déformable est actionné par des dispositifs appropriés appelés actuateurs qui agissent sur la structure du miroir de manière à obtenir le résultat escompté. Les actuateurs peuvent être réalisés de diverses façons et selon de multiples procédés tels que : céramiques piézo électriques, micro moteurs, électro aimants, vérins, ainsi que tout dispositif mécanique quelconque permettant d'agir de façon temporaire ou continue sur le miroir, et éventuellement d'un ensemble de procédés et technologies permettant d'obtenir le but final.

L'ensemble miroir déformable peut être muni de capteurs et éléments de contrôle permettant de vérifier une multitude de paramètres tels que : élévation de température, niveau de réflectivité, contrôle dimensionnel, position des actuateurs, test, déformation géométrique, correction de géométrie, contrôle et correction du point focal, état de propreté, etc...

L'alimentation électrique de l'ensemble miroir déformable et dispositif héliostatique ainsi que tous accessoires peuvent se faire de manière autonome par exemple via un procédé idéalement ENR quelconque type PV ou autre, ou être alimentés depuis une station de contrôle et pilotage à distance.

L'ensemble miroir déformable et ses accessoires se trouvent être protégés dans un dispositif de type coupole ou autre, de géométrie adaptée à l'ensemble ou pouvant être d'une forme quelconque telle qu'une profil de fleur. Ce dispositif de protection regroupe le miroir déformable, ses actuateurs, éventuellement l'électronique de contrôle ou commande, ainsi qu'un ou des dispositifs de protection tels qu'un volet occultant ou encore un dispositif générant un flux d'air destiné à protéger le miroir et éventuellement le refroidir.

La coupole ou dispositif de protection peut aussi abriter certains éléments de contrôle et de commande destinés à vérifier certains paramètres liés au capteur, notamment sa géométrie, l'état de surface général, le taux de réflectivité, la qualité du point focal primaire, la présence ou non d'éléments étrangers (neige, déjections, polluants, objets, animaux, personnes,...). La coupole ou dispositif de protection peut éventuellement s'orienter sur un ou plusieurs axes selon les besoins, par exemple pour protéger l'ensemble de ses composants lors de conditions particulières (neige, grêle, tempête de sable, travaux, test, maintenance...), ou encore pour atteindre une cible avec un angle ou orientations spécifiques. La coupole ou dispositif de protection peut aussi supporter d'autres miroirs, fixes, mobiles, déformables ou non pour des besoins bien spécifiques.

La coupole ou dispositif de protection peut aussi incorporer un ensemble de capteurs destinés par exemple à contrôler les paramètres de la cible, des moyens de contrôle météo, ou encore scruter le ciel pour prévoir les passages nuageux ou des conditions exceptionnelles nécessitant la mise en protection de l'ensemble telle que l'approche d'une tempête de sable, ou encore un procédé chassant les insectes ou animaux.

La coupole ou dispositif de protection peut comporter sécurité un volet ou mécanisme occultant servant aussi de lors d'un dysfonctionnement de l'ensemble et permettant d'interrompre tout ou partie du flux solaire provenant du capteur.

Lors d'un dépassement de puissance, le miroir déformable peut défocaliser le flux solaire pour éviter toute surchauffe ou encore envoyer tout ou partie du flux provisoirement sur une surface extérieure à la cible.

Le dispositif concentrateur se positionne soit au (quasi) point focal du capteur, soit légèrement en dehors du point focal, permettant ainsi de limiter un flux optique pouvant être destructeur ou bien faciliter la correction géométrique.

Le dispositif concentrateur secondaire (2) peut avantageusement être équipé d'un ensemble miroir de rechange interchangeable manuellement ou automatiquement en cas de dégradation du miroir principal, cela pour éviter toute intervention ou interruption lors de la production solaire.

Pour éviter ou limiter toute dégradation prématurée ou accidentelle du miroir, une protection sous forme par exemple de cône peut être envisagée, celui-ci permettant de d'éviter l'exposition à des contaminants ou corps étrangers quels qu'ils soient, y compris insectes ou animaux, notamment des espèces protégées qui pourraient être prises dans l'intense flux concentré et être blessées ou tuées.

Lors de forts vents ou puissantes rafales, le bras support de l'ensemble concentrateur pourrait être amené à bouger ou vibrer et donc faire perdre la qualité de la focalisation. L'invention permet néanmoins de compenser en temps réel d'importantes variations du fait d'un très court temps de réponse et de la grande amplitude de déformation du miroir concentrateur.

D'autre part, le dispositif selon l'invention peut disposer d'un procédé permettant la correction due aux aberrations chromatiques du fait du large spectre solaire utilisé, procédé étant constitué de couches ou éléments optiques correctifs formant un ensemble achromatique ou apochromatique pour les plages de longueur d'onde mises en œuvre, utilisant par exemple des doublets optiques ou éléments d'indice de réfraction différents compensant les aberrations.

Ces couches correctrices pouvant avantageusement être apposées sur le capteur durant la fabrication continue ainsi que des éléments correcteurs supplémentaires disposés sur le capteur. Le concentrateur peut avantageusement avoir une forme similaire à celle du capteur, soit carrée, ronde, rectangulaire ou toute autre forme, optimisant ainsi les surfaces « actives », et augmentant la corrélation optique avec le capteur.

Claims (12)

1. Revendications

   1 — Dispositif concentrateur d'énergie solaire du type plan et statique comportant au moins un premier collecteur primaire (1) réfléchissant concentrant la lumière vers un collecteur secondaire (2) mobile pour le suivi héliostatique dénommé « concentrateur » et concentrant la lumière en direction d'un foyer de conversion énergétique (3) caractérisé en ce que ledit collecteur primaire (1) est constitué par un film ETFE, recevant un revêtement réfléchissant adapté aux longueurs d'onde souhaitées et embossé pour former un réseau optique de type Fresnel fixé sur un support (7) plan fixe.
2. 2 — Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit collecteur secondaire (2) est supporté par une monture (4) assurant le déplacement dudit collecteur secondaire selon une ou plusieurs dimensions avec une amplitude d'environ 15° par heure et d'environ ±11,5° par an lorsque le dispositif est installé sur la terre, et tous autres angles adaptés hors installation terrestre.
3. 3 — Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite monture (4) présente un arceau ou support mobile articulé avec chariot ou arceau mobile, le dit arceau pouvant éventuellement effectuer les deux déplacements simultanés, et supportant ledit concentrateur secondaire (2).
4. 4 - Concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite monture (4) présente un bras ou quelconque support adapté, commandé par un actionneur dont le déplacement est commandé par un circuit électronique.
5. 5 — Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte un capteur ou une caméra pour l'acquisition de l'image focale du soleil formée sur l'élément de collecte thermique et en ce que ladite monture (4 ) comporte des actionneurs commandés par un calculateur comportant des moyens d'analyse de ladite image focale et de son centrage pour le recalcul de la position du chariot.
6. 6 — Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte un capteur ou une caméra pour l'acquisition de l'image focale du soleil formée sur l'élément de collecte thermique et en ce que ladite monture ( 4 ) comporte des actionneurs commandés par un calculateur comportant des moyens d'analyse de ladite image focale et de son centrage pour le recalcul de la position du dudit bras articulé selon deux directions).
7. 7 - Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit film (1) est déformable sous l'effet d'actionneur pour assurer une compensation primaire dynamique.
8. 8 - Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un faisceau laser femtoseconde lié au collecteur secondaire (2) pour la formation d'un filtre diffractant.
9. 9 - Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un réseau de miroirs motorisés pour la réalisation d'une compensation secondaire.
10. 10 - Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de compensation secondaire constitués par un moteur agissant par un axe sur l'ensemble de la surface du film ou miroir.
11. 11 - Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit foyer de conversion énergétique ( 3 ) comporte une fibre optique ou un faisceau de fibres optiques transmettant l'énergie lumineuse à une cible ou convertisseur thermique distant.
12. 12 - Dispositif concentrateur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit concentrateur primaire est formé sur un support (7 ) présentant une pente de quelques degrés pour permettre l'évacuation de tout contaminant notamment par le ruissellement des eaux de pluie ou l'action du vent.