Brevet FR2261489A1 — publié le 19750912

DESCRIPTION L'énorme énergie déversée sur notre planète par le soleil excite depuis longtemps l'imagination des hommes. C'est ainsi que sont apparus des miroirs paraboliques de grandes dimensions diversement associes à des champs de miroirs plans en vue de la production de très hautes temp4ratures dans les fours solaires. Parallèlement, des études menées sur la concentration de 1'énergie, au moyen de structures anti-rerayonnantes à nids d'abeilles, permettaient d'améliorer lleffe* très anciennement connu dit "de serre" et permettaient la production de vapeur à 550 C.La conversion directe de énergie solaire en énergie électrique était par ailleurs réalisée avec un rendement de l'ordre de 10 % pour des applications spatiales, au moyen de cellules photovoltaSques. Malgré ces tentatives, auxquellesil convient d'ajouter le chauffage dommestique solaire, aucune réalisation susceptible d'entre industrialisée sur des surfaces très importantes n'est apparue. L'objectif de la présente invention est précisément de combler cette lacune gracie à des procédés industrialisables à faible coït. Les dispositifs suivant l'invention permettent de capter l'énergie solaire au moyen de miroirs cylindriques et d'en effectuer a transformation sous des formes directement exploi tables. Le dispositif, objet de l'invention comportes des cellules élémentaires placées cote à cote sur un plan horizontal, vertical ou diversement incliné. Chaque cellule est essentiel lement constituée d'un miroir cylindrique à la focale duquel on place un capteur d'énergie filiforme dont la surface est aussi absorbante que possible vis-à-vis du spectre du rayonnement solaire et dont la constitution est adaptée à la forme d'énergie recherchée. Un mouvement, dit de "poursuite" anime ces éléments grssce à un asservissement convenable afin que le capteur d'énergie reste constamment placé de façon à intercepter l'image réelle du soleil formée par le miroir cylindrique, malgré le mouvement apparent du soleil. L'invention concerne également différentes sortes de capteurs mettant en oeuvre ce procédé, lesquels capteurs d'énergie permettent une transformation de l'énergie solaire en énergie thermique, en énergie thermodynamique, en énergie mécanique, en énergie électrique, en énergie chimique ; cette dernière étant concrétisée par de nombreuses réactions chimiques photo sensibles, endothermiques etc... Suivant une première forme de réalisation donnée à titre indicatif et non limitatif, ces moyens consistent en un miroir cylindrique fixé par rapport au sol et qui peut faire l'objet de diverses réalisations ; métalliques, béton ou plus avantageusement être obtenu en structure gonflable. Au foyer dudit miroir est placé un capteur d'énergie convenablement adapté à la variété d'énergie recherchée. Ce dernier est donc de faible diamètre et de même longueur que le cylindre ; de plus, il est parallèle à l'axe du cylindre. En outre, le dit cçptatr d'énergie est mobile autour de l'axe du cylindre de façon à intercepter en permanence la totalité du flux solaire réfléchi par le miroir cylindrique malgré- le mouvement apparent du soleil. Ce mouvement est obtenu gracie à un asservissement classique. Les fluides transportant l'énergie depuis le capteur d'énergie sont acheminés jusqu'à la partie fixe grace à des conducteurs souples ou à des joints tournants placés au niveau de l'axe du cylindre. L'invention sera de toute façon mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après et des figures 1 et 2, lesquels compléments et dessins n'étant donnés, bien entendu, qu'à titre indicatif et nullement limitatif. Le miroir 1, constitué par une surface plastique métallisée ou métallique occupe la moitié de la surface latérale du cylindre opposée au soleil, l'autre moitié 2 étant constituée par une feuille plastique transparente. Le cylindre ainsi constitué est fermé à ses extrémités par les bouchons 3 solidaires du sol et comportant un joint 4 sur lequel est tendu le sac de astique, le dit sac étant maintenu gracie à une sangle extérieure non représentée. Le système est alors étanche et peut ainsi étre gonflé à faible pression jusqu'à parfaite tension des membranes. Il est supporté sur sa longueur par une surface plane 11, placée sous le cylindre. Le capteur d'énergie 5 est maintenu en rotation autour de l'axe 8 gracie aux disques 6 sur lesquels il est fixé de façon étanche. Le disque 6 assure lui-meme l'étanchéité gr ce à un joint à lèvres 7 qui frotte sur le bouchon 3 ; en outre, il est mis en mouvement par un motoreducteur ou tout autre moyen approprié, grace à un asservissement qui utilise l'information issue d'un dispositif électro-optique solidaire de 5 et 6 et donc entrainé dans le mouvement autour de l'axe 8. Selon une autre réalisation de l'invention, le moyen est encore un miroir cylindrique réalisé comme précédemment par l'assemblage selon deux génératrices d'une paroi plastique souple et transparente et d'une paroi souple et réfléchissante. Les rayons solaires sont, comme précédemment transmis à travers la paroi transparente, qui ne joue qu'un r8le de structure, jusqu'à la surface réfléchissante qui joue le rôle de miroir cylindrique. Dans cette réalisation le miroir cylindrique roule sur le sol. Pour une meilleure compréhension, les figurent 3 et 4 et compléments de description ci-après ne sont donnés, bien entendu, qu'à titre indicatif et non limitatif. Le capteur d'énergie 5 est assemblé de façon rigide et étanche sur les fonds 3 qui supportent le cylindre constitué par les surfaces 1 et 2. Cet ensemble peut rouler sur le sol de façon à ce que l'axe reste constamment parallèle à la composante normale à l'axe 8 d'un vecteur porté par les rayons solaires ce qui signifie en d'autres termes que la rotation du miroir s'ajuste convenablement pour que le capteur d'énergie 5 intercepte constamment tout le rayonnement issu de la réflexion sur la surface 1. Le mouvement de rotation est obtenu par exemple au moyen d'un servo-motoreducteur porté par une poutre 12 dont l'une des extrémités se termine par une roue 13 roulant sur le sol, tandis que l'autre extrémité peut osciller autour de l'axe 8.Le mouvement est transmis grâce au système vis sans fin touX -teU;c 14. Un dispositif électro-optique 10 calé sur l'axe 8, donc solidaire de 1, 2, 3 et 5 mesure l'écart angulaire entre la position réelle et la position idéale à chaque instant et élabore un signal d'erreur qui contrôle le mouvement du moteur 9. Ceci constitue une boucle d'asservissement classique. Le système de poursuite peut hêtre commun à de nombreuses cellules. Le rendement énergétique des deux réalisations précédentes peut etre augmenté en limitant les pertes du capteur 5 par convexion en entourant celui-ci d'un ou plusieurs tubes de verre coaxiaux. Suivant une forme préférée de réalisation de l'invention, le capteur d'énergie 5 peul-tre utilisé qu'à usage thermique, c'est à dire pour chauffer de l'eau, de la vapeur ou tout autre fluide. La température du fluide peut Outre régulée en agissant sur le débit du fluide. Dans ce cas, le capteur est constitué d'un simple tube métallique peint en noir. Suivant une autre forme préférée de réalisation de l'invention, le capteur à une fonction thermodynamique. Ledit capteur est alors générateur de vapeur surchauffée destinée à alimenter des machines thermiques, des vérins, etc... La figure 5, donnée à titre indicatif et non limitatif, montre un exemple de réalisation. La paroi extérieure du capteur d'énergie est constituée par le tube en acier 15 dont la surface extérieure est peinte en noir pour présenter la meilleure absorption possible du rayonnement solaire. A l'intérieur du tube 15, un autre tube 16 est disposé coaxialement. I1 a la particularité d'être poreux. On injecte à l'intérieur de ce tube, sous pression contrôlée lteau (ou tout autre liquide). Celle-ci diffuse à travers la surface latérale de 16 et pénètre dans le volume compris entre les deux cylindres où elle se trouve vaporisée. Le contrôle du débit de liquide permet d'obtenir dans cette zone annulaire entre 15 et 16 une vapeur surchauffée dont la température peut etre régulée en controlant le débit du liquide. Cette vapeur est ensuite dirigée vers une turbine ou tout autre moyen susceptible d'en extraire de l'énergie mécanique. Suivant une autre forme préférée de l'invention, le capteur peut avoir une fonction thermo-électrique, lequel capteur permettant alors la conversion directe de l'énergie solaire et par suite thermique, en énergie électrique. Selon l'invention, une série de lames rectangulaires et de très faible épaisseur sont orientées de sorte que leurs longueurs soient dirigées selon 1'axe 8. Leurs natures, de deux sortes alternées, sont convenablement choisies pour que le coefficient thermo-électrique soit le plus important possible eut égard aux diverses contingences thermiques et méca niques résultant de la réalisation pratique du dispositif. Une structure "acordéon" est réalisée avec les lames, permettant une mise en série des forces électro-motrices résultant de l'effet thermo-électrique.Cette structure est ensuite enroulée en cercle de façon à ce que les soudures chaudes soient orientées vers l'extérieur du capteur d'énergie ce qui leur permet de recevoir le flux thermique solaire. A l'inverse, les soudures froides sont orientées à l'intérieur oilles baignent dans un fluide froid qui constitue la source froide du système. On peut voir sur la figure 6, les lames 17 et 18 assemblées par la soudure chaude 19 et la soudure froide 20. Un tube extérieur 21 est en contact thermique avec les soudures chaudes 19. I1 est peint en noir de façon à capter le rayonnement solaire avec une efficacité maximum. On dispose un isolant mince à bsiine t nUt thermique sur chaque face des lames. Suivant une autre forme préférée de réalisation de l'invention, le capteur d'énergie 5 mis en oeuvre dans l'invention peut utiliser des procédés de conversions directes d'énergie dont les principes sont connus telles, par exemple, la magnétohydrodynamique la diode thermoSonique ou l'effet photovoltaique. Dans ce cas, le capteur d'énergie est tapissé de diodes sur sa périphérie tandis qu'une circulation d'eau à l'intérieur assure leur refroidissement. Suivant une autre forme préférée de l'invention, le capteur d'énergie 5 peut réaliser directement une conversion de l'énergie lumineuse ou: de l'énergie thermique qui en résulte lors de son absorption dans différents corps, en énergie chimique. Ceci signifie que des réactions photosensibles ou des réactions fortement endothermiques peuvent autre obtenues en utilisant le capteur d'énergie 5 comme suit : 1 ) Dans le cas où des fortes températures sont souhaitées, le capteur 5 est constiué d'un matériau réfractaire noir extérieurement et dont le diamètre est aussi réduit que possible étant entendu qu'il reste suffisant pour intercepter la quasi totalité du flux solaire réfléchi par 1.On fait alors passer le fluide dont on souhaite provoquer une transformation chimique en l'injectant d'un cté tandis que, après réaction partielle ou totale, le fluide est extrait à l'autre extrémité. Dans certains cas on peut, par le jeu de parois poreuses, extraire sélectivement un ou plusieurs produits de la réaction. Par exemple dans le cas de la production d'hydrogène on met à profit la diffusivité de ce gaz dans certains métaux tel le nickel, le palladium, etc... La structure est alors avantageusement coaxiale, Comme il est schématisé à titre purement indicatif sur la figure nO 7, dans le cas d'un réacteur destiné à la production d'hydrogène à partir de lteau. Une enveloppe externe, réfractaire est portée à haute température par le rayonnement solaire. L'eau qui est alors injectée au centre du tube 24, coaxial à 23 est vaporisée et sa vapeur est chauffée à très haute température (supérieure à 1 0000 C). L'hydrogène obtenu par dissociation de la molécule d'eau diffuse à travers 24 que l'on a judicieusement choisi dans ce but. I1 est alors extrait de l'espace annulaire compris en 23 et 24. 20) Dans le cas où des réactions de photochimiques sont souhaitées, le capteur d'énergie 5 est constitué d'un matériau transparent auX ByOQ5 o où les réactions sont possibles. Le dispositif, objet de l'invention, peut-etre utilisé dans tous les cas où on charche à récupérer l'énergie solaire pour la transformer en une autre forme d'énergie. I1 peut être utilisé pour le chauffage domestique, le chauffage urbain, la production d'électricité soit sous forme de grandes centrales soit au contraire au moyen de petites unités facilement mobiles, et ce de très diverses façon (machines thermiques convertisseurs thermoélectriques, diodes photovoltarques, effet thermolonique, effet magnétohydrodynamique, etc...). Il peut être également utilisé pour la production de vapeur et la production de produits chimiques divers, en particulier, pour la production dthydrogène. REVENDICATIONS 10) Dispositif permettant de capter l'énergie solaire caractérisé en ce que le miroir de concentration qui peut être obtenu en structure classique ou en structure gonflable est de forme cylindrique. I1 est fixé par rapport au sol. A la focale dudit miroir cylindrique est placé un capteur d'énergie de couleur noire ou sombre dont les dimensions sont suffisantes pour inter- cepter la totalité du flux solaire réfléchi par le miroir. Ledit capteur d'énergie est mis en mouvement par un mécanisme approprié afin d'intercepter constamment la quasi totalité du flux solaire malgré le mouvement apparent du soleil. I1 décrit un arc de cercle autour de l'axe du cylindre dont le rayon est la moitié de celui dudit cylindre. 20) Dispositif permettant de capter l'énergie solaire, caractérisé en ce que le miroir de concentration du flux solaire est de forme cylindrique obtenue par les procédés de construction traditionnel ou mieux au moyen d'une structure gonflable. Un capteur d'énergie dont la fonction est d'intercepter tous les rayons réfléchis par le miroir occupe la focale du miroir. Le capteur est en outre solidaire du miroir. Un dispositif d'asservissement fait rouler le miroir sur le sol ou sur des rails afin que le capteur intercepte en permanence la quasi totalité du rayonnement solaire réfléchi Zr le miroir. 30) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le capteur d'énergie, constitué d'un tube métallique ayant une surface absorbante est susceptible de réchauffer tout fluide le traversant. 4.) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le capteur d'énergie est adapté à la production de vapeur ou de vapeur surchauffée susceptible d'alimenter des moteurs thermiques, vérins, etc... L'amenée de l'eau se fait gracie à un tube poreux ou percé, coaxial à l'enveloppe externe. 50) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le capteur d'énergie est susceptible de produire de l'électricité par conversion directe de l'énergie thermique ou lumineuse en énergie électrique. Ceci peut être obtenu soit par magnétohydrodynamique soit par effet thermoionique soit par effet photovoltaiques le capteur étant, dans ce dernier cas, recouvert de cellules photovoltaiques. 60) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le capteur d'énergie produit de l'électricité par convQr- sion thermo-électrique au moyen de thermo-couples. Les soudures chaudes sont placées sur la périphérie du capteur d'énergie tandis que les soudures froides placées au centre sont refroidies par un fluide froid. 70) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le capteur d'énergie est adapté à la transformation de l'énergie thermique ou lumineuse en énergie chimique par le jeu de réactions endothermiques ou photosensibles. Dans ce dernier cas le capteur est constitué d'un tube transparent.