Brevet FR2353814A1 — publié le 19771230

La présente invention concerne les appareils de type capteurs solaires " permettant de récolter et concentrer le rayonnement solaire en vue de diverses applications. L'utilisation rationnelle de I 'énergie solaire a des fins domestiques ou industrielles n'arrive pas à trouver son essor définitif parce qu'il n'a pas encore été mis au point un système de capteur efficace et rentable. Or, le capteur est la clef de l'énergie solaire et les problèmes principaux à résoudre et qui sont d'ailleurs la tare des procédés employés jusqu présent sont 1. L'orientation. 2. Les pertes importantes. 3. Le prix. 4. L'esthétique. Les trois procédés utilisés jusqu'à présent pour capter les rayons solaires sont les capteurs plans utilisant lteffet de serre qui visent l'obtention de basses températures les miroirs paraboliques qui visent l'obtention de moyennes ou hautes températures ; les panneaux photovolaiques ou photopiles qui sont des applications limitées à cause de leur prix exorbitant et de la faible puissance de sortie. Le but de notre dispositif est donc dans un premier temps d'éliminer les inconvénients des capteurs plans et des miroirs paraboliques qui sont les suivants le Inconvénients du capteur plan. a) orientation: il doit être orienté suivant un angle voisin de 40, par rapport à l'horizontale, ce qui est inesthétique et encombrant. Malgré cette orientation, le matin et le soir* il perd de nombreuses heures d'ensoleillement lorsque le soleil est en dessous de 450 s car les rayons se réflètent sur la vitre. b > réflexion sur la plaque absorbante : Le rayon après s'entre déjà réflechi partiellement sur la vitre frappe la plaque noire1 mais il n'est pas absorbe totalement, une partie se réfléchit et repart à travers la vitre. c) perte par rayonnement : la plaque noire chauffe et rayonne. Une partie de ce rayonnement non stoppé par la vitre repart à l'extérier. d) pertes par conductions et convexions : une quantité importante de calories repart vers I'extériur. LE TOTAL DE CES PERTES PAR REFLEXION, RAYONNEMENTS, CONDUCTIONS ET CONVECTIONS REPRESENTE EN MOYENNE 30 % DE L'ENERGIE e) le rendement diminue en hiver : plus l'écart de température entre le capteur et 1 l'air extérieur aug- mente, plus le rendement diminue. C'est pourtant l'hiver que lton a le plus besoin de calories. 2oLes inconvénients du miroir parabolique sont eux connus de tous. Le prix est exorbitant, il est encombrant et peu pratique. Il nécessite un asservissement extrtme- ment précis et onéreux. Le foyer est devant le miroir, ce qui a pour résultat que l'on obtient une concentration d'énergie intense, mais que l'on ne peut la récupérer en totalité sans gêner l'incidence des rayons sur le miroir. Nous allons voir que leSdispositit objetS de l'invention éliminenrles uns après les autres tous ces inconvénients aussi bien en ce qui concerne les capteurs plans qu'en ce qui concerne les miroirs paraboliques. Le dispositif objet de l'invention comporte un double dioptre sphérique constitué par une sphére en plexiglas ou en verre remplie d'une solution d'eau et de chlorure de chaux ou de chlorure de sodium afin de se préserver du gel. Ce dioptre remplace en quelque sorte la vitre du capteur plan. Un avantage apparatt déjà quelle que soit la position du soleil autour de la sphère, l'incidence des rayons sera constante. Le matin et le soir, lorsque le capteur plan ne fonctionne pas à cause de l'angle d'incidence des rayons1 notre dispositif fonctionne et nous gazons donc des heures d'ensoleillement. Autre avantage de la sphère : il y aura toujours une calotte sphérique où les rayons incidents sont voisins de la normale du plan tangent et auront donc une pénétration maximum.A partir de l'angle d'incidence 454 les rayons se réfléchissent sur la vitre sphérique mais sont récupérés par la sphére voisine (voir pl I schéma I). Les rayons incidents vont donc être réfractés unernpremière fois lorsqu'ils pénetrent et une seconde fois lorsqu'ils ressortiront pour converger en une caustique qui se situeraà l'extérieur de la sphère à une distance voisine de 3/4 de R. (schéma I). Encore un avantage : la perte par absorption des rayons par l'eau est récupérée car l'eau qui emplit les sphères est l'eau du circuit qui est donc préchauffée avant d'aller dans l'absorbeiir que nous décrirons plus loin. La caustique obtenue va donc se déplacer autour de la sphère en fonction du déplacement du soleil.Il s'agit donc maintenant de la récupérer et de la convertir en calories en évitant les pertes par réflexions, par rayonirnenent, par convexions et conductions qui sont la tare d capteur plan. Pour ce faire, nous disposons dans plan moyen où se déplace la caustique un piège constitué par des ailettes noires disposées suivant le schéma II. Pour simplifier et ne pas titre obligé de suivre la courbe sphérique que décrit la caustique nous disposons deux miroirs en A et B (voir schéma) de façon à ce que le matin et le soir les rayons soient toujours raménés dans le pian C*. Comme nous le voyons, la perte par réflexion que nous avions sur la plaque du capteur plan traditionnel est ici négligeable car le rayon va se réfléchir entre deux plaquettes (schéma II) et être finalement absorbé dans sa plus grande partie.Quant à la perte par rayonnement elle est également négligeable car le rayonnement d'un point A (voir schéma III) d'une ailette va être repris par l'ailette voisine. Le rayonnement a donc lieu d'une ailette à l'autre, alors que dans le capteur plan traditionnel ce rayonnement a lieu vers la vitre. Quant au rayonnement d'un point B situé en surface (schéma III), étant donné que la vitre est sphérique, la plus grande partie des rayons du faisceau arrivent sur celle-ci suivant un angle supérieur à 400 et seront donc réfléchis à nouveau vers les ailettes (schéma III). Nous avons donc éliminé la plus grande partie des pertes par r léxion et rayonnement que norias avons sur un capteur plan traditionnel. Quant aux pertes par convexions et conductions il paraissait impossible jusqu'à présent de les éliminer. Nous arrivons cependant à les réduire car les calories fournies par le corps à ailettes qui arrivent à traverser la vitre sphérique seront reprises par l'eau contenue dans les sphères et restent donc dans le circuit puisque l'aau est intégrée dans celui-ci comme nous l'avons vu précédemment. Sous le corps à ailettes des condiiits d'eau sont bien sdr chargés de véhiculer les calories vers un échangeur thermique éventuel (schéma III). En résume, nous avons - gagné des heures d'ensoleillement en résolvant le problème de ltorientation - amélioré la pénétration des rayons dans le dispositif grâce à la forme sphérique et aux réflexions sur la vitre qui sont repris par la sphère voisine; - réduit les pertes par réflexions, rayonnements convection et conduction au sein de la partie absorbante noire, gracie au système d'ailettes et au circuit d'eau préchauffage à l'intérieur de la sphère; - amélioré ltesthétique et l'encombrement; - divisé le prix par deux, puisque les rayons incidents sont réfractés et convergent vers une caustique, ce qui réduit la dimension de la partie absorbante à ailettes. Si l'on veut encore réduire le prix, il est parfaitement possible, le capteur n'ayant pas besoin d'orientation de disposer un miroir comme le montre le schéma IV pour obtenir une deuxième caustique opposée à la première. De cette façon, un capteur fera le'travail de deux et le prix sera donc réduit en conséquence. Du point de vue pratique, les sphères sont placées les unes à cotés des autres comme le montre le schéma V. Le diamétre des sphères nsa guère d'importance, mais le diamétre satisfaisant tant sur le plan pratique que technique semble autre de 30 à 50 cm. Une déviation de ce dispositif a été faute en vue d'éliminer les inconvénients des miroirs paraboliques qui sont 1. Le prix. 2. Le poids et l'encombrement en hauteurs 3. Le système d'asservissement complexe pour la poursuite du soleil. 4. Le foyer étant devant le miroir, nous disposons d'une concentration intense, mais avons d'immenses difficultés à récupérer ce foyer. 5. Le foyer se déplace en meme temps que le miroir (sauf dans le procédé du professeur TROMBE employé à Odellio, mais qui recherche exclusivement les hautes températures). Pour remédier à ces inconvénients, nous disposons donc devant notre sphère toujours remplie d'une solution d'eau et de chlorure de chaux ou de sodiums un sidérostat actionnant un miroir plan asservi suivant li principe de FOUCAULT, ctest-à-dire que les rayons réfléchis par le miroir auront une direction constante par rapport à la sphère (voir schéma VI). La caustique où convergent les rayons à l'extérieur de la sphère est donc fixe puisque le miroir est asservi. Il devient alors extrêmexent facile de récupérer cette caustique en la faisant pénétrer dans un corps noir fermé par une vitre dans le cas où l'on recherche des hautes températures et un rendement maximum.Le corps noir est ensuite immergé dans un bain intermédiaire qui varie selon l'application recherchée. Ce procédé a été étudie en songeant avant tout à la photo-électrolyse de lteau,directement à partir des rayons solaires, grace aux travaux du Professeur TCHERNEV aux U.S.A., ce qui permet bien sùr l'obtention d'liydrogéne. Il était indispensable, dans ce cas, d'avoir une caustique qui soit fixeO w Une autre application de notre capteur sphérique est destinée à améliorer le temps de fonctionnement et le rendement des piles photovoltaiques et supprimer le besoin d'orientation. Une sphère ou un panneau de sphères est alors disposé au-dessus du panneau de photopiles (voir schéma VII), dans la partie aval des sphères, un cylindre réfléchissant réfléchit les caustiques jusqu'aux piles afin dtéviter les concentrations et donc l'échauffement des cellules.Un miroir plan peut-être disposé comme le montre le schéma VII, ce qui permet après avoir amélioré le temps de fonctionnement grâce à la sphère réfractante s d'améliorer le rayonnement reçu par les cellules et donc de réduire le nomvre de panneaux nécessaires à l'installation0 Une autre dérivation a été prévue dans un but bien particulier : le désalement de l'eau de mer, dans les pays chauds. Le dispositif se compose d'une sphère vide, à l'intérieur de laquelle est placée,cette fois-ci, une sphère métallique noire (voir schéma VIII) dans laquelle est placée de l'eau de mer. Des surfaces réfléchissantes sont placées comme le montre le schéma VIII de façon à ce que la sphère soit chauffée au maximum jusqu'à ébulition de liteau. Pour faciliter ltébulition à basse température, à l'aide d'une petite pompe alimentée par piles photovoltai- quels nous faisons tomber la préssion de l'air présent en A et B (schéma VIII). La vapeur sort alors sous pression, vers un condenseur classique. Le sel reste alors dans la sphère et n'encrasse aucune tuyauterie. Si l'on veut augmenter la température, on peut utiliser le collecteur solaire que montre la figure IX. Ce collecteur a l'avantage d'additionner les énergies reçues par chaque sphère et de diriger ces énergies vers un absorbeur final. Ce qui intéresse ici est la température et non le rendement. Les dispositifs, objets de l'invention, ont donc des applications les plus variées dans tout ce qui concerne l'utilisation de l'énergie solaire à des fins domestiques ou industrielles, individuelles ou collectives. Ces dispositifs sont simples, donc efficaces et surtout d'un prix extrtmement réduit par rapport à tous les systèmes utilisés à présent. Ces dispositifs peuvent étre utilisés en particulier dans le chauffage domestique, en intégration ou non avec l'architecture 8 dans les applications industrielles à basse ou à moyenne et haute températures (avec adjonction éventuelle du miroir asservi ou du collecteur solaire), dans la réalisation de centrales solaires (machines thermiques, photo-électrolyse, pompages, etc...), dans les procédés de désalinisation de l'eau de mer, dans les installations utilisant les piles photovoltalques , afin d'améliorer le fonctionnement et réduire le prix de l'installation en réduisant le nombre de panneaux , etc ... .... REVENDICATIONS 1. Dispositif de captage d'énergie solaire, caractérisé par la combinaison d'un moyen réfracteur sphérique transparent formant dioptre sphérique double qui réfracte le rayonnement solaire suivant une caustique et d'un moyen récepteur d'énergie disposé dans la zone balayée par ladite caustique lors de la course solaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen réfracteur comporte une enveloppe sphérique remplie de liquide. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen récepteur est un corps noir à ailettes. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps noir à ailettes est adapté à chauffer un circuit de fluide caloporteur. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit corps noir à ailettes est adapté à chauffer un circuit parcouru par un liquide préchauffé dans une enveloppe sphérique formant ledit moyen réfracteur. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que. ledit moyen récepteur consiste en une batterie de piles photo voltalques. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce qu'un miroir plan vertical est disposé en arrière dudit moyen réfracteur par rapport au soleil. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un miroir monté en héliostat est associé audit moyen réfracteur. 9. Dispositif de captage d'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un caisson calorifugé avec une paroi supérieure et une paroi inférieure disposées horizontalement, au moins un réfracteur sphérique constitué d'une enveloppe transparente remplie de liquide et engagé dans le caisson en reposant sur la périphérie d'une ouverture circulaire dans la paroi supérieure, un corps noir à ailettes dans le caisson reposant sur la paroi inférieure, un circuit de liquide caloporteur comprenant en série le réfracteur et le corps noir, et un miroir vertical sur la paroi supérieure du caisson, en arrière du réfracteur par rapport au soleil.