Brevet FR2384213A1 — publié le 19781013

L'invention concerne des perfectionnements aux dispositifs utilises pour concentrer et recueillir l'énergie solaire afin de l'utiliser comme source d'énergie thermique. Un collecteur solaire comprend habituellement un réflecteur d'énergie solaire et un absorbeur d'énergie solaire disposé pour recevoir l'énergie solaire réfléchie par le réflecteur. On connaît des capteurs solaires plans qui permettent d'obtenir des calories dites basse température (inférieure à 1500C), des capteurs à concentration ponctuelle qui sont plus particulièrement utilisés pour les très hautes températures (jusqu'à 40000C) et des capteurs solaires à concentration linéaire qui intéressent la gamme des moyennes températures allant essentiellement de 1000 à 4000C. L'invention concerne ce dernier type de collecteur et, plus précisément, les collecteurs comprenant un réflecteur qui comprend des moyens constituant une surface réfléchissante (miroir) pour l'énergie solaire et un absorbeur qui comprend des moyens constituant une surface absorbante pour l'énergie solaire, ladite surface réfléchissante étant une surface focalisante ayant un plan focal et un seul plan de symetrie perpendiculaire à son plan focal et ladite surface absorbante étant apte à se trouver dans une position où elle admet même plan de symétrie que la surface réfléchissante. Les buts de la présente invention sont d'une part d'améliorer le rendement du collecteur solaire en minimisant les pertes éventuelles, qu'il s'agisse des pertes radiatives de l'absorbeur ou des pertes dues aux imperfections du réflecteur ou des imperfections du pointage du collecteur sur le soleil et, d'autre part, de diminuer les coûts de fabrication et de réglage dudit collecteur solaire. On y parvient, selon l'invention, en réalisant un collecteur satisfaisant aux conditions caractéristiques suivantes 0,2 F 4 L 0,015 F réfléchissante sur le plan focal - 1 désigne la largeur de la projection sur le plan focal de la surface absorbante supposée dans la position où elle admet même plan de symétrie que la surface réfléchissante, et 50 % au moins de la surface absorbante supposée dans ladite position se trouvant entre le plan focal et un plan parallèle au plan focal et décalé vers la surface réfléchissante d'une distance de défocalisation d, où O # d # 0,080 F Selon les desiderata particuliers, on choisit la forme du miroir, la forme de la surface absorbante, l'emplacement de la surface absorbante par rapport au plan focal, et les largeurs L et 1 du miroir et de la surface absorbante. I1 est commode d'utiliser un miroir cylindrique à section droite circulaire ou un miroir cylindrique à section droite parabolique. Dans le premier cas, il est particulièrement intéressant de défocaliser la surface absorbante, c'est-à-dire de la situer en avant du plan focal du miroir au lieu de la situer dans ce plan de façon en soi connue. On a trouvé que les réalisations les plus intéressantes sont obtenues pour les gammes de valeur suivantes Miroir à section circulaire sans défocalisation de l'absorbeur 0,2 F # L # 1,5 F et 0,015 F # 1 # 0,030 F Miroir à section circulaire avec défocalisation de l'absorbeur 0,2 F # L # 1,5 F 0,015 F # 1 # 0,030 F 0,006 F # d # 0,030 F Miroir à section parabolique sans défocalisation de l'absorbeur 1,5 F # L # 1,7 F 0,016 F # 1 # 0,032 F Dans la pratique, il n'est pas-exclu que l'absorbeur et le miroir se trouvent dans des positions relatives légèrement différentes des positions idéales, du fait par exemple d'une erreur de réglage à l'origine ou d'une variation de réglage durant le service. Pour pallier les effets de ces décalages éventuels ou ceux de défaut eventuel de pointage sur le soleil, l'invention prévoit de munir l'absorbeur d'ailettes -longitudinales disposées suivant une configuration divergente d'angle t et constituant des réflecteurs pour le rayonnement visible etZou des absorbeurs pour le rayonnement infra-rouge, la surface absorbante et les ailettes délimitant une cavité tournée vers la surface réfléchissante et éventuelleement fermée du côté de la surface réfléchissante par une lame de verre ou autre matériau transparent. On a trouvé avantageux que l'angle t des ailettes soit compris dans la gamme 110,5-1060, de façon générale. Dans le cas d'un miroir cylindrique à section circulaire, il est préférable de limiter à 84,5 la valeur de l'angle et, mieux, de choisir un angle de la gamme 23 -34 s'il n'y a pas défocalisation et 35 -58 s'il y a défocalisation. Dans le cas d'un miroir cylindrique à section parabolique, la gamme préférée est 82 -92 . On expliquera ci-après les enseignements et les avantages de la présente invention, en référence aux figures du dessin joint sur lesquelles - la figure 1 est un schéma de principe de différentes réalisations de collecteurs conformes à l'invention, vus en coupe par un plan transversal ;; - la figure 2 est un schéma de principe d'un absorbeur conforme à l'invention, vu en coupe par un plan transversal - les figures 3 et 4 sont des coupes transversales de deux réalisations particulières d'absorbeur - la figure 5 est un graphique de la variation de la concentration géométrique en fonction de la largeur du miroir, pour différents collecteurs conformes- à l'invention - la figure 6 est un graphique de la variation de la concentration géométrique en fonction de la défocalisation pour un collecteur comportant un miroir cylindrique et une surface absorbante défocalisée, et - la figure 7 est une coupe schématique d'un collecteur à miroir fixe et à absorbeur mobile. Sur la figure 1, on a représenté différentes configurations de miroir et d'absorbeur, en coupe dans un plan perpendiculaire au plan focal du miroir. AB représente la trace de ce plan focal dans le plan de coupe. S désigne le profil d'un miroir cylindrique à section droite circulaire de rayon R, de centre 0 et de sommet T, et P désigne Je profil d'un miroir parabolique de même sommet T et de meme plan focal AB. L1 et L2 désignent respectivement les limites de la gamme dans laquelle est choisie la largeur de la surface réfléchissante du miroir, R L1 2F=2 R=R L2 = 0,2 F = 0,1 R Cette surface réfléchissante peut être composée d'une surface unique ou d'une multiplicité de petites surfaces de façon en soi connue. Il n'est évidemment pas possible de représenter à l'échelle la surface absorbante dont la projection sur le plan AB a une largeur au plus égale à 0,032 F, c'est-à-dire de l'ordre du centième du rayon R. On a arbitrairement schématisé cette surface en 1 en supposant qu'elle se trouve dans le pian focal AB. Il n'est pas non plus possible en effet de représenter à l'échelle la distance de défocalisation lorsqu'elle existe car cette distance est au plus égale à 0,08 F, c'est-à-dire 0,04 R. La figure 2 représente à une échelle différente un absorbeur muni d'ailettes conforme à la présente invention. Sur cette figure, la trace de la surface absorbante est vue en DE et les ailettes sont vues en coupe suivant GE et HD respectivement. Le miroir (non représenté) se trouve dans la direction Z. Les ailettes font entre elles un angle t. La surface absorbante, par exemple une surface métallique noircie est plane (cas 1), ou ondulée (cas 2), ou courbe (cas 3), etc. L'invention n'est pas limitée à une forme ou une nature particulière de surface absorbante. La surface absorbante et les ailettes délimitent une cavité trapézoldale 4 qui est tournée vers le miroir. Cette cavité est ouverte ou fermée par une lame de verre 5 ou autre matériau transparent du côté du miroir. Dans l'exemple représenté, l'absorbeur comporte au dos de la surface absorbante ED un conduit 6 dans lequel peut circuler un fluide caloporteur destiné à recueillir l'énergie absorbée par la surface ED de façon en soi connue. Dans un tel cas, il est préconisé par la présente invention d'utiliser de préférence un conduit dont deux côtés 7,8 sont dans le prolongement des ailettes,lë conduit ayant de préférence une forme triangulaire, ce qui favorise la turbulence donc l'échange de chaleur. La base du triangle est constituée par la surface absorbante. On décrira maintenant plus en détail une telle réalisation d'un absorbeur conforme a la présente invention, en référence aux figures 3 et 4. Cet absorbeur a une section droite en forme de A, les deux côtés 9 et 10 du A étant constitués par les deux ailes d'un profilé métallique principal et la barre du A étant constituée par la surface absorbante qui se trouve sensiblement à mi-hauteur du A. Un profilé auxiliaire 11,12, de préférence metallique, est disposé parallèlement et à l'arrière du profilé principal pour constituer entre les deux profilés un espace 13 propre à contenir un matériau d'isolation thermique. Les deux profilés sont de préférence identiques et, par exemple, en aluminium poli ou en acier et la surface absorbante 1 est de préférence une plaque métallique noircie soudée au profilé 9,10. Un tel absorbeur est peu coûteux à réaliser. Dans un tel cas, les ailettes préconisées par la présente invention sont constituées par les parties 9a et îOa des ailes 9 et 10 qui se trouvent sous la barre 1 du A. Dans une première réalisation, ces ailettes sont rendues réfléchissantes par polissage ou par un revêtement approprié, par exemple une peinture métallique, pour renvoyer vers la surface absorbante ceux des rayons réfléchis par le miroir qui ne sont pas dirigés vers la surface absorbante par suite d'un défaut du miroir ou des positions respectives du collecteur et du soleil et qui-seraient perdus si les ailettes n'étaient pas là pour les réfléchir vers la surface absorbante. Dans une seconde réalisation, les ailettes sont noircies comme la surface absorbante pour recueillir les éventuelles émissions de la surface absorbante dans le domaine infra-rouge et l'énergie ainsi recueillie est transmise au fluide caloporteur par la conduction du profilé qui fournit les ailettes. Dans une troisième réalisation, les ailettes sont munies d'un revêtement multicouches qui leur assure à la fois les fonctions de réflexion dans le visible et l'absorption dans l'infra-rouge. Cette réalisation est théoriquement préférée mais, dans l'état actuel de la technique, elle présente pratiquement l'ilconvénient d'un coût plus élevé que celui des deux réalisations précédentes. Le matériau isolant appliqué au dos des parois 9 et 10 est de préférence choisi dans le groupe formé par la brique creuse (ou tout autre constituant isolant disponible sur place), la laine de verre, l'amiante, les produits à base de ciment et tous les matériaux résistant à des températures élevées de l'ordre de 3000C ou de 8000C, selon la valeur de la concentration. Dans la réalisation qui a été décrite, ce matériau est contenu entre les deux profilés, ce qui assure sa protection contre les intempéries et ce qui assure son maintien en place, ce-qui est important dans le cas d'un matériau constitué de fragments. En variante, on peut utiliser des parois 11 et 12 de formes différentes de celles des parois 9 et 10 et l'on peut même se dispenser de parois telles que Il et 12 si le matériau isolant est suffisamment résistant et suffisamment solide pour avoir une durée de service en place convenable. La cavité trapézordale 4 constituée par la surface absorbante et les ailettes forme une cavité absorbante et, pour bénéficier des effets de serre, il est préconisé de fermer cette cavité, comme cela a déjà été indiqué, par une lame de verre 5 qui est maintenue en place mais qui n'est pas solidarisée avec les ailettes pour des raisons de différences de dilatation. Cette lame de verre a une forme quelconque. I1 est à remarquer que les pertes radiatives d'un absorbeur selon l'invention sont remarquablement réduites puisque l'absorbeur est isolé sur un angle (3600-t0) soit un angle qui dans les réalisations préférées, est voisin de 3150 (cas du miroir à section circulaire), et voisin de 2700 (cas du miroir à section parabolique), alors que dans les réalisations connues antérieurement l'absorbeur rayonne dans toutes les directions, ce qui oblige généralement à recourir à l'emploi d'un tube en verre, fragile et croûteux. Le miroir est rigidement lié avec l'absorbeur, de préférence par un système de bras métalliques très massifs, de façon à ce que la plaque 1 de l'absorbeur se trouve toujours située dans la position préconisée par la présente invention. I1 est orienté dans la direction est-ouest ou nord-sud et pointé sur le soleil par rotation autour d'un axe fixe constitué par l'axe de symétrie longitudinal de la plaque 1. Ce mouvement est produit par un mécanisme, par exemple par un moteur pas à pas lui-même commandé par une électronique digitale programmée, ou un système à bande magnétique ou encore un senseur solaire. Le coût du miroir peut être relativement élevé si l'on utilise des cylindres à profil parabolique. Des gains de coût appréciables peuvent être obtenus en utilisant des cylindres à profil circulaire qu'on peut découper, par exemple, dans des tubes conventionnels. On peut montrer qu'il est nécessaire d'accepter de ramener dans ce cas le facteur de concentration géométrique à 54. De tels cylindres circulaires peuvent être utilisés de deux façons - Comme dans le cas des cylindres paraboliques, en orientant vers le soleil de façon permanente l'ensemble miroir absorbeur rigidement connecté.Si la largeur du miroir est 0,805 fois la distance miroir-absorbeur (ouverture F/1,24 correspondant à un angle de vue du miroir depuis l'absorbeur égal à 45,5 ), le facteur de concentration géométrique sera dans ce cas voisin de la limite géométrique qui est de 57, lorsque la distance miroir absorbeur est égale à 0,492 fois le rayon du cylindre et que la largeur du miroir est 0,396 fois le rayon du cylindre. - En assurant l'orientation par rotation du seul absorbeur autour d'un axe fixe. Le miroir reste fixe. Le schéma est illustré dans la figure 7 pour deux heures différentes de la journée. L'axe 14 du cylindre sert d'axe de rotation pour le bras 15 porteur de l'absorbeur, bras dont la longueur est la moitié ou un peu plus de la moitié du rayon du cylindre, étant entendu qu'on appelle longueur du bras la distance de la plaque absorbante au centre de l'axe. Le miroir est constitué par une section de tube de verre ou de plastique métallisé ou de métal refléchissant. Ce dernier système offre de sérieux avantages économiques par rapport aux cylindres paraboliques - le miroir a un profil circulaire ce qui réduit son prix par rapport à un miroir parabolique ou à un miroir composite employant un ensemble de miroirs articulés (qui quant à lui demande un travail importan A 'assemblage); ; emblage) - le miroir peut être installé rigidement au sol ce qui simplifie considérablement l'orientation du système (qui est réduite à l'orientation de l'absorbeur) et qui permet d'augmenter la fiabilité et la résistance du système contre le vent. Le miroir fixe peut être constitué par la partie inférieure d'un tube entier de verre ou de plastique dont la partie supérieure est transparente. Un tel tube peut être fermé à ses deux extrémités par des plaques de verre ou de plastique dans lesquelles sont ménagés des passages mobiles pour les conduites de fluide caloporteur. On assure de la sorte la protection de l'intérieur du tube, en particulier du miroir et de l'absorbeur contre la pollution, la corrosion et les saletés. Au vu de ces avantages considérables, dans bien des cas une diminution de 50 % de la concentration géométrique réalisée par un miroir parabolique est acceptable. On notera que la valeur élevée de la concentration géométrique obtenue avec un cylindre à profil circulaire est due à la défocalisation propre à l'invention. En effet, pour des largeurs utiles de miroir comprises entre F/O,9 et F/1,8, la concentration géométrique reste supérieure à 50 lorsque la distance de la surface absorbante au miroir est comprise entre p,485 et 0,496 fois le rayon du cylindre. L'invention sera encore illustrée par les exemples qui suivent où la concentration géométrique déjà mentionnée est le rapport de l'aire de la projection sur le plan focal de la surface réfléchissante à l'aire de la tache image du soleil sur 1'absorbeur lorsque le pointage sur le soleil est correct et où la concentration effective est le rapport L/1. EXEMPLES 1. On réalise des collecteurs comprenant un miroir cylindrique à section droite circulaire et une surface absorbante plane s'étendant dans le plan focal du miroir, la largeur L du miroir est comprise dans l'intervalle 0,2 F-1,5 F, de préférence dans l'intervalle 0,4 F-0,6 F, et la largeur 1 de la surface absorbante est comprise dans l'intervalle O,015F-0,030 F. La surface absorbante est bordée par deux ailettes faisant entre elles un angle t compris entre 110,5 et 830, de préférence entre 230 et 340i La variation de la concentration géométrique C du collecteur en fonction du rapport L/F est représentée par la courbe 1 de la figure 5. On voit qu'elle passe par un maximum pour une valeur de L sensiblement égale à 0,5 F. La concentration effective varie dans l'intervalle de 6,67 à 100 selon la valeur du rapport L/1. EXEMPLES II. On réalise des collecteurs comprenant un miroir cylindrique à section droite circulaire et une surface absorbante plane s'étendant à une distance d du plan focal du miroir, d étant compris dans l'intervalle 0,006 F-0,030 F, de préférence dans l'intervalle 0,012 F-0,020 F. La largeur L du miroir est comprise dans l'intervalle 0,2 F-1,5 F, de préférence dans l'intervalle 0,6 F-1 F, et la largeur 1 de la surface absorbante est comprise dans l'intervalle 0,015 F-0,030 F. La surface absorbante est bordée par deux ailettes faisant entre elles un angle t compris entre 110,5 et 840,5, de préférence entre 35 et 580. La variation de la concentration géométrique C du collecteur en fonction du rapport L/F est représentée sur la -figure 5 par la courbe 2 dans le cas où d = 0,006 F, par la courbe 3.dans le cas où d = 0,016 F, et par la courbe 4 dans le cas où d = 0,030 F. Pour mieux faire apparaitre l'intérêt de la défocalisation d, on a représenté sur la figure 6 la variation de la concentration géométrique en fonction de cette défocalisation. On voit que l'on obtient un maximum de concentration au voisinage de la valeur d = 0,016 F. La concentration effective varie de 6,67 à 100 selon la valeur du rapport L/1. La figure 6 montre également que la dilatation thermique éventuelle du système reliant le miroir et l'absorbeur est sans effet sensible sur les avantages de la présente invention. En effet, on voit que la concentration géométrique reste supérieure à 50 lorsque la défocalisation d varie dans l'intervalle 0,008 F0,030 F et une telle variation représente par exemple 11 mm lorsque la distance focale est 50 cm, ce qui correspond à des dimensions de miroir couramment utilisées. Cela étant, une variation de la température de -10" à 4O se traduit par une dilatation linéaire de l'ordre de 0,5 mm dans l'exemple considéré. Une telle valeur reste très inférieure à la gamme de 11 mm, ce qui montre en outre que la tolérance de réglage du dispositif n'est pas critique. EXEMPLES III. On réalise des collecteurs comprenant un miroir cylindrique à section droite parabolique et une surface absorbante plane s'étendant dans le plan focal du miroir et bordée par deux ailettes, la largeur L du miroir étant comprise entre 1,5 F et 1,7 F, la largeur 1 de la surface absorbante étant comprise dans l'intervalle 0,016 F et 0,032 F et l'angle t des ailettes étant compris dans l'intervalle 820-920. La variation de-la concentration géométrique C du collecteur en fonction du rapport L/F est représentée sur la courbe 5 de la figure 5. Elle passe par le maximum 107 pour un rapport voisin de 1,6. La concentration effective du collecteur varie dans l'intervalle de 6,25-125 selon la valeur du rapport L/1. Dans ces exemples, 100% de la surface absorbante sont dans le plan focal (EXEMPLES I et III) ou dans un plan parallèle au plan focal à une distance inférieure à 0,080 F. I1 peut n'être pas possible, dans certains cas, de placer 100% de la surface absorbante dans ces conditions, par exemple en raison de la forme de la surface, et une fraction pouvant atteindre 50 % de la surface absorbante peut se trouver à une distance d supérieure à 0,080 F. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'énergie solaire linéaire comprenant un réflecteur qui comprend des moyens constituant une surface réfléchissante (miroir) pour l'énergie solaire et un absorbeur qui comprend des moyens constituant une surface absorbante pour l'énergie solaire, ladite surface réfléchissante étant une surfaee focalisante ayant un plan focal et un seul plan de symétrie perpendiculaire à son plan focal et ladite surface absorbante étant apte à se trouver dans une position où elle admet même plan de symétrie que la surface réfléchissante, ce collecteur étant caractérisé en ce qu'il satisfait aux conditions suivantes 0,2 F # L # 2 F 0, 015 F # 1 # 0,032 F conditions dans lesquelles - F désigne la distance focale de la surface réfléchissante ;; - L désigne la largeur de la projection de la surface réfléchis sante sur le plan focal - 1 désigne la largeur de la projection sur le plan focal de la surface absorbante supposée dans ladite position1 et en ce que 50 % au moins de la surface absorbante supposée dans ladite position se trouve entre le plan focal et un plan parallele au plan focal et décalé vers la surface réfléchissante d'une distance de défocalisation d, où O # d # 0,080 F 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir est un miroir cylindrique à section droite circulaire, 0,2 F 0,015 F ç 1 90,030 F 3. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que 0,4 # F # L #0,6 F 4.Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir est un miroir cylindrique à section droite circulaire, 0,2 F > L 0,015 F 0,006 F 0,6 F 0,012 F 7. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'absorbeur comprend des ailettes longitudinales qui sont disposées suivant une configuration divergente d'angle t, qui constituent des réflecteurs pour le rayonnement visible et/ou des absorbeurs pour le rayonnement infra-rouge, la surface absorbante et les ailettes constituant une cavité tournée vers la surface réfléchissante et éventuellement fermée du coté de la surface réfléchissante par une lame de verre ou autre matériau transparent. 8. Collecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que 11,5 #106 9. Collecteur selon les revendications 2 et 8, caractérisé en ce que 11,5 #t #83 10. Collecteur selon les revendications 3 et 8, caractérisé en ce que 23 jt0 t #34 11. Collecteur selon les revendications 4 et 8, caractérisé en ce que 11,5t0 W4,5 12. Collecteur selon les revendications 5 et 8, caractérisé en ce que : 35#t #58 13. Collecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le miroir est un miroir cylindrique à section droite parabolique 0,016 F 1 1,5 F # L #1,7 F 82 #t #92 14.Collecteur selon l'une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que l'absorbeur comprend au dos de la surface absorbante un- conduit destiné à la circulation d'un fluide caloporteur et dont deux côtés sont dans le prolongement desdites ailettes. 15. Collecteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les dos de ses côtés sont protégés par un isolant thermique constitué par un matériau divisé choisi dans le groupe constitué par la brique creuse, la laine de verre, l'amiante, les produits à base de ciment et tous les matériaux résistants à des températures élevées de l'ordre de 3000C ou de 8000C. 16. Collecteur selon l'une des revendications 7 à 15, caractérisé en ce que l'absorbeur a une section droite en forme de A, les deux côtés du A étant constitué par les deux ailes d'un profilé métallique principal et la barre du A étant constituée par une surface métallique absorbante. 17. Collecteur selon la revendication 16, caractérisé en ce que la barre du A est située sensiblement à mi-hauteur du A. 18. Collecteur selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que ledit profilé comporte une peinture métallisée sur ses faces internes et en ce que ladite plaque métallique est une plaque noircie soudée aux faces internes du profilé. 19. Collecteur selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que l'absorbeur comporte un profilé auxiliaire disposé parallèlement et à l'arrière du profilé principal pour constituer entre eux un espace propre à contenir un matériau d'isolation thermique. 20. Collecteur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le miroir est fixe et en ce que, pour suivre le soleil, l'absorbeur est apte à pivoter autour de l'axe du cylindre. 21. Collecteur selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comporte un cylindre dont la partie inférieure constitue ledit miroir et dont la partie supérieure est transparente.