Brevet FR2404306A1 — publié le 19790420

La présente invention concerne un dispositif convertisseur d'énergie solaire comportant cellule photovoltalque et concentrateur de lumière particulièrement conçu pour un haut rendement, une bonne utilisation de la cellule et facilitant en outre le problème de la poursuite solaire. L'utilisation de concentrateurs solaires en combinaison avec des cellules photovoltaiques pour diminuer, à égalité d'énergie captée, la surface réceptrice de ces cellules et obtenir ainsi un meilleur coût de l'énergie électrique produite, se heurte à un certain nombre de difficultés a' résoudre. Ces difficultés proviennent des conditions normales de fonctionnement des cellules à satisfaire en liaison avec la concentration. La cellule se trouve portéeS du fait de la concentration, à une température beaucoup plus élevée qu'en l'absence de concentration. Si la cellule se trouve décalée dans son plan par rapport à la tache lumineuse fournie par le concentrateur, tache dont les dimensions et forme sont, pour améliorer le rendement, généralement voisines de celles de la cellule, cette dernière se trouve présenter une partie non éclairée, ce qui perturbe gravement son fonctionnemen*-. Il convient au contraire d'éviter,lors de la captation de l'énergie solaire, qu'une partie de cellule soit dans l'obscurité.Ce problème de décalage cellule, par rapport à la tache lumineuse, apparaît du fait du mouvement du soleil qu'il est difficile et comateux de suivre avec la précision nécessaire, surtout aux fortes concentrations, à l'aide d'un système mécanique de poursuite-0 Lors de ce mouvement, l'axe de ce système peut être dépointé par rapport au centre du soleil. - Si donc le concentrateur est, par exemple, de révolution et donne sur la cellule, en cas de pointage exact, une tache circulaire de mêmes dimensions que la surface récetrIc'e re cellule, également circulaire, une partie de cellule en forme de~cPoissant se- trouve être plongée dans l'obscurité en cas de dépointage. Ùn1 remède porté, selon l'art antérieur, à une telle situation consiste à concentrer la lumière selon une tache lumineuse plus grande que la surface de la cellule. I1 en résulte alors une tolérance de visée de l'ase du système égale à celle qui correspond au déplacement maximal de cette tache, tel que la cellule reste toujours plongée dans cette dernière. L'obtention d'une telle tolérance se fait au détriment du rendement. En effet, l'énergie solaire concentrée en dehors de la cellule n'est pas convertie en énergie électrique. La tolérance dont on peut disposer est dtautant plus faible que la concentration est grande. Dans ce cas, lors d'un dépointage accidentel élevé, les cellules ne sont pas à l'abri d'une mise en obscurité partielle avec les conséquences fâcheuses sus-indiquées. L'invention veut remédier à ces inconvénients. Pour cela, elle conçoit la concentration optique en deux parties donnant chacune du soleil une tache lumineuse dans le plan de la cellule, taches dont les dimensions sont sensiblement les mêmes que celles de la cellule et qui, en cas de dépointé de l'axe du concentrateur par rapport an soleil, se déplacent en sens inverse l'une de l'autre, de part et d'autre de la cellule tout en sélargissant, de telle sorte qu'aucune partie de la cellule ne se trouve dans l'obscurité.L'une des parties du concentrateur est un système dioptrique, l'autre un système catoptrique, tous deux situés dans 1'espace avant du plan de la cellule par rapport au soleil, chacun admettant avec la cellule le mtme axe de révolution confondu avec l'axe de l'en- semble concentrateur-cellule. D'une façon préférentielle, conme l'indique l'expérience soutenue par le calcul, de manière à ce que la sévérité à observer pour l'écart de visée soit minimale pour une baisse de rendement acceptée, les rayons marginaux du faisceau capté font, à la sortie du concentrateur, un angle voisin de 45- avec l'axe de celui-ci. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, ladite description étant accompagnée de dessins représentant - fig. 1 : une coupe du dispositif par un plan de symétrie -.fig. 2 : la disposition, en cas de dépointage, des taches lumineuses données par chacune des parties du concentrateur dans le plan de la cellule,par rapport à cette dernière. Sur la figure 1, l'axe de révolution du dispositif est représenté en 10 ; sous 11 est représentée une cellule photovoltaïque éventuellement réunie au radiateur thermique 12 ; sous 13 est représentée une des parties du concentrateur, à savoir la partie dioptrique, qui peut entre une lentille de Fresnel ; l'autre partie du concentrateur, à savoir la partie catoptrique, est un miroir torique de révolution autour de 10 et dont la génératrice représentée en 14 peut titre adaptée selon les besoins de la concentration, mais qui pourra, plus simplement, titre une parabole. 13 et 14 se trouvent en avant de la cellule par rapport au soleil, en sorte que la face arrière de la cellule se trouve dans l'obscurité, donc dans les meilleures conditions pour évacuer la chaleur. La lentille 13 concentre la lumière sur la cellule, le point de rencontre au foyer 15 des rayons marginaux 16 et 17 se trouvant en arrière de cette dernière. La lentille 13 peut être construite avantageusement, de telle sorte que la répartition de lumière du centre vers les bords de la cellule soit distribuée en cas de pointage parfait selon une loi déterminée à l'avance. Le miroir torique de génératrice 14 éclaire, dans ce cas, une couronne circulaire de ladite cellule, de telle sorte que chaque secteur de ce miroir éclaire un secteur de la couronne opposé à lui par rapport à l'axe du système, ceci afin que la partie du miroir la plus éloignée de l'axe réfléchisse les rayons incidents sur la partie de cellule également la plus éloignée de l'axe. Ainsi, sur la figure 1, le secteur de couronne de cellule éclairée par le faisceau de rayons marginaux 18 et 19 réfléchis par le miroir est en coupe le segment AB. Dans le cas où la génératrice 14 serait parabolique, son foyer serait en 20, point de concours des rayons marginaux 18 et 19. Un tel miroir torique présente nécessairement une caustique sur l'axe du système. C'est pourquoi les dimensions du miroir torique sont agencées de telle sorte que le faisceau en provenance du soleil n'éclaire seulement que la couronne de la cellule, en évitant d'en éclairer le centre. Il est possible, en agissant sur la concentration de la lentille 13 et sur le profil 14 du miroir, d'obtenir, par la conjonction du miroir et de la lentille, un éclairement sur la cellule répondant à une loi déterminée à lgavance du centre vers les bords, tel que celui représenté en coordonnées cartésiennes en 21, ltéclairement étant indiqué suivant l'axe 10, sans cependant éviter qu'un petit cercle au voisinage de lgaxe se trouve moins éclairé que la partie immédiatement voisine, ceci du fait que le miroir torique n'éclaire quune couronne Cette loi, pour laquelle l'éclairement de cellule est croissant du centre vers la périphérie, est celle avantageusement préconisée dans l'invention faisant l'objet de la demande de brevet au nom de la Demanderesse, déposée simultanément avec la présente demande, et ayant pour titre "Perfectionnement aux procédés de concentration de la lumièrè solaire sur des cellules photovoltaïques et dispositif de mise en oeuvre", déposée sous le NO 77 28 777. Sur la figure 2, on a représenté, dans le plan de la cellule, les taches lumineuses données respectivement par la partie dioptrique et par la partie catoptrique, en cas de pointage parfait du système sur le soleil et en cas de dépointage de celui-ci. Sous le numéra 23 est indiqué le contour circulaire de la cellule. En cas de pointage parfait, le système dioptrique donne une tache lumineuse dont la périphérie coïncide avec 23. La tache lumineuse en forme de couronne fournie par le système catoptrique a pour limite extérieure le contour 23 et pour limite intérieure le cercle 24. En cas de dépointage dans le sens de la flèche 25 de la figure 1, la tache produite par la lentille devient 26, tandis que la limite extérieure de la tache produite par le miroir devient 27, la cellule restant constamment éclairée sur toute sa surface. D'une façon préférentielle, on donne au miroir torique des dimensions telles que les rayons marginaux du faisceau capté (rayon 19 et son symétrique par rapport à 10) aient une inclinaison de 45 e sur l'axe du système, de telle sorte que l'écart de visée permis soit minimal pour une baisse de rendement donnée. D'une façon préférentielle et particulière, le diamètre extérieur du miroir et le diamètre de la lentille sont dans un rapport voisin de de telle sorte que, en cas d'écart de visée, les deux petits croissants de cellule hachurés 28 et 29, non éclairés par l'un ou l'autre des concentrateurs, reçoivent un éclairement moitié de celui reçu en cas de visée parfaite, ce qui est un écart tout à fait compatible avec un bon fonctionnement des cellules et assurant leur sécurité. Le dispositif selon la présente invention est particulièrement construit à la manière de celui faisant l'objet de la demande de brevet au nom de la Demanderesse, déposée simultanément avec la présente demande, et ayant pour titre "Dispositif convertisseur d'énergie lumineuse comportant l'encapsulation de cellules photovoltaiques", déposée sous le NO 77 28 778. Le dispositif selon la présente invention prend la forme d'une ampoule d'éclairage ou d'un tube cathodique de télévision, la face avant comportant une lentille entourée d'une couronne plane ou non a faces parallèles 30, l'ensemble pouvant être obtenu par simple moulage du verre, le miroir torique du dispositif résultant de la métallisation d'une partie de la jupe 31 de l'ampoule, celle-ci étant construite en sorte que cette jupe ait une forme appropriée. REVENDICATIONS : 1. Dispositif convertisseur d'énergie solaire du genre comportant une cellule photovoltaïque et un concentrateur de lumière sur ladite cellule, le dispositif étant de révolution autour d'un axe, qui est l'axe de visée du dispositif sur le centre du soleil, caractérisé en ce que le concentrateur comporte une lentille centrale et un miroir torique annulaire, tous deux situés du même côté que le soleil par rapport à la cellule photovoltaïque, le miroir torique éclairant en cas de visée parfaite du soleil une couronne sur la cellule photovoltaSque, la périphérie externe de la tache lumineuse coïncidant avec le contour de la cellule, un secteur du miroir torique éclairant un secteur de la couronne opposé au premier par rapport à 1'axe du système, la lentille fournissant pour sa part une tache lumineuse colnci- dant avec la surface de la cellule. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir torique a pour génératrice une parabole. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre extérieur du miroir torique et le diamètre de la lentille sont dans un rapport voisin de 4. Dispositif selon l'une des revendications i à 3, caractérisé en ce que la lentille et le miroir torique sont contenus dans une ampoule de verre ayant la forme d'un tube à rayons cathodiques, la lentille étant ménagée dans la face avant de l'ampoule et étant entourée d'une couronne, plane ou non, à faces parallèles, transparente à la lumière, et le miroir étant obtenu par métallisation d'une partie de la jupe de l'ampoule construite en sorte que cette jupe ait une forme appropriée.