Brevet FR2409601A1 — publié le 19790615

La présente invention est relative aux piles solaires, c'est-à-dire à des dispositifs de conversion de énergie solaire en énergie électrique. On connaît une pile solaire comprenant un convertisseur photoélectrique, un concentrateur d'énergie solaire disposé sur le trajet du rayonnement frappant la surface utile (photoactive) du convertisseur photoélectrique, et un moyen de refroidissement du convertisseur photoélectrique. Dans cette structure connue, le moyen de refroidissement est réalisé sous forme d'une table tournante accouplée par l'intermédiaire d'un arbre à un moteur électrique. Le convertisseur photoélectrique est situé sur la surface de la table tournante et, du fait de la rotation de ladite table, il quitte périodiquement la zone de rayonnement, ce qui assure le refroidissement du susdit convertisseur photoélectrique.Il en résulte que, dans ce dispositif connu, le convertisseur photoélectrique fonctionne en régime impulsionnel avec des pauses de refroidissement.En outre, la présence du moteur électrique dans le système de refroidissement entraîne des consommations d'énergie électrique supplémentaires et rend le système de refroidissement moins fiable en raison de la présence d'ensembles tournants avec frottement qui nécessitent un graissage régulier et une maintenance en ce qui concerne le remplacement des pièces usées. L'invention vise à perfectionner une pile solaire, en la dotant d'un moyen de refroidissement qui permettrait d'utiliser des convertisseurs photoélectriques en régime permanent et neexigerait ni consommation d'énergie supplémentaire, ni mainX nance, tout en présentant une fiabilité élevée. La pile solaire selon l'invention comprend un convertisseur photoélectrique, un concentrateur de l'énergie solaire disposé sur le trajet du rayonnement incident et agissant sur au moins une surface utile du convertisseur photoélectrique, et un moyen de refroidissement du susdit convertisseur photoélectrique, la susdite pile solaire étant caractérisée en ce que le susdit moyen de refroidissement est constitué par un récipient creux étanche rempli d'un fluide transparent conducteur de la chaleur, et renfermant le convertisseur photoélectrique sus-mentionné. Il est avantageux de réaliser le susdit récipient creux sous forme d'une lentille convergente transparente équipée d'un réflecteur à miroir en regard de la surface utile du convertisseur photoélectrique. On peut alors adopter un réflecteur à miroir plat et le situer, par rapport à la surface utile du convertisseur, à une distance égale environ à la moitié de la distance focale de la lentille. Il est possible de disposer, d'une part, le convertisseur photoélectrique dans la partie basse (par rapport au soleil de la lentille, et, d'autre part, le réflecteur à miroir sous un certain angle par rapport à l'axe optique de la lentille, afin de réflechir le rayonnement solaire vers la surface utile du convertisseur photoélectrique. Lorsqu'on utilise un convertisseur photoélectrique à deux surfaces utiles, il faut disposer, vis-à-vis de la seconde surface utile du convertisseur photoélectrique, une lentille convergente auxiliaire située, par rapport à cette surface, à une distance environ égale à la distance focale de la lentille auxiliaire dont la superficie est environ la moitié de celle de la lentille principale. Toujours dans le cas d'un convertisseur photoélectrique à deux surfaces utiles, il est également pcssible de disposer un réflecteur à miroir auxiliaire en regard de la seconde surface utile du convertisseur photoélectrique, à une distance de cette surface qui assure la réflexion, par le réflecteur auxiliaire, du rayonnement vers la seconde surface utile du convertisseur photoélectrique, le réflecteur à miroir principal étant alors réalisé en deux parties, à savoir, une partie centrale propre à réfléchir le rayonnement vers la première surface utile du convertisseur photoélectrique, et une partie périphérique propre à réfléchir le susdit rayonnement vers le réflecteur auxiliaire. Il est avantageux de réaliser l'une des parois du récipient creux sous forme d'un réflecteur à miroir de focalisation et la paroi opposée en matière transparente, et d'orienter le convertisseur photoélectrique de façon que sa surface utile soit tournée vers la paroi transparente en regard de laquelle est alors disposé le réflecteur auxiliaire concentrant le rayon vexent sur la surface utile du susdit convertisseur photoélectrique. Il est encore possible de réaliser une des parois du récipient creux sous forme d'un réflecteur à miroir ayant sa distance focale comprise à l'intérieur du récipient, la paroi opposée étant transparente et le convertisseur photoélectrique étant disposé au foyer du réflecteur. Lorsque la pile solaire comprend un convertisseur photoélectrique auxiliaire situé en regard du convertisseur photoélectrique principal et ayant sa surface utile tournée vers celle dudit convertisseur photoélectrique principal, ce convertisseur auxiliaire étant, comme le convertisseur principal, contenu dans un récipient creux étanche, il est avantageux de constituer les deux récipients sous forme de lentilles convergentes transparentes identiques, la lentille du convertisseur photoélectrique principal servant de concentrateur pour le convertisseur photoélectrique auxiliaire, tandis que la lentille dudit convertisseur photoélectrique auxiliaire sert de concentrateur pour le convertisseur photoélectrique principal, un réflecteur à miroir étant prévu en regard de chacune des lentilles en étant incliné et un certain angle par rapport à l'axe desdites lentilles, ces deux réflecteurs à miroir étant destinés à diriger le rayonnement solaire simultanément vers les surfaces utiles des deux convertisseurs photoélectriques. La pile solaire conforme à la pressente invention assure un refroidissement efficace et une protection sûre du convertissur photoélectrique contre l'action de l'ambiance, ainsi qutune concentration élevée de l'énergie rayonnante. Par ailleurs, la pile solaire selon l'invention présente un rendement élevé, car son convertisseur photoélectrique est utilisé de façon continue, son refroidissement étant assuré à l'aide du fluide conducteur de la chaleur remplissant le récipient étanche. Il nty a donc pas de consommation d'énergie supplémentaire prise par le refroidissement. Une telle pile solaire présente une bonne-fiabilité, puisqu'elle est exempte de sous-ensembles tournant avec frottement. De plus, elle nwexi- ge aucun entretien et elle est d'une conception simple. L'invention sera expliquée plus en détail dans la description qui va suivre de modes de réalisation préférés, mais non limitatifs, description faite en se référant aux dessins ciannexés, sur lesquels la figure 1 représente, en coupe longitudinale, une pile solaire selon l'invention comprenant un concentrateur établi sous forme de lentille convergente la figure 2 représente, en coupe longitudinale, une pile solaire selon l'invention comprenant un convertisseur thotoélec- trique disposé dans la partie basse de la lentille ; la figure 3 représente, en coupe longitudinale, une pile solaire selon l'invention comprenant une lentille auxiliaire ;; la figure 4 représente, en coupe longitudinale, une pile solaire selon l'invention comprenant un réflecteur à miroir composé d'une partie centrale plate et d'une partie perithe- rique tronconique ; la figure 5 représente, en coupe longitudinale, une pile solaire selon l'invention comprenant un réflecteur à ~miroir composé d'une partie centrale concave incurvée et d'une partie périphérique plate la figure 6 représente, en coupe longitudinale, une pile solaire selon l'invention comprenant un réflecteur à tiroir principal confondu avec une des parois du récipient creux, et un réflecteur auxiliaire la figure 7 représente, en coupe longitudinale, une pile solaire selon l'invention comprenant un réflecteur à Miroir confondu avec une des parois du récipient creux et ayant sa distance focale comprise à l'intérieur du récipient la figure 8 représente, en coupe, une pile solaire selon 1'invention comprenant deux convertisseurs photoélectriques. La pile solaire illustrée figure 1 comporte un conver- tisseur photoélectrique 1 présentant une surface utile 2 recc vant un rayonnement solaire 3. Ce convertisseur est r~nferee dans un récipient creux étanche 4 rempli d'un fluide transpa- rent 5 conducteur de la chaleur. Dans ce mode de réalisaticn, le récipient 4 sert à la fois de concentrateur du raynnnenent solaire et de moyen de refroidissement du convertisseur photoélectrique 1.Le récipient 4 se présente sous la forte d'une lentille convergente transparente équipée d'un réflecteur à miroir 6, qui peut être d'un type à miroir plat concawe ou convexe, de tels miroirs pouvant comporter un substrat en serre revêtu d'une couche d'aluminium ou d'argent déposée par éwapo- ration sous vide. Dans le mode de réalisation considéré, le réflecteur à miroir 6 est plat et situé, par rapport au convertisseur 1, et plus précisément à sa surface utile, à une distance L à peu près égale à la moitié de la distance focale Of de la lentille 4. Le convertisseur photoélectrique 1 est muni de prises de courant 7 extérieures à la lentille 4, mais n'altérant pas l'étanchéité de celle-ci, et permettant de brancher le susdit convertisseur photoélectrique 1 sur une source recharge 8. Sur les dessins, des flèches figurent le trajet des rayons frappant la surface utile 2 du convertisseur 1. Dans le mode de réalisation de pile solaire de la figure 2, le convertisseur 1 se trouve dans la partie basse (par rapport au soleil) de la lentille 4, et le réflecteur miroitant 61 forme un certain angleoCpar rapport à l'axe optique de la lentille 4. Un autre mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 3. Ici, le convertisseur photoélectrique 1 présente deux surfaces utiles opposées 2 et 9. En regard de la seconde surface 9, il est prévu une lentille convergente au xiliaire.1O dont la superficie est égale à peu près à la moitié de celle de la lentille principale 4. La lentille auxiliaire 10 est éloignée dgune distance à àpeu près égale à sa distance focale, de. la surface utile 9 du convertisseur photoélectrique 41 Le mode de réalisation de la figure 4 diffère de celui de la figure 3 en ce qu'une irradiation des deux côtés du con vertisseur 'photoélectrique I est assurée à partir de deux réflecteurs dis#tincts, à savoir un réflecteur principal Il et un réflecteur auxiliaire 12. Le réflecteur 12 est bombé et situé, vis-à-vis de la surface utile 9, à une distance permettant de diriger les rayonnements 3 vers ladite surface utile. Le réflecteur Il est situé en regard de la surface utile 2 et se compose de deux parties, à savoir une partie centrale 13 plate et propre à réfléchir le rayonnement 3 vers la surface utile 2 du convertisseur photoéélectrique , et une partie périphérique 14 tronconique propre à réfléchir le rayonnement 3 vers le réflecteur auxiliaire 12. La figure 5 représente un mode de réalisation semblas au précédent, à cette différence près que le réflecteur principal îîî comporte une partie centrale 131 concave et une partie périphérique 14 plate. Dans le mode de réalisation de la figure 6, une des parois d'un récipient creux 15 est constituée par un réflecteur à miroir 16 concentrant le rayonnement 3, et la paroi opposée 17 est prévue transparente. Le convertisseur photoélectrique 1 est orienté avec sa surface utile 2 tournée vers la paroi transparente 17,en regard de laquelle se trouve un réflecteur auxiliaire 12. propre à diriger le rayonnement 3, concentré par le réflecteur 16, vers la surface utile 2 du susdit convertisseur. photoélectrique 1. Un réflecteur auxiliaire 12 est disposé à une distance il, à peu près égal#e à la moitié de la distance focale of du réflecteur miroitant 16, par rapport à la surface utile 2 du convertisseur photoélectrique i. La figure 7 représente un mode de réalisation dans lequel une des parois du récipient 151 est un réflecteur à miroir 161, ayant sa distance focale of comprise à l'intérieur du récipient 15 , et la paroi opposée 17 est prévue transparente pour le rayonnement incident 3 dirigé vers le réflecteur 16 . Le convertisseur photoélectrique 1 est alors situé au foyer f du réflecteur 161, 1 et le rayonnement 3 frappe ses deux surfaces utiles 2 et 9. Pour un rayon de courbure plus grand du réflecteur, il est avantageux d'utiliser un convertisseur photoélectrique avec une seule surface utile, celle-ci devant alors être orientée vers le réflecteur (solution non représentée). La pile solaire de la fIgure 8 comprend, à la différence des modes de réalisation précédents, deux récipients creux étanches constitués par des lentilles 4 et 4 convergentes, transparentes, remplies d'un fluide conducteur de la chaleur 5. Les lentilles 4 et 4 sont éloignées l'une de l'autre d'une distance LI à peu près égale à leur distance focale. Au centre de la lentille 4 est disposé un convertisseur photoélectrique principal 1, et, au centre de la lentille 41 > un convertisseur photoélectrique auxiliaire 1 g , les surfaces utiles 2 et 21 de ces deux convertisseurs se trouvent vis-à-vis l'une de l'autre. La lentille 4 joue le r81e d'un concentrateur pour le conver Il tisseur photoelectrique 1 renfermé à l'intérieur de la len- tille 41, alors que la lentille 41 joue le rôle d'un concentrateur pour le convertisseur photoélectrique 1 enfermé à l'intérieur de la lentille 4. En regard de chacune des lentilles 4 et 41, on dispose, sous un certain angle (ici 450) par rapport à l'axe optique des lentilles 4 et 41, un réflecteur miroitant 18 qui dirige le rayonnement solaire 3 simultanément vers les surfaces utiles 2 et 21 des deux convertisseurs photoélectriques i et 111. Le fonctionnement d'une pile solaire conforme à l'invention est le suivant. Le rayonnement solaire 3 (fig. 1) ayant franchi la lentille 4 est concentré par le réflecteur.à miroir 6 et transféré vers la surface#utile 2 du convertisseur photoélectrique 1. L'énergie électrique engendrée dans le convertisseur photoélectrique arrive par les prises de courant 7 sur la charge 8. La chaleur est évacuée par le fluide 5 par convection, du convertisseur photoélectrique 1 vers les parois de la lentille 4. L'emplacement du. convertisseur photoélectrique 1 afin.2) dans la partie basse de la lentille 4 Contribue à l'évacuation de la chaleur à partir du convertisseur photoélectrique 1 vers les parois de la susdite lentille 4 grâce à la formation de flux de chaleur ascendants. Une amélioration du régime thermique de la pile solaire est rendue possible en faisant usage d'un convertisseur photoélectrique 1 ayan#t deux surfaces utiles 2 et 9, comme montré fig. 3. Le rayonnement 3 se r#épartit alors en deux parties à peu près égales, et le convertisseur photoélectrique i se trouve irradié des deux côtés. Ceci résulte de la présence de la lentille convergente auxiliaire 10 sur le trajet du rayonnement solaire. Une partie du rayonnement 3 concentrée par la lentille 10 frappe la surface utile 9 du convertisseur photoélectrique i . La surface utile 2 est irradiée par l'autre partie du rayonnement 3, celle-ci étant concentrée par le réflecteur à miroir 6 après avoir traversé une partie-de la lentille 4 qui n'était pas ombragée par la lentille 10. Le même effet s'obtient dans les modes de réalisation de la pile solaire illustrés sur les figures 4 et 5 et comprenant chacun deux réflecteurs miroitants Il et 12 et îîî et 121. Dans ces modes de réalisation, le rayonnement solaire 3 traverse la lentille 4, frappe le réflecteur Il (111), et, s'étant réfléchi sur la partie centrale 13 (131) de celui-ci, atteint la surface utile 2 du convertisseur photoélectrique li, Il est possible de réaliser la variante de la figure 5 plus compacte que celle de la figure 4, en réduisant la distance L. La pile solaire à réflecteur à miroir 16 (fig. 6) confondue avec une des parois du récipient creux 15 fonctionne de la façon suivante. Le rayonnement solaire 3 ayant traversé la #paroi transparente 17 est concentré par le réflecteur 16 et frappe le réflecteur auxiliaire 12 qui le dirige par réflexion vers la surface utile 2 du convertisseur photoélectrique 1. Cette réalisation peut être combinée avec des éléments faisant partie d'un système de poursuite du soleil, car le récipient 15 présente une paroi opaque. La distance focale of (fig. 7) du réflecteur 16 restant comprise à l'intérieur du récipient creux i5, le rayonnement 3 du soleil est concentré par le réflecteur 161 et tombe sur les surfaces utiles 2 et 9 du convertisseur photoélectrique il. Le mode de réalisation de 3a figure 7 assure, outre la possibilité d'association avec les éléments d'un système de poursuite du soleil, un rendement élevé du rayonnement 3, car la totalité dudit rayonnement 3 atteint le réflecteur 161. La pile solaire comprenant deux convertisseurs photoélectriques 1 et 11 (fig. 8) fonctionne de la façnn suivante. Le rayonnement solaire 3, après réflexion sur les réflecteurs à miroir 18, est concentré par les lentilles 4 et 41 Le rayonnement solaire 3 concentré par la lentille 4 atteint la surface utile 2 du convertisseur photoélectrique Il 1 11l enfermé à l'intérieur de la lentille 41, alors que le rayonnement solaire 3 , concentré par la lentille 41 frappe la surface utile 2 du convertisseur photoélectrique 1 enfermé à l'intérieur de la lentille 4. Le mode de réalisation de la figure 8 convient particulièrement à la poursuite du soleil, car il suffit de tourner les réflecteurs 18 en fonction du déplacement du soleil. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS t. Pile solaire comprenant un convertisseur photoélectrique, un concentrateur d'énergie solaire, disposé sur le trajet du rayonnement venant frapper au moins une surface utile du convertisseur photoélectrique, et un moyen de refroidissement dudit convertisseur photoélectrique, caractérisée en ce que le susdit moyen de refroidissement est constitué par un concentrateur réalisé sous forme d'un récipient creux étanche rempli dgun fluide conducteur de la chaleur, à l'intérieur duquel est disposé le susdit convertisseur photoélectrique. 2 Pile solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que le récipient creux est constitué par une lentille convergette transparente, équipée d'un réflecteur à miroir disposé en regard de la surface utile du convertisseur photoélectrique. 3. Pile solaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réflecteur à miroir est plat et situé à une distance à peu près égale à la distance focale de la lentille par rapport à la surface utile du convertisseur photoélectrique. 4. Pile solaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que le convertisseur photoélectrique est situé, relativement au soleil, dans la partie basse de la lentille, le reflecteur à miroir étant incliné d'un certain angle par rapport à l'axe optique de la susdite lentille afin de pouvoir réfléchir le rayonnement solaire vers la surface utile du convertisseur photoélectrique. 5. Pile solaire selon la revendication 3, dans laquelle le convertisseur photoélectrique présente deux surfaces utiles opposées, caractérisée en ce qu'en regard de la seconde surface utile du convertisseur photoélectrique est prévue une lentille convergente auxiliaire, située à une distance de cette surface à peu près égale à la distance focale de ladite lentille auxiliaire dont la surperficie est approximativement la moitié de celle de la lentille principale. 6. Pile solaire selon la revendication 2, dans laquelle le convertisseur photoélectrique présente deux surfaces utiles opposées, caractérisée en ce qu'elle est dotée d'un réflecteur à miroir auxiliaire disposé en regard de la seconde surface utile du convertisseur photoélectrique, à une distance de cette surface assurant la réflexion, par le susdit réflecteur auxiliaire du rayonnement vers la deuxième surface utile du convertisseur photoélectrique, le réflecteur miroitant principal se composant d'une partie centrale propre à réfléchir le rayonnement vers la première surface utile du convertisseur photoélectrique, et d'une partie périphérique propre à réfléchir le rayonnement vers le réflecteur auxiliaire. 7. Pile solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une des parois du récipient creux est réalisée sous forme d'un réflecteur à miroir de focalisation, la paroi opposée étant transparente et en ce que la face utile du convertisseur photoélectrique est tournée vers la paroi transparente en regard de laquelle est situé un réflecteur auxiliaire concentrant le rayonnement vers la surface utile du convertisseur photoélectrique. 8. Pile solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une des parois du récipient creux est réalisée sous forme d'un réflecteur à miroir ayant sa distance focale comprise à l'intérieur du récipient, la paroi opposée étant transparente, et en ce que le convertisseur photoélectrique se situe au foyer du réflecteur. 9. Pile solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend, en regard du convertisseur photoélectrique principal, un convertisseur photoélectrique auxiliaire ayant sa surface utile tournée vers celle du convertisseur photoélectrique principal, ce convertisseur auxiliaire, étant situé, comme le convettisseur principal, à l'intérieur d'un récipient creux étanche, les deux récipients étant constitués par des lentilles convergentes transparentes identiques, la lentille du convertisseur photoélectrique principal servant de concentrateur pour le convertisseur photoélectriqde auxiliaire, tandis que la lentille du convertisseur photoélectrique auxiliaire sert de concentrateur pour le convertisseur photoélectrique principal, un réflecteur à miroir étant disposé en regard de chacune des lentilles, avec une certaine inclinaison par rapport à l'axe optique desdites lentilles, afin de diriger le rayonnement solaire simultanément vers les deux surfaces utiles des deux convertisseurs pnotoélectriques.