Brevet FR2435060A1 — publié le 19800328

La présente invention concerne un concentrateur convenant à la focalisationdes radiations sur une faible surface, qui est constitué d'un réfracteur à échelons linéaires constituant la portion avant du concentrateur et d'un réflecteur à échelons linéaires constituant la portion arrière du concentrateur, les accroissements du réflecteur étant croisés à environ 900 par rapport aux acroissements du réfracteur pour focaliser à l'avant du concentrateur les radiations frappant la portion avant du concentrateur. On peut utiliser une matrice programmée de panneaux concentrateurs individuels pour former un concentrateur de type réfracteur-réflecteur de grande surface qui focalise les radiations avec une forte densité de flux.Egalement on peut focaliser une radiation incidente, normale ou non, à l'extérieur du trajet de la radiation incidente pour réduire ou supprimer l'arrêt de la radiation incidente par un absorbeur situé au foyer. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en regard des dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en perspective d'un concentrateur constitué d'un réfracteur à échelons linéaires croisé avec un réflecteur à échelons linéaires selon les principes de l'invention, qui montre schématiquement la petite surface de focalisation de la radiation incidente la figure 2 est une coupe verticale selon la ligne 2-2 de la figure 1, qui montre schématiquement le trajet vertical d'un rayon méridien traversant le concentrateur la figure 3 est une coupe horizontale selon la ligne 3-3 de la figure 1, qui montre schématiquement le trajet horizontal d'un rayon méridien traversant le concentrateur la figure 4 est une coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention selon lequel un élément d'un panneau concentrateur est scellé sur ses bords la figure 5 est une coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention selon lequel un élément de panneau concentrateur comporte un adhésif optiquement transparent occupant l'espace entre le réfracteur et le réflecteur ;; la figure 6 est une coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention selon lequel un élément de panneau concentrateur a une structure réflectrice formée sur une surface extérieure la figure 7 est une coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention qui consiste en un panneau concentrateur dans lequel le réfracteur et le réflecteur sont formés sur les surfaces extérieures d'une feuille unique optiquement transparente la figure 8 est une coupe prise à 900 par rapport à celle de la figure 7, d'un panneau concentrateur constitue d'une feuille unique du type illustré par la figure 7, qui comporte des éléments protecteurs recouvrant les accroissements du réfracteur et du réflecteur les figures 9A et 9B illustrent un exemple de dispositions matricielles respectivement du réfracteur et du réflecteur de l'invention la figure 10 est une représentation schématique de la focalisation décalée d'une radiation incidente normale par un concentrateur selon les principes de l'invention la figure 11 représente schématiquement la focalisation décalée d'une radiation incidente non normale par un concentrateur selon les principes de l'invention ; et la figure 12 illustre schématiquement une combinaison pour focaliser les radiations incidentes normale et non normale constituées d'un panneau concentrateur central et de deux panneaux concentrateurs latéraux. La figure 1 illustre un exemple de panneau concentrateur optique 10 selon les principes de l'invention. Le panneau concentrateur 10 est constitué d'une structure réfractive 11 sous forme d'une feuille optiquement transparente 15 dont les faces principales opposées avant et arrière sont respectivement constituées d'une surface lisse 12 et d'un réfracteur à échelons linéaires 13. Le réfracteur 13 est constitue d'un ensemble d'accroissements 14-14 pratiquement parallèles. Le panneau concentrateur 10 comprend en outre une structure réfléchissante constituée d'une feuille 17 dont la surface arrière consiste en un réflecteur 18 à échelons linéaires pratiquement plan, placé en vis-à-vis du réfracteur à échelons linéaires 13 ou au contact de celui-ci. Le réflecteur 18 comporte un ensemble d'accroissements 19-19 pratiquement parallèles formant des surfaces réfléchissantes.De préférence le réflecteur 18 a une réflexion spéculaire et on peut le rendre réfléchissant de nombreuses façons bien-connues de l'homme de l'art, telles que l'application d'un dépôt métallique sur les accroissements 19-19 préalablement formés. Les accroissements linéaires 19-19 du réflecteur 18 étant croisés (c'est-à-dire placés selon un angle d'environ 900) par rapport aux accroissements linéaires 14-14 du réfracteur 13, comme le montre la figure 1, la copfiguration des accroissements du réfracteur et des accroissements du réflecteurpeut être con çue de façon à focaliser une radiation frappant la surface avant lisse 12 de la structure réfractive 11 en un foyer de petite surface, p, à l'avant de la structure rêfractive. Dans la présente description, on entend par "en avant de" l'espace tridimensionnel du côté d'incidence de la radiation d'un plan coincidant avec le plan du concentrateur et qui comprend sans y être limité, l'espace directement à l'avant du concentrateur. La surface de "p" et le pourcentage de radiation incidente focalisée ou "recueillie" en "p" dépendent de facteurs tels que les valeurs des angles d'accroissement du réfracteur et du réflecteur et de la précision de la fabrication des accroissements linéaires 14-14 et 19-19. De façon typique, le concentrateur donne des résultats satisfaisants si le réfracteur 13 et le réflecteur 18 sont croisés selon un angle compris dans la gamme approximative de 900 + 50. Il convient de noter que le réfracteur 13 à échelons li néaires peut être considéré comme une lentille à échelons linéaires dont il a la structure. Cette structure, qui correspond à une lentille lineaire de Frasnel, est analogue à une lentille cylindrique pleine et est capable de focaliser une radiation sur une ligne focale. Comme indiqué ci-après, le réfracteur 13 et le réflecteur 18 sont conçus pour fonctionner comme un ensemble focalisant la- lumière et non comme des éléments séparés ayant des lignes focales séparées qui coopèrent pour produire un foyer ponctuel ou de faible surface. On applique le terme général de "réfracteur" à la structure 13 dans son ensemble pour éviter de se référer à des éléments distincts à focalisation séparée. On peut étudier l'effet de focalisation du panneau concentrateur optique 10 à partir des trajets simplifiés d'un rayon méridien à travers un accroissement linéaire 14 et un accroisse ment linéaire 19, respectivement dans les plans X-Z et X-Y. Comme le montre la figure 2, dans le plan X-Z, le rayon incident est réfracté à l'interface entre l'air et la surface avant lisse 12 et à l'interface entre l'air et l'accroissement 14 du réfracteur ; il est ensuite réfléchi par l'accroissement linéaire 19 du réflecteur ; il est ensuite réfracté à l'interface entre l'air et l'accroissement 14 du réfracteur et l'interface entre l'air et la surface arrière lisse 12 lorsqu'il revient en arrière à travers la structure réfractive 11 en direction du foyer p. Comme le montre la figure 3, dans le plan X-Y, le rayon est ré fracté aux interfaces entre l'air et la surface plane 12 et l'accroissement 14 du réfracteur, puis réfléchi sur l'accroissement 19 du'réflecteur pour être à nouveau réfracté sur l'accroissement du réfracteur 14 et la surface plane 12 lorsqu'il traverse à nouveau la structure réfractive 11 pour se diriger vers le foyer p. Ces trajets bidimensionnels simplifiés des rayons illustrent l'effet du panneau concentrateur 10 et sont également utiles pour déterminer les angles d'accroissement du réfracteur et les angles d'accroissement du réflecteur. Comme le montre la figure 2, l'angle d'accroissement du réfracteur est l'angle a compris entre la surface 32 et la surface 12. De même, comme le montre la figure 3, l'angle d'accroissement du réflecteur est l'angle ss compris entre la surface 34 et la surface 40. De préféren- ce, pour déterminer ou modifier les trajets des rayons lumineux à travers le concentrateur et par conséquent la focalisation des rayons lumineux, on modifie les angles a et ss des accroissements du réfracteur et du réflecteur.Comme il est connu de l'homme de l'art, il est souvent souhaitable, pour optimaliser au départ les valeurs des angles a et ss déterminées à partir d'un schéma bidimensionnel du trajet des rayons, d'utiliser un schéma oblique ou tridimensionnel. Comme le montre également la figure 1, le fait que les accroissements du réfracteur 13 et du réflecteur 18 soient dirigés vers l'intérieur du concentrateur diminue la dégradation du réfracteur et du réflecteur sous l'effet du vent, de la pluie, du soleil, etc. et le nettoyage du panneau est facilité par la structure lisse des surfaces externes. On peut isoler le panneau de l'ambiance. Par exemple on peut unir la structure réfractive 11 et la structure réfléchissante 16 dont les accroissements regardent vers l'intérieur au niveau de surfaces planes formées au dos de la feuille optiquement transparente 15 et à l'avant de la feuille réfléchissante 17. Ce mode de réalisation est illustré par la figure 4 qui montre les bordures appariées 23 et 24 de la structure réfractive et de la structure réfléchissante que l'on peut unir avec un adhésif (non représenté).Egalement on peut fixer au revers de la structure réfléchissante 16 un panneau support 21 (représenté par le contour discontinu sur la figure 4), ce qui permet d'utiliser une structure réfléchissante et une structure réfractive 11 constituée d'éléments minces qui peuvent ne pas être autoporteurs. Sinon, comme le montre la figure 5, on peut utiliser un adhésif polymère 22 optiquement transparent ayant un indice de réfraction inférieur à celui de la feuille transparente 15 du réfracteur convergent 13 (ou un indice de réfraction supérieur à celui de la feuille 15 lorsque le réfracteur est divergent) pour remplir l'espace entre les accroissements 14-14 du réfracteur et les accroissements 19-19 du réflecteur qui regardent vers l'in térieur et fixer le réfracteur au réflecteur. Par exemple si la feuille optiquement transparente 15 est constituée d'acétatebutyrate de cellulose, une matière 22 appropriée est le polyacrylate de perfluoro-octylsulionamido-ethyle. Ceci rend inutiles les bordures 23 et 24 (figure 4) et supprime les interfaces avec l'air du réfracteur et du réflecteur. Selon une autre configuration illustrée par la figure 6, les accroissements 19-19 duréflecteur sont sur la surface extérieure du panneau concentrateur. Dans ce mode de réalisation, la feuille 17 est transparente pour que les radiations la traversent. On peut fixer un panneau support 28 (indiqué par le contour discontinu) au dos de la structure réfléchissante 16. La figure 7 illustre une autre configuration selon laquelle la structure réfractive 11 et la structure réfléchissante 16 sont formées dans une seule feuille transparente 42. Les accroissements 14-14 du réfracteur et les accroissements 19-19 du réflecteur sont formés sur les côtés opposés de la feuille 42. Cette configuration simple élimine les interfaces avec l'air entre les structures réfractives et réfléchissantes. Comme le montre la figure 8, la feuille 42 peut être enrobée d'une structure protectrice. La structure protectrice représentée est constituée de panneaux 43 et/ou 44 qui ont des surfaces extérieures planes pour faciliter le nettoyage. Les panneaux peuvent être fixés au réfracteur ou au réflecteur de diverses façons. Comme le montre par exemple la figure 8, la surface intérieure plane du panneau protecteur transparent 43 est fixée au réfracteur par un adhésif polymère optiquement transparent 45, tandis que la surface intérieure plane du panneau 44 est fixée au réflecteur par un adhésif 46 qui n'est pas obligatoirement optiquement transparent. La structure précédemment décrite du panneau concentrateur convient à la fabrication de concentrateurs de grande surface avec des matrices programmées constituées d'éléments réfracteurs et réflecteurs individuels. Les éléments individuels dérivent de la structure refractive 11 et de la structure ré fléchis- sante 16 du panneau de concentration 10 (figure 1). Ces structures matricielles sont utiles dans le cas d'applications à puissances élevées telles que les moteurs thermiques. Comme le montrent les figures 9A et 9B, une matrice réfractive 31 et une matrice réfléchissante 36 typiques qui coopèrent sont constituées respectivement de rangées et de colonnes1 d'éléments réfractifs et d'éléments réfléchissants. La matrice réfractive 31 de la figure 9A est constituée de rangées d'éléments réfractifs individuels 1-6 qui sont parallèles à l'axe de symétrie horizontal 37. La matrice réfléchissante 36 de la figure 9B est constituée de colonnes d'éléments réfléchissants linéaires A-F qui sont parallèles à l'axe de symétrie vertical 38. Les rangées et les colonnes correspondantes sur les cô- tés opposés des axes 37 et 38 sont inverses l'une par rapport à l'autre. Donc les axes 37 et 38 divisent les matrices correspondantes 31 et 36 en des demi-images en miroir. Lorsqu'on réunit la matrice réfractive 31 et la matrice réfléchissante 36 en croisant les axes 37 et 38, les matrices coopèrent pour focaliser sur une petite surface les radiations solaires incidentes, comme le fait le panneau de concentration 10 à un seul élément de la figure 1. I1 convient de noter que ces dispositions sont purement illustratives et qu'il est facile à l'homme de l'art de concevoir d'autres arrangements. On construit un panneau de concentration 10 mesurant 28 cm x 28 cm, selon la conception de la figure 1. Les feuilles 15 et 17 sont constituées de polyméthacrylate de méthyle (n = 1,49) et comportent 19,7 accroissements linéaires par centimètre, cette valeur étant déterminée selon une ligne perpendiculaire à la longueur des accroissements. L'épaisseur, t, des feuilles est de 0,152 cm. On revêt les surfaces 34 (figure 3) d'un revêtement d'aluminium à réflexion spéculaire formé par vaporisation.On dé- termine les angles a et ss par analyse du trajet des rayons de façon à obtenir un pouvoir de concentration de 0,95, ce qui signifie que l'on choisit les angles a et ss de façon à ce que le diamètre du foyer de petite surface ou cercle d'enveloppe, p, soit tel que 95 % des rayons transmis traversent le foyer. Ce diamètre est d'environ 1,90 cm pour le panneau de concentration de 28 cm x 28 cm. On peut facilement assembler un concentrateur de grande surface, par exemple de 335 cm x 335 cm, en utilisant plusieurs panneaux de concentration de 28 cm x 28 cm dans la structure matricielle illustrée par les figures 9A et 9B. Pour un cercle d'enveloppe ou foyer de 1,9 cm de diamètre dans le cas du panneau 10 mesurant 28 cm x 28 cm, un rayon focal d'environ 10 cm permet. d'obtenir un pouvoir de concentration de 0,95 pour la matrice mesurant 335 cm x 335 cm.On peut évaluer la puissance en watts du foyer à partir de la formule W = H x AC x TR x CE, ou H est la densite du flux solaire, qui est d'environ 0,108 W/cm2 de surface d'incidence du panneau ; AC = surface du panneau de concentration ; TR = rendement de transmission et de réflexion, soit 0,96 pour la transmission à chaque interface et 0,88 pour la réflexion, d'ot TR = (0,96) (0,88) = 0,75 CE = pouvoir de concentration que l'on a déterminé pour qu'il soit de 0,95. Pour un panneau de 335 cm x 335 cm qui concentre 95 % des radiations solaires transmises avec un cercle d'enveloppe de 10 cm de rayon à 335 cm, la puissance est donc approximativement de W = 0,108 x 335 x 335 x 0,75 x 0,95 8,5 kW. La configuration matricielle de l'invention n'est pas limitée aux figures 9A et 9B. Par exemple on peut réduire le nombre des panneaux des rangées (colonnes) pour utiliser des lentilles extrudées plus larges (plus-hautes). Le panneau solaire linéaire croisé précédemment décrit peut êtreconçu pour focaliser les radiations solaires normales (rayons frappant le panneau sous un angle de 900) en un point placé sur l'axe optique 47 (figure 1) qui est perpendiculaire au panneau et traverse le centre du panneau. Dans ce cas le foyer est dans le trajet des rayons incidents perpendiculaires ou normaux et le dispositif est à foyer normal.Cependant on peut réaliser d'autres configurations qui réduisent ou évitent l'arrêt des radiations incidentes par l'absorbeur de flux (non représen té). Par exemple, comme le montre schématiquement la figure 10, un panneau de concentration solaire ou un panneau matriciel 25 (constitué de matrices réfractives-réflechissantes telles que les matrices 31, figure 9A, et 36, figure 9B, ou un concentrateur individuel tel que le panneau 10) dirige les radiations normales en un foyer p qui est décalé par rapport aux rayons incidents et qui est donc hors du trajet des radiations incidentes. Ceci réduit ou elimine l'absorption, et correspond à un appareil à foyer normal décalé. Sinon, comme le montre la figure 11, un panneau solaire ou une matrice de panneau 26 peuvent être conçus pour focaliser une radiation non normale en un foyer décalé pour éliminer l'absorption des radiations non normales. Ceci correspond au type "non normal décalé". Bien entendu on peut prévoir une structure à foyer non normal, c'est-à-dire un foyer situé dans le trajet des radiations incidentes non normales. Les combinaisons de structures à foyer normal, normal décalé, non normal et non normal décalé est possible. Comme le montre par exemple la figure 12, le concentrateur combiné 27 est constitué d'un panneau central normal 10 et de panneaux latéraux non normaux décalés 26-26. I1 convient de noter que,*contrairement aux matrices 31 et 36 illustrées par les figures 9A et 9B, les matrices non normales et décalées ne comportent généralement pas des demi-images en miroir. La raison en est, comme le montrent les figures 10 et 11, que les structures dirigeant la lumière de types non normal et décalé sont asymétriques. I1 est évident pour l'homme de l'art que l'incorporation d'éléments tels que des éléments à foyer décalé ou non normal à des concentrateurs de l'art antérieur formés d'une seule pièce, peut nécessiter des formes complexes et des procédés de façonnage malaisés et couteux. De plus, en raison de la symétrie radiale, un réflecteur circulaire de Fresnel ne peut pas diriger une radiation non normale vers un foyer décalé, comme illustré par la figure 11. Cependant on peut facilement obtenir des configurations décalées, non normales et autres grâce aux panneaux de concentration individuels ou à une matrice de panneau selon l'invention. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on s' écarte pour cela de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Concentrateur optique ayant un axe optique et des portions avant et arrière coupées par l'axe optique, caractérisé par le fait qu'un réfracteur à échelons linéaires est formé dans la portion avant du concentrateur ; un réflecteur à échelons linéaires est forme dans la portion arrière du concentrateur ; et que le concentrateur comporte de plus un dispositif pour unir le réfracteur au réflecteur pour former une structure de type réfracteur-réflecteur dans laquelle les accroissements du réflecteur à échelons linéaires sont croises à environ 900 par rapport aux accroissements du réfracteur à échelons linéaires pour diriger une radiation frappant la portion avant du concentrateur en un foyer à l'avant du concentrateur. 2. Concentrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une seconde structure de type réfracteur-réflecteur croisée conçue pour diriger une radiation incidente sur sa portion avant en un foyer situé en avant du concentrateur. 3. Concentrateur optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la portion avant est constituée d'une feuille plane d'une matière optiquement transparente ayant une première et une seconde surfaces principales sur ses faces opposées, la première surface principale étant pratiquement lisse et un réfracteur à échelons linéaires étant formé dans la seconde surface principale ; et en ce que la portion arrière est constituée d'une structure réflective comportant au moins une première surface principale plane dans laquelle est formé un réflecteur à échelons linéaires. 4. Concentrateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'union apparie des portions sans accroissement formées dans la seconde surface principale de la feuille plane et la première surface principale de la structure réflective. 5. Concentrateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'union est constitué par une matière optiquement transparente disposée entre le réfracteur à échelons linéaires et le réflecteur à échelons linéaires, qui fixe la feuille plane à la structure réflective. 6. Concentrateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure réflective est une feuille optiquement transparente ayant une seconde surface principale pratiquement plane du côté de la structure opposé à la première surface principaye, cette seconde surface principale de la structure réflective étant plus proche de la feuille plane que la première surface principale de la structure réflective. 7. Concentrateur optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que-le dispositif d'union est constitué d'une feuille optiquement transparente ayant des surfaces principales avant et arrière, le réfracteur à échelons linéaires et le réflecteur à échelons linéaires étant formés respectivement dans ladite surface principale avant et ladite surface principale arrière. 8. Concentrateur optique selon la revendication 7, carac térisé en ce que le réfracteur à échelons linéaires et/ou le réflecteur à échelons linéaires portent un revêtement protecteur. 9. Concentrateur selon l'une quelconque des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les surfaces principales mesurent environ 28 cm x 28 cm, le nombre des accroissements du réfracteur et le nombre des accroisseménts du réflecteur est d'environ 20 par centimètre, cette valeur étant mesurée selon une ligne perpendiculaire à la longueur des accroissements et la feuille plane est épaisse d'environ 0,1524t cm pour que l'on Obtienne un pouvoir de concentration de 0,95 dans un foyer d'environ 1,905 cm de diamètre. 10. Concentrateur pour focaliser une radiation sur une petite surface à forte intensité de flux, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux panneaux de concentration, chaque panneau étant constitué de - une feuille plane d'une matière optiquement transparente comportant une première et une seconde surfaces principales formées respectivement sur ses faces avant et arrière, la première surface principale étant pratiquement lisse et une lentille à échelons linéaires étant formée dans la seconde surface principale - un réflecteur plan echelons linéaires correspondant à la feuille plane de la matière optiquement transparente, les accroissements du réflecteur à échelons linéaires étant croi sés d'environ 900 par rapport aux accroissements de la lentille à échelons linéaires ; et - la lentille à échèlons linéaires coopère avec le réflecteur à échelons linéaires correspondant pour diriger une radiation frappant la première surface principale lisse de la feuille plane sur un foyer situé à son avant.