Brevet FR2513746A1 — publié le 19830401

Structure concentration pour la recupération de l'énergie solaire La présente invention concerne une structure a concentration pour la récupération de l'énergie solaire, structure du type comportant une surface de réflexion sur laquelle le rayonnement solaire incident est réfléchi pour être concentré sur un milieu de stockage d1 énergie. De telles structures font appel aux surfaces aluminisées ou argentées pour former des miroirs permettant la concentration du rayonnement incident I1 en résulte un prix de revient coûteux qui s'oppose a la prolifération de telles structures, notamment a des fins domestiques. Le but de 1 invention est de pallier cet inconvénient et de proposer une structure ne comportant pas de miroir. Ce but est atteint conformément a l'invention du fait que la surface de réflexion est constituée par l'interface de deux milieux réfringents assurant la réflexion totale du rayonnement incident. En effet, au sein d'un milieu réfringent, solide ou liquide, un pinceau lumineux est soumis aux lois de l'Optique géométrique. Aùx confins delta surface limitée par le premier milieu réfringent, le pinceau lumineux peint être totalement réfléchi si l'angle d'in- cidence dans le premier milieu réfringent, est tel que son sinus soit supérieur ou égal a l/n, n étant l'indice de réfraction du premier milieu réfringent par rapport au second milieu réfringent. L'objet de cette structure optique ré- side dans la présence d'un milieu réfringent (l'eau, par exemple, mais ce pourrait être un milieu solide transparent, comme le verre ou un matériau plastique) destiné uniquement à assurer la réflexion du rayonnement incident. A travers la réflexion limite qui se manifeste aux confins du volume du premier milieu, ce dernier ne sert que de support au phénomene physique, et non de stockage d'énergie. Avantageusement, le premier.milieu réfringent dans lequel pénètre le rayonnement incident,-est disposé de manière a ne pas sensiblement dévier -ledit rayonnement lors de sa pénétration. Avantageuseme-nt, le premier milieu réfringent, dans lequel pénètre le rayonnement incident est disposé de manière ne pas sensiblement dévier redit rayonnement, lors de sa sortie dudit milieu apres réflexion totale. Ces deux dispositions ne sont nullement critiques, et permettent simplement de faciliter l'éla- boration d'une structure nouvelle en simplifiant le cheminement des rayons lumineux. Avantageusement, le milieu de stockage d'énergie est séparé du premier milieu réfringent, dans lequel pénètre le rayonnement incident, par un matelas d'air. Ce matelas, ou lame d'air, de faible volume, permet de profiter de l'effet de serre. Avantageusement, le milieu de stockage d'énergie est accessible au rayonnement solaire direct, en plus du rayonnement solaire réfléchi par la surface de réflexion. Avantageusement, un même matelas d'air a couverture transparente est interposé entre le milieu de stockage d'énergie et le rayonnement solaire direct et réfléchi. Dans un premier mode de réalisation, le milieu de stockage d'énergie est constitué par un fluide caloporteur confiné dans une enceinte transparente. Dans un second mode de réalisation, le milieu de stockage d'énergie est constitué par un fluide-caloporteur confiné dans une enceinte opaque. Avantageusement, la surface de réflexion est une surface à section sensiblement p-arabolique En d'autres termes, la surface réfléchissante est constituée par une partie d'un parabololde de révolution, ou par une partie d'une surface cylindrique droite a base parabolique. Ces deux surfaces permettent une focalisation respectivement ponctuelle ou linéaire de 1 'éner- gie réfléchie, mais bien entendu, d'autres surfaces conviennent. La structure cylindrique a base parabolique est plus favorable à une production économique de ces structures car elle peut être extrudée en une seule pièce, par exemple en polycarbonate. Dans ce cas, il est avantageuxque la structure soit constituée de parois transparentes délimitant - une enceinte de réflexion remplie d'un liquide réfringent et dont une surface intérieure constitue une surface de réflexion totale à section parabolique, cette enceinte comportant une surface d'entrée du rayonnement sensiblement perpendiculaire au rayonnement incident et une surface de sortie du rayonnement à section sensiblement circulaire centrée sur le foyer de la section parabolique de la surface de réflexion ;; - une enceinte de confinement du milieu de stockage d'énergie de section entourant le foyer de la section parabolique de la surface de réflexion - une enceinte renfermant un matelas d'air interposé entre l'enceinte de confinement du milieu de stockage d'énergie et d'une part la surf-ace de sortie de l'enceinte de réflexion et, d'autre part, la direction du rayonnement solaire direct. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description suivante de deux exemples de réalisation. I1 sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 représentent chacun de ces deux exemples, en coupe radiale ou transversale selon que ces structures sont de révolution ou linéaires. La figure 1 represente une structure comprenant une enceinte de réflexion 1 remplie d'un liquide réfringent 2 (de l'eau par exemple). L'enceinte 1 comporte une surface de réflexion 3 suivant, en coupe, le tracé d'une parabole 4 de foyer 5 et d'axe 6. Une partie du rayonnement solaire 7 rentre dans l'enceinte 1 perpendiculairement à une surface d'entrée 8 de l'enceinte disposée dans un plan perpendiculaire a l'axe 6. Les rayons 7 ne sont donc pas déviés en entrant dans l'enceinte 1 En fait, étant donné que la position du soleil varie avec l'heure, ces conditions ne sont sensiblement respectées que dans la période où le soleil est à peu-près au zénith, l'axe 6 étant lui-même dirigé vers le zénith.On s'intéressera dans la suite de c-e texte à cette seule période (aux alentours de llh à 12h) où d'ailleurs le rayonnement solaire est le plus fort et suffit largement pour chauffer le milieu de stockage d'énergie des structures conformes à l'invention, d'autant que celles-ci sont prévues pour des capacités de stockage relativement -faibles. Le rayonnement est réfléchi sur la surface 3 : dans ce but, l'indice. dumilieu réfringent 2 satisfait, vis- -vis du milieu réfringent constitue par la paroi 9del'enceinte définissant la surface de réflexion 3 (ou par le milieu extérieur 10 au cas où la réflexion totale est prévue sur la surface limite extérieure 3' de la paroi 9) aux conditions nécessaires pour assurer une réflexion totale, pour tous les angles d'incidence possibles du rayonnement 7 aux différents endroits d'incidence de la surface parabolique 4. Par exemple, le rayon 17 définit avec la normale 18 a la surface 3 au point d'impact, un angle a dont le sinus est supérieur au rapport des indices de réfraction absolus du matériau de la paroi 9 et du premier milieu réfringent 2. Le rayonnement réfléchi quitte l'enceinte 1 par une surface de sortie 11 à section circulaire centrée sur le foyer 5. Le rayonnement traverse lors un matelas d'air 12 avant de pénétrer dans l'enceinte 13 de confinement du milieu 14 de stockage d'énergie (de l'eau, par exemple). L'enceinte 13 est accessible au rayonnement direct qui l'atteint au travers du matelas d'air 12 fermé par la couverture transparente 15 du côté de ce rayonnement direct. Il est clair qutune telle structure se preste remarquablement à la fabrication économique en une seule pièce extrudée, par exemple en polycarbonate. Seules les parois d'extrémité sont à ajouter avant de pouvoir remplir les différentes enceintes des milieux qui conviennent. La figure 1 montre également que la structure de l'invention, étant prévue pour un fonctionnement optimal quand le rayonnement incident 7 est sensiblement parallèle à l'axe 6, ne permet plus la réflexion totale du rayonnement lorsque le rayonnement incident 16 est incliné d'un angle dépassant un angle limite fonction de la courbe 4 et des indices de réfrac- tion des milieux réfringents. Le rayonnement absorbé par le milieu de stockage d'énergie 14 au foyer 5 et dans son voisinage immédiat, engendre des températures d'autant plus élevées que l'angle total, de sommet colncidant avec le foyer 5 et sous-tendant la trace, dans le plan de coupe, de la surface 3 (ou 3') de réflexion totale, est grand. Dans la figure 2, des références identiques indiquent des éléments identiques à ceux décrits pour la figure 1. On note que l'abs-orbeur y est cette. fois-ci matérialisé- par une enceinte 13' aux parois opaques, de préférence noires, au sein de laquelle peut évoluer un fluide caloporteur 14'. Cette réalisation a davantage sur la première de ne pas demander une focalisation rigoureuse des rayons réfléchis, ceux-ci devant simplement pouvoir échauffer les parois opaques de l'enceinte 13'. Contrairement à la représentation de la figure 1, où, au se-in de l'enceinte 13, la température s'élève depuis les parois jusqu'au foyer, dans la realisa- tion de la fig.2, c'est au niveau des parois de l'absorbeur 13' que la température est la plus élevée. I1 est avantageux que, comme représenté sur la fig. 2, le matelas d'air 12 entoure complètement l'enceinte 13 ou 13', à l'exception d'entretoises de supports, non représentées. REVENDICATIONS 1. - Structure à concentration pour la récupération de l'énergie solaire, structure du type comportant une surface de réflexion sur laquelle le rayonnement solaire incident est réfléchi pour etre concentré sur un milieu de stockage d'énergie, caractérisée en ce que la surface de réflexion est constituée par l'interface de deux milieux réfringents assurant la réflexion totale du rayonnement incident. 2. Structure selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que l'un des deux milieux réfringents est un polycarbonate. 3. Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'un des deux milieux réfringents est l'air. Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'un des deux milieux réfringents est un liquide. 5. Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'un des deux milieux réfringents est liteau. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier milieu réfringent,dans lequel pénètre le rayonnement incident,est disposé de manière à ne pas sensiblement dévier ledit rayonnement lors de sa pénétration. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications precédentes, caractérisée en ce que le premier milieu réfringent, dans lequel pénètre le rayonnement incident, est disposé de maniere à ne pas sensiblement dévier ledit rayonnement, lors de sa sortie dudit milieu après réflexion totale. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu de stockage d'énergie est séparé du premier milieu réfringent dans lequel pénètre le rayonnement incident, par un matelas d'air. 9. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu de stockage d'énergie est accessible au rayonnement solaire direct, en plus du rayonnement solaire réfléchi par la surface de réflexion. 10. Structure selon les revendications 8 et 9, caractérisée en ce qu'un même niatelas d'air à couverture transparente est interpose entre- le milieu de stockage d'énergie et le rayonnement solaire direct et réfléchi. 11. Structure selon l'une quelconque des revendications precedentes, caractérisée en ce que le milieu de stockage d'énergie est constitué par un fluide caloporteur confiné dans une enceinte transparente. 12. Structure selon l'une quelconque des. revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu de stockage d'énergie est constitué par un fluide calopor teur confiné-dans une -enceinte.opaque. 13. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface de réflexion est une- surface à section sensiblement parabolique. 14; Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est cons tituée par une structure linéaire extrudée. 15. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est constituée de parois transparentes délimitant - une enceinte de réflexion remplie d'un liquide réfringent et dont une. surface intérieure constitue une surface. de réflexion totale à section parabolique, cette enceinte comportant une surface d'entrez du rayon nement sensiblement perpendiculaire au rayonnement incident et une surface de sortie du rayonnement à section sensiblement circulaire centrée sur le foyer de la section parabolique de la surface de réflexion; ; - une enceinte de confinement du milieu de stockage d'énergie de section entourant le foyer de la section parabolique de la surface de réflexion - une enceinte renfermant un matelas d'air interposé entre l'enceinte de confinement du milieu de stockage d'énergie et, d'une part,la surface de sortie de l'enceinte de réflexion et,d'autre part* la direction du rayonnement solaire direct.