Brevet FR2546336A1 — publié le 19841123

Panneau solaire à photopiles et à faible concentration L'invention concerne les panneaux solaires destinés à la génération d'énergie électrique, utilisant des photopiles sur lesquelles une optique concentre l'énergie reçue du Soleil. On a déjà proposé des panneaux solaires montés sur un mécanisme d'orientation permettant de suivre le déplacement du Soleil en azimut, mais ayant un angle de site invariable. On a par ailleurs déjà envisagé de munir des panneaux solaires de lentilles de Fresnel pour assurer une concentration modérée du flux solaire sur les photopiles. Mais, jusqu'à présent, on s'est heurté à une apparente contradiction entre deux impératifs, la simplicité de construction de l'optique et l'obtention de pertes acceptables en dépit des variations importantes d'incidence dues à l'absence d'orientation en site. Pour résoudre ce problème, on a envisagé d'utiliser des concentrateurs secondaires, qui augmentent effectivement l'angle d'acceptance des rayons solaires, mais compliquent l'installation de façon excessive. L'invention vise à fournir un panneau solaire à photopiles et lentilles de Fresnel répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est de constitution simple et relativement économique, tout en limitant les pertes à une valeur acceptable, en acceptant un facteur de concentration géométrique (rapport entre la surface d'entrée de l'optique de concentration et la surface utile de photopiles) faible, nettement inférieur à 10 et qui sera fréquemment de l'ordre de 5 .Suivant un aspect de l'invention, le panneau solaire à faible concentration, comportant un support destiné à être orienté en azimut vers le Soleil, porte au moins un ensemble à plan de symétrie vertical comprenant une rangée de photopiles et une lentille de Fresnel à foyer linéaire, à face avant plane, concentrant le rayonnement sur les photopiles, olacée de façon que les photopiles soient situées dans un plan approximativement à mi-distance entre le plan focal de la lentille sous incidence normale et le plan focal de la lentille pour une incidence en site proche du maximum. Dans la pratiqué, cette incidence en site sera de l'ordre de 0,5 rd aux latitudes moyennes, le panneau solaire étant incliné à 450 sur l'horizontale. La lentille de Fresnel sera habituellement à face avant plate et à facettes arrière planes et de largeur constante sur toute la longueur de la lentille. Pour faciliter la fabrication par moulage, les décrochements séparant les facettes seront habituellement de hauteur constante, et leur largeur augmentera du bord vers le centre. Il est extrêmement préférable d'éviter l'apparition de pics locaux d'irradiation des photopiles, qui se traduisent par une chute de rendement provoquée notamment par l'élévation locale de température et-l'excès de densité de courant à évacuer. Pour atteindre ce résultat, l'invention propose de défocaliser une partie du rayonnement traversant la lentille de Fresnel par création d'une aberration géométrique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécution de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - La Figure 1 montre schématiquement, en élévation, la constitution générale d'un panneau solaire, - la Figure ? est une vue de détail montrant les paramètres qui interviennent dans la détermination des caractéristiques de chacune des lentilles du panneau, - la Figure 3 est un schéma montrant la marche des rayons marginaux Dour diverses configurations d'une lentille suivant la Figure 2, - les Figures 4 et 5 sont des courbes montrant les profils de concentration obtenus sur les photopiles d'un panneau pour divers angles d'incidence en site, dans le cas d'une lentille sans aberration (Fig. 4), d'une lentille alec aberration de correction (Fig. 5). Le panneau solaire 10 montré en Figure 1 comprend un support 12 en forme de boîte porté par un châssis 14 muni de moyens d'orientation angulaire autour de l'axe 16 (non représentés). La face avant du support est constituée par des lentilles de Fresnel 18 à foyer linéaire, assemblées côte à côte, à face avant plate. Sur la Figure 1, on a désigné par oy un axe situé à l'intersection du plan de symétrie d'une lentille et de la face avant de celle-ci, et par oz l'axe perpendiculaire dirigé vers l'extérieur. L'axe ox, situé dans la face avant du panneau 10, constitue un trièdre trirectangle avec les axes oy et oz. Sur la Figure 2, où ont été figurées l'une des lentilles 18 et la rangée 20 de photopiles correspondantes, fixées sur le fond du support (non représenté), e représente l'angle entre la direction du centre du Soleil ( ) et sa projection V sur le plan de symétrie yoz de la lentille yOz. ç est angle entre V et sa projection VII sur le plan xoz. Enfin, f désigne la distance focale pour les rayons marginaux, c'est-à-dire la distance entre la face avant de la lentille et le foyer de ces rayons margi- naux. Aux latitudes moyennes, on donnera généralement à l'angle de site constant du panneau une valeur de l'ordre de 450 On supposera par la suite que le système d'orientation du panneau est prévu de façon que l'angle e reste très faible, au plus égal à 0,025 rd. On peut atteindre ce résultat non seulement en munissant chaque panneau d'un mécanisme d'orientation indépendant, mais aussi en munissant une rangée complète de panneaux de dispositifs d'orientation, par exemple du genre décrit dans la demande de brevet français déposée ce jour, au nom du même titulaire que la présente demande, pour "Dispositif d'orientation de panneaux solaires".Une analyse fait apparaître dans ce cas que la contribution, à l'énergie globale reçue par an, de celle qui arrive sous Ufl angle d'incidence ç supérieur à 0,5 rd, est très faible et peut être négligée. En conséquence, il suffira que les panneaux prennent en compte les angles d'incidence w ne dépassant pas cette valeur. Le problème que pose le fonctionnement d'une lentille de Fresnel 18 à foyer linéaire sous incidence variable apparaît sur la Figure 3, qui montre la projection du système optique dans le plan xOz, dans un cas particulier. Les rayons 21 et 22 correspondent à Dans la pratique, la position la plus favorable p-our les photopiles sera constituée par le plan 25 situé pratiquement à mi-distance entre la position du foyer Fo sous incidence normale et la position F1 du foyer sous incidence nulle en azimut et maximale La largeur Lm à donner à la photopile est alors déterminée (Fig. 3). Le choix de la distance focale f sera déterminé par un compromis : les effets défavorables d'extrémité prennent une importance qui augmente avec f, tandis que, du moins pour des distances focales modérées, les pertes d'acceptance géométrique diminuent lorsque la distance focale augmente. Dans la pratique, pour une largeur de photopile de 20 mm et une largeur L de lentille de 92 mm (ce qui correspond à un facteur de concentration géométrique de 4,6), on aura intérêt à adopter une longueur focale f de l'ordre de 140 mm. Comme on l'a indiqué plus haut, les lentilles de Fresnel sont avantageusement constituées en matière plastique moulée. Dans l'état actuel des procédés de fabrica-, tion, il est difficile d'obtenir des hauteurs de dent supérieures à 1,5 mm. Des raisons de commodité de fabrication font qu'il est souhaitable de donner à toutes les dents la même hauteur h, comme indiqué sur la Figure 3. Toujours pour des raisons de commodité de fabrication, chaque facette sera plate et aura une pente constante, mais qui pourra être différente de celles des facettes adjacentes. La hauteur h de chaque dent étant maximale, chaque facette aura également la largeur maximale possible, ce qui est un facteur de simplification. Si on donne aux diverses facettes une inclinaison correspondant aux aberrations géométriques minimales, ce qui semble a priori souhaitable, on se heurte à un problème: pour certaines incidences en site, correspondant à la coin- cidence entre le plan focal de la lentille 18 et la face des photopiles, il y a un pic de concentration dont l'effet est très défavorable. La Figure 4 montre, à titre d'exemple, les variations de concentration suivant la direction x sur les photopiles 20, pour plusieurs valeurs de l'angle de site , dans le cas des données numériques ci-dessus : on voit que, lorsque l'inclinaison des facettes est prévue pour que tous les rayons passent par le foyer à distance f de la face avant de la lentille, sous l'incidence normale, il y a un pic de concentration inacceptable pour (p = 0,35 rd. Cette difficulté est écartée par l'invention par introduction d'une aberration optique visant à défocaliser une fraction importante des rayons. L'orientation ai de la facette d'ordre i, à distance x du plan médian de la lentille, est donnée par ai = ao + f(x) aO désigne l'inclinaison correspondant à une focalisation r-igoureuse, f est choisi de façon à réduire les pics de conce-ntration sans introduire de perte d'acceptance supplémentaires pour e pour les rayons latéraux sous incidence normale. On peut notamment utiliser une fonction f du genre f(x) = 0,07 sinr ( x/L) (1 - 2xl) L Dans cette formule, f(x) est exprimée en radians. Une comparaison entre la Figure 4 et la Figure 5, qui correspond à w = 80 x et r = 1/3, montre que le facteur de concentration maximal local a été ramené de 20 à 12 environ. L'inclinaison et la largeur des facettes peuvent alors être celles données dans le tableau ci-après, correspondant à un matériau constitutif des lentilles 18 d'in-dice égal à 1,491. N0 d'ordre de la face e, (rd) Largeur (mm) (à partir du bord) i 0,5180 2,631 2 - 0,5020 2,732 - 3 0,4839 2,853 4 0,4409 3,178 5 0,4085 3,465 6 0,3988 3,559 7 0,3545 4,052 8 0,2565 5,000 9 0,1978 5,000 10 - - 0,2026 5,000 11 0,1443 5,000 12 0,0641 3,526 Une épaisseur de lentille de 3 mm environ pourra généralement être adoptée à titre de compromis satisfaisant entre la rigidité nécessaire, l'économie de matière et la diminution des pertes d'absorption. A condition d'utiliser des rayons de courbure de quelques dizaines de microns entre les facettes et les pans verticaux qui les séparent, les pertes correspondantes peuvent être réduites à une valeur inférieure à 2%. On arrive ainsi à constituer des panneaux solaires pouvant comporter de 20 à 30 rangées de photopiles, donc correspondant à une puissance unitaire notable, sans difficulté. De tels panneaux peuvent être regroupés et commandés par des dispositifs du genre décrit et revendiqué dans la demande de brevet du même j-our que la présente demande, déjà mentionnée plus haut. REVENDICATIONS 1. Panneau solaire à faible concentration, comportant un support (12) destiné à être orienté en azimut vers le Soleil, portant au moins un ensemble à plan de symétrie vertical comprenant une rangée de photopiles (20) et une lentille de Fresnel à foyer linéaire (18), concentrant le rayonnement sur les photopiles, caractérisé en ce que la lentille est placée de façon que les photopiles (20) soient situées dans un plan approximativement à mi-distance entre le plan focal de la lentille sous incidence normale et le plan focal de la lentille pour une incidence en site proche du maximum. 2. Panneau solaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est monté dans une orientation fixe en site. 3. Panneau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle d'incidence est de l'ordre de 0,5 rd, le panneau solaire étant incliné à 450 sur l'horizontale; 4. Panneau selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la lentille de Fresnel est à face avant plate et à facettes arrière planes et de largeur constante sur toute la longueur de la lentille. 5. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les décrochements séparant les facettes sont de hauteur constante et en ce que la largeur des facettes augmente du bord vers le plan médian de la lentille. 6. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la lentille est réalisée pour présenter une aberration géométri-que défocalisant une partie du rayonnement traversant la lentille de Fresnel par rapport au foyer des rayons marginaux, de façon à éliminer les pics locaux de concentration d'énergie. 7. Panneau selon l'une quelconque des revendicat-ions 1 à 6, caractérisé en ce que les lentilles sont prévues pour donner un facteur de concentration modéré, typiquement de l'ordre de 5.