Brevet FR2548832A1 — publié le 19850111

? MODULE SOLAIRE PHOTO-ELECTRIQUE La présente invention concerne le domaine de la fabrication des ineteallations énergétiques solaires a trensformation d recte de lenergie lumineuse en ener5 gie électrique, et plus preoisement, un module solairs photo éle c trique. L'invention proposée peut etre appliquée dans les centrales hélioénergetiques, en particulier, dans les centrales autonomes de protection cashodique, pour les communications par faisceaux hertien et radiotélephoniques, pour l'alimeni;ation en eau dans les rgions seches et désertiqueos etc. Il existe aujourd'hui dans les pays industriels développés des programn-ies nationaux pour l'utilisation de 15 l'énergie solaire Une des branches d'utilisation de l'énergie solaire est la création de modules solaires photo-électriques comportant des concentrateurs du rayonnement solaire. On connaît un module solaire photo-électrique com20 portant un concentrateur d'énergie solaire parabolique et un récepteur photoélectrique se situant dans la section de sortie, refroidi par un liquide (brevet USA N 4045246) La stucture de ce module est la suivante Un con25 centrateur a surface réfléchissante se présente sous la forme d'un ensemble isolé, dans la section de sortie duqueli se trouve une chambre étanche,au fond de laquelle se trouve un recepteur photo-électrique Un liquide circule a travers la chambre étanche et joue le role d'agent 30 caloporteur La section d'entrée du concentrateur est formée par un mateériau transparent. La présence d'un liquide caloporteur devant le récepteur photo-électrique accroit les pertes de lumiere dans la couche de liquide et réduit le rendement du ré35 cepteur photoelectrique. Les jonctions du concentrateur avec la chambre étanche dans laquelle circule le liquide et qui abrite le recepteur photo-électrique, et du concentrateur avec un -2 matériau transparent dans la section d'entrée, ne permettant pas d'étanchéifier de façon fiable la surface réfléchissante du concentrateur en excluant l'action des agents atmosphériques, ce qui entraîne la dégradation de la surface réfléchissante du concentrateur et réduit son rendement. On connaît un collecteur d'énergie solaire conçu à base d'un concentrateur parabolique complexe avec un angle d'ouverture i (brevet USA, N O 3899672). La structure de ce collecteur est la suivante A la surface d'une sphère métallique est disposée une multitude de concentrateurs d'énergie solaire complexes paraboliques distincts Les concentrateurs sont disposés à la surface de la sphère de telle façon que dans leur section de sortie se situe un tube avec caloporteur. Cette structure ne permet pas de protéger la surface réfléchissante des concentrateurs contre l'action de la poussière, de l'humidité et de l'air, ce qui réduit sensiblement le rendement optique des concentrateurs et leur durée de service. On connaît un module solaire photo-électrique (voir le brevet USA N 4166917) à concentrateur d'énergie solaire parabolique complexe avec un angle d'ouverture OC réalisé sous la forme d'une ampoule transparente remplie de gaz avec un revêtement réfléchissant interne sur les parois latérales, raccordées avec un rayon déterminé à la partie cylindrique de l'ampoule à proximité de la surface de sortie de rayonnement du concentrateur Le récepteur photoélectrique du module est installé près de la surface de sortie de rayonnement du concentrateur et est doté d'un système de refroidissement. Dans ce module, sur le côté d'entrée du récepteur photo-électrique, se trouve une barre métallique jouant le rôle d'un conducteur de chaleur et de courant électrique, dont la partie conique constitue une partie de la surface réfléchissante calculée Sur le côté de sortie du récepteur photoélectrique se trouve une barre mé- 2548 32 tallique à section en constituant également un conducteur de chaleur et de courant électrique; Les deux barres sont reliées entre elles par des électrodes scellées dans le verre de la partie cylindrique du concentrateur Les électrodes sont reliées à leur tour à la partie externe du système de refroidissement. Le système de refroidissement; qui se trouve en deiors de l'ampoule étanche du module subt une corrosion due à l'action de latmosphère, ce qui réduit la durée de service du module. La chaleur est évacuée du récepteur photo-électrique par les électrodes, ce qui entraîne une répartition irrégulière de l'énergie thermique sur le récepteur photo-électrique, la chaleur n'etant évacuée qu'à partir de certain points eci réduit le rendement et la durée de service du récepteur pho-to-électriqueo La orésence de plusieurs jonctions thermiques et électriques, ainsi que la disposition du système de refroidissem,ent en dehors du concentrateur, la nécessit d'une co 4 Jbinaison précise de surfaces réfléchissantes métalliques et en verre compliquent la structure du module et son assemblage. Les électrodes conductrices de courant électrique et de chaleur réalisées en matériaux Fortement alliés et de section suffisamment importante consomment une grande quantité de tels matériaux (tungstène, molibdène cobalt). La présente invention vise un modèle solaire photoélectrique dans lequel la disposition du récepteur photoélectrique dans le concentrateur et la réalisation constructive du système de refroidissement permettent de faire accroître l'endurence du module, d'améliorer son rendement et sa fiabilité. Selon l'invention le module solaire photo-électrique comporte un concentrateur d'énergie solaire parabolique complexe à angle d'ouverture ( réalisé sous la forme d'une ampoule étanche remplie de gaz avec des parois latérales à revêtement réfléchissant, raccordées par un rayon déterminé à la surface cylindrique de l'ampoule près de la surface de -4 sortie de rayonnement du concentrateur, et un récepteur photo-électrique, installé à proximité de la surface de sortie de rayonnement du concentrateur et doté d'un système de refroidissement, et il est caractérisé en ce que, le récepteur photo-électrique et son système de refroidissement,réalisé sous la forme d'un radiateur métallique avec ailettes de refroidissement à air, sont installés dans la partie cylindrique de l'ampoule avec un espacement suffisant entre ces éléments et les parois pour per10 mettre la convection du qaz remplissant l'amnoule. En but d'améliorer l'évacuation de le chaleur du récepteur photoelectrique et de maintenir l'étanchéité parfaite de l'ampoule il est avantageux de réaliser le systeme de refroidissement du recepteur photoélectrique 15 sous la forme d'un radiateur métallique constitué par un godet métallique au fond duquel est installé le récepteur photoélectrique muni d'une couche conductrice de chaleur et dans les parois laterales duquel sont pratiqueées des fentes. Eln but d'ameliorer l'évacuation de la chaleur du récepteur photoélectrique par corrnvection thermique en cas de concentration acrue du rajo memennt sur le récepteur ohoto-electrique, il est a-vantageux de réaliser le systeème de refroidissement du recepteur photo-electrique 25 sous la formie d'Lun radiateur métallique constitué par un corps de revolution a ailettes radiales. Afin de réduire les pertes d'énergie solaire dans ledit espacement et d'améliorer la répartition de l'énergie sur le récepteur photo-electrique, il est préférable 30 d'installer le récepteur photo-electrique dans la partie cylindrique de l'ampoule du concentrateur, a une distance h de la surface de sortie du rayonnement, h etant au moins éqal à 2 L/tg c, ou A représente l grandeur de l'espacement entre le recepteur photo-électronique et 35 les parois de l'ampoule, et O % l'angle d'ouverture. D'autre part, en but de supprimer les pertes de lumiere dues a la reflexion multiple des rayons par la surface réfléchissante de la partie cylindrique de l'ampoule du concentrateur, il est avantageux que le rayon de raccordement assigné des parois latérales a la partie cylindrique de l'ampoule du concentrateur soit choisi dans les limites: St-r R ou r est le rayon de raccordement des parois latérales la partie cylindrique de l'ampoule du concentrateur, est l'épaisseur de la paroi de l'ampoulo du concentrateur, R est le rayon de la partie cylindrique de l'ampoule du concentrateur. Les caracteristiques de l'inven-eionr ressortiront plus particulierement de la description suivante donnée a titre d'exemple et faite en se référrant aux dessins donnes 15 en arnnexe, dont: la feure 1 représente un module solaire photo-électrique avec un concentrateur d'énergie solaire parabolique complexe, en coupe longitudinale, selon l'invention; la figure 2 montre un radiateur du systeme de refroi 20 dissement du récepteur photo-électrique réalisé en corps de révolution a ailettes radiales, en coupe longitudinale, selon l'invention; la figure 3 représente un radiateur en corps de révolution, coupe transversale, selon l'invention; la figure 4 est le schéma de disposition du recepteur photo-électrique avec le radiateur de son systeme de refroidissement par rapport a la surface de sortie de rayonnement du concentrateur, selon l'invention. Le module solaire photo-électrique proposé possede 30 un concentrateur d'énergie solaire parabolique complexe en verre avec un angle d'ouverture c L, réalisé sous la forme d'ampoule transparente 1 étanche (fiag l) La surface interne des parois latérales de l'ampoule 1 est raccordée par un rayon déterminé a la partie cylindrique près 35 de la surface de sortie de rayonnement du concentrateur et porte un revêtement réfléchissant 3 Dans la partie cylindrique de l'ampoule I est installe un récepteur photoélectrique 4 doté d'un systeme de refroidissement réalisé -6 sous la forme d'un radiateur métallique 5 Le radiateur est un godet métallique au fond duquel se trouve le récepteur photo-électrique 4 avec une couche diélectrique 6 conductrice de la chaleur et dans ses parois la5 terales sont pratiquées des rainures 7. Le radiateur 5 est fixé par des électrodes 8 jouant le rôle de prises de courant, qui sont scellées dans le pied 9 réalisé avec le même matériau que l'ampoule 1 du concentrateur Un queusot 10 est prevu dans le pied 9 pour 10 le remplissage de l'ampoule 1 du concentrateur avec un gaz et pour son évacuation L'ampoule 1 est remplie d'hydrogene gazeux qui fait fonction de gaz inerte et d'agent reéfrigérant. Le radiateur métallique 5 (fig 2) du systeme de refroi15 dissement du récepteur photo-électrique 4 peut être réalisé sous la forme d'un corps de révolution avec des ailettes radiales 11 (fig 3) Le radiateur 5 est réalisé en métal léger a haute conduetibilité thermique. Le récepteur photo-electrique (fig 4) est installé 20 dans la partie cylindrique de l'ampoule 1 du concentrateur a une distance h de la surface 2 de sortie de rayonnement du concentrateur, h étant au moins égal à 2 à/tg D" Le récepteur photo-electrique 4 est installé dans la partie cylindrique de l'ampoule 1 de telle façon qu'entre le 25 récepteur photo-électrique 4 avec le radiateur 5 et les parois de l'ampoule 1 il y ait un espacement annulaire A indispensable pour la convection du gaz remplissant l'ampoule 1 Les parois latérales de l'ampoule 1 sont raccordées a sa partie cylindrique avec un rayon déter30 miné r partant du centre se situant sur la surface de sortie de rayonnement 2, r étant choisi dans les limites t zrz R, ou 9 est l'épaisseur de la pnroi de l'ampoule 1 et R est le rayon de la partie cylindrique de l'ampoule 1 Le rayon r de raccordement doit être supé35 rieur a l'épaisseur e de la paroi de l'ampoule, condition imposee par la technologie car au cas contraire la contrainte du matériau de l'ampoule 1 croit notablement a l'endroit de raccordement Le rayon r de raccordement -7 doit être inférieur au rayon R de la partie cylindrique de l'ampoule i car si cette valeur est depassée l'espacement A accroit notablement, de même que les pertes de lumiere dans cet espacement, et pour eliminer ces pertes il faut accroître la distance entre la surface 2 de sortie de rayonnement du concentrateur et le récepteur photoélectrique 4 L'accroissement de cette distance provoque des pertes de lu iere supplementaires dues a l'apparition de reflexions se'ondaires lur les parois de la partie cy10 lindrique de:ampoule 1 et entraine, d'autre part une augmentation de la concentration du rayonnlrlement sur certaine Rs paties du recepteur photoelectrique 4-, ce qui empire les condi tions de fonctionnement du recept;eur pho o-electrique 4. L Ca module solaire propose fonctionne comme suit. e rayonn=eieu solaire arie au recepteur photoelectri,le 4 (fie, 1), qui se _itua pzèes de la surface de sortie 2 du rayonnement soit directemeent, soit réflechi oar le r -vetement 3, Une partie de llenergie du 20 rayonnements arrivant au recepteur photo-elect:rio ule 4 est rransform e er energie eiec:Thzue et transmse par inytermxdiaire des electr-odes & au consommateuro Une autre partie de ' e rgie dti rayonnement est consommee poÂur lae cauffage inde Lsirable du recepteur photo-electri25 que 4 Ure parte dc la cbaleur eu;t transportee par convect ion du,az, agent refrigerant:e:mplissant laiampoule 1, vers lee parois de l 3 ampoule 1 du concentrateur et degagee dans llatmosphere Une autre partie de la chaleur, roensnt du récenteur pho' eo-leectriue 4 est transU o rise a travers la couche en dielectrique conducteur de ch-aieur au radiateur metallique 5 a ailettes de refroi= tz "a air du systeme de refroidisse ment du reécepteur piloto electrique 4 Le gaz agent refrigerant s'ecoulant le long du radiateur 5 transmet la cheleur du radiateur 35 5 a tout le volume de l'ampoule 1 du concentrateur grace a 2 lespacement f (f i g 4, en rechauffant les parois de l'ampfoule 1 à travers lesquelles la chaleur est transmise a l'atmosphere. La surface calculée du concentrateur parabolique complexe se termine au point imaginaire F Le rayonnement solaire E passe par le point F de la surface calculee de sortie de rayonnement 2 du concentrateur para5 bolique complexe, selon le principe de fonctionnement des concentrateurs de ce type si le rayonnement E ne deépasse pas la valeur de l'angle d'ouverture Ce Puis une partie du rayonnement solaire E arrive sur le revêtement reflechissant 3 de la partie cylindrique de 1 'ampoule 1 Io O sous un angle cd se situant a une distance h de la surface de sortie du rayonnement 2, h etant au moins egal à 2 l/tgo L Si h est inferieur à 2 A/tgod, le rayonnement E arrivant sur le revêtement reflechissant 3 de la partie cylindrique de l'ampoule i sous un angle oc n'atteint I 5 pas le récepteur photo-eélectrique 4 et passe par l'espacement t D'autre part la réflexion du rayonnement E par la partie cylindrique de l'ampoule 1 ameliore la repartition de 11 énergie sur le récepteur photoélectrique 4, ce qui 20 améliore le rendement de la transformation de l'énergie et ameliore tl'efficacite de fonctionnement du système de refroidissement La valeu 2 du rayon de raccordement r est choisi dans les limites à zr z R Ceci permet, tout en maintenant 1,espacement \, necessaire pour le fonctionnement du système de refroidissement du recepteur photoelectrique 4, de reduire notablement les pertes de rayonnement solaire E dans le concentrateur. Lorsque-r est inferieur à l'epaisseur y de la paroi de l'ampoule I des contraintes internes importantes sur30 viennent dans le materiau, ce qui peut entra ner la fissuration de l'ampoule 1 Lorsque la veleur de r accroit jusqu'à R, l'espacement A augmente et la distance h grandit, ce qui entraine une reflexion multiple du rayonnement E aux parois de la partie cylindrique de l'am35 poule 1 et fait croltre les pertes de lumière. Ainsi la stabilite du matéeriau de 1 'ampoule 1 du concentrateur par rapport à l'action des agents atmos Pheri- -9 ques, l'étancheité totale de tous les systemes du module, en particulier de la surface réfléchissante du concentrateur du récepteur photo-électrique 4 et de son systeme de refroidissement, améliore considérablement la duree de service du module propose. La simplicité de la structure, le nombre minimal de jonctions entre mnateriaux a coefficients de dilataetion thermique différents ameliore la fiabilité de tous les systemes du module et réduit son coût. L'emplacement du récepteur photo-electrique 4 dans la partie cylindrique de l'ampoule 1 du concentrateur par rapport a la surface 2 de sortie du rayonnement réduit les pertes lumineuses et les pertes d'énergie du rayornmement pour certaines conditions de fonctionnement 15 du module, ce qui, en fin de coi-rpte ameliore son rendement. REVEN Di CATIONS 1 M odule solaire photo-electrique comportant un concentrateur d'énergie solaire parabolique complexe avec un anjgle d'ouverture c L réalise sous la forme d'une ampoule ( 1) etanche remplie de gaz avec un revêtement réfléchissant interne ( 3) sur ses parois latérales, raccordées avec un rayon déterminé (r) à la partie cylindrique de l'ampoule ( 1) à proximité de la surface ( 2) de sortie de rayonnement du concentrateur, et un récepteur pho10 to-électrique ( 4), installe a proximité de la surface ( 2) de sortie de rayonnement du concentrateur et doté d'un système de refroidissement, c a r a c t é r i S é en ce que le récepteur photoélectrique ( 4) et son système de refroidissement réalisé sous la forme d'un radiateur 15 métallique ( 5) a ailettes pour le refroidissement à air, sont installés dans la partie cylindrique de l'ampoule ( 1), avec un espacement (à) entre eux et les parois de l'ampoule, qui assure la convection du flux gazeux remplissant l'ampoule ( 1). 2 Module solaire photo-électrique, selon la revendication 1, c a r a c t é r i S é en ce que le système de refroidissement du récepteur photoélectrique ( 4) est réalisé sous la forme d'un radiateur métallique ( 5) se présentant sous la forme d'un godet métallique revâtu 25 d'une couche thermoconductrice ( 6) au fond duquel se trouve le récepteur photoélectrique ( 4), et que sur ses parois latérales dudit godet sont aménagées des rainures ( 7). 3 Module solaire photo-électrique selon la revern30 dication 1, c a r a c t é r i S é en ce ule le système de refroidissement du récepteur photoélectrique ( 4) est réalisé sous la forme d'un radiateur métallique ( 5) représentant un corps de révolution doté d'ailettes radiales ( 11). 4 M Iodule solaire photo-électrique selon les revendications 1 à 3 c a r a c t é r i S é enl ce que le récepteur photo-électrique ( 4) est installé dans la l:artie -11 cylindrique de l'ampoule ( 1) du concentrateur, à une distance (h) au moins égale a 2 A/tgo, oui A est la valeur de l'espacement, et d C l'anqle d'ouverture. 5 i Lod-ale ptoto-electri que solaire selon la revem,, dication 4, c a r a c b é r i S é en ce que le centre d'oi par: le rayon détermine (r) de raccordement des parois laterales a la partie cy-lindrique de l'ampoule ( 1) du con N etu J est croisi dans les limites 10 rr 4 r R ou r es ',c rayon de raccordement des prois laerales a a parie yli Ldtrique de 'a, poule ( 1), epaisseur des parois de l aln'oule duconen 1 r G e 'rc es Jt le rayon de la partie cyliadricue de 1 ampoul e f 11) du concer a o