Brevet FR2608742A1 — publié le 19880624

I - SYSTBME DE DETEC1IAN D'UN SEUIL MINIMUM D'BNERGIE W RATON- NBSIT SOLAIRE On sait qu'une cellule photovoltaïque permet de transformer le rayonnement solaire en courant électrique. Avec une cellule photo voltaïque au silicium, ce courant est fonction d'un niveau énergétique du rayonnement et de la surface de la cellule. On décrit ci-après un système simple, pour détecter un seuil de niveau énergétique du rayonnement solaire. Ce niveau énergétique est fonction de plusieurs facteurs ; nuages, humidité de l'air, épaisseur de la couche atmosphérique traversée, liée à la position du soleil au cours de la journée. On va décrire ci-après une solution permettant de s'affranchir de l'effet cosinus sur une surface plane inamovible, exposée au soleil. La figure 1 montre bien cet effet, avec une cellule photovoltaique rectangulaire dont la perpendiculaire au plan de la cellule passe par une direction nord sud, la surface vue par le soleil entre le lever et le coucher varie suivant une loi sinusoïdale. Le signal, donné par une telle cellule photovoltaïque, à éclairement constant, serait donc de forme sinusoïdale. Cette variation serait encore accentuée du fait que lorsque le soleil est à l'est ou à l'ouest, la couche atmosphérique traversée est plus importante et diminue le niveau de l'éclairement énergétique. Le système décrit ci-après est relatif à une solution qui permet d'obtenir un signal donné par une cellule photovoltaïque pratiquement constant, pour un niveau énergétique donné du rayonnement, quelle que soit la position du soleil. Ainsi, des passages nuageux seront facilement détectés, le niveau énergétique du rayonnement solaire étant très altéré lorsqu'un nuage asque le soleil. La figure 1 représente schématiquement une cellule photovoltarque rectangulaire, inamovible, exposée au soleil. On voit que la surface effective vue par le soleil est fonction de l'angle e,dû à la position du soleil - rotation de la terre en cours de journée - et d'un angle t dû à l'inclinaison par rapport à l'horizontale dans le sens nord sud de ladite cellule. Si cet angle L4 est égal à la latitude du lieu, la variation de la position du soleil par rapport à la normale à la cellule de direction nord sud sera égale à la déclinaison soit + 23027'. La variation de surface projetée, engendrée par la déclinaison est peu importante puisque le cosinus de l'angle de 23027' vaut 0,9174. La figure 2 montre qu'en disposant une lame métallique non transparente 1 de largeur 1, et à une distance d appropriées, de la cellule 2, on aura en fonction de l'angle e, une surface de cellule vue par le soleil quasiment constante. atbff2xC On démontre que la variation de surface vue par le soleil est ainsi pratiquement inférieure à 10 X pour une variation d'angle de 800 x 2 soit 1600 puisqu'il y a une symétrie par rapport à l'axe. La figure 3 est une description plus détaillée et permet de mieux comprendre la solution ainsi proposée qui consiste donc à masquer avec une lame métallique 1 une fraction de la surface de la cellule 2 . Le dimensionnement et la position de cette lame 1 sont fonction de la largeur L de la cellule de détection. Sur la figure 3 est représentée la pièce 3 qui permet de placer la cellule 2 dans ltombre plus rapidement lorsque la hauteur du soleil sur l'horizon est inférieure à un angle e0 que l'on peut choisir entre 10 et 15e par exemple. En effet, lorsque le soleil est à une hauteur inférieure à 100, la couche atmosphérique traversée par le rayonnement est importante et provoque une absorbtion importante du rayonnement. On pourra ainsi faire tomber le signal fourni par la cellule à une valeur très basse, inférieure à une valeur seuil préalablement choisie. Lorsque le soleil est à une hauteur supérieure à 100 au dessus de l'horizon, l'effet d'absorbtion du rayonnement par l'atmosphère devient minime. Sans nuages, la cellule délivrera donc un signal quasi constant quelle que soit la hauteur du soleil. Par contre, la présence de nuages masquant temporairement le soleil fera chuter dans une large proportion le signal donné par la cellule. La différence importante du niveau des signaux permet ainsi de piloter ou non les héliostats d'un capteur à concentration pour capter le rayonnement, ou rester en position d'attente ou de repos en attendant le soleil. II - STSTBME DE POSITIONNEMENT DES LAKBS OU HELIOSTATS D'UN CAPTEUR SOLAIRE A CONCENTRATION LINEAIRE A LAMES MOBILES Une cellule photovoltaïque qui permet de transformer le rayonnement solaire en courant électrique, donnera un signal très faible lorsqu'elle sera placée sous un capot, comme à la figure 4. Ce capot occultant le rayonnement solaire direct. Si l'intérieur de ce capot est peint en noir ou avec un matériau absorbant le rayonnement diffus, l'effet mentionné ci-dessus sera accentué. Si l'ouverture de ce capot regarde des héliostats, et si le rayonnement réfléchi par tout ou partie de ces héliostats vient éclairer la cellule placée sous ce capot, le signal délivré, va alors être beaucoup plus élevé. Si la variation de ce signal est sensible, elle sera détectée par un relai par exemple et par suite, pourra commander un mécanisme. La solution indiquée ci-dessus sera mieux comprise en expliquant la figure 4 qui la schématise. Le capot 1 comporte 4 faces. Une face verticale a sur laquelle est fixé la cellule 2 . La face b inclinée d'un angle de 450 par exemple. Les 2 faces de fermeture latérales c . L'ouverture étant placée vers le bas, le sol, le soleil ne peut pas éclairer cette cellule. Le rayonnement diffus ou parasite sera en grande partie éliminé par une peinture noire de l'intérieur de ce capot. Mais un miroir, ou un héliostat 3 , placé sous cette cellule qui peut être fixée sur le récepteur d'un capteur solaire à lames mobiles par exemple, peut renvoyer le rayonnement à l'intérieur du capot 1 et par suite éclairer la cellule 2 Lorsque la cellule est éclairée, le signal est beaucoup plus élevé que le signal donné par la cellule non éclairée. La figure 5 représente schématiquement un capteur solaire à lames obiles. La figure 6A représente en perspective et en réalité le capteur vu de devant, c'est-à-dire, que l'on voit la face vue par le soleil, cette face étant orientée au sud. La figure 6B représente le eme capteur vu par l'arrière. Ces figures vont nous permettre de bien situer les éléments que nous avons décrits précédemment. A savoir - Le système de détection d'un seuil minimum d'énergie du rayon nement solaire. - Le système de positionnement des lames ou héliostats d'un capteur solaire à concentration linéaire à lames mobiles. On a représenté sur la figure 5 un capteur à 9 lames dans une position où les rayons incidents du soleil sont parallèles à l'axe de symétrie du capteur. L'héliostat 1 est réglé avec un calage initial pour renvoyer le rayonnement sur le récepteur 15. Par contre, l'héliostat 9 a un calage initial modifié de façon à réfléchir une partie du rayonnement sur la cellule du système de positionnement des lames (rep. 20). Les héliostats peuvent tourner autour de leurs axes x'x pour l'héliostat 9 par exemple, y'y pour l'héliostat 7. Le système de détection 10 est placé sur la chaudière 15. Lorsque le soleil, dans son mouvement apparent tourne vers l'ouest, le rayonnement réfléchi se décale vers l'est. Les rayons qui éclairaient la cellule photovoltaïque 22 du système de positionnement 20 ne vont plus éclairer cette cellule. Le signal électrique donné par cette cellule baisse alôrs très sensiblement. On commande alors le mécanisme de positionnement des héliostats jusqu'à ce que la cel lule-22 soit à nouveau éclairée suffisamment pour délivrer un signal correspondant au niveau d'arret du mécanisme de position- nement. On modifie légèrement l'angle normal de calage de deux héliostats suffisamment distants l'un de l'autre pour que lorsque l'un de ces héliostats est dans l'ombre de la chaudière, l'autre soit éclairé et puisse renvoyer une partie du rayonnement sur la cellule du système de positionnement. Le fonctionnement est ainsi toujours assuré. Sur les figures 6 A et # B le système de détection est repéré 3, le système de positionnement 4. Le réflecteur est composé ici de 21 lames repérées 1..., 17..., 21 . Les lames 17 et 21 sont chargées d'éclairer la cellule du système de positionnement 4 lorsque toutes les autres lames concentrent le rayonnement sur la chaudière 2. III - FONCTIONNEHENT DE L'ENSEMBLE DU SYSTEME Lorsque le rayonnement solaire est d'une certaine intensité, supérieure à 400 /m2 par exemple, le système de détection du seuil minimum de l'éclairement le constate (Ce système est décrit au S I). Ce seuil sera ajustable grâce à une électronique appropriée, plr > en aval de la cellule photovotaique. Le mécanisme d'orientation des héliostats est alors manoeuvré grâce à un moteur électrique ou un vérin, jusqu'à ce que le rayonnement réfléchi par les héliostats vienne sur le récepteur ou chaudière et éclairer la cellule photovoltaïque du système de positionnement des héliostats dérit au 4 II grâce à deux héliostats, dont l'angle de calage a été légèrement modifié. La cellule de positionnement des héliostats éclairée, délivre un signal qui provoque l'arrêt du mouvement du système de positionnement desdits héliostats.Le soleil, dans son mouvement apparent, va vers l'ouest et le rayonnement réfléchi par les héliostats est dévié vers l'est ce qui fait que la cellule du système de positionnement est bientôt moins éclairée. Dès que le signal donné par cette cellule tombe en dessous d'un certain niveau, le mécanisme de positionnement des héliostats est à nouveau mis en service jusqu'à ce que la cellule du système de positionnement soit éclairée et provoque à nouveau l'arrêt du mouvement donné par le mécanisme de positionnement des héliostats. Il se produit ainsi une correction permanente de la position des héliostats/ qui assurent le renvoi et la concentration du rayonnement solaire sur la chaudière. Lors d'un passage nuageux ou lorsque le soleil se couche, la cellule du système de détection ne délivre plus un signal d'intensité suffisante pour commander le mécanisme d'orientation des héliostats. Une abscence de soleil inférieure à une durée fixée par une minuterie ou une temporisation imposera l'arrêt du mécanisme de positionnement des héliostats, après quoi, le mécanisme sera auto matiqLeF,ent mis en service pour renvoyer tous les héliostats en position d'attente, à l'est. Un fin de course par exemple, constatera que tous les héliostats sont en position de repos à lest et permettra de stopper le mouvement du mécanisme d'orientation des héliostats. Suivant le dessin figure 7 - Nous avons. a = L cos e 2c = L - 1 a = 2c * L cos e = L - 1 L - 1 cos # = L # l Tg # = L - c # d = ( L - c ) d tg # Soit oet l'angle entre le soleil et le plan médian perpendiculaire à la cellule. 1) Pour un angle cut compris entre e et X - X X = arc tg c/d u = c cos #t+ d sin #t = (c + d tg #t) cos ot 2) Pour un angle cut # # Figure #B u = c cos #t+ d sin et v = (c - d tg#t) cos u + v = t (c + d tg #t)+ (c - d tg ot)] cos u + v = 2 c cos #t Pour les valeurs suivantes L 1 50 mm ; e 1 800 a = 50. cos 80 = 8,7 mm 2c = 8,7 mm d = (50 - ) = 8,04 mm @ tg 80 tg # = c/d = = 0,54 X = 28,380 Pour 1) #t= 800 u = 8,7 mm 2) #t= 75 u = 8,89 3) #t= 70 u = 9,04 4) #t= 60 u = 9,13 5) #t= 50 u = 8,95 6) #t= 40 u = 8,5 7) #t= 30 u = 7,78 8) #t= 25 u + v = 7,88 9) #t= 15 u + v = 8,4 10) wt= O u + v = 8,7 REVENDICATIONS 1. - Système de contrôle pour le suivi du soleil et le positionnement des héliostats d'un capteur solaire à concentration linéaire à lames mobiles, caractérisé en ce qu'il est constitué par un couple de deux cellules photovoltaiques dont l'une assure la détection d'un seuil minimum de l'éclairement énergétique solaire, l'autre assure le positionnement des héliostats chargés de réfléchir en le concentrant le rayonnement solaire sur la chaudière. 2. - Système selon la revendication 1, caractér. en ce que son système de détection d'un seuil minimum de l'éclairement énergétique solaire est constitué par une cellule photovoltaRque rectangulaire dont une partie est masquée par une lame non transparente de largeur déterminée en fonction de la largeur de la cellule et placée au-dessus de cette dernière à une distance telle que la surface projetée de la cellule, vue par le soleil, soit à peu près constante, quelle que soit la position de ce dernier au cours de la journée, la cellule délivre ainsi un signal pratiquement constant quelle que soit la position du soleil. 3. - Système selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le système de détection d'un seuil minimum de l'éclairement énergétique solaire est muni de déflecteurs latéraux disposés à une distance v de l'axe de symétrie de la cellule et ayant une hauteur h, ce qui permet au signal donné par la cellule, de chuter très rapidement lorsque le soleil ne fait plus un angle suffisant avec l'horizon, égal ou inférieur à 10 degrés par exemple. 4. - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que son système de positionnement des lames ou héliostats d'un capteur solaire à lames mobiles, est constitué par une cellule photovoltaique placée sous un capot ne lui permettant pas d'intercepter le rayonnement direct incident, l'ouverture de ce capot étant placée vers le bas, mais peut, par contre, recevoir une partie du rayonnement réfléchi par deux héliostats lorsque les autres héliostats réfléchissent le rayonnement sur la chaudière. 5. - Système selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le système de positionnement lorsqu'il est éclairé par le rayonnement solaire réfléchi par un ou plusieurs héliostats, délivre un signal électrique de niveau bien supérieur à celui qu'il peut donner quand il n'est pas éclairé, permettant ainsi à un système de contrôle-commande de décider que les héliostats sont bien placés et de stopper leur mouvement.