Brevet FR2609163A1 — publié le 19880701

1- 2609163 La présente invention concerne le domaine de l'héliotechnique et, tout particulièrement, elle a pour objet des condentrateurs de rayonnement solaire. L'invention peut être utilisée dans des fours solaires et des installations énergétiques solaires. Vu les difficultés technologiques, les concentra- teurs ayant un diamètre de plus de deux mètres sont fabriqués selon la pratique de l'héliotechnique en plusieurs pièces avec approximation d'une surface calculée paraboloî- dale ou autre, en faisant appel à cet effet aux miroirs à facettes élémentaires qui se distinguent par des géométries diffé- rentes de leurs surfaces réfléchissantes. On connait un concentrateur de rayonnement solaire (brevet EUA N 4295709) , comportant une ossature portante, réalisée sous forme d'un paraboloide de révolution qui par suite de la précision de sa fabrication, se rapproche le plus de la surface calculée et qui porte des miroirs plans dont la surface s'approche d'une surface paraboloidale. Avec cette approximation de la surface paraboloidale, le nombre N de facettes sera du même ordre de grandeur que le coefficient C de concentration au point focal. Cependant, la fabrication d'un support paraboloîdal précis et le montage sur ledit support d'un grand nombre de facettes sont difficiles à réaliser et demandent, malgré la simpli- cité apparente, d'importants frais de fabrication. On connaît un concentrateur de rayonnement solaire (demande de brevet français N 2477725, 1981), comportant une structure rigide portant des facettes dont la surface réfléchissante a une forme sphérique, les rayons de courbure de toutes les zones annulaires étant identiques. La structure rigide est réalisée sous forme de zones annulaires qui sont décalées par rapport au sommet de manière à pouvoir corriger la disposition de l'image focale de la source de rayonnement de toutes les zones annulaires dans le plan focal du concentrateur, tout en réduisant l'influence de l'aberration sphérique des faisceaux réfléchis sur le degré de concentration énergétique dans la tâche focale. Il y a 2 2609163 lieu de signaler qu'avec cette disposition des facettes sur la structure rigide, on n'arrive pas à supprimer l'influence des aberrations angulaires dues à un grand angle d'incidence formé par la normale à la facette avec les faisceaux qui tombent parallèlement à l'axe optique du concentrateur, ce qui rend plus faible le degré de concen- tration de l'énergie dans la tâche focale. En vue d'obtenir un degré de concentration pouvant être approximativement égal au degré de concentration d'un concentrateur paraboloi- dal équivalent, il devient nécessaire de diminuer la cote radiale des facettes et leur nombre dans les zones annu- laires o elles sont montées. On connait également un concentrateur de rayonne- ment solaire (voir "HELIOTECHNIQUE", 1976, N 1, pages 33-39, figures 1 et 2 à la page 34) dont la surface réfléchissante est constituée de zones annulaires sphériques, mises en place sur une structure rigide et ayant des rayons de courbure qui sont optimisés en fonction des coordonnées angulaires des centres dans les zones annulaires, afin d'obtenir des concentrations maximales. Par ailleurs, les rayons de courbure R des facettes sphériques, montées dans les zones annulaires, sont conformes à la condition Rs 3 2609163 élevé le coût d'un concentrateur. On connaît un schéma optique de concentrateur (voir la revue "Solar Energy", NI 4, 1963, pages 162-164, figure 1), dont la surface réfléchissante est constituée de facettes toroidales, montées par rangées annulaires sur un support paraboloidal. La zone toroidale est obtenue dans ce cas par révolution de l'arc de rayon R qui est égal au rayon de courbure R méridien au point de tangence à l'arc de la génératrice calculée du paraboloide de révolu- tion, alors que les centres des zones toroidales se trouvent au même point de la génératrice de la surface du paraboloide à atteindre par lesdites facettes toroidales. Dans ce cas, parmi tous les faisceaux qui sont parallèles à l'axe optique du concentrateur, il y a un seul faisceau, attei- gnant le point de tangence à l'arc de la génératrice calculée de paraboloide, qui est réfléchi au foyer calculé. Avec cette synthèse de la surface réfléchissante du concentrateur, on arrive à diminuer la quantité de zones annulaires toroidales, tandis que le degré de concentration augmente grâce au réglage de l'orientation de différentes facettes sur le support paraboloidal. Cependant, les zones toroidales ainsi obtenues et installées par leurs centres sur la génératrice de la parabole calculée avec possibilité de régler l'orientation des facettes dans les zones annulaires, donnent lieu à des erreurs, tant dans les sections radiales que dans les sections tangentielles, qui diminuent le degré de concentration C maximale admissible dans la tâche focale du concentrateur. De plus, le réglage de l'orientation d'une facette sur le support paraboloidal provoque des interruptions de l'ouverture dans la section radiale, tandis que dans la section tangentielle, on voit apparaître des brisures de la surface réfléchissante des zones annulaires. Il en résulte que le rayonnement solaire, attaquant le concentra- teur, n'est pas totalement utilisé. L'invention vise à créer un concentrateur de rayonnement solaire dans lequel le montage des facettes sur 4 2 2609163 une surface bien définie dans la structure rigide permet de simplifier la technologie de fabrication du concentra- teur et d'augmenter le degré de concentration du rayonnement dans la tâche focale, le nombre de facettes constituant le concentrateur étant minimal, et, finalement, d'utiliser sans pertes le rayonnement que reçoit le concentrateur. Le problème posé est résolu selon l'invention par le fait que dans un concentrateur de rayonnement solaire, comportant une structure rigide et ayant des facettes qui sont agencées dans ladite structure rigide par rangées annulaires et dont la surface réfléchissante est divisée en zones annulaires, au moins l'une des zones annulaires périphériques de la surface réfléchissante constituée de facettes est une surface toroidale dont la génératrice représente un arc dont le centre de courbure se trouve, par rapport à cet arc, au délà de l'axe optique du concentra- teur, les paramètres géométriques de la zone annulaire à surface toroidale étant choisis de façon que parmi tous les faisceaux incidents sur une zone parallèlement à l'axe optique du concentrateur, il y ait deux faisceaux qui se focalisent en un foyer calculé. La présente invention permet de réduire, dans le concentrateur, le nombre de zones annulaires à facettes de type différent et leur qualité dans les zones annulaires du concentrateur en obtenant une densité de flux de rayonnement qui ne diffère que de 3-5% de la densité de flux dans la tâche focale d'un concentrateur paraboloidal équivalent. Le nombre de facettes dans les zones annulaires est défini de manière à satisfaire toutes les facilités de transport, de montage et de réglage desdites facettes dans la structure rigide, et pour des concentrateurs de faible diamètre, les zones annulaires peuvent être fabriquées en une seule pièce. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins 2609163 schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 représente une vue d'ensemble d'un concentrateur de rayonnement solaire selon l'invention; - la figure 2 représente un schéma optique d'un concentrateur de rayonnement solaire selon l'invention; - la figure 3 représente la répartition du degré de concentration de rayonnement à la tâche focale pour un concentrateur doté de trois zones annulaires, à surface toroidale, selon l'invention; et - la figure 4 représente la répartition du degré de concentration de rayonnement dans la tâche focale pour un concentrateur à quatre zones annulaires ayant une surface toroidale, selon l'invention. Le concentrateur de rayonnement solaire, conforme à la présente invention, comporte une structure rigide 1 (figure 1) et des facettes- 2 montées par rangées annulaires dans ladite structure rigide 1. La surface réfléchissante constituée de facettes 2 est divisée en zones annulaires 3 dont les zones centrales ont une surface sphérique, tandis qu'au moins l'une des zones périphériques 3 a une surface toroidale. Ces zones peuvent être formées à l'aide de facettes 2 ayant des surfaces réfléchissantes à géométrie toroidale ou sphérique. Il est préférable de réaliser les zones 3, en utilisant des facettes 2 ayant une surface réfléchissante à géométrie toroidale, car, dans ce cas, le nombre de facettes 2 est défini en tenant compte de considérations technologiques et constructives. Lorsque les zones 3 à surface toroidale sont constituées de facettes 2 de forme sphérique, le nombre de ces facettes 2 de forme sphérique dans les zones augmente d'un ordre de grandeur en raison du fait qu'il est indispensable d'as- surer la précision prédéterminée de la zone 3 dans la section tangentielle. La génératrice 4 (figure 2) de la surface toroidale des zones annulaires 3 représente un arc dont le centre de 6 2609163 courbure 5 se trouve, par rapport à cet arc, au delà de l'axe optique 6 du concentrateur. Les paramètres géomé- triques des zones annulaires 3 à surface toroidale sont choisis de façon que parmi tous les faisceaux, passant parallèlement à l'axe optique 6 du concentrateur, il y ait deux faisceaux 7 et 8 incidents aux points t 1 et t2 qui se focalisent au foyer calculé F. Les paramètres géométriques des zones annulaires 3 à surface toroidale, assurant la réflexion des faisceaux 7' et 8 dans le foyer calculé F, sont calculés à l'aide des formules suivantes: f wK 1 + T 2 2 15 - 7T2 + 3T4 3 W=W b ± K + K + H b & 4T 96T2 + (1 + T2)(12 - 17T2)K4 (1) 96T3 B K =; T = (Wb - I" sV) (2) 3 T o IY est la tolérance pour le décalage du faisceau réfléchi par rapport à la position calculée du foyer du concentrateur, Wb est la position angulaire de la limite supérieure de la zone annulaire périphérique 3 (figure 1), WH est la position angulaire de la limite inférieure de la zone annulaire périphérique 3. Dans ces conditions, la position angulaire Wb de la limite supérieure de la zone annulaire périphérique extérieure 3 du concentrateur s'obtient par la formule w = Um + (3) b.b. 2 o U est l'ouverture du concentrateur. m La position angulaire de la limite supérieure de la zone annulaire périphérique 3 qui suit correspond à la 7 0 2609163 position de la limite inférieure de la zone annulaire périphérique extérieure 3. Le centre de courbure 5 de la génératrice 4 est décalé par rapport à l'axe optique 6 du concentrateur d'une distance qui est déterminée par: y =. sin de la génératrice 4 et le foyer F du concentra- teur. est l'angle formé par l'axe optique 6 du concentra- teur avec la ligne qui relie son foyer F au centre de courbure 5 de la génératrice 4. Lorsque sont donnés le diamètre Dk du concentra- teur, son ouverture U et la tolérance l 9 > pour le m décalage du faisceau réfléchi par rapport au foyer calculé à obtenir F, tous les paramètres mentionnés ci-dessus et caractérisant le déplacement du rayon de courbure de la génératrice 4 s'expriment comme suit: (1 + cosA)sinWc - sin 3Wc + 2 j Y cos 3Wc tg = (5) (1 + 2cosA)cosWc - cos 3W - 2 IVi sin 3Wc cCC [/cos2A + (1 + 2cosA) (sin2W - I M sin 2W) (6) c c M= 2 cos A cos rk R = k; A = Wb W (7 sin Wb -M sin'b Wb - WH Dk Wc = rk - (8) 2 2 o Dk est le diamètre du concentrateur, R est le rayon de courbure de la génératrice 4 de la zone annulaire périphérique extérieure 3 (figure 1). Pour les zones annulaires périphériques successi- ves 3 (intérieures), on obtient par calcul de nouvelles 8 2609163 grandeurs rk et R, en tenant compte des valeurs que prennent les positions angulaires des limites des rangées. Alors, la grandeur R obtenue correspond à celle du rayon de courbure R dans la section radiale. m Le rayon de courbure Rs dans la section tangen- tielle a pour valeur: R R (1-M sin (9) s sin Wb A titre d'exemple,on fait état des résultats des calculs effectués pour obtenir les paramètres géométriques des zones annulaires 3 de deux concentrateurs: concentra- teur (variante A): Dk = 2,6 m: Um = 60 et l I =8' et concentrateur (variante B): Dk = 2 m; Um = 60 et '1 I=16'. variante A Variante B n zone R y rb rH R Y rb rH mm mm mm mm mm mm mm mm I 3181,9 290,9 1300 985,8 2368,0 184,0 1000 654,6 II 2721,7 106,3 983 651,5 1930,3 29,0 651 251,6 III 2398,8 16,4 649 239,2 1730,4 0 245 0 IV 2245,0 0 235 0 - - - - Le rayon rb de la limite supérieure de la zone annulaire périphérique extérieure 3 est égal au demi- diamètre Dk du concentrateur. Le rayon rH de la limite inférieure de la zone annulaire périphérique extérieure 3 représente la projection de WH sur le maître couple. La courbe 9 de la figure 3 montre la répartition du degré de concentration du rayonnement à la tâche focale d'un concentrateur à trois zones annulaires 3 (figure 1) ayant une surface toroidale, une ouverture Um = 60 avec une tolérance i I = 4', et la courbe 10 (figure 3) fait ressortir le degré de concentration pour un concentrateur équivalent possédant la même quantité de zones annulaires et ayant une surface paraboloîdale. La courbe 11, représentée à la figure 4, fait apparaître la répartition du degré de concentration du rayonnement dans un concentrateur à quatre zones annulaires 3 (figure 1), ayant une surface toroidale, une ouverture Um=60 avec une tolérance I Y =4', et la courbe 12 (figu- re 4) montre la répartition du degré de concentration des rayonnements dans un concentrateur équivalent muni de la même quantité de zones annulaires à surface paraboloidale. L'unité est ici la valeur de coefficient de concentration d'un concentrateur paraboloidal idéal avec une ouverture Um = 60 . Le rayonnement solaire, atteignant le concentrateur, est réfléchi vers le foyer F (figure 2) par les zones an- nulaires centrales 3 qui ont une surface sphérique. Les zones périphériques 3 (figure 1) du concentrateur qui sont munies d'une surface toroidale, assurent la réflexion du rayonnement formant la tâche focale. Le degré prédéterminé de concentration du rayonnement est obtenu grâce au fait que les paramètres géométriques desdites zones annulaires sont calculés à l'aide des formules indiquées précédemment, et permettent la réflexion des faisceaux 7 et 8 (figure 2) vers le foyer F. Comme le montrent les diagrammes, la répartition de l'énergie aux tâches focales d'un concentrateur paraboloidal équivalent, réalisé en une seule pièce, et d'un concentrateur à zones toroidales 3 (figure 1), objet de la présente invention, permet d'obtenir une densité de flux maximale, le nombre de facettes 2 de type différent dans les zones 3 étant minimal. 2609163 R E V E N D I C A T I 0 N Concentrateur de rayonnement solaire, du type comprenant une structure rigide et ayant des facettes qui sont agencées dans ladite structure rigide par rangées annulaires et dont la surface réfléchissante est divisée en zones annulaires, caractérisé en ce qu'au moins l'une des zones annulaires périphériques (3) de la surface réfléchissante constituée des facettes (2) a une surface toroidale dont la génératrice (4) représente un arc dont le centre (5) de courbure se trouve, par rapport à cet arc, au delà de l'axe optique (6) du concentrateur alors que les paramètres géométriques de la zone annulaire (3) ayant la surface toroidale sont choisis de façon que parmi tous les faisceaux, atteignant ladite zone (3) parallèlement à l'axe optique (6) du concentrateur, il y ait deux faisceaux (7, 8) qui se focalisent en un foyer calculé d'avance à obtenir (F).