Brevet FR2651871A1 — publié le 19910315

La présente invention concerne de façon générale les systèmes mus par l'énergie solaire et destinés à créer de l'énergie électrique, en particulier du type utilisé dans l'espace pour la création d'énergie électrique destinée à un satellite ou à un autre véhicule spatial. Plus préci- sément, l'invention concerne un collecteur solaire perfec- tionné et un ensemble générateur consommant de l'énergie thermique, en combinaison dans un ensemble unique léger et peu encombrant ayant un radiateur spatial destiné à dis- siper l'excès de chaleur du système. Des systèmes générateurs mus par l'énergie solaire sont déjà connus pour la transmission de l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. Ces systèmes générateurs sont particulièrement utiles pour la fourniture d'énergie électrique qui commande l'appareillage d'instal- lation à distance, notamment, dans les applications spa- tiales, pour le fonctionnement des systèmes électriques d'un satellite ou d'un autre véhicule spatial. Les systèmes générateurs mus par l'énergie solaire comprennent habituel- lement une surface collectrice relativement grande, exposée au rayonnement solaire incident, en combinaison avec un dispositif de conversion du rayonnement incident en énergie électrique. Dans un premier type connu sous le nom de sys- tème dynamique, la surface collectrice comporte un réflec- teur ayant un miroir parabolique de profil spécial ou autre, destiné à focaliser et concentrer le rayonnement solaire incident sur un ensemble générateur consommant de l'énergie thermique, par exemple un collecteur d'échange de chaleur contenant un fluide de traitement destiné à entrai- ner une génératrice à turbine ou analogue. Dans une autre forme connue sous le nom de système passif, la surface collectrice a une surface étendue portant des cellules photovoltaïques destinées à transformer le rayonnement solaire incident en énergie électrique. Des efforts considérables ont été consacrés au per- fectionnement du rendement de création d'énergie des sys- tèmes générateurs solaires, avec simultanément réduction de la dimension et du poids de l'ensemble du générateur. Les réductions de dimension et de poids du système générateur solaire sont particulièrement importantes dans les applica- tions spatiales afin que le stockage et le transport soient efficaces dans la soute d'un véhicule de transport et/ou de lancement. En outre, la réduction de la taille du système peut être particulièrement souhaitable dans le contexte des systèmes de défense spatiale afin que l'aptitude à survivre du système générateur solaire et de l'équipement qu'il alimente soit accrue à la suite d'une attaque. Dans de nombreuses applications spatiales de créa- tion d'énergie, les systèmes dynamiques ayant un réflecteur solaire sont souvent préférés étant donné qu'ils trans- mettent de l'énergie d'une manière relativement efficace par utilisation d'un système peu encombrant et de faible volume, par rapport aux systèmes passifs ayant des ensembles étendus de cellules photovoltaïques. Cependant, dans les systèmes dynamiques, le moteur de la génératrice nécessite habituellement la dissipation d'au moins un excès de chaleur ou de chaleur perdue dans l'espace environnant, lorsqu'il doit travailler à long terme convenablement. Jus- qu'à présent, cet excès de chaleur a été rejeté dans l'es- pace par un radiateur ayant une grande surface de rayonne- ment. Malheureusement, la combinaison du réflecteur solaire et du radiateur, dans des structures séparées, dans un système d'alimentation solaire, n'optimise pas le système en lui donnant un faible volume et un faible encombrement. L'invention concerne donc un système générateur d'énergie à partir d'énergie solaire qui est perfectionné, qui comporte un collecteur solaire et un radiateur associé qui sont intégrés sous forme d'un ensemble unique léger et peu encombrant, de forme commode. L'invention convient particulièrement bien à un système dynamique dans lequel le collecteur solaire et le radiateur associé sont formés sur un même substrat. Selon l'invention, un collecteur solaire et un radiateur combiné forment une même construction intégrée de faible encombrement destinée à un système générateur d'énergie à partir de l'énergie du soleil. Le collecteur solaire et le radiateur sont formés de part et d'autre du même substrat si bien que le collecteur peut être orienté dans une direction afin qu'il reçoive le rayonnement solaire incident et que le radiateur soit ainsi orienté en sens opposé et rejette l'excès de chaleur vers le milieu environnant. Dans un mode de réalisation préféré, le sub- strat comprend un ensemble de panneaux destinés à être repliés entre une position rangée de faible dimension per- mettant le logement par exemple dans la soute d'un véhicule de transport, et une position déployée d'utilisation normale. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le collecteur solaire comprend un réflecteur solaire des- tiné à focaliser le rayonnement solaire incident sur un ensemble générateur de type thermique. La configuration du concentrateur préféré est une configuration de Cassegrain ayant une surface réflectrice principale de forme générale annulaire parabolique combinée à une surface réflectrice secondaire de forme hyperbolique. Ces surfaces réfléchis- santes primaire et secondaire sont supportées par un chas- sis sous forme d'une configuration de Cassegrain de manière que le rayonnement solaire soit focalisé sur un récepteur thermique placé de façon généraie sur l'axe central de la surface réfléchissante primaire. Le récepteur thermique fonctionne de la manière connue afin qu'il transforme le rayonnement focalisé en chaleur qui est transférée à un collecteur d'échange de chaleur contenant un fluide de traitement. Ce fluide est ainsi chauffé par le rayonnement collecté et le fluide de traitement entraîne une généra- trice, par exemple à l'aide d'une turbine ou analogue, afin que de l'énergie électrique soit produite. Les panneaux du substrat sont supportés par le châs- sis afin qu'ils dépassent en direction générale radiale vers l'extérieur de l'ensemble générateur, en étant imbri- qués. Ces panneaux peuvent être pliés ou regroupés en position rangée dans laquelle ils coopèrent intimement autour de la surface réfléchissante secondaire, ou ils peuvent se déplier en prenant la configuration parabolique voulue pour le fonctionnement. Sous forme dépliée, une face des panneaux est dirigée vers la surface réfléchissante secondaire et est convenablement revêtue d'un film réflé- chissant convenable ou analogue. L'autre face ou face opposée des panneaux du sub- strat forme le radiateur avec une surface de rayonnement de grande étendue permettant le rejet de l'excès de chaleur du système. Cette surface de radiateur est couplée thermique- ment à l'ensemble générateur, de préférence par des calo- ducs disposés entre chaque panneau et le collecteur d'échange de chaleur. Dans un autre mode de réalisation, le couplage thermique peut être réalisé par une boucle d'échange de chaleur dans laquelle du fluide est pompé. Dans le mode de réalisation préféré, les caloducs ont des extrémités internes couplées thermiquement au collecteur d'échange de chaleur, des extrémités externes couplées thermiquement aux panneaux du substrat, et des segments intermédiaires souples de liaison destinés à permettre les mouvements des panneaux entre les positions rangée et déployée. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective schématique repré- sentant un ensemble combiné formant concentrateur solaire et radiateur selon l'invention, l'ensemble étant à l'état déployé; la figure 2 est une vue en élévation latérale de l'ensemble; la figure 3 est une perspective partielle agrandie représentant le raccordement des tubes de chaleur à un collecteur d'échange de chaleur; la figure 4 est une vue partielle agrandie de la partie cerclée A de la figure 2; j I la figure 5 est une coupe agrandie suivant la ligne -5 de la figure 4; la figure 6 est une perspective schématique analogue à la figure 1 mais représentant l'ensemble en position rangée; et la figure 7 est une vue schématique partielle agran- die représentant la flexion des caloducs, permettant le déplacement entre les configurations rangée et déployée. Comme représenté sur les dessins, l'ensemble combiné formant concentrateur solaire et radiateur, désigné sur la figure 1 par la référence 10, est destiné à utiliser l'énergie du rayonnement solaire comme source d'énergie dans un système générateur d'énergie électrique. L'ensemble combiné 10 intègre avantageusement la fonction de collecte du rayonnement solaire à la fonction de dissipation de l'excès de chaleur ou des chaleurs perdues du système, dans un seul ensemble léger ayant un faible encombrement. L'in- vention convient particulièrement bien dans les applica- tions spatiales pour la création d'énergie électrique des- tinée à un satellite ou un autre véhicule spatial (non représenté). De façon générale, comme représenté sur les figures 1 et 2, l'ensemble combiné 10, comprenant le concentrateur solaire et le radiateur selon l'invention, comprend un substrat principal 12 ayant une surface collectrice 14 sur une première face, destinée à recevoir le rayonnement solaire incident. La surface collectrice 14 représentée sur la figure 1 à titre illustratif a une surface réfléchis- sante formant un miroir constituant un réflecteur solaire qui focalise et concentre le rayonnement solaire incident sur un ensemble générateur thermique 16 si bien qu'un sys- tème dynamique de création d'énergie est ainsi réalisé. De manière connue, l'ensemble générateur 16 comprend un récep- teur 18 destiné à transformer le rayonnement solaire foca- lisé en énergie thermique qui est transférée à un col- lecteur 20 d'échange de chaleur contenant un fluide convenable de traitement. Ce fluide ainsi chauffé entraîne une génératrice électrique convenable 22, par exemple par l'intermédiaire d'une turbine, afin que de l'énergie élec- trique soit produite. La chaleur en excès ou les chaleurs perdues du système sont périodiquement dissipées par le collecteur 20 dans le milieu environnant à l'aide du radia- teur 24 (figure 2) délimité du côté du substrat 12 qui est opposé à la surface collectrice 14. Plus précisément, la configuration préférée du concentrateur solaire tel que représenté sur les dessins comprend un réflecteur solaire du type de Cassegrain dont la surface collectrice 14 comprend une surface réfléchis- sante primaire. Cette surface primaire 14 a une forme annu- laire de façon générale, ayant une configuration concave tournée vers le haut qui est destinée à réfléchir le rayon- nement solaire incident de manière prédéterminée, avec un profil parabolique bien connu dans la technique. Le rayon- nement solaire incident est réfléchi par la surface pri- maire 14 afin qu'il parvienne sur la surface secondaire réfléchissante 26 formée à la face inférieure d'un substrat secondaire 27 supporté audessus de la surface primaire 14 par des montants relativement minces 28 du châssis ou ana- logues. La configuration de la surface réflectrice secon- daire est choisie afin que cette surface réfléchisse et focalise le rayonnement incident vers le bas sur le récep- teur thermique 18, et a une configuration convexe vers le bas de forme générale parabolique connue dans les concen- trateurs solaires du type de Cassegrain. Le récepteur 18 est placé pratiquement sur l'axe central de la surface réfléchissante primaire annulaire 14. Le substrat primaire 12 qui délimite la surface réfléchissante primaire 14 est formé par plusieurs panneaux en forme d'ailettes qui sont imbriqués ou qui se recouvrent légèrement. Ces panneaux sont supportés sous forme d'un groupe de manière convenable, par exemple par les montants supplémentaires 32 (figure 2) ou analogues afin qu'ils dépassent en direction générale radiale vers l'extérieur de l'ensemble générateur 16, en entourant celui-ci. Ces panneaux 30 sont formés individuellement en un matériau léger tel qu'une matière composite à enroule- ment de fibres de carbone, et comportent un film ou un revêtement superficiel tourné vers le haut et formant la surface réfléchissante 14. Cet ensemble imbriqué de pan- neaux 30 permet avantageusement un déplacement des panneaux sous forme d'un groupe vers un état plié ou affaissé per- mettant un stockage peu encombrant comme indiqué sur la figure 6, les panneaux 30 étant repliés de façon générale en direction verticale vers la surface réfléchissante secondaire et étant parallèles aux montants 28 qui sont ainsi recouverts. Dans la configuration pliée, l'ensemble du concentrateur-radiateur occupe un volume pratiquement minimal permettant un stockage efficace dans la soute d'un véhicule de lancement et/ou de transport, par exemple dans la navette spatiale. Lorsque l'ensemble concentrateur- radiateur 10 est transporté à un emplacement choisi pour être utilisé, les panneaux 30 peuvent être pliés ou déployés vers l'extérieur vers la configuration déployée représentée sur la figure 1, par groupes de panneaux. Les éléments particuliers de châssis et les connexions asso- ciées des panneaux permettant ce déplacement des panneaux peuvent beaucoup varier et les hommes du métier peuvent noter que les dessins annexés et la description correspon- dante ne concernent qu'un exemple. Selon un aspect primordial de l'invention, l'excès de chaleur ou les chaleurs perdues, du fait du fonction- nement de l'ensemble générateur 16, sont rejetés vers le milieu environnant par le radiateur 24 délimité au dos ou à la face inférieure des panneaux 30. A cet égard, la face inférieure de chaque panneau 30 est couplée thermiquement par un dispositif de transfert de chaleur au collecteur d'échange de chaleur 20. Le dispositif préféré de transfert de chaleur comprend un ensemble de caloducs 34 disposés radialement vers l'extérieur ayant chacun une extrémité interne fixée à l'extérieur du collecteur 20 en relation d'échange de chaleur (figure 3). Ces caloducs 34 dépassent du collecteur 20 dans l'espace annulaire 36 séparant les panneaux 30 de l'ensemble générateur 16 et ont des extré- mités externes montées en contact intime permettant le transfert de chaleur le long des faces inférieures des panneaux 30. Comme l'indiquent les figures 4 et 5, au moins un caloduc et de préférence plusieurs caloducs 34 sont associés à chacun des panneaux 30. Les dessins représentent à titre illustratif des caloducs 34 formant une disposition à espacement uniforme, trois caloducs étant montés sur chaque panneau 30 de substrat. Comme représenté sur les figures 6 et 7, les calo- ducs 34 sont réalisés afin qu'ils possèdent une souplesse suffisante pour permettre un déplacement des panneaux entre les positions rangée et déployée. En particulier, les calo- ducs comportent chacun un segment intermédiaire flexible 34' de liaison ayant une flexibilité suffisante pour qu'ils permettent le déplacement des panneaux entre la position rangée représentée en trait plein sur la figure 7 et la position déployée vers l'extérieur représentée en trait interrompu. Pendant l'utilisation, lorsque les panneaux 30 sont déployés comme indiqué sur les figures 1 et 2, la surface réfléchissante primaire ou principale 14 est tournée vers le soleil et reçoit le rayonnement solaire incident. Ce rayonnement est réfléchi sous forme concentrée vers la surface réfléchissante secondaire 26 de plus petite aire totale qui réfléchit à son tour et concentre le rayonnement sur le récepteur 18 qui est relativement petit. Ce récep- teur 18 est ainsi chauffé par l'énergie solaire et la cha- leur est transférée au fluide de traitement qui fait fonc- tionner la génératrice d'énergie électrique. L'excès de chaleur est transféré par les caloducs 34 au radiateur 24 qui se trouve aux faces inférieures des panneaux 30 afin que la dissipation soit efficace. L'ensemble combiné formé par le concentrateur solaire et le radiateur intègre donc la double fonction de collecte du rayonnement solaire et de rejet de l'excès de chaleur, dans une structure unique peu encombrante. Cet ensemble peu encombrant peut être replié à la configuration pliée afin que son transport soit efficace au point d'uti- lisation. Après déploiement, le volume global est relati- vement peu encombrant et donne de bonnes propriétés de résistance lorsque le système est utilisé par exemple pour l'alimentation de satellites de défense. Les caractéris- tiques de résistance de l'ensemble à la suite d'attaques peuvent encore être accrues par sélection convenable des matériaux, tels que des matériaux composites légers à base de carbone, le caloduc 34 renforçant avantageusement chaque panneau 30. Cette disposition permet en outre la formation, par les panneaux renforcés, d'une surface réfléchissante précise avec des pertes minimales, si bien que le rendement du réflecteur est accru et/ou un réflecteur de plus petite dimension peut être utilisé. En outre, les caloducs 34 ont tendance à répartir et dissiper la chaleur de manière rela- tivement uniforme dans tout le groupe de panneaux 30 si bien que les gradients thermiques sont réduits au minimum et les déformations thermiques potentielles sont aussi réduites de manière correspondante. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront aux hommes du métier. Par exemple, bien qu'on ait représenté et décrit un système dynamique du type de Cassegrain, il faut noter que d'autres dispositifs col- lecteurs solaires, tels que des cellules photovoltaïques, peuvent être utilisés avec des systèmes nécessitant l'expulsion d'un excès de chaleur. REVENDICATIONS 1. Ensemble combiné formant concentrateur solaire et radiateur, caractérisé en ce qu'il comprend: un concentrateur solaire (14) ayant un substrat qui a une première et une seconde phase, la première phase délimitant une surface réfléchissant le rayonnement solaire incident vers un emplacement prédéterminé, un ensemble (16) générateur d'énergie de type ther- mique entraîné par le rayonnement solaire réfléchi par la surface réfléchissante, et un radiateur (34) destiné à dissiper la chaleur de l'ensemble générateur, le radiateur ayant une surface de radiateur placée sur une partie au moins de la seconde face du substrat, et un dispositif couplant la surface du radia- teur afin qu'elle soit en relation de transfert de chaleur avec l'ensemble générateur. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend plusieurs caloducs (34). 3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (12) comprend plusieurs panneaux imbri- qués (30) supportés par un châssis afin qu'ils puissent se déplacer entre une configuration déployée et une configura- tion rangée relativement peu encombrante. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend plusieurs calo- ducs ayant chacun une extrémité interne couplée à l'en- semble générateur, une extrémité externe couplée à la sur- face du radiateur, et un segment intermédiaire flexible (34') de raccordement permettant les déplacements des pan- neaux (30) entre les configurations déployée et rangée. 5. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le concentrateur solaire comprend un réflecteur de Cassegrain (14), la première face du substrat formant une surface réfléchissante primaire (14) de forme générale parabolique autour d'un axe central, l'ensemble comprenant en outre un dispositif formant une surface réfléchissante secondaire (26) de forme parabolique de façon générale placée à distance de la surface réfléchissante principale et tournée vers celle-ci, l'ensemble générateur d'énergie étant placé sur l'axe central de la surface réfléchissante principale. 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ensemble générateur d'énergie (16) comprend un récepteur thermique (18) placé de façon générale sur l'axe central et destiné à transformer le rayonnement solaire concentré qui lui parvient en chaleur, un collecteur (20) d'échange de chaleur couplé thermiquement au récepteur et contenant un fluide de traitement, et un ensemble généra- teur (16) entrainé par le fluide de traitement. 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend plusieurs calo- ducs (34) couplés thermiquement entre le collecteur et la seconde face du substrat. 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacun des caloducs (34) a une extrémité interne couplée thermiquement au collecteur, une extrémité externe couplée thermiquement à la seconde face du substrat, et un segment intermédiaire flexible (34') de liaison, le sub- strat (12) comprenant un ensemble de panneaux imbriqués (30) destinés à se plier entre une configuration déployée et une configuration rangée relativement peu encombrantes, les caloducs permettant ce mouvement de pliage. 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que plusieurs caloducs (34) sont couplés à chacun des panneaux (30). 10. Ensemble combiné formant concentrateur solaire et radiateur, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat (12) ayant une grande surface et délimi- tant un premier côté et un second côté, un dispositif collecteur solaire (14) formé sur le premier côté du substrat et comprenant un dispositif des- tiné à recevoir le rayonnement solaire et à l'utiliser pour la création d'énergie électrique, une source de chaleur, et un radiateur destiné à dissiper l'excès de chaleur dégagé par la source de chaleur, le radiateur comprenant au moins un caloduc (34) couplé thermiquement entre la source de chaleur et le second côté du substrat, et une surface de radiateur disposée au moins sur une partie importante du second côté du substrat. 11. Ensemble selon la revendication 10, caractérisé en ce que le substrat (12) a un réflecteur solaire, et la source de chaleur comprend un ensemble (16) générateur d'énergie de type thermique. 12. Ensemble selon la revendication 10, caractérisé en ce que le substrat (12) forme une partie d'un réflecteur solaire de Cassegrain. 13. Ensemble combiné formant concentrateur solaire et radiateur, caractérisé en ce qu'il comprend: un réflecteur solaire (14) de Cassegrain comprenant un substrat primaire ayant un premier et un second côté, le premier côté du substrat primaire formant une surface réfléchissante primaire (14), et comprenant un substrat secondaire formant une surface réfléchissante secondaire (26) distante de la surface réfléchissante primaire et tournée de façon générale vers cette surface, la surface réfléchissante primaire (14) ayant une configuration telle qu'elle réfléchit le rayonnement solaire incident vers la surface réfléchissante secondaire, cette dernière ayant une configuration telle qu'elle réflé- chit le rayonnement solaire incident vers un point prédé- terminé, un récepteur thermique (18) monté pratiquement audit point prédéterminé et destiné à transformer le rayonnement solaire incident en énergie thermique, un collecteur d'échange de chaleur (20) couplé ther- miquement au récepteur et contenant un fluide de traitement qui est chauffé par transformation du rayonnement solaire en énergie thermique par le récepteur, un générateur (16) entraîné par le fluide de traitement lorsqu'il est chauffé de manière que le généra- teur crée de l'énergie électrique, et un dispositif de transfert de chaleur (34) destiné à coupler thermiquement le collecteur au second côté du réflecteur primaire afin que le second côté forme une sur- face de radiateur permettant la dissipation de l'excès de chaleur. 14. Ensemble selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif de transfert de chaleur comprend plusieurs caloducs (34). 15. Ensemble selon la revendication 14, caractérisé en ce que le substrat primaire (12) a une forme générale annulaire centrée sur un axe central, le point prédéterminé étant disposé pratiquement sur l'axe central. 16. Ensemble selon la revendication 15, caractérisé en ce que le substrat primaire (12) est formé par plusieurs panneaux imbriqués (30) destinés à se plier entre une configuration pliée relativement serrée autour du substrat secondaire et une configuration déployée. 17. Ensemble selon la revendication 16, caractérisé en ce que plusieurs caloducs (34) sont couplés à chacun des panneaux (30). 18. Ensemble selon la revendication 16, caractérisé en ce que chacun des caloducs (34) a un segment flexible permettant le pliage des panneaux.