Brevet FR2754592A1 — publié le 19980417

La présente invention a pour objet un capteur solaire à concentration linéaire L'invention a plus particulièrement pour objet un capteur de type linéaire à deux étages optiques d'orientation Est-Ouest comportant un collecteur primaire constitué d'un miroir réfléchissant et focalisant le rayonnement solaire sur la surface virtuelle constituant la pupille d'entrée d'un collecteur secondaire. Le collecteur secondaire est constitué d'un dispositif optique du type généralement désigné sous l'appellation de concentrateur parabolique composé linéaire ou analogues décrits par de nombreux ouvrages de sciences physiques. Ce dispositif est désigné par l'abréviation CPC dans la suite du texte. Le rôle du collecteur secondaire est d'acheminer dans de bonnes conditions vers une cible utilisatrice (ou absorbeur), I'énergie concentrée par le collecteur primaire. Dans les modes de réalisation de capteurs conçus jusqu'alors sur la base de deux collecteurs primaire et secondaire, le collecteur secondaire s'il est du type CPC est utilisé essentiellement pour son pouvoir de concentration. A cette fin, L'image de la source ( soleil ) délivrée par le collecteur primaire, doit être maintenue, au cours du fonctionnement, sensiblement en coïncidence avec la pupille d'entrée du collecteur secondaire. II en résulte pour ces installations la nécessité de compenser en permanence la variation de la projection sur le plan vertical Nord-Sud du lieu de la hauteur du soleil par une rotation continue et inverse de même valeur absolue de l'ensemble du capteur autour d'un axe EstOuest.(suivi héliotropique ) Ceci se traduit par une complexité accrue de la réalisation et de la mise en oeuvre d'un tel capteur. L'invention permet de s'affranchir dans une large mesure d'une telle contrainte en lui substituant une suite discrète de rotations angulaires (réglages) de l'installation au cours d'une séance quotidienne de fonctionnement de l'installation. Le nombre de ces réglages quotidiens peut être limité à un seul en début de mise en exploitation quotidienne. Dans la présente invention le collecteur primaire peut-être constitué d'un miroir présentant une forme de segment cylindrique à section droite en forme de branche de parabole dont les génératrices sont orientées sensiblement selon l'axe Est-Ouest du lieu de mise en oeuvre. Ce miroir peut aussi être constitué d'une ou de plusieurs surfaces réfléchissantes focalisantes. Le collecteur secondaire est réalisé selon les principes géométriques décrits dans de nombreux ouvrages de sciences physiques pour les concentrateurs du type CPC tel que défini précédemment. Dans ces dispositifs le tracé transversal des miroirs est caractérisé par la largeur de la pupille d'entrée AB, l'angle d'acceptance Ac et la nature géométrique de la cible. L'ensemble affecte la forme générale d'une gouttière inversée au fond de laquelle est disposée la cible destinée à recevoir l'énergie concentrée par le capteur. Le collecteur secondaire est placé de telle sorte que sa pupille d'entrée soit sensiblement centrée sur l'axe focal du collecteur primaire. Dans le dispositif conçu selon la présente invention, le collecteur secondaire du type CPC n'est pas utilisé principalement pour ses propriétés de concentration comme dans les appareils antérieurs mais essentiellement pour la propriété d'un CPC de diriger dans de bonnes conditions vers la cible, disposée sensiblement au niveau de la pupille de sortie, tous les rayonnements incidents sur la pupille d'entrée, quelle que soit leur lieu d'incidence sur la dite pupille pour peu que leur inclinaison d'incidence soit compris dans l'angle d'acceptance du CPC. L'éclairement de la dite pupille par le miroir principal est donc partielle. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description suivante s'appuyant sur les figures en annexes. Dans le présent texte et les figures annexes on a supposé le capteur situé dans l'hémisphère Nord. Bien entendu pour un capteur situé dans l'hémisphère Sud les orientations Nord -Sud seront inversées. De plus pour la clarté des figures la valeur représentée de l'angle apparent du disque solaire s dont la valeur réelle est d'environ 32' ainsi que la valeur de ses projections s0, sl, scO, scl, sdO, sdl et réflexions c0, cl, dO, dl ont été très agrandies. Les figures 1, 2 et 3 montrent le principe de fonctionnement d'un capteur linéaire dont le transducteur soleil - cible est constitué: - d'un collecteur principal constitué d'un miroir cylindroparabolique (repère 1) orienté Est-Ouest. - d'un collecteur secondaire de type CPC (repère 2). - d'une cible (repère 3). - d'une structure support (repère 4). - d'un dispositif de pointage (repères 5 6 7 8 9) par rotation autour d'un axe de direction Est-Ouest. L'ensemble est disposé de telle sorte (figure 3): - que le plan de symétrie (E) de la parabole génératrice du miroir principal soit situé au Nord de la branche (CD) de la dite parabole utilisée pour générer le miroir. - que la pupille d'entrée du collecteur secondaire soit coupée par le plan (E) suivant la droite Est-Ouest (F) et normale à la figure. (H) est la trace du plan horizontal du lieu dans le du plan de la figure. Un tronquage (d) au Nord du miroir principal peut être réalisé pour éviter l'ombre du collecteur secondaire au cours du fonctionnement. La figure 1 montre le processus de formation de l'image virtuelle P dans le plan de la pupille d'entrée du collecteur secondaire correspondant à la réflexion au point M du miroir repère 1 du faisceau de rayons issus du disque solaire (cône d'angle au sommet s). Cette image P compte tenu de l'inclinaison du faisceau MP se présente sous la forme d'une ellipse dont les caractéristiques sont fonction notamment de la position du point M sur la directrice C du miroir. Les images résultant des points de la directrice C se superposent approximativement pour former une tache sensiblement elliptique à bords flous. (astigmatisme) L'image résultant de l'ensemble du miroir principal (ensemble des directrices ) se présente donc dans le plan de la pupille d'entrée du collecteur principal sous la forme d'un ruban de largeur constante à bords flous (astigmatisme) dans toute la partie éclairée par le miroir principal. Cette image est appelée ruban image dans la suite du texte. La largeur Nord-Sud de ce ruban image qui peut être déterminée notamment par le calcul, est minimale si le Soleil est dans le plan focal du miroir principal (cas général des capteurs du type antérieurs à la présente invention. ). Si le soleil s'écarte du plan focal du miroir principal, la largeur du ruban image s'accroît corrélativement tout en s'éloignant du plan focal. Dans les capteurs du type, antérieurs à la présente invention, un pointage héliotropique maintient le Soleil dans le plan focal du miroir principal durant les périodes de fonctionnement de l'installation. Le collecteur secondaire de ces derniers est donc défini de façon à ce que la largeur de sa pupille d'entrée puisse contenir la largeur du ruban image focal plus éventuellement une marge pour tenir compte des erreurs de construction et de pointage. Dans les machines conçues selon les principes de la présente invention, le collecteur secondaire est constitué de façon à ce que le ruban image reste contenu dans la pupille d'entrée durant la période quotidienne lh1 .. h2] d'utilisation du capteur et ce sans qu'il y ai lieu de repointer la machine dans la dite période. Les limites h1 et h2 sont les heures solaires vraies limitant l'intervalle de mise en oeuvre quotidien choisi pour le capteur. La figure 3 montre pour une telle machine de façon simplifiée en projection sur le plan vertical Nord-Sud, pour deux cas limites [TO] et [T1l,.1a formation du ruban image dans le plan (P) de la pupille d'entrée du collecteur secondaire (repère 2): Pour le cas [TO]: s0 correspond à la projection dans le plan de la figure, de l'angle s du faisceau de rayons solaires incident en un point du lieu d'implantation du capteur à l'instant considéré. sc0 et cO correspondent respectivement aux projections dans le plan de la figure du rayonnement solaire incident et sa réflexion par la génératrice physique (C ) la plus éloignée du plan focal (F) du miroir principal repère I vers la pupille d'entrée AB dans le plan (P). On identifiera de même par analogie sdO et dO relatifs à la génératrice physique (D) la plus rapprochée du plan focal (F). Par analogie avec les grandeurs relatives aux cas [TO] on identifiera sur la figure 3, les angles suc1, cl, sud1, dl correspondant au cas [TI). L'angle Ph est égal à la projection de la hauteur du soleil dans le plan de la figure 3 pour le cas [TO). L'angle (Ph + Dph) est égal à la projection de la hauteur du soleil dans le plan de la figure 3 pour le cas [TI]. Ces deux cas limites [TO] et [T1] correspondent pour une année, à la variation maximale Dph de l'angle Ph, pouvant être constatée au cours d'une période quotidienne [h1 .. h2] de fonctionnement du capteur. Pour la valeur choisie de [hI .. h2),la valeur de Dph obtenue à partir des données astronomiques relatives au soleil (éphémérides) varie très peu d'une année sur l'autre et peut-être considérée comme une constante valable pour la durée de vie du capteur réalisé sur cette base. En conséquence les bornes de la période choisie [hi..h2] suffisent à déterminer la géométrie de la pupille d'entrée AB du collecteur secondaire repère 2. Aux points A et B de la figure 3 correspondent les droites du plan (P), normales à la dite figure, matérialisant les limites de la pupille d'entrée du CPC utilisé pour constituer le collecteur secondaire repère 2. Le capteur objet de la présente invention répond donc aux principes constructifs suivants: - La largeur AB de la pupille d'entrée du CPC constituant le collecteur secondaire est déterminée de telle sorte que l'angle formé par les vecteurs CB et CA contienne l'angle R défini comme l'angle qui contient les faisceaux cO et ci réfléchis en C des faisceaux solaires incidents scO et suc1, C étant la génératrice du miroir la plus éloignée du foyer F. - L'angle d'acceptance du CPC utilisé comme collecteur secondaire est égal ou supérieur à Ac angle formé par l'intersection de AD et CB. L'angle Ac est le plus grand angle formé entre rayons réfléchis pour les cas limites [TO] et [T1] par les génératrices (C ) et (D) limites physiques Sud et Nord du miroir principal. Le capteur réalisé selon les principes constructifs énoncés ne nécessitera qu'un seul réglage en début de période quotidienne d'utilisation et ce quel que soit le jour de l'année. Cependant pour réaliser une machine comportant un collecteur secondaire de dimensions plus réduites au prix de devoir procéder à un certain nombre de réglages quotidiens et non plus d'un seul comme précédemment, les principes constructifs ci-dessus restent applicables mais, dans ce cas, à l'angle Dph sera substitué un angle U plus petit de façon à obtenir: un angle R ,une dimension de AB et donc un CPC plus petits. Cet angle U sera d'autant plus petit que le nombre maximum N de réglages quotidiens tolérés au cours d'une année sera élevé. Les principes constructifs énoncés sont applicables aux cas où le miroir principal est constitué d'une ou plusieurs surfaces cylindriques focalisantes Compte tenu du nombre réduit des réglages à effectuer sur le capteur, on pourra se satisfaire d'un dispositif de pointage très simplifié notamment manuel (figure 2). REVENDICATIONS: 1 - Capteur solaire linéaire concentrateur d'orientation Est-Ouest à deux étages optiques comportant un collecteur principal focalisant et un collecteur secondaire du type concentrateur parabolique composé linéaire (ou analogue),caractérisé en ce que le collecteur principal éclaire partiellement la pupille d'entrée du collecteur secondaire qui comporte en section transversale: - une pupille d'entrée de limites AB définies de telle sorte que l'angle contenant AB formé par les droites CA et CB contienne l'angle R défini comme l'angle qui contient lui même les faisceaux cO et cl réfléchis en C des faisceaux solaires incidents scO et suc1, C étant la trace de la génératrice la plus éloignée du foyer F du collecteur principal, les faisceaux scO et scî formant entre eux l'angle U plus petit ou égal à Dph, ce dernier angle étant lui-même défini comme la variation maximale constatée au cours d'une année de l'angle Ph (projection de la hauteur du soleil dans le plan de la section) dans la période horaire [h1..h2] choisie pour l'utilisation quotidienne du capteur. - un angle d'acceptance égal ou supérieur à Ac, ce dernier étant défini comme I'angle, contenant le collecteur principal, formé par l'intersection des droites AD et BC joignant respectivement les limites, A au Sud et B au Nord, de la pupille d'entrée du collecteur secondaire, aux génératrices extrêmes du collecteur principal d'orientations opposées: D au Nord et C auSud. 2 - Capteur solaire selon revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur principal constitué d'un miroir cylindroparabolique. 3 - Capteur solaire selon revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur principal constitué de surfaces cylindriques multiples focalisantes. 4 - Capteur solaire selon revendications ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de pointage, par rotation autour d'un axe Est-Ouest, de type manuel.