Brevet FR2893120A1 — publié le 20070511

L'invention concerne un module solaire élémentaire de traitement d'un rayonnement solaire destiné à un dispositif de récupération du rayonnement solaire de type concentrateur-collecteur solaire à foyer fixe. Le document US 6 058 930 décrit un système modulaire comportant un arrangement de récepteurs solaires. Une barre de torsion sert d'axe principal de rotation pour les récepteurs solaires qui sont répartis de chaque coté de ladite barre de torsion. L'axe principal de rotation est orienté selon une direction dite nord-sud autour duquel les récepteurs solaires s'orientent de l'est vers l'ouest. Un tel système doit supporter, de par sa conception, des charges énormes pour assurer son maintien au sol, résultant des vents ou tout autre phénomène naturel. De plus, tous les efforts de pilotage sont concentrés sur l'axe principal de rotation qui est sollicité majoritairement en torsion. Ceci nécessite une énergie importante qui réduit d'autant le rendement d'un tel système. D'autre part, la haute performance des pièces mécaniques mises en jeu qui en résulte entraîne un coût de réalisation et de mise en place élevé. Un but de l'invention est de réduire l'énergie nécessaire au fonctionnement d'un tel système modulaire tout en réduisant les coûts de fabrication et de mise en place. Pour atteindre ce but, il est prévu, selon l'invention, un module solaire élémentaire comportant un bâti apte à reposer directement ou indirectement sur un sol, des moyens de traitement d'un rayonnement solaire montés mobiles sur le bâti par une liaison pivot, un axe de rotation de la liaison pivot passant sensiblement par un centre de gravité des moyens de traitement. Ainsi le positionnement du centre de gravité sur l'axe de rotation permet que les moyens de traitement soient équilibrés au mieux, ce qui nécessitera des efforts a minima, et donc une énergie minimale, pour leur faire effectuer un mouvement de rotation. Par conséquent, les pièces mécaniques n'ont plus besoin d'être à haute performance, ce qui les simplifie et réduit leur coût de fabrication et de mise en oeuvre. Avantageusement mais facultativement, le module solaire élémentaire présente au moins l'un des caractéristiques additionnelles suivantes : un axe d'oscillation autour duquel le bâti est apte à osciller passe sensiblement par un centre de gravité du module solaire élémentaire, l'axe de rotation est sensiblement orthogonal à l'axe d'oscillation du bâti, les moyens de traitement comportent au moins un capteur solaire, - les moyens de traitement comportent au moins une surface réfléchissante du rayonnement solaire, et la surface réfléchissante est concave. Il est aussi prévu, selon l'invention, un dispositif de récupération d'un rayonnement solaire comportant au moins un foyer fixe apte à recevoir le rayonnement solaire, un dispositif de commande de suivi d'un mouvement solaire, au moins un module solaire élémentaire présentant au moins l'un des caractéristiques précédentes et apte à être commandé par le dispositif de commande. Avantageusement mais facultativement, le dispositif présente au moins l'une des caractéristiques additionnelles suivantes : - le dispositif comporte au moins deux modules solaires élémentaires, au moins un premier élément de liaison des bâtis de deux modules solaires élémentaires contigus, au moins un deuxième élément de liaison des moyens de traitement des deux modules solaires élémentaires contigus, - le dispositif de commande est apte à agir sur au moins l'un des premier et deuxième éléments de liaison, et le dispositif comporte des moyens formant socle aptes à soutenir le bâti du module solaire élémentaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des figures annexées, dans lesquelles : la figure 1 représente une vue en trois dimensions d'un dispositif de récupération du rayonnement solaire selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en trois dimensions, de l'avant, d'un ensemble de modules solaires élémentaires selon l'invention, la figure 3 représente un vue en trois dimensions, de l'arrière, de l'ensemble de la figure 2, - la figure 4a représente une vue de coté d'un module solaire élémentaire de l'ensemble de la figure 2, la figure 4b représente une vue de coté d'une variante de réalisation du module solaire élémentaire, et, les figures 5a à 5c représente l'évolution du mouvement de suivi journalier du Soleil de l'ensemble de la figure 2. En référence à la figure 1, un dispositif de récupération du rayonnement solaire de type concentrateur-collecteur solaire à foyer fixe comprend une cible ou un foyer fixe 1, ici situé au sommet d'un poteau. Ce foyer fixe est apte à recevoir un rayonnement solaire concentré par un ensemble 2 formé de modules solaires élémentaires 3 qui, dans le cas illustré ici, réfléchissent le rayonnement solaire vers le foyer fixe 1. Les différents modules solaires élémentaires reposent, ici, sur des socles 4. De plus, le dispositif de récupération du rayonnement solaire comporte un dispositif de commande, non représenté, qui permet de réaliser le suivi solaire comme cela sera décrit ultérieurement. L'ensemble du dispositif de récupération du rayonnement solaire est généralement monté dans un emplacement éclairé du lever au coucher du Soleil sur un sol ou une surface S. En référence aux figures 2, 3 et 4a, nous allons maintenant décrire dans le détail un module solaire élémentaire 3 selon l'invention. Un module solaire élémentaire comprend un bâti 31 posé, ici indirectement, sur le sol par l'intermédiaire d'un socle 4. Le module solaire élémentaire 3 comporte des moyens de traitements 32 du rayonnement solaire R qui sont montés mobiles à rotation sur le bâti 31 par l'intermédiaire d'une liaison pivot 33. Les moyens de traitement 32 présentent un centre de gravité qui est situé sensiblement sur l'axe de rotation de la liaison pivot 33. Ainsi, les moyens de traitement 32 sont équilibrés de manière optimale par rapport à l'axe de rotation. Ici, les moyens de traitement 32 sont un cadre réflecteur comportant une surface apte à réfléchir un rayonnement solaire. Cette surface peut être sensiblement plane ou bien concave dont un centre de courbure est situé sensiblement au voisinage du foyer fixe 1, une fois le dispositif de récupération du rayonnement solaire construit. En variante, les moyens de traitement peuvent comprendre des capteurs solaires (cellules photovoltaïques, capteurs thermiques, etc..). Le module solaire élémentaire comprend des moyens de mise en rotation 34 des moyens de traitement 32. Ici, les moyens de mise en rotation 34 comportent un levier en forme de barre lié rigidement au cadre réflecteur à l'une des ses extrémités et relié, au niveau de l'autre de ses extrémités à un organe de liaison 6. Le bâti 31 est ici de forme générale en triangle rectangle et comporte deux cotés adjacents 312 et 313 et un coté 311 formant l'hypoténuse. Les moyens de traitement 32 s'étendent parallèlement au coté 311 et sont liés au bâti au niveau des extrémités des cotés 312 et 313. Le coté 313 présente une surface arrondie 314 de forme cylindrique de révolution qui est apte à coopérer avec une surface 41 sensiblement plane du socle 4 associé afin de permettre au bâti d'osciller. Cette surface 314 est surmontée par une masse additionnelle 315. Le rôle de cette masse 315 est de permettre d'avoir un centre de gravité du module solaire élémentaire qui est sensiblement sur un axe de révolution de la surface arrondie 314. Ceci permet, comme pour les moyens de traitement, d'équilibrer de manière optimal le module dans un mouvement d'oscillation 10 autour de cet axe de révolution qui est devient alors l'axe d'oscillation du module. Le bâti 31 comprend des moyens de mise en oscillation 52. Ces derniers sont, ici, une tringlerie 52 dont une extrémité libre est liée à un coté 312 du bâti. L'autre extrémité de la tringlerie 52 est reliée à un organe de commande 51 en relation avec le dispositif de commande précité. Le mouvement du bâti oscillant vis à vis du sol va permettre un suivi saisonnier du soleil. En référence à la figure 4b, est illustrée une variante de réalisation du bâti 31. II se différentie du mode de réalisation précédent par le positionnement de la surface arrondie 314 qui est ici réalisée au niveau du raccordement des cotés adjacents du bâti. Cela permet d'adapté le dispositif de récupération du rayonnement solaire suivant la réflexion désirée et la situation géographique du lieu de son implantation. L'ensemble 2 du dispositif de récupération du rayonnement solaire est réalisé par l'assemblage de deux ou plus modules solaires élémentaires 3. Deux modules solaires élémentaires contigus sont reliés entre eux d'une part au niveau de leur bâti 31 respectif et d'autre part, éventuellement au niveau des leurs moyens de traitement 32 respectif. Au niveau des bâtis 31, des éléments de liaison 5, ici sous la forme de croisillons, lient rigidement les cotés adjacents 312 respectivement 313 entre eux des deux modules solaires élémentaires adjacents. Ces croisillons permettent de solidariser les modules solaires élémentaires et une rigidification de l'ensemble 2 ainsi constitué. Au niveau des moyens de traitement 32, un élément de liaison 6, ici sous la forme d'une barre, lient les extrémités des leviers 34. L'élément de liaison 6 peut être connecté au dispositif de commande du suivi précité. La rotation des moyens de traitement vis à vis du bâti permet un suivi journalier du Soleil. En référence aux figures 5a à 5c, nous allons décrire le fonctionnement du dispositif de récupération du rayonnement solaire selon l'invention. La figure 5a est l'état du dispositif le matin, la figure 5b, le midi et la figure 5c, le soir. II est reconnu que le suivi solaire journalier augmente de façon significative le rendement des capteurs solaires. Il permet une orientation directe de la normale du capteur sur le soleil et augmente environ d'un tiers la production d'énergie électrique ou thermique. De plus, la conception par modules et le suivi saisonnier du soleil grâce au mouvement oscillant d'un bâti rend la combinaison des deux mouvements capable de focaliser un rayonnement suivant deux directions en un point. Chaque cadre réflecteur est initialement, au moment de son montage sur le lieu, pré orienté pour réfléchir le rayonnement solaire R vers le foyer fixe 1. Ce réglage correspond à une orientation d'une normale à la surface réfléchissante confondue avec une bissectrice entre la position du soleil à un instant donné et la cible que forme le foyer fixe. En fonctionnement, lorsque le soleil change de position, l'ensemble des cadres réflecteurs est apte à tourner de la moitié du débattement solaire pour renvoyer les rayons réfléchis vers la cible. L'angle de correction est donc identique pour tous les réflecteurs permettant ainsi d'utiliser une commande unique simple du suivi solaire associée au dispositif de commande de suivi. Pour réaliser cette commande unique, les bâtis oscillants sont alignés et maintenus à égale distance par les croisillons de liaison 5. Cet alignement permet la mise en place d'une tringlerie (51,52 et 6) de commande entraînant de façon identique l'ensemble des miroirs, tringlerie reliée au dispositif de commande du suivi solaire. La commande unique pour un grand nombre de module est rendue viable grâce à une conception particulière comme cela a été précédemment décrit. Pour le suivi saisonnier, la conception du bâti oscillant permet de minimiser les efforts de pilotage en plaçant le centre de gravité de l'ensemble sensiblement au niveau de l'axe d'oscillation du bâti oscillant. De même, pour le suivi journalier, la conception du cadre réflecteur permet de minimiser les efforts de pilotage en plaçant le centre de gravité du cadre réflecteur sensiblement au niveau de l'axe de rotation du cadre réflecteur par rapport au bâti oscillant. Cette conception particulière permet d'avoir un très faible besoin en énergie pour le pilotage de l'ensemble formé de réflecteurs. Cela permet d'améliorer la focalisation solaire par un besoin plus faible en énergie pour asservir la structure à la poursuite du soleil. La structure modulaire du dispositif de récupération du rayonnement solaire selon l'invention permet : un facteur de concentration variable suivant l'application, facteur qui est lié au nombre de modules solaire élémentaires orientés sur une cible réceptrice ; la concentration du cadre réflecteur mobile allant de 1 à 30, par exemple, des surfaces de captation variables dépendant du nombre de module élémentaires (par exemple de 10 à 1000 m2), - de jouer sur le nombre des foyers fixes : possibilité de pointer sur des foyers différents suivant le besoin du moment, souplesse liée au foyer fixe, due à la dissociation du concentrateur et du foyer, de proposer différentes surfaces de captation élémentaires (par modules) de réflecteurs (par exemple de 1 à 5 m2) Il est possible ainsi d'envisager toutes solutions d'agencement et de configuration d'installation grâce à la distance variable entre le foyer fixe et les modules solaires élémentaires, et, une diversité de l'utilisation du foyer (thermique, électrique, lumière ou mixte). Ceci entraîne une réduction des coûts de fabrication par une simplification du matériel: nombre de pièces nécessaires en plus grande 10 quantité et moins complexes. Pour les grandes dimensions il est possible de disposer de plusieurs bandes de modules solaires élémentaires : soit en palier sur terrain incliné, soit les uns derrière les autres tout en respectant la distance d'occultation due à 15 l'ombre de la rangée de modules précédent. D'autres types de dispositions sont envisageables suivant les différentes conditions de géographie, climat, inclinaison des sols, etc Les nouveaux besoins en énergie (thermique, électrique) à travers le monde sont plus à de petites unités bien implantables, gérées et facilement 20 entretenues par une population locale, qu'a de grandes centrales qui redistribuent à travers des réseaux nécessitant de grosses infrastructures. II est à noter que la moindre intervention sur un cadre réflecteur, n'entraîne aucune perturbation pour le reste du dispositif de récupération du rayonnement solaire selon l'invention. 25 De plus, ce dernier est d'une hauteur humaine facilitant le transport, la mise en place, la maintenance, le nettoyage, l'occultation lors d'intempéries, diminuant la prise au vent, les coûts d'assemblage et améliorant l'intégration dans un environnement urbain ou non. 30 D'un point de vue matériaux, la plus grosse partie de l'ouvrage est en béton coulé (bâti 31, socle 4), et, sa fabrication peut s'effectuer sur place, à l'échelle humaine, puisque l'aspect modulable de la structure nécessite seulement de fabriquer des pièces en béton de taille modeste sans aucun moyen de levage particulier. Le dispositif de récupération du rayonnement solaire selon l'invention est donc adapté pour les sites isolés et les villages de pays en voie de développement. L'utilisation d'un béton composite offre un meilleur compromis en coûts (simplicité, reproductibilité), en stabilité (masse créant une insensibilité vis à vis 5 du vent) et en vieillissement. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à l'exemple décrit et représenté, fourni à titre uniquement illustratif. REVENDICATIONS 1. Module solaire élémentaire (3) comportant un bâti (31) apte à reposer directement ou indirectement sur un sol (S), des moyens de traitement (32) d'un rayonnement solaire montés mobiles sur le bâti par une liaison pivot, caractérisé en ce qu'un axe de rotation (33) de la liaison pivot passe sensiblement par un centre de gravité des moyens de traitement. 2. Module solaire élémentaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un axe d'oscillation autour duquel le bâti est apte à osciller passe sensiblement par un centre de gravité du module solaire élémentaire. 3. Module solaire élémentaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'axe de rotation (33) est sensiblement orthogonal à l'axe d'oscillation du bâti. 4. Module solaire élémentaire selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent au moins un capteur solaire. 5. Module solaire élémentaire selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent au moins une surface réfléchissante du rayonnement solaire. 6. Module solaire élémentaire selon la revendication 5, caractérisé en 20 ce que la surface réfléchissante est concave. 7. Dispositif de récupération d'un rayonnement solaire comportant au moins un foyer fixe (1) apte à recevoir le rayonnement solaire, un dispositif de commande de suivi d'un mouvement solaire, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un module solaire élémentaire (3) selon l'une des revendications 1 à 25 6 apte à être commandé par le dispositif de commande. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux modules solaires élémentaires, au moins un premier élément de liaison (5) des bâtis de deux modules solaires élémentaires contigus, au moins un deuxième élément de liaison (6) des moyens de traitement (32) des deux 30 modules solaires élémentaires contigus. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de commande est apte à agir sur au moins l'un des premier et deuxième éléments de liaison. 10. Dispositif selon l'un des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens formant socle (4) aptes à soutenir le bâti (31) du module solaire élémentaire.