Brevet FR2890181A1 — publié le 20070302

-i- La présente invention se rapporte à un système optique condenseur de l'énergie solaire. Les systèmes optiques condenseur de l'énergie solaire, tels que les lentilles convergentes et les miroirs paraboliques, utilisent soit des systèmes multi-lentilles ou multi-miroirs, donc complexes, soit un suivi optique du soleil dans son mouvement apparent de rotation autour de la terre. En effet dans les systèmes optiques condenseur de l'énergie solaire la zone de focalisation de la lumière se déplace en même temps que la position du soleil dans le ciel. Le suivi optique du soleil nécessite alors une partie mécanique avec des pièces en mouvement qui sont sujettes à l'usure donc à la panne. La présente invention permet, à partir d'une lentille unique et immobile de créer une zone de concentration de l'énergie solaire qui reste fixe quelque soit la position du soleil, ce qui ne nécessite pas de suivi optique du soleil et apporte une simplification par rapport aux systèmes existants. Le système optique selon l'invention est constitué d'une lentille rectiligne convergente optiquement transparente dont l'axe longitudinal est horizontal et orienté suivant la direction géographique Est/Ouest et dont l'axe latéral est orienté vers l'étoile polaire. Quelque soit la position du soleil au dessus de l'horizon la lentille rectiligne créé un espace de concentration solaire permanent. On défini par lentille rectiligne une lentille dont le dioptre supérieur est une surface qui peut être représentée par une succession de droites parallèles juxtaposées. Une surface plane et une surface demicylindrique sont des exemples non limitatifs de telles surfaces. On défini par lentille convergente une lentille qui transforme un faisceau incident de rayons lumineux parallèles dont la section transversale est une surface de valeur SI, en un faisceau réfracté de rayons lumineux qui, sur son parcours optique, contient au moins une section dont la surface prend une valeur S2 inférieure à SI. On défini par optiquement transparente la propriété de la matière à transmettre la lumière du soleil avec un coefficient de transmission supérieur à 0,9 sur tout ou partie du spectre solaire. On défini le centre de la lentille par un point qui se confond avec le centre de gravité de la lentille. On défini l'axe longitudinal d'une lentille rectiligne par la droite passant par le centre de la lentille et qui est parallèle au dioptre supérieur de la lentille. On défini l'axe transversal et l'axe latéral d'une lentille rectiligne par les deux droites perpendiculaires entre elles, passant par le centre de la lentille, et qui sont toutes deux perpendiculaires à l'axe longitudinal. On défini la longueur d'une lentille rectiligne par la plus grande dimension de la lentille suivant son axe longitudinal. On défini la largeur d'une lentille rectiligne par la plus grande dimension de la lentille suivant son axe latéral. On définir épaisseur d'une lentille rectiligne par la plus grande dimension de la lentille suivant son axe transversal. On défini les coordonnées horaires du soleil par un système de repérage du soleil sur la sphère céleste. Les coordonnées horaires utilisent deux plans de référence: l'équateur céleste et le méridien du lieu dans la direction du Sud. Les coordonnées horaires du soleil sont l'angle horaire H que fait l'angle horaire du soleil avec le méridien du lieu, et la déclinaison D qui est la hauteur du soleil au dessus ou au dessous de l'équateur céleste. H se mesure de 0 à 360 dans le sens rétrograde, c'est-à-dire dans le sens Sud, Ouest, Nord, Est, et D se mesure de 0 à 90 en précisant s'il s'agit d'une déclinaison Nord (+) ou d'une déclinaison Sud (-). On défini une incidence i(H,D) par un faisceau de rayons lumineux parallèles issu d'un soleil dont les coordonnées horaires sont H et D. On défini la zone focale sous une incidence i(H,D) par la surface de plus grande concentration de rayonnement solaire résultant de la convergence d'un faisceau de rayons solaires parallèles dont l'incidence vaut i(H,D). Cette surface, dans des cas particuliers, peut se réduire à un point ou à une ligne. On montre d'autre part que la position et la forme de cette zone focale varient en fonction de l'incidence i(H,D). On défini par longueur focale f d'une lentille rectiligne la plus petite distance f entre le centre de la lentille et la zone focale sous une incidence i(0,0). Le soleil n'est visible qu'au dessus de l'horizon. Au cours de son déplacement journalier et de son déplacement annuel le soleil prend des positions au dessus de l'horizon dont les coordonnées horaires varient pour les déclinaisons entre D=+23 et D=-23 , et pour les angles horaires entre H=247 et H=113 . Mais l'axe latéral de la lentille étant incliné vers l'étoile polaire c'est-à-dire d'un angle par rapport à l'horizon Nord égal à la latitude du lieu, seules les positions du soleil au-dessus de la lentille permettent d'avoir des rayons lumineux qui frappent le dioptre supérieur de la lentille. Les positions possible du soleil au- dessus de la lentille dépendent donc du lieu géographique et ont des coordonnées horaires qui varient au minimum entre D=+23 et D=-23 pour les déclinaisons, et entre H=270 et H=90 pour les angles horaires. A toutes les positions possible du soleil au dessus de l'horizon correspondent des zones focales sous incidences i(H,D). Aux valeurs extrêmes i(270 ,+23 ,) i(90 ,+23 ) i(270 ,-23 ) et i(90 ,-23 ) correspondent quatre zones focales qui délimitent un espace de concentration solaire permanent ES. On défini par espace de concentration solaire un espace à une, deux ou trois dimensions à l'intérieur duquel l'intensité moyenne du rayonnement solaire est supérieure à celle du rayonnement solaire direct. Afin de réduire ou d'éviter les réflexions totales ou partielles des faisceaux de lumière au passage du second dioptre de la lentille on -4 choisira de préférence une épaisseur de lentille suffisante pour que l'espace de concentration solaire permanent soit à l'intérieur de la lentille. Selon des modes particuliers de réalisation: - Le système optique condenseur de l'énergie solaire objet de cette invention peut s'associer à une cellule photovoltaïque afin d'augmenter la quantité d'électricité produite par celle-ci. En effet la quantité d'électricité produite par une cellule photovoltaïque est proportionnelle à l'intensité de la lumière reçue. Dans ce mode particulier de réalisation la cellule photovoltaïque se positionnera en place de l'espace de concentration solaire permanent, sa face active orientée vers le dioptre supérieur de la lentille. - plusieurs lentilles identiques peuvent se positionner juxtaposées les unes à côté des autres, leurs axes longitudinaux étant tous parallèles et leurs axes latéraux tous orientés vers l'étoile polaire et former ainsi une surface optique unique dont sa longueur sera la longueur d'une des lentilles, sa largeur sera la somme de toutes les largeurs et son épaisseur sera l'épaisseur d'une des lentilles. - la surface optique selon le mode particulier de réalisation précédente pourra s'associer à une série de cellules photovoltaïques positionnées dans les espaces de concentration solaire permanents générés par cette surface optique unique. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente le schéma de principe du système optique condenseur de l'énergie solaire pour trois incidences i(H,D) différentes. La figure 2 représente un mode particulier de réalisation avec une lentille rectiligne de forme demi-cylindrique associée à une cellule photovoltaïque. La figure 3 représente en coupe le mode particulier de réalisation précédente. La figure 4 représente un mode particulier de réalisation d'une surface optique constituée d'une juxtaposition de lentilles rectilignes demicylindriques associée à une série de cellules photovoltaïques. La figure 5 représente la disposition des espaces de concentration permanents et des cellules photovoltaïques associées pour le mode particulier de réalisation précédente. En référence à ces dessins, le système optique objet de cette invention (figure 1) est constitué d'une lentille rectiligne L convergente, d'axe longitudinal Y, d'axe transversal Z, d'axe latéral X. La lentille est orientée de telle sorte que son axe Y soit à l'horizontal et dans la direction géographique Est/Ouest. Son axe X est orienté vers l'étoile polaire EP, c'est-à-dire incliné au Nord par rapport à l'horizon Hz d'un angle a égal à la latitude du lieu. Son axe Z est perpendiculaire à X et à Y, il est orienté au Sud vers l'équateur céleste EC. Dans cette position la lentille L reçoit les rayons solaires issus du soleil dans ses positions extrêmes SI,S2,S3,S4 dont les coordonnées horaires sont respectivement il(247 ,+23 ) i2(247 ,-23 ) i3(113 ,+23 ) et i4(113 ,-23 ). A chacune de ces incidences correspond une zone focale Z1,Z2,Z3,Z4 qui délimitent un espace de concentration solaire permanent ES. Sous une incidence H=0 et D=0 le soleil S5 passe au méridien du lieu à l'équinoxe de printemps ou d'automne. La zone focale ZF correspondante se trouve à la longueur focale f = CF du centre C de la lentille. F étant le point de la zone focale ZF le plus proche du centre C de la lentille. Suivant un mode particulier de réalisation (figure 2 et figure 3), et pour exemple non limitatif, la lentille pourra avoir la forme d'un demicylindre de rayon R, d'indice de réfraction n=1,49. La lentille est associée à une cellule photovoltaïque plane CP. La longueur focale f de la lentille vaut 4R/3. L'espace de concentration permanent ES prend la forme d'un rectangle plat de longueur lm égale à la longueur de la lentille Lg, de largeur ln égale à la moitié de la largeur Ig de la lentille. L'espace de concentration permanent ES est parallèle à la face inférieure plane Sp de la lentille et est placée à une distance d du centre de la lentille C égale à f/4. ES est à l'intérieur de la lentille. ES est centré par rapport à l'axe longitudinal Y de la lentille. La cellule photovoltaïque prend la même forme rectangulaire et les mêmes dimensions que l'espace de concentration permanent ES. La cellule photovoltaïque CP se positionne en place de l'espace de concentration permanent ES, sa face active orientée vers la face supérieure de la lentille. L'intensité moyenne du rayonnement solaire reçu par la cellule photovoltaïque vaut K fois l'intensité moyenne du rayonnement solaire direct. K est un facteur d'amplification qui, dans ce mode particulier de réalisation, peut prendre des valeurs comprises entre 1,1 et 1,5. Dans un autre mode de réalisation (figure 4) plusieurs lentilles, suivant l'invention, LI,L2,L3..Lx sont juxtaposées les unes à côté des autres de manière à ce que leurs axes longitudinaux Y1,Y2,Y3,...Yx soient tous parallèles entre eux et tous orientés horizontalement dans la direction Est/Ouest. Leurs axes transversaux Z1,Z2,Z3,...Zx sont tous parallèles entre eux et orientés vers I'equateur céleste EC. Leurs axes latéraux X1, X2,X3,...Xx sont tous parallèles entre eux et orientés vers l'étoile polaire EP. La surface optique multi-lentilles ainsi obtenue a une longueur LG égale à la longueur commune des lentilles, une largeur LT égale à la somme de toutes les largeurs des lentilles, et une épaisseur ee égale à l'épaisseur commune des lentilles. La surface optique multi-lentilles ainsi obtenue génère des espaces de concentration solaire permanents ES1,ES2,ES3,... ESx qui, dans ce mode particulier de réalisation (figure 5) forment des bandes rectangulaires planes de longueurs identiques Lg, de largeurs identiques ln. Ces espaces de concentration solaire permanents sont parallèles entre eux, équidistants, et séparées par des espaces de largeur ln identique à leur propre largeur. Dans ces espaces de concentration solaire permanents ES1, ES2,ES3,..ESx sont disposées des cellules photovoltaïques planes CPI,CP2, CP3,.. CPx dont la forme et les dimensions sont identiques aux espaces de concentration solaire permanents. Dans un mode particulier de réalisation, et pour exemple, la lentille L aura la forme d'un demi cylindre d'indice de réfraction n=1,49, de longueur Lg égal à 100 mm, de rayon R=1 cm, d'une longueur focale f=13 mm, à laquelle est associée une cellule photovoltaïque rectangulaire plane CP, face active tournée vers la face courbe de la lentille, de largeur In=10 mm, de longueur Lg=100 mm, positionnée dans la lentille, à une distance d=3 mm du centre C de la lentille. L'ensemble est orientée de telle sorte que son axe longitudinal Y soit à l'horizontal et dans la direction Est/Ouest, et que son axe latéral X soit dirigé vers l'étoile polaire EP donc incliné au Nord rapport à l'horizontal (Hz) d'un angle a égal à la latitude du lieu géographique, soit par exemple 48 à Paris. Dans ces conditions la cellule photovoltaïque reçoit en moyenne annuelle 30% de plus d'énergie solaire, ce qui équivaut à un gain du même ordre en matière de production d'électricité. La présente invention est particulièrement adaptée à la production d'électricité par des panneaux solaires photovoltaïques. 2890181 8 REVENDICATIONS 1) Système optique condenseur de l'énergie solaire caractérisé en ce qu'il comporte une lentille rectiligne convergente d'axe longitudinal Y, d'axe transversal Z, d'axe latéral X, positionnée de telle sorte que son axe Y soit orienté horizontalement suivant l'axe géographique Est/Ouest, que son axe Z soit orienté au Sud vers l'équateur céleste, que son axe X soit orienté vers l'étoile polaire, et créée ainsi un espace de concentration solaire permanent quelque soit la position du soleil au dessus de la lentille. (Figure 1) 2) Système optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la lentille est associée à une cellule photovoltaïque qui se positionne dans l'espace de concentration solaire permanent. (Figure 2 et 3). 3) Système optique selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que plusieurs systèmes optiques identiques se juxtaposent les uns à côté des autres pour former une surface optique unique. (Figure 4 et 5)