Brevet FR2897473A1 — publié le 20070817

Io 15 20 25 1 DESCRIPTION Il s'agit d'équipements destinés à concentrer de façon permanente le rayonnement solaire sur une cellule photovoltaïque tout en suivant la course journalière du soleil. Lorsque le rayonnement solaire est concentré par un réflecteur (3) parabolique linéaire sur une succession de lentille (2) de Fresnel concentrique en ligne le faisceau lumineux linéaire recouvre chaque lentille et se trouve à nouveau concentré sur un point focal. Sur ce point focal est positionnée une cellule photovoltaïque de faible dimension, celle-ci absorbe le rayonnement et génère un courant électrique. Ce principe donne le meilleur résultat lorsque le rayonnement est parfaitement perpendiculaire au réflecteur sur l'axe nord-sud et également parfaitement perpendiculaire aux lentilles de Fresnel sur l'axe est-ouest. Pour conserver cette position idéale au cours du déplacement journalier du soleil il est nécessaire de suivre parfaitement sa course. Pour répondre à ces contraintes il a été mis au point un système d'inclinaison du réflecteur linéaire parabolique. Le support des réflecteurs, que ce soit une toile souple pour store ou une structure rigide pour brise-soleil, est équipé d'un vérin électrique programmé pour commander l'inclinaison en suivant la course du soleil sur l'axe nord-sud. Ainsi le rayonnement concentré par le réflecteur (3) parabolique linéaire frappe continuellement la face exposée de chaque lentille concentrique située sur la ligne focale mais la course d'est en ouest du soleil modifie l'angle d'insolation des lentilles. Il devient alors nécessaire d'équiper chaque lentille (2) d'un second système d'inclinaison afin que chacune reste perpendiculaire au rayonnement durant le déplacement d'est en ouest. 15 20 2 Pour obtenir ce suivi optimal de la course du soleil sur l'axe est-ouest les lentilles de Fresnel sont montées sur un axe équipé d'un pignon (4). Une barre (1) rigide dont la longueur est équivalente à la longueur de la ligne focale supporte les lentilles. A l'une des extrémités de la barre est installé un micro moteur capable d'entraîner chaque lentille par l'intermédiaire d'une crémaillère. Le micro moteur à fonctionnement pas à pas est programmé pour commander simultanément toutes les lentilles dans un sens ou dans l'autre en fonction de la course est-ouest du soleil. Ce double équipement, le vérin électrique et les lentilles oscillantes, solutionne donc le suivi de la course du soleil tant sur l'axe nord-sud que sur l'axe est-ouest et devrait permettre d'obtenir le rendement optimal mais la trajectoire du soleil pose une nouvelle contrainte. En s'inclinant chaque lentille recouvre progressivement la précédente, cet ombre perturbe considérablement le fonctionnement des cellules photovoltaïques. Ce constat demande la mise au point d'un système plus complet, de plus, lorsqu'un espace sépare chaque lentille de Fresnel oscillante afin qu'aucune ombre ne vienne les recouvrir durant le laps de temps qui sépare le passage du soleil de 45 Est à 45 Ouest cet espace, dépourvu de lentille, provoque une perte importante du rayonnement solaire au moment ou celui-ci est le plus fort. Pour solutionner cet ensemble de contraintes l'invention réunit une barre rigide dont la forme est particulière et des lentilles de Fresnel oscillantes spécifiques. La barre est en forme de n et la partie supérieure de la face interne est usinée ou moulée de manière à créer 2 réflecteurs (5) linéaires paraboliques et parallèles. Chaque parabole linéaire ainsi crée va réfléchir le rayonnement solaire provenant du réflecteur principal. L'angle d'inclinaison de chaque parabole linéaire crée va orienter le retour du faisceau linéaire sur le réflecteur principal et vers une ligne focale définie. iu 20 ,5 i(1 Par ailleurs la barre en n porte 2 rangées de lentilles (2) de Fresnel oscillantes et contiguës, chaque lentille est distante de la suivante afin qu'aucune ombre ne vienne les recouvrir durant le laps de temps qui sépare le passage du soleil de 45 Est à 45 Ouest. A chaque lentille de la rangée de gauche correspond sur la rangée de droite un espace sans lentille et toutes les lentilles, de droite et de gauche, sont entraînées simultanément par le micro moteur. La ligne médiane du faisceau linéaire concentré par le réflecteur principal frappe la ligne de jonction des deux rangées de lentilles. Les lentilles présentent également une forme particulière en L, la face (6) verticale solidaire de la barre porte l'axe et le pignon (4) tandis que le coté (7) ouvert contiguë est recouvert d'un réflecteur. Cette face plane latérale reçoit une partie du faisceau provenant du réflecteur principal et réfléchit ce faisceau vers la parabole linéaire crée sur la face supérieure interne de la barre. L'autre partie du faisceau est concentré par la lentille et est absorbé par la cellule photovoltaïque. Fonctionnement A 12 h, heure solaire, sur l'axe nord-sud le réflecteur principal est orienté perpendiculairement au rayonnement solaire par le vérin électrique et les lentilles oscillantes sont positionnées sur l'axe est-ouest par le micro moteur parallèlement au réflecteur. Le faisceau concentré par le réflecteur principal est partagé en 2, un demi faisceau recouvre directement une partie de la face (8) de chaque lentille et l'autre derni faisceau est reflété vers la parabole linéaire supérieure par le coté (7) réfléchissant de chaque lentille. Le faisceau, sous l'effet du réflecteur (5) parabolique linéaire supérieur, revient sur le réflecteur (3) principal de rnanière à être renvoyé sur la face (8) de chaque lentille où il est alors définitivement et totalement concentré sur chaque cellule. 10 20 4 Après 12 h, heure solaire, le vérin incline le réflecteur tandis que les lentilles s'orientent sous l'effet du micro moteur. Le rayonnement solaire concentré par le réflecteur principal continue de frapper d'une part horizontalement la face (8) de la lentille et d'autre part, verticalement, le coté (7) réfléchissant. Plus la lentille s'incline plus la surface recouverte horizontalement grandit et plus le rayonnement réfléchi par la parabole linéaire supérieure est orienté vers la lentille voisine. Au cours de la journée la quasi-totalité du rayonnement solaire est absorbé et aucune ombre ne vient perturber le fonctionnement des cellules photovoltaïques. Cette double concentration du rayonnement et ce suivi optimal de la course du solaire ont pour objectif de réduire à l'extrême la surface de la cellule photovoltaïque. Un faisceau recueilli par un réflecteur principal de 333 mm de largeur dont la ligne focale se situe à 118 mm est concentré afin d'obtenir un faisceau de 11 mm. Le même faisceau concentré une seconde fois par une lentille de Fresnel de 57 mm de largeur frappe une cellule de 5 x 5 mm. La concentration ainsi obtenue est proche de 1000 suns (1 sun = 0.1 w/cm2) mais plus la concentration est forte plus la température s'élève et plus le rendement de la cellule diminue (de 0.55 % à 0.22 % par degré Celsius en fonction du type de cellule utilisée). Il est donc indispensable d'adapter le support des cellules photovoltaïques à ce système oscillant destiné à concentrer deux fois le rayonnement solaire. Deux points restent à résoudre : le positionnement de la cellule sur une lentille oscillante et la dissipation de la chaleur due à la concentration. Io 20 La distance focale qui sépare la cellule photovoltaïque de la lentille de Fresnel est de l'ordre de 10 mm, cette distance relativement réduite facilite l'installation du support de la cellule sur le corps de la lentille constitué par la face latérale équipée de l'axe d'oscillation et du pignon d'entraînement. Ce corps de lentille est en PMMA plus connu sous la marque plexiglas. Une plaque (9) de cuivre dont la conductivité thermique est élevée est positionnée au-dessus de la lentille et est maintenue à la face latérale par collage ou par rivetage. La cellule photovoltaïque est montée sur la face inférieure au centre de la plaque de cuivre sur le point focal. Ainsi lors de l'entraînement du pignon par le micro moteur la lentille, la plaque de cuivre et la cellule sont animées du même mouvement oscillant. La chaleur due à la concentration du rayonnement est transférée naturellement de la cellule vers la plaque de cuivre dont la face supérieure est rainurée. Son épaisseur, son rainurage, le mouvement oscillant et la ventilation naturelle de la barre contribuent à dissiper rapidement la chaleur accumulée par la plaque de cuivre. L'isolation électrique de la cellule est réalisée par un film silicone et les électrodes sont reliées les unes aux autres par à un fil conducteur mufti brin souple, une diode contrôle le sens de passage du courant du réseau vers la cellule lors des périodes nocturnes. Celle-ci peut être installée sur chaque plaque de cuivre pour une application ponctuelle ou être installée à l'extrémité de la barre et agir pour toutes les cellules de la même barre. 25 15 20 6 Jusqu' à présent il est possible de concentrer le rayonnement solaire en suivant la course du soleil sur les 2 axes grâce à un module photovoltaïque monté sur un héliostat motorisé mais son encombrement et son esthétique en limitent l'emploi. Malgré leur prix très élevé les cellules à très haut rendement utilisées pour les satellites deviennent applicables aux installations terrestres dans la mesure où la concentration est au moins de 500 suns. Ce système à lentilles oscillantes destinées à concentrer le rayonnement solaire sur une cellule de taille très réduite rend possible l'installation de cellules photovoltaïques à haut rendement sur des supports tel que les stores bannes et les brise-soleil. Les maisons particulières et les immeubles de bureaux ou d'habitations collectives peuvent ainsi être équipés de stores ou de brise- soleil photogénéral:eurs à haut rendement et générer plus de puissance électrique.. Les figures suivantes regroupent les différents montages : Figure 1 Barre et lentilles oscillantes, vue de coté Figure 2 Lentille oscillante, vue de face Figure 3 Lentille oscillante, vue en perspective Figure 4 Barre et lentilles oscillantes, vue de face Figure 5 Barre et lentilles oscillantes, vue de dessous Figure 6 Représentation du rayonnement iu 20 REVENDICATIONS 1. Système oscillant destiné à concentrer le rayonnement solaire caractérisé en ce que des réflecteurs (3) paraboliques linéaires concentrent le rayonnement sur des lentilles (2) de Fresnel oscillantes montées sur une barre (1). 2. Système oscillant selon la revendication 1 caractérisé en ce que les réflecteurs paraboliques linéaires suivent la course du soleil sur l'axe nord-sud entraînés par l'action d'un vérin électrique programmé et concentrent le rayonnement sur une rangée de lentilles de Fresnel oscillantes concentriques situées sur la ligne focale. 3. Système oscillant selon la revendication 1 caractérisé en ce que les lentilles de Fresnel portées par la barre (1) et montées sur un axe équipé ,d'un pignon (4) sont simultanément entraînées par un micro moteur solidaire de la barre et s'inclinent pour suivre la course du soleil sur l'axe est-ouest. 4. Système oscillant selon la revendication 3 caractérisés en ce que les lentilles positionnées selon 2 rangées parallèles contiguës et décalées sont espacées les unes des autres afin de ne pas créer d'ombre. 5. Système oscillant selon la revendication 4 caractérisé en ce que la ligne médiane du faisceau concentré frappe la ligne de jonction des rangées de lentilles de Fresnel dont le coté (7) recouvert d'un réflecteur dirige le rayonnement vers la partie supérieure de la barre en forme de parabole ( 5) linéaire. 6. Système oscillant selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'une plaque (9) rainurée sur sa face supérieure et équipée d'une cellule photovoltaïque sur sa face inférieure est solidaire de la face (6) latérale de la lentille par collage ou rivetage et la recouvre à la hauteur du point focal. 7. Système oscillant selon la revendication 6 caractérisé en ce que les électrodes de la cellule sont séparées de la plaque de cuivre par un film isolant, que deux fils conducteurs souples relient les cellules les une aux autres et qu'une diode contrôle le sens de passage du courant électrique.