Brevet FR2927154A1 — publié le 20090807

La présente invention a pour objet un capteur solaire du type comprenant, comme collecteur, une lentille convergente ayant, d'une manière connue en soi, une distance focale et un plan focal image sur lequel se concentrent, selon une ligne, dite "foyer image primaire", les rayons solaires que reçoit ladite lentille. Une telle lentille est dite "linéaire" en se sens que son foyer est une ligne. Pour tenir compte de la variation de la direction des rayons du soleil au cours de la journée et au cours des saisons, les capteurs solaires connus ou bien utilisent des miroirs paraboliques coûteux ou bien sont inclus dans des équipements pivotants et motorisés, compliqués et fragiles. La présente invention se propose d'apporter une solution simple et efficace pour remédier à ces inconvénients. A cette fin, la présente invention apporte un capteur solaire du type précité, dans lequel la lentille convergente constitue l'une des parois d'un caisson parallélépipédique rectangle, dont la profondeur p est inférieure à la distance focale d de la lentille et dont les autres parois, côté intérieur du caisson, sont réfléchissantes, créant ainsi, à l'issue de réflexions multiples, une image finale desdits rayons sur une ligne dite "foyer image final", parallèle audit foyer image primaire et appartenant à un "plan focal image rapproché" lui-même parallèle audit plan focal image, mais situé à l'intérieur dudit caisson, la profondeur p du caisson répondant, pour ce faire, à la relation p = 0,5*(d+e+b) où . ^ e est l'épaisseur de pénétration de la lentille dans le caisson, et . b est une distance utile de fonctionnement, détaillée 35 plus loin, et un récepteur étant situé dans ledit foyer image final. 2 Une telle structure permet de suivre la course du soleil, non pas en modifiant l'orientation du caisson, mais en montant mobile ledit récepteur, dans le plan focal image rapproché de ladite lentille. A cette fin, il est prévu des moyens d'asservissement du déplacement dudit récepteur à la course du soleil. Ainsi, d'une part, ces moyens d'asservissement peuvent être considérablement plus légers que s'il s'agissait de déplacer tout le caisson et, d'autre part, l'élément mobile (le récepteur) est protégé du milieu extérieur par le caisson. La lentille convergente peut revêtir diverses formes pourvu qu'elle concentre les rayons solaires selon une ligne. Ainsi, la lentille convergente pourra être plan-convexe, biconvexe ou ménisque convergente. De préférence et sans que cela soit limitatif, la lentille convergente sera une lentille de Fresnel, ce, pour des raisons de réduction d'encombrement et de poids de la lentille. Une lentille de Fresnel a également l'avantage de moins absorber les rayons qui la traversent que d'autres lentilles. Dans le cas d'une lentille de Fresnel plan-convexe, c'est-à-dire d'une lentille ayant une face plane et une face en dents de scie, ladite lentille sera, de préférence, montée de telle sorte que sa face plane soit tournée vers l'extérieur dudit caisson. Cette orientation a l'avantage de placer à l'intérieur du caisson la face de la lentille qui est la plus susceptible de piéger les salissures, la face plane, extérieure, étant évidemment plus facile à nettoyer. Pour la même raison, si la lentille de Fresnel est biconvexe, c'est-à-dire une lentille ayant une face lisse convexe et une face en dents de scie, la lentille sera, de préférence, montée de telle sorte que sa face convexe soit tournée vers l'extérieur dudit caisson. Dans une autre forme d'exécution, la lentille peut être une lentille ménisque convergente, c'est-à-dire une lentille ayant une face convexe et une face concave ; une 3 telle lentille sera nécessairement montée de telle sorte que sa face convexe soit tournée vers l'extérieur dudit caisson. Le récepteur est avantageusement un caloduc recouvert d'un matériau dont le coefficient d'absorption de la chaleur est supérieur au coefficient d'émission de la chaleur. Dans une forme d'exécution particulière de l'invention, plus particulièrement destinée aux centrales solaires, le caloduc revêt la forme d'un tube, éventuellement flexible, inclus dans un tube sous-vide, pour limiter la perte thermique. Dans une autre forme d'exécution, le récepteur peut être un récepteur à cellules photovoltaïques. Qu'il s'agisse d'un caloduc ou d'un récepteur à cellules photovoltaïques, le récepteur est avantageusement connecté à un échangeur d'extraction alimenté en un fluide caloporteur pour exploiter la chaleur obtenue, par exemple pour chauffer de l'eau ou un autre fluide, pour chauffer un dispositif ou pour générer du froid solaire. A des fins de sécurité, le capteur selon l'invention comporte avantageusement des moyens escamoteurs adaptés à écarter le récepteur du plan focal image rapproché en cas de risque de surchauffe, par exemple, au cas où la circulation de fluide caloporteur ne se ferait plus dans le échangeur d'extraction. Le récepteur peut être connecté à un moteur Stirling, c'est-à-dire un moteur qui exploite une différence de température entre une source chaude et une source froide, notamment aux fins de produire de l'électricité. De préférence, les surfaces de la lentille sont traitées de façon à réduire leur altération potentielle avec le temps, altérations qui peuvent consister, côté extérieur principalement, en salissures, et côté intérieur en dépôt de particules métalliques éjectées des surfaces réfléchissantes. Un tel traitement pourra consister en un traitement de surface antiadhérent augmentant la 4 mouillabilité et obtenu par application de couches minces constituées de composés à base de SiOx (SiO2 etc.) et/ou de revêtements qui permettent de réduire l'accrochage de différents polluants, tels que des composés photocatalytiques de type TiO2. Il peut s'agir, en outre, d'une protection contre le vieillissement de la matière de la lentille, obtenue par dépôt sur la surface extérieure de la lentille de couches optiques classiques en matière de traitement anti-reflets. Un tel traitement anti-reflets a, en outre, l'avantage de réduire la réflexion, par la lentille, des rayons qu'elle reçoit selon certaines incidences. Il en va de même des parois réfléchissantes du caisson qui seront avantageusement traitées de façon à réduire leur 15 altération potentielle avec le temps. S'agissant des parois réfléchissantes, en variante, elles pourront être constituées de panneaux réfléchissants démontables à des fins de nettoyage, de remplacement ou de mise à plat complet du caisson à des fins de transport ou 20 de déplacement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma, en perspective, écorché, 25 d'une forme d'exécution d'un caisson selon l'invention, - les figures 2a, 2b et 2c illustrent divers types de lentilles utilisables selon l'invention avec identification de l'épaisseur e ; - les figures 3a et 3b sont des schémas du caisson 30 selon l'invention, illustrant l'effet de la distance utile b sur la profondeur du caisson ; et - les figures 4a et 4b sont des schémas d'une forme d'exécution d'un caisson selon l'invention, vu en coupe dans un plan perpendiculaire à la direction générale de la 35 lentille, et illustrant le trajet des rayons solaires selon deux incidences différentes. Comme il ressort de la figure 1, le caisson 1 selon l'invention est de forme parallélépipédique rectangle, composée d'une paroi avant constituée d'une lentille convergente linéaire 2, d'une paroi arrière ou fond 3 et de 5 parois latérales 4a-d. Les faces internes des parois latérales 4a-d et de fond 3 du caisson 1 sont réfléchissantes, soit qu'elles sont revêtues d'un film réfléchissant soit qu'elles sont doublées d'une paroi réfléchissante amovible. La paroi latérale 4b comporte une fente telle que 5, dans laquelle est susceptible de coulisser un caloduc 6 dans un plan parallèle au plan général de la lentille 2, le caloduc étant supporté, à l'opposé de la fente, par des moyens appropriés (non représentés) autorisant ce coulissement. Le caloduc 6 est gainé d'un matériau ayant un coefficient de dissipation thermique inférieur à son coefficient d'absorption thermique pour limiter les pertes, autant que possible. Un échangeur d'extraction 7, alimenté en fluide froid selon 7a ressortant chaud selon 7b, évacue la chaleur du caloduc pour une exploitation appropriée. Le caisson 1 est prolongé par un logement 8 (amorcé en pointillés) pour l'échangeur d'extraction 7. La lentille 2 du caisson 1 est frappée par les rayons solaires selon une incidence qui varie avec l'heure de la journée, la saison, etc. et deux telles incidences différentes sont illustrées par les rayons R et R'. Si l'on en vient au plan optique, la figure 4a, qui représente le caisson 1 sans le caloduc 6 ni l'échangeur d'extraction 7 pour la clarté de la représentation, on voit que la lentille 2 est constituée par une lentille de Fresnel 2 plan convexe dont la face plane est tournée vers l'extérieur du caisson. L'épaisseur de la lentille a été exagérée sur la figure également à des fins de clarté. La lentille 2 a un axe optique AA, une distance focale d supérieure à la profondeur p du caisson 1 et un plan focal image PFI qui est au-delà du fond 3 dudit caisson 1. 6 Comme indiqué plus haut, la profondeur p du caisson doit répondre à la relation : p = 0,5*(d+e+b) Cette relation est expliquée par référence aux figures 2a-2c et 3a-3b. Les figures 2a, 2b et 2c montrent respectivement . une lentille plan-convexe 2a, en l'occurrence une lentille de Fresnel, • une lentille biconvexe 2b, et une lentille ménisque 2c, formant l'une des parois d'un caisson dont on voit l'amorce des parois latérales 4a et 4c. Dans le cas de la lentille de Fresnel 2a, la face plane de la lentille se confond avec le plan FF passant par le bord adjacent des parois latérales 4a-4d, et l'épaisseur e de pénétration est la distance entre ce plan FF et le plan TT tangent à la partie la plus proéminente de la lentille à l'intérieur du caisson. Dans le cas de la lentille biconvexe 2b, l'une des faces convexes de la lentille fait saillie vers l'extérieur du caisson 1 et l'autre face convexe fait saillie vers l'intérieur du caisson. L'épaisseur e de pénétration est la distance entre le plan médian de la lentille, plan qui se confond avec le plan FF, passant par le bord adjacent des parois latérales 4a-4d, et le plan TT tangent à la partie la plus proéminente de la lentille à l'intérieur du caisson. Dans le cas de la lentille ménisque 2c, aucune partie de la lentille ne pénètre dans le caisson (à la fixation de la lentille près), de sorte que l'épaisseur e est sensiblement nulle. Comme il ressort des figures 3a et 3b, où la lentille a été schématisée sous la forme d'un simple rectangle désigné par 2a-c, pour montrer qu'il peut s'agit de l'un quelconque des types de lentilles 2a, 2b ou 2c illustrées aux figures 2a à 2c, les paramètres nécessaires à la détermination de la profondeur du caisson sont indiqués. 7 Aux figures 3a et 3b, on voit que la lentille 2a-c a une épaisseur e et une distance focale d, distance qui détermine le plan focal image PFI. Dans le cas de la figure 3a, il est prévu une distance utile bl, distance qui doit permettre de loger le récepteur, autrement dit le caloduc 6 dans la forme d'exécution de la figure 1, et son support à l'opposé de la fente 5, en tenant compte de la sensibilité à la chaleur de la lentille, donc du matériau de la lentille. Le récepteur 6 se trouve dans le plan PFIR situé à e+bl du plan FF. Le fond 3 du caisson doit être à égale distance du plan PFIR et du plan PFI. Dans le cas où b=b1 (figure 3a), la distance entre PFIR et PFI est de 2 *x1 . Dans le cas où b=b2 avec b2>b1 (figure 3b), la distance entre PFIR et PFI est de 2*x2. On comprend donc que, pour une même épaisseur e et une même distance focale d, l'augmentation de b entraîne une réduction de p. Le choix de b est à la portée de l'homme de l'art. Il dépend de l'encombrement du récepteur 6 et des moyens qui lui sont associés ainsi que de la matière de la lentille. A titre d'exemple, pour une lentille de Fresnel plan-convexe de 50 cm x 100 cm, en verre ayant un indice de réfraction n = 1,5, une distance focale d de 80 cm et une épaisseur e = 1,5cm, avec respect d'une distance utile b = 15 cm, la profondeur p du caisson 1 sera égale au produit 0,5(d+e+b)=0,5*(80+1,5+15)=48,25 cm. Il est bien entendu que ces valeurs ne sont données que pour permettre au lecteur de bien comprendre le principe de l'invention. En pratique, ces valeurs peuvent être autres et la profondeur du caisson encore plus réduite par rapport à la distance focale. Si l'on revient à la figure 4a, en l'absence du fond du caisson, des rayons solaires venant frapper la lentille 2 parallèlement au rayon R viendraient former une image linéaire dans le plan focal image PFI sur un foyer image 8 primaire. Cependant, les parois réfléchissantes latérales, telles que 4a, et le fond réfléchissant 3 du caisson arrêtent les rayons R et les réfléchissent jusqu'à ce qu'une image linéaire se forme dans un plan focal image rapproché PFIR parallèle au plan focal image PFI, mais à l'intérieur du caisson 1. Sur la figure 4a, cette image linéaire I, formée sur un foyer image final, est vue "en bout", donc sous la forme d'un point. La figure 4b est semblable à la figure 4a à cela près qu'elle illustre une autre orientation d'impact des rayons, tels que R', sur la lentille 2. Comme on le voit, à l'issue de multiples réflexions, l'image finale de ces rayons R' se forme également dans le plan PFIR, sur un foyer image final, selon une ligne I' vue "en bout" sous la forme d'un point. Ainsi, si l'image des rayons R et celle des rayons R' se forment dans le même plan PFIR, elles se forment selon deux lignes différentes ou deux foyers image finaux différents ou, exprimé autrement, l'image linéaire se déplace en translation dans le plan PFIR au fur et à mesure de la course du soleil. Le caloduc 6 est disposé dans le plan PFIR et il se déplace pour suivre ce déplacement en translation de l'image linéaire. A cette fin, il est prévu des moyens moteurs asservissant le déplacement du caloduc à la course du soleil. Cet asservissement prend en compte le lieu d'implantation du caisson, la saison, l'heure du jour, etc. Comme indiqué plus haut, le caloduc peut, en outre, être soumis à des moyens escamoteurs adaptés à déplacer, si nécessaire, le caloduc hors du plan PFIR pour éviter une surchauffe. Comme il ressort de l'exemple chiffré indiqué plus haut, l'invention réduit considérablement la distance nécessaire entre la lentille et le caloduc. Sans l'invention, dans l'exemple donné, cette distance serait de d-e=80-1,5 = 78,5 cm, alors que selon l'invention et 9 toujours dans l'exemple en cause, elle n'est que de 48,25 cm. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à la forme d'exécution décrite et représentée. Ainsi, au lieu d'incorporer un caloduc, le caisson pourrait renfermer un volume linéaire revêtu de cellules photovoltaïques, mobile comme il a été décrit pour le caloduc. Par ailleurs, il est possible de juxtaposer plusieurs lentilles formant chacune une face d'un "sous-caisson", les sous-caissons ainsi juxtaposés ayant des composants en commun pour limiter la quantité de matériaux constitutifs utilisés et pour réduire le nombre d'asservissements pour le déplacement du récepteur. REVENDICATIONS 1. Capteur solaire du type comprenant, comme collecteur, une lentille convergente (2;2a;2b;2c) ayant une distance focale d et un plan focal image (PFI) sur lequel se concentrent, selon une ligne, dite "foyer image primaire", les rayons solaires (R;R') que reçoit ladite lentille, caractérisé en ce que ladite lentille convergente (2;2a;2b;2c) constitue l'une des parois d'un caisson (1) parallélépipédique rectangle, dont la profondeur p est inférieure à la distance focale d de la lentille et dont les autres parois (3 ; 4a-4c), côté intérieur du caisson, sont réfléchissantes, créant ainsi, à l'issue de réflexions multiples, une image finale (I;I') desdits rayons sur une ligne dite "foyer image final", parallèle audit foyer image primaire et appartenant à un "plan focal image rapproché" (PFIR), lui-même parallèle audit plan focal image (PFI), mais situé à l'intérieur dudit caisson, la profondeur p du caisson répondant, pour ce faire, à la relation p = 0,5*(d+e+b) où : . e est l'épaisseur de pénétration de la lentille (2;2a;2b;2c) dans le caisson (1), et . b est une distance utile de fonctionnement, et un récepteur (6) étant situé dans ledit foyer image 25 final. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'asservissement du déplacement dudit récepteur (6) à la course du soleil. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé 30 en ce que ladite lentille convergente est plan-convexe (2;2a), biconvexe (2b) ou ménisque convergente (2c). 4. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite lentille convergente est une lentille de Fresnel (2;2a). 35 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lentille convergente est une lentille de Fresnel11 plan-convexe (2;2a) montée de telle sorte que sa face plane soit tournée vers l'extérieur dudit caisson (1). 6. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lentille convergente est une lentille de Fresnel 5 biconvexe, montée de telle sorte que sa face lisse convexe soit tournée vers l'extérieur dudit caisson. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit récepteur est un caloduc (6) recouvert d'un matériau dont le coefficient 10 d'absorption de la chaleur est supérieur au coefficient d'émission de la chaleur. 8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le caloduc (6) revêt la forme d'un tube inclus dans un tube sous vide. 15 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le récepteur est un récepteur à cellules photovoltaïques. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le récepteur (6) est connecté 20 à un échangeur d'extraction (7) alimenté en un fluide caloporteur. 11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens escamoteurs adaptés à écarter le récepteur (6) du plan 25 focal image rapproché (PFIR). 12. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le récepteur (6) est connecté à un moteur Stirling 13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 30 1 à 12, caractérisé en ce que les surfaces de la lentille (2;2a;2b;2c) et/ou les parois réfléchissantes (3, 4a-4d) du caisson sont traitées de façon à réduire l'altération potentielle de leur matière avec le temps. 14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 35 1 à 13, caractérisé en ce que la surface extérieure de la lentille (2;2a;2b;2c) comporte un traitement anti-reflets12 15. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les parois réfléchissantes (3, 4a-4d) sont constituées de panneaux réfléchissants démontables