Brevet FR2922998A1 — publié le 20090501

-1- La présente invention concerne un dispositif de concentration solaire statique permettant de produire de la chaleur et / ou de l'électricité à usage domestique ou industriel. Il présente des performances supérieures à ceux issus d'inventions antérieures dont les différences sont précisées en page 5 et 6. Les chauffe-eaux solaires ne permettent pas d'atteindre des températures suffisantes pour répondre aux besoins de chauffage sans moyens énergétiques complémentaires. Par ailleurs, outre les techniques photovoltaïques de faible rendement, la production d'électricité à partir de l'énergie solaire nécessite de chauffer un fluide à une température relativement élevée. Aussi existe-il divers systèmes de concentration solaire basés sur l'utilisation de miroirs paraboliques cylindriques (1 axe) ou sphériques (2 axes) dont l'orientation est asservie à la course du soleil. Cantonnés au domaine de la recherche, ces systèmes relativement sophistiqués ne trouvent pas de débouché industriel parce qu'ils sont limités en puissance, en raison de la taille des pièces mobiles et des problèmes de prise au vent, parce qu'ils doivent faire l'objet d'une maintenance régulière et parce qu'ils s'intègrent difficilement à l'habitat et au paysage urbain. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Selon une première caractéristique, sa forme générale est celle d'une spirale cylindrique, réfléchissante sur l'une de ses faces (1), qui concentre le flux solaire reçu vers un tube cylindrique non réfléchissant (de couleur noire), dans lequel circule un fluide caloporteur. Ce tube peut être lui-même entouré d'un tube transparent (verre ou quartz) dans lequel le vide est établi pour limiter les déperditions de chaleur. Suivant son axe, la spirale est limitée à ses deux extrémités par des miroirs plans qui renvoient les rayons vers l'intérieur de la spirale. Afin d'assurer une captation totale du flux solaire reçu avec un taux de concentration maximal (rapport entre le flux entrant et celui qui atteint le tube cylindrique dans lequel circule le fluide caloporteur) et empêcher toute réflexion parasite dirigée vers l'extérieur, le concentrateur doit être orienté, au mieux, est-ouest face plein sud et sa forme doit respecter les conditions suivantes (2). - Dans la zone 1, partant de la liaison de la spirale au tube cylindrique et limitée par la tangente commune au cylindre et à la spirale, la perpendiculaire à la tangente de la spirale en un point doit être tangente au tube cylindrique. -2- - Dans la zone 2, au delà de la zone 1 et limitée par la tangente de la spirale à son point d'origine, en contact avec le cylindre, la perpendiculaire à la tangente de la spirale en un point doit être la bissectrice de l'angle formé par la tangente à la spirale passant par ce point et la droite passant par l'origine de la spirale et ce point. - Dans la zone 3 au delà de la zone 2, la perpendiculaire à la tangente de la spirale en un point doit être la bissectrice de l'angle formé par les deux tangentes à la spirale passant par ce point. Afin d'augmenter le taux de concentration, la spirale simple peut être remplacée par une spirale multiple entrelacée satisfaisant les mêmes conditions d'optimalité que celles de la spirale simple mais entre spires voisines (3) et (4). La spirale est associée à des miroirs extérieurs pour augmenter le taux de concentration et permettre la juxtaposition de plusieurs concentrateurs sans ne rien perdre du flux reçu sur une surface quelconque. Selon des modes particuliers de réalisation : - Outre les conditions d'optimalité définies pour les zones 1 à 3 (2), la forme de la spirale dans la zone 4 (5) est telle que la perpendiculaire à la tangente en un point soit la bissectrice de l'angle formé par la tangente à la spirale passant par ce point et une droite orientée selon le rayon d'incidence minimale passant par ce point. Placé en opposition de cette partie de la spirale, un miroir plan, orienté suivant l'angle de latitude du lieu d'implantation, permet de renvoyer le flux dans la spirale en réfléchissant avec une incidence minimale les rayons d'incidence maximale. Selon les longueurs respectives des différents miroirs, l'incidence minimale des rayons se réfléchissant en début de la zone 4 peut être supérieure à l'incidence minimale des rayons extérieurs. La spirale peut être prolongée par un miroir plan dans la zone 5 permettant de renvoyer 25 avec une incidence maximale les rayons d'incidence minimale. - Le taux de concentration peut être augmenté si l'on accepte des réflexions multiples entre les miroirs opposés dans la zone 4 (5). - Le miroir plan placé en opposition de la spirale (5) peut être remplacé par un miroir courbe. 30 - Deux concentrateurs et miroirs associés peuvent être placés en opposition et orientés perpendiculairement à l'angle de latitude du lieu d'implantation afin d'équilibrer les flux reçus tout au long de l'année (6). - Une spirale multiple peut être raccordée à une spirale simple en respectant les conditions d'optimalité et en limitant la longueur des éléments de la spirale multiple -3- pour éviter toute réflexion sur les surfaces non réfléchissantes des miroirs. Une partie de cet ensemble peut être assemblé à l'intérieur d'un tube à vide (7). - Le circuit du fluide caloporteur peut s'opérer à travers plusieurs tubes concentriques afin de pouvoir se connecter du même côté, en entrée et sortie, et supprimer par là- même, les problèmes de dilatations différentielles au niveau des joints d'étanchéité du tube à vide (8). - Les concentrateurs solaires peuvent se présenter sous la forme de modules de couverture jointifs assurant tout à la fois la collecte de l'énergie, l'isolation et le revêtement de murs extérieurs et de toitures (9). - Le concentrateur peut être réalisé au moyen de miroirs souples, éventuellement gonflables afin de pouvoir être déployé à partir d'un camion ou d'un conteneur (10) comprenant également le système de conversion en énergie électrique (machine thermique + alternateur). - Le concentrateur peut être employé sur divers systèmes spatiaux pour fournir de l'énergie sans contrôle de l'orientation solaire (11). - Le concentrateur peut être employé pour désaliniser l'eau de mer. - Des rangées de concentrateurs, permanents ou déployables à la fin des moissons, peuvent être installées sur des terrains agricoles, à distance suffisante les uns des autres pour ne pas s'ombrer mutuellement en hiver ou gêner les travaux des champs, afin de produire de l'énergie à bas coût et en très grande quantité tout en préservant l'essentiel des surfaces cultivées à des fins alimentaires (12). - Outre la production d'énergie, des champs de concentrateurs solaires de grande taille peuvent être utilisés pour modifier localement le climat par génération d'un point froid à la surface du globe. Ils peuvent ainsi être utilisés à la surface de glaciers pour limiter leur fonte ou dans des zones désertiques pour augmenter localement la pluviométrie. Les dessins annexés illustrent l'invention : - La figure 1 représente le dispositif principal de l'invention. - La figure 2 représente les conditions nécessaires pour assurer une captation totale du flux solaire reçu sans réflexion parasite dans les différentes zones du concentrateur. - Les figures 3 et 4 représentent des spirales multiples entrelacées double et quadruple. - La figure 5 représente un agencement entre une spirale et des miroirs associés permettant la juxtaposition de plusieurs concentrateurs sur une surface quelconque, sans ne rien perdre du flux solaire reçu par cette surface, tout en augmentant, par ailleurs, le taux de concentration. -4- -La figure 6 représente deux concentrateurs placés en opposition pour équilibrer les flux reçus tout au long de l'année. - La figure 7 représente une spirale multiple raccordée à une spirale simple dont une partie est située à l'intérieur d'un tube à vide. - La figure 8 représente un circuit de fluide caloporteur passant à travers plusieurs tubes concentriques afin de pouvoir se connecter du même côté, en entrée et sortie. - La figure 9 représente des concentrateurs sous la forme de modules de couverture jointifs assurant tout à la fois la collecte de l'énergie, l'isolation et le revêtement de murs extérieurs et de toitures. - La figure 10 représente un concentrateur en miroirs souples monté sur camion dans les états replié et déployé. - La figure 11 représente un concentrateur utilisé comme générateur d'énergie électrique sur un satellite de type � dual spin � dans le plan équatorial. Naturellement entretenue par le flux solaire, la rotation du générateur crée une rigidité gyroscopique suivant l'axe Nord Sud. - La figure 12 représente des rangées de concentrateurs installées sur des terrains agricoles. Dans les formes de réalisation, les concentrateurs prototypes sont réalisés en feuille métallique chromée. Le tube cylindrique transparent est en quartz et entoure un tube de cuivre peint en noir. Le circuit du fluide caloporteur est réalisé à travers plusieurs tubes concentriques afin de s'affranchir de la différence des coefficients de dilatation des matériaux. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné au chauffage et à la production d'électricité et d'eau chaude : - à usage domestique (toits d'immeubles et de maisons individuelles), - à usage industriel et urbain par l'utilisation de toute surface inutilisée exposée au sud (façades et toits d'usine, murs anti-bruit d'autoroute, bords de lignes TGV, etc.), - à la réalisation de centrales électriques et d'usines de désalinisation et de purification de l'eau notamment implantées dans les pays ensoleillés, chauds et désertiques, - à la réalisation de générateur électrique sur des systèmes spatiaux, de faible à très grand puissance (centrale électrique spatialisée). - à la réalisation de mini-centrales électriques mobiles déployables en temps de crise afin de répondre à des besoins militaires ou de sécurité civile. -5- Le dispositif de concentration solaire statique optimal est caractérisé par l'emploi d'une spirale réfléchissante simple, multiple entrelacée ou multiple entrelacée raccordée à une spirale simple, de forme optimale telle qu'en tout point, un rayon de la plus forte incidence possible en ce point se réfléchisse de manière à être tangent au tube caloporteur, atteindre le point de contact entre le tube caloporteur et la spirale ou être tangent à la spirale, selon l'éloignement de ce point à l'origine de la spirale. Le dispositif peut comprendre des miroirs extérieurs placés en opposition, face à face, afin de permettre la juxtaposition de plusieurs concentrateurs sur une surface quelconque, sans ne rien perdre du flux solaire reçu par cette surface, tout en augmentant, par ailleurs, le taux de concentration. Le dispositif peut comprendre des concentrateurs placés deux à deux en opposition pour équilibrer les flux reçus tout au long de l'année. Le dispositif peut comprendre un circuit de fluide caloporteur passant à travers plusieurs tubes concentriques afin de pouvoir se connecter du même côté, en entrée et sortie, et supprimer par là-même, les problèmes de dilatations différentielles au niveau des joints d'étanchéité d'un éventuel tube à vide. Le dispositif peut être réalisé en miroir souple pour pouvoir être replié ou déployé par un mécanisme ou par gonflage. Un module de couverture comprenant une pluralité de dispositifs peut être disposé avec d'autres de façon jointive pour assurer tout à la fois la collecte de l'énergie, l'isolation et le revêtement de murs extérieurs et de toitures. Les brevets antérieurs ci-dessous se rapportent également à des dispositifs de concentration solaire mais aucun d'entre eux n'est fondé sur les conditions d'optimalité d'une spirale réfléchissante et ne permet de récupérer la totalité du flux reçu sur une surface quelconque : - FR 2 281 549 A utilise une spirale réfléchissante mais celle-ci, présentée à tort comme optimale, ne répond pas aux conditions d'optimalité décrites dans le présent brevet. En effet, une spirale d'Archimède ne constitue pas la solution optimale qui ne peut être obtenue que par résolution numérique. Par ailleurs, Dl associe un unique miroir parabolique à la spirale qui ne permet pas de juxtaposer plusieurs concentrateurs sans perdre une partie du flux reçu. - US 4 088 116A utilise une pseudo-spirale réfléchissante constituée de portions de cercles autour d'un tube oblong. La juxtaposition envisagée de plusieurs concentrateurs -6- s'accompagne de la perte d'une partie significative du flux reçu par des réflexions parasites. - US 2004/079358A utilise une spirale réfléchissante dont la forme non optimale génère de nombreuses réflexions parasites que l'ajout de réflecteurs tente de pallier imparfaitement. - GB 1 503 643 A utilise une spirale logarithmique réfléchissante qui n'a pas la capacité de garder la totalité du flux reçu. La juxtaposition envisagée de plusieurs concentrateurs s'accompagne de la perte d'une partie significative du flux reçu par de multiples réflexions parasites. - FR 2 472 147 A utilise une pseudo-spirale multiple réfléchissante constituée de portions de cercles. Cette forme non optimale nécessite l'utilisation de surface réfléchissante à double face et s'accompagne inexorablement de réflexions parasites. - US 4 148 299 A utilise des miroirs constitués de portions de cercles qui s'accompagnent de la perte d'une partie significative du flux reçu en raison de multiples réflexions parasites REVENDICATIONS 1) Dispositif de concentration solaire statique optimal caractérisé par l'emploi d'une spirale réfléchissante simple, multiple entrelacée ou multiple entrelacée raccordée à une spirale simple, de forme optimale telle qu'en tout point, un rayon de la plus forte incidence possible en ce point se réfléchisse de manière à être tangent au tube caloporteur, atteindre le point de contact entre le tube caloporteur et la spirale ou être tangent à la spirale, selon l'éloignement de ce point à l'origine de la spirale. 2) Dispositif selon la revendication 1 comprenant des miroirs extérieurs placés en opposition, face à face, afin de permettre la juxtaposition de plusieurs concentrateurs sur une surface quelconque, sans ne rien perdre du flux solaire reçu par cette surface, tout en augmentant, par ailleurs, le taux de concentration. 3) Dispositif selon la revendication 1 avec des concentrateurs placés deux à deux en opposition pour équilibrer les flux reçus tout au long de l'année. 4) Dispositif selon la revendication 1 comprenant un circuit de fluide caloporteur passant à travers plusieurs tubes concentriques afin de pouvoir se connecter du même côté, en entrée et sortie. 5) Dispositif selon la revendication 1 réalisé en miroir souple pour pouvoir être replié ou déployé par un mécanisme ou par gonflage. 6) Module de couverture, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, pouvant être disposé avec d'autres de façon jointive pour assurer tout à la fois la collecte de l'énergie, l'isolation et le revêtement de murs extérieurs et de toitures.