Brevet FR2922997A1 — publié le 20090501

-1- La présente invention concerne un dispositif de concentration solaire statique permettant de produire de l'électricité et / ou de la chaleur à usage domestique ou industriel. 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 (supérieure à 200°C). 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 réfléchissante (1) qui concentre le flux solaire reçu vers un tube cylindrique non réfléchissant (de couleur noire), dans lequel circule un fluide calorifique. 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. L'existence ou non de ce tube transparent constituent les options 1 (sans tube transparent) et 2 (avec tube transparent). Suivant sont 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 calorifique) 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. Dans l'option 1 (sans tube transparent), tous les rayons solaires entrant dans la spirale doivent atteindre le tube non réfléchissant sans tenir compte d'éventuelles 30 réflexions sur ce dernier (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. Dans l'option 2 (avec tube transparent), tous les rayons solaires entrant dans la spirale doivent atteindre le cylindre dans lequel circule le fluide calorifique sans se réfléchir préalablement sur le tube transparent vers l'extérieur de la spirale (3). - Dans la zone 1, partant de la liaison de la spirale au tube transparent et limitée par la tangente commune au tube et à la spirale, la perpendiculaire à la tangente de la spirale en un point doit être la bissectrice de l'angle formé par la tangente au tube transparent passant par ce point et la droite passant par ce point et le centre du cylindre. -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 tube transparent, 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 ce point et le centre du cylindre. - 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. - Le diamètre et l'indice de réflexion du tube transparent et le diamètre du cylindre dans lequel circule le fluide calorifique doivent être choisis de manière à ce que tout rayon susceptible d'entrer et de ressortir du tube transparent fasse l'objet d'une réflexion totale à la surface de ce dernier (4). Le taux de concentration d'une spirale simple (rapport entre le flux entrant et celui qui atteint le tube cylindrique dans lequel circule le fluide calorifique) est plus faible dans l'option 2 (avec tube transparent) et n'augmente que modérément en fonction du nombre de tours. Cependant des spirales multiples entrelacées permettent d'augmenter ce taux de manière très significative si elles satisfont les mêmes conditions d'optimalité que celles de la spirale simple mais entre spires voisines (5) et (6). Selon des modes particuliers de réalisation : - La spirale peut être associée à un miroir extérieur (de forme parabolique par exemple) afin d'augmenter le flux solaire reçu (7) (8) (9). -3- - Deux concentrateurs et miroirs associés peuvent être appairés afin d'augmenter la dimension de ces derniers et équilibrer les flux reçus tout au long de l'année (10). - Une même spirale peut être associée à plusieurs miroirs extérieurs en utilisant un système réfléchissant de réorientation des flux (11). - La circulation du fluide calorifique peut s'opérer à travers plusieurs tubes concentriques (12) afin de limiter les déperditions de chaleur, faciliter les échanges thermiques entre le fluide et la surface du tube et limiter la température au niveau du joint d'étanchéité du tube réfléchissant et par la même les dilatations différentielles. Le vide peut être également établi entre les tubes aller et retour du fluide calorifique pour supprimer tout transfert de chaleur. - Le tube à circulation de fluide peut être également remplacé par un tube à caloduc (13) ou par un système de conversion d'énergie (cellules solaires, moteur Stirling, etc.). -Différent aménagements de toiture, sous vitrage ou directement à l'extérieur, peuvent être envisagés pour utiliser au mieux les surfaces disponibles et les volumes inutilisés (14), (15), (16), (17) et (18). - 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 (19) 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 (20). - 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 (21). - 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. -4- - La figure 2 représente les conditions nécessaires dans l'option 1 (sans tube transparent) pour assurer une captation totale du flux solaire reçu sans réflexion parasite dans les différentes zones du concentrateur - La figure 3 représente les conditions nécessaires dans l'option 2 (avec tube 5 transparent) pour assurer une captation totale du flux solaire reçu sans réflexion parasite dans les différentes zones du concentrateur - La figure 4 représente la condition nécessaire pour empêcher toute transmission parasite via le tube cylindrique transparent. - Les figures 5 e 6 représentent des spirales multiples entrelacées double et quadruple. 10 -Les figures 7, 8 et 9 représentent différents agencements possibles entre un concentrateur en spirale et un miroir parabolique. - La figure 10 représente deux concentrateurs appairés afin d'équilibrer les flux reçus tout au long de l'année. - La figure 11 représente un concentrateur en spirale associé à plusieurs miroirs 15 extérieurs avec un système de réorientation des flux. - La figure 12 représente un circuit de fluide calorifique à travers plusieurs tubes concentriques. - La figure 13 représente un tube à caloduc pouvant remplacer un tube à fluide calorifique. 20 - Les figures 14, 15, 16, 17 et 18 représentent différents aménagements de concentrateurs sur toiture. - La figure 19 représente un concentrateur en miroirs souples monté sur camion dans les états replié et déployé. - La figure 20 représente un concentrateur utilisé comme générateur d'énergie électrique 25 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 21 représente des rangées de concentrateurs installées sur des terrains agricoles. 30 - La figure 22 représente une spirale multiple entrelacée (octuple) associée à 2 miroirs paraboliques présentant un taux de concentration élevé. Dans les formes de réalisation selon la figure 7 et 22, 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 calorifique -5- 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, bord 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. REVENDICATIONS 1) Dispositif de concentration solaire statique caractérisé par l'emploi d'une spirale réfléchissante simple ou multiple entrelacée. 2) Dispositif selon la revendication 1 associé à des miroirs extérieurs. 3) Dispositif selon la revendication 1 avec miroirs appairés pour équilibrer les flux reçus tout au long de l'année. 4) Dispositif selon la revendication 1 associé à plusieurs miroirs extérieurs utilisés avec un système de réorientation des flux solaires. 5) Dispositif selon la revendication 1 utilisant un circuit de fluide calorifique à travers plusieurs tubes concentriques. 6) Dispositif selon la revendication 1 utilisant un tube à caloduc. 7) Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le tube à circulation de fluide a été remplacé par un système de conversion d'énergie (cellules solaires, moteur Stirling, etc.). 8) Dispositif selon la revendication 1 aménagé sur toiture sous vitrage ou directement à l'extérieur. 9) Dispositif selon la revendication 1 pouvant être replié ou déployé. 10) Dispositif selon la revendication 1 utilisé sur des systèmes spatiaux pour fournir de l'énergie.