Brevet FR2941038A1 — publié le 20100716

-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 8. 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 10 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 15 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, 20 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 25 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 30 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. Cette condition est respectée par la courbe définie en coordonnées polaires (r, (p) d'équations : -2- r = R(1+ 02)h/2 et (p = 0 - atan(0) avec R le rayon du tube - 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). La spirale est associée à des miroirs extérieurs pour augmenter le taux de concentration et permettre la juxtaposition de plusieurs concentrateurs sans ne rien 15 perdre du flux reçu sur une surface quelconque. Selon des modes particuliers de réalisation : - La spirale est associée à des miroirs plans (4). Outre les conditions d'optimalité définies pour les zones 1 à 3 (2), la forme de la spirale dans la zone 4 (4) est telle que la perpendiculaire à la tangente en un point soit la bissectrice de l'angle formé par la 20 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, 25 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 second miroir plan dans la zone 5 permettant de renvoyer avec une incidence maximale les rayons d'incidence minimale. - Le taux de concentration peut être augmenté si l'on. accepte des réflexions multiples 30 entre les miroirs opposés dans la zone 4 (4). - Le miroir plan placé en opposition de la spirale (4) peut être remplacé par un miroir courbe. 2941038 -3- - 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 (5). - Une spirale multiple peut être raccordée à une spirale simple en respectant les 5 conditions d'optimalité et en limitant la longueur des éléments de la spirale multiple 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 (6). - 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- 10 même, les problèmes de dilatations différentielles au niveau des joints d'étanchéité du tube à vide (7). - Afin d'améliorer les échanges énergétiques, le tube cylindrique recevant le flux solaire peut être transparent et le fluide caloporteur qu'il contient de couleur noire avec un faible coefficient de réflexion. - La spirale peut être remplacée par deux demi-spirales issues d'un même point du tube cylindrique, en respectant chacune la condition d'optimalité (8). La distance entre deux points des deux demi-spirales, situés sur une tangente quelconque au cylindre est alors égale à inD, avec D le diamètre du cylindre. Plusieurs demi-spirales peuvent être regroupées de manière concentrique afin d'être associées à une spirale de grande taille d'ouverture voisine de nitD, avec n le nombre de tubes cylindriques. Comme des poupées gigognes, de telles spirales de grande taille peuvent elles-mêmes être regroupées de manière concentrique afin d'être associées à une spirale de plus grande taille. - Les demi-spirales peuvent être associées à des miroirs extérieurs pour augmenter le taux de concentration et permettre la juxtaposition de plusieurs concentrateurs sans rien perdre du flux reçu sur une surface quelconque (9). Ces miroirs peuvent être de forme parabolique en zone 2, afin de focaliser les rayons d'incidence minimale et maximale aux deux extrémités de la zone 1 comprenant les deux demi-spirales, et plans en zone 3, afin de renvoyer avec une incidence maximale les rayons d'incidence minimale et inversement. La forme des miroirs en zone 2 peut également être choisie pour que la réflexion d'un rayon d'incidence maximale ou minimale tangente le tube cylindrique. - Un tube avec miroirs en demi-spirales peut faire un ou plusieurs aller(s) et retour(s) dans un collecteur ayant la forme d'un caisson parallélépipédique transparent, afin de faciliter sa mise sous vide en éliminant les problèmes de dilatation différentielle (10). La 2941038 -4- forme des miroirs en zone 2 bis diffère alors de celle de la zone 2 dans la mesure où la réflexion d'un rayon d'incidence maximale ou minimale tangente la portion de tube cylindrique la plus éloignée et non pas la plus proche. - Le collecteur peut être remplacé par une surface couverte de cellules photovoltaïques 5 associée à des miroirs de forme parabolique qui focalisent les rayons d'incidence minimale ou maximale à ses extrémités (11). Selon la technologie des cellules employées, un angle d'incidence minimale peut être assuré au prix d'une légère diminution du taux de concentration. Ce taux peut être augmenté au moyen d'une succession de pseudo-paraboles au prix de réflexions multiples. 10 - Des concentrateurs à cellules photovoltaïques peuvent être associés à des concentrateurs à tube afin que le fluide caloporteur soit utilisé pour refroidir les premiers, pour augmenter le rendement des cellules tout en subissant un préchauffage, avant de transiter par les seconds. - Les concentrateurs solaires peuvent se présenter sous la forme de modules de 15 couverture jointifs assurant tout à la fois la collecte de l'énergie, l'isolation et le revêtement de murs extérieurs et de toitures (12). Le coefficient de concentration est multiplié par 1/cosinus de la latitude du lieu d'implantation, dans le cas d'une surface verticale, et 1/sinus de la latitude du lieu d'implantation, dans le cas d'une surface horizontale. A titre indicatif, dans le cas d'une surface horizontale ou verticale située en 20 France, le taux de concentration, défini comme la largeur du flux entrant dans le dispositif et le diamètre du tube, est supérieur à 11. Dans le cas d'un dispositif utilisant des cellules photovoltaïques, ce taux, défini alors comme la largeur du flux entrant et la largeur de la surface utilisée par les cellules, est supérieur à 3,5. - Les concentrateurs peuvent être dimensionnés pour une plage d'incidence solaire 25 volontairement limitée afin d'augmenter leur taux de concentration durant une partie de l'année (en hiver par exemple pour le chauffage à partir d'une surface verticale) et réfléchir la totalité du flux reçu durant le restant de l'année (en été par exemple pour refroidir l'habitat). - Le concentrateur peut être réalisé au moyen de miroirs souples, éventuellement 30 gonflables afin de pouvoir être déployé à partir d'un camion ou d'un conteneur (13) 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 avec ou sans contrôle de l'orientation solaire (14). 2941038 -5- - Le concentrateur peut être employé pour désaliniser l'eau de mer. - Le concentrateur peut être utilisé comme collecteur dans une centrale utilisant des miroirs mobiles asservis (15). - Des rangées de concentrateurs, permanents ou déployables à la fin des moissons, 5 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 (16). - Outre la production d'énergie, des champs de concentrateurs solaires de grande taille 10 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. 15 - La figure 2 représente les conditions nécessaires pour assurer une captation totale du flux solaire reçu, sans réflexion parasite, avec un taux de concentration maximal dans les différentes zones du concentrateur. - La figure 3 représente des spirales multiples entrelacées double et quadruple. - La figure 4 représente un agencement entre une spirale et deux miroirs plans associés 20 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. - La figure 5 représente deux concentrateurs placés en opposition pour équilibrer les flux reçus tout au long de l'année. 25 - La figure 6 représente une spirale multiple raccordée à une spirale simple dont une partie est située à l'intérieur d'un tube à vide. - La figure 7 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 8 représente deux demi-spirales issues d'un même point du tube cylindrique 30 et le regroupement de plusieurs tubes et demi-spirales associés à une spirale de grande taille. - La figure 9 représente un tube et deux demi-spirales associés à des miroirs paraboliques tels que la réflexion d'un rayon d'incidence maximale ou minimale tangente le tube cylindrique. 2941038 -6- - La figure 10 représente un tube faisant un aller et retour dans un collecteur parallélépipédique transparent, associé à des miroirs extérieurs de forme optimisée. - La figure 11 représente une surface plane couverte de cellules photovoltaïques associée à des miroirs paraboliques ou d'une succession de miroirs de forme optimisée. 5 - La figure 12 représente différents types de 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 13 représente un concentrateur en miroirs souples monté sur camion dans les états replié et déployé. 10 - La figure 14 représente un satellite de type � dual spin � dans le plan équatorial utilisant un concentrateur comme générateur d'énergie électrique et un satellite en orbite inclinée utilisant le concentrateur comme un mât gravitationnel. - La figure 15 représente un concentrateur utilisé comme collecteur dans une centrale à miroirs plans mobiles asservis. 15 - La figure 16 représente des rangées de concentrateurs installées sur des terrains agricoles. Dans les formes de réalisation, les concentrateurs prototypes sont réalisés en feuille métallique polie. Le tube cylindrique transparent est en verre et entoure un tube de cuivre noir. Le circuit du fluide caloporteur est réalisé à travers plusieurs tubes 20 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), 25 - 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 30 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. Le dispositif de concentration solaire statique optimal est caractérisé par l'emploi d'une spirale réfléchissante simple, multiple entrelacée ou multiple entrelacée 2941038 -7- 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 à un tube caloporteur, atteindre le point de contact entre ce tube et la spirale ou être tangent à la spirale, selon l'éloignement de ce point à l'origine de la spirale. 5 Le dispositif peut comprendre deux demi-spirales réfléchissantes issues d'un même point du tube caloporteur. 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 10 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 15 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 comprendre un tube cylindrique transparent dans lequel circule un fluide caloporteur de couleur noire avec un faible coefficient de réflexion. Le dispositif peut comprendre un tube avec miroirs en demi-spirales faisant un 20 ou plusieurs allers et retours dans un collecteur ayant la forme d'un caisson transparent sous vide. Ce collecteur peut être remplacé par une surface plane couverte de cellules photovoltaïques. Des concentrateurs à cellules photovoltaïques peuvent être associés à des 25 concentrateurs à tube tel que le fluide caloporteur soit utilisé pour refroidir les premiers avant de transiter par les seconds. 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 30 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. Le dispositif peut être dimensionné pour une plage d'incidence solaire limitée afin d'augmenter le taux de concentration durant une partie de l'année et réfléchir la totalité du flux reçu le reste du temps. 2941038 -8- 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 : 5 - 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 d'équation r = k cp en coordonnées polaires ne constitue pas la solution optimale. Par ailleurs, Dl associe un unique miroir parabolique à la spirale qui ne permet pas de juxtaposer plusieurs concentrateurs sans perdre une partie 10 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 s'accompagne de la perte d'une partie significative du flux reçu par des réflexions parasites. 15 - 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 20 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. 25 - 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 REVENDICATIONS1) 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 à un tube caloporteur, atteindre le point de contact entre ce tube 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 deux demi-spirales réfléchissantes issues d'un même point du tube caloporteur. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des miroirs extérieurs placés en opposition, face à face, afin de permettre la juxtaposition de plusieurs i- I û 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) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, avec des concentrateurs placés deux à deux en opposition pour équilibrer les flux reçus tout au long de l'année. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit 16 de fluide caloporteur passant à travers plusieurs tubes concentriques afin de pouvoir se connecter du même côté, en entrée et sortie. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un tube cylindrique transparent dans lequel circule un fluide caloporteur de couleur noire avec un faible coefficient de réflexion. Zo 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un tube avec miroirs en demi-spirales faisant un ou plusieurs allers et retours dans un collecteur ayant la forme d'un caisson transparent sous vide. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le collecteur est remplacé par une surface plane couverte de cellules photovoltaïques. 2,S 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, réalisé en miroir souple pour pouvoir être replié ou déployé par un mécanisme ou par gonflage. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dimensionné pour une plage d'incidence solaire limitée afin d'augmenter le taux de concentration durant une partie de l'année et réfléchir la totalité du flux reçu le reste du temps. 3c ll) Ensemble de dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, associant des concentrateurs à cellules photovoltaïques et des concentrateurs à tube tel que le fluide caloporteur soit utilisé pour refroidir les premiers avant de transiter par les seconds.12) 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.