Brevet FR2970544A1 — publié le 20120720

La présente invention relève du domaine des dispositifs d'éclairage public. Elle vise plus particulièrement l'alimentation en énergie d'équipements urbains tels que l'éclairage public et les bornes de recharge pour véhicules électriques. Contexte de l'invention et problèmes posés Les équipements urbains tels qu'éclairage ou panneaux de signalisation sont souvent synonymes d'une consommation électrique significative pour les collectivités. Le cas des éclairages publics, allumés en permanence la nuit est à cet égard particulièrement remarquable. Il est connu par ailleurs que le transport et le stockage d'énergie à grande distance de son lieu de production résulte en une déperdition d'une partie substantielle de l'énergie initialement produite. Il existe donc une tendance naturelle à considérer des sources d'énergie localisées au plus près du lieu de consommation d'énergie, pour résoudre le problème précité. Un besoin de trouver des sources d'énergie situées au plus près des équipements urbains s'est donc fait jour au cours des années récentes, et on a vu fleurir des panneaux photovoltaïques associés à divers équipements. De tels systèmes restent onéreux, fragiles, sujets au vol, et d'une puissance limitée. Exposé de l'invention L'invention vise en premier lieu un dispositif d'éclairage public comportant : - un mat sensiblement vertical, - un capteur photovoltaïque, - un concentrateur de flux solaire vers le capteur photovoltaïque, disposé sensiblement le long du mat vertical.. Le concentrateur de flux solaire est préférentiellement du type 30 comportant une surface réfléchissante, dont le profil est tel que le capteur photovoltaïque soit situé sensiblement au foyer. Dans un premier mode de réalisation, le capteur photovoltaïque est de forme allongée, sa direction principale étant verticale. Alternativement, le capteur photovoltaïque est de forme allongée, sa direction principale étant située dans un plan vertical et inclinée d'un angle prédéterminé par rapport à l'axe du mat. Dans ce cas, il est avantageux que l'angle d'inclinaison soit d'environ 15°, l'extrémité supérieure du capteur photovoltaïque étant située au plus près du mat vertical. Selon un mode de réalisation particulier, le concentrateur solaire présente une surface réglée de section sensiblement parabolique, le capteur photovoltaïque comportant deux faces dotées de cellules photovoltaïques, et étant disposé selon le plan de symétrie du concentrateur solaire, sensiblement au fond de celui-ci. Selon un autre mode de réalisation, le concentrateur solaire présente une surface réglée de section symétrique par rapport à un plan vertical, le capteur photovoltaïque comportant une face dotée de cellules photovoltaïques, et étant disposé perpendiculairement au plan de symétrie du concentrateur solaire, sensiblement au fond dudit concentrateur solaire. Dans une mise en oeuvre adaptée à maximiser le flux solaire capté au cours d'une journée, le dispositif comporte en outre un dispositif d'asservissement de l'orientation du concentrateur solaire, autour de l'axe du mat vertical, à la position du soleil à un instant donné. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comporte des moyens de débrayage du dispositif d'asservissement d'orientation, des moyens de détection de vitesse du vent, et des moyens de comparaison de ladite vitesse du vent à une valeur de vitesse maximale acceptable prédéterminée. Dans une application particulière au cas d'éclairage urbain, le mat comporte également des moyens d'éclairage. Brève description des figures La description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple d'un mode de réalisation de l'invention, est faite en se référant aux figures annexées qui représentent : Figure 1 : une vue schématique de face d'un mat d'éclairage à concentrateur solaire, Figure 2 : une vue en section d'un mat à concentrateur solaire, Figure 3 : une vue de profil du même mat d'éclairage, Figure 4 : une vue en perspective du mat d'éclairage. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Comme on le voit sur les fiqures 1, 3 et 4, dans un exemple donné ici à titre nullement limitatif, le dispositif d'éclairage public 100 comporte en premier lieu un mat vertical 101 supportant des moyens d'éclairage urbain 102. Ce mat vertical 101 est typiquement de forme cylindrique, ou conique très allongé, d'un diamètre d'une quinzaine de centimètres, pour une hauteur d'environ six mètres, sans que ces valeurs soient en quoi que ce soit limitatives. Le mat vertical 101 est usuellement réalisé en métal ou tout autre matériau rigide. Les moyens d'éclairage 102 sont de type connu en soi et sortent en tant que tels du cadre de l'invention. Ils sont préférentiellement dotés d'ampoules à faible consommation, par exemple des diodes électroluminescentes. Le mat vertical 101 supporte un ensemble de génération d'énergie comportant d'une part un concentrateur solaire 103, et d'autre part un capteur photovoltaïque 104. Dans le présent exemple, le concentrateur solaire 103 et le capteur photovolta'ique104 sont disposés sensiblement parallèlement à l'axe du mat vertical 101, au contact de celui-ci. Le concentrateur solaire 103 est de type à surface réfléchissante. Il est conformé en goulotte allongée, par exemple de section sensiblement parabolique (exemple de la fiqure 2), au fond de laquelle est disposée le capteur photovoltaïque 104. La fonction du concentrateur solaire 103 est de renvoyer les rayons du soleil captés sur toute la largeur L (ouverture du concentrateur solaire 103) vers le capteur photovoltaïque 104, de manière à maximiser le rendement de celui-ci. De la sorte, l'ensemble formé du concentrateur solaire 103 et du capteur photovoltaïque 104 présent un rendement sensiblement équivalent à un capteur photovoltaïque de même largeur L. Il est résulte des économies significatives au niveau du capteur 104. Dans le présent exemple, le capteur photovoltaïque 104 comporte une face dotée de cellules photovoltaïques. Il est ici disposé tangentiellement au mat vertical 101, sensiblement au fond du concentrateur solaire 103. Celui-ci voit sa forme adaptée à réfléchir la lumière solaire de façon uniforme vers la surface du capteur photovoltaïque 104. Il est clair que la forme du concentrateur solaire peut être optimisée selon le niveau de concentration souhaité sur chaque partie du capteur photovoltaïque 104. Dans le présent exemple, il est souhaité que la concentration soit faible sur les bords des cellules photovoltaïques, qui sont les points les plus fragiles. De même, le taux de concentration est limité à un facteur quatre environ, dans le but d'éviter un vieillissement accéléré des cellules photovoltaïques. Le capteur photovoltaïque 104 est disposé sur un radiateur convectif parallélépipédique, adapté à évacuer la chaleur vers le mat vertical ou l'air ambiant. Dans une variante, ce radiateur est remplacé par un dispositif thermoélectrique, utilisant un liquide qui circule dans un circuit de refroidissement. Celui-ci comporte avantageusement une turbine destinée à récupérer une partie de l'énergie dissipée sous forme de chaleur. Le dispositif d'éclairage public 100 comporte par ailleurs, dans le présent exemple nullement limitatif, des moyens d'asservissement de l'orientation angulaire du concentrateur solaire 103 autour du mat vertical 101 selon la position du soleil à un instant donné. Il comporte à cet effet un moteur (non illustré sur les figures) adapté à entrainer l'ensemble formé par le concentrateur solaire 103 et le capteur photovoltaïque 104 en rotation autour de l'axe Z du mat vertical 101. Le mat solaire 100 comporte également une électronique (également non illustrée) de pilotage de ce moteur. Celle-ci compare la position actuelle du concentrateur solaire à une position angulaire connue du soleil à un instant donné. Cette position angulaire du soleil est déterminée par exemple par utilisation d'une table stockée en mémoire, ou en variante par utilisation d'un capteur de rayonnement de type connu en soi, lequel détermine la direction de rayonnement solaire reçu maximal. La précision de positionnement angulaire est, dans le présent exemple, de +/- 2° Ces moyens d'asservissement angulaire (azimut) du concentrateur solaire 103 à la position du soleil sont ici débrayables en cas de vent supérieur à une valeur prédéterminée. A cet effet, le dispositif d'éclairage public 100 comporte un anémomètre fournissant une donnée de vitesse de vent local. Si la vitesse du vent vient excéder une valeur prédéterminée, l'électronique de pilotage débraye le moteur d'orientation, de manière à laisser le concentrateur solaire 103 s'orienter selon le vent, minimisant ainsi la trainée aérodynamique de l'ensemble, et donc la force appliquée sur le dispositif d'éclairage public 100. Lorsque la vitesse du vent redevient inférieure à une valeur seuil, le moteur d'orientation est à nouveau embrayé. Il est possible en variante d'associer une petite éolienne en haut du dispositif d'éclairage public 100, permettant de récupérer de l'énergie lorsqu'il y a du vent et que le mat se met en position verrouillé. En variante, un ordre de débrayage ou de ré-embrayage peut être envoyé à l'électronique de pilotage par un centre de contrôle distant, ladite électronique de pilotage comportant alors des moyens de communication par un réseau de type connu en soi. Le dispositif d'éclairage public 100 comporte en outre des moyens de stockage d'énergie électrique, par exemple sous forme de batteries de type classique, sans effet mémoire. Ces batteries sont dimensionnées pour un stockage correspondant à l'énergie produite par le capteur photovoltaïque 104 pendant un à quelques jours. Le dispositif d'éclairage public 100 comporte ici, comme il a été dit plus haut, des moyens d'éclairage, de type à diodes électroluminescentes à fort rendement lumineux. Dans un exemple de dimensionnement donné ici à titre de simple illustration, l'énergie produite par un mat solaire en journée d'hiver en France est voisine de 400 Wh, ce qui est alors suffisant pour assurer un éclairage de 25 W pendant environ 15 heures (réverbère à Leds de 60 W associé à un dispositif de détecteur de mouvement). Une batterie d'une capacité de 1000 à 1500 Wh est alors utilisée. L'électronique de pilotage du dispositif d'éclairage public 100 assure avantageusement une fonction de mise en marche et d'arrêt automatique de l'allumage des moyens d'éclairage, selon le niveau de lumière ambiante. De même, cette électronique de pilotage comporte ici une fonction d'ajustement prédictif de la puissance d'éclairage selon la charge de la batterie. L'électronique de pilotage du dispositif d'éclairage public 100 et la batterie sont disposées préférentiellement au sein du mat vertical 101, ou alternativement dans un boitier enterré au voisinage immédiat dudit mat solaire 100. Dans une variante, le concentrateur solaire 103 et le capteur photovoltaïque 104 associé sont disposés selon un axe incliné d'environ 15° par rapport à la verticale, de manière à augmenter le flux solaire capté dans les pays européens (latitude voisine de 450/0). Dans une variante de réalisation, l'électronique de pilotage est adaptée à recevoir des bulletins météo réguliers d'un centre de commande distant, et à ajuster la puissance d'éclairage disponible selon la charge restante de la batterie et une prévision de charge probable liée à l'ensoleillement attendu. 20 Les applications du dispositif d'éclairage public 100, tel que décrit plus haut, portent sur l'alimentation de réverbères de rue, de bornes de recharges de véhicules électriques ainsi que la production d'électricité à revendre aux réseaux. 25 Les panneaux photovoltaïques se sont développés depuis cette dernière décennie sur l'ensemble du globe mais rencontrent de nombreux problèmes d'implantation du à la mise en oeuvre sur des supports horizontaux dans les villes et campagnes. Par ailleurs, ils nécessitent de grandes surfaces pour obtenir des 30 puissances suffisantes. Ces surfaces pourraient être réduites d'une part en intégrant un dispositif de concentrateur solaire et d'autre part en modifiant le sens de positionnement des panneaux. L'utilisation des surfaces verticales et plus particulièrement des mats15 pour produire de l'énergie électrique solaire destinée à alimenter les besoins de consommation locale des réverbères, des recharges de nouveaux véhicules électriques et de toutes autres besoins en réduisant les surfaces d'implantations appropriées aux villes et campagnes, apporte donc une solution à ces problèmes. Les objectifs de l'invention sont de : - proposer un moyen de production d'électricité solaire permettant de réduire les surfaces de panneaux solaires et d'augmenter les capacités de production d'énergie, - alimenter des réverbères à diodes électroluminescentes, - alimenter des recharges de batteries pour véhicules électriques. Le dispositif permet de produire de l'énergie à l'endroit même où elle va être utilisée, évitant ainsi les déperditions liées au transport d'électricité. Les mats solaires peuvent être intégrés lors de la conception et à la mise en oeuvre des chaussées, réduisant les couts de génie civil (pas de réseaux à tirer) et annulant les dépenses de consommation électrique pour les collectivités. Comme on l'a vu, cette énergie électrique est stockée dans des batteries et restituée pour l'éclairage des réverbères à détecteur de mouvement ou normaux le soir, en fonction du passage des usagers ou des sites d'implantation. Les mats solaires permettent de produire et de satisfaire en partie la demande au niveau des points de recharge de batterie des véhicules électriques grâce à leur production électrique mais également de faciliter et de multiplier les lieux de ravitaillement proposés aux usagers. Cette solution permet de satisfaire aux besoins journaliers de véhicules et peut être dimensionnée en fonction des besoins. De plus, le cout de la mise en oeuvre est inférieur au cout d'un champ de panneaux classiques en raison de sa rapidité d'exécution. Un seul point d'ancrage est nécessaire, comme dans le cas d'une éolienne, au lieu d'une multitude de plots et de réglages par panneaux, tel qu'il est fait actuellement. Il est important de noter que le prix de revient de ce type de mat devrait être inférieur en cellules en raison de son dispositif de concentrateur. 8 L'originalité du produit repose donc sur : - Un nouveau dispositif de production solaire très performant - Un nouveau dispositif de panneaux photovoltaïques. - Une réduction des surfaces nécessaire à la production d'énergie - La récupération de l'énergie solaire sur l'espace public. - Une implantation dans l'espace public considérable. - L'intégration des panneaux photovoltaïques dans les mats existants ou à créer. - Le stockage de l'énergie électrique produite afin d'alimenter directement une source lumineuse ou une recharge de véhicule électrique. - Une architecture des composants totalement recyclables. - Des composants et des couts de fabrication à faible coût. - Une mise en oeuvre à faible cout en rapport de la quantité d'énergie produite. REVENDICATIONS1. Dispositif d'éclairage public (100) caractérisé en ce qu'il comporte : - un mat sensiblement vertical (101), - un capteur photovoltaïque (104), - un concentrateur de flux solaire (103) vers le capteur photovoltaïque (104), disposé sensiblement le long du mat vertical (101). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le concentrateur de flux solaire (103) est du type comportant une surface réfléchissante, dont le profil est tel que le capteur photovoltaïque (104) soit situé sensiblement au foyer. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le capteur photovoltaïque (104) est de forme allongée, sa direction principale étant verticale. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le capteur photovoltaïque (104) est de forme allongée, sa direction principale étant située dans un plan vertical et inclinée d'un angle prédéterminé par rapport à l'axe du mat vertical (101). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison est d'environ 15°, l'extrémité supérieure du capteur photovoltaïque (104) étant située au plus près du mat vertical (101). 25 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le concentrateur solaire (103) présente une surface réglée de section symétrique par rapport à un plan vertical, le capteur photovoltaïque (104) comportant une face dotée de cellules photovoltaïques, et étant disposé perpendiculairement au plan de symétrie du concentrateur 30 solaire, sensiblement au fond dudit concentrateur solaire (103). 20 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif d'asservissement de l'orientation du concentrateur solaire (103), autour de l'axe du mat vertical (101), à la position du soleil à un instant donné. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de débrayage du dispositif d'asservissement d'orientation, des moyens de détection de vitesse du vent, et des moyens de comparaison de ladite vitesse du vent à une valeur de vitesse maximale acceptable 10 prédéterminée. 9 Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 pour alimenter une borne de recharge de véhicule électrique.