Brevet FR2966917A1 — publié le 20120504

Concentrateur de rayonnement solaire Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un concentrateur de l'énergie solaire constitué d'un miroir et un suiveur du soleil uni-axial permettant de suivre la position solaire. Etat de la technique Les capteurs solaires sont souvent constitués de plaques ou tubes en métal conducteurs thermique, et/ou de cellules photovoltaïques. Ces éléments qui convertissent le rayonnement du soleil en chaleur ou courant électrique comportent des matériaux coûteux, comme le silicium cristallin ou le cuivre. Afin de réduire le coût global des panneaux solaires on souhaite donc réduire la surface des capteurs solaires tout en gardant la même efficacité de capture. Ceci est possible en concentrant la lumière du soleil sur les capteurs par des moyens optiques de concentration (concentrateurs) comme par exemple des lentilles de Fresnel, des miroirs ou des fibres optiques. L'utilisation de ces concentrateurs nécessite d'orienter les panneaux solaires vers le soleil au cours de son déplacement journalier et de son déplacement saisonnier ; les dispositifs correspondants font appel à des composants mécaniques mis en mouvement par un ou plusieurs moteurs électriques. Il y a intérêt à choisir un procédé de concentration solaire et de suivi de la trajectoire du soleil dont le coût des matériaux utilisés est suffisamment faible pour rendre le procédé plus rentable qu'un panneau solaire fixe sans concentration. Le calcul de cette rentabilité se base en général sur une durée de fonctionnement de plusieurs années afin d'intégrer des moyennes d'ensoleillement pour le lieu de l'installation, et pour tenir compte de la durée de vie des matériaux et dispositifs utilisés. On connaît de nombreux types de concentrateurs solaires. Le document FR 2 353 812 (Bertin) décrit un capteur d'énergie solaire thermique à plusieurs miroirs concaves cylindro-paraboliques disposées parallèlement, chaque miroir étant orientable vers le soleil en tournant autour d'un axe longitudinal voisin du tube récepteur de chaleur qui occupe le foyer du miroir. Pour les capteurs orientés Est-Ouest, un dispositif de calage journalier ou hebdomadaire suivant la saison permet d'orienter le miroir, manuellement ou de manière automatique. Le document FR 2 339 901 (NASA) décrit un dispositif de poursuite des mouvements journalier et saisonnier du soleil comportant des piédestaux alignés selon l'axe Nord-Sud supportant un boîtier à l'intérieur duquel se trouve un collecteur circulaire ; un élément absorbeur d'énergie est placé au foyer du collecteur. Le boîtier est supporté en rotation par un axe en plusieurs tronçons, notamment une partie médiane prolongé de part et d'autre par des tronçons perpendiculaires à la partie médiane. La partie médiane tourne autour d'un axe appelé axe saisonnier et les parties d'extrémité tournent autour d'un axe appelé axe journalier. Le document FR 2 44 852 (Morvan) décrit un capteur à concentration de rayons solaires disposé sur un support tournant autour d'un premier axe AA' orienté vers l'étoile polaire à une vitesse de rotation journalière constante de 15° par heure. En outre, le capteur est monté sur son support de façon à tourner dans son support autour d'un axe B-B' perpendiculaire au premier à une vitesse d'environ 1° tous les 3 jours ou à environ 2° par semaine. Le brevet US 4 261 335 et US 4 548 195 (Balhorn) décrit des systèmes à énergie solaire qui collectent, concentrent et transmettent la radiation solaire à un convertisseur d'énergie. L'appareil comprend des réflecteurs non sphériques montés pivotants dans un support. La radiation incidente heurte le réflecteur et est envoyée au point fixe. Des moyens de réglage de l'altitude (par pivotement autour d'un axe vertical) et de l'azimut (par pivotement autour d'un axe horizontal) des réflecteurs sont prévus au sein du système afin de garder l'énergie solaire concentrée à l'extrémité des guides de lumière. Les moyens de réglage sont pilotés par une unité de contrôle qui envoie des signaux aux moteurs d'entraînement autour des axes respectifs (notamment un 0 microprocesseur qui stocke en mémoire les positions souhaitées des réflecteurs pour chaque jour). Chaque réflecteur pivote autour des axes de manière à maintenir son axe focal à la moitié de l'angle fait par le soleil et la première position fixe correspondant au réflecteur pendant la majorité des heures d'ensoleillement. Le brevet US 4 548 195 (Balhorn) décrit un autre mode de réalisation de ce système, dans lequel les réflecteurs sont montés pivotants autour d'un axe orienté Nord-Sud et autour d'axes perpendiculaires au premier en étant actionnés par des moteurs électriques commandés par une unité de contrôle. L'unité de contrôle stocke en mémoire les coordonnées des positions successives du soleil et prennent également en compte un facteur de déviation qui, lui, est en fonction du jour de l'année et des coordonnées géographiques de l'endroit, pour commander la position de l'axe focal des réflecteurs. Selon ce document, l'agencement de l'axe de pivotement par rapport au miroir et l'application d'un facteur de déviation par rapport à l'axe focal théorique du réflecteur permet de mieux utiliser la surface du réflecteur et de réduire la largeur du faisceau reçu par le récepteur. Le document US 5 286 305 (Laing) décrit un système photovoltaïque supporté par une plate-forme flottante comportant plusieurs modules, chacun comprenant concentrateur et un convertisseur photovoltaïque. Chaque module est relié à un tube qui entraîne les modules en rotation autour d'un axe vertical à la vitesse du soleil. Afin de palier au déplacement vertical de la ligne focale en fonction des positions journalières du soleil, chaque module comprend une lentille agencée au-dessus des cellules photovoltaïques. Ce document ne donne pas d'indication quant aux corrections à appliquer pour adapter le module aux déplacements saisonniers du soleil. Le document US 2008/0295 825 (Kleinwàchter) décrit un système concentrateur d'énergie solaire comportant une lentille de Fresnel orientée selon l'axe Nord-Sud (x) et un conduit orienté selon la focale. La largeur focale de la lentille varie avec l'angle (a) qui est défini par la position journalière du soleil. Le document décrit un système de poursuite du soleil comportant un système mécanique qui transforme les conditions géométriques en un déplacement de la lentille pour corriger la largeur focale (z) et le décalage selon l'axe y. Ce document ne donne pas d'indication quant à la vitesse à laquelle tourne la lentille. Afin de diminuer le coût de l'ensemble panneau solaire + suiveur et d'augmenter la rentabilité d'un tel système, la présente invention vise à proposer un nouveau concentrateur de l'énergie solaire plus simple, qui comporte une surface de capteur solaire réduite et une partie mécanique simplifiée. 3 0 Objets de l'invention Selon l'invention, le problème est résolu par un panneau solaire comportant au moins un concentrateur du rayonnement solaire, au moins un capteur solaire photovoltaïque et/ou thermique et un suiveur uni-axial de soleil, caractérisé en ce que ledit suiveur uni- 35 axial de soleil comporte un seul axe de rotation qui est horizontal et dont la vitesse angulaire de rotation moyenne sur une période de six mois, entre deux inversions semestrielles du sens de rotation, est comprise entre 0,26 et 1 degré par jour, et de préférence comprise entre 0,26 et 0,40 degré par jour. De manière très préférée, ledit axe de rotation horizontal est orienté parallèle au sens Est-Ouest. De préférence, la vitesse de rotation de l'axe du suiveur de soleil est fixe. Le panneau solaire peut être doté de moyens automatiques pour assurer la rotation autour dudit axe de rotation, mais selon un autre mode de réalisation, il comporte des moyens simples pour un réglage manuel de l'orientation du miroir autour de son axe de rotation. Avantageusement, ledit concentrateur du rayonnement solaire comporte un miroir cylindro-parabolique et/ou une lentille de Fresnel. Le centre de gravité est avantageusement situé en dehors de l'axe de rotation du suiveur de soleil. Un autre objet de l'invention est un procédé pour orienter un panneau solaire selon l'invention par rapport au soleil, comprenant une adaptation périodique de l'orientation par apport au solaire caractérisée par une vitesse angulaire fixe comprise entre 0,26 et 1 degré par journée qui s'coule entre deux adaptations consécutives. Cette adaptation peut être faite tous les jours. Cependant, elle peut être faite à une fréquence réduite, mais de préférence au moins à une fréquence hebdomadaire. Elle peut être faite par un réglage manuel de l'orientation du miroir. Selon l'invention, on inverse le sens de rotation du concentrateur à un jour qui se situe dans un intervalle de plus ou moins sept jours autour du solstice, et de manière préférée plus ou moins trois jours autour du solstice, et de manière encore plus préférée le jour du solstice. Figures L'invention est décrite à l'aide des figures 1 à 6 qui illustrent des modes de réalisation de l'invention ; elles ne limitent pas l'invention. La figure 1 représente en coupe le principe de la concentration solaire à partir d'un miroir demi cylindro-parabolique. La figure 2 représente en coupe le principe de la poursuite du soleil par un miroir parabolique en fonction des saisons. La figure 3 représente, dans le cas d'un concentrateur solaire pourvu d'une poursuite précise du soleil, un exemple de diagramme de positionnement du soleil par rapport à l'horizon et le positionnement de la focale sur le capteur solaire en fonction des différentes combinaisons des dates et des heures de l'année. La figure 4 représente, dans le cas d'un concentrateur solaire suivant l'invention, le même exemple de diagramme que le cas de la figure 3, soit un diagramme de positionnement du soleil par rapport à l'horizon et le positionnement de la focale sur le capteur solaire en fonction des différentes combinaisons des dates et des heures de l'année. La figure 5 représente en coupe un exemple de mécanisme pour la rotation du concentrateur solaire suivant l'invention. La figure 6 montre un panneau solaire selon l'invention. Description détaillée de l'invention On entend ici par « capteur solaire » un convertisseur de l'énergie solaire en énergie électrique, thermique ou chimique. On entend ici par « concentrateur solaire » un système optique capable de concentrer l'énergie du soleil à l'aide d'au moins un miroir. On entend ici par « miroir » une surface réfléchissante, métallique ou non métallique. On entend ici par « suiveur de soleil » un dispositif mécanique capable d'orienter le capteur solaire vers le soleil et de suivre le mouvement relatif du soleil. Le concentrateur solaire objet de cette invention comporte au moins un concentrateur solaire 14 comportant au moins un miroir 13 concentrateur de l'énergie solaire, au moins un capteur solaire 15 positionné dans la zone de concentration du rayonnement solaire, et un suiveur de soleil uni-axial. La forme du concentrateur solaire 14, la forme des miroirs 13 et les dimensions du capteur solaire 15 ainsi que le procédé de suivi du soleil sont choisis de manière à ce que la zone de concentration solaire reste à la surface du capteur solaire pendant le déplacement du soleil dans son mouvement diurne d'Est en Ouest. A titre d'exemple, le miroir 13 peut être de forme cylindro-parabolique ou demi cylindro-parabolique et son axe longitudinal orienté d'Est en Ouest. Afin de conserver la zone de concentration solaire à la surface du capteur solaire 15 pendant le déplacement du soleil dans son mouvement saisonnier suivant l'axe Nord-Sud, le concentrateur solaire 14 pivote autour d'un axe horizontal orienté Est-Ouest. La hauteur du soleil à son passage au méridien, à midi heure solaire, est fonction de la latitude du lieu et du moment de l'année. Son amplitude annuelle est toujours de 46°. Dans l'exemple d'un miroir cylindro-parabolique d'axe longitudinal orienté Est-Ouest, lorsque celui-ci est face au soleil, à 12h, la forme de la focale sur le capteur solaire plan (Al2, B12, C12) est concentrée, rectiligne et parallèle à l'axe longitudinal du miroir, et cela quelque soit le moment de l'année, donc quelque soit la hauteur du soleil par rapport à l'horizon Sud (A, B ou C), car le concentrateur solaire 14 pivote autour de l'axe de manière à être toujours face au soleil. Toutefois le déplacement du soleil dans son mouvement horaire (voir la figure 3) provoque un déplacement et une déformation de la focale à la surface du capteur solaire 15. Ce déplacement et cette déformation dépendent du moment de l'année: Pour la période du 21 Mars au 21 Septembre l'après midi le déplacement de la focale se fait vers le bas (Al2 vers A8) avec une déformation qui est un étalement en largeur du flux lumineux ; et le matin une déformation vers le haut (A8 vers Al2) avec une déformation inverse c'est-à-dire d'une réduction en largeur du flux lumineux. Pour la période du 21 Septembre au 21 Mars l'après midi le déplacement de la focale se fait vers le haut (C8 vers C12) avec une déformation qui est un étalement en largeur du flux lumineux ; et le matin une déformation vers le bas (C12 vers C8) avec une déformation inverse c'est-à-dire une réduction en largeur du flux lumineux. Pour les journées du 21 mars et du 21 Septembre, ce qui correspond aux équinoxes, la focale reste fixe (B12 et B8) le matin comme l'après midi. La valeur du déplacement de la focale vaut L1. Cette valeur doit correspondre à la largeur minimale du capteur solaire. Dans le mode de réalisation précédent le concentrateur solaire 14 est animé d'un mouvement de rotation afin de poursuivre le soleil dans son déplacement annuel, c'est-à-dire dans son déplacement en hauteur à son passage au méridien céleste. Ce déplacement se fait avec une vitesse moyenne de 46° en 6 mois, soit 0,25° par jour. Une inversion du sens du déplacement du soleil nécessite une inversion de la rotation du concentrateur solaire 14 les 21 Décembre et les 21 Juin de chaque année. Le procédé de poursuite de la position solaire mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention consiste à augmenter la vitesse moyenne de rotation du concentrateur solaire. Dans notre exemple, à 12h le 21 Juin, en positionnant la focale dans le bas du capteur solaire (D12 - Figure 4), et non au centre comme dans le cas précédant (Al2 - Figure 3) et en appliquant une vitesse moyenne de rotation supérieure à 0,25 par jour, la focale va se déplacer et se déformer au cours de l'année à cause du décalage angulaire progressif généré par la différence entre la vitesse réelle du déplacement du soleil et la vitesse accélérée du concentrateur solaire. La focale (D12) à 12h, sur la période du 21 Juin au 21 Décembre, va progressivement se déplacer vers le haut du capteur solaire 15, et se déformer dans le sens d'un élargissement du flux lumineux (E12 - F12). Entre le 21 Décembre et le 21 Juin le sens de rotation du concentrateur solaire 14 est inversé, de même que le sens de déplacement du soleil, et le processus de déplacement et de modification de la focale est aussi inversé afin que la focale reprenne sa position et sa forme initiale le 21 Juin de l'année suivante. Le déplacement et la déformation de la focale au cours de ce cycle de poursuite accélérée du soleil est fonction de la vitesse moyenne de rotation du concentrateur solaire 14. En fixant par exemple la vitesse à 70° pour 6 mois, soit une moyenne de 0,38° par jour, on peut observer que le déplacement et la déformation de la focale, même durant les heures extrêmes de la journée (Figure 4 D8 - E8 - F8), nécessitent beaucoup moins de surface de capteur solaire 15 qu'avec une vitesse moyenne de rotation de 0,257° par jour. Dans notre exemple, avec une vitesse moyenne de 0,38° par jour, L2 est la largeur du capteur solaire nécessaire pour recevoir le maximum de flux lumineux. L2 est inférieur de moitié à L1. La réduction de la surface du capteur solaire permet donc une diminution de son coût. Ceci est particulièrement le cas pour les capteurs solaires de type cellules photovoltaïques au silicium et/ou cellules adaptées à la concentration solaire. Les graphiques de positionnement astronomique du soleil (Figure 3 et 4) montrent que la vitesse de déplacement du soleil dans sa course annuelle à 12 h n'est pas régulière. Elle varie entre 0,13° par jour en moyenne pour les mois de Décembre et de Juin, et 0,43° par jour en moyenne pour les mois de Mars et Septembre. Les systèmes classiques de poursuite du soleil tiennent compte de ces différences de vitesse au cours de l'année pour ajuster au mieux la position angulaire des panneaux solaires. Leur vitesse réelle n'est donc pas constante. Cet ajustement nécessite des moyens automatiques sophistiqués. Pour le concentrateur solaire 14 objet de cette invention, on peut utiliser un mouvement de rotation dont la vitesse moyenne au cours de l'année est supérieure à la vitesse moyenne du soleil. Toutefois la vitesse réelle associée au procédé objet de cette invention peut être soit variable soit constante durant toute la course annuelle du soleil, ce qui fait une autre différence avec les systèmes classiques dont la vitesse de rotation se calque sur la vitesse réelle de déplacement du soleil qui n'est pas constante. Cette rotation étant par ailleurs très lente la rotation du concentrateur solaire peut s'effectuer manuellement par exemple par des incréments de 2,6° toutes les semaines. Dans un mode de fonctionnement semi-automatique, et pour donner un exemple non limitatif, la rotation du concentrateur solaire utilise la force de gravité agissant au niveau du centre de gravité 11 du concentrateur solaire, pour effectuer cette rotation et pour actionner un régulateur de vitesse mécanique. Dans un exemple non limitatif (voir la figure 5) le concentrateur solaire 14 est fixé sur un axe de rotation 12 décentré par rapport à son centre de gravité 11. Le poids du panneau fait pivoter l'ensemble autour de l'axe 12 avec une vitesse qui est réglée à 0,38° par jour et régulée par une horloge mécanique 18 contenant un ensemble d'engrenages et un balancier 16. Dans un autre exemple, non représenté, la régulation de vitesse se fait par un réservoir contenant un liquide et un flotteur en surface de ce liquide ; la vitesse d'écoulement de ce liquide est régulée par un orifice calibré ce qui provoque une baisse progressive et constante du niveau du liquide et donc du flotteur qui est relié au concentrateur solaire. On voit donc que le procédé selon l'invention pour orienter le concentrateur face au soleil peut utiliser des moyens pour assurer la rotation du concentrateur autour de l'axe horizontal qui sont plus simples que des moyens automatiques, par exemple semi- automatiques ou même manuelles. En effet, sachant qu'une installation de panneaux solaires nécessite de toute manière une surveillance et maintenance régulières, l'ajustement de la position des panneaux ou concentrateurs peut se faire par des moyens manuels. Dans un mode de fabrication particulier un panneau solaire 17 est constitué d'un ensemble de concentrateurs solaires 14. Le suivi uni-axial du soleil de tous les concentrateurs solaires selon l'invention se fait alors par la rotation du panneau solaire autour d'un axe horizontal unique orienté Est Ouest 12. Cette invention est particulièrement adaptée à la production d'électricité photovoltaïque et/ou à la production d'eau chaude solaire. Nous décrivons ici un exemple de réalisation qui est montré schematiquement sur la figure 6. On a réalisé un panneau concentrateur solaire suivant l'invention constitué de dix modules photovoltaïques et dix miroirs cylindro-paraboliques en aluminium, d'épaisseur 0,5 mm et dont la courbure a pour équation y = x2 / 4f où f représente la longueur focale qui vaut 4 cm, et X prend des valeurs comprises entre 2 et 18 cm. La largeur de chaque miroir vaut alors 30 cm. Sa longueur est fixée à 120 cm. Chaque miroir a été posé à chacune de ses extrémités sur un guide de forme 20 qui maintient la bonne courbure parabolique du miroir. Les guides de forme 20 contiennent un support 21 pour les modules photovoltaïques. Ce support de module est plan et forme un angle de 45° avec la droite qui joint les bords linéaires des miroirs. Les modules photovoltaïques étaient rectangulaires de dimensions 100 x 8 cm. Leur épaisseur vaut 15 mm. Ils incluent un radiateur à ailettes sur leur face arrière non active (non montré sur la figure). Les modules photovoltaïques sont fixés sur leur support 21, la face active est orientée vers le miroir, la partie inférieure se positionne à une distance de 5 cm de l'extrémité basse des miroirs. Les dix miroirs et les dix modules sont alignés de manière à former un panneau concentrateur solaire constitué de deux rangées de 5 couples miroir plus module. Le panneau est mobile autour d'un axe de rotation horizontal 12 constitué d'un tube en acier de 40 mm de diamètre et de 2 mètres de longueur. Ce tube est parallèle à l'axe longitudinal des miroirs et traverse les guides de forme 20 du panneau. Chaque extrémité du tube repose sur un montant vertical 22 de 1,20 m de hauteur et fixé au sol par un pied 23. Le panneau et les miroirs sont orientés vers le Sud, l'axe de rotation est donc orienté Est / Ouest. Dans l'Hémisphère Nord, le 21 Juin à 12h heure solaire, le soleil au Sud est au maximum de sa hauteur. Le panneau solaire est incliné de manière à ce que la focale rectiligne se positionne dans le bas des modules photovoltaïques. Au cours de la journée la focale se déplace et se modifie tout en restant à la surface du module photovoltaïque. Chaque semaine, et jusqu'au 21 Décembre, le panneau est pivoté manuellement autour de son axe de rotation d'un angle de 2,6° vers l'horizon Sud. A partir du 21 Décembre le pivotement du panneau s'effectue en sens inverse, vers le Nord, toujours de 2,6° par semaine et jusqu'à reprendre sa position initiale du 21 Juin. La rotation du panneau aura alors été de 67,6 degrés sur une durée de 6 mois, soit une vitesse moyenne de 0,37° par jour; alors que le soleil durant cette même période n'aura parcouru que 46° avec une vitesse moyenne de 0,25° par jour. La différence de vitesse de rotation du panneau par rapport à la vitesse de déplacement du soleil aura permis de maintenir la focale sur seulement 5 cm de largeur de module photovoltaïque alors qu'avec une vitesse de rotation du panneau identique à celle du soleil il aurait fallu une largeur de module de 10 cm pour obtenir le même résultat. Le gain en REVENDICATIONS1. Panneau solaire (17) comportant au moins un concentrateur du rayonnement solaire (14), au moins un capteur solaire (15) photovoltaïque et/ou thermique et un suiveur uni-axial de soleil, caractérisé en ce que ledit suiveur uni-axial de soleil comporte un seul axe de rotation (12) qui est horizontal et dont la vitesse angulaire de rotation moyenne sur une période de six mois, entre deux inversions semestrielles du sens de rotation, est comprise entre 0,26 et 1 degré par jour, et de préférence comprise entre 0,26 et 0,40 degré par jour. 2. Panneau solaire (17) selon la revendication 1 caractérisée en ce que la vitesse de rotation de l'axe du suiveur de soleil est fixe. 3. Panneau solaire (17) selon la revendication 1 ou 2, comprenant des moyens automatiques (18) pour assurer la rotation autour dudit axe de rotation (12). 4. Panneau solaire (17) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit axe de rotation (12) horizontal est orienté parallèle au sens Est-Ouest. 5. Panneau solaire (17) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit concentrateur du rayonnement solaire (14) comporte un miroir cylindro-parabolique (13) et/ou une lentille de Fresnel. 6. Panneau solaire (17) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que son centre de gravité (11) est situé en dehors de l'axe de rotation (12) du suiveur de soleil. 7. Procédé pour orienter un panneau solaire (17) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 par rapport au soleil, comprenant une adaptation périodique de l'orientation par rapport au rayonnement solaire caractérisée par une vitesse angulaire fixe comprise entre 0,26 et 1 degré par journée qui s'coule entre deux adaptations consécutives. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite adaptation est faite au moins à une fréquence hebdomadaire. 11 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite adaptation est faite par un réglage manuel de l'orientation du miroir (13). 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le sens de rotation du concentrateur (4) est inversé à un jour qui se situe dans un intervalle de plus ou moins sept jours autour du solstice, et de manière préférée plus ou moins trois jours autour du solstice, et de manière encore plus préférée le jour du solstice.10