Brevet FR2972530A1 — publié le 20120914

Dispositif de mesure de rayonnement solaire focalisé à utiliser dans une centrale solaire L'invention concerne le domaine des centrales solaires utilisant des réflecteurs pour focaliser le rayonnement solaire vers au moins un récepteur adapté pour convertir un rayonnement solaire en une autre forme d'énergie, et plus particulièrement un dispositif de mesure pour mesurer un rayonnement solaire focalisé dans un telle centrale solaire. Plus spécifiquement, l'invention concerne un dispositif de mesure pour mesurer un rayonnement solaire focalisé dans une centrale solaire, du type comprenant une pluralité de photodétecteurs élémentaires individuels pour recevoir un rayonnement solaire focalisé et des moyens de traitement pour traiter des signaux de détection des photodétecteurs. La mesure d'un rayonnement solaire focalisé dans une centrale solaire est souhaitable principalement en vue de déterminer l'efficacité de l'assemblage comprenant les réflecteurs et le récepteur et d'optimiser leurs positions. Une difficulté survient lors de la mesure d'un rayonnement solaire focalisé en raison du foyer localisé du rayonnement solaire focalisé conduisant à une intensité de lumière élevée et une énergie élevée qui frappent les dispositifs de mesure. Différentes techniques ont été développées pour traiter ce problème. Une technique utilise une cible placée dans une région focale d'un réflecteur à côté du récepteur et un appareil photo CCD placé à distance de la cible pour prendre des photos de la cible. Une autre technique utilise un outil comprenant une zone sensible à la lumière qui est placé dans la région focale d'un réflecteur à côté du récepteur. La zone sensible à la lumière peut être présentée sous la forme d'une rangée de photodiodes ou en variante sous la forme d'un faisceau de fibres optiques comportant des extrémités d'entrée situées à côté de la région focale du réflecteur et des extrémités de sortie conduisant à un appareil photo CCD distant. Ces techniques sont divulguées dans « Parabolic trough optical performance analysis techniques », E. Lüpfert et al., ISEC2005-76023, comptes-rendus de I'ISEC (conférence internationale sur l'énergie solaire) 6 au 12 août 2005, Orlando, Floride. L'invention a pour but de proposer un dispositif de mesure qui soit rentable tout en permettant une mesure précise du rayonnement solaire focalisé. A cette fin, l'invention propose un dispositif de mesure du type mentionné ci-dessus, le dispositif de mesure comprenant un bouclier protecteur réfléchissant la lumière agencé devant les photodétecteurs, ledit bouclier protecteur étant configuré pour éloigner par réflexion des photodétecteurs une partie du rayonnement solaire focalisé et permettre à une partie du rayonnement solaire focalisé de frapper chaque photodétecteur à travers le bouclier protecteur. Le bouclier protecteur réfléchissant la lumière configuré pour réfléchir une partie du rayonnement solaire et permettre à une partie du rayonnement solaire de passer à travers permet de diminuer l'intensité de lumière qui frappe les photodétecteurs sans affecter la précision de mesure. La température du dispositif de mesure est maintenue relativement basse, permettant ainsi l'utilisation de photodétecteurs à bas coût et de moyens de traitement associés. Le dispositif de mesure est compact. Dans d'autres modes de réalisation, le dispositif de mesure comprend une ou plusieurs des particularités suivantes, prises isolément ou en combinaison techniquement réalisable : - le bouclier protecteur est un miroir ; - le bouclier protecteur comprend au moins une couche réfléchissant la lumière pour réfléchir les rayonnements solaires, ladite couche étant pourvue d'ouvertures pour permettre au rayonnement solaire de traverser le bouclier protecteur ; - les photodétecteurs sont des photodiodes ; - il comprend des moyens de filtrage de densité neutre agencés pour filtrer les rayons de lumière passant à travers le bouclier protecteur ; - les moyens de filtrage sont agencés derrière le bouclier protecteur et devant les photodétecteurs ; - les moyens de filtrage sont composés d'une pluralité de filtres de densité neutre individuellement associés à au moins un photodétecteur ; - il comprend des filtres de densité neutre ayant des densités optiques différentes ; - il comprend des moyens de refroidissement pour refroidir les photodétecteurs ; - il comprend un dissipateur de chaleur supportant les photodétecteurs ; - il comprend des moyens de ventilation pour forcer un écoulement d'air afin de refroidir les photodétecteurs. L'invention concerne également l'utilisation d'un dispositif de mesure tel que défini ci-dessus dans une centrale solaire pour mesurer un rayonnement solaire focalisé vers un récepteur par un réflecteur. L'invention concerne également un assemblage comprenant une centrale solaire comportant un récepteur pour convertir l'énergie solaire et au moins un réflecteur pour focaliser un rayonnement solaire vers le récepteur et un dispositif de mesure agencé comme défini ci-dessus pour mesurer le rayonnement solaire focalisé par le ou les réflecteurs vers le récepteur. L'invention concerne encore un procédé de cartographie de rayonnement solaire focalisé dans une centrale solaire comprenant un récepteur pour convertir une énergie solaire et au moins un réflecteur pour focaliser un rayonnement solaire vers le récepteur, ledit procédé comprenant l'étape consistant à placer un dispositif de mesure tel que défini ci-dessus pour mesurer le rayonnement solaire focalisé par le réflecteur vers le récepteur à différents emplacements le long du récepteur. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description suivante, donnée exclusivement à titre d'exemple et en référence aux dessins suivants, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique générale d'une centrale solaire et d'un dispositif de mesure selon l'invention placé de façon à mesurer un rayonnement solaire focalisé dans la centrale solaire ; - la figure 2 est une vue schématique du dispositif de mesure de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue partielle du dispositif de mesure de la figure 2. La centrale solaire 2, illustrée sur la figure 1, comprend un récepteur 4 et un réflecteur 6 pour réfléchir et focaliser un faisceau de rayonnement solaire incident IR en un faisceau de rayonnement solaire focalisé FR vers le récepteur 4. Le récepteur 4 est un récepteur linéaire s'étendant dans une direction longitudinale (perpendiculaire au plan de la figure 1). Il est adapté pour convertir un rayonnement solaire en énergie thermique. Il comprend un réseau de tubes de circulation de fluide 8 s'étendant côte à côte dans la direction longitudinale et un bassin de collecte 10. Les tubes 8 sont destinés à la circulation d'un fluide thermique. En fonctionnement, le fluide thermique circulant dans les tubes 8 est chauffé par le rayonnement solaire focalisé, convertissant ainsi un rayonnement solaire en énergie thermique. La centrale solaire comprend des moyens pour exploiter l'énergie thermique accumulée dans le fluide thermique. A cette fin, le fluide thermique est utilisé directement comme fluide actif pour produire de l'énergie mécanique et/ou électrique, par exemple dans des turbines. En variante, les tubes 8 sont raccordés à un circuit de fluide thermique de la centrale solaire et la centrale solaire comprend en outre un circuit de fluide actif séparé et des échangeurs de chaleur entre le circuit de fluide thermique et le circuit de fluide actif pour transmettre de la chaleur du fluide thermique au fluide actif, ledit fluide actif étant à son tour utilisé pour produire de l'énergie mécanique et/ou électrique, par exemple dans des turbines. En variante ou éventuellement, le récepteur 4 comprend des moyens pour convertir le rayonnement solaire en énergie électrique, tels que des cellules photovoltaïques. Le bassin 10 reçoit le réseau de tubes 8 à l'intérieur et comporte une ouverture d'entrée. Le bassin 10 s'ouvre vers le réflecteur 6 de sorte qu'un faisceau de rayonnement solaire focalisé FR est dirigé vers l'ouverture d'entrée du bassin 10 et à l'intérieur du bassin 10. Ce dernier est destiné à améliorer la collecte du faisceau de rayonnement solaire focalisé FR vers les tubes 8. Le réflecteur 6 est de type Fresnel linéaire. Il comprend une pluralité de miroirs réflecteurs de lumière 12 allongés dans la direction longitudinale et agencés côte à côte. Chaque miroir 12 peut pivoter autour d'un axe longitudinal et être entraîné pour réfléchir des rayons solaires incidents atteignant le miroir 12 vers le récepteur 4 pendant le déplacement du soleil. Dans les centrales solaires connues de plus grande dimension, de tels miroirs 12 ont typiquement une longueur comprise entre 10 mètres et 30 mètres et une largeur comprise entre 1 mètre et 3 mètres. Le réflecteur 6 fournit typiquement un rapport de focalisation de 1 : 80 à 1 :100 entre l'intensité de lumière atteignant le réflecteur 6 et l'intensité de lumière au niveau de la région focale du réflecteur. Les miroirs sont schématiquement illustrés sur la figure 1 sous la forme de miroirs plats. Les miroirs peuvent avoir toute forme appropriée. Dans un mode de réalisation, chaque miroir 12 est de coupe transversale circulaire ou parabolique, formant approximativement une région focale linéaire et une distance focale correspondant à la distance entre le miroir 12 et le récepteur 4. Le réflecteur 6 est agencé sur le sol pour réfléchir un rayonnement solaire principalement vers le haut et le récepteur 4 est placé au-dessus du réflecteur 6. Lorsqu'il est présent, le bassin 10 est inversé et placé au-dessus des tubes 8 pour collecter un faisceau de lumière provenant du réflecteur 6. La figure 1 illustre un dispositif de mesure 14 pour mesurer un rayonnement solaire focalisé réfléchi par le réflecteur 6. Le dispositif de mesure 14 est placé devant le récepteur 4 dans le faisceau de rayonnement solaire focalisé FR. Le dispositif de mesure 14 est placé à côté du récepteur 4. Comme l'illustre la figure 2, le dispositif de mesure 14 comprend une pluralité de photodétecteurs 16 élémentaires individuels distincts, des moyens de traitement 18 pour traiter des signaux de détection émis par les photodétecteurs 16 et un bouclier protecteur 20 pour protéger les photodétecteurs 16. Les photodétecteurs 16 sont des photodiodes. Ils sont agencés en ligne. Les moyens de traitement 18 comprennent deux cartes de circuit 22. Chaque photodétecteur 16 est connecté via une connexion 24 respective à l'une des cartes de circuit 22. Le bouclier protecteur 20 est placé devant les photodétecteurs 16 de sorte que le photodétecteur 16 reçoit le rayonnement solaire focalisé à travers le bouclier protecteur 20. Le bouclier protecteur 20 est configuré pour éloigner par réflexion des photodétecteurs 16 une première partie des rayons lumineux du rayonnement solaire focalisé et pour permettre à une seconde partie restante des rayons lumineux du rayonnement solaire focalisé de passer à travers le bouclier protecteur 20 pour frapper les photodétecteurs 16. A cette fin, le bouclier protecteur 20 est un miroir protecteur comportant des zones translucides 23 de transmission de lumière localisées réparties sur le miroir dans l'alignement avec les photodétecteurs 16. Chaque zone translucide 23 permet à la lumière de passer à travers le miroir dans cette zone. Au moins une zone translucide 23 est prévue pour chaque photodétecteur 16. Comme l'illustre la figure 3, le bouclier protecteur 20 comprend une couche de support translucide 24 et une couche réfléchissant la lumière 25 déposée sur une face de la couche de support 24. La couche réfléchissante 25 est pourvue d'ouvertures 26 réparties sur la couche réfléchissante 25 et définissant individuellement une zone translucide 23 du bouclier protecteur 20. Dans un mode de réalisation préféré, la couche de support est une couche en verre et la couche réfléchissante 25 est un revêtement de métallisation. La couche réfléchissante 25 est de préférence stratifiée sur la face arrière de la couche de support 24 face aux photodétecteurs 16. La couche réfléchissante 25 est ainsi protégée par la couche de support 24. Des rayons de lumière R1 frappant une zone ordinaire de la couche réfléchissante entre les ouvertures 26 sont éloignés par réflexion du photodétecteur 16 tandis que les rayons de lumière R2 atteignant les ouvertures 26 passent à travers le bouclier protecteur 20 et frappent les photodétecteurs 16 sous-jacents correspondants. Facultativement, le dispositif de mesure 14 comprend en outre des moyens de 25 filtrage de densité neutre. Les moyens de filtrage de densité neutre sont agencés entre le bouclier protecteur 20 et le photodétecteur 16 pour filtrer les rayons de lumière passant à travers le bouclier protecteur 20 et frappant le photodétecteur 16. Les moyens de filtrage de densité neutre 28 comprennent un filtre de densité neutre 28 respectif en alignement avec chaque photodétecteur 16 élémentaire. Les moyens de filtrage de densité neutre permettent à la lumière de passer à travers eux vers les photodétecteurs 16, tout en réduisant l'intensité de lumière sur une large bande spectrale. Les moyens de filtrage de densité neutre permettent à chaque photodétecteur 16 de rester non saturé. Dans un mode de réalisation, les filtres de densité neutre ont des densités optiques différentes pour les photodétecteurs 16, à savoir pour chaque photodétecteur 16, ce qui est utile, par exemple, si l'étalement du rationnement solaire au niveau du dispositif de mesure 14 varie. L'intensité de lumière peut être plus importante au milieu que sur les côtés. Dans ce cas, les filtres de densité neutre au milieu ont une densité optique de préférence supérieure à celle des filtres de densité neutre sur les côtés. Le dispositif de mesure 14 comprend en outre des moyens de refroidissement 30 pour refroidir les photodétecteurs 16. Les moyens de refroidissement 30 comprennent un dissipateur de chaleur 32 allongé supportant les photodétecteurs 16. Le dissipateur de chaleur 32 est typiquement un support comprenant des ailettes pour augmenter les échanges de chaleur avec l'air environnant. Les moyens de refroidissement 30 comprennent des ventilateurs 34 pour forcer une circulation d'air à l'intérieur d'un logement 36 du dispositif de mesure 14 contenant les photodétecteurs 16 et les moyens de traitement 18. Un ou plusieurs ventilateurs 34 sont prévus. Deux ventilateurs 34 sont illustrés sur la figure 2. Comme illustré sur la figure 3, l'intensité de lumière atteignant les photodétecteurs 16 dépend du rapport entre la lumière passant à travers le bouclier protecteur 20 et la lumière incidente. Ce rapport dépend du diamètre d des ouvertures 26, de la réflectivité de la couche réfléchissante 25 et de la densité optique des filtres de densité neutre. Dans un mode de réalisation préféré, ces paramètres sont choisis de sorte que les photodétecteurs demeurent à leur régime non saturé linéaire. Pour des photodétecteurs typiques, il est d'environ 100 mW/cm2. La réflectivité de la couche réfléchissante 25 est typiquement supérieure à environ 90 %, voire supérieure à environ 95 °/O. En fonctionnement, le dispositif de mesure 14 est placé devant le récepteur 4. Le dispositif de mesure 14 est orienté de sorte que la rangée de photodétecteurs 16 s'étend transversalement à la direction longitudinale du récepteur 4, pour mesurer un rayonnement solaire focalisé dans un plan transversal (plan de la figure 1) perpendiculaire à la direction longitudinale. L'intensité de lumière mesurée par chaque photodétecteur permet une cartographie du faisceau de rayonnement solaire focalisé FR pour déterminer l'intensité de lumière réfléchie par les différentes portions des réflecteurs. Des différences d'intensité de lumière par rapport à l'idéal peuvent survenir en raison d'un positionnement incorrect ou d'une mauvaise orientation d'un ou plusieurs miroirs 12 ou de défauts de la forme superficielle d'un ou plusieurs miroirs du réflecteur. En raison de la focalisation importante du rayonnement solaire par le réflecteur 6, l'intensité de lumière et l'énergie du faisceau de rayonnement solaire focalisé FR sont très élevées à proximité du récepteur 4. En éloignant par réflexion du dispositif de mesure 14 une partie de la lumière, le bouclier protecteur 20 réduit l'intensité de lumineuse reçue par les photodétecteurs 16. Il réduit par conséquent la chaleur stockée par le dispositif de mesure 14. Cela permet l'utilisation des photodétecteurs 16 fonctionnant à des plages de températures relativement basses au lieu de photodétecteurs spécifiques adaptés pour une température élevée. Il en va de même pour les moyens de traitement 22. Ainsi, il est possible d'obtenir un dispositif de mesure fiable et précis à bas coût. La quantité de lumière passant à travers le bouclier protecteur 20 peut être facilement accordée en choisissant le filtre de densité neutre approprié. Pour un fonctionnement fiable des photodétecteurs et du circuit électronique, la température doit idéalement ne pas dépasser 60 °C. Afin de cartographier le réflecteur 6 et le récepteur 4, plusieurs mesures du faisceau de rayonnement solaire focalisé sont effectuées à des emplacements différents le long du récepteur 4 en déplaçant le dispositif de mesure 14 le long du récepteur 4. Des mesures peuvent également être prises derrière le récepteur 4 au cas où le récepteur ne comporte pas de bassin. Le dispositif de mesure de l'invention n'est pas limité à une utilisation dans une centrale solaire comprenant un récepteur linéaire et un réflecteur de Fresnel linéaire comme décrit ci-dessus. La centrale solaire peut comprendre un réflecteur cylindrique ou parabolique linéaire. La centrale solaire peut comprendre un réflecteur primaire et un réflecteur secondaire. La centrale solaire peut comprendre un champ d'héliostats entraîné pour réfléchir la lumière vers un récepteur. Le dispositif de mesure peut être adapté en termes de forme pour un assemblage de type différent, à savoir en modifiant l'agencement du réseau des photodétecteurs. Dans un mode de réalisation en variante, les photodétecteurs sont agencés en réseau de rangées et colonnes pour définir une surface de détection au lieu d'une rangée de détection. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure (14) pour mesurer le rayonnement solaire focalisé dans une centrale solaire, du type comprenant : une pluralité de photodétecteurs (16) élémentaires individuels pour recevoir un rayonnement solaire focalisé, et des moyens de traitement (18) pour traiter des signaux de détection des photodétecteurs, dans lequel le dispositif de mesure comprend un bouclier protecteur (20) réfléchissant la lumière agencé devant les photodétecteurs (16), ledit bouclier protecteur (20) étant configuré pour éloigner des photodétecteurs (16) par réflexion une partie du rayonnement solaire focalisé et pour laisser une partie du rayonnement solaire focalisé frapper chaque photodétecteur (16) à travers le bouclier protecteur (20). 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel le bouclier protecteur (20) est un miroir. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le bouclier protecteur (20) comprend au moins une couche réfléchissant la lumière (25) pour réfléchir les rayonnements solaires, ladite couche étant munie d'ouvertures (26) pour permettre au rayonnement solaire de traverser le bouclier protecteur (20). 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les photodétecteurs sont des photodiodes (16). 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens de filtrage de densité neutre (28) agencés pour filtrer les rayons de lumière passant (16) à travers le bouclier protecteur (20). 6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, dans lequel les moyens de filtrage sont agencés derrière le bouclier protecteur (20) et devant les photodétecteurs (16). 7. Dispositif de mesure selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les moyens de 35 filtrage sont composés d'une pluralité de filtres de densité neutre (28) individuellement associés à au moins un photodétecteur (16).30 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, comprenant des filtres de densité neutre ayant des densités optiques différentes. 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens de refroidissement (32, 34) pour refroidir les photodétecteurs. 10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dissipateur de chaleur (32) supportant les photodétecteurs. 11. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens de ventilation (34) pour forcer un écoulement d'air afin de refroidir les photodétecteurs. 15 12. Utilisation d'un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans une centrale solaire pour mesurer un rayonnement solaire focalisé réfléchi vers un récepteur par un réflecteur. 13. Assemblage comprenant une centrale solaire comportant un récepteur (4) 20 pour convertir de l'énergie solaire et au moins un réflecteur (6) pour focaliser la lumière solaire vers le récepteur, et un dispositif de mesure (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, agencé pour mesurer un rayonnement solaire focalisé par le ou les réflecteurs (6) vers le récepteur (4). 25 14. Procédé de cartographie d'un réflecteur (6) dans une centrale solaire comprenant un récepteur (4) pour convertir l'énergie solaire et au moins un réflecteur (6) pour focaliser la lumière solaire vers le récepteur, comprenant les étapes consistant à placer le dispositif de mesure (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 afin de mesurer les rayonnements solaires focalisés par le réflecteur vers le récepteur à des 30 emplacements différents le long du récepteur (4).10