Brevet FR2990499A1 — publié le 20131115

-1- La présente invention concerne un dispositif de concentration de la lumière, asservi à la position du soleil suivant 1 ou 2 axes, constitué d'un miroir et d'un collecteur de taille et de forme quelconques, permettant de répartir uniformément la puissance d'irradiation à la surface du collecteur. Cette homogénéité du rayonnement à la surface du collecteur favorise la transmission de chaleur à un fluide caloporteur, dans le cas d'un système d'énergie solaire thermique, et est indispensable au bon fonctionnement et à la conservation de l'intégrité des cellules solaires qui recouvrent le collecteur, dans le cas d'un système photovoltaïque. Outre l'utilisation de miroirs paraboliques qui focalisent la lumière en un point (paraboloïde) ou une droite (cylindre parabolique), le principe de concentration en V décrit dans les brevets PCT/ES2008/000763 du 03/11/2010 et US 2010/0282315 Al du 11/11/2010 permet également de concentrer la lumière de manière homogène sur une surface plane. Mais celui-ci est limité à un taux de concentration de 3 et la taille des miroirs devient vite rédhibitoire au-delà d'un taux de 2. La présente invention pallie ces inconvénients et peut s'adapter à des collecteurs de forme quelconque, plan ou cylindrique par exemple. Dans le cas d'un système photovoltaïque, ce dispositif de concentration permet d'augmenter la production énergétique des cellules qui bénéficient par ailleurs du gain 20 apporté par l'asservissement solaire par rapport à des panneaux fixes. Il peut recouvrir un mât sur tout ou partie de sa hauteur afin de rendre autonomes des équipements électriques installés à leur sommet (éclairage, vidéo surveillance, relais hertzien, etc.). Dans le domaine de l'éclairage public (figure 1), il palie les trois inconvénients 25 souvent rédhibitoires des solutions existantes utilisant des panneaux solaires fixes : l'insuffisance de la production d'énergie, notamment en hiver, l'importance des contraintes mécaniques dues à la prise au vent, et le manque d'esthétique. Afin de répartir uniformément la puissance d'irradiation à la surface du collecteur, la forme du miroir est telle que la distance entre les points d'impacts de deux 30 rayons réfléchis sur la surface du collecteur soit proportionnelle à l'écart entre les 2 rayons incidents correspondants (figure 2) ; le rapport de proportionnalité étant l'inverse du taux de concentration. En respectant cette condition, cette forme peut être obtenue simplement par résolution numérique dans une ou deux dimensions selon que -2- l'asservissement solaire soit réalisé selon 1 ou 2 axes. Dans le premier cas, la forme du miroir sera cylindrique avec pour génératrice l'axe d'asservissement. La forme sera obtenue de la même manière dans le cas d'un collecteur de section circulaire (figure 3) ou droite (figure 4) de l'origine du miroir jusqu'à son extrémité. Un 5 rayon incident reçu en un point situé à une certaine proportion de la largeur d'ensoleillement d2 se réfléchit vers un point du collecteur situé exactement dans la même proportion de la largeur dl de celui-ci. La variation des distances d3 et d4 et de l'angle cp d'orientation du panneau par rapport au soleil permet d'obtenir toutes les configurations possibles de disposition d'un collecteur plan éclairé selon une ou deux 10 faces au moyen d'un ou de plusieurs miroirs (figure 5, figure 6, figure 7). La disposition de la figure 7 présente l'avantage qu'aucun rayon n'atteint les cellules solaires avec une faible incidence et permet également de ne pas masquer le champ d'acquisition solaire par les collecteurs. Le principe du concentrateur en V se révèle un cas particulier obtenu quand le miroir est en contact avec le collecteur (d3 = d4 = 0). 15 Quelle que soit la disposition choisie, le dispositif peut être dupliqué pour constituer une pluralité de dispositifs (figure 7). Dans le cas d'un système photovoltaïque, les cellules solaires doivent être refroidies pour évacuer le surcroît de chaleur dû à la concentration dont le taux optimal est fonction de la technologie et des caractéristiques des cellules. Cette dissipation peut 20 être réalisée par convection, naturelle ou forcée, ou au moyen d'un fluide caloporteur passant dans des tubes à travers le collecteur. La chaleur peut être alors valorisée. La longévité des cellules photovoltaïques peut être assurée par une surveillance de la température commandant, si nécessaire, le dépointage solaire du dispositif. La puissance électrique délivrée peut être limitée de la même manière, notamment si le 25 dispositif est utilisé pour recharger des batteries d'accumulateurs. Asservi à la position du soleil autour de l'axe vertical, un panneau photovoltaïque avec son miroir peut être monté verticalement (figure 1) ou incliné (figure 8) afin d'optimiser la production électrique saisonnière (75° par exemple en hiver à 43,5° de latitude) ou annuelle (54 ° à cette même latitude). Des ouvertures dans 30 le dispositif sont alors à prévoir pour limiter la prise au vent. De même, asservi à la position du soleil autour de l'axe vertical et selon une inclinaison choisie en fonction de la latitude du lieu d'installation, le dispositif permet de maximiser la production énergétique annuelle ou saisonnière ramenée à la surface au sol. La production est alors maximale quand la totalité d'une surface d'ensoleillement -3- plane elliptique, dont la projection horizontale est un disque dont le centre est situé sur l'axe de rotation, est exploitée (figure 13). La surface d'ensoleillement exploitée peut être également verticale. Dans le cas ou le dispositif met en oeuvre plusieurs panneaux photovoltaïques montés en 5 parallèle, les noeuds d'interconnexion de ces derniers peuvent se situer sur le disque commun d'un collecteur tournant, en sortie des balais, afin de minimiser les courants au niveau des contacts (figure 9). Le dispositif peut être employé pour recharger des batteries d'accumulateurs utilisées à la fois pour l'éclairage de lampadaire et la traction de véhicule électrique, au moyen 10 d'un mécanisme d'échange standard à verrouillage permettant d'augmenter la capacité de stockage nécessaire à l'éclairage en hiver tout en exploitant l'énergie non utilisée à cette fin durant les autres saisons. La face à l'ombre du dispositif peut être utilisée comme support publicitaire. Le dispositif peut être monté sur véhicule et se déployer à l'arrêt (figure 11, figure 12). 15 Le dispositif peut être supporté par un bâtiment quelconque (maison, immeuble, hall d'accueil, toit, arène, abribus, ...) et peut assurer à ce dernier une fonction de pare-soleil et de climatisation naturelle en été (figure 13). La production énergétique ramenée à la surface d'occupation au sol peut être optimisée et le bâtiment s'intégrer entièrement dans l'espace libre sous le dispositif tournant (concentrateurs et panneaux). 20 Le maillage d'un grand nombre de dispositifs installés sur des mâts au sol (figure 14) permet d'assurer conjointement une production électrique et agricole si l'ombrage défilant généré par les dispositifs reste limité (15 à 20 % de l'ensoleillement voire plus en zone aride). La répartition des efforts mécaniques peut être assurée par des câbles reliant les mâts et ces derniers peuvent servir de support de serres, de moyens 25 d'arrosage ou de protection (contre la grêle, les oiseaux, les sauterelles...) Le dispositif peut être disposé sur des roues au sol ou sur des flotteurs à la surface d'une étendue d'eau. Il peut être utilisé comme générateur d'énergie de véhicule terrestre, marin, aérien ou spatial. Les dessins annexés illustrent l'invention : 30 - La figure 1 représente le dispositif installé sur un lampadaire. - La figure 2 représente le principe général de dimensionnement d'un miroir permettant d'assurer un ensoleillement uniforme à la surface d'un collecteur. - La figure 3 représente le cas particulier d'un collecteur de section circulaire. -4- - la figure 4 représente le principe de dimensionnement d'un miroir permettant d'assurer un ensoleillement uniforme à la surface d'un collecteur de section droite. Les figures 5, 6 et 7 représentent des cas particuliers de dimensionnement de miroirs pour des collecteurs plans. - La figure 8 représente le dispositif appliqué à un lampadaire dont le panneau photovoltaïque et son miroir sont inclinés. - La figure 9 représente le montage en parallèle de plusieurs panneaux photovoltaïques du dispositif dont les noeuds d'interconnexion sont situés sur le disque commun d'un collecteur tournant, en sortie des balais, afin de minimiser les courants au niveau des 10 contacts. - La figure 10 représente un mécanisme d'échange standard à verrouillage permettant de communaliser des batteries d'accumulateurs utilisées à la fois pour l'éclairage d'un lampadaire et la traction de véhicule électrique. - Les figures 11 et 12 représentent des dispositifs déployables montés sur des véhicules. 15 - La figure 13 représente un dispositif supporté par un bâtiment qui s'intègre entièrement dans l'espace libre en dessous de celui-ci. Ce bâtiment supporte par ailleurs le mât d'un relais hertzien. - La figure 14 représente le maillage d'un grand nombre de dispositifs au sol permettant d'assurer conjointement une production électrique et agricole. 20 Dans les formes de réalisation, le dispositif prototype concerne un lampadaire autonome, équipé d'une batterie d'accumulateurs, pouvant fonctionner durant la totalité des nuits d'hiver à 43,5° de latitude. Deux miroirs assurent la concentration du flux solaire vers un panneau photovoltaïque orienté vers le soleil. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à: 25 l'alimentation électrique d'équipements montés sur des mâts l'exploitation de la surface ensoleillée autour de diverses réalisations existantes (château d'eau, réservoir, cheminée, éolienne, relais hertzien etc.) la réalisation de centrales électriques raccordées ou non raccordées au réseau électrique, avec production éventuelle de chaleur à usage domestique ou 30 industriel. Le dispositif de concentration solaire, asservi à la position du soleil suivant 1 ou 2 axes, est caractérisé par l'emploi d'un collecteur et d'un miroir dont la forme est telle que la distance entre les points d'impacts de deux rayons réfléchis sur la surface du collecteur -5- soit proportionnelle à l'écart entre les 2 rayons incidents correspondants, de manière à répartir uniformément la puissance d'irradiation à la surface du collecteur. Le miroir du dispositif peut présenter une courbure non nulle. Une pluralité de dispositifs peut être utilisée pour constituer un système de production 5 d'énergie solaire thermique, thermodynamique ou photovoltaïque. Le dispositif peut être asservi à la position du soleil autour de l'axe vertical et exploiter tout ou partie d'une surface d'ensoleillement plane elliptique, dont la projection horizontale est un disque dont le centre est situé sur l'axe de rotation. Le dispositif peut exploiter une surface d'ensoleillement verticale. 10 Le dispositif peut être installé sur Terre ou sur l'eau. Le dispositif peut se débrayer par grand vent afin de présenter naturellement un profil aérodynamique adapté limitant les efforts mécaniques sur sa structure. Les cellules photovoltaïques du dispositif peuvent être refroidies par convection ou par un fluide caloporteur et la production de chaleur peut être valorisée. 15 La température du collecteur ou la puissance électrique délivrée par le dispositif peuvent faire l'objet d'une surveillance de protection commandant, si nécessaire, son dépointage, partiel ou total, par rapport au soleil. Le dispositif peut comprendre plusieurs panneaux photovoltaïques montés en parallèle dont les noeuds d'interconnexion sont situés sur le disque commun d'un collecteur 20 tournant, en sortie des balais, afin de ne pas sommer les courants au niveau des contacts. Le dispositif peut être monté sur un mât pour rendre autonome des équipements électriques supportés par celui-ci. Le dispositif peut être couplé à un système de recharge de batteries utilisées à la fois pour l'éclairage d'un lampadaire et la traction de véhicule électrique, afin d'optimiser la 25 consommation d'énergie en regard des besoins et de la production saisonnière. La face à l'ombre du dispositif peut être utilisée comme support publicitaire. Le dispositif peut être monté sur un véhicule (terrestre, marin, aérien, spatial) pour assurer sa propulsion ou être transporté puis déployé à l'arrêt. Le dispositif peut être supporté par un bâtiment inscrit dans sa zone d'ombrage afin 30 d'exploiter cet espace libre et pouvoir bénéficier d'une fonction de pare-soleil et de climatisation naturelle en été. Le maillage d'un grand nombre de dispositifs peut permettre d'assurer conjointement une production électrique et agricole et peut servir de support de serre ou de divers moyens d'arrosage ou de protection. ' -6- Le dispositif peut comprendre un panneau photovoltaïque et son concentrateur verticaux ou inclinés. Le dispositif peut constituer un kit adaptable à des mâts existants. Une pluralité de dispositifs peut être disposé de manière jointive. Un dispositif ou ensemble de dispositifs peut être disposé sur des roues au sol ou sur des flotteurs à la surface d'une étendue d'eau. Le dispositif peut produire conjointement de l'électricité et de la chaleur. 15 20 25 30 REVENDICATIONS1) Dispositif de concentration solaire asservi à la position du soleil suivant 1 ou 2 axes, constitué d'un collecteur et d'un miroir dont la forme est telle que la distance entre les 5 points d'impacts de deux rayons réfléchis sur la surface du collecteur soit proportionnelle à l'écart entre les 2 rayons incidents correspondants, de manière à répartir uniformément la puissance d'irradiation à la surface du collecteur. 2) Dispositif, selon la revendication 1, dont le miroir présente une courbure non nulle. 3) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, asservi à la 10 position du soleil autour de l'axe vertical, à Terre ou sur l'eau, et exploitant tout ou partie d'une surface d'ensoleillement plane elliptique, dont la projection horizontale est un disque dont le centre est situé sur l'axe de rotation, ou une surface d'ensoleillement verticale. 4) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, pouvant se 15 débrayer par grand vent afin de présenter naturellement un profil aérodynamique adapté limitant les efforts mécaniques sur sa structure. 5) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont le collecteur est recouvert de cellules photovoltaïques refroidies par convection ou par un fluide caloporteur et dont la production de chaleur est éventuellement valorisée. 20 6) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la température du collecteur ou la puissance électrique délivrée font l'objet d'une surveillance de protection commandant, si nécessaire, le dépointage, partiel ou total, du dispositif par rapport au soleil. 7) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des 25 panneaux photovoltaïques montés en parallèle dont les noeuds d'interconnexion sont situés sur le disque commun d'un collecteur tournant, en sortie des balais, afin de ne pas sommer les courants au niveau des contacts. 8) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, monté sur un mât pour rendre autonome des équipements électriques supportés par celui-ci. 30 9) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, couplé à un système de recharge de batteries utilisées à la fois pour l'éclairage d'un lampadaire et la traction de véhicule électrique, afin d'optimiser la consommation d'énergie en regard des besoins et de la production saisonnière.-8- 10) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la face à l'ombre est utilisée comme support publicitaire. 11) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, monté sur véhicule pour assurer sa propulsion ou être transporté puis déployé à l'arrêt. 12) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, supporté par un bâtiment inscrit dans sa zone d'ombrage afin d'exploiter cet espace libre et de pouvoir bénéficier d'une fonction de pare-soleil et de climatisation naturelle en été. 13) Dispositif de production d'énergie solaire thermique, thermodynamique ou photovoltaïque caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs dispositifs de 10 concentration solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes. 14) Maillage d'un grand nombre de dispositifs, selon la revendication 13, permettant d'assurer conjointement une production électrique et agricole et pouvant servir de support de serre ou de divers moyens d'arrosage ou de protection.