Brevet FR3009871A1 — publié le 20150227

Grande lentille de Fresnel et sa méthode de réalisation La présente invention se rapporte aux grandes lentilles de Fresnel et plus particulièrement aux grandes lentilles de Fresnel qui sont utilisées pour faire de la concentrateur solaire. ETAT DE LA TECHNIQUE Une lentille de Fresnel est une lentille convergente ou divergente qui permet d'obtenir une distance focale courte avec un diamètre large et avec un poids et un volume inférieurs à une lentille sphérique standard. Une lentille de Fresnel permet de réduire la quantité de matière transparente (verre minéral ou de verre organique) nécessaire pour focaliser la lumière. Pour obtenir la focalisation de la lumière la lentille de Fresnel est constituée d'un ensemble de sections annulaires concentriques connues sous le nom de zones de Fresnel. La surface d'une lentille de Fresnel n'est pas lisse mais se compose de plusieurs surfaces de même courbure, séparées par des discontinuités. On connait aussi des lentilles de Fresnel dites à focale « linéaire » qui produisent une focale dont la forme est une droite contrairement à une lentille de Fresnel « ponctuelle » qui produit une focale dont la forme est un point ou un disque. Les lentilles de Fresnel utilisées pour concentrer l'énergie solaire ont des tailles souvent inférieures à un mètre de côté, car la fabrication industrielle de ces lentilles nécessite d'utiliser des moules métalliques de mêmes dimensions qui sont difficile à réaliser ou très coûteux. Pourtant il serait intéressant d'utiliser de très grandes lentilles de Fresnel notamment dans le domaine de la concentration solaire car le taux de concentration solaire est proportionnel à la taille de la lentille et certaines applications nécessitent de très fortes concentrations solaires, comme par exemple pour provoquer la décomposition de l'eau en Hydrogène et en Oxygène, ce qui nécessite de très hautes températures et des concentrations de plusieurs milliers de fois celle du soleil. Utiliser de très grandes lentilles de Fresnel serait aussi utile pour optimiser le coût des concentrateurs solaires qui sont pourvus de suiveurs de soleil. Les suiveurs de soleil sont des automates électromécaniques coûteux dont la rentabilité augmente souvent proportionnellement à la surface de la lentille de Fresnel, ce qui montre tout intérêt de choisir une grande lentille de Fresnel lorsque celle-ci est utilisée sur un suiveur de soleil. D'autre part, pour obtenir industriellement de très hautes températures on utilise aussi aujourd'hui des champs 1 d'héliostats qui redirigent le rayonnement solaire vers une cible unique placée au sommet d'une tour. Mais comme le taux de concentration est proportionnel au nombre d'héliostats mis en oeuvre, il est nécessaire d'installer un grand nombre d'héliostats ce qui rend nécessaire de faire de gros investissements financiers pour atteindre le taux de concentration voulu. Cet inconvénient peut être résolu en redirigeant le rayonnement solaire de chaque héliostat vers autant de lentille de Fresnel dont le taux de concentration est celui qui est désiré. BUT DE L'INVENTION L'invention a pour but principal de décrire la structure et les modes de réalisation d'une grande lentille de Fresnel, c'est-à-dire d'une lentille de Fresnel dont la surface est par exemple supérieure à un mètre carré, et cela à moindre coût. RESUME DE L'INVENTION On entend par « grande lentille de Fresnel » une lentille de Fresnel selon l'invention dont la diagonale, le diamètre ou un des côtés est supérieur à un mètre. On entend par « petites lentilles de Fresnel » les lentilles de Fresnel qui constituent la « grande lentille de Fresnel » selon l'invention. La grande lentille de Fresnel selon l'invention est constituée d'une pluralité de petites lentilles de Fresnel dont la caractéristique est d'être toutes identiques entre elles. Les petites lentilles de Fresnel sont de préférence juxtaposées les unes aux autres et positionnées dans un même plan. La structure optique et la disposition des petites lentilles de Fresnel les unes par rapport aux autres sont telles que la surface optique globale qui résulte de cette juxtaposition possède la propriété de concentrer le rayonnement solaire incident, lorsque celui-ci est perpendiculaire à la surface, en une zone focale unique qui est commune à toutes les zones focales des dites petites lentilles de Fresnel. Cette zone focale unique peut être par exemple un point, un disque, une droite ou un rectangle. Cet assemblage de petites lentilles de Fresnel constitue donc la structure de la grande lentille de Fresnel qui concentre donc le rayonnement solaire dans cette zone focale unique Afin que cet assemblage de petites lentilles de Fresnel, toutes identiques entre elles, ait cette caractéristique particulière, la structure optique et la position des dites petites lentilles de Fresnel sont définies suivant le mode de réalisation suivant : on calcule la structure optique d'une lentille de Fresnel dont les dimensions sont supérieures ou égales aux dimensions de la grande lentille de Fresnel désirée et dont la 1 forme et la longueur de sa focale correspondent aux caractéristiques voulus. - puis on divise la surface de cette grande lentille de Fresnel en une pluralité de petites surfaces optiques toutes identiques entre elles, en remarquant que : - si la grande lentille de Fresnel désirée a une focale de type « focale ponctuelle », les positions de toutes les petites surfaces optiques résultants de la division sont telles que l'on peut superposer l'une quelconque des petites surfaces sur une autre quelconque petite surface en effectuant une opération unique de rotation de l'une d'elles suivant un arc de cercle ayant pour centre le centre de la grande lentille de Fresnel. - si la grande lentille de Fresnel désirée a une focale de type « focale rectiligne », les positions de toutes les petites surfaces optiques résultants de la division sont telles que l'on peut superposer l'une quelconque des petites surfaces sur une autre quelconque petite surface en effectuant sur l'une d'elles une opération de translation suivant un axe qui est parallèle à l'axe longitudinal de la focale et/ou une opération de rotation de 180° suivant un arc de cercle ayant pour centre un point situé sur l'axe longitudinal central de la grande lentille de Fresnel qui est parallèle à l'axe longitudinal de la focale. Dans un mode de réalisation particulier la grande lentille de Fresnel et/ou les petites lentilles de Fresnel possèdent une des formes suivantes: carré, rectangle, triangle, pentagone, hexagone, cercle. Dans un autre mode de réalisation particulier les petites lentilles de Fresnel sont fabriquées par moulage ou par extrudage ou par pressage ou par gravure ou par photogravure. DECRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des figures 1 à 6 indexées. La figure 1 est un exemple, vue de face, d'une lentille de Fresnel à focale ponctuelle, dont les dimensions sont supérieures ou égales aux dimensions de la grande lentille de Fresnel que l'on souhaite réaliser. Les figures 2 et 3 sont des exemples de grandes lentilles de Fresnel selon l'invention La figure 4 est une vue en coupe de la grande lentille de Fresnel de la figure 3 avec le parcours optique du rayonnement concentré par la lentille. La figure 5 représente un exemple vue de face d'une lentille de Fresnel à focale rectiligne dont les dimensions sont supérieures ou égales aux dimensions de la grande lentille de Fresnel que l'on souhaite réaliser. 1 La figure 6 représente la structure d'une grande lentille de Fresnel découpée dans la lentille de Fresnel de la figure 5. Une grande lentille de Fresnel (P) selon l'invention est constituée d'une pluralité de petites lentilles de Fresnel L 1 , L2, L3, L4, L5 toutes identiques entre elles et dont la structure optique (1) est telle que toutes les petites lentilles de Fresnel Ll, L2, L3, L4, L5 concentre un faisceau de lumière parallèle en une même focale. La figure 2 est un exemple, non limitatif, d'une grande lentille de Fresnel (P) vue de face et constituée de 5 petites lentilles de Fresnel identiques L 1 , L2, L3, L4, L5 ayant 4 côtés chacune, formant 5 quadrilatères identiques juxtaposés les uns aux autres par l'un de leurs côtés. Cette grande lentille de Fresnel (P) est de type « focale ponctuelle ». La structure optique (1) résultant de la juxtaposition des 5 petites lentilles de Fresnel Ll, L2, L3, L4, L5 forme un pentagone constitué d'un ensemble de sections annulaires concentriques (1) dont le centre (10) se situe au centre du pentagone et appartient à chacune des 5 petites lentilles de Fresnel Ll, L2, L3, L4, L5. Pour calculer la structure optique (1) de la grande lentille de Fresnel (P) pentagonale (figure 2) on calcule la structure optique (1) d'une lentille de Fresnel de base (L) dont la taille est supérieure ou égale à celle de la grande lentille de Fresnel (P) pentagonale (figure 2) tout en ayant la même longueur focale. Ce dernier calcul étant à la portée de l'homme de métier. Puis on découpe la lentille de Fresnel de base (L) pour en extraire 5 petites surfaces identiques Ll, L2, L3, L4, L5, en tenant compte de cette particularité que chacune des 5 petites surfaces L 1 , L2, L3, L4, L5 peut se superposer à l'une quelconque des autres petites surfaces Ll, L2, L3, L4, L5 par une simple rotation suivant un arc de cercle (9) ayant pour centre le centre (10) de la grande lentille de Fresnel pentagonale (P). Le résultat est une grande lentille de Fresnel (P) composée de 5 petites lentilles de Fresnel L 1 , L2, L3, L4, L5 dont le coût de fabrication, notamment le coût du petit moule, sera inférieur à ce qu'aurait été le coût de fabrication de la grande lentille de Fresnel pentagonale (P) si celle-ci avait été fabriquée à partir d'un grand moule qui aurait été au moins cinq fois supérieur en surface à celui du petit moule. En effet les opérations de moulage, notamment par injection sous vide d'air, tout comme les techniques de pression à chaud, qu'il s'agisse de verre cristallin ou verre organique, rencontre des problèmes de dilatation, d'homogénéité, de fragilité, de précision,.. qui augmentent avec la taille du moule et qui nécessite un outillage et un procès de fabrication coûteux. La figure 3 est un autre exemple de grande lentille de Fresnel (C) à « focale ponctuelle » qui est cette fois de forme carrée et composée de quatre petites lentilles de 1 Fresnel Cl, C2, C3, C4 toutes identiques et elles-mêmes carrées. Cette configuration correspond bien aux caractéristiques d'une grande lentille de Fresnel suivant l'invention. En effet chacune des 4 petites lentilles de Fresnel Cl, C2, C3, C4 peut se superposer à l'une quelconque des autres petites lentilles de Fresnel Cl, C2, C3, C4 simplement en effectuant une rotation suivant un arc de cercle dont le centre (10) est ici le centre du carré formé par la grande lentille de Fresnel (C). Cette superposition se fait à la fois au niveau de la forme des petites lentilles de Fresnel, cette forme est dans cet exemple un carré, mais aussi au niveau de la structure optique qui est identique pour chaque petite lentille Ainsi la structure (2) de la petite lentille C2 est identique à la structure (3) de la petite lentille C3 mais pour que la superposition des deux structures (2,3) soit effective il est nécessaire de faire faire à la petite lentille C2 une rotation de 90° autour du centre (10) de la grande lentille de Fresnel (C) dans le sens des aiguilles d'une montre. La figure 4 fait référence à la figure 3 précédente en montrant, par une vue en coupe transversale passant par le centre (10) de la grande lentille de Fresnel (C), le parcours optique des rayonnement lumineux (12 et 13) qui traversent les petites lentilles de Fresnel C2 et C3 et qui se concentre en leur foyer commun (11). On remarque bien d'une part que ces petites lentilles de Fresnel C2, C3 sont identiques quant à leur structure optique (2,3) bien qu'étant positionnées en opposition, et d'autre part que leur point de focalisation (11) est également identique. On remarquera aussi que cette description des petites lentilles C2 et C3 serait absolument identique avec les petites lentilles de Fresnel Cl et C2 ou C3 et C4 ou encore C4 et Cl. Les figures 5 et 6 représentent pour exemple une lentille de Fresnel de base (B) et une grande lentille de Fresnel (F) suivant l'invention et dont les focales sont cette fois de type « focale rectiligne ». Les lentilles de Fresnel de type « focale rectiligne » ont les zones de Fresnel qui sont rectilignes (6) et leur structure optique possède un axe de symétrie central (4). La lentille de Fresnel de base (B) est carrée et découpée dans cette exemple en 4 petites lentilles de Fresnel F1, F2, F3, F4 identiques et également carrées. Cette configuration correspond bien encore aux caractéristiques d'une grande lentille de Fresnel suivant l'invention. En effet chacune des 4 petites lentilles de Fresnel F1, F2, F3, F4 peut se superposer à l'une quelconque des autres petites lentilles de Fresnel F 1 , F2, F3, F4 simplement en effectuant soit une rotation suivant un arc de cercle dont le centre est placé sur l'axe de symétrie central (4), c'est le cas par exemple pour la petite lentille F2 qui se superpose à la petite lentille F4 par une rotation de 90° dans le sens des aiguilles d'une montre autour d'un point (5) qui est ici le centre du carré formé par la grande lentille de 1 Fresnel (F); soit cette superposition se fait par une opération de translation suivant l'axe de symétrie central (4), c'est le cas par exemple de la petite lentille F1 qui se superpose à la petite lentille F2 par une translation à droite suivant l'axe de symétrie central (4). Ces superpositions se font à la fois au niveau de la forme des petites lentilles de Fresnel, cette forme est dans cet exemple un carré, mais aussi au niveau de la structure optique qui est identique pour chaque petite lentille F1, F2, F3, F4. Ainsi la structure (7) de la petite lentille F1 est identique à la structure (8) de la petite lentille F4 mais pour que la superposition des deux structures (7 et 8) soit effective il est nécessaire de faire effectuer à la petite lentille Fl à la fois une rotation de 90° dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour du centre (5) placé sur l'axe de symétrie (4) de la grande lentille de Fresnel (F) puis effectuer une translation vers la gauche suivant l'axe de symétrie (4) pour que cette petite lentille F 1 se superpose bien à la petite lentille F4. EXEMPLE DE REALISATION On décrit maintenant un exemple de réalisation de l'invention. On souhaite réaliser une grande lentille de Fresnel à focale ponctuelle en verre organique, carrée, de 3 mètres de côté et de 3 mètres de longueur focale. Pour cela on calcule la structure optique d'une lentille de Fresnel de base qui sera carrée, de 3 mètres de côté et de 3 mètres de longueur focale, notamment la disposition et la taille des zones Fresnel qui seront faites de sections annulaires concentriques de manière à obtenir une focale ponctuelle et la longueur focale désirée (3 mètres). Ce calcul est connu de l'homme de métier. Puis on divise la surface de cette lentille de Fresnel de base en 4 petites lentilles de Fresnel identiques Cl, C2, C3, C4, carrées, de 1,50 m de côté. Toutes les petites lentilles de Fresnel possèdent la même longueur focale (3 m) et sont juxtaposées les unes à côté des autres de sorte que la superposition de l'une quelconque sur n'importe qu'elle autre est possible par une simple rotation de 90°, 180° ou 270° suivant un arc de cercle ayant pour centre le centre (10) de la grande lentille de Fresnel (C) . La structure finale est bien une grande lentille de Fresnel (C) de 3 mètres de côté et de 3 mètres de longueur focale, qui aura été fabriquée à partir de lentilles de Fresnel de seulement 1,50 m de côté, ce qui est du domaine de la faisabilité de l'homme de métier. De plus la presse à chaud qui servira à imprimer les zones de Fresnel à la surface de la plaque en verre organique, utilisera un bloc d'acier carré thermostaté de seulement 1,50 m de côté alors que si la fabrication n'utilisait pas cette invention il aurait fallu un bloc d'acier thermostaté de 3 m de côté beaucoup plus lourd et beaucoup plus cher qui ne fournirait pas par ailleurs la même précision mécanique. 1 AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention permet bien de réaliser de très grandes lentilles de Fresnel à partir d'une pluralité de petites lentilles de Fresnel toutes identiques dont les dimensions sont compatibles avec des réalisations à bas coûts et ne nécessitant qu'un seul moule ou qu'une seule structure de presse pour les fabriquer. 15 20 25 30 REVENDICATIONS1 - Grande lentille de Fresnel comprenant une pluralité de plus petites lentilles de Fresnel caractérisée en ce que toutes les petites lentilles de Fresnel ont leur forme et leur structure optique toutes identiques entre elles. 2 - Grande lentille de Fresnel selon la revendication 1 caractérisée en ce que la dite grande lentille de Fresnel (Figure 2 et 3) possède une focale ponctuelle (11) et que la position de chacune des petites lentilles de Fresnel (L1, L2, L3, L4, L5) les unes par rapport aux autres est telle que la superposition de l'une quelconque de celles-ci sur une autre quelconque d'entre elles peut s'effectuer par la rotation de l'une d'elles suivant un arc de cercle (9) ayant pour centre le centre (10) de la grande lentille de Fresnel (L). 3 - Grande lentille de Fresnel selon la revendication 1 caractérisée en ce que la-dite grande lentille de Fresnel (Figure 6) possède une focale rectiligne et que la position de chacune des petites lentilles de Fresnel (F1, F2, F3, F4) les unes par rapport aux autres est telle que la superposition de l'une quelconque de celles-ci sur une autre quelconque d'entre elles peut s'effectuer par la rotation de l'une d'elles suivant un arc de cercle ayant pour centre un point (5) situé sur l'axe de symétrie central (4) de la grande lentille de Fresnel (F) et/ou par la translation de la-dite quelconque petite lentille de Fresnel suivant un axe parallèle à l'axe de symétrie central (4) de la-dite grande lentille de Fresnel (F). 4 - Grande lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la-dite grande lentille de Fresnel possède l'une des formes suivantes: carré, rectangle, triangle, pentagone, hexagone, cercle. 5 - Grande lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les petites lentilles de Fresnel sont en verre minéral ou en verre organique. 6 - Grande lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les petites lentilles de Fresnel sont fabriquées par1 moulage ou par extrudage ou par pressage ou par gravure ou par photogravure.