Brevet FR3042026A1 — publié le 20170407

La présente invention concerne un dispositif de production d'électricité par procédé thermoélectrique avec captage et concentration statique par lentille boule de l'énergie solaire, associé à des récepteurs thermoélectriques à effet Seebeck afin de produire de l'électricité sans tracking solaire et sans pièce en S mouvement, particulièrement destiné à des systèmes de production isolés et autonomes, ou aux centrales solaires à concentration, permettant la production d'électricité. Actuellement les points critiques des systèmes isolés autonomes ou des Io centrales solaires à concentration se trouvent dans le captage, la concentration, la réception et la transformation de l'énergie solaire, qui se fait à l'aide de lentille de Fresnel, miroir, parabole, capteur cylindro-parabolique et autre concentrateur solaire mobile pour renvoyer l'énergie sur un récepteur complexe et onéreux mettant en oeuvre des pièces en mouvement ou sous pression de fluide, afin de vs la transformer en électricité. Ces différents concentrateurs de rayons solaires doivent suivre la course du soleil afin de faire converger les rayons solaires vers un récepteur complexe (moteur de stirling, circuit de fluide caloporteur, etc...), pour convertir en électricité la quantité d'énergie récupérée, ce qui nécessite une infrastructure zo mécanique et électrotechnique importante afin de rester dans l'axe du soleil, engendrant complexité de mise en oeuvre, maintenance importante du récepteur, coût prohibitif de l'installation ainsi que du fonctionnement. De plus, dans certains cas la fabrication des cellules solaires photovoltaïques à concentration restent polluantes pour l'environnement. z La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients des systèmes actuels avec la problématique de suivi de la course du soleil et la complexité technique du récepteur - convertisseur, en remplaçant les systèmes de lentille, parabole et autres concentrateurs solaires mobiles par une sphère 30 pleine (boule) statique de verre, de cristal, de plastique, autres matières ou sphère remplies de liquide avec des propriétés optiques similaires, et de 3042026 2 remplacer les récepteurs existants, par des récepteurs thermoélectriques à effet Seebeck, positionnés sous la boule, à une distance déterminée, par rapport au diamètre de la boule, pour que la focalisation des rayons se concentre sur une surface restreinte, afin de permettre une absorption optimale de l'énergie dans le récepteur et d'atteindre la température nécessaire pour déclencher l'effet Seebeck sur cette zone. Avantageusement, ce système permet une focalisation des rayons solaires sur le récepteur tout au long de la journée sans aucun mouvement, car le la sphère pleine (boule) de verre ou sphère pleine de liquide à pour propriété optique de faire converger les rayons du soleil en un seul point se déplaçant linéairement en fonction de la course du soleil, tout en gardant la boule statique. La partie réception et transformation de l'énergie solaire en électricité est réalisé par la technologie thermoélectrique à effet Seebeck nécessitant aucune 1s maintenance, aucune pièce mobile, peu d'investissement et non polluante pour sa fabrication. L'invention sera mieux comprise et les autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la 2o description explicative qui va suivre, faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lequel : la figure 1 représente une vue de coté de l'invention la figure 2 représente une coupe de l'invention En référence à ces dessins le système comporte deux éléments fondamentaux, un collecteur-concentrateur en forme de boule (1), un récepteur thermoélectrique à effet Seebeck en forme de demi sphère servant également de châssis (3), Le premier élément, la boule (1) se caractérise par sa matière qui peut être en verre, cristal, plastique, et autres matières ou encore sphère remplie de liquide dont le but est d'avoir les propriétés optiques intrinsèques à faire 3042026 3 converger les rayons du soleil (6) en un seul point comme une loupe, tout en étant fixe, malgré le déplacement de l'astre solaire. Le déplacement du soleil fera donc varier le point de focalisation tout au long du S récepteur sans aucun déplacement mécanique tout en conservant la même quantité d'énergie collectée. Grâce à ces propriétés optiques et physiques la lentille boule permet d'avoir un facteur de transmittivité-absorptivité excellent et donc de transférer un maximum d'énergie sur le récepteur. fo Le facteur de concentration des rayons solaires par la lentille boule est défini par : C = (Sc)Surface Collectrice / (Sr)Surface Réceptrice Pour une lentille boule, le diamètre du disque est collecteur, donc Sc = (Pi*RA2) Exemple concret pour une boule de 10 cm de rayon : Sc= (Pi*10"2) = 314 cm2 de surface collectrice Ise avec une focalisation sur une surface réceptrice de 0,5 cm2, on trouve donc C = 628. Reste à prendre en compte le facteur de transmission du matériau constituant la boule, pour l'exemple on prendra 0,6 de coefficient, donc le facteur de 20 concentration final est d'environ 376. Température théorique atteignable au foyer (avec 1000 W/m2 reçu au sol par la Terre en plein soleil et une émissivité = 1 pour la cible) : 2S (Température °K )"4 = (puissance reçue * facteur concentration* émissivité) / constante de Stefan-Boltzmann Avec une boule de 10cm de Rayon soit 314 cm2 de surface collectrice : 3® (T)A4 = 31.4*376 / 5,67.10A-8 soit T = 402 °Celsius atteignable au point focal sur le récepteur thermoélectrique. Le deuxième élément, le récepteur thermoélectrique à effet Seebeck en 35- forme de demi sphère servant de convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique (3) se caractérise par sa forme en demi sphère en fonction du diamètre de la boule pour permettre une focalisation tout au long de la journée 3042026 4 des rayons solaires sur le récepteur thermoélectrique afin d'atteindre la température nécessaire pour déclencher l'effet Seebeck dans la zone impactée par les rayons focalisés, et de ce fait, à équidistance en dessous de la surface de la boule sur toute sa longueur. $ Les générateurs thermoélectriques à effet Seebeck sont composés de deux faces avec des matériaux différents en interne (principe du thermocouple), une dite froide et l'autre chaude. Dans le système présent la face chaude est orientée vers la sphère, tandis que Io l'autre face est à l'extérieur et pourra être muni d'un dissipateur thermique (5) afin de réduire sa température pour accentuer le delta entre les deux faces. La différence de température entre les deux faces entretien l'effet Seebeck, dont le mécanisme est un déplacement d'électron dans la matière du à la chaleur, ce dipôle a donc une borne positive et négative entre lesquelles circule un courant 1Ç électrique. Selon les matériaux employés dans les récepteurs thermoélectriques la température optimale nécessaire, entre la face chaude et froide, est variable entre 100 et 300 degrés Celsius, ainsi que le rendement pouvant varier de 5 à 20 %. Dans l'état actuel de la technologie sur les matériaux thermoélectriques une Zc surface de 16 centimètre carré peut produire 10 Watts (soit 2 Ampères sous 5 volts) Le récepteur en demi sphère pourra être composé de plusieurs cellules thermoélectriques cote à cote, en forme de pentagone et d'hexagone en nid d'abeille afin de constituer une demi coquille ou d'une seule cellule constituant le récepteur en demi sphère dans sa totalité. Afin d'éviter toute réflexion du rayonnement incident son coefficient d'absorption doit être aussi élevé que possible. Afin d'éviter les pertes par échanges convectifs et radiatifs et de faire augmenter la température de la face chaude, cette dernière peut être entourée 3, d'une enceinte (2) en verre, plastique, ou autres matières, optionnellement sous vide. 3042026 5 La zone d'impact des rayons solaires est chauffée très rapidement puis, au fil du temps la chaleur se propage par conduction à toute la demi sphère de captage (3) ainsi que par convection à tout l'espace inter- sphères (4). Cela permet une optimisation de la production électrique puisque à terme, toute S" la surface chaude du récepteur aura atteinte la température de production, ainsi au bout d'un temps donné, quel que soit la position du point focal, c'est l'ensemble du récepteur thermoélectrique (demi-sphère) qui va produire en permanence. lo Dans l'enceinte sous la sphère la température de la face chaude pourra dépasser les 100 degrés Celsius sur toute la surface, et localement sur le point focal des rayons solaires plusieurs centaines de degré en fonction du diamètre de la sphère, de la focale choisie et de l'ensoleillement. L'enceinte (2) permet d'également de tenir la boule par des points de 15 fixation latéraux, ce dernier étant orienté Est-Ouest pour rester en phase avec la course du soleil. Des variantes non illustrées pour le récepteur, seront possibles selon l'évolution des technologies sur les matériaux thermoélectriques. ao Le système de base comme il est décrit comporte deux éléments qui suffisent à concentrer les rayons solaires durant une journée pour échauffer suffisamment une face du récepteur thermoélectrique afin de produire de l'électricité tout en étant statique, de plus les systèmes peuvent être couplés entre eux en série ou parallèle, en nombres illimités et nécessitent aucune 25 maintenance, aucune pièce mobile, peu d'investissement et non polluante pour sa fabrication. Ce système est techniquement valable à différentes dimensions, en effet il est possible de mettre en oeuvre des concentrateurs de ce type, avec des boules de différents diamètres, et de ce fait les applications sont multiples, dont des 30 centrales solaires à concentration, des générateurs mobiles, des lampadaires autonomes, des centrales d'électricités autonomes dans des milieux hostiles, des sources d'énergie sur les systèmes spatiaux, etc... REVENDICATIONS1. Dispositif de production d'électricité par procédé thermoélectrique avec captage et concentration statique par lentille boule de l'énergie solaire, associé à des récepteurs thermoélectriques à effet Seebeck. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la boule peut être de verre, de cristal, de plastique, autres matières ou sphère remplie de liquide avec des propriétés optiques permettant de faire converger les rayons vers un seul point. Io 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le récepteur est composé d'une structure thermoélectrique à effet Seebeck en forme de demi sphère servant de convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique S 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la face chaude du récepteur thermoélectrique peut être entourée d'une enceinte de verre, plastique, ou autres matières, et optionnellement sous vide, pour conserver la chaleur reçu. `?..o 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système dans sa globalité peut être couplé en série ou parallèle, en nombres illimités, pour apporter encore plus d'énergie électrique. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le récepteur 25 thermoélectrique peut être composé de plusieurs cellules thermoélectriques cote à cote, en forme de pentagone et d'hexagone en nid d'abeille ou d'une seule cellule constituant le récepteur en demi sphère dans sa totalité. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système ne contient aucune pièce mobile pour la production de l'électricité.