Brevet FR3059763A1 — publié le 20180608

La présente invention est une structure de grande envergure permettant de produire de l'énergie électrique à partir de panneaux photovoltaïques de façon continue et optimisée pendant la durée du jour. L'utilisation de panneaux photovoltaïques afin de produire de l'électricité à partir de cette énergie renouvelable qu'est le rayonnement solaire est de plus en plus courante à toutes les échelles (particuliers, structures intermédiaires locales, exploitations de champs solaires sur des surfaces de plusieurs km2). Cependant, le fait que ces panneaux solaires soient situés proche de la surface terrestre rend leur production d'électricité dépendante des conditions météorologiques. Ainsi, la production d'électricité à partir de ces dispositifs de basse altitude est intermittente et varie essentiellement en fonction de la présence des nuages. Dans ce contexte, aucune prévisibilité fiable peut être envisagée concernant la production d'électricité même à des échelles temporelles de quelques heures au sein d'une même journée. Le dispositif présenté selon l'invention permet d'accéder à une production d'électricité maximale à partir de l'énergie solaire disponible à un endroit géographique du globe, avec une prévisibilité sans précédent de la production d'électricité à toutes les échelles de temps. En effet, le dispositif comporte trois structures principales permettant d'accéder à une telle performance. La première structure est un plan de grande étendue sur lequel sont placés les panneaux photovoltaïques et auquel sont solidaires des enveloppes étanches et à volume variable contenant de l'hélium ou du dihydrogène sous forme de gaz afin de donner à l'ensemble de cette structure un poids négligeable. Cette structure placée en basse stratosphère permet de transformer le rayonnement solaire en électricité dans un cadre optimal. La deuxième structure est une tour, qui résulte de l'empilement de modules cylindriques de poids également négligeables, qui permet de soulever le plan des panneaux photovoltaïques de la surface terrestre jusqu'à la basse stratosphère. Cette tour de plusieurs kilomètres de hauteur possède une section grandissante en fonction de l'altitude due à la diminution de la pression atmosphérique avec l'altitude. En effet, chaque module contient une ou plusieurs enveloppes étanches et à volume variables contenant de l'hélium ou du dihydrogène sous forme de gaz afin de lui donner une flottabilité neutre par rapport à l'atmosphère. Le volume contenant l'hélium ou le dihydrogène nécessaire pour contrebalancer le poids du module sera grosso modo dix fois plus grand en basse stratosphère qu'au niveau de la surface terrestre. Le module le plus élevé en altitude, qui est en liaison avec le plan des panneaux photovoltaïques, possède sur sa surface supérieure un bras télescopique, orienté de façon oblique, et un axe de rotation horizontal diamétralement opposé qui relient mécaniquement ce module, et donc l'ensemble de la tour, avec le plan des panneaux photovoltaïques. Ainsi, grâce à la mobilité permise par l'axe de rotation 3059763 2 horizontal, la longueur variable du bras télescopique permet d'orienter sur le plan vertical (selon l'angle zénithal) le plan des panneaux photovoltaïques vers la position du Soleil. La troisième est dernière structure de cette invention est le bâtiment situé au niveau de la surface terrestre qui aura permis l'assemblage successif des modules ainsi que leur empilement 5 inversé (du plus haut au plus bas) afin de soulever le plan des panneaux photovoltaïques par le bas jusqu'en basse stratosphère. Ce bâtiment comporte une structure cylindrique centré sur un axe de rotation vertical qui sera couplé à la tour quand elle sera complètement déployée afin d'orienter sur le plan horizontal (selon l'angle azimutal) le plan des panneaux photovoltaïques vers le Soleil. 10 Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente en coupe le dispositif de l'invention dans le contexte atmosphérique. La figure 2 représente en perspective les caractéristiques principales des modules qui constituent la tour. La figure 3 illustre les différents états de déploiement d'une enveloppe étanche à volume 15 variable: enveloppe vide (3a), enveloppe légèrement gonflée (3b) et enveloppe déployée (3c). La figure 4 représente plusieurs modules de la tour en fonction de leur altitude. La figure 5 représente une coupe horizontale (5a) et trois coupes verticales (5b, 5c et 5d) du plan des panneaux photovoltaïques. La figure 6 représente une coupe verticale du module le plus haut de la tour en liaison avec le 20 plan des panneaux photovoltaïques. La figure 7 représente en perspective l'assemblage mécanique entre le disque de rotation de la structure cylindrique situé dans le bâtiment et le module les plus bas de la tour. La figure 8 représente en coupe l'assemblage progressif de la structure (8a, 8b et 8c) afin de placer le plan des panneaux photovoltaïques en basse stratosphère pour sa mise en fonction (8d). 25 En référence à ces dessins, la première structure du dispositif est le plan de panneaux photovoltaïques (1), la deuxième structure est la tour (2) de modules cylindriques (11) et la troisième structure est le bâtiment d'assemblage et de liaison mécanique avec la surface (3). Ces trois structures doivent être mises dans le contexte atmosphérique dans lequel la tropopause (4), la surface terrestre (5) et les nuages (6) sont les éléments principaux. Chaque module cylindrique 30 (11) constituant la tour (2) comporte une enveloppe étanche à volume variable (7), un câblage (8) pour transporter l'électricité produite par le plan de panneaux photovoltaïques (1) jusqu'à à la structure de surface (3), une cage de Faraday (9) pour protéger les éléments internes du module cylindrique (11) de la foudre et une surface étanche (10) afin d'empêcher l'eau liquide ou solide de s'introduire dans le module cylindrique (11). 3059763 3 Le plan de panneaux photovoltaïques (1) est constitué de cellules photovoltaïques (12), d'enveloppes étanches à volume variable (7) et d'une structure solide légère (13) à laquelle sont attachés les éléments évoqués précédemment. Le plan de panneaux photovoltaïques (1) est relié mécaniquement au module cylindrique 5 (11) le plus élevé par deux éléments: un axe de rotation horizontal (14) et un bras télescopique (15) orienté en biais de tel sorte que, lorsque celui-ci est complètement replié, le plan de panneaux photovoltaïques (1) est à l'horizontale, et lorsque le bras télescopique est complètement déployé, le plan de panneaux photovoltaïques (1) est à la verticale. A l'intérieur du bâtiment d'assemblage et de liaison mécanique avec la surface (3), un 10 cylindre massif (19) transmet à la tour (2) le mouvement de rotation afin que le plan de panneaux photovoltaïques (1) soit en permanence orienté vers le Soleil pendant la durée du jour. Afin de permettre une certaine mobilité verticale de la tour (2) associée aux changements de températures du gaz contenu dans les enveloppes étanches à volume variable (7) de toute la structure, plusieurs éléments relient mécaniquement la tour (2) à la surface terrestre: une 15 structure télescopique (16) assurant la liaison mécanique malgré les déplacements verticaux de la tour (2), des câbles de rétention (17) pour empêcher la tour (2) de dépasser une certaine altitude critique et des accroches (18) qui relient les câbles de rétention (17) au cylindre massif (19). A titre d'exemple non limitatif, le plan de panneaux photovoltaïques aura des dimensions de l'ordre de 5 km de longueur, de 1 km de largeur et de 50 m de hauteur, la tour aura une 20 hauteur de 15 km et une section variable avec des diamètres allant de 20 m en surface à 400 m au niveau de la tropopause, et le bâtiment d'assemblage aura une surface comparable à celle du plan de panneaux photovoltaïques et une hauteur de 100 m. Le dispositif selon l'invention est destiné à la production d'électricité de grande échelle, équivalente en puissance à celle des centrales nucléaires ou thermiques. 4 REVENDICATIONS1) Dispositif pour générer de l'électricité caractérisé en ce qu'il comporte un plan de panneaux photovoltaïques (1), situé au niveau de la tropopause (4), et une tour (2) le reliant à un bâtiment d'assemblage (3) situé à la surface terrestre (5). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le plan de panneaux photovoltaïques (1) est constitué d'une structure solide légère (13) à laquelle sont accrochées les cellules photovoltaïques (12) et le nombre nécessaire d'enveloppes étanches à volume variable (7) afin que l'ensemble ait une flottabilité toujours positive même pour les températures et les pressions atmosphériques les plus faibles susceptibles d'exister aux altitudes concernées. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tour (2) est constituée d'un empilement de modules cylindriques (11) dont la flottabilité est toujours positive même pour les températures et les pressions atmosphériques les plus faibles susceptibles d'exister aux altitudes concernées. 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que chaque module cylindrique (11) est constitué d'une structure solide légère faisant office de cage de Faraday (9) à l'intérieur de laquelle une surface étanche (10) protège le câblage (8) et une ou plusieurs enveloppes étanches à volume variable (7) qui permettent que l'ensemble ait une flottabilité toujours positive même pour les températures et les pressions atmosphériques les plus faibles susceptibles d'exister aux altitudes concernées. 5) Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 4 caractérisé en ce que les enveloppes étanches à volume variable (7) contiennent suffisamment d'hélium ou de dihydrogène pour que les structures qui les contiennent aient une flottabilité toujours positive même pour les températures et les pressions atmosphériques les plus faibles susceptibles d'exister aux altitudes concernées. 6) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 3 caractérisé en ce que le module cylindrique (11) le plus élevé de la tour (2) possède sur sa face supérieure un axe de rotation horizontal (14) et un bras télescopique (15) qui relient mécaniquement le plan de panneaux photovoltaïques (1) avec la tour (2). 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le bâtiment d'assemblage (3) s'étend sur une surface supérieure à celle du plan de panneaux photovoltaïques (1) et contient un cylindre massif (19) couplé à un axe de rotation vertical. 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que le cylindre massif (19) est en liaison mécanique avec la bas de la tour (2) à travers une structure télescopique (16) et aussi à travers des câbles de rétention (17) reliés au cylindre massif (19) grâce à des accroches (18).