FR2992404A1

FR2992404A1 - Concentrateur solaire autonome modulaire base sur des filets et des tiges cintrees

Info

Publication number: FR2992404A1
Application number: FR1201780A
Authority: FR
Inventors: Marc Jean-Marie Roger Chambon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2013-12-27
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: FR2992404B1

Abstract

Concentrateur solaire autonome à base de filets et tiges cintrées. La présente invention focalise le rayonnement sur un récepteur (1) via des miroirs (5) situés entre les mailles d'un premier filet (2): chaque miroir pivote dans un cadre en tige cintrée (6) selon une diagonale commune, et chaque cadre pivote dans sa maille selon son autre diagonale. L'orientation de chaque miroir est contrôlée par une tige (8) reliée à un second filet (3), mobile. La fixation des tiges aux miroirs est telle que la concentration est possible si les tiges sont parallèles. Le déplacement automatique du second filet par trois filins, dont deux reliés à des moteurs alimentés par des panneaux photovoltaïques spécifiquement orientés (10), permet le pivotement des miroirs pour maintenir la focalisation en cours de journée. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à produire chaleur à haute température ou électricité durant des expéditions en zones ensoleillées isolées.

Description

- 1 - La présente invention concerne un concentrateur solaire autonome rapidement assemblable et démontable basé sur des filets et des tiges cintrées, pour la production de chaleur à haute température pour du stockage thermique ou de la génération d'électricité.

Les concentrateurs, basés par exemple sur la réflexion du rayonnement (paraboles, centrales à tour...), permettent d'augmenter les performances des générateurs énergétiques solaires et de travailler à températures plus élevées, qui rendent possible le stockage de l'énergie solaire sous forme de chaleur dans divers matériaux réfractaires. Cependant, ils restent souvent des investissements importants en raison à la fois de besoins élevés en matériaux de fabrication et d'une complexité qui se répercute sur les besoins en main d'oeuvre et temps de déploiement. En conséquence de leur poids et de leur montage non trivial, ces systèmes sont peu adaptés à des déplacements fréquents ou à une maintenance à faible coût en cas d'avarie majeure. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. En effet, l'usage en matériaux est limité par l'adoption d'une conception en tension. Par exemple, les structures de support et de mise en mouvement sont basées sur des filets. De plus, l'usage d'une multitude de pièces réfléchissantes mobiles au lieu d'une seule, massive, permet d'éviter les déformations structurelles et donc l'emploi de pièces de renforcement. Enfin, la complexité est minimisée grâce à la fois à une technique d'assemblage modulaire avec usage de détrompeurs, et à l'emploi d'un système autonome pour permettre le maintien de la concentration du soleil sur le récepteur énergétique au cours de la journée. La légèreté et la simplicité du système le rendent idéal pour le transport. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente les éléments d'une pièce réfléchissante mobile : conçue à partir 25 d'une tige cintrée (gauche), refermée sur elle-même (centre) ; munie d'un miroir pivotable (droite). La figure 2 représente vue de haut, le dispositif de l'invention constitué d'un filet sur lequel peuvent pivoter selon deux degrés de liberté les miroirs. Pour des questions de clarté seulement quatre (chiffre arbitraire) miroirs sont représentés. 30 La figure 3 représente en coupe, le dispositif de l'invention constitué de six (chiffre arbitraire) rangés de miroirs mobiles et avec un récepteur énergétique en hauteur (muni vers le bas, en gris, d'un concentrateur secondaire de type CPC) et lorsque le rayonnement solaire est vertical (les pointillés visualisent le « cône » de concentration). -Pour des questions de clarté les tiges cintrées ne sont pas représentées sur cette figure. 35 - 2 - Le dispositif se présente sous forme démontée sous l'apparence d'une caisse ou d'un fût métallique, par exemple en aluminium, muni(e) de fixations pour son transport ou sa mise en hauteur s'il est employé pour accueillir un récepteur énergétique (1); avec des ouvertures pour ranger les pièces ou laisser entrer le rayonnement solaire concentré. Ce réceptacle peut accueillir au minimum les composants suivants : Deux filets similaires à mailles carrées ( (2) et (3) ) et résistants à la tension, constitués par exemple de filins entrecroisés en polyamide (Nylon8) stable aux ultraviolets solaires ou bien en inox de nuance 316L (élasticité et haute résistance à la corrosion) ; avec enfilé sur chaque entrecroisement de filins (ou noeud) un anneau de fixation (inox ou polyamide ou Téflone) (4). Ces derniers peuvent être différemment colorés afin de jouer le rôle de détrompeurs lors de l'assemblage des diverses pièces. Des filins pour la mise en tension des filets, en matériaux similaires. Des miroirs mobiles de mêmes dimensions, chacun constitué des pièces suivantes : o Une plaque carrée (5) fine de diagonale de longueur inférieure à celle d'une maille de filet, réfléchissante sur un ou deux côté(s) et plane ou segmentée ou de courbure sphérique (pour assurer une concentration optique supplémentaire, grâce à un rayon de courbure du même ordre de grandeur que la distance moyenne récepteur - miroirs), constituée au choix de tôle d'aluminium hautement réfléchissante telle du MIROSUN®, d'un polymère robuste tel de l'ABS, d'un matériaux composite tel une résine polyester renforcée par des fibres de verre ou de carbone, ou de lamelles de bambou compressées. L'emploi de matières plastiques est préconisé pour l'intégration directe (par thermoformage) de points d'accroche sur chaque plaque, tels des trous ou des protubérances au niveau des coins ou encore une zone spécifique de fixation pour une tige (8). Les plaques peuvent être rendues réfléchissantes également grâce à un film polymère autocollant approprié tel du REFLECTECHTm, ou bien au moyen d'un dépôt de nickel/phosphore ou d'argent obtenu par voie humide et non électrolytique. Enfin, une couche de protection par exemple en silicone transparent déposé par spray peut être considérée au-dessus du dépôt réfléchissant, notamment si la couche est à base d'argent, afin d'éviter son oxydation atmosphérique responsable d'une dégradation de réflectivité et donc d'une baisse dans le temps des performances du dispositif. - 3 - o Un cadre carré (6) de diagonale de longueur inférieure à celle d'une maille de filet mais supérieure à celle d'une plaque réfléchissante précédemment décrite, dans lequel est maintenue par deux coins opposés une plaque réfléchissante, de manière à pouvoir pivoter selon une diagonale commune. Ce cadre peut être obtenu à partir de fil inox rigide (nuance 304L ou 316L) mis en forme par des machines automatiques de cintrage, de manière à avoir une boucle de fixation à chaque coin dont une à une extrémité ; la fermeture du cadre étant assurée par enfilement dans la boucle extrémale de l'autre extrémité afin d'avoir une protubérance selon la diagonale correspondante du cadre. Chaque plaque réfléchissante est alors maintenue à son cadre soit par emboîtement de deux coins opposés dans les boucles correspondantes du cadre, soit au moyen de serres-câbles en polyamide ou d'élastiques (7) liant des trous au niveau des coins et les boucles correspondantes.

De tiges rigides (8) identiques, téléscopiques ou emboîtables (maintenues dans ce cas au moyen de câbles tendus), qui peuvent soit se fixer aux plaques (5), soit s'assembler pour tendre les filets, soit servir à mettre en hauteur le récepteur ou à fixer les moteurs. Les matériaux alternativement considérés sont l'aluminium, l'ABS, la fibre de verre, le bois ou le bambou. Ces tiges peuvent être fixées au centre des plaques réfléchissantes au choix par vissage, clipsage, scratchs ou aimantation. Pour des tiges de dimensions relativement élevées, la rigidité peut être renforcée au moyen de filins tendus entre la tige et la surface de la plaque réfléchissante. Ces filins peuvent servir à imposer les angles de fixation souhaités entre la plaque réfléchissante et la tige. Deux moteurs à courant continu et faible tension avec démultiplicateurs de vitesse intégrés, du fil électrique, au moins quatre panneaux photovoltaïques similaires. - 4 - L'assemblage du dispositif s'effectue de la façon suivante : Un premier filet (2) est tendu en hauteur au moyen d'au moins trois filins accrochés à des éléments existants appropriés (parois verticales, pylône, antenne, butte ou un arbre éloignés) ou autrement à un tripode ou un quadripode constitué de tiges emboîtées jointes au sommet ou fixées aux côtés du containeur vide si ce dernier est employé comme récepteur énergétique en hauteur (par exemple muni d'un serpentin échangeur thermique et aux espaces remplis de terre pour assurer à la fois isolation thermique et stockage temporaire de la chaleur solaire) ; les pieds du tripode/quadripode étant maintenus entres eux au moyen de filins pour éviter un affaissement de la structure. Afin de permettre le travail en dilatation du filet et éviter la mise en résonance du dispositif sous l'effet du vent, des amortisseurs sont prévus entre les points d'accrochage du filet et les filins de mise en tension, tels que par exemple des ressorts en tension insérés dans des gaines en caoutchouc ou silicone.

A l'intérieur de chaque maille de ce premier filet peut alors être inséré un miroir mobile précédemment décrit ( ensemble avec (5) et (6) ), attaché par les deux coins libres de son cadre (ceux qui ne sont pas liés à la plaque réfléchissante) entre deux anneaux diagonalement opposés de la maille, de manière à permettre une rotation selon l'autre diagonale du cadre. Le dispositif résultant est alors un ensemble de miroirs qui peuvent renvoyer la lumière dans n'importe quelle direction en raison de leurs degrés de liberté en rotation ; la concentration étant obtenue s'ils pointent vers la même zone. Concrètement, la fixation des cadres sur les mailles du premier filet est effectuée à la fois par emboîtements successifs selon les diagonales des mailles, c'est-à-dire par insertion de la protubérance de chaque cadre dans l'anneau d'un noeud puis dans la boucle du cadre situé dans l'autre maille partageant cet anneau (cf. figure 2); et également au moyen de maillons à ouverture rapide ou d'élastiques (9) maintenant les boucles aux anneaux correspondants lorsque la première approche est impossible (mailles aux limites du filet). Une tige est alors fixée au dos et au centre de chaque plaque réfléchissante, avec un angle de fixation tel que la concentration solaire sur un récepteur (1) situé au-dessus ou en-dessous du premier filet est effective lorsque les tiges sont parallèles entres elles. Comme les angles de fixation des tiges aux plaques sont fonctions des positions de ces dernières sur le filet, un système de détrompeurs liant l'angle de fixation à la maille concernée du filet est intégré, par exemple sous la forme d'étiquettes au dos des plaques (au niveau des coins ou de la zone de fixation) avec des couleurs correspondant à celles des anneaux appropriés du filet. - 5 - Un second filet (3) est tendu sur un cadre (non représenté en figure 3) constitué de tiges emboîtées. Chaque tige servant à pivoter un miroir donné est alors reliée par son extrémité libre à l'anneau du second filet tendu situé directement en-dessous et au centre de la maille concernée du premier filet lorsque le dispositif est en position de repos; c'est-à-dire lorsque les deux filets sont perpendiculaires aux tiges et donc parallèles entres eux. La mise en translation de ce second filet peut alors servir à faire simultanément pivoter les tiges tout en les maintenant parallèles entres elles, afin de pouvoir constamment renvoyer le rayonnement solaire vers le récepteur malgré le déplacement du soleil. La mise en mouvement est assurée au moyen de trois filins accrochés au centre du second filet (par exemple au niveau de l'intersection de câbles tendus entre les coins opposés du cadre de mise en tension). De ces trois filins, l'un est connecté à un système de mise en tension de l'ensemble de filins tel un contrepoids, tandis que chaque filin restant est relié à un enrouleur entraîné par un moteur électrique à courant continu et avec réducteur de vitesse intégré. Contrepoids et moteurs sont positionnés (par fixation sur le premier filet ou à des tiges plantées dans le sol) de manière à ce que lorsque le dispositif est en position de repos, les trois filins précédents soient tendus dans des directions antagonistes selon un plan sensiblement parallèle à ceux des deux filets (angle idéal de cent vingt degrés entre chaque filin). Chaque moteur électrique précédent est alimenté au moyen d'au moins un couple de panneaux photovoltaïques similaires (10) ; ces derniers étant parallèles au premier filet et de surfaces actives orientées vers les plaques réfléchissantes (de manière à pouvoir être éclairés par la lumière réfléchie par les miroirs), et dimensionnés de manière à fournir une puissance motrice même sous faible éclairage solaire. Les panneaux photovoltaïques de chaque couple sont branchés à leur moteur avec des polarités opposées, et sont situés à la fois à l'intérieur mais à l'extrême périphérie du « cône » de concentration (défini par le volume parcouru par le rayonnement solaire réfléchi par les miroirs et focalisé sur le récepteur, cf. figure 3) et à des emplacements antagonistes le long de la direction globalement définie par le filin tendu du moteur considéré en position au repos (filets parallèles aux tiges des miroirs); avec pour effet une tension électrique nulle aux bornes du moteur lorsque la concentration solaire est effective sur le récepteur (les tensions générées s'annulent) tandis que lorsque la flux solaire est sensiblement dévié du récepteur (en raison du mouvement du soleil) la tension devient non-nulle, causant la mise en rotation compensatoire des miroirs par déplacement du - 6 - cadre jusqu'à ce que le récepteur soit à nouveau parfaitement éclairé. Optionnellement, chaque moteur précédent peut être connecté à un nouveau couple de panneaux photovoltaïques (11) selon une configuration en tout point similaire à celle de la configuration initiale (précédemment décrite) ; à l'exception qu'ils sont cette fois- ci situés en dehors du « cône » de concentration au lieu d'être à l'intérieur, mais toujours chacun d'un côté différent du « cône » ; de manière à repositionner la lumière réfléchie à proximité du récepteur lorsqu'aucun panneau photovoltaïque des couples de la configuration précédente (10) n'est éclairé.

Optionnellement, le moteur assurant majoritairement le pivotement des miroirs suivant l'axe géographique Est-Ouest peut être relié à un troisième panneau photovoltaïque situé sous un miroir à la limite Est du filet et pointant vers l'Est de manière à être illuminé par la lumière de l'aube seulement lorsque les miroirs sont orientés en position de crépuscule, c'est-à-dire à l'Ouest (autrement le panneau est dans l'ombrage du miroir); ceci de manière à repositionner en matinée les miroirs vers une position où le rayonnement réfléchi éclaire au moins un panneau photovoltaïque (10) ou (11). Au sujet des angles entre les plaques réfléchissantes (5) et les tiges (8) : La projection de la tige sur sa plaque doit, lorsque celle-ci est parallèle au plan du premier filet, pointer dans la direction du récepteur projetée sur le premier filet.

Au niveau de l'angle entre la normale centrale de la plaque et sa tige, deux cas se présentent (H et L sont les distances récepteur - miroir considéré, respectivement projetées sur la normale et le plan du premier filet) : o Si le récepteur est situé au-dessus du filet, l'angle est égal à la moitié de la tangente inverse (arctan) du rapport de L sur H. o Si le récepteur est situé en-dessous du filet, l'angle est égal à l'angle droit diminué de l'angle précédent (dans ce cas les plaques doivent être planes et réfléchissantes des deux côtés pour correctement réfléchir toute la journée). Pour un filet (2) carré constitué de N2 mailles et avec un récepteur central, les symétries ramènent le nombre d'angles différents à (N14 ) x ( N/2 + 1).

Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à produire de la chaleur à haute température ou de l'électricité dans des zones isolées mais suffisamment ensoleillées. Les hautes températures rendent alors possible le stockage de l'énergie solaire sous forme de chaleur pour permettre son usage la nuit tombée (chauffage, génération d'électricité par modules thermo-électriques...)35

Claims

REVENDICATIONS1) Dispositif de concentration du rayonnement solaire pour générer de la chaleur à haute température ou de l'électricité, caractérisé en ce qu'il comporte un premier filet tendu (2) dont chaque maille, carrée, est occupée par un miroir pivotable au moyen d'une tige rigide (8) fixée en son centre selon un angle qui est fonction de la position sur le filet de la maille concernée.
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque miroir est constitué d'une plaque fine carrée plane ou segmentée ou sphériquement courbée, réfléchissante sur un ou deux côté(s) (5), maintenue à l'intérieur d'un cadre carré (6) par deux coins opposés de manière à pouvoir pivoter selon leur diagonale commune; et en ce que chaque cadre est attaché à sa maille par ses deux autres coins au niveau de deux noeuds diagonalement opposés afin de permettre une rotation selon l'autre diagonale du cadre.
3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que les tiges (8) sont identiques, et en ce que leurs angles de fixation aux miroirs sont tels que la concentration solaire sur un récepteur situé au-dessus (1) ou en-dessous du premier filet (2) est effectuée en maintenant les tiges parallèles entres elles, ce qui est obtenu par fixation de chaque extrémité libre des tiges au noeud d'un second filet (3) de mailles identiques au premier filet et tendu et mobile; chaque noeud étant situé directement en-dessous et au centre de la maille concernée du premier filet lorsque le dispositif est en position de repos, c'est-à-lorsque les deux filets sont à la fois parallèles entre eux, espacés d'une longueur de tige, et perpendiculaires aux tiges.
4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les éléments s'assemblent rapidement au moyen de détrompeurs et de maillons à ouvertures rapides ; les fixations entre surfaces réfléchissantes et cadres se faisant au moyen d'élastiques ou par emboîtements; celles au niveau des deux filets s'effectuant au niveau des noeuds par l'intermédiaire d'anneaux (4) à raison d'un par noeud; et les tiges étant constituées d'éléments emboîtables ou télescopiques, rigidifiables par des filins.
5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que chaque cadre est obtenu par cintrage d'un fil rigide de manière à avoir une boucle de fixation à chaque coin dont une à une extrémité (6); la fermeture du cadre étant assurée par insertion dans la boucle extrêmale de l'autre extrémité afin d'avoir une protubérance selon la diagonale correspondante du cadre.- 7 -
6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les cadres (6) s'accrochent au premier filet à la fois par emboîtements successifs selon les diagonales de ses mailles, par insertion de la protubérance de chaque cadre dans l'anneau d'un noeud (4) puis dans la boucle du cadre situé dans la maille partageant cet anneau; ou directement par un maillon à ouverture rapide ou un élastique inséré entre une boucle et un anneau (9).
7) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le pivotement des miroirs est assuré par translation du second filet (3) au moyen d'au moins trois filins fixés en son centre et définissant, tendus et en position de repos, des directions antagonistes dans un plan sensiblement parallèle à ceux des deux filets; un filin étant connecté à un système de mise en tension mécanique de l'ensemble de filins tel un contrepoids tandis que chaque filin restant est relié à un enrouleur, entraîné par un moteur électrique à courant continu alimenté au moyen d'au moins un couple de panneaux photovoltaïques similaires ; ces derniers étant parallèles au premier filet, orientés de manière à pouvoir être éclairés par la lumière réfléchie par les miroirs, et dimensionnés de manière à fournir une puissance motrice même sous faible éclairage solaire.
8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que les panneaux photovoltaïques de chaque couple (10) sont branchés à leur moteur avec des polarités opposées, et sont situés à la fois à l'intérieur mais à l'extrême périphérie du « cône » de concentration, défini par le volume parcouru par lumière solaire réfléchie par les miroirs et focalisée sur le récepteur (1), et à des emplacements antagonistes le long de la direction globalement définie par le filin tendu du moteur considéré en position de repos; avec pour effet une tension électrique nulle aux bornes du moteur lorsque la concentration solaire est effective sur le récepteur car les tensions générées s'annulent, tandis que lorsque la flux solaire est sensiblement dévié du récepteur, en raison du mouvement du soleil, la tension devient non-nulle causant la mise en rotation compensatoire des miroirs par déplacement du cadre jusqu'à ce que le récepteur soit à nouveau parfaitement éclairé.
9) Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que chaque moteur est connecté à un nouveau couple de panneaux photovoltaïque (11), les panneaux étant positionnés en dehors du « cône » de concentration - l'un d'un côté, l'autre de l'autre - de manière à repositionner la lumière réfléchie vers le récepteur lorsqu'aucun panneau photovoltaïque défini dans la revendication 8 n'est éclairé.- 8 -
10) Dispositif selon la revendication 8 ou la revendication 9 caractérisé en ce que le moteur assurant majoritairement la mise en rotation des miroirs suivant l'axe géographique Est-Ouest est relié à un troisième panneau photovoltaïque situé sous un miroir à la limite Est du filet et pointant vers l'Est de manière à être illuminé par la lumière de l'aube seulement lorsque les miroirs sont orientés en position du crépuscule, c'est-à-dire pointant vers l'Ouest car autrement le panneau photovoltaïque est à l'ombre; ceci de manière à repositionner en matinée les miroirs vers une position où le rayonnement réfléchi éclaire au moins un panneau photovoltaïque (10) ou (11).