Concentrateur primaire

Le concentrateur solaire d'OSE est composé de deux étages :

• Le premier a pour but de diriger un maximum de rayons du soleil vers la vitre d'entrée du secondaire. C'est lui qui assure le "suivi" du soleil.
• Le concentrateur secondaire a pour but de focaliser les rayons qui traversent sa vitre d'entrée vers l'absorbeur, et accessoirement d'assurer l'isolation thermique de l'absorbeur.

Géométrie "NSh - 45° - (357)x2 - 145"

Concentrateur primaire composé de deux travées de 6 facettes composant un miroir de Fresnel et d'un miroir vertical au nord

La géométrie retenue pour le prototype Alpha Sole est la suivante :

Disposition générale "NSh - 45°"

La concentration primaire se fait sur une ligne Nord Sud. L'absorbeur est disposé horizontalement et en hauteur. Le champ de facettes est, lui, disposé prêt du sol avec pour but de focaliser sur une zone alongée, orienté en Nord Sud en dessus du champ. La hauteur du systémique est environ le double de la largueur, ce qui correspond à un angle d'acceptation du concentrateur secondaire d'environ 45°.

Cette disposition "NSh - 45°" limite les coûts de structure puisque l'essentiel que la machine se trouve au sol. et limite les risques de brûlures/aveuglement puisse que la focalisation est dirigée vers le ciel et à une hauteur supérieure à 2 m pour un champ de 4m de large.

Au nord du concentrateur (hypothèse d'une installation dans hémisphère Nord), une structure rigide supporte un miroir vertical et sert de point d'encrage fixe pour l'absorbeur et le concentrateur secondaire. Cette structure étant à l'ombre du miroir nord, elle n'engendre pas de pertes de rayonnement.

Champs des miroir de Fresnel "(357)x2"

Le champ de miroirs cylindro-paraboliques motorisés est assemblés sur le principes des miroir de Fresnel. C'est lui qui assurent le suivi journalier du soleil.

La géométrie retenue est la suivante : - 2 lots de 3 facettes disposées symétriquement par rapport au plan de symétrie - Avec des largeurs différentes, dimension optimisées pour des tôles miroirs "métriques" : 300 - 500 - 700 - 700 - 500 - 300 mm - vitre d'entrée du secondaire à 1850mm au dessus de l'axe de rotation des facettes,, avec une largeur de 150mm (hypothése d'une dispersion angulaire de +/-1°). - chaque paire de facettes a un rayon de courbure différent, déterminé afin d'optimiser la durée pendant laquelle la largeur de chaque tache lumineuse ne dépasse pas la largeur de la vitre d'entrée du concentrateur secondaire : 5313 - 4749 - 4170 - 4170 - 4749 - 5313 mm - L'axe de rotation des facettes est déporté vers le bas par rapport à la surface réfléchissante. Afin d'assurer une plus grande stabilité des taches lumineuses les une par rapport au autre, ce départ est différent selon les paires de facettes : 85 - 72 - 60 - 60 - 72 - 85 mm - La répartition est tel que l'ombre poté d'une facettes sur sa voisine apparaît pour des incidences de +/-40° : - 520 - 768 - 851 - 768 - 520 -

Le "(357)x2" indique la progressivité dans les largeur des facettes qui est un paramètre important dans le dimensionnement.

Miroir Nord "145"

En été, le soleil est haut dans le ciel, la focalisation du champ de miroir de Fresnel se fait au dessus. Mais en inter-saison et en hivers, le soleil est bas et la focalisation se fait trés à l’arrière du champ. Le miroir nord permet de compense, en partie, cette variation saisonnière du soleil en rattrapent les rayon qui débordent au Nord. De plus, autour de la mi-journée, , les rayons qui frappent directement le miroi nord sont redirigés vers le champ de miroir de Fresnel qui les renvoi vers l'absorbeur. Cet effet est d'autant plus sensible que le soleil de midi est bas à l'horizon.

La géométrie étudiée est la suivante : - Miroir nord de 320 mm de large sur 1200 de haut, surmonté d'un miroir de 180 de large par 600mm de haut - Donc,, en mloyenne 1500mm de haut - Longueur du secondaire compris entre 6000 et 7200mm - Le secondaire étant éventuellement prolongé par une casquette/visière réfléchissante du coté sud (seulement pour les mois d'été) - longueur du champ de miroir Fresnek : 8000mm C'est à dire que la logeur entrée du secondaire est proche de 4 fois la hauteur du dispositif optique. Et les facettes sont un peu plus longue que le secondaire (environ 5 fois la hauteur). D’où la désignation par "145" ou "14c5" avec la casquette devant le concentrateur secondaire. Cette disposition permet d'avoir d'excelent fonctionnement pour des hauteurs de soleil comprises entre 75° et 45°(donc adapté au latitudes proches du 45ieme parallèles). L'effet "miroir nord" est maximum pour une hauteur du soleil de 27°, ce qui correspond aux soleil d'hivers dans le sud de la l'Europe.

Dessin coté

Fichier:CS Concentrateur primaire.pdf

Étapes ayant permis le dimensionnement

Le dimension sont liées les unes aux autres. Lors du dimensionnement du concentrateur primaire, il est nécessaire de faire plusieurs itérations avant d'obtenir une géométrie cohérente.

L'enchatonnement suivant devrait permettre de limiter ces itérations :

1. Choisi la hauteur du miroir nord : éviter les découpes (dimension standard)
2. Déterminer la longueur du concentrateur secondaire qui permet de limiter le débordement (end-loss) d'hivers : rayon qui touche le haut du miroir nord en premier, puis les facettes et remonte vers l'extrémité sud. le ratio 1/4 est un bon compromis pour la latidede du sud de la France
3. Déterminer la longueur du champs de facettes afin de limiter de débordement (end-loss) d'été : rayon qui touche l'extrémité sud du champ et remonte trop verticalement pour pouvoir rentrer dans le concentrateur secondaire, un champ plus que le concentrateur secondaire de 0.5 et 1 fois la hauteur est un bon compromis pour le sud de la France.
4. Définir l'angle d'acceptation du concentrateur secondaire : 45° est une valeur classique.
5. En déduire l'emprise au sol
6. Définir un taux de couverture (=largeur des facettes / emprise au sol) : 70% est une valeur classique
7. En déduire la surface totale des facettes
8. Évaluer la puissance crête du dispositif : ordre de grandeur 250W par m2 de facettes (mesure faite sur le démonstrateur SolarOSE)
9. Choisir le nombre et la taille des paires de facettes : éviter les découpes et les chutes inutilisables, faciliter de fabrication et/ou de transport
10. Choisir la hauteur par rapport au sol de l'axe de rotation des facette : supérieur à la moitie de la plus grande facette
11. En déduire la hauteur de la vitre d'entrée du concentrateur secondaire
12. Répartir les facettes : faire en sorte que l'ombre portée apparaisse en même temps sur toutes les facettes d'un coté
13. Choisir de décalage vertical de la facette centrale : tenir compte de l'équilibrage de la facette (ce qui limitera la puissance du moteur)
14. Déterminer le décalages pour les autres paires de facette : pour cela, on choisit deux incidences symétriques (par exemple +/-30°), et on fait en sorte que la réflexion du milieu des facettes pointent vers la ligne focal et que les angles de rotation de chaques facettes soit égaux (environ +/-14° si on a choisi +/-30° pour les incidences).
15. Évaluer la dispersion angulaire totale delta : +/-1° à +/-1.5° semble des valeur atteignable sans trop de difficulté et englobe :
    1. la taille apparente du soleil : +/-0.2711°
    2. les erreurs réflexion spéculaires : fonction du matériaux utilisé
    3. la tolérance de fabrication
    4. la précision du réglage
    5. les erreur liées au suivi
16. Pour chaque paires de facette, calculer l'élargissement lié au dispersion angulaire : delta * hauteur / (cos (phi) x cos(phi))
17. Choisir la largeur de la zone d'entrée du concentrateur secondaire : au moins 3 a 4 fois l'élargissement des facettes extrêmes
18. Pour la configuration d'alignement de la ligne focal, du soleil et de l'axe de rotation, déterminer le rayon de courbure de la facette le but étant d'avoir le rayon de courbure maximum qui n'engendre pas de dépassement de la tache.
19. Vérifier que l'incidence de débordement est acceptable : c'est l'incidence pour laquelle la focalisation de la facette se fait avant d'atteindre le concentrateur secondaire et déborde de par et d'autre de celui-ci. Si ce n'est pas le cas, il faut élargir la largeur de la zone d'entrée du concentrateur secondaire

Système de suivi

Mécanisme d’entraînement

Pour faire un suivi du soleil sur 180°, une rotation de 90° des facettes suffit. De plus, la vitesse de rotation nécessaire pour suivre le soleil est très faible : 15° par heure en été, jusqu'à 30° en hivers. Par contre, la précision angulaire doit être très bonne (de l'ordre de 0.1°)

Cette fonction est assuré par un système de transmission à parallélogrammes déformables, combiné avec un entrainement écrou-vis. Un tel système permet :

• Un excellente précision sur sa plage centrale (+/-30°
• Une grande démultiplication
• Un maintient en position

Système de pilotage

Un capteur de lumière est placé de part est d'autre de la vitre d'entrée du concentrateur secondaire. Le système de commende compare la valeur de chacun des deux capteurs, et il actionne le moteur de façon à maintenir les deux capteurs à la même valeur. Un tel dispositif permet d'équilibrer les pertes de part et d'autre,, et donc d'avoir, en permanence, la meilleur focalisation. Il est à noter qu'un tel dispositif ne nécessite pas l'utilisation d'un calculateur. Pour le suivi, un simple comparateur pourrait suffit. Le calculateur peut être utile dans les cas suivant :

• En cas de passage nuage, il peut recalculer une position approximative du soleil et recaller les facettes.
• En fin de journée, il peut assurer le retour des miroirs
• En cas de condition météorologie extréme, il peut mettre les facettes dans une position de sécurité