Concentration solaire à gradient d'indice et piégeage thermique

[Eric120864]

Bonjour,

Je viens de découvrir un concept de concentrateur solaire passif appelé AGILE, qui m’a immédiatement fait penser au PHRSD de Sycomoreen.

L’AGILE est un concentrateur optique passif en forme de pyramide tronquée, composé de couches transparentes à indices de réfraction croissants et de parois latérales réfléchissantes. Son but est de guider des rayons arrivant sous des angles variés vers une petite sortie, sans avoir recours à un système de suivi mécanique du Soleil.

Présentation Stanford :

https://techfinder.stanford.edu/technol ... ator-agile

Article scientifique complet :

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9234043/

Cela m’a rappelé les études publiées par Sycomoreen sur le Piège Hyperthermique du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD), dans lequel les rayons solaires sont forcés de subir un très grand nombre de réflexions absorbantes dans une cavité noire avant de pouvoir ressortir.

Principes de fonctionnement du PHRSD :

http://sycomoreen.free.fr/syco_francais ... PHRSD.html

Document PDF :

http://sycomoreen.free.fr/syco_francais ... ations.pdf

Index technique Sycomoreen :

http://sycomoreen.free.fr/tech_index_fra.html

Je me demande donc s’il n’y aurait pas une complémentarité très intéressante entre ces deux approches :

Un concentrateur passif de type AGILE en amont ;
un piège thermique à cavité noire de type PHRSD en aval.

Le premier pourrait servir à rabattre passivement vers une petite ouverture des rayons provenant d’angles variés, et le second à piéger presque totalement ce rayonnement et à le convertir en chaleur avec très peu de pertes.

Qu’en pensez-vous ?

[Remundo]

Bonjour Eric,

Merci de ce message très intéressant.

La canalisation du flux solaire vers l'entrée de l'ECE (enceinte de confinement de l'énergie) est un sujet très technique qui m'a donné à réfléchir (si j'ose dire !) longtemps.

L'invention que tu évoques pourrait en effet se connecter sur l'ECE, mais au prix d'une grosse perte d'énergie par réflexion directe.

Une onde plane dans l'air d'indice 1 qui rencontre du verre d'indice 1,5 transmet 96% de son énergie dans le verre et 4% est réfléchi.

Quand on incline l'incidence (comme proposé dans tes documents), les choses deviennent très médiocres : au moment du lever et du coucher solaire, on est en situation d'incidence rasante et la réflexion en énergie atteint 90%. C'est énorme.

Lorsque le soleil est au Zenith, en France par exemple, en été, l'incidence vaut 25° et la réflexion est autour de 4-5%, là ça reste correct.
Lorsque le soleil est au Zenith, en France par exemple, en hiver, l'incidence vaut 72° et la réflexion est autour de 17%, là c'est décevant.

Souci 1 : ne pas pointer le Soleil est un confort technique qui induit une perte importante d'énergie par réflexion directe.

Il y a un autre problème à utiliser du verre épais : l'intensité des rayons varie en gros comme exp (-alpha x) avec alpha le coefficient d'extinction du rayon lumineux et x la distance parcourue dans le verre.

Même pour des verres purs (non teintés), alpha vaut 0,01 à 0,1 dans le domaine visible : franchir 1m de verre multiplie l'énergie entre exp(-0,01) et exp(-0,1), soit 0,99 et 0,9 ; entre 1 et 10% de perte, mais si on s'amuse avec plus de distance, on perd jusqu'à la totalité de l'énergie.
Dans l'infrarouge (et le Soleil envoie beaucoup d'infrarouge !), le verre est quasiment opaque (alpha = 10 à 10 000 !) ; il absorbe tout et chauffe, puis rayonne et conduit sa chaleur dans des zones que tu ne confines pas.

Souci 2 : laisser la lumière solaire traverser d'importantes épaisseurs de verre l'atténue drastiquement.

Ainsi 2 façons que j'avais envisagées pour canaliser les rayons solaires vers l'ECE nécessitaient un pointage avec miroir
1) avec un seul miroir sphérique ou parabolique renvoyant l'énergie dans l'ECE placée à son foyer
2) avec deux miroirs (un premier concave, le deuxième optionnel convexe) renvoyant l'énergie un peu en arrière du grand miroir, dans l'ECE

cette variante était celle qui me plaisait le plus, car permettant d'implanter plus librement les structures à l'arrière du grand miroir



A savoir que les miroirs ne sont pas parfaits non plus... Compter 5% de perte à chaque réflexion, même 10% pour un miroir du commerce.

De façon générale, chaque "manipulation" (en réflexion ou réfraction, ou traversée d'un milieu non transparent) de la lumière bouffe 5% de son énergie, et parfois pire, et ce sont les miroirs sphériques les moins gloutons, en restant dans l'air.


CEPENDANT : le système que tu proposes est une approche un peu simplificatrice (pas de pointage solaire) qui peut trouver un usage "low tech" où l'on accepte des pertes plus importantes en réflexion directe et absorption non maîtrisée du flux solaire.

[Eric120864]

Bonjour Remundo,

je comprends bien l’objection concernant les pertes de Fresnel à forte incidence, mais elle ne semble pas s’appliquer telle quelle à l’AGILE publié par Stanford.
L’article complet est ici :

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9234043/

Il faut regarder en particulier la Figure 2, qui donne précisément l’efficacité de concentration optique vers la petite ouverture en fonction de l’angle d’incidence de 0° à 90°.

Les auteurs écrivent explicitement que la figure montre : “light transmission to the smaller output aperture versus incidence angle compared to the cosine theta theoretical maximum”.

Et plus loin, dans la conclusion, ils écrivent aussi :
“The simple to test and verify, back-to-back AGILE array tracked the cosine theta theoretical maximum across all incidence angles.”

Autrement dit, la question des incidences obliques, des réflexions et de la géométrie n’est pas ignorée : elle est justement intégrée dans leur étude angulaire.

Encore plus important, les auteurs précisent ceci à propos de la Figure 2 :
“In these simulations, Fresnel reflections at the top surface are not included in most curves unless denoted in the chart legend, as an antireflection thin film can be added at the top surface. However, as seen in the curves where Fresnel reflections are included, the AGILE is unchanged, while the lens-top and high-index filled cones have reduced transmissions.”

Donc, si je résume :

oui, des pertes de Fresnel existent en général ;
oui, elles dégradent fortement des géométries passives simples ;
mais non, cela ne semble pas invalider l’AGILE lui-même, puisque la courbe publiée montre justement qu’un AGILE bien conçu reste proche de la borne théorique en cosinus de l’angle d’incidence sur toute la plage 0–90°.

À mes yeux cela ne prouve pas qu’un AGILE vaut un tracker mécanique parfait mais cela contredit quand même l’idée qu’un tel système passif serait rendu médiocre par les seules incidences obliques.

Ne penses-tu pas comme moi que son intérêt est d'envoyer vers une petite sortie une grande partie du flux reçu sur une grande entrée, avec une large acceptance angulaire, ce qui peut devenir très intéressant en amont d’un piégeur thermique ou d’une petite cellule photovoltaïque ?

[Remundo]

Salut Eric

Il faudrait que je lise très en détails leur affaire. Mais je reste très sceptique, la réflexion sous forte incidence va être élevée, et un film "antireflet" ne va pas être magique sur ce point.

Une couche anti-reflet marche essentiellement sur un domaine de longueurs d'ondes restreint et sur des incidences proches de la verticale.

Donc même dans le visible, la couche anti-reflet marche bien de 0 à 30° d'incidence, disons 1% reflété. Au-delà, le reflet est notable, et en incidence rasante, on est à quasi 100% de réflexion.

Sur des longueurs d'onde infrarouge, l'antireflet marche mal. c'est presque comme s'il n'y en avait pas.

Il faudrait une couche antireflet à gradient long qui passe de n=1 à n=1,5 sur une épaisseur bien plus grande que la longueur d'onde pour réduire le reflet à moins de 1% en toute circonstance.


pour du photovoltaïque ça peut être assez intéressant car les cellules photovoltaïques valorisent principalement le spectre visible (lèchent un peu les IR proches aussi).

par contre pour le PHRSD on va perdre beaucoup d'infrarouges. Je m'étais posé des questions à l'époque à ce sujet ; fallait-il des petites vitres pour boucher l'ECE ou bien la laisser à l'air libre ?...

Je n'ai pas eu de réponse tranchée à apporter, mais intuitivement je pense que la laisser à l'air libre est le meilleur compromis.

En effet 2 cm de verre bouffent 20% des infrarouges proches et presque 100% de l'infrarouge lointain... Et les infrarouges représentent un peu plus de 50% de l'énergie solaire directe... ça fait mal de s'en passer !

pour le PHRSD, mettre du verre devant l'ECE revient à étouffer la puissance collectée. Cependant, pour de la cellule PV, le paradigme est différent, mais une perte est à prévoir fatalement.

Il y a eu pas mal d'idées de "concentrateurs" sur une petite cellule PV, mais ça n'a jamais été industrialisé.

Concentrer la lumière sur une cellule PV la fait surchauffer aussi, son rendement baisse drastiquement (voir brevet OPALE qui lutte justement contre la surchauffe des PV ) et sa fiabilité est moins bonne.

les cellules PV sont devenues tellement bon marché que maintenant on ne se pose pas du tout la question de réduire leur surface.

[Christophe]

Un bon sujet technique comme je les aime !

Cela faisait longtemps ! Merci Eric (et Remundo) !