FR2995408A1

FR2995408A1 - Lentille de fresnel avec angle de depouille variable

Info

Publication number: FR2995408A1
Application number: FR1258451A
Authority: FR
Inventors: Andreas Gombert; Martin Neubauer
Original assignee: Soitec Solar GmbH
Current assignee: Saint Augustin Canada Electric Inc
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2014-03-14
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: CN104620140A; FR2995408B1; US20150226887A1; WO2014037580A1; USRE49668E1; US10139527B2; EP2893380A1; CN104620140B

Abstract

La présente invention se rapporte à une lentille Fresnel et à un moule respectif, la lentille comprenant une pluralité de facettes de dépouille, dans laquelle l'angle de dépouille des facettes de dépouille a au moins deux valeurs angulaires différentes pour deux facettes de dépouille différentes, en particulier dans laquelle l'angle de dépouille est plus grand pour une facette de dépouille (5002) plus proche du bord de la lentille, ou respectivement du moule, que pour une facette de dépouille (5001) plus proche du centre de la lentille, ou respectivement du moule.

Description

Lentille de Fresnel avec angle de dépouille variable La présente invention se rapporte au domaine des lentilles. En particulier, elle se rapporte au domaine des lentilles pour générateurs photovoltaïques à concentration. Plus spécifiquement, elle se rapporte à une lentille de Fresnel et à un moule respectif, la lentille comprenant une pluralité de facettes de dépouille, dans laquelle chaque facette de dépouille a un angle de dépouille. Ces dernières années, en raison de l'augmentation constante des prix de l'énergie, dictée en particulier par l'augmentation constante du prix des énergies fossiles, de plus en plus d'intérêt a été montré envers les sources d'énergie renouvelable. Une forme particulièrement appréciée d'énergie renouvelable réside dans la lumière solaire convertie en électricité au moyen de générateurs photovoltaïques. L'avantage d'un générateur photovoltaïque par rapport à d'autres sources d'énergie renouvelable telles que le vent, les vagues et les biomasses, inclut le fait qu'il ne requiert pas de pièces mobiles, diminuant ainsi les coûts et la maintenance, et qu'il peut être installé virtuellement n'importe où, dans des tailles allant de quelques centimètres carrés jusqu'à des parcs photovoltaïques couvrant plusieurs centaines de kilomètres carrés. Une forme particulièrement avantageuse de générateurs photovoltaïques réside dans les générateurs photovoltaïques à concentration. Encore plus spécifiquement, les générateurs photovoltaïques à concentration sont préférés étant donné qu'ils réduisent les coûts en matériel en comparaison aux générateurs photovoltaïques qui ne sont pas à concentration. En particulier, la lumière du soleil est concentrée sur une cellule au moyen d'au moins une lentille. De cette manière, la taille de la cellule peut être réduite, diminuant ainsi les coûts associés aux matériaux semi-conducteurs et aux procédés nécessaires à la réalisation de la cellule.

Généralement, des lentilles de Fresnel sont utilisées dans les générateurs photovoltaïques à concentration. L'avantage des lentilles de Fresnel par rapport à une lentille standard réside dans le fait qu'elles peuvent parvenir à la même valeur de concentration de lumière solaire avec une surface plus mince, diminuant ainsi les exigences en matière d'espace et les coûts des matériaux pour les lentilles. Dans la plupart des cas, les lentilles de Fresnel sont carrées ou rectangulaires et sont agencées en plaque à lentilles avec plusieurs lentilles proches les unes des autres. Par exemple, la Figure 4 illustre schématiquement une vue du dessus de deux lentilles 4100 et 4200 réalisant une plaque à lentilles 4000. En particulier, dans la lentille 4200, une pluralité de lignes circulaires illustre des facettes de la lentille de Fresnel. Dans la lentille 4100, seulement certaines de ces facettes ont été représentées pour faciliter l'illustration. Plus spécifiquement, la facette la plus petite illustrée dans la lentille 4100 correspond à un rayon R41. Une facette plus grande correspondant au rayon R42 est également illustrée, ainsi qu'une facette correspondant à un rayon encore plus grand R43. Comme on peut le voir, seulement les facettes ayant un rayon qui est plus petit que ou égal à la moitié de la largeur 4001 de la lentille 4100 réalisent une circonférence complète. Ceci est par exemple le cas pour des facettes ayant les rayons R41 et R42. Pour des facettes telles que celle ayant le rayon R43, seulement des parties de la circonférence entrent dans la lentille 4100. La dernière circonférence entrant dans la lentille 4100 est idéalement celle qui correspond au rayon R44 ayant la plus grande valeur entrant dans la lentille 4100. La Figure 1 illustre schématiquement une vue en coupe d'une seule lentille de Fresnel 1000, prise le long du diamètre de la lentille.

En particulier, la lentille de Fresnel 1000 est réalisée sur un substrat 1001, tel que du verre ou du plastique, ayant une pluralité de sections de lentille 1100-1600. Encore plus spécifiquement, chacune des sections de lentille 1100-1600 comprend une facette de pente et une facette de dépouille. Par exemple, la facette de pente 1540 et la facette de dépouille 1550 sont indiquées en relation aux sections de lentille 1500. Les facettes de pente et de dépouille sont définies par leur angle et leur longueur. Plus spécifiquement, la facette de pente 1540 de chacune des sections de lentille 1100-1600 a un angle de pente 1341 indiqué en référence à la facette de pente 1540 respective de la section de lentille 1300. De manière similaire, la facette de dépouille 1550 de chacune des sections de lentille 1100-1600 a un angle de dépouille 1151 indiqué en référence à la facette de dépouille 1550 respective de la section de lentille 1100. La facette de pente 1540 est la facette fournissant la fonction optique. D'autre part, la facette de dépouille 1550 est utilisée dans le but d'obtenir une forme plate pour la lentille de Fresnel 1000, mais ne fournit aucune fonctionnalité optique. Par conséquent, un objectif pour une lentille de Fresnel est généralement d'avoir un angle de dépouille 1151 aussi petit que possible dans le but de diminuer la surface de la lentille de Fresnel ne fournissant aucune fonctionnalité optique, de manière à maximiser l'efficacité de la lentille.

Cependant, une diminution de l'angle de dépouille 1151 n'est possible que dans une certaine mesure. Ceci est dû en particulier à la méthode de fabrication des lentilles de Fresnel reproduites. Étant donné que les lentilles de Fresnel usinées sont beaucoup trop coûteuses, la méthode beaucoup moins coûteuse de reproduction des lentilles de Fresnel est employée. En général, une première structure maitresse utilisée pour réaliser les lentilles de Fresnel est d'abord fabriquée dans un substrat métallique sur un tour en diamant. Cette première structure maitresse est ensuite reproduite dans du nickel en utilisant l'électroformage. À partir de la première réplique en nickel, d'autres moules en nickel sont faits dans le but de développer un outillage de production complet, qui est ensuite utilisé dans la production à grand volume de lentilles ou de plaques à lentilles reproduites. Une étape de procédé critique dans cette méthode de fabrication est la séparation d'une paire de moules en nickel. L'angle de dépouille 1151 joue un rôle critique dans cette étape parce que plus l'angle est petit, plus grandes sont les forces qui seront nécessaires pour séparer les deux moules en nickel. Ceci implique en général que l'angle ne peut pas être réduit à zéro, mais qu'un angle minimal optimal doit être trouvé entre l'efficacité optique de la lentille de Fresnel et la fabricabilité de la lentille elle-même au moyen du procédé décrit plus haut. Un objectif de la présente invention est par conséquent de fournir une lentille de Fresnel, et le moule respectif, qui atteigne une efficacité élevée tout en fournissant toujours un degré de fabricabilité élevé. La présente invention peut se rapporter à un moule pour une lentille de Fresnel, dans lequel l'angle de dépouille des facettes de dépouille du moule a au moins deux valeurs angulaires différentes pour deux facettes de dépouille différentes. L'invention peut aussi se rapporter à une lentille de Fresnel comprenant une pluralité de facettes de dépouille, dans laquelle l'angle de dépouille des facettes de dépouille a au moins deux valeurs angulaires différentes pour deux facettes de dépouille différentes. L'invention peut aussi se rapporter à un procédé de fabrication d'une lentille de Fresnel ou d'un moule pour une lentille de Fresnel, incluant l'étape de réalisation des facettes de dépouille de la lentille, ou respectivement du moule, avec au moins deux valeurs angulaires différentes pour deux facettes de dépouille différentes. Ceci fournit l'avantage bénéfique qu'un angle différent peut être utilisé pour des facettes différentes, rendant ainsi une séparation moule / moule et lentille / moule plus facile.

Dans certains modes de réalisation, les au moins deux valeurs différentes peuvent comprendre une première valeur pour l'angle de dépouille de la facette de dépouille d'une première section de moule ou de lentille, et une autre valeur pour l'angle de dépouille de la facette de dépouille d'une deuxième section de moule ou de lentille, la section de moule ou de lentille la plus proche du centre du moule ou de la lentille pouvant avoir une valeur plus petite pour l'angle de dépouille. Ceci fournit l'avantage bénéfique qu'une séparation moule / moule et une séparation lentille / moule est rendue plus facile sur la deuxième section de moule ou de lentille en raison de l'angle de dépouille plus grand.

Dans certains modes de réalisation, l'angle de dépouille des facettes de dépouille d'une première zone du moule ou de la lentille peut être plus petit que l'angle de dépouille des facettes de dépouille d'une deuxième zone du moule ou de la lentille. Ceci fournit l'avantage bénéfique qu'une séparation moule / moule et une séparation lentille / moule est rendue plus facile sur la deuxième section de moule ou de lentille en raison de l'angle de dépouille plus grand. Dans certaines modes de réalisation, l'angle de dépouille peut augmenter avec un rayon croissant des facettes de dépouille. Ceci fournit l'avantage bénéfique qu'une séparation moule / moule et une séparation lentille / moule est rendue plus facile de manière progressive, avec un rayon croissant, facilitant ainsi plus la séparation sur les facettes de dépouille qui sont de plus en plus difficiles à séparer, de manière à parvenir à une force de séparation constante sur toute la surface de la lentille. L'invention va être décrite à présent en plus de détails au moyen de l'exemple suivant utilisant des modes de réalisation avantageux et en référence aux dessins. Les modes de réalisation décrits sont uniquement des configurations possibles dans lesquelles les caractéristiques individuelles peuvent cependant, comme décrit plus haut, être implémentées indépendamment l'une de l'autre, ou peuvent être omises, ou peuvent être combinées entre différents modes de réalisation. Les éléments égaux illustrés dans les dessins sont pourvus de signes de référence égaux. Les parties de la description se rapportant à des éléments égaux illustrés dans les différents dessins pourront être omises. Dans les dessins : la Figure 1 illustre schématiquement une lentille de Fresnel à pas constant 1000; la Figure 2 illustre schématiquement une lentille de Fresnel à hauteur constance 2000; la Figure 3 illustre schématiquement la relation entre la superficie de la facette de dépouille et le rayon d'une lentille de Fresnel avec une géométrie différente d'une forme circulaire ; la Figure 4 illustre schématiquement une plaque à lentille 4000 comprenant deux lentilles de Fresnel carrées ; et la Figure 5 illustre schématiquement une lentille de Fresnel carrée conformément à un mode de réalisation de la présente invention. La lentille de Fresnel 1000 illustrée à la Figure 1 est une lentille de Fresnel à pas constant. En particulier, la dimension horizontale 1610 indiquée en relation à la section de lentille 1600 est la même pour chacune des sections de lentille 1100-1600. En raison de la géométrie de la lentille nécessaire pour focaliser la lumière, l'angle de pente 1341 augmente en s'éloignant du centre C de la lentille 1000 vers la périphérie de la lentille 1000. Dans une lentille de Fresnel à pas constant, comme la lentille 1000 illustrée à la Figure 1, la hauteur de chacune des sections de lentille 1100-1600 va ensuite augmenter en s'éloignant du centre C. En particulier, la hauteur 1130 illustrée par rapport à la section de lentille 1100 adjacente au centre C de la lentille 1000 est plus petite que la hauteur 1320 illustrée en référence à la section de lentille 1300 plus éloignée du centre C de la lentille 1000. Cette augmentation de hauteur résulte dans le fait que les moules en nickel réalisés avec le procédé de fabrication décrit plus haut sont plus difficiles à séparer dans ces régions de la lentille qui sont plus éloignées du centre C. En particulier, comme on peut le voir à la Figure 1, la facette de dépouille respective 1550 de la section de lentille 1300 a une dimension plus grande que la facette de dépouille 1550 respective de la section de lentille 1100. La hauteur croissante de la facette de dépouille plus grande résulte en une séparation des moules plus difficile dans la zone des sections de lentille 1300 et 1600 que dans la zone des sections de lentille 1100 et 1200 plus proches du centre C de la lentille. En particulier, pour des petits angles de dépouille, la facette de dépouille 1550 a une surface quasi verticale. Alors que la séparation d'une telle surface quasi verticale peut ne pas être problématique pour la facette de dépouille 1550 de la section de lentille 1100, elle devient de plus en plus dure pour la facette de dépouille 1550 de la section de lentille 1300. Une manière possible de réduire les dimensions de la surface de dépouille des sections de lentille éloignées du centre C est illustrée par la lentille de Fresnel 2000 de la Figure 2. Plus spécifiquement, la Figure 2 illustre schématiquement une lentille de Fresnel à hauteur constante 2000. En contraste avec la lentille 1000 de la Figure 1, la lentille de Fresnel 2000 comprend une pluralité de sections de lentille 2100-2800, chacune avec la même hauteur 2130. En raison de la fonctionnalité optique de la lentille de Fresnel, comme décrit plus haut, l'angle de pente augmente pour des sections de lentille éloignées du centre C de la lentille, tel qu'illustré par l'angle de pente 2341 de la section de lentille 2300, qui est plus grand que l'angle de pente 2541 de la section de lentille 2500. Ceci résulte en ce que la dimension horizontale des sections de lentille 2100-2800 devient de plus en plus petite en s'éloignant du centre C, tel qu'illustré par la dimension horizontale 2210 de la section de lentille 2200, qui est plus grande que la dimension horizontale 2710 de la section de lentille 2700. Cependant, la réduction en dimensions horizontales lorsqu'on s'éloigne du centre C a l'effet que le pourcentage de surface de la lentille qui est occupé par les facettes de dépouille augmente en allant vers l'extérieur de la lentille. En particulier, étant donné que l'angle de dépouille 2151 ne change pas le long de la surface de la lentille 2000, alors que l'angle de pente 2341, 2541 augmente en s'éloignant du centre C, le rapport de la surface horizontale de la lentille 2000 pris par facettes de dépouille sur la surface horizontale de la lentille 2000 pris par facettes de pente augmente, comme on peut le voir à la Figure 2. Ainsi, étant donné qu'il y a, en pourcentage, plus de surface de dépouille proche des bords de la lentille que sur le centre de la lentille, aussi bien pour la lentille 2000 que pour la lentille 1000, la séparation des moules sera plus difficile sur le côté de la lentille qu'au centre, et ce spécialement pour des petits angles de dépouille. La Figure 3 illustre schématiquement la relation entre la dimension horizontale des facettes de dépouille, sur l'axe Y, et le rayon de la lentille, sur l'axe X, d'une lentille de Fresnel 1000 ou 2000. La ligne 3002 sur l'axe X représente la valeur du rayon correspondant à la dernière circonférence complète de la lentille, qui a une géométrie différente d'une forme circulaire, en particulier une forme carrée ou une forme hexagonale, mais ne s'y limite pas. La lentille de Fresnel de forme carrée est montrée à la Fig. 4, dans laquelle la ligne 3002 correspond au rayon R42. Comme on peut le voir, dans la zone 3003 où le rayon a des valeurs au-dessous de la ligne 3002 correspondant à la partie de forme circulaire de la lentille de Fresnel, il y a une corrélation substantiellement croissante entre la superficie occupée par la facette de dépouille et le rayon de la facette correspondante, comme indiqué par les points 3001. D'autre part, dans la zone 3004 dans laquelle la valeur du rayon est au-dessus de la ligne 3002, correspondant par exemple au rayon R43 de la Figure 4, il y a une relation substantiellement décroissante entre la valeur du rayon et la superficie de la lentille occupée par la facette de dépouille. Ceci peut être expliqué en notant que même si le rayon R43 est plus grand que le rayon R41, qui résulterait en une superficie plus grande, la superficie de la facette de dépouille correspondant au rayon R43 peut être plus petite que la superficie de la facette de dépouille correspondant au rayon R41, étant donné que la facette de dépouille de rayon R43 ne s'étend pas sur toute la circonférence mais seulement sur une portion de celle-ci, comme illustré à la Figure 4. À la limite, la circonférence correspondant au rayon R44, bien qu'étant la circonférence la plus grande contenue par la lentille 4100, aura la plus faible quantité de superficie de dépouille, tel qu'illustré par le point 3005, étant donné que seuls les quatre points idéaux aux coins de la lentille 4100 sont inclus dans la circonférence ayant le rayon R44. La présente invention exploite cette relation pour fournir une lentille de Fresnel avec une efficacité élevée et un degré de fabricabilité élevé. En particulier, dans la présente invention, l'angle de dépouille 1151, 2151 n'est pas constant le long de toute la surface de la lentille, pour chacune des sections de lentille 1100-1600 ou 2100-2800, mais a au moins deux valeurs. Plus spécifiquement, dans un mode de réalisation de l'invention, l'angle de dépouille augmente d'une première valeur vers une deuxième valeur en s'éloignant depuis le centre C de la lentille de Fresnel vers la périphérie de la lentille. La Figure 5 illustre schématiquement une vue du dessus d'une lentille de Fresnel 5000, conformément à un mode de réalisation de la présente invention. Des facettes n'ont pas été illustrées pour faciliter la représentation. Comme on peut le voir à la Figure 5, la lentille de Fresnel 5000 a une dimension latérale 5004. Comme pour la lentille de Fresnel de la Figure 4, les facettes vont avoir une circonférence complète seulement jusqu'à un certain rayon, correspondant au rayon R51. Les facettes ayant un rayon au-dessus de cette valeur, comme les rayons R52 et R53, vont inclure seulement une partie de la circonférence au sein de la forme carrée de la lentille 5000. Dans ce mode de réalisation, les facettes incluses dans la zone de la lentille 5000 ayant un rayon plus petit que le rayon R51, c'est-à-dire la zone 5001, ont une première valeur pour l'angle de dépouille, par exemple 2°. Ceci fournit une efficacité élevée de la lentille étant donné que la superficie occupée par les facettes de dépouille est réduite grâce à la valeur plutôt petite de l'angle de dépouille. En allant plus en direction du bord, dans la zone 5002, dans laquelle les facettes ont un rayon compris entre le rayon R51 et le rayon R52, l'angle de dépouille est augmenté, par exemple jusqu'à une valeur de 3°, fournissant ainsi une fabricabilité plus facile de la cellule étant donné que l'angle est augmenté sur la partie extérieure de la lentille où la séparation des plaques de nickel est généralement plus difficile. Encore davantage, pour les facettes ayant un rayon plus grand que le rayon R52 et jusqu'à une valeur de rayon R53 correspondant à la zone 5003, l'angle de dépouille est encore augmenté, par exemple jusqu'à une valeur de 5°, simplifiant encore plus la fabricabilité de la lentille dans sa zone la plus critique pendant la séparation des moules de nickel. D'autre part, l'augmentation de l'angle de dépouille a un impact maîtrisé sur l'efficacité de la lentille, étant donné que la superficie de dépouille des facettes au-dessus du rayon R52 est plutôt faible, comme illustré par la Figure 3. Alors que le mode de réalisation ci-dessus a été décrit avec trois valeurs pour l'angle de dépouille, la présente invention n'y est pas limitée. En particulier, tout nombre de valeurs pour l'angle de dépouille pourrait être employé, depuis un nombre aussi bas que deux valeurs jusqu'à une valeur changeant consécutivement pour chacune des facettes. En particulier, la présente invention peut être réalisée en fournissant y compris juste une seule facette dans la périphérie de la lentille ayant un angle de dépouille plus grand qu'une facette plus proche du centre de la lentille. En tant qu'autres modes de réalisation, les zones 5002 et 5003 pourraient avoir le même angle de dépouille, plus grand que l'angle dépouille de la zone 5001. En alternative, les zones 5002 et 5001 pourraient avoir le même angle de dépouille, plus petit que l'angle de dépouille de la zone 5003. Encore en alternative, l'ange de dépouille pourrait augmenter par étapes pour chaque facette, en commençant par la facette correspondant au rayon R51, ou même en commençant par des facettes du centre de la lentille de Fresnel.

Il sera clair aux hommes du métier que, bien que la description ci-dessus ait été faite par rapport à une lentille, le même concept peut aussi être appliqué au moule formant la lentille. Il est par conséquent possible d'appliquer ce qui a été décrit ci-dessus à un moule pour une lentille de Fresnel, qui est donc également un mode de réalisation de l'invention.

Bien que référence ait été faite à une méthode de fabrication spécifique impliquant un usinage diamant et un électroformage ultérieur de moules en nickel, la présente invention n'y est pas limitée et peut être réalisée indépendamment des matériaux des moules et indépendamment de si ceux-ci sont électroformés, moulés, etc. Tant qu'une lentille doit être séparée d'une autre lentille ou séparée d'un moule, ou tant qu'un moule doit être séparé d'un autre moule, la présente invention peut être réalisée pour rendre l'étape de séparation plus facile tout en fournissant toujours une lentille efficace. De plus, la présente invention peut être réalisée à la fois sur une lentille à pas fixe, comme la lentille 1000, et sur une lentille à hauteur fixe, comme la lentille 2000, et sur toute combinaison de celles-ci. Par exemple, une lentille pourrait être à pas fixe jusqu'à un certain rayon et à hauteur fixe à partir de ce rayon.

Claims

REVENDICATIONS1. Moule pour une lentille de Fresnel (1000, 2000), dans lequel l'angle de dépouille (1151, 2151) des facettes de dépouille (1550) du moule a au moins deux valeurs angulaires différentes pour deux facettes de dépouille différentes.
2. Moule selon la revendication 1, dans lequel les au moins deux valeurs différentes comprennent une première valeur pour l'angle de dépouille de la facette de dépouille d'une première section de moule (1100, 1200) et une autre valeur pour l'angle de dépouille de la facette de dépouille d'une deuxième section de moule (1300, 1600), dans lequel la section de moule plus proche du centre (C) du moule a une valeur plus petite pour l'angle de dépouille.
3. Moule selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'angle de dépouille des facettes de dépouille d'une première zone (5001) du moule est plus petit que l'angle de dépouille des facettes de dépouille d'une deuxième zone (5002) du moule.
4. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'angle de dépouille augmente avec un rayon croissant des facettes de dépouille.
5. Lentille de Fresnel comprenant une pluralité de facettes de dépouille (1550), dans laquelle l'angle de dépouille (1151, 2151) des facettes de dépouille a au moins deux valeurs angulaires différentes pour deux facettes de dépouille différentes.
6. Lentille selon la revendication 5, dans laquelle la lentille de Fresnel est une lentille à hauteur fixe ou une lentille à pas fixe.
7. Lentille selon l'une des revendications 5 ou 6, dans laquelle les au moins deux valeurs différentes comprennent une première valeur pour l'angle de dépouille de la facette de dépouille d'une première section de lentille (1100, 1200) et une autre valeur pour l'angle de dépouille de la facette de dépouille d'une deuxième section de lentille (1300, 1600), dans laquelle la section de lentille plus proche du centre (C) de la lentille a une valeur plus petite pour l'angle de dépouille.
8. Lentille selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans laquelle l'angle de dépouille des facettes de dépouille d'une première zone (5001) de la lentille est plus petit que l'angle de dépouille des facettes de dépouille d'une deuxième zone (5002) de la lentille.
9. Lentille selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans laquelle l'angle de dépouille augmente avec un rayon croissant des facettes de dépouille.
10. Procédé de fabrication d'une lentille de Fresnel ou d'un moule pour une lentille de Fresnel, incluant l'étape de réalisation des facettes de dépouille de la lentille, ou respectivement du moule, avec au moins deux valeurs angulaires différentes pour deux facettes de dépouille différentes.