Brevet FR2362416A1 — publié le 19780317

La présente invention concerne les dispositifs d'utilisa.ion de l'énergie solcire. Dans les dispositifs les plus connus à ce jour, se trouvent ceux destins a produire lteffet de serre. En utilisant ce principe, des panneaux fixes ou mobiles sont constitués par des récipients plats qui contiennent un liquide, de l'eau en l'occurence. Ces panneaux sont recouverts de vitres transparentes et accumulent des calories qui sont transportées par un système échangeur à thermosy- ou pompe vers un réservoir calorifugé ou est stockée l'eau chaude à utiliser. Certains de ces systemes sont fixes, d'autres orientables. Dans les systemes à panneaux fixes, ie rayonnement incident est reçu selon des conditions qui varient avec l'orientation et l'azimut du soleil, e l'on sait que, sous un certain angle, le rayon incident est réfléchi ou peu absorbé. La perte est importante.bans les systemes c panneaux orientables, le rendement est proportionnel à la surface de réception et a l'angle d'incidence. Les conditions ne sont pas toujours réunies pour un rendement optimum. Dans les systèmes de convergence tels, les installations d'Odeillo et de .ontlouis dans les P.O, les températures obtenues sont très élevées, mais les foyers, en raison du rayon de courbure, sont trés éloignés du récepteur, et ne peuvent s'installer partout. Il existe aussi des cuisinières solaires constituées par des réflectresu plans inclinés, selon un angle qui fait réfléchir le rayonnement vers une convergence et un foyer. Les températures atteintes sont intéressantes, mais le peu d'ouverture des angles ne permet qu'un plan de surface relativement restreint. La présente invention offre un rendement relatif aux plans de surfaces exposés, bien supérieur à ceux des dispositifs précédents. L'appareil pouvant s'orienter, suit exactement la course apparente du soleil et le plan se présente toujours perpendiculairement aux rayons incidents. Le seul critere de rendement est l'ensoleillement moyen du lieu. D'autre part, le dispositif peu être installé en tout lieu où l'ensoleillement est suffisant, même si ce lieu est exposé au vent. Peu importe l'orientation de l'aire1 sa pente, sa forme etc... le dispositif peut se monter sur un toit incliné, une terrasse, un flanc de coteau, un sommet, une tour, etc... le dispo- sitif peut être pluralisé pour une même installation, dans ce cas, le montage se fera en série ou en parallBle. La température du foyer sera d'autant plus élevée que les dimensions de l'appareil seront. importantes. Le dispositif de convergence, objet de la présente invention est un appareillage fixe mais orientables de miroirs, dont le plan géométrique peut s'inscrire dans un polygone ou dans un cercle, la disposition polygonale peut entre au choix : le triangle équilatéral, le carré, le pentagone, l'exagone, l'octogone etc... Pour la présen te description nous avons choisi la structure octogonale et le cercle, Fig 1 Hl T, Fig 2 1-1 i. L'équipage contient des réflecteurs et contre-réflecteurs plan s pour les structures polygonales, incurvés selon le rayon de courbure pour les structures circulaires, et qui agissent selon des angles stables, les réflecteurs dirigeant les rayons réfléchis sur les contre réflecteurs, qui les orientent à leur tour vers le foyer de convergence. Le profil de coupe d'un des côtés du polygone est le meme pour tous les côtés, la coupe s'effectuant à la médiane,fig 4, pl. IV. De meme pour la structure circulaire, le profil de coupe d'un secteur du plan est le meme pour tous les secteurs, la coupe s'effectuant au rayon. Fig 3 pl. III, coupe AA. Cette disoposition fix e permet le choix du plan géométrique sans avoir à la modifier.Les réflecteurs et contre-réflecteurs, que la géométrie soit courbe ou polygonale, sont stabilisés selon des angles d'incidence et de réflection du rayonnement incident perpendiculaire au plan, calculés pour une convergence au foyer qui se situe sous le dispositif à un centre géométrique autour d'un point P. situé sur l'axe 0 O perpendiculaire au plan. Fig. 5 Pl. V. La convergence peut tre plus serrée autour d'un point P. par de nouvelles réflexions sous l'appareil.Fig. 6 Pl. V, et d'un point P1' par d'autres réflexions etc... Ceci fait que l'équipage s'inscrit dans une figure géométrique qui est le tronc de pyramide pour la structure polygonale, le tronc de cane pour la structure circulaire du plan. Fig. 1 rl. I, Fig. 2 Pi. Il. Le dispositif est conçu selon des coordonnées angulaires et peut donc s'étendre dans les trois dimensions. Le module.sera donc créé selon l'importance du plan de surface que l'on désirera exposer. Un module considéré comme ayant les dimensions optimum, peut être pluralisé et monté en série pour une même installation. Le plan de surface de l'équipage doit-être rigoureusement orienté a' la perpendiculaire du rayonnement solaire incident. Ceci implique donc la nécessité d'un système d'orientation qui permet de suivre les mouvements apparents du soleil.De nombreuses applications d'automaticité sont connues et ne présentent aucune difficulté technique, Prenant par exemple les télescopes d'astronomie, l'équipage sur un axe équatorial dont le point d'articulation est situé, au base de l'arbre monté sur chape dont l'axe est paral lèle a l'quatour terrestre. L'arbre est incliné selon un angle relatif 10 latitude du lieu et à la hauteur du solei-l selon les cycles périodiques. Le mouvement diurne est suivi par la rotation de l'appareil sur l'axe. pl. 1 Fig. I. Le dispositif d'orientation sera mu par un systeme dont le choix peut-être électrique, mécani- que ou hydraulique.La régulation de l'automatisme se fait par une horloge à contact réglable. Plusieurs modules installes en parallèle ou en série, peuvent être entrai nés dans leur mouvement par un mécanisme commun dont la réalisation technique n'coffre aucune difficulté. Le rayonnement convergent est reçu sous le dispositif, il peut être collecté, dans un réceptacle calorifugé et fermé, formant boite noire. L'énergie collectée peut entre utilisée directement comme énergie rayonnante, transformée par des procédés connus en une autre forme d'énergie; électrique par exemple, ou en énergie thermique qui sera utilisée pour des usages domestiques ou industriels. Un exemple de montage en série pour l'utilisation du chauffage central par eau chaude est illustré sur la pl. VII fig.7. L'essentiel de l'invention réside dans la disposition angulai ré fixe du plan sécant des réflecteurs et des contre -réflecteurs. Un changement de cette disposition en modifierait les fac teurs de rendement. pl. VIII. fig. 6. pl IX fig. 9 pl. fig. 10. Le, plan sécant des figures : 8, 9, 10 et des planches: VIII nous donne par des épures, la disposition des réflecteurs et des contre-réflecteurs, vus en coupe. Pour un secteur, la coupe AA s'effectue au rayon; à la médiane pour la structure polygonale. L'épure de la planche : VIII commence par un cercle de rayon r quelconque, une droite horizontale AD tangente au cercle est tragée à la partie supérieure. Une droite horizontale CD tangente au cercle et parallele à la droite AD est traçée à la partie in férieure. Une perpendiculaire EF passant par le centre 0 du cercle rejoint les deux tangentes aux points de rencontre EF. Deux dia gonales AD et BC, passent par le centre 0 et forment respective ment un angle de 52 30, avec la perpendiculaire EF, soit entre elles un angle AOB de 105 , plus un angle COD de 105 , plus un angle AOC de 75 plus un angle de 75 . Aux points de recontre ABCD de ces diagonales avec les tangentes horizontales, des perpendi culaires sont tirées.La perpendiculaire BD, donne l'axe OO' per- pendiculaire au plan de l'appareil, la perpendiculaire AC délimite le plan sécant du rayon ou de la médiane. Les angles AOC et BOD sont subdivisés par des demi-droites qui partent du centre 0. Les points de rencontre de ces demi-droites avec les perpendiculaires AC et BD donnent les niveaux de droites parallèles horizontales qui séparent les bases des réflecteurs et contre. réflecteurs dont la coupe.est tangente à ces droites. Ainsi le réflecteur 1 est tangent à la droite aa et donne avec elle un angle &alpha; 47 20. Le ref. 2 est tangent a' la droite bb et donne avec elle un: &alpha; 45 30. Le ref. 3 " " cc' et donne " ": &alpha; 40 30. Le ref. 4 " " dd' et " " ": &alpha; 51 35. Le ref 5 " n- ee et t n n : &alpha; 55 40. Le ref. 6 " " ff' et " " ": &alpha; 53 . Le ref. 7 " " gg' et " " ": &alpha; 51 . Le ref. 8 " " hh" et " " ": &alpha; 52 30. Le ref. 9 " " jj' et " " ": &alpha; 77 15. Une droite AA tangente à la droite CD donne avec elle un angle = &alpha; 50 50. Valeur de l'angle AOC et subdivisions AOC = 75 = Aa + ab + bc = cd + de + ef + fg + gh + hi + ij + JC. Reports: &alpha; Aa = 6 45, &alpha; ab = 11 10, &alpha; bc = 8 50, &alpha; cd = 9 40, &alpha; de = 9 40, &alpha; ef = 5 08, &alpha; fg = 7 25, &alpha; gh = 5 25, &alpha; hi = 2 35, &alpha; ij = 5 35, &alpha; JC = 2 50. Le contre réflecteur 1 c est tangent à la droite rr ( voir points de rencontre demi droites c'b et 01 m m de la planche "- )et donne avec elle un angle = 21030. Le c.ref 2c est tgt à la droite k k et donne avec elle un angle &alpha;22 40. le c-ref. 2 c " " l'l et " " " &alpha; 35 30. Le c-ref. 3 c " " m'm et " " " &alpha; 33 40. Le c-ref. 4c " " n'n et " " " &alpha; 33 20. Le c-ref. 5c " " o'o et " " " &alpha; 33 20. le c-ref. 6c " " p'p et " " " &alpha; 28 10. Le c-ref. 7c n " q q et " " " t 24 35. Valeur de l'angle BOD et subdivisions. BOD = 75 = Bk + K1 + lm + mn + no + op + pq = qD. Reports : &alpha;Bk = 3 15, &alpha; k1 = 3 05, &alpha; Im = 11 30, &alpha; mn = &alpha; 30 05. &alpha; no = 15 35, &alpha; op = 5 , &alpha; pq = 4 , &alpha; qD = &alpha; 2 30. DISPOSITION des réflecteurs en référence à la planche IX. fig. 9. Les traits gras représentent la section vue en coupe AA des réflecteurs. Cette coupe est valable pour les miroirs plans dans le cas d'un appareillage polygonal , aussi bien que pour les mi roirs courbesdans l'appareillage circulaire. Sur cette planche nous avons négligé les contours apparents ou cachés, la section vue en coupe des réflecteurs suffisant à la lecture. Le repérage de la position des réflecteurs vue en coupe se fait par les points-de rencontre des demi-droites divisant l'angle et et des demi-droites divisant les angles fait et 1 Ainsi le réflecteur 1 est disposé sur les points de recon tre des demi-droites OB et O'B et des demi-droites Oa et O'i. Le ref. 2 sur le p.d.r. Oa et O1' et le p.d.r. O'j et O'b et O1K Le ref. 3 sur le p.d.r. O1k et Ob et le p.d.r.Oc et O'1 et O1m Le ref. 4 " " " Oc et O'1 et O1m et le p.d.r. Od et O1n. Le ref. 5 sur le p.d.r. Qd et O1 n et O C et le p.d.r. Oe et O1 Le ref.u- sur le p.d.r. Oe et Oio et le p.d.r. Of et Le ref.7 sur le p.d.r. Of et O'1p et le p.d.r. Cg ct 01q Le erf.8 sur le p.d.r. Og et 01q et le p.a.r. Oh et O'1r Le ref. 9 sur le p.d.r. Oh et O'1s et le p.d.r. OA et O1t Valeurs des angles et reports par les demi-droites en degrés = = 99035 = Ba + ab + bc + cd + de + ef + fg + gh + hA Reports : &alpha; Ba = 11 15, &alpha; ab = 23 , &alpha; bc = 20 45, &alpha; cd = 15 20, &alpha; dc = 10 10, &alpha;ef = 4 45, &alpha; fg = 5 20, &alpha; gh = 4 45, &alpha; hA = 4 15. BOC = 88 30 = Bi + ij + jl + lC. Reports : &alpha; Bi = 14 20, &alpha; ij = 33 45, &alpha; jl = 24 10, &alpha; lC = 16 15. 0'01A = 90 = O'k + Km + mn + no + op; pq + qr + rs + st + tA. Reports : &alpha; O'k = 19 24, &alpha; km = 12 25, &alpha; mn = 11 05, &alpha; no = 11 25, &alpha; op = 3 15, &alpha; pq = 9 10, &alpha; qr = 6 50, &alpha; rs = 2 40, &alpha; st = 7 30, &alpha; tA = 3 15. DISPOSITION des contre-réflecteurs en référence à la planche X fig. 10. Les traits gras représentent la section vue en coupe des contre-réflecteurs, qui est valable pour les miroirs plans dans le cas d'une construction polygonale du plan de l'appareil ou pour les miroirs courbes dans le cas d'une construction circulaire ou ovale du plan de l'appareil dont la géométrie générale peut s'inscrire dans la pyramide ou le tronc de pyramide pour le premier cas ou dans le cône ou le tronc de cône pour le deuxième cas. Sur cette planche nous avons négligé les contours apparents ou cachés, la section vue en coupe des contre-réflecteurs suffisant à la lecture. Le repérage de la position des contre-réflecteurs vus en coupe, se fait par la disposition de points de recontre de demi-droi tes divisant les angles AOB, BOC, A'O'B', et de demi-droites divisant les angles C' O1B, B1O1A1, A2O'1 B1, A2O2C1. Ainsi le contre réflecteurs Ic est disposé sur les points de rencontre des demidroites 01C' et O'B' et des demi-droites O1m et O'l. Le c.ref 2c sur les p.d.r. 01B1 et OC et O1n et Ob. Le c. ref. 3c sur les p.d.r. O1'n' et Ob et O'1o et Od. Le c. ref. 4c sur les p.d.r. Op et Oe et Oq et Od. Le c.ref. 5c sur les p.d.r. OB et 02z et 01r et Of. Le c.ref. 6c sur les p.d.r. O2z et 01f et O2'x et Oi. Le c.ref. 7c sur les p.d.r. O2y̑ et Og et O2w et Oj. Le c. ref. 8c sur les p.d.r. O1 et Oh et O2w et Ok. Valeur des angles et reports par les demi-droites en degrés AOB = 87005 = Aa + ab + bc + cd + de + eB. Reports : &alpha; Aa = 10 15, &alpha; ab = 7 55, &alpha; bc = 11 05, &alpha; cd = 6 50, &alpha; de = 11 30, &alpha; eB = 39 30. BOC = 92 55 = Bf + fg + gh + hi + ij + jk + kC. Reports : &alpha; Bf = 31 50, &alpha; fg = 2 10, &alpha; gh = 6 50, &alpha; hi = 21 25, &alpha; ij = 0045, &alpha; jk = 2045, &alpha; kC = 27010. A'O'B' = 24 = A'1 + 1B' Reports : &alpha; A'1 = 1 ,&alpha; 1B' = 23 . C'O'B' = 18 10 = C'm + mB1 Reports : &alpha; C'm = 4 40, &alpha; mB1 = 13 30. B101A1 = 90 = B1n + no + op + pq + qr + rs + st + tA1. Reports = &alpha; B1n = 6 15, &alpha; no = 4 , &alpha; op = 9 10, &alpha; pq = 9 25,&alpha; qr = 26 ,&alpha; rs = 10 15,&alpha; st = 10 25, &alpha; tA1 = 14 30. A20'1B'1 = 34005 = A2u + uB'1. Reports :&alpha; A2u = 28 25, &alpha; uB1' = 5 40. A2O2O1 = 900 = A2Z + zy + yx + xw + wv + vC1. Reports :&alpha; A2z = 23 10, &alpha; zy = 17 35, &alpha; yx = 28 25, &alpha; xy = 7 35, &alpha; wv = 8025, &alpha; vC1 = 4050. REVENDICATIONS 1j Dispositif de convergence destiné à capter et a permettre l'uti- lisation de l'énergie solaire. Le dispositif est un appareillage à géométrie fixe mais orientable de miroirs stabilisés selon des angles calculés pour une convergence du rayonnement incident solaire. Le dispositif est orientable en tous sens afin de suivre exactement la course apparente du soleil et de présenter son plan ce surface a la perpendiculaire du rayonnement incident. La position stable de chaque réflecteur, fig 8, a été calculée afin de recevoir le rayonnement incident perpendiculaire au plan du dispositif selon un angle d'incidence qui se répercute selon un angle de réflexion de meme valeur (o =&alpha; r). Le rayonnement réfléchi divient incident sur la surface d'un contre réflecteur qui le réfléchit vers le foyer de convergence situé sous la base du dispositif, autour d'un point P situé sur l'axe W O' perpendiculaire au plan, fig 5.Caractérise par le fait que la disposition stable es réflecteurs et des contre réflecteurs est la même sur tous les plans sécants, la disposition géométrique du plan du dispositif peut être au choix; un polygone, fig 1, ou un cercle, piy 2. Le nombre de cotés du polygone peut varier à l'infini jusqu'à la structure circulaire ou elliptique pour l'ensemble des réflecteurs comme pour une partie , la coupe A A se faisant au rayon, fig 3, ou à la médiane, fig 4.La surface agissante e chaque réflecteur et contre réflecteur est plane ou composée de surfaces planes pour le dispositif à plans polygonaux, et incurvée selon le ou les rayons de courbure pour les dispositifs à plans circulaires ou elliptiques, la grandeur des rayons de courbure étant à déterminer selon l'importance du plus grand et du plus petit diametre. Les 9 réflecteurs sont étagés sur douze plans dif férents-paralleles au plan général et sont disposés selon une tan gente i A', fig . Les 8 contre réflecteurs en opposition aux réflecteurs sont tangents sur 8 plans parallèles au plan général. L'essentiel réside dans la disposition angulaire fixe du plan sécant des réflecteurs et des contre réflecteurs selon les fig 5 fig 9, fig 10. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la convergence ae chaque plan sous la base du dispositif cocu- t:t à un foyer situé autour d'un point P situé sur l'axe t O', le nombre de foyers est égal au nombre de flecteurs en l'occurence; neuf foyers étagés le long de l'axe O t autour de points resoec- tifs P, P1, P2 , etc... La convergence peut être sérrée autour des points P' , P+' , P2' , etc... par d'autres réflexions autour de l'axe W O' à l'aide e réflecteurs disposés selon un certain angle sous le dispositif. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'équipage peut s'inscrire dans une figure géométrique qui est le tronc de pyramide; fig 1, pour la structure à plans polygonaux et le tronc de cône; fig 2, pour la structure à plans circulaires, et par le fait que le dispositif est conçu selon des coordonnées angulaires, ce dernier peut s'étendre dans toutes les dimensions Le plan de surface à exposer détermine l'importance dimentionnelle cu dispositif. La température aux foyers entant déterminé selon les rapports relatifs au clan e surface exposé et aux plans de convergence. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif peut être dimensionné en raison du plan de surface exposé, et que ce pïan de surface par rapport aux plans de convergence détermine la température obtenue et la quantité de chaleur reçue, le nombre de dispositifs peut être pluralisé selon ces critères afin de collecter une quantité relativement importante d'énergie calorifique pour une meme installation. Dans ce cas, les appareils seront montés en série ou en parallele par le moyen d'un fluide échangeur. 5) Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que le dispositif doit etre orientable et doit maintenir son plan de surface à la perpendiculaire du rayonnement solaire, ceci implique la nécéssité d'un système d'orientation et d'articulation. De nombreuses applications d'automaticité sont réalisables et ne présentent aucune difficulté technique. ) Dispositif selon les revendications 1 et 5, caractérisé par le fait que l'équipage est orientable en tous sens et que le disposi tif peut être Installé en tous lieux tels que toits, pans inclinés, terrasses, sommets, tours, flancs e coteaux, terrains clic, terrains vaques montagneux et également sur plate forme fixe ou mobile, véhicules, navires, installations flottantes, etc. 7) Disposoitif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les foyers de convergence se situent sous le dispositif ot que l'énergie peut être collecté dans un recopient calorifugé par exemple et faisant office de collecteur et d'échangeur. Ce réci pient sera établi selon des normes qui perîettront une adaptation cte l'énergie collectée, qui pourra etre utilisée comme énergie calorifique et transportée vers ces installations de chauffage industriel ou doméstique, tels le chauffage central par vapeur ou par eau chaude, la production d'eau chaude, la climatisation, le froid, etc..Le collecteur faisant office de chaudière pouvant produire selon sa conception: de l'eau chaude, de l'air chauc, ou de la vapeur. 8) Dispositif selon les revendication 6 et 7, caractérisé par le fait que le rayonnement collecté peut être également trunsformée en énergie électrique soit directement par photopiles soit par générateur thermo-électrique, soit par transformation au moyen de machines thermiques ou par turbo-machines mus par air pulsé, détente de gaz, etc... et que le dispositif peut être adapté à d'autres systèmes comme par exemple: a/ une pompe à chaleur pour la climatisation ou la production du froid. bi à un systcme échangeur accouplé à une chaudière pour un apport supplémentaire ou de remplacement pour réaliser une économie de combustible. c/ adaptation a une chambre de combustion pour réchauffement de gaz en vue d'aug- menter leur énergie cinétique ou leur détente.