Brevet FR2414169A1 — publié le 19790803

La présente invention concerne les dispositifs d'éclairage autonomes, portatif s ou non, fonctionnant généralement par conversion directe de l'énergie solaire en électricité. Les dispositifs connus de ce genre relevent de deux categories 1 - dispositifs utilisant des stocks énergétiques renouvelables (cartouche de gaz, batteries, piles, carburant, ...) Ceux-ci sont dépendants de la recharge du stock énergétique et celle-ci peut être relativement onéreuse. Souvent leur enploi est limité par les dangers que présente le stockage d'énergie ou son utilisation carburant, gaz) ou par sa fragilité (piles, accus à charge non renouvelée). 2 - dispositifs utilisant une conversion (indirecte) de l'énergie solaire : il s'agit en particulier des dispositifs éoliennes ou à conversion thermodynamique. Ceux-ci sont encombrants, leur mise en oeuvre est malaisée et leur coût final très élevé. Les dispositifs suivant l'invention permettent d'eviter les inconvenients des dispositifs connus dans les régions ou le rayonnement solaire direct est suffisant puisqu'ils permettent d'obtenir une source de bonne qualité, tota le en indépendante de toute recharge énergétique, fiable et de grande longe- vit' par 1'utilisation de composants statiques ayant ces propriétés, grâce aui dispositifs de contrôle utilisés et grâce a une protection thermique et mécanique efficace. Le dispositif, objet de l'invention, est décrit ci-après et par les planches 1/7 et V/7. La structure générale du dispositif est representée (planche 1/7) Le dispositif comprend en particulier des cellules photoélectriques (CPE) une batterie d'accumulateurs (AC) un convertisseur statique du courant continue en courant alternatif (un onduleur) (OND) un tube à décharge (TU) une diode de non retour (DNR) Le dispositif accumule de l'électricité dans les accus (AC) pendant les heures d'ensoleillement (et il n'éclaire pas alors) ; il fournit un éclairage par le tube a décharge utilisant l'électricité accumulé, après conversion par l'onduleur statique (OND)décrit ci-après. Il a pour but de fournir, à partir de la tension continue aux bornes des accumulateurs la haute tension au fonctionnement du tube fluorescent (planche II/7) L'élément de base est un circuit oscillant composé d'une capacité Cl et d'un enroulement El d'un transformateur à 3 enroulements. Ce circuit est monté dans le collecteur d'un transistor T. Un deuxieme enroulement E2 monte dans la base de ce transistor le fait fonctionner en blocking. La capacité C2 permet la polarisation de la base. Le troisième enroulement E3 est monté en élévateur de tension. Il fournit au tube une haute tension sous forme d'impulsions de faible largeur. La haute fréquence d'oscillation permet une grande facilité d'amorçage du tube grâce à un temps de désionisation très court ainsi qu'un bon rendement lumineux Le dispositif d'éclairage portatif autonome défini par la présente invention comprend de plus un système de co iutation qui permet deux régimes de décharge des accumulateurs et par là une meilleure adéquation de l'intensite lumineuse et de l'autonomie disponible au besoin de l'utilisateur. un système limiteur de charge et de décharge pour la protection des accumu lateurs. L'utilisation de ce système empêche les accumulateurs soit de se décharger entièrement soit de subir une surcharge et prolonge ainsi leur fiabilité et leur durée de vie qui atteint alors la duree optimale prévue (la durée de vie est le nombre de cycles charge-décharge possible). Ces deux systemes sont décrits en détail ci-après Le Système de coxmutation de régimes de décharge. Le systeme est décrit par la planche III/7. Le système comprend un mutateur 3 pistes - 3 positions : par sa manipulation la décharge peut être effectuée à pleine puissance (position PP) ou à demi-puissance (position DP). La lampe s'allume dans ce dernier cas en fournissant une énergie lumineuse moindre, pendant une période deux fois plus longue. Le commutateur à 3 pistes solidaires et trois positions permet : en position gauche une charge de la batterie, avec les accumulateurs montés en série. en position médiane (PP) une décharge à pleine puissance avec les accumu lateurs tous montés en série. en position droite (DP) une décharge à demi-puissance en couplant les deux ensembles d'accumulateurs en parallèle. On alimente ainsi l'onduleur à demi-tension. Le systeme limiteur de charge et de décharge des accumulateurs Il limite la décharge des accus à 80 % de leur capacité normale et permet ainsi d'obtenir environ 1500 cycles charge-décharge. Le principe adopté est de maintenir la tension de la batterie entre deux suuils prédéterminés : une tension maximale VM et une tension minimale Vm. Distinguons Il est constitué d'une diode zeener placée en parallèle sur la batterie. Celle-ci est placée en amont de la diode de non retour (DNR) pour éviter d'y décharger la batterie à faible éclairement. La charge s'effectue sous un courant voisin du courant de court-circuit. En fin de charge une partie du courant est dérivee vers la diode zeener ce qui ralentit progressivement la charge jusqu'au moment où la tension de la batterie est égale à VM. La totalité du courant est alors absorbée par la diode zeener. La présente invention comprend le choix capital des caractéristiques des conposants. Pour une diode de non retour de chute de tension égale à 500 milli-volts, la tension en fin de charge est donc aux bornes de la diode zeener égale à (VM + 0.5) Volts. A cette tension correspond sur les courbes caractéristiques des cellules un courant qui doit être entièrement dérivé dans la diode zeener. Enfin l'ensemble cellules, diode zeener et accumulateur est choisi pour qu'en cours de charge le point de fonctionnement se déplace autour des valeurs qui permettront aux cellules de fournir une puissance maximale. La puissance optimale sera atteinte à mi-charge. Le principe est représenté planche 1V/7. Pour la présente invention, deux systèmes identiques sont nécessaires pour surveiller les deux differents régimes de décharge. Après avoir sélectionné un régime de décharge (DP, PP) l'appui sur le poussoir BP i (bouton poussoir comportant 2 paillettes à fermeture ) permet la mise sous tension de la ligne résistance Ri, relais R. La résistance Ri est calculée pour assurer l'accrochage du relais R si la tension aux bornes de la batterie est supérieure ou egale à Vm. Dans ce cas les paillettes PI, P2 et P3 du relais R se ferment. PI permet l'alimentation génerale P2 assure l'alimentation de 1 'onduleur P3 met en service la ligne de maintien du relais R Si on relache le bouton poussoir BPl le circuit reste en position jusqu'au décrochage du relais. La résistance R2 est calculée pour permettre le decro- charge du relais lorsque la tension aux bornes de la batterie est égale à Vm. Un bouton poussoir BP 2 à ouverture permet à tout moment la mise hors tension du circuit. Le gros avantage de ce système est d'annuler compléteinent le débit des batteries au moment voulu ce qui n'est pas assuré par les systèmes de protec tion habituels, où il est nécessaire d'assurer une mise sous tension permanente des composants du système de protection. Le débit des batteries est alors notablement diminue mais pas totalement ce qui peut avoir de facheuses conséquences si cette situation se prolonge. Trois formes d'exécution de l'invention sont décrites cidessous. Elles incorporent considérablement la fiabilité du dispositif d'éclairage surtout lorsqu'il est utilisé dans des conditions difficiles. FORTE D'EXECUTION N 1 du dispositif d'éclairage autonome La lampe portable décrite ci-dessous possède les caractéristiques du dispositif décrit ci-dessus. Cette lampe portable comprend une triple enveloppe : l'enveloppe médiane EMP est constituée d'un recipient en matière plastique moulée ou extrudee à chaud, transparente, ayant une bonne rigidité. Sa forme est définie planche VI/7. L'enveloppe externe (EXC) est constituée de caoutchouc dur our d'une mati ère souple ayant une bonne résistance à l'usure. Cette enveloppe adhère à la précédente (EMP) par tension (élastique) et par collage sur les bords (BTU, BSUP, BCEL) entre le caoutchouc et la matière plastique. Le caoutchouc de EXC est opaque et blanc ou de couleur très claire. Entre l'enveloppe interne (EINT) et EMP est maintenu un espace de 1 cm au moins (Planche VI/7). L'enveloppe interne (EINT) contient ou porte tous les éléments actifs de la lampe : accus, bloc électronique, comnutateur de régime de decharge, tube, cellules photoélectriques. A l'interieur de EINT : les accus, le bloc électronique et le colrmutateur sont entourés de mousse polyuréthane (placés dans des réservations > . 1/ La structure des enveloppes EXC et EMP (caoutchouc + plastique rigide opaque) permet d'obtenir : - une excellente tenue aux chocs - une protection contre l'usure : celle du caoutchouc n'est pas génante. une isolation thermique qui, combinée aux autres éléments decrits permet de garantir une température intérieure compatible avec une fiabilité opti maie des composants (température - une bonne protection contre les agressions mécaniques : poussières, sables boues, ... une bonne maintenabilité puisque l'enveloppe est fermée par un couvercle (joint de longueur minimale) par pression (planche VI/7) 2/ La structure de l'enveloppe EINT et la position relative de EINT et de l'enveloppe EMP permet d'obtenir 2.1. une isolation thermique suffisante des éléments actifs par "effet thermos d'une part . reflexion du rayonnement vers l'extérieur par l'enveloppe en métal diminution de la formation de rouleaux de convection inter-paroies par la lame d'air constituée. isolation par le sandwich caoutchouc-plastique-air et d'autre part par une bonne répartition de la chaleur à l'intérieur de EINT grince au métal de EINT, ce qui évite la creation de "point chauds" localisés. 2 2. Une bonne maintenabilite : EINT s'extrait de l'enveloppe EMP une fois que le couvercle est ôté. EINT porte ou contient tous les éléments actifs. 2.3. Une face de EINT constitue le réflecteur cylindro-parabolique de la lampe 2.4. L'autre face de EINT constitue le support des plaques de cellules phcutoélectriques, dont les faces actives viennent contre EMP. 2.5. L'enveloppe EINT constitue une cage d'antiparasitage qui atténue consi derablement les émissions d'ondes électromagnétique de l'onduleur. FCRME D'EXECUTION NO 2 du dispositif d'eclairage autonome La lampe portable décrite ci-dessous possède les caractéristiques du dispositif décrit ci-dessus. Cette lampe comprend une enveloppe externe en plastique moulé sous pression et protégée par des pare-chocs en caoutchouc ; à l'intérieur de l'enveloppe les éléments actifs sont placés dans des réservations pratiquées dans de la: mousse polyuréthane, qui emplit tout l'espace disponible (planche VII/7). L'enveloppe en plastique est réalisée en 2 parties, qui s'assemblent par vissage. Les bords de chaque partie comprennent des rainures ou s'encastrent les joints d'étanchéité (entre parties et avec les plaques transparentes ayant les cellules et le réflecteur). Cette structure permet de réaliser simplement une bonne étanchéité d'une grande résistance aux chocs. Chaque partie comprend en outre sur les faces du cèté réflecteur et cellules une rainure où s'encastre une bande de caoutchouc formant pare-choc. Cette bande peut-être obtenu à bas coût à partir de joints d'étanchéité existants (appareils ménagers commes les lave -vaisselle) ou des bandes de protection de portes de voiture. A l'interieur de cette enveloppe externe le réflecteur et le bloc EINT ont naine structure, fonctions et avantages que dans la forme d'exécution n0 t. Cependant l'espace entre enveloppes, comme à l'intérieur de EINT est empli de mousse polyuréthane, sauf devant le réflecteur. Les cellules sont placées au contact de leur fenêtre transparente. FORME DtEXECUTION NO 3 du dispositif d'éclairage autonome La lampe portable décrite ci-dessous possède les caractéristiques du dispo sitif décrit cidessus. La lampe est constituée d'une enveloppe externe obtenue à partir d1 un boitier en plexiglass du commerce (type SAREL). La face externe du boitier est métallisée à l'exception des fenêtres nécessaires pour le tube fluorescent et les cellules. Cette structure permet une bonne isolation thermique car la surface métallique est maximale pour réfléchir tout le rayonnement non utilisé. un procédé de fabrication qui réalise une très bonne étanchéité pour un faible coût. La structure ne nécessite qu'un seul joint. De plus les faces latérales sont percées selon des disques de faible diametre dans lesquels sont montés à force des filtres à air. Cette structure permet la création de cheminée thermique éliminant totalement l'effet de serre. A l'intérieur de cette enveloppe externe, le réflecteur et le bloc EINT ont même structure, fonctions et avantages que dans la forme d'exécution nO 1. Le dispositif, objet de l'invention, peut etre utilisé dans tous les cas où une source de lumière autonome, indépendante de tout apport d'énergie élaborée est nécessaire et en particulier dans les cas ou un dispositif d'éclairage autonome, energétiquement indépendant, portable et fiable est nécessaire. Il peut-être utilisé en particulier dans le camping, les randonnées, excursions en zones désertiques, le séjour en zones isolées en général, à condition que le rayonnement solaire direct y soit suffisant. REVENDICATIONS 1. Dispositif autonome d'éclairage caractérise en ce qu'il comprend un système de conversion directe de l'énergie solaire en électricité, alimentant une batterie d'accumulateurs étanches compacts qui fournissent l'énergie necessaire au fonctionnement d'un tube fluorescent (ou plusieurs tubes fluorescents) par l'intermédiaire d'un convertisseur statique du courant continu en courant alternatif. 2. Dispositif autonome d'éclairage selon la revendication 1. caractérisé en ce que la longévité maximale des accumulateurs est atteinte par l'utilisation d'un dispositif de limitation de la charge des accumulateurs utilisant un relais appelé par action manuelle sur un bouton poussoir et maintenu électro niquement jusqu'a ce que la tenson devienne inférieure à un seuil predéter- miné. 3. Dispositif autonome d'éclairage selon la revendication 1. caractérisé en ce que la longévité maximale des accumulateurs est atteinte par l'utilisation d'un dispositif de limitation de la charge des accumulateurs utilisant une diode zeener montée en parallèle sur la batterie et placee en amont de la diode de non retour pour éviter d'y décharger la batterie à faible éclairement 4. Dispositif autonome d'éclairage selon la revendication i. caractérisé en ce qu'il permet d'adapter l'intensité lumineuse nécessaire et l'autonomie quotidrenne disponible aux besoins par un dispositif de sélection entre deux régi -s de décharge des accus, qui est constitué d'un commutateur à trois pistes solidaires et trois positions couplant deux groupes d'accumulateurs montés en serie, soit en série soit en parallèle. 5. Dispositif autonome d'éclairage selon la revendication 1. caractérise en ce qu'il utilise un onduleur à haute fréquence et délivrant des impulsions de faible largeur spécialement adapté à l'alimentation d'un tube fluorescent ce qui permet d'obtenir un haut rendement lumineux. 6. Dispositif d'éclairage autonome portable selon les revendications i a 4 caractérisé en ce que la protection mecaniqpe et thermique des éléments actifs et l'antiparasitage du dispositif sont obtenus par l'utilisation d'une triple enveloppe et d'une isolationihttXeure ot sont logés les éléments actifs. 7 Dispositif d'éclairage autonome portatif selon les revendications 1 à 4 caracterise en ce que la protection mécanique et thermique des éléments actifs et l'antiparasitage du dispositif sont assurés par un boitier formé de deux demi-enveloppes assembles par vissage et remplies de mousse de polyurethane dans laquelle sont creusées des réservations logeant les élements actifs 8. Dispositif d'éclairage autonome portatif selon les revendications i à 4 caractérisé en ce que la protection mécanique et thermique des éléments actifs est assurée par un boitier réalisé à partir d'un coffret en plexiglass percé d'orifices dans lesquels sont montés des filtres à air et entierement métallise a ltexception des surfaces en regard du tube fluorescent et des cellules solaires.