Brevet FR2418488A1 — publié le 19790921

La présente invention a pour objet des dispositifs d'orientation automatique de capteurs solaires. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des capteurs solaires de tout type : capteurs plans ou capteurs à concentration paraboliques, cylindro-paraboliques, elliptiques, multiparaboliques, sphériques etc.... On sait que les capteurs solaires à concentration doivent entre orientés constamment vers le soleil pour suivre celui-ci dans sa course diurne et dans ses variations de hauteur saisonniere. Les capteurs plans habituels sont des capteurs fixes dirigés vers le Sud. Le rendement de ces capteurs plans est tres sensiblement amélioré si ceux-ci sont maintenus constamment perpendiculaires aux rayons solaires. Il existe des dispositifs mécaniques d'orientation automatique de grands capteurs solaires expérimentaux, qui sont des dispositifs de type astronomique, tres précis et onéreux, qui ne peuvent convenir pour des installations de capteurs industriels destinés, par exemple, à fournir de l'eau chaude à des habitations; Il existe également des dispositifs d'orientation automatique comportant des cellules photo-électriques qui sont placées symétriquement par rapport à un plan ou à un axe de symétrie du capteur et qui sont solidaires du capteur de sorte qu' elles suivent celui-ci dans son mouvement de rotation. Un dispositif électronique compare les éclairements des cellules et commande automatiquement l'orientation du capteur pour maintenir ces éclairements égaux.Ces dispositifs électroniques sont complexes et difficiles à entretenir et ils ne conviennent pas bien pour des capteurs industriels. L'objectif de la présente invention est de procurer des moyens pour maintenir automatiquement tout type de capteur solaire orienté dans la direction du soleil, tout au long de l'année, quelle que soit la position géographique du capteur, grâce à des dispositifs de conception entièrement mécanique, robustes et peu onéreux, qui conviennent bien pour orienter des capteurs industriels, même des capteurs de faible surface destinés par exemple à fournir un fluide chaud à un bâtiment ou même à un logement individuel. L'invention a pour objet un dispositif d'orientation automatique d'un capteur solaire qui comporte, de façon connue, un support tournant dudit capteur et des moyens pour entraîner ledit support tournant en rotation autour d'un axe vertical à vitesse uniforme d'un tour par vingt quatre heures. L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un dispositif das eboel le capteur est articulé par rapport audit support tournant dt3U tour d'un axe horizontal et ledit support tournant comporte une tige de guidage qui pivote autour dudit axe vertical, un coulisseau qui est libre de coulisser le long de ladite tige, un satellite qui est solidaire dudit coulisseau et qui est astreint à parcourir en vingt quatre heures une courbe ovale fixe et au moins un bras articulé quL relie ledit coulisseau audit capteur et, lorsque le satellite parcourt ladite courbe ovale, il fait pivoter le capteur autour dudit axe horizontal, t sorte que l'axe du capteur reste constamment parallèle aux rayons solaires. Un dispositif selon l'invention comporte, de plus, des moyens pour faire varier périodiquement les dimensions de ladite courbe ovale afin de tenir compte des variations saisonnières de hauteur du soleil. La courbe ovale est située dans un plan horizontal et le grand axe de ladite courbe est situé dans le plan Nord Sud passant par ledit axe vertical autour duquel pivote ledit support tournant. Dans un mode de réalisation préférentiel, un dispositif selon l'invention comporte des points fixes disposés dans un plan horizontal, symétriquement par rapport audit plan Nord-Sud passant par l'axe vertical autour duquel pivote ledit support tournant et un fil souple, de longueur déterminée, qui passe autour desdits points fixes et dont les deux extrémités sont accrochées à des points de fixation et ledit satellite est un galet mobile qui maintient constamment en tension deux brins dudit fil appuyés sur deux desdits points fixes, de sorte que ledit galet mobile décrit toutes les vingt quatre heure une courbe ovale entourant lesdits points fixes. Selon un mode de réalisation préférentiel, un dispositif selon l'invention comporte quatre galets fixes disposés aux quatre sommets d'un qua drilatere,symétrique par rapport au plan Nord-Sud passant par ledit axe vertical autour duquel pivote le support tournant,et deux galets de renvoi fixes situés au Nord dudit rectangle, symétriquement par rapport audit plan Nord-Sud. Un dispositif selon l'invention comporte, en outre, des moyens pour déplacer périodiquement, par exemple toutes les 24 heures, les points fixes et les points de fixation du fil, de sorte que la forme de la courbe ovale est modifiée pour tenir compte des variations annuelles de hauteur du soleil. L'invention a pour résultat un nouveau moyen pour maintenir automatiquement un capteur solaire constamment orienté vers le soleil. Un dispositif selon l'invention, de conception purement mécanique, est robuste et d'un coût relativement modéré,de sorte qu'il peut être associé à des capteurs de faible surface tels que ceux qui alimentent en énergie une installation de fourniture d'eau chaude sanitaire ou de fluide de chauffage d'une habitation individuelle. Un dispositif selon l'invention permet d'améliorer tres sensible- ment le rendement d'un capteur par rapport à un capteur de même surface qui resterait fixe tout au long de ia journée et de l'année. Un dispositif selon 1 invention comporte deux moyens : l'un de conception très simple, qui assure automatiquement les variations d'inclinaison journalières au moyen d'un galet qui suit un fil, l'autre de conception plus complexe pour assurer automatiquement l'orientation saisonnière. On peut évidemment construire des dispositifs simplifiés comportant uniquement le premier moyen automatique, tandis que les déplacements périodiques des points fixes et des points de fixation des extrémités du fil sont obtenus manuellement par exemple une fois tous les 10 jours. Dans ce cas, une échelle graduée associée à chaque point fixe et à chaque point de fixation permet d'indiquer la position de ceux-ci aux périodes successives de l'année. La description 'suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Les figures 1 et 2 sont respectivement une vue en élévation et une vue de dessus de l'ensemble du dispositif. La figure 3 est une vue de dessus à plus grande échelle du dispositif d'inclinaison journalière de la figure 1. La figure 4 est une vue de dessus du mécanisme d'orientation saisonnière. Les figures 1 et 2 représentent un capteur 1, de tout type connu, qui est monté sur un support tournant 2 qui est entraîné en rotation, à vitesse uniforme d'un tour par vingt quatre heures, autour d'un axe vertical z zi. Le mécanisme d'entraînement du support - 2, non représenté, est un dispositif connu, par exemple un dispositif d'horlogerie ou un moteur électrique synchrone associé à un réducteur. Le support 2 comporte une base 2a, qui roule, par l'intermédiaire d'un chemin de roulement circulaire 3 sur un bâti horizontal 4. La base 2a supporte un boîtier 5 qui tourne en même temps que le support et qui contient par exemple un échangeur 6 relié au capteur. Au-dessus du boîtier 5 se trouve un boîtier fixe 7 qui est traversé par un arbre 8 qui tourne en même temps que le support tournant. Le capteur 1 est monté rotatif par rapport au support tournant 2 autour d'un axe horizontal x xl. Le support 2 comporte, par exemple, deux montants latéraux 2b et 2c qui forment une chape en forme de fourche dans laquelle tourillonnent librement deux bouts d'arbre 9b et 9c portant le capteur. Un vérin d'équilibrage 10 exerce sur le capteur une force F qui tend à le faire pivoter autour de l'axe x xl. Ce vérin peut être remplacé par tout autre dispositif élastique, par exemple par un ressort. Le premier problème à résoudre est de faire varier automatiquement l'inclinaison du capteur 1 en le faisant pivoter autour de l'axe x xl en même temps que le support tournant 2 pivote autour de l'axe z z1 afin de maintenir le plan du capteur perpendiculaire aux rayons solaires R dans le cas d'un capteur plan ou bien l'axe de la section droite du capteur parallèle aux rayons solaires R dans le cas d'un capteur cylindricoparabolique. A cet effet, un dispositif selon l'invention comporte une tige de guidage 11 qui est montée sur l'arbre tournant 8 et qui pivote en même temps que le support tournant 2 autour de l'axe vertical z zl. Cette tige porte un coulisseau 12 qui est libre de coulisser le long de la tige 11. Le coulisseau 12 est solidaire d'un galets à gorge 13 qui est astreint à parcourir en vingt quatre heures une courbe fermée 14 de forme ovale portée par le support fixe 7, Le galets 13 est appelé satelr lite du fait qu'il parcourt la courbe 14.Le coulisseau 12 est relié au capteur 1 par un ou plusieurs bras 15a, 15b qui s'articulent sur le capteur en des points 16 situés en dehors de l'axe x xl, Ainsi, lorsque le satellite 13 parcourt la courbe ovale, il s 'écarte plus ou moins de l'axe z z1 et il fait pivoter le capteur autour de l'axe x xl. La forme de la courbe ovale 14 est déterminée en fonction de la latitude du lieu et du jour de l'année pour que le capteur reste penpendiculaire aux rayons R. La figure 2 représente la trace SN du plan Nors-Sud passant par l'axe vertical z z1 et une courbe ovale 14. Celle-ci est située dans un plan horizontal, par exemple le plan du dessus du boltier fixe 7, elle est symétrique par rapport à l'axe NS et son grand axe est confondu avec l'axe NS. En effet, à midi, lorsque le soleil est au Sud, la hauteur du soleil est la plus grande et l'inclinaison du capteur 1 doit être la plus forte. La courbe 14 est symétrique par rapport à l'axe NS puisque la hauteur du soleil est la même pour deux positions symétriques par rapport au passage au méridien du lieu. On peut calculer la forme de la courbe 14 en fonction des variations de hauteur du soleil en un lieu de latitude déterminée, du jour de l'année et de la distance qui sépare l'articulation 16 de l'axe x xl. On peut également tracer expérimentalement par points la courbe 14. On met en place le support tournant 2, le capteur 1 et le bras articulé 15 portant le coulisseau 12 et le satellite 13. On met en route l'entraînement en rotation du support tournant 2. On incline manuellement le capteur 1 à des intervalles de temps équidistants pour qu'il soit perpendiculaire aux rayons solaires et on relève la position correspondante du satellite 13. On a représenté sur les figures 1 et 2 un dispositif préférentiel pour obtenir la courbe 14 et pour faire varier tous les jours les dimensions de cette courbe afin de tenir compte des mouvements saisonniers du soleil. Ce dispositif préférentiel comporte quatre points fixes 17a, 17b, 17c, 17d qui sont disposés dans le plan horizontal constitue par le dessus du boîtier 7 et qui sont placés aux quatre sommets d'un rectangle symétrique par rapport au plan Nord-Sud passant par l'axe z z1, Le dispositif comporte, en outre, deux points fixes 18a et 18b situés à l'extérieur du rectangle et au Nord de celui-ci. Ces points fixes sont par exemple des galets ou des tiges cylindriques et un fil souple 19, de longueur déterminée entoure ces points fixes ainsi que le satellite 13 qui est par exemple un galet à gorge ou une petite poulie. Les extrémités du fil 19 sont accrochées chacune à un dispositif de fixation respectivement 20a et 20b. Les galets 17a, 17b, 17c, 17d, 18a, 18b ainsi que les dispositifs de fixation 20a et 20b sont montés dans des trous ovalisés 21 allongés,sensiblement Nord-Sud, de sorte qu'ils peuvent être déplacés périodiquement. Le mot fil est employé pour désigner n'importe quel élément allongé et souple tel que filin, câble, corde, chaîne, courroie etc.... La figure 3 représente à plus grande échelle, le dessus du boîtier 7 et le dispositif d'inclinaison journalière du capteur. On a représenté en NS et EO les traces des plans verticaux Nord-Sud et Est-Ouest passant par l'axe vertical z z1 autour duquel pivote le support tournant 2. On voit sur la figure 3 la tige de guidage 11 et le coulisseau 12 qui porte le satellite 13 qui est engagé sur le fil 19 passant autour des galets à gorge 17a, 17b, 17c, 17d, 18a et 18b. Le bras lI tourne à vitesse uniforme et on a représenté sur la courbe 14a, les positions qu'il occupe à 0 heure, 6 heures, 9 heures, 12 heures, 15 heures et 18 heures. Le galet 13 maintient le câble 19 tendu sous l'action du vérin 10 qui exerce sur le capteur une force F. Pendant une journée déterminée, les points 17a, 17b, 17c, 17d, 18a et 18b sont fixes ainsi que les dispositifs de fixation 10a et iOb. Le segment de fil qui est situé de chaque côté du satellite 13 et qui est soutendu par deux galets fixes situés de part et d'autre du satellite garde une longueur constante et le satellite 13 parcourt donc un tronçon d'ellipse. La courbe 14 est composée de plusieurs tronçons d'ellipse et présente une forme ovale. On a représenté sur la figure 3 deux courbes 14a et 14b correspondant à deux saisons differentes. La courbe 14a correspond par exemple à l'hiver et la courbe 14b a l'été. Un dispositif selon l'invention comporte, en outre, des moyens pour déplacer automatiquement une fois par 24 heures les galets 17a, 17b, 17c, 17d, 18a, 18b et les dispositifs de fixation 20a et 20b afin de modifier la forme de la courbe 14 parcourue par le satellite 13, Ces moyens comportent une roue à rochet 22 montée au-dessus de la plaque fixe 7 et un ergot 23 porté par le bras tournant 11. Au cours de chaque tour du bras 11, ergot 23 coopère avec une dent de la roue à rochet et fait avancer celle-ci d'un pas. La figure 4 représente un mode de réalisation du dispositif de déplacement automatique des points situés à l'intérieur du boîtier 7 dont le couvercle est enlevé. On retrouve sur cette figure la roue à rochet 22 qui entraîne par l'intermédiaire d'un train d'engrenages démultiplicateur 24, 25, 26 et 28, un arbre 27 à raison d'un tour par année astronomique. L'arbre 27 est relié par un train d'engrenages 28, 29, 30 à un deuxième arbre 31 qui tourne à la même vitesse et dans le meme sens, Dans cet exemple on utilise deux arbres 27 et 31 symétriques par rapport à l'axe NS mais il est évident qu'on pourrait utiliser un seul arbre tournant situé à l'intersection des axes NS et EO. Chacun des arbres 27 et 31 porte quatre cames superposées. Pour la clarté du dessin, on a représenté seulement deux cames 32 et 33 sur l'arbre 27 et deux cames 34 et 35 sur l'arbre 31. La moitié droite de la figure représente seulement la moitié du dispositif qui déplace les points fixes 18a, 18b et les dispositifs de fixation 20a et 20b, étant précisé que l'autre moitié est identique. Les deux galets 18a et 18b se déplacent en même temps et sont montes sur une traverse Est-Ouest 36 qui les relie. Les galets 18a et 18b sont montés sur des coulisseaux tels que 37b qui coulissent chacun sur une tige de guidage Nord-Sud telle que 38b. Les deux cames 34 montées sur les deux arbres 27 et 31 poussent la traverse 36 et déplacent les points 18a et 18b. De la même façon, les deux dispositifs 20a et 20b auxquels sont accrochées les extrémités du fil 19 se déplacent en même temps. Ils sont montés sur deux coulisseaux tels que 39b qui coulissent chacun sur une des tiges de guidage Nord-Sud telle que 38b ou dans des glissières. Les deux coulisseaux sont réunis par une traverse Est-Ouest 40 et les deux cames 35 poussent la traverse 40 pour déplacer les points d'accrochage 20a et 20b. La moitié gauche de la figure représente seulement la moitié du dispositif de déplacement des points fixes 17a et 17c étant précisé que l'autre moitié est identique. Les deux galets 17a et 17b symétriques par rapport au plan NS sont montés sur une traverse Est-Ouest 41 à laquelle ils sont reliés par un bras articulé 42. Les deux extrémités de la traverse 41 portent chacune un coulisseau 43 qui coulisse sur une tige de guidage Nord-Sud 38a. Les deux cames identiques 32 poussent la traverse 41. De la même façon, les deux galets 17c et 17d symétriques par rapport à l'axe Nord-Sud sont reliés à une même traverse Est-Ouest 44 par un bras articule 45. Les deux extrémités de la traverse 44 portent un coulisseau 46 qui coulisse sur la tige Nord-Sud 38a. Les deux cames identiques 33 montées sur les deux arbres 27 et 31 poussent la traverse 44. La forme des cames 32, 33, 34 et 35 dépend de la latitude du lieu. On peut les calculer ou les tracer expérimentalement. Dans le cas de la figure, les arbres 27 et 35 tournent dans le même sens grâce à l'engrenage intermédiaire 29 et les cames sont identiques deux à deux. En variante, les arbres 27 et 35 peuvent tourner en sens inverse et, dans ce cas, les cames sont symétriques deux à deux par rapport à l'axe Nord-Sud. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs du dispositif qui vient d'être décrit à titre d'exemple, pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'orientation automatique d'un capteur solaire destiné à maintenir constamment ledit capteur dirigé vers le soleil, comportant un support tournant dudit capteur et des moyens pour entraîner ledit support tournant en rotation autour -d'un axe vertical à vitesse uniforme d'un tour par vingt quatre heures, caractérisé en ce que ledit capteur est articulé par rapport audit support tournant autour d'un axe hori zontal et ledit support tournant comporte une tige de guidage qui pivote autour dudit axe vertical, un coulisseau qui est libre de coulisser le long de ladite tige, un satellite qui est solidaire dudit coulisseau et qui est astreint à parcourir en vingt quatre heures, une courbe ovale fixe et au moins un bras articulé qui relie ledit coulis seau audit capteur et lorsque le satellite parcourt ladite courbe ovale, il fait pivoter le capteur autour dudit axe horizontal de telle sorte que l'axe du capteur reste constamment parallèle aux rayons solaires, 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire varier périodiquement les dimensions de ladite courbe ovale afin de tenir compte des variations saisonnières de hau teur du soleil. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite courbe ovale est située dans un plan horizontal et le grand axe de ladite courbe est situé dans le plan Nord-Sud passant par ledit axe vertical autour duquel pivote ledit support tournant. 4 - Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte des points fixes, disposés dans un plan horizontal, symétrique ment par rapport audit plan Nord-Sud passant par l'axe vertical autour duquel pivote ledit support tournant, et un fil souple, de longueur dé terminée, qui passe autour desdits points fixes et dont les deux extré mités sont accrochees à des points de fixation et ledit satellite est un galet mobile qui maintient constamment en tension deux brins dudit fil appuyés sur deux desdits points fixes, de sorte que ledit galet mobile décrit toutes les vingt~quatre heures une courbe ovale entourant lesdits points fixes. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte quatre galets fixes disposés aux quatre sommets d'un quadrilatère symétri que par rapport au plan Nord-Sud passant par ledit axe vertical autour duquel pivote le support tournant et deux galets de renvoi fixes situés au Nord dudit rectangle, symétriquement par rapport audit plan Nord-Sud. 6 - Dispositif selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déplacer périodiquement, par exemple toutes les 24 heures, lesdits points fixes et lesdits points de fixation, de sorte que la forme de ladite courbe ovale est modifiée pour tenir compte des variations annuelles de hauteur du soleil. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des cames dont la forme dépend de la latitude du lieu, qui sont mon tées sur au moins un arbre entraîné en rotation à raison d'un tour par année astronomique, lesquelles cames déplacent tous les jours, lesdits points fixes et lesdits points de fixation des extrémités du fil. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une roue à rochet, placée sur un support fixe, des trains d'engrenages démultiplicateurs qui transmettent le mouvement de la roue à rochet auxdits arbres portant lesdites cames et un ergot qui est porte par ledit support de capteur, qui rencontre ladite roue à rochet par suite de la rotation journalière dudit support et qui fait avancer ladite roue à rochet d'un pas toutes les 24 heures. 9 - Dispositif selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux arbres symétriques par rapport à l'axe Nord-Sud passant par l'axe vertical de rotation du support tournant qui sont entraînés en rotation à raison d'un tour par année astronomique et chaque arbre porte quatre cames superposées qui s'appuient deux à deux sur quatre traverses Est-Ouest qui coulissent dans des glissières Nord-Sud, chaque traverse portant des points fixes symétriques par rapport audit axe Nord-Sud, 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif élastique, par exemple un vérin, qui agit sur ledit capteur pour le faire pivoter autour dudit axe hori zontal dans le sens inverse de l'action du satellite.