Brevet FR2442411A1 — publié le 19800620

L'invention se rapporte à un appareil de captage d'énergie solaire comportant au moins une enceinte comppsée d'un réflecteur concave en forme de segment de cylindre, une vitre plane portant sur les deux génératrices extremes du segment et deux flasques disposés aux bases terminales du segment, et dans l'enceinte un absorbeur inséré dans un circuit de circulation de fluide caloporteur, et un moyen d'orientation autour d'un axe parallèle aux génératrices du segment de cylindre, adapté à maintenir la vitre sensiblement face au soleil. D'une façon générale les capteurs d'énergie solaire comportent un élément absorbeur, noirci pour réduire les pertes par réflexion, et faisant face à une direction privilégiée d'arrivée du flux de rayonnement solaire, une vitre en avant de l'élément absorbeur pour réduire les pertes par rayonnement secondaire de l'absorbeur (effet de serre), et un circuit de fluide caloporteur pour transmettre l'énergie captée par l'élément absorbeur à un dispositif d'utilisation. Dans une disposition simple et courante, l'élément absorbeur est un élément plan orienté à demeure face à la position du soleil à midi à des époques déterminées de l'année par exemple aux équinoxes correspondant à une ascension droite moyenne du soleil. Cette disposition a le double inconvénient que l'absorbeur doit avoir une grande surface pour capter un flux d'énergie suffisant, et est alors le siège de pertes élevées par rayonnement secondaire, conduction et convection, malgré la présence du vitrage, et que la section du flux d'énergie captée décroit lorsque l'incidence du rayonnement s'écarte de la normale, au rythme des courses diurnes et annuelles du soleil. On peut réduire la surface de l'absorbeur, et donc les pertes en le disposant dans la zone focale d'un dispositif optique convergent, réflecteur ou réfracteur, de sorte que le flux capté est fonction de l'ouverture du dispositif optique, tandis que la surface de l'absorbeur peut entre réduite à l'étendue de la zone focale. Par ailleurs l'orientation du dispositif optique en sorte que l'ouverture du dispositif soit face au soleil en dépendance des mouvements apparents de l'astre permet de réduire les pertes périodiques d'efficacité.On remarquera qu'en fait l'utilisation d'un dispositif optique convergent ne permet de réduire la surface de l'absorbeur que si le dispositif est orientable, sans quoi le déplacement de l'image solaire lié aux mouvements apparents diurne et annuels couvre une surface qui est du meme ordre de grandeur que la surface d'ouverture du dispositif optique. I1 est clair que la réduction de surface de l'absorbeur passe par la réduction de la zone focale du dispositif optique c'est-à- dire par la réduction des aberrations. Comme les dispositifs optiques doivent avoir une grande ouverture, la réduction des aberrations exige des conformations difficiles à réaliser. Les réfracteurs sont particulièrement difficiles à corriger, et conduisent à des réalisations encombrantes, lourdes et conteuses. Les réflecteurs peuvent etre évidemment plus simples, et leurs formes aisément calculables, toutefois ces formes sont de réalisation conteuse lorsqu'il est nécessaire de réduire de façon importante les aberrations. En outre plus l'élément absorbeur est localisé dans une zone focale réduite, et plus le pointage du dispositif doit etre précis, sous peine d'une perte quasi totale d'efficacité. Un dernier point doit attirer l'attention ; les pertes de l'absorbeur croissent avec sa température, et, pour la part due au rayonnement secondaire, avec la puissance quatrième de cette température. L'efficacité d'un dispositif de captage d'énergie dépend donc de nombreux paramètres qui ne peuvent cotre pris en considération de façon indépendante. Parmi les réflecteurs convergents, les formes simples à réaliser sont les formes de révolution, cylindre et sphère, le cylindre étant préférable car il s'agit d'une surface développable. En outre la course apparente du soleil s'étend en azimuth sur 3600 en 24 heures, et seulement sur 46054' en hauteur sur une année. Le miroir cylindrique qui possède une résolution angulaire fine autour de son axe, et une résolution angulaire à peu près nulle dans un plan passant par l'axe correspond mieux que le miroir sphérique qui possède la meme résolution dans toutes les directions angulaires, à une poursuite convenable du soleil. On connait, notamment par la demande de brevet français NO 2.356.094, des dispositifs de captage qui comportent une enceinte composée d'un miroir concave en forme de segment de cylindre, d'une vitre plane portant sur les génératrices extremes du segment de cylindre et d'une paire de flasques disposés aux bases terminales du miroir, un absorbeur constitué d'un tube disposé suivant l'axe focal du miroir, le dispositif étant orientable en azimuth autour de l'axe focal, et accessoirement en site par orientation de l'axe focal dans le plan méridien du lieu de station. Mais l'axe focal d'un miroir cylindrique, situé à un demirayon de l'axe de révolution du cylindre et dans le plan médian du segment utilisé n'est le lieu de croisement de rayons réfléchis que pour ceux de ces rayons qui sont parallactiques, c'est-à-dire voisins du plan médian et parallèles à celui-ci. Pour une ouverture de miroir de 400, les rayons marginaux se croisent à 0,47 rayon du sommet, pour une ouverture de 800 à 0,35 rayon, tandis que pour une ouverture de 1200 les rayons marginaux se croisent au sommet du miroir. Un absorbeur placé suivant l'axe focal du miroir n'est efficace que pour une ouverture limitée du miroir. En augmentant le diamètre du tube absorbeur pour récupérer le rayonnement marginal réfléchi sur une plus grande ouverture, on augmente la surface de l'absorbeur et donc l'énergie réémise. En résultat le rapport de la surface d'ouverture, définissant le flux capté, à la surface d'absorbeur se réduit lorsqu'on augmente le diamètre de ce dernier. L'invention a pour objet un dispositif de captage d'énergie solaire à miroir cylindrique susceptible d'une grande ouverture. A cet effet l'invention propose un appareil de captage d'énergie du rayonnement solaire, comportant au moins une enceinte composée d'un réflecteur concave en forme de segment de cylindre, une vitre plane portant sur les deux génératrices extrêmes du segment et une paire de flasques disposés aux bases terminales du réflecteur, dans l'enceinte un absorbeur inséré dans un circuit de circulation de fluide caloporteur entre deux tubulures, respectivement d'entrée et de sortie, alignées sur un axe parallèle aux génératrices du cylindre, et un moyen d'orientation adapté à maintenir la vitre sensiblement face au soleil par rotation autour de l'axe précité, appareil caractérisé en ce que l'absorbeur comporte au moins une plaque de forme rectangulaire s'étendant dans un plan diamétral médian du segment de cylindre entre ce segment et la vitre, la plaque étant en contact thermique intime avec le fluide caloporteur par une partie substantielle de sa surface. Grâce à cette disposition, l'absorbeur s'étend dans toute la zone focale du réflecteur, et intercepte tout le rayonnement réfléchi, tandis qu'il se présente de profil pour le rayonnement incident qui n'est pas occulté. Un léger dépointage du plan médian ne cause pratiquement pas de perte d'efficacité, se traduisant seulement par une réduction apparente de l'angle d'ouverture de l'ordre du double de l'angle de dépointage. De plus le contact thermique intime entre fluide caloporteur et plaque d'absorbeur assure que la température de la plaque reste très peu supérieure à la température du fluide, de sorte que les pertes thermiques dues à l'absorbeur sont minimisées. Le contact thermique peut etre assuré, soit en réalisant le passage de fluide dans l'absorbeur par un tube sinueux parcourant l'étendue de la plaque et soudé encastré dans celle-ci, soit par emboutissage de deux demi-coquilles accolées directement dans le matériau de plaque. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue générale perspective d'un appareil selon l'invention la figure 2 est une coupe suivant le plan II-II de la figure 1; les figures 3 à 7 sont des détails de réalisation d'absorbeurs selon l'invention la figure 8 représente un appareil selon l'invention, équipé d'un dispositif de nettoyage. Selon la forme de réalisation choisie et représentée aux figures 1 et 2, l'appareil de captage d'énergie du rayonnement solaire, fixé sur un mat 1 sensiblement vertical en un lieu de station. Deux bras, un bras supérieur court 2 et un bras inférieur long 3 s'étendent depuis le mât 1 dans le plan méridien du lieu de station, en direction du sud, jusqu'à des paliers respectivement 4 et 5 qui définissent conjointement un axe de rotation, incliné sur la verticale, pour une enceinte de captage 6 dans son ensemble, composée d'un réflecteur 7, concave, en forme de segment de cylindre, et recouvert sur sa face externe 7a d'une couche thermiquement isolante, d'une vitre plane 8, qui porte sur les génératrices extrêmes du segment de cylindre 7, et deux flasques terminaux 9 et 10 suivant des bases de segment de cylindre 7.Dans le plan diamétral médian du réflecteur en forme de segment de cylindre on a disposé un absorbeur 11 comprenant un tube sinueux 12 qui se termine, traversant les flasques 9 et 10 et les paliers 5 et 4, par des tubulures suivant l'axe de rotation et munies de joints tournants 13 et 14. Entre le palier 5 et l'enceinte 6 est disposé un mécanisme d'orientation 15, composé d'un pignon 15a solidaire de l'enceinte 6, et d'une vis sans fin 15b entraînée par un flexible 15c. Les joints tournants 13 et 14 sont raccordés respectivement à un tube d'entrée 17 et à un tube de sortie 16, passant dans le centre du mât 1, pour etre relié à un dispositif d'utilisation où circule un fluide caloporteur. L'axe défini par les tubulures passant dans les paliers 4 et 5 passe par le centre de gravité de l'enceinte 6 équipée de l'ab sorbeur 11, de telle façon que la puissance appliquée au mécanisme d'orientation 15 soit minimisée. On remarquera qu'un jeu, faible, est ménagé entre l'absorbeur 11 et le réflecteur en segment de cylindre 7, les flasques 9 et 10 et la vitre 8, en sorte d'éviter des pertes par contact de l'absorbeur avec l'enceinte. De plus, à la traversée des flasques 9 et 10, les tubulures du circuit de fluides sont isolées thermiquement des flasques par des manchons isolants, non représentés. L'angle que fait l'axe de rotation de l'enceinte 6 avec la verticale du lieu de station est égal au complément de la latitude du lieu diminué de la moitié de l'angle que font le plan équatorial de la terre et le plan de l'écliptique. Par ailleurs le mécanisme d'orientation 15 est relié par le flexible 15c à un mécanisme d'horlogerie en sorte que l'enceinte 6 fasse un tour complet autour de son axe en 24 heures, et que son plan diamétral médian se confonde avec le plan méridien à midi et minuit (heure solaire locale) et bien entendu, la vitre 8 faisant face au sud à midi. On a compris qu'ainsi la direction du soleil sera constamment dans le plan diamétral médian du réflecteur 7. L'orientation de l'axe de rotation de l'enceinte 6 dans le plan méridien du lieu de station est choisi en raison des considérations suivantes. La verticale du lieu de station et l'axe terrestre font un angle égal au complément de la latitude du lieu. Si l'axe d'orientation de l'enceinte 6 était parallèle à l'axe terrestre, l'incidence du rayonnement solaire (à midi) serait normale aux équinoxes, et s'écarterait de la normale lors des solstices d'hiver et d'été d'un angle égal à l'inclinaison de l'axe terrestre sur la normale au plan de l'écliptique (23 27'). En redressant l'axe d'orientation de l'enceinte 6, on réduit d'autant l'écart à la normale de l'incidence au solstice d'hiver. Or le rapport du flux de rayonnement capté au flux sous incidence normaleest égal au cosinus de l'angle d'incidence.Avec l'axe de l'enceinte parallèle à l'axe terrestre, le rapport de flux aux solstices serait de 0,92. En redressant l'axe de l'enceinte de la moitié de l'angle d'éclipti que, le rapport de flux est de 0,98 au solstice d'hiver et aux équinoxes, et tombe à 0,82 au solstice d'été. On se souviendra que l'épaisseur d'atmosphère traversée par le rayonnement croît lorsque décroît la hauteur du soleil ; la durée du jour est plus courte pendant l'hiver, et enfin les besoins en énergie sont généralement supérieurs également en hiver. C'est pourquoi l'angle de redressement est choisi moitié de l'angle d'écliptique, en sorte d'équilibrer le rendement entre l'équinoxe d'automne et l'équinoxe de printemps, ce qui correspond à réaliser l'incidence normale pour les époques postérieure d'un mois à l'équinoxe d'automne ou antérieure d'un mois à l'équinoxe de printemps. Toutes les considérations précédentes valent, bien entendu, pour l'hémisphère boréal ; pour l'hémisphère austral la direction méridienne du soleil est le nord et l'on considèrera les saisons comme les saisons climatiques de cet hémisphère, c'est-à-dire un solstice d'été fin décembre, un solstice d'hiver fin juin et les équinoxes d'automne et de printemps respectivement en mars et septembre. Comme on le verra mieux sur la figure 2, l'absorbeur 11 est constitué par une tôle rectangulaire étendue dans le plan diamétral médian du réflecteur 7 entre le sommet de ce réflecteur et la vitre 8. Avec un angle d'ouverture du réflecteur 7 de 1200 la flèche du réflecteur est égale au demi-rayon, de sorte que la zone focale s'étend depuis l'axe focal au voisinage immédiat de la vitre 8 (à un demi-rayon du sommet du réflecteur) et le sommet de ce réflecteur qui est le croisement des rayons réfléchis marginaux pour l'angle d'ouverture choisi. Le réflecteur 7 peut etre constitué par une tôle à poli spéculaire, ou encore par un garnissage à bande de verre argenté d'une surface en forme générale de segment de cylindre. De toute façon, pour éviter les pertes, le réflecteur 7 est garni d'une couche isolante 7a sur sa face convexe qui peut être une mousse de plastique avec une coque extérieure durcie. Lorsque le fluide caloporteur est un liquide, par exemple de l'eau, l'absorbeur est constitué, comme représenté à la figure 3, d'une tôle 30 qui a été emboutie suivant une rainure en zigzag 31. Un tube 32, formé avec le meme parcours que la rainure 31, vient s'encastrer à demi-section dans cette rainure et est solidarisé de la plaque 30 par de la soudure 33. Bien entendu l'absorbeur est noirci de façon usuelle pour absorber convenablement le rayonnement solaire. En accolant à plat deux tôles embouties suivant la forme 30, de façon que les rainures 31 soient en face l'une de l'autre avec leurs concavités affrontées, et en soudant les tôles suivant deux lignes continues de part et d'autre des rainures, on obtient une variante d'absorbeur qui assure un drainage efficace de l'énergie absorbée par le fluide caloporteur. Cette disposition sera utilisée de préférence avec un fluide caloporteur à basse pression. Si le fluide caloporteur est un gaz, l'absorbeur pourra avoir une des constitutions représentées aux figures 4 à 7. Selon la figure 4, l'absorbeur est formé de deux tôles 40a et 40b embouties avec une dépression centrale, et réunies par leurs bords, en sorte que les dépressions soient réunies pour former un passage laminaire 41. Selon la figure 5, les tôles embouties 50a et 50b comportent des dépressions 52 qui forment nervures et sont réunies par leur sommet pour limiter des conduits de circulation 51. Selon la figure 6, les deux tôles 60a et 60b sont également réunies par le sommet de nervure emboutie 62, mais les circulations s'effectuent dans les conduits 61a et 61b en sens inverse. Selon la figure 7, les tôles 70a et 70b sont réunies à des nervures transversales 72 pour limiter un parcours en grecque 71. On remarquera que lorsque le fluide caloporteur est un liquide (figure 3) le trajet en zigzag du tube 32 est prévu avec une inclinaison sur la direction générale de l'absorbeur, telle qu'à aucun moment de la rotation de l'enceinte, il n'existe de points bas ; autrement dit, lorsque l'absorbeur est dans le plan méridien les parties de zigzag du tube 32, qui sont plus couchées sur l'horizontale, restent de pente de meme sens que les autres parties de zigzag, bien que moins accusées. L'appareil représenté figure 8 possède la méme constitution générale que l'appareil de la figure 1, et les memes éléments portent les memes références. En outre le sommet du mu 1 est constitué en forme de pluviomètre 20. Une mèche 19, dont une extrémité est immergée dans le pluviomètre 20, se termine à l'autre extrémité sur une éponge tubulaire 18, étendue suivant une génératrice de l'enceinte 6. Cette éponge 18 est montée sur une tige centrale avec des fourchettes d'extrémité pour pouvoir coulisser sur les bras 2 et 3. Des ressorts 21 et 22 maintiennent l'éponge 18 au contact de l'enceinte 6. On comprendra que lorsque l'enceinte 6 tourne autour de son axe au rythme de sa rotation diurne, l'éponge 18 reste au contact de l'enceinte 6 suivant une génératrice, les ressorts compensant les excentricités de la section de l'enceinte. Pendant la nuit, la vitre 8 vient glisser sur l'éponge 18 et se trouve ainsi nettoyée des poussières qui auraient pu s'y déposer pendant le jour. L'éponge 18 est constamment humectée par l'eau puisée par la mèche 19 dans le pluviomètre 20. L'eau de pluie, collectée par le pluviomètre 20, ne contient pratiquement pas de substances minéra les,etnelaisse pas de dépôts susceptibles de diminuer la transparence de la vitre 8. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution. REVENDICATIONS 1. Appareil de captage d'énergie du rayonnement solaire, comportant au moins une enceinte composée d'un réflecteur concave en forme de segment de cylindre, une vitre plane portant sur les deux génératrices extrêmes du segment et une paire de flasques disposés aux bases terminales du réflecteur, dans enceinte un absorbeur inséré dans un circuit de circulation de fluide caloporteur entre deux tubulures, respectivement d'entrée et de sortie, alignées sur un axe parallèle aux génératrices du cylindre, et un moyen d'orientation adapté à maintenir la vitre sensiblement face au soleil par rotation autour de l'axe précité, appareil caractérisé en ce que l'absorbeur comporte au moins une plaque de forme rectangulaire s'étendant dans un plan diamétral médian du segment de. cylindre entre ce segment et la vitre, la plaque étant en contact thermique intime avec le fluide caloporteur par une partie substantielle de sa surface. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'absorbeur comprend une plaque métallique avec au moins une rainure emboutie dans cette plaque suivant un parcours sinueux, et un tube constituant passage de circulation à sinuosité correspondante adapté à s'emboîter dans ladite rainure par la moitié environ de sa section, la partie ainsi emboîtée étant solidarisée à la plaque par soudure. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'absorbeur comprend deux plaques métalliques accolées à plat avec chacune au moins une rainure emboutie, le passage de circulation étant constitué par la réunion par paires des rainures de l'une et l'autre plaque, 4. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 3, associé à un support en station en un lieu déterminé, caractérisé en ce que l'axe de rotation du réflecteur, situé dans un plan méridien du lieu de station, est normal à la direction méridienne du soleil à deux époques comprises entre les équinoxes d'automne et de printemps. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit passage de circulation de fluide caloporteur, sinueux, présente une pente, par rapport à l'horizontale, de même sens sur toute son étendue, en pointage méridien de l'appareil. 6. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, en section droite, le réflecteur est limité à un tiers de circonférence. 7. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enceinte forme un volume étanche, empli de gaz sec sous une pression au plus égale à la pression atmosphérique. 8. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'absorbeur est disposé dans l'enceinte avec un jeu ménagé par rapport au réflecteur, à la vitre et aux flasques terminaux. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'axe de rotation passant par le centre de gravité de l'enceinte, les tubulures d'arrivée et de départ, traversant les flasques par des manchons isolants et équipées de joints tournants, forment support d'absorbeur. 10. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réflecteur comporte une couche thermiquement isolante sur sa face externe convexe. 11. Appareil selon une quelconque des revendications précédentes, associé à un support en station, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'essuyage spongieux maintenus par le support, s'étendant parallèlement à l'axe de l'enceinte et poussés par des moyens élastiques en appui sur cette enceinte, en sorte de balayer la surface périphérique externe y compris la vitre au cours de la rotation de l'enceinte. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le support est surmonté d'un réceptacle d'eau pluviale, relié par une mèche aux moyens d'essuyage.