Brevet FR2434343A1 — publié le 19800321

L'invention se rapporte à un dispositif de captage d'énergie rayonnée par le soleil avec un réfracteur fixe constitué d'une sphère en matière réfringente concentrant le rayonnement incident en un faisceau d'axe aligné sur le soleil et le centre de la sphère et convergeant selon une caustique, et un moyen d'absorption d'énergie radiante parcouru par un fluide caloporteur et disposé dans la zone parcourue par la caustique dans la course apparente diurne et saisonnière du soleil. On connaît des dispositifs de captage d'énergie solaire comportant une sphère réfringente, constituée par exemple d'une enveloppe sphérique transparente remplie d'un liquide, et un moyen d'absorption d'énergie constitué par un corps noir, un fluide caloporteur parcourant un circuit en contact thermique avec le corps noir. La sphère forme un réfracteur sans axe privi légié qui, recevant le rayonnement incident parallèle issu du soleil, concentre ce rayonnement en un faisceau convergeant. En raison des aberrations, le faisceau converge non en image focale nette, mais selon une caustique, c'est-à-dire une tache diffuse centrée sur l'axe d'incidence passant par le soleil et le centre de la sphère. Finalement, la sphère étant fixe, la caustique décrit une course, diurne et saisonnière, à l'image inversée de la course apparente du soleil.On peut distinguer la course diurne située sensiblement dans un plan de cercle diurne, et la course saisonnière qui est constituée sensiblement par un pivotement du plan de cercle diurne autour a d'un axe Est-Ouest, l'inclinaison- de ce plan sur l'horizontale étant définie par l'ascension droite du soleil au méridien du lieu. La caustique balaye donc, dans ses courses diurne et saisonnière, une zone en fuseau sphérique comprise entre les plans de cercles diurnes solsticiaux, en dièdre de près de 550 d'ouverture, tandis qu'elle n'occupe, à chaque instant, qu'une partie faible de cette zone. I1 en résulte que sans précautions particu lières, l'énergie concentrée par la sphère réfringente se trouve dispersée dans la zone balayée par la caustique. L'invention a pour objet de remédier à cet inconvénient et propose à cet effet un dispositif de captage d'énergie rayonnée par le soleil, comportant un réfracteur fixe constitué par une sphère de matière réfringente concentrant le rayonnement incident en un faisceau d'axe aligné sur le soleil et le centre de la sphère et convergeant selon une caustique, et un moyen d'absorption d'énergie radiante parcouru par un fluide caloporteur et disposé dans la zone parcourue par la caustique dans la course apparente diurne et saisonnière du soleil, dispositif caractérisé en ce que le moyen d'absorption d'énergie est un échangeur à tubes de circulation du fluide caloporteur, comprenant deux collecteurs, inférieur et supérieur, en segments de tore situés dans des plans parallèles au plan de cercle diurne du soleil de part et d'autre de celui-ci, et un faisceau de tube noircis perpendiculaires aux collecteurs et reliant le collecteur inférieur au collecteur supérieur. Dans sa course diurne la caustique vient tomber successivement sur les tubes du faisceau. Le fluide caloporteur qui se trouve dans les tubes frappés par la caustique absorbe l'énergie concentrée dans la caustique et s'échauffe. Cet échauffement provoque la circulation en thermosiphon du fluide caloporteur, cette circulation, dans le faisceau, ne se produisant que dans les tubes frappés par la caustique. L'énergie reçue par le fuide ca loporteur n'est pas dispersée dans l'ensemble de l'échangeur et se trouve transmise presque intégralement aux dispositifs d'utilisation branchés dans le circuit de circulation de fluide caloporteur. De préference on dispose une surface transparente paral liement à l'échangeur entre celui-ci et la sphère réfringente, pour former serre pour l'échangeur. On sait en effet que l'effet de serre réduit considérablement les pertes d'énergie par convexion et rayonnement en retour. De préférence l'échangeur est monté tourillonnant sur un axe Est-Ouest et est réglable en inclinaison suivant l'ascension droite méridienne du soleil. Cette disposition permet de réduire le développement de l'échangeur suivant la direction des tubes du faisceau. I1 suffit de régler périodiquement l'inclinaison de l'échangeur pour que celui-ci soit balayé par la caustique. On rappelle qu'aux équinoxes, où la variation de hauteur droite méridienne est la plus rapide, cette variation est inférieure à 10 par jour. On munit de préférence l'échangeur d'un ajutage d'entrée au centre du collecteur inférieur, et d'ajutages de sortie latéraux sur le collecteur supérieur. L'ajutage d'entrée est toujours au point le plus bas de l'échangeur, et les ajutages de sortie aux points les plus hauts, en sorte que la circulation en thermo siphon n'est pas gênée. L'échangeur peut constituer le bouilleur d'un circuit de réfrigération à absorption Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'er-m- ple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une représentation perspective d'un dispositif selon l'invention la figure 2 est une coupe èn plan méridien. Selon la forme de réalisation choisie et représentée, le dispositif de captage comporte une sphère réfringente 1, constituée d'une enveloppe sphérique en matière plastique transparente, telle que du méthacrylate de méthyle, remplie d'un liquide réfringent, tel qu'une solution de chlorure de calcium. La sphère 1, de diamètre de l'ordre de 0,8 mètre est disposée sur un support convenable (non représenté) dans un lieu dégagé pour recevoir le rayonnement du soleil pendant pratiquement toute sa course diurne. Un échangeur 2 dans son ensemble est constitué par un collecteur inférieur 20,- en forme de demi-tore, un collecteur supérieur 21, également en forme de demi-tore, et entre les collecteurs 20 et 21, un faisceau de tubes 22 piqués perpendiculairement aux collecteurs 20 et 21. L'echangeur 2 est monté tourillonnant autour d'un axe E Q orienté Est-Ouest passant par le centre de la sphère 1, et est orienté en inclinaison de telle sorte que le plan médian de l'échangeur, entre les plans des demi-tores 20 et 21, soit le plan de cercle diurne du soléil passant par le centre de la sphère 1. Le collecteur inférieur 20 est muni d'un ajutage d'entrée 23 pour un fluide caloporteur, situé au centre de ce collecteur 20. Le collecteur supérieur 21 est muni de deux ajutages de sortie 24 et 24', pour le fluide caloporteur, situés latéralement de part et d'autre du collecteur. Entre la sphère 1 et l'échangeur 2, est disposée une surface transparente 3, de forme demi-cylindrique. Cette surface 3 forme la paroi antérieure d'un caisson torique 30, non représenté té à la figure 1.pour plus de clarté. La partie postérieure du caisson 30 est garnie d'un isolant thermique 31, de telle sorte que l'échangeur 2 ne subisse pas de déperditions notables d'çner- gie. Le caisson 30 forme, par sa paroi transparente antérieure 3, serre pour l'échangeur 2. Le rayonnement, visible et infrarouge proche traverseen effet la paroi transparente 3, tandis que l'infrarouge lointain rayonne en retour par l'échangeur 2, ainsi que l'air, restent emprisonnés dans le caisson 30, la surface 3 s'opposant à leur passage vers l'extérieur. Comme représenté schématiquement figure 2, le rayonnement solaire venant d'une direction d'axe 10 passant par le centre de la sphère, vient frapper la sphère 1. Un rayon incident 11 subit une première réfraction en pénétrant dans la sphère 1, et donne naissance à un rayon réfracté 12, qui subit une seconde réfraction au sortir de la sphère, suivant le rayon 13 qui vient passer par l'axe 10 au point 14. La position du point 14 sur l'axe 10 dépend de la distance relative du rayon 11 à l'axe 10 et de l'indice-de réfraction de la solution réfringente, aux approximations supérieures à la première, en sorte que l'image du soleil concentrée sur l'échangeur 2, est une caustique diffuse. On a compris que la figure 2 correspond à une coupe méridienne avec une ascension droite du soleil d'environ 450 dans un souci de simplification de la figure, mais que la position de la caustique 14 dans l'espace ne dépend que de l'orientation de la direction d'incidence 10 du soleil. Pour chaque direction 10 du soleil, la caustique vient frapper dans une région où se trouvent un petit nombre de tubes du faisceau 22. Bien que ces'tubes apparaissent quelque peu espacés sur la figure 1, il est clair que ces tubes sont proches les uns des autres, et que des voiles ou des ailettes les réunissent, en sorte que tout le rayonnement concentré dans la caustique soit absorbé par les tubes. La surface tournée vers la sphère 1 est classiquement noircie, pour améliorer l'absorption. L'absorption du rayonnement produit un échauffement du fluide caloporteur, localisé dans les tubes frappés par la caustique. Le fluide caloporteur chauffé se dilate et sa densité diminue, ce qui amorce une circulation en thermosiphon dans les tubes frappés par la caustique, entre le collecteur inférieur 20 et le collecteur supérieur 21. Mais dans les tubes du faisceau 22 qui ne reçoivent pas l'énergie, il n'y a pas circulation, de sorte que le fluide caloporteur pénétrant au point bas de l'echan- geur 2 par l'ajutage 23 et ressortant par les ajutages en point haut 24 et 24', ne traverse que les tubes du faisceau 22 qui redoivent le rayonnement. L'énergie n'est pas diluée. On remarquera d'ailleurs qu'avant le midi local, le soleil étant à l'Est du méridien, la caustique est à l'Ouest de ce méridien. La sortie de liquide caloporteur se fait par l'ajutage Ouest 24, car entre le débouché des tubes chauffés et l'ajutage Est 24' le collecteur 22 présente un point bas dans le plan méridien. Inversement durant l'apres-midi local, la circulation de fluide caloporteur passe par l'ajutage Est 24'. En raison de la localisation de l'énergie absorbée, on obtient des différences de température entre entrée et sortie de fluide caloporteur assez importantes. En utilisant comme fluide caloporteur une solution ammoniacale telle qu'utilisée classiquement dans un circuit de réfrigération par absorption, on obtient des rendements thermodynamiques de réfrigération intéressants. L'invention n'est pas, bien entendu, limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution ou d'application. REVENDICATIONS 1. Dispositif de captage d'énergie rayonnée par le soleil, comportant un réfracteur fixe constitué par une sphère de matière réfringente concentrant le rayonnement incident en un faisceau d'axe aligné sur le soleil et le centre de la sphère et convergeant selon une caustique, et un moyen d'absorption d'énergie radiante parcouru par un fluide caloporteur et disposé dans la zone parcourue par la caustique dans la course apparente diurne et saisonnière du soleil, dispositif caractérisé en ce que le moyen d'absorption d'énergie est un échangeur à tubes de circulation du fluide caloporteur, comprenant deux collecteurs, inférieur et supérieur, en segmentes de tore situés dans des plans parallèles au plan de cercle diurne du soleil de part et d'autre de celui-ci, et un faisceau de tubes noircis perpendiculaires aux collecteurs et reliant le collecteur inférieur au collecteur supérieur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une surface transparente est disposée parallèlement à l'échangeur entre celui-ci et la sphère réfringente, en formant paroi de serre pour l'échangeur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échangeur est monté tourillonnant sur un axe Est Ouest de la sphère, et réglable en inclinaison suivant l'ascension droite méridienne du soleil. 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le collecteur inférieur est muni d'un ajutage d'entrée de fluide caloporteur central, tandis que le collecteur supérieur est muni d'ajutages de sortie latéraux. 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'échangeur est un bouilleur dans un circuit de réfrigération par absorption ou de pompe à chaleur à production thermique ou mécanique.