Brevet FR2430577A1 — publié le 19800201

La présente invention concerne un dispositif permettant d'assurer l'exploitation de l'énergie solaire. La recherche concernant l'exploitation à grande échelle de énergie solaire, en particulier en vue de son utilisation domestique et de l'éclairage artificiel des pièces d'un batiment, a abouti, d'un point de vue général, à deux types différents de dispositif, qui ont en commun au moins un convertisseur d'énergie solaire, qui est normalement constitué par une chaudière dans laquelle circule un fluide d'échange de chaleur et sur laquelle tombent les rayons du soleil. Les deux types connus de dispositif indiqués ci-dessus diffèrent l'un de l'autre par la façon dont les rayons solaires incidents réalisent leur interaction avec la chaudière. Dans le premier type de dispositif, la chaudière est formée d'un "piège à chaleur" consistant en une botte rigide intérieurement revêtue d'un matériau bon conducteur de la chaleur, d'une feuille de cuivre par exemple, et traversée par des tuyaux dans lesquels circule un fluide échangeur de chaleur, la botte comportant un panneau transparent du cté où pénètrent les rayons du soleil.Par contre, dans le second type de dispositif, les rayons solaires incidents sont recueillis par un "concentrateur de chaleur", qui est normalement formé d'un ou plusieurs miroirs paraboliques et, ou bien, de lentilles qui focalisent les rayons sur une ou plusieurs chaudières. Bien que les dispositifs du second type permettent d'exploiter le rayonnement solaire avec un rendement très supérieur à celui des dispositifs du premier type, ils sont rarement employés à la production d'énergie domestique en raison de leur coût relativement élevé et des difficultés de leur installation. Pour focaliser correctement le rayonnement solaire, il faut faire varier continûment l'orientation des miroirs et, ou bien, des lentilles de façon qu'ils suivent la trajectoire du soleil. C'est pourquoi les dispositifs du second type ne peuvent pas faire partie de la structure fixe du bâtiment qu'ils doivent desservir, mais doivent être installés séparément.Inversement, les dispositifs du premier type mentionnés ci-dessus, du fait qu'ils sont formés par des boîtes rigides, peuvent facilement être incorporés à un toit et, ou bien, à une couverture murale du bâtiment qu'ils doivent desservir, et ils sont largement employés dans la construction des batiments modernes, malgré leur rendement réduit. Une limitation des dispositifs du premier type est leur opacité vis-à-vis de la lumière. Cette limitation empêche d'employer de tels dispositifs pour la couverture de bâtiments tels que par exemple des serres ou des hangars industriels, qui comportent normalement des fenêtres dans les parties des toits et des murs qui sont le plus exposés au rayonnement solaire. L'invention a pour objet un dispositif destiné à assurer l'exploitation de l'énergie solaire, qui peut être utilisé comme élément de couverture dans la construction des batiments et qui présente un rendement de l'ordre de celui des dispositifs du second type mentionnés ci-dessus. Le dispositif de l'invention lzisse filtrer au moins une partie du rayonnement solaire incident & l'intérieur de la structure de bâtiment sur laquelle le dispositif est monté. Selon l'invention, il est proposé un dispositif assurant l'exploitation de l'énergie solaire, qui se distingue en ce qu'il comporte, en combinaison - au moins un élément transparent destiné à être -placé en position fixe de façon à laisser passer la composante diffuse du rayonnement solaire incident et à concentrer la composante directe du rayonnement solaire- dans une région dont la position varie lorsque la position angulaire du soleil varie vis-à-vis de l'élément transparent et qui se trouve du c8té de l'élément transparent qui est oppose à celui exposé au rayonnement scolaire, - un moyen convertisseur d'énergie solaire qui est placé dudit c8té de l'élément transparent, - un moyen de support qui relie le moyen convertisseur à l'élément transparent, ce moyen de support comportant un moyen d'actionnement qui déplace le moyen convertisseur par rapport à l'élément transparent, et - un moyen de commande qui commande le moyen d'actionnement de manière à maintenir le moyen convertisseur en une position sensiblement fixe par rapport & ladite région. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation illustrés par les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un bâtiment dont le toit comporte un certain nombre de dispositifs assurant l'exploi tation de l'énergie solaire selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'une partie de la couverture de toit présentée sur la figure I - les figures 3 et 4 sont des vues en plan d'un premier et d'un second mode de réalisation appartenant au dispositif de l'invention qui est utilisé dens la couverture présentée sur la figure 2 - la figure 5 est une coupe suivant la ligne V-V des figures 3 et 4 ; et - la figure 6 est une vue en perspective partielle d'undétail de la figure 2. La figure 1 présente un hangar 1 qui est conçu pour être utilisé dans un but industriel ou qui est destiné à servir de serre. Le hangar 1 comporte un toit 2 présentant des fenêtres 3 qui autorisent la pénétration du rayonnement solaire à l'intérieur du hangar. Comme on peut le voir sur la figure 2, chaque fenêtre 3 est constituée d'un certain nombre de panneaux sensiblement plans qui sont disposés côte à côte en plusieurs rangées. ~2ns l'exemple illustré, il existe trois rangées de panneaux qui se prolongent sur toute la- longueur du toit, les panneaux de chaque rangée, à l'exception de la rangée inférieure, chevauchant partiellement les panneaux correspondant de la rangée immédiatement inférieure. La figure 3 illustre une forme de panneau 4 de forme rectangulaire, et la figure 4 illustre une autre forme de panneau 5 de forme carrée. Chaque panneau 4 ou 5 est de préférence fait en verre ou bien présente une structure stratifiée de couches de verre et de matière plastique. Chaque panneau 4 ou 5 comporte des rainures 6 présentant sur une face le profil en dents de scie que l'on peut voir sur la figure 5. En particulier, sur le panneau 4, les rainures 6 (voir figure 3) sont disposées parallèlement à la longueur du panneau et-définissent une lentille de Fresnel 7 du type à symétrie cylindrique, tandis que, sur le panneau 5, les rainures 6 sont disposées en cercles concentriques et définissent une lentille de Fresnel 8 à symétrie sphérique. Les rainures 6 peuvent regarder vers l'intérieur ou vers l'extérieur du hangar 1 ; dans ce dernier cas, toutefois, elles seront de préférence protégées par un couvercre plan en verre, qui n'est pas représenté. Comme cela est connu, les lentilles de Fresnel autorisent, lorsqu'elles sont exposées au rayonnement solaire, la composante diffuse du rayonnement solaire à filtrer sans modification sensible, tandis qu'elles focalisent la composante directe. Lorsque des lentilles de Fresnel du type à symétrie cylindrique (comme la lentille 7 de la figure 3) sont montées en position fixe et sont exposées à des rayons solaires, la compo- sante directe du rayonnement est focalisée suivant une ligne (non repréi sentée) parallèle aux rainures 6 qui se déplace parallèleman t à elle-meme dans l'espace situé derrière le panneau 4, du côté de ce dernier qui n'est pas exposé au soleil, en fonction de l'angle d'incidence variable du rayonnement solaire tombant sur le panneau. De même, une lentille de Fresnel du type sphérique (comme la lentille 8 de la figure 4) qui est exposée en position fixe concentre la composante directe du rayonnement solaire incident en un point dont la position varie avec l'angle d'incideice du rayonnement solaire. Ainsi, lorsque les fenêtres 3 sont formées par des panneaux 4 (voir figure 3), la composante directe du rayonnelent solaire incident est focalisée, pour chaque rangée de panneaux 4, en une unique ligne droite paralldle aux rainures-6 et située à l'intérieur du hangar 1, tandis que, dans le cas où les fenêtres 3 sont constituées de panneaux 5 (voir figure 4), la composante directe du rayonnement solaire incident est focalisée, pour chaque rangée de panneaux 5, suivant une rangée de points, raison d'un point par panneau 5, qui se trouvent disposés suivant une ligne droite parallèle à ladite rangée. Lorsque l'angle d'incidence du rayonnement solaire varie, les points de focalisation se déplacent de façon que les lignes qui réunissent chaque rangée de points se déplacent parallelement à elles-mêmes. Il existera en outre une luminosité diffuse à l'intérieur du hangar 1, en raison de la composante diffuse du rayonnement solaire incident, qui est suffisante pour permettre, en général, la mise en oeuvre d'une activité industrielle quelconque et, ou bien, la croissance de végétaux à l'intérieur du hangar. Conte cela est illustré schématiquement sur la figure 2, un bati mobile 9 est soutenu derriere chaque fenêtre 3 de la couverture 2 du hangar 1 par un moyen d'actionnement qui commande le déplacement du bâti 9 de'façon à le maintenir sensiblement par8llèle'a la fenêtre associée 3. Le moyen d'actionnement peut être d'un type approprié quelconque. Dans l'exemple illustré, il est formé d'un certain nombre de pieds de -supports télescopiques 10 (deux seulement sont représentés sur la figure 2). Chaque pied télescopique 10 comporte un manchon externe 14, relié à la couverture 2 par un joint sphérique 12 et une tige 12 reliée au bati 9.Le développement du pied télescopique 10 est commande par un moteur électrique réversible 13 porté par le manchon externe 14 du pied 10 et relié à la tige 12 associée par exemple au moyen d'un ensemble à vis et écrou mobile, non représenté. Dans l'exemple illustré, le moyen d'actionnement comporte au moins un autre moteur électrique réversible 15 qui est porté en position fixe par la couverture 2 et qui est conçu pour entraîner une roue rotative 16 sur laquelle un cable 17 passe. Le câble 17 passe aussi sur une poulie de transmission 18 et est relié au bati 9 de manière déplacer ce dernier dans une direction qui est sensiblement perpendiculair-e aux pieds 10. Des convertisseurs d'énergie solaire sont fixés au bati 9. Dans l'exemple illustre > les convertisseurs d'énergie solaires sont constitués de chaudières 19 qui présentent une forme allongée parallèlement aux rangées indiquées de panneaux 4 ou 5, le nombre de chaudières 19 étant égal au nombre des rangées. Comme le montre la figure 6, chaque chaudière 19 comporte un tube externe 20 fait en un matériau transparent, de préférence en verre, à l'intérieur duquel se trouve un tuyau interne 21 disposé coaxialement au tube et servant au transport d'un fluide d'échange de chaleur. La position des chaudieres 19 par rapport aux panneaux 4 ou 5 est commandée par une unité de commande 22, qui est représentée schématiquement sur la figure 2 et qui a pour fonction de commander le fonctionnement des moteurs 13 et 15 en réponse à des signaux de commande qui lui sont délivrés par au moins un capteur 23 monté sur le bgti 9 et de préférence disposés, comme cela est représenté, en correspondance avec une des chaudièresl9, Le capteur 23, ou chaque capteur, est constitué par un élément sensible à la lumière solaire et conçu pour produire des signaux électriques, en réponse auxquels l'unité de commande 22 commande les moteurs 13 et 15 de façon qu'ils maintiennent les chaudières dans des positions qui colncident avec les lignes droites suivant lesquelles la composante directe du rayonnement solaire est focalisée par les panneaux 4 ou 5. Selon une variante, non représentée, l'unité de commande 22 et le capteur 23, ou chaque capteur, sont remplacés par un calculateur programmable qui peut ou non être dote d'un capteur de commande externe, On doit noter que les chaudières 19 peuvent être remplacées par tout autre type de convertisseur d'énergie solaire et que le moyen présentement décrit à titre d'exemple qui sert à déplacer les convertisseurs d'énergie solaire par rapport aux panneaux 4 ou 5 > de façon qu'iris suivent les lignes droite et, ou bien, les points auxquels la composante directe de rayonnement solaire est focalisée, peut être remplacé par tout autre moyen approprié. Bien entendu, l'homme de l'art peut apporter, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs de l'invention. R VEND I CATION S 1. Dispositifs destiné à assurer l'exploitation de l'énergie solaire, caractérisé en ce qu' comprend, en combinaison, au moins un élément transparent conçu pour être placé en position fixe de manière à laisser passer la composante diffuse du rayonnement solaire incident et à concentrer la composante directe du rayonnement solaire en une région dont la position varie lorsque la position angulaire du soleil varie vis-à-vis de l'élément transparent et qui se trouve du coté de l'élément transparent qui est opposé à celui exposé au rayonnement solaire, un moyen convertisseur d'énergie solaire placé dudit c8té de l'élément transparent, un moyen de support qui relie le moyen convertisseur à l'élément transparent, ce moyen de support comportant un moyen d'actionnement qui déplace le moyen convertisseur par rapport à l'élément transparent, et un moyen de commande qui commande le moyen d'actionneme;i- de façon à maintenir le moyen convertisseur en position sensiblement fixe par raport à ladite région. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément transparent est constitué par une lentille de Fresnel. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille de Fresnel présente la symétrie cylindrique et comporte des rainures linéaires à profil en dents de scie. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille de Fresnel présente la symétrie sphérique et comporte des rainures circulaires concentriques à profil en dents de scie. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément transparent fait partie de la structure de toit, de revêtement ou de couverture d1un bâtiment. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément transparent forme, au moins en partie,une une fenêtre d'une structure de bâtiment. 7. Structure de bâtiment comportant plusieurs panneaux plans qui forment, au moins en partie, plusieurs murs extérieurs et une couverture de toit, la structure étant caractérisée en ce qu'au moins un des panneaux est formé, au moins partidiement, par un élément transparent d'un dispositif permettant d'assurer l'exploitation de l'énergie solaire tel que celui décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 4, le moyen convertisseur étant monté à l'intétieur de la structure.