Brevet FR2478279A1 — publié le 19810918

CONCENTRATEUR SOLAIRE CYLINDRO-PARABOLIQUE La présente invention concerne les dispositifs de récupération de 11 énergie solaire par concentration du rayonnement solaire direct effectuée à 11 aide d'un réflecteur de forme cylindro- parabolique mobile autour dn axe et dont la rotation est asservie à la poursuite du soleil au cours de la journée. Les dispositifs connus de ce genre comportent des chassis mobiles soit légers mais peu résistants aux intempéries, soit lourds et équilibrés par des contrepoids. Divers types de réflecteur sont utilisés: ils sont constitués soit par des segments de miroirs plans, soit par une couche réflectrice déposée sur une surface formée, soit par une tôle métallique fixée sur une surface formée, et présentent des difficultés de réalisation pour obtenir une surface cylindro-parabolique précise. Les dispositifs déjà connus d'asservissement en position sont du type à boucle ouverte ou du type à boucle fermée.Les asservissements en boucle ouverte utilisent un ordinateur ayant en mémoire les données éphémérides du soleil. Les asservissements en boucle fermée utilisent des sondes de température ou des cellules photo-électriques exposées aux rayons solaires, qui dissipent une énergie non négligeable néfaste à leur bon fonctionnement et ne permettent pas un pointage précis à tout mo- sent de la journée. Le dispositif selon 11 invention se compose deux réflecteur solaire cylindr-parabolique mobile autour d'un axe, d'un absorbeur rectiligne situé dans la ligne foyer, d'un détecteur de direction du soleil solidaire du réflecteur d'un boitier électronique de contrôle, d'un moteur d'asservissement et d'un organe de transmission du mouvement au réflecteur L'axe de rotation du réflecteur est confondu avec sa ligne foyer et 7 absorbeur reste fixe, ce qui permet d'éviter une liaison souple entre L'absorbeur et le volume de stockage dXenergle La masse du réflecteur est équilibrée autour de son axe de rotation par le fait que l' , ouverture du réflecteur est choisie pour que le centre de gravité de la section parabolique soit confondu avec son foyer. Ceci permet d'éviter l'utilisation de contrepoids et de simplifier la structure du chassis. Ltaxe de rotation du réflecteur peut entre orienté soit dans un plan horizontal de préférence est-ouest et le réflecteur se déplace alors selon la hauteur du soleil, soit dans un plan vertical nord-sud et le réflecteur se déplace alors selon l'azimut du soleil. L'absorbeur foyer peut étre constitué soit par un tube à circulation de fluide liquide ou gazeux pour un dispositif du type héliothermique, soit par un assemblage linéaire de cellules solaires pour un dispositif du type photovoltaique, soit par une combinaison des deux types (tube dont la surface externe. est recouverte dlune bande de silicium refroidi par le fluide circulant à l'intérieur et offrant ainsi un meilleur rendement). Le réflecteur selon l'invention est constitué par un voile autoporteur raidi par des membrures, formées selon la section parabolique choisie. Le voile est formé à partir dlune surface plane (tôle métallique ou plaque de matériau plastique sur lequel une surface réfléchissante a été déposée), cintrée sur les membrures et précontrainte par ses bords longitudinaux de façon que la courbure transversale du voile assure sa rigidité. Cette fixation du voile par précontrainte permet un moyen de montage et de démontage rapides. La longueur du réflecteur est modulaire: l'assemblage de plusieurs éléments permet de choisir la puissance énergétique désirée. Le détecteur de direction du soleil, solidaire du réflecteur, comprend deux groupes de phototransistors séparés par une surface plane de matière opaque parallèle à l'axe de rotation et à l'axe de la section parabolique. Cette surface plane est bordée par une bande de matière opaque débordant également d'un côté et de l'autre et faisant ombre sur les deux groupes de p"hototransistors lorsque le réflecteur est pointé exactement dans la direction du soleil. Lorsque ltasservissement est réalisé, les phototransistors sont donc tous dans l'ombre de cette bande et produisent une très faible dissipation d'énergie, ce qui leur permet de conserver longtemps leurs performances dtori- gine tout en assurant une consommation électrique négligeable. La variation de la largeur de la bande opaque permet de choisir la précision géométrique du pointage vers le soleil. Cette bande a une largeur minimale qui permet d'éviter facilement le phénomène de pompage de l'asservissement. Le concentrateur selon l'invention dispose d'un dispositif de strette permettant de ne pas dépasser une température maximale sur l'absorbeur: ce dispositif déclenche la mise hors service du concentrateur par rotation du réflecteur vers une position de repos. Le réflecteur dispose de deux arrêts de fin de course constitués par deux contacteurs magnétiques étanches actionnés par des pastilles aimantées fixées sur le réflecteur. La description qui suit est un exemple non limitatif de réalisation de l'invention. La figure 1 représente le concentrateur et son dispositif d'asservissement en position. Le détecteur de direction du soleil est représenté sur les figures 2 et 3. La figure 4 est un exemple de réalisation dtun système héliothermique utilisant le concentrateur selon l'invention. Le concentrateur de la figure 1 est constitué principalement par un réflecteur cylindro-parabolique(l) en tôles d'acier inoxydable de finition polie. Llaxe du réflecteur est disposé horizontalement et aligné de préférence avec la direction Est-Ouest. Les tôles, qui peuvent ôtre vernies, sont supportées par une structure légère constituée par des membrures paraboliques (2) reliées entre elles par des longerons (3). Les membrures d'extrémité sont chacune raidies par un hauban (4) sur lequel est fixé un palier à billes (5). Chaque tôle est maintenue sur la structure porteuse par ses deux bords horizontaux, par l'intermédiaire d'une réglette (6) et par trois pinces (7) qui exercent sur le bord de la tôle une précontrainte telle que la tôle reste appuyée fortement contre les membrures du fait de sa courbure. La force de précontrainte est obtenue par l'effort exercé par les vis (8) qui serrent les pinces (7) sur le longeron (3). Ce système permet un montage très rapide des tôles sur leur support. Le réflecteur ainsi réalisé réfléchit les rayons solaires et les concentre sur un tube de cuivre (9) peint de couleur noire sé- lective et situé au foyer du cylindre parabolique. Chaque palier pivote autour d'un segment de tube d'acier étiré à froid (10) qui traverse son ouverture et qui est fixé lui-meme sur un support (11). Le tube foyer (9) , absorbeur d'énergie, traverse librement le segment de tube (10), support du réflecteur. Le système d'asservissement comprend un détecteur de direction du soleil (12) solidaire du réflecteur, des cables électriques (13) reliés à un boitier électronique de contrôle (14), un motoréducteur électrique (15) et une transmission mécanique. Cette transmission se compose, à partir du moto-réducteur, dtun accouplement élastique (16), diun boitier étanche (17) qui renferme deux roulements et deux butées à billes, dXun cardan (18), diune tige filetée (19) à filetage trapézoidal, dtun écrou en bronze (20) muni d'un pivot (21), et d'une fourchette (22) fixée à l'arrière de la structure du réflecteur. Le boitier électronique (14) interprète les informations données par le détecteur (12) et commande le moteur (15) pour pointer le réflecteur dans la direction du soleil. Le logiciel prévoit un seuil minimum de rayonnement direct pour autoriser ltasservissement. Le détecteur (12) est représenté sur les figures 2 et 3. Il est constitué par un demi-disque (23) de rayon R, limité par un diamètre parallèle au tube foyer , situé dans un plan perpendiculaire au plan d'ouverture du réflecteur, et bordé par une bande de matière opaque (24) qui déborde de chaque côté du disque dlune largeur e. De chaque côté du disque, deux phototransistors (25) sont disposés près du centre.Leur axe sensible est parallèle au plan du disque et fait un angle de 450 avec le diamètre de bordure, llun étant dirigé vers l'est, l'autre vers l'ouest0 De cette façon, les rayons solaires peuvent outre détec tés-par l'un ou l'autre des deux transistors de chaque face du disque quel que soit l'azimut du soleil. Lorsque le plan du disque est parallèle aux rayons solaires, la bordure (24) fait ombre sur les deux groupes de transistors et leurs signaux sont égaux.Dès que le soleil sort du plan du disque, un des deux groupes est illuminé alors que l'autre reste à l'ombre de la bordure: la comparaison des signaux émis par chaque groupe de transistors permet de déterminer une erreur de pointage et donc de corriger ltattitude du réflecteur. Le rapport des dimensions e/R est une mesure de la précision du pointage. Pour un asservissement à 10 près, e/R = 0,017 et la durée minimum entre deux ajustements est de 5 minutes en été à la latitude de Nice. Comme les recalages en position sont peu fréquents, la consommation électrique du moteur est très faible. Un exemple de réalisation d'un système héliothermique complet utilisant le concentrateur selon l'invention est représenté sur la figure 4. Le réservoir de stockage d'eau (26) comprend dans sa partie inférieure une conduite de depart d'eau froide qui, entrainée par une pompe de circulation (27), traverse ensuite le tube absorbeur (9) du réflecteur (1) et se chauffe au contact des parois du tube. Un clapet antiretour (28) est placé à la sortie de ce tube. L'eau chaude retourne ensuite dans la partie supérieure du réservoir de stockage. Une sonde au platine (29) collée sur le tube foyer mesure sa température T1 . Une autre sonde (30) mesure la température T2 de l'eau du réservoir de stockage. Ces deux sondes sont reliées au boitier électronique (14) qui commande le démarrage ou leur rêt de la pompe (27) selon que la différence T1-T2 est supérieure ou inférieure à un seuil correspondant a un niveau minimum d'énergie récupérable. Deux sécurités incluses dans le logiciel assurent le non dépassement de température maximum dans le reservoir et dans le tube.Si la température du tube dépasse 90 C ou Si celle du réservoir dépasse 60 C, le boitier d contrôle commande la mise hors service de l'asservissement et l'abaisse- ment du réflecteur jusqu'à une position de repos. Le. dispositif selon l'invention peut être utilisé pour récupérer l'énergie solaire dans toutes les régions du monde où le rayonnement solaire direct représente une fraction importante de l'ensoleillement journalier. L'absorbeur du dispositif peut être du type héliothermique et servir soit à chauffer de l'eau à basse température pour le chauffage individuel ou collectif des habitations, le chauffage des piscines ou la production d'eau chaude sanitaire, soit à chauffer un fluide à haute température dans le but d'actionner un moteur thermique. Dans ce dernier cas l'absorbeur peut être constitué d'un tube placé à l'intérieur d'une enveloppe transparente au rayonnement solaire, le vide étant réalisé dans l'espace annulaire pour diminuer les pertes par convection. Le dispositf peut être utilisé pour produire directement de l'énergie électrique si l'absorbeur est du type photovoltaique. Le dispositif peut être utilisé directement ou indirectement pour la déshydratation d'oxydes minéraux, qui permet un stockage facile et de longue durée de l'enérgie. REVENDICATIONS 1. Dispositif de récupération de l'énergie solaire par concentration du rayonnement solaire direct, comprenant un réflecteur de forme cylindro-parabolique mobile autour dtun axe passant par sa ligne foyer et dont la rotation est asservie à la poursuite du soleil au cours de la journée par l'intermédiaire deux détecteur de direction solaire, un absorbeur fixe situé sur la ligne foyer du réflecteur, un boitier électronique de contrôle et un moyen mécanique de mise en rotation, caractérisé par le fait que l'ouverture du réflecteur est choisie pour que le centre de gravité de la section parabolique soit confondu avec son foyer, ce qui assure l'équilibrage du réflecteur autour de son axe de rotation sans la présence de contrepoids. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la structure du réflecteur mobile est constituée par un voile autoporteur formé à partir de plaques raidies par des membrures. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le voile est maintenu en précontrainte transversale par ses bords longitudinaux, ce qui assure la rigidité globale du réflecteur. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que les plaques formant le voile ont un mode de fixation rapide et sans perçage qui permet un montage et un démontage faciles. 5. Dispositif selon la revendication 1, pour lequel le principe de détection de la direction solaire est basé sur la différence des signaux émis par des photo-transistors situés de part et d'autre d'une paroi opaque solidaire du réflecteur, caractérisé par le fait que lorsque le pointage est réalisé correctement, les photo-transistors restent dans 11 ombre dtune bande cylindrique opaque perpendiculaire aux rayons solaires et dissipent donc très peu dténergie. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé par le fait que la précision géométrique du pointage peut titre choisie par variation de la largeur de la bande opaque. 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une sécurité permettant de ne pas dépasser une température maximale sur l'absorbeur foyer déclenche la mise hors service du concentrateur par rotation du réflecteur vers une position de repos. 8. Dispositif selon la revendication 1, et dont le mouvement est limité par deux sécurités de fin de course, caractérisé par le fait que ces sécurités sont constituées par des contacteurs magnétiques étanches actionnés par des aimants fixés sur le réflecteur.