Brevet FR2474150A1 — publié le 19810724

La présente invention a pour objet un capteur solaire, et plus spécialement un capteur solaire comportant un réflecteur constitué par une surface parabolique. Dans un réflecteur parabolique, tout rayon incident arrivant sensiblement parallèlement a l'axe de symétrie est concentré au foyer. Il est donc possible de réaliser des capteurs solaires réalisant une concentration d'énergie sur un élément récepteur placé au foyer ou sur l'axe focal dans le cas d'une surface réfléchissante cylindroparabolique, le récepteur pouvant être constitué par une tubulure servant à la circulation d'un fluide, ou par des photopiles, par exemple. Les capteurs paraboliques généralement utilisés sont R forte concentration, nécessitant de prévoir des réflecteurs orientables en fonction de la position du soleil, celle-ci étant variable, ils doivent donc être mobiles; afin d'obtenir un rendement satisfaisant. Ces impératifs conduisent a une mécanique complexe et onéreuse et limitent les dimensions des réflecteurs paraboliques. La présente invention vise à pallier à cet inconvénient en permettant la réalisation de capteurs à réflecteurs fixes, lesquels de ce fait pourront être des éléments de grandes dimensions, intégrés à l'architecture, et dont l'agencement est tel que ces capteurs possèdent un rendement satisfaisant. Dans le capteur selon l'invention, le réflecteur est une surface parabololde ou cylindro-parabolique engendrée par une courbe parabolique dont ltéquation est de la 12 forme y = x2. x Selon la caractéristique essentielle de l'invention, le capteur est équipe d'une cible de forme générale sphérique (pour les réflecteurs parabololdes) ou cylindrique (pour les réflecteurs cylindro-paraboliques) centrée sur le foyer ou sur l'axe focal, et dont le diamètre est plusieurs fois supérieur à la valeur du paramètre "f" de la courbe parabolique. Le rendement optimal selon les lois de la géométrie et de l'optique est obteiiu dans le cas ou le diamètre de la cible, centre a foyer est égal à quatre fois la valeur d paramètre "f" de la courbe, car cet agencement augmente au mieux la tolérance d'orientation du réflecteur par rapport au soleil, évitant ' l'inconvénient d'une trop grande sensibilité directionnelle. Si l'on considère le réflecteur représenté en coupe transversale à la figure 1, le flux lumineux parallèle a l'axe de symétrie OY et que le réflecteur admet en son ouverture maximale x, sera concentré au plan focal sur une dimension égale a 2f. 1 De la formule générale y = x est déduite la 4f valeur de Le facteur de concentration C est donc égal dans le cas d'un réflecteur cylindroparabolique,et C = y/f dans le cas d'un réflecteur parabololde (de révolution). Selon le type d'application envisagée, eau chaude sanitaire, ou chauffage de locaux, il est possible d'adopter un facteur de concentration plus ou moins élevé, en prolongeant plus ou moins le développement du réflecteur parabolique (rapport y/f). Si l'on se reporte à la figure 2 qui représente un réflecteur conforme à l'invention vu en coupe transversale, on remarque que le réflecteur renvoie un rayon incident vers la cible dès que celui-ci entre dans la parabole sous un angle inférieur à a, a étant l'angle que forme la tangente a l'entrée de la parabole avec l'axe de symétrie de celle-ci.Cet angle a a une valeur telle que cotga = 1 dy/dx y' (dérivée par rapport à x de y = x), soit 4f y'=x. On note par ailleurs que cotga = ;par dans conséquent choisir le rapport de concentration le cas d'un réflecteur cylindro-parabolique ou y/f dans le cas d'un refecteur paraboloïde reient en fait à se fixer une tolérance d'orientation de l'axe de symétrie du réflecteur Y par rapport au rayonnement solaire direct incident, (angle a). En résumé, plus le facteur de concentration sera élevé et plus les exigences d'orientation seront fortes (ou moins la tolérance d'orientation sera grande) selon le rapport y/f ayant précédemment été défini comme représentant la caractéristique du développement parabolique. Soit à déterminer le rapport y/f, ctest-à-dire la profondeur de la surface parabolique selon les exigences en concentration et durée d'effet dans le temps, des applications envisagées. Il a été constaté que, lorsque ce rapport y/f était inférieur à 4, la concentration du rayonnement était trop faible selon les applications retenues, tandis que pour des valeurs supérieures à 40, l'effet directionnel très resserré devient très contraignant, apportant l'inconvénient d'une durée de fonctionnement trop limitée pour un réflecteur fixe. En conséquence, il est avantageux que la profondeur y de la surface parabolique soit comprise entre 4 et 40 fois, la valeur du paramètre "f" de la courbe parabolique. Pour déterminer la profondeur du réflecteur parabolique, il faut tenir compte, en fonction de l'application recherchée, de la variation de l'angle incident des rayons par rapport à l'axe de symétrie pour tenir compte notamment de la variation saisonnière de hauteur du soleil à son zénith entre solstices et équinoxes : cette variation est de 23 30 minutes en tous les lieux de la terre. Optimisation du rendement : On se fixe les conditions d'une seule réflexion directe sur la cible du rayonnement incident tel que si l'on se reporte à la figure 2, on constate que l'angle incident par rapport à l'axe de symétrie ou au plan de symétrie OY devra être inférieur ou égal à ss dont la valeur est telle que La figure 3 du dessin schématique annexé représente un toit de bâtiment industriel équipé de deux capteurs à réflecteurs cylindro-paraboliques conformes à l'invention dont l'un est destiné à fonctionner dans les conditions optimales en période hivernale pour assurer le chauffage du bâtiment, et dont le second à caractère complémentaire est étudié pour fonctionner toute l'année d'une manière plus uniforme quoiqu'avec un facteur de concentration plus faible. Le tableau I figurant ci-après donne, pour un certain nombre d'angles a (angle de tangence à la parabole au point d'ouverture maximale de celle-ci) définissant l'importance du développement parabolique comme indiqué précédemment (tel que et avec un paramètre f = 0,5 mètre, les valeurs chiffrées des différentes grandeurs définies précédemment } et plus particulièrement l'angle ss de tolérance d'orientation. TABLEAU I T 0 0 E! 03 0 O N CU O t a Q O Ln L r 0 00 o p CS O 450 360 300 26o5O 24. 180 160 150 12 90 O r g\ 01 ci n cO cO o cl O -;P -P c Cotga , , 1 1,376 O e \8 d O r 01 0 ~ ] . . ~ uo ~ x m Gs CO 1 \o o o o \o o c c c c I iO 0 0 0 CO P3 01 c 4 4 ts e qz v0 en tE N 1,4468 2,5000 3,0220 5,2370 m 7,4640 V\ t rc O- o I c îc m n o Fc O Sin c: C 0,6912 0,5000 o,4ooo 0,3309 0,1909 c: 14 1t 0,0864 0,04894 0,0123 o cO a) oO Fc CU \o ;r o u\ (3 ~~~\~~ ~~ 23,56 19,31 110 8,76 7,70 Ö crE 0,72 cO X N b O e ts 1s tn e eo O O 1 ew H H o en n m O sD çD N C4 O v v w a o ~ c a u o rfi e eul eq cq o H ~ O O &commat;; O O O O O us 1n O O O O ~ o O O ~ ~ e ew cq cq CJ CQ O eq O O cq cç O O O e tn O O O e O N to ue O ufi O n H ~ HP ~ o cO cq H &commat; ND N \0 H b e r- N U ~ v0 en 0s s v0 e P4 H O H O gr H H o S o Q Q ax v vs ll v H1K .> w P a e o ìl ll > Q X h ~ X e f = 0,5 mètre Les fractions d'angles &alpha; et ss sont exprimées en centièmes de degrés TABLEAU II heure d'hiver 9 h 40 10h 40 12h 40 14h 4o 15h 4o officielle heure solaire : - 3h - 2h Zenith + 2h o 3h 12h 00 co ro o o o o SoÎstice d'hiver H N 150,7 +50,2 200,9 50,2 150,7 l 90,7 cl D \D 0E Variation N +210,8 +230,8 +210,9 +190,6 0 Q\ y) m rc RI Q\ Cù c c c N o e o o o o o s + o d m C04 370,5 +70,2 zou70,1 H + u\ CU c\ u\ M C\P CJ +190,6 Ho c rc a s N H N Solstice d'été ~ +90,6 510,1 +100,6 670,7 100,6 570,1 90,6 470,5 0 1'0 Q\ cC - O u\ ri ri O c c o r- L O L S tE c o -23,65 200,2 180,2 n;cn9 qe c?o cr\ e N cU d fi + ol S CU d'automne 290,5 +70,5 370 +70,05 440,05 70,I5 360,9 ~~ . o c 0 190,8 un vo P4 ç o s cv O O O O o O o o O l H cq en + un et n cq W rs r , O ~ N UE . ~ X Z n r- co o o o m ç = O o o rs r co o t Q ; iz i i' O H O A &commat; 2 > k - H Q vO 4 s U ls U r r rs o o s i O Q s r s W Q > xO H xO iOo L X li A ç U O W rz -O ~ 4 O = 4 v o -, en X . (n, X Le tableau II indique la table des hauteurs du soleil au-dessus de l'horizon d'un point situé sensiblement dans le centre de la France par 45 ,6 de latitude nord, zone dans laquelle cette installation est envisagée (à titre d'exemple). Le capteur 2, destiné à assurer un chauffage en période hivernale, devra fournir la concentration des rayons la plus élevée possible pour compenser le fait que le soleil est bas sur l'horizon. Si lton se reporte au tableau I, il est intéressant de choisir a = 9e, ce qui correspond à un facteur de concentration C = 6,314. Dans de telles conditions, ss = 282. Si l'on considère comme angle limite inférieur pour le soleil 1527, à 10 heures au solstice d'hiver, l'axe de symétrie OY du parabololde sera calé à 15 7 + 2 82 = 18 52. Conformément à la caractéristique essentielle de l'invention, la cible est de diamètre 4f = 2 mètres. En ce qui concerne l'ouverture x de la surface parabolique, celle-ci sera de 6,314 mètres, tandis que la profondeur de la parabole sera de 19,933 mètres. Comme montré au dessin, la surface parabolique ne s'étend sur cette profondeur qu'au niveau de sa face inférieure située du côté du toit mais non de sa face supérieure. Comme montré au dessin, le réflecteur 2 est fermé par une vitre 3 double ou triple située en avant de la cible 4 afin de bénéficier également de "l'effet de serre" maximum. Un tel système dont le développement parabolique est important perdra de son efficacité dès que le soleil sera plus haut dans le ciel. Néanmoins, le profil parabolique continuera à être fonctionnel sur des surfaces réduites se trouvant plus près de la cible, de telle sorte que le système fonctionnera à des concentrations moindres dans l'inter-saison. C'est pour cette raison que ce premier capteur doit être complété par un second capteur 5 capable de fonctionner toute l'année et produisant soit de l'eau chaude à usage sanitaire ou industriel, soit un complément de chauffage. L'angle de calage de celui-ci est de 44 ,5, conformément au tableau II, correspondant à la hauteur maximale du soleil en période d'équinoxe. En ce qui concerne l'angle ss, il doit être le plus proche de 23 30 minutes qui constitue la variation saisonnière de hauteur du soleil à son zénith entre solstices et équinoxes. Il était d'un facteur universel indépendant de la latitude du lieu considéré, qui est dû à l'inclinaison de l'écliptique sur l'équateur. Si lton se raporte au tableau I, pour un angle ss de 23-56, l'angle a est de 260,50 correspondant à un facteur de concentration C = 2. Dans ce cas encore, la valeur du diamètre de la cible 6 sera égale à 4 fois la valeur du paramètre f, soit 2 mètres. L'ouverture du réflecteur sera de 2 mètres et sa profondeur également de 2 mètres. Le réflecteur est également fermé, en avant de la cible 6, par plusieurs vitrages 7. Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant un capteur cylindro-parabolique à concentration dont l'agencement est tel qu'il puisse etre installé de manière fixe tout en fournissant le rendement souhaité. Comme il va de soi, i'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce capteur, décrites ci-dessus à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et notamment des profilés réfléchissants cylindro-paraboliques sur des tubulures, le tout conforme aux caractéristiques de 1 invention. - REVENDICATIONS 1. - Capteur solaire du type comportant un réflecteur paraboloïde ou cylindro-parabolique, dont le profil est défini par une courbe dont l'équation est de la forme 1 y= x, dans laquelle F est le paramètre de la parabole, 4f et qui est équipé d'une cible de forme générale : sphérique, cylindrique ou de toute forme géométrique résultant de la combinaison de réflecteurs paraboloïdes ou cylindroparaboliques simples ou composés, centrée au point focal ou foyer ou a l'axe focal (réflecteur cylindro-paraboliques) caractérisé ers ce que la diamètre de la cible est plusieurs fois supérieur à la valeur "f" du paramètre de la courbe parabolique. 2. - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ee que le diamètre de la cible est sensiblement égal à quatre fois la valeur du paramètre "f" de la courbe. 3. - Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de développement parabolique ou profon- deur de la parabole y/f possède une valeur comprise sensiblement entre 4 et 40. 4. - Capteur selon la re-zendication 3, caractérisé en ce que la profondeur de la surface parabolique a une valeur telle que l'angle des rayons incidents par rapport à l'axe ou au plan de symétrie de la surface réfléchissante soit inférieur ou égal à un angle ss tel que ss étant défini comme l'angle de tolérance d'orientation du rayonnement incident par rapport a l'axe de symétrie OY. 5. - Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle ss de tolérance d'orientation est égal à 23 30 minutes, qui est la valeur de l'angle de variation saisonnière du soleil toute l'année en tous lieux.