Brevet FR2501344A1 — publié le 19820910

La présente invention concerne un capteur solaire à concentration linéaire et à absorbeur fixe dont les miroirs élémentaires, qui réfléchissent le faisceau lumineux incident sur l'absorbeur, sont mns autour de leurs axes longitudinaux par un mécanisme d'orientation accouplé à un système de maintien de la focalisation du rayonnement solaire sur l'absorbeur. On connait des capteurs solaires de ce genre qui comportent, pour suivre la course du soleil, un dispositif photoéléctrique accouplé à un moteur actionnant un mécanisme d'orientation. Un autre type de capteur, de la même famille, est muni de deux réservoirs oblongs, opposés aux miroirs, dans lesquels un fluide actif à l'état biphasique gaz-liquide fournit au mécanisme d'orientation la pression nécessaire au mouvement par l'intermédiaire d'un fluide de transmission de pression circulant dans des conduits de liaison. Le premier système succinctement décrit est assez complexe et donc coûteux. Le second dispositif connu à le désagrément d'occulter une fraction non négligeable du rayonnement solaire reçu par le capteur, ce qui diminue par conséquence la surface active de ce dernier. La présente invention a pour objet un capteur solaire qui intègre un dispositif autonome d'orientation des miroirs permettant d'éviter ces inconvénients. Le capteur conforme à l'invention est caractérisé en ce que les moyens aptes à assurer le positionnement correct des miroirs utilisent le travail fourni par la dilatation d'un corps en phase liquide, à très bas point de fusion et à coefficient de dilatation élevé (par exemple du mercure), qui récupére, par un dispositif approprié, une fraction de l'énergie rayonnante réfléchie par les miroirs. Lesdits moyens de positionnements sont également caractérisés par le fait qu'ils récupérent l'énergie nécessaire aux mouvements de correction des miroirs sur la partie des rayons réfléchis dont la trajectoire est située entre les miroirs et l'absorbeur, ce qui offre l'avantage de pouvoir installer ces moyens de telle façon qu'ils réduisent d'une manière négligeable la surface active du capteur solaire. Les moyens suivant l'invention, aptes à assurer la focalisation du rayonnement solaire sur l'absorbeur, comprennent deux transducteurs identiques contenant chacun une quantité déterminée de fluide actif liquide, un fluide particulièrement approprié étant le mercure, et montés l'un par rapport à l'autre de manière à ne pouvoir agir que séparément et en sens opposés sur le mécanisme d'orientation des miroirs. Les trans duc teurs se présentent sous la forme de réser voirs cylindriques, munis chacun d'une paire d'ailettes de transfert captant l'énergie nécessaire au fonctionnement du système, et sont associés à une chambre d'expansion qui équilibre en permanence les forces engendrées dans les transducteurs par l'incompressibilité du fluide actif. Lors des défocalisations, provoquées par la cours du soleil, la dilatation du fluide actif contenu dans le transducteur placé sur la trajectoire des rayons réfléchis est utilisée pour translater une tige associée à une bielle qui entraine en rotation l'ensemble des miroirs du capteur; ceux-ci étant rendus solidaires par des moyens appropriés. Un mode de disposition avantageux des transducteurs équipant le capteur conforme à l'invention, consiste à placer leurs ailettes de transfert de manière à ce que celles-ci occupent toute la hauteur disponible entre l'absorbeur et la partie arrière-du capteur solaire de façon que, quelque soit l'amplitude angulaire de la défocalisation, une fraction de chacune des tranches de lumière défocalisée issue des miroirs élémentaires et orientée sous l'absorbeur puisse éclairer le système de maintien. I1 résulte de la disposition des ailettes de transfert, décrite ci-dessus, que les extrémités supérieures de celles-ci qui sont près de l'absorbeur reçoivent chacune la même quantité d'énergie, provenant des miroirs les plus proches, lorsque lesdits miroirs sont convenablement orientés. Les moyens d'orientation de l'ensemble des miroirs élémentaires, qui sont prévus selon l'invention, sont applicables indépendamment de la nature des miroirs, que ceux-ci soient plans ou focalisants. Toutefois, un mode de réalisation avantageux du capteur solaire conforme à l'invention se caractérise par la disposition des miroirs en deux groupes égaux et symétriques, chaque groupes constituant un plan réfléchissant. Les deux plans réfléchissants ainsi obtenus forment entre-eux un angle obtus dont le plan médian contient l'axe longitudinsl de l'absorbeur. Des considérations géométriques montrent que pour une telle disposition des miroirs et pour une hauteur identique de l'absorbeur le rendement optique du capteur augmente. La description détaillée qui va suivre et qui s'appuie sur les dessins annexés fera mieux comprendre le principe de fonctionnement du dispositif de maintien et les particularités du capteur solaire oonforme à l'invention. - La figure 1 représente en perspective un capteur solaire muni d'un système de maintien de la focalisêtion du rayonnement sur l'absorbeur. - La figure 2 est une vue en coupe qui illustre la desoription du fonctionnement du système de maintien de la focalisation. - La figure 3 est une vue détaillée en coupe de la chambre d'expansion. - La figure 4 représente un dispositif protégeant le système de maintien contre les signaux parasites. Le capteur solaire représenté sur la figure 1 comprend un chassis rigide dont les longerons supérieurs 1 à 4 supportent les axes longitudinaux 5 à 10 qui permettent la rotation des miroirs élémentaires 11 à 17. A l'une des extrémités de ces axes sont fixées les bielles 18 à 23 qui sont reliées de façon articulée aux tiges de liaison 24 et 25, lesdites tiges permettant une rotation simultanée de tous les miroirs. La tige 26 rend solidaire les deux groupes de miroirs Au dessus des miroirs il à 17 est disposé un absorbeur tubulaire 27 dans lequel le fluide à chauffer circule à l'aide de tqaa. teries de liaison non représentées sur ce dessin. Ce fluide peut être de l'eau, une huile minérale, ou un fluide organique (par exemple un fréon). Il est d'usage, bien que la figure 1 ne le représente pas pour des raisons de simplicité, d'enceindre un tel absorbeur d'un tube transparent, réalisé par exemple en verre de quartz, dont la partie su périeure peut être revêtue d'une couche réflectrice destinée à réduire les pertes par rayonnement. Sous l'absorbeur 27 sont disposés, parallèlement à ce dernier, les transaucteurs 28 et 29 munis de leurs ailettes de transfert 30 à 33. Ces ailettes, réalisées dans un métal ou alliage métallique bon conducteur de la chaleur, sont munies, sur leur face directement exposée au rayonnement réfléchi, d'un revêtement présentant un pouvoir absorbant élevé pour le rayonnement solaire. A l'inverse, les autres faces de ces ailettes sont traitées pour être réfléctrices, afin d'éviter tout signal de perturbation entre les transducteurs. Ces deux principes de réalisation sont appliqués aux faces cylindriques externes des transducteurs proprement dits. Les conduits 34 et 35, issus d'une des extrémités des transducteurs 28 et 29, supportent les tiges mobiles 36 et 37 dont le mouvement, sous la poussée du fluide actifidilaté, actionne les bielles 38 et 39 solidaires des axes de rotations 7 et 8. Il va de soi que les- dites bielles peuvent être rendues solidaires de deux axes de rotation quelconques et cela par les moyens les plus appropriés au bonfonction- nement de l'ensemble. La chambre d'expansion 40 est située entre les deux transducteurs auxquels elle est reliée par les conduits 41 et 42. La faces externes de cette chambre sont réfléchissantes. Dans une seconde variante du mécanisme d'orientation des miroirs, non représentée sur les dessins ci-joints, des soufflets sont intercalés entre les tiges mobiles 36 et 37 et les conduits 34 et 35. Lesdits soufflets peuvent oontenir soit le fluide actif lui-mme, soit un fluide intermédiaire incompressible et chimiquement neutre vis à vis du fluide actif. Sur la vue schématique en coupe de la figure 2, la chambre d'expansion 40 est représentée tournée de 90 degrés pour faciliter la compréhension; pour la même raison, deux miroirs seulement sont figurés. On va décrire ci-apres, à l'aide de cette figure, le fonctionnement du système de maintien de la focaliastion. Imaginons que le soleil soit initialement dans la position A et que cette position coïncide avec l'état d'équilibre du système de maintien. Dans ces conditions, les rayons incidents et réfléohis (représentés en traits pleins), les miroirs k1 et IEl, ainsi que le mécanisme d'orientation (figuré par les bielles 31 et B2 et la tige T1), occupent la position indicée par la lettre a. Le rayonnement réfléchi par Ml et M2 est alors convenablement orienté sur l'absorbeur 27. Le déplacement apparent du soleil de A vers B a pour conséquence qu'après un certain temps le rayonnement incident aura parcouru l'angle et la position des rayons sera, par exemple, celle représentée en traits pointillés sur la figure 2. Si les miroirs conservent durant ce temps la même orientation qu'à l'instant initial les rayons réfléchis par le miroir 1112 éclaireront le transducteur 29 et ses ailettes, ce qui aura pour effet d'accroître la température du fluide actif contenu dans celui-ci. Simultanément, le rayonnement réfléchi par Xi étant dirigé au dessus de l'absorbeur, le transducteur 28 ne recevra plus d'énergie et la température du fluide actif qu'il contient va diminuer, par suite des pertes thermiques dans les ailettes. La dilatation du fluide actif, contenu dans le transduc teur 29, va se traduire par la poussée de la tige 37 et la rotation simultanée de tous les miroirs dans le sens des flèches portées sur la figure, action qui tend à ramener les rayons réfléchis en direction de l'absorbeur. On conçoit aisément que, pour une même erreur angulaire Oc la quantité d'énergie reçue par le système, donc la température à laquelle est portée le fluide actif, puisse varier dans de grandes proportions suivant la position du soleil et les conditions atmosphériques. Ceci impose une grande sensibilité du système de maintien, ce qui à pour consequence, lorsque l'énergie reçue par ce système est dans une certaine fourchette de valeurs, que l'amplitude angulaire de la réponse dépasse celle de l'erreur initiale. Si, dans l'exemple décrit, l'énergie absorbée par le transducteur 29 est dans ladite fourchette de valeurs, ce transducteur génèrera à son tour un écart angulaire de sens inverse, écart qui excitera le transducteur 28. Comme le flux d'énergie on enté sur le système décroit avec l'erreur angulaire et que le coefficient de transfert thermique des ailettes est élevé, les oscillations du système staoortiasent rapidement pour aboutir à un nouvel état d'équilibre. Dans ce nouvel état d'équilibre, les miroirs Mi et M2 ainsi que les bielles associées B1 et B2 occupent la position indicée par la lettre b sur la figure 2. A chaque excitation du système de maintien, due à une défocalisation, le volume total de fluide actif contenu dans le système augmente. Le rôle de la chambre d'expansion 40 est d'absorber l'excédent de volume ainsi créé, sans que les contraintes mécaniques qui en résultent nuisent à l'équilibre du système. Pour cela, la chambre 40 comporte deux cloisons mobiles internes, 41a et 41b, qui isolent parfaitement les fluides actifs. Entre ces cloisons le ressort 41c absorbe les écarts de volume en exer çant une poussée égale et de sens opposé sur chacune des cloisons, de sorte que la résultante de ces poussées est nulle. La figure 3 représente un mode de réalisation de ladite chambre d'expansion. Sur cette figure, l'enveloppe cylindrique métallique de la chambre est fermée à chaque extrémité par un bouchon vissé. Ces bouohons 43 et 44 sont reliés aux conduits 41 et 42 qui oommuniquent avec les transducteurs 28 et 29. Entre lesdits bouchons et les extrémités de l'enveloppe sont pincées les collerettes de deux enceintes internes dont les parois transversales 41a et 41b constituent les cloisons mobiles. Ces enceintes sont réalisées dans un laitière élastique, par exemple un caoutchouc aux silicones. Le ressort 410 prend appui, à ses extrémités, sur deux plaques rigides 45 et 46 dont les faces en contact avec les parois transversales des enceintes épousent les formes extérieurs de celles-ci. A proximité de ces parois transversales et sur la partie longitudinale des enceintes la paroi prend la forme d'une onde de soufflet. Cette disposition permet de petites translations desdites parois transversales sans que ces translations engendrent des forces nuisant à l'équilibre du système. La figure 4 représente un dispositif occultant la fraction du rayonnement solaire direct susceptible de perturber le système de maintien. Le dispositif comprend deux appareils identiques, un pour chaque transducteur. Chaque appareil est constitué d'un cadre rigide 4 dont les montants soutiennent les persiennes 48 i 51. Le9 faces supé rieures des persiennes, exposées an rayonnement direct, sont revêtues d'luxe oouche noircie présentant un pouvoir absorbant élevé pour le rayonnement solaire. A l'inverse, les faces inférieures desdites persiennes sont réfléchissantes. l'orientation des persiennes est choisie de façon à ne laisser passer que le rayonnement défocalisé provenant dea miroirs. Les cadres sont disposés parallèlement aux ailettes de transfert, entre les transducteurs et les miroirs, les dimensions de ces cadres sont telles que leur surface couvre celle des transducteurs et de leurs ailettes. Les moyens décrits ci-dessus, permettant de suivre la tra Jectoire du soleil, peuvent s'appliquer à tous les types de capteurs 90- laires à concentration linéaire ou ponctuelle, que ceux-ci soient constitués d'un ensemble de miroirs élémentaires ou d'un miroir unique. En particulier, ces moyens conviennent au pointage en site et en azimut des concentrateurs à miroir parabolique ou cylindro-parabolique. Dans une telle application, le capteur comporte deux systèmes de maintien indépendants, l'un étant affecté à la poursuite en site et l'autre à la poursuite en azimut. Néanmoins, le domaine d'application des moyens conformes à l'invention est essentiellement axé sur les capteurs à usages domestiques ou agricole (pompage de l'eau), pour lesquels les forces nécessaires aux mouvements des miroirs ou de l'ensemble du capteur sont relativement faibles. iEVEhDICATlO 1. Capteur solaire à ooncentration linéaire et à miroirs segmentés mobiles (11 à 17) réfléchissants le rayonnement solaire sur un absorbeur tubulaire fixe (27), muni de moyens conçus pour suivre la trajectoire du soleil et actionner un mécanisme d'orientation des miroirs (5 à 26) permettant de maintenir la localisation du rayonnement réfléohi sur l'absorbeur, ledit capteur étant caractérisé en ce que les moyens aptes à assurer le positionnement oorrect des miroirs utilisent le travail fourni par la dilatation d'un corpus en phase liquide à très bas point de lbsion et à coefficient de dilatation élevé, qui récupère, par un dispositif approprié, une fraotion de l'énergie rayonnante détooali- sée, la partie du flux intéressée par cette récupération étant oelle dont la trajectoire est située entre les miroirs et l'absorbeur (sous oe dernier); le travail de poussée fourni par la dilatation du fluide actif contenu dans lesdits moyens d'orientation est transmi, par des conduits de liaison (34 et 35), au mécanisme actionnant les miroirs (S6 i 39) qui le converti en mouvement de rotation. 2. Capteur solaire suivant la revendication 1, caractérisé en oe que les moyens aptes à assurer la focalisation du rayonnement comprerinent deux transducteurs identiques (28 et 29), se présentant sous la forme de deux réservoirs cylindriques, contenant ohaoun une quantité déterminée de fluide actif et montés, l'un par rapport à l'autre, de manière à ne pouvoir agir que séparement et en sens opposés sur le méoa nisae d'orientation des miroirs, les transducteurs étant situés au centre du capteur, entre la partie arrière de ce dernier et l'absorbeur auquel lesdits transducteurs sont parallèles. 3. Capteur solaire suivant la revendication 2, caractérisé en ce que chaque transducteur est muni d'une paire d'ailettes de trans fert thermique (30 à S3) destinées a accroitre la surface de captation du transduoteur, lesdites ailettes occupant toute la hauteur disponible entre l'absorbeur et la partie arrière du capteur de façon que, quelque soit l'amplitude angulaire de la défooalisation, une fraction de chacune des tranches de lumière défocalisée, issue des miroirs élémentaires (11 a 17) et orientés sous l'absorbeur, puissent éclairer le système de maintien. 4. Capteur solaire suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les transducteurs sont associés à une chambre d'expansion (40) reliée a ceux-ci par deux conduits (41 et 42) véhiculant les fluides actifs, ladite chambre étant munie de deux cloisons internes (41a et 41b), mobiles et étanches, entre lesquelles un ressort (410) exerce une contre-pression assurant l'équilibre du système. ). Capteur solaire suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ladite chambre d'expansion comporte, à l'intérieur de son enveloppe cylindrique, deux enceintes identiques, maintenues à chaque extrémité de enveloppe par pincement dune collerette, les parois transversales (41a et 41b) des enceintes opposées aux collerettes. constituants des cloisons mobiles entre lesquelles est placé un ressort de contre-pression t41c); les enceintes sont réalisées dans une matière élastique, par exemple un caoutchouc aux silicones. d. Capteur solaire suivant les revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que les ailettes de transfert (S à 33) associées aux transduoteurs, ainsi que ceux-ci, sont munis, sur leur face exposée au rayonnement réfléchi, d'un rev8tement présentant un pouvoir absorbant élevé pour 1q rayonnement solaire, les faces opposés étant traitées pour entre réflechissantes a ce rayonnement. 7. Capteur solaire suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les transducteurs et leurs ailettes sont protégés de ltenso- leillement direct par des persiennes (48 à 51) situées entre ces derniers et les miroirs, lesdites persiennes étant orientées de façon à ne laisser passer que le rayonnement détocalisé issu des miroirs. 8. Capteur solaire suivant l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que les miroirs élémentaires sont disposés en deux groupes égaux et symétriques par rapport à l'absorbeur, les axes longitudinaux des miroirs d'un même groupe appartenant à un plan et les deux plans ainsi obtenus formant entre-eux un angle obtus. 9. Capteur solaire suivant au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les miroirs élémentaires sont plans. 10. Capteur solaire suivant au moins l'une des revendications i à 8, caractérisé en ce que les miroirs élémentaires sont focalisants. 11. Capteur solaire suivant l'une quelconque des revendications précédendes, caractérisé en ce que le fluide actif est du mercure.