Brevet FR2510272A1 — publié le 19830128

La présente invention concerne un instrument du type concentrateur de radiations optiques permettant de maintenir en position stable le foyer de concentration quand la source radiative émettant des rayons parallèles se déplace ou inversement d'émettre des rayons parallèles de direction contr 6- lable à partir d'une source quasi ponctuelle. Le domaine technique de l'invention s'étend à l'ensemble de l'optique, aux procédés de repérage directionnels et mesure d'intensité d'une source radiative, à l'émission de rayonnements parallèles de coordonnées sphériques variables et aux systèmes de captation industriels d'énergie solaire. Dans la technique actuelle, la stabilisation de l'image d'une source radiative lointaine comme le soleil est obtenue par différents procédés essentiellement des héliostats plans disposés en champ pour les installa- tions de grosse puissance ou des miroirs concaves montés sur équipages mobiles tournant autour de leur foyer Ces systèmes ont l'inconvénient d'exiger le mouvement de pièces volumineuses et mal profilées aérodynami- quement donc instables dans le vent. Des améliorations ont été apportées en remplacement de cylindres para- boliques en utilisant des miroirs de Fresnel longilignes à axes parallèles soit fixes s'ils sont disposés sur un profil de coupe circulaire, soit mo- biles autour de leur axe longiligne avec décalages angulaires constants. Les premiers ont l'inconvénient d'exiger que le lieu de focalisation reste lui-même sur le profil circulaire; les deux systèmes ont le désavantage majeur de concentrer l'énergie linéairement sur une source linéaire ce qui présente de graves problèmes d'éclairement incomplet dès que la source n'est pas dans le plan méridien des miroirs et de concentration insuffisante par rapport aux systèmes concaves à foyer concentré en trois dimensions. Le nouveau système permet d'obtenir la stabilité du foyer de radiations concentrées à l'aide de très faibles mouvements de pièces petites à l'inté- rieur de cadres fixes sans avoir à déplacer l'ensemble du système réfléchis- sant et il résoud la majorité des problèmes de concentration maximale sur le foyer. La présente invention est remarquable en ce qu'elle associe d'une part un châssis fixe siqpport et deux ensembles réfléchissants portés par le châssis com osés chacun d un cadre et de miroirs plans mobiles reliés par un système de mêmes déplacements angu- laires d'un type quelconque autour d'axes parallèles fixés sur deux côtés du cadre à partir d'une position de repos pour laquelle les miroirs sont ca- lés en échelons du miroir de Fresnel équivalent à un miroir cylindroparabo- lique concave de même foyer optique linéaire sous radiations incidentes pa- rallèles, et d'autre part les systèmes de commande manuels ou motorisés des 2- systèmes de déplacements angulaires communs des jeux de miroirs, chacun des ensembles cadre-miroirs étant disposé de telle manière que les directions des axes de rotation des deux systèmes de miroirs associés soient perpendiculaires entre eux dans l'espace et que les rayons réfléchis par l'un des ensembles soient totalement ou partiellement interceptés par l'autre. La présente invention est aussi remarquable en ce que dans une de ses formes les miroirs des systèmes sont calés en position de repos par le système de mâmes déplacements angulaires par blocage desserable permettant de modifier la position géographique du foyer pour la même direction de rayons incidents. La présente invention est aussi remarquable en ce que dans une de ses formes sont installés au foyer de pseudo-focalisation un thermostat différen- tiel électrique, fluidique ou opto-électronique captant l'effet différentiel de la température ambiante et du rayonnement,et sur le système de déplacement angulaire d'un des systèmes de miroirs une commande motorisée électrique, ma- gnétique, fluidique ou quelconque imprimant aux miroirs un mouvement angulaire alternatif balayant tout le champ angulaire de la course de la source de ra- diations mobile, le thermostat différentiel interrompant, par coupure directe ou assistée et dès lors qu'il reçoit et absorbe le pinceau de radiations foca- lisées, l'énergie d'alimentation de la commande motorisée-du déplacement. La présente invention est aussi remarquable en ce que dans une de ses formes les deux ensembles de cadre-miroirs sont motorisés et équipés de ther- mostats différentiels indépendants contrôlant l'énergie de motorisation. La présente invention est aussi remarquable en ce que dans une de ses formes est installé au foyer avec ou sans le thermostat différentiel précité un ensemble de cellulesphotoélectriques voltaïques regroupées ou non,ou un échangeur d'énergie thermo-absorbant à fluide,transformant et rendant utili- sable l'énergie de radiation concentrée au foyer par le jeu dessystèmes optiques d'ensemble. La présente Invention est aussi remarquable en ce que dans une de ses formes est installée au foyer une source radiative d'un type quelconque élec- trique ou non dont les rayons incidents sont transformés par l'appareil en faisceau de rayons parallèles orientables au gré de la commande des deux sys- tèmes de déplacement angulaires dans toutes les directions de l'espace. L'instrument appelé focaliseur semi-statique de Fresnel à miroirs croisés perpendiculairement est représenté dans l'une de ses formes par une planche de dessin comportant les figures 1, 2 et 3. Suivant Figure 1 qui représente l'une des formes les plus complètes de l'invention, les rayons 1 reçus d'une source lointaine sont réfléchis par le miroir échelon Fresnel 2 du premier système cadre-miroirs formés du cadre 4 - prenant appui sur le bâti trépied 5 Les miroirs 2 tournent autour des axes parallèles 3 et sont reliés-par un parallélogramme déformable 5 assurant une même rotation des miroirs 2 dont le calage primitif concentre les rayons 1 sur une focale linéaire-15 Cet ensemble ne fait pas partie de la nouveauté -.3- puisqu'il est du domaine public Toujours suivant Figure 1, le rayon réfléchi 7 du rayon 1 est reçu par le miroir 8 du deuxième ensemble cadre miroir asso- ciant les miroirs 8, le cadre 10 et les axes de rotation 9 dont la particula- rité suivant l'invention est d'être perpendiculaires en direction à celle des axes 3 Le calage du miroir 8 sur son systeme de même déplacement angulaire Il est tel qu'au repos de réglage le rayon 7 est réfléchi buivant le rayon 13 sur le thermostat différentiel 16 et le capteur 17 qui forment une cible fixe centrée sur le point de convergence théorique 18 Tous les miroirs 2 et 8 sont calés au repos de réglage sur les cibles 15 et 18 et forment des éche- lons Fresnel de deux miroirs concaves cylindro-paraboliques d'axes perpendi- culaires étant entendu que ce système croisé bénéficie des propriétés physi- ques explicitées suivant Figure 2 et Figure 3. Suivant Figure 2, les perpendiculaires au miroir 2 sont dans le plan de cette figure et d'après l'égalité des angles d'incidence et de réflexion sur un miroir, il est-possible de caler chaque miroir 2 pour faire converger 7 sur la cible 15 Si les rayons 1 tournent en projection d'un angle déterminé il suffit de faire tourner les miroirs 2 de la moitié de cette rotation pour ramener l'image de la source lointaine à travers l'ensemble des miroirs 2 sur la droite dont la trace est le point cible 15. Suivant Figure 3, on constate que puisque 2 est un miroir-plan, les rayon réfléchis 7 des rayons 1 tombant sur un miroir 2 restent parallèles entre eux et en étendent l'exposé qui vient d'être fait pour le premier ensemble cadre- miroirs au second On constate, suivant Figure 3 qu'il est possible de caler les miroirs 8 pour qu'en projection les rayons 13 réfléchis de 7 convergent sur la projection de 18 Ainsi, suivant l'ensemble des Figures 2 et 3, l'image de la source lointaine émettant les rayons 1 est à travers le premier ensemble cadre-miroir une portion de la droite focale 1 5 parallèle aux axes 3 et grâce à la perpendicularité des directions des axes 3 et 9 de l'invention, cette -portion linéaire a pour image la cible quasi-ponctuelle 18. Suivant Figure 3, on constate aussi que si la source se déplace et émet des rayons 20 décalés de la direction des rayons 1, les rayons 13 se trans- forment en rayons 21 qui ne convergent plus sur la cible 18 et n'échauffent plus le thermostat différentiel 15 qui se refroidit et ferme par contact le circuit d'alimentation énergétique du moteur 22 de commande du parallélogramme déformable 12 Les miroirs 8 se mettent à osciller alternativement dans l'an- gulation 23 calculée pour que la convergence en 18 des rayons 1 suivant Figure,3 soit toujours possible Quand le faisceau des rayons 21 vient à passe: 4- devant la cible 18, le thermostat différentiel ouvre le circuit d'alimentation du moteur 22 et le système s'arrête en position stable devant le capteur 16 qui récupère l'énergie à un très haut niveau de concentration et le transmet au système d'utilisation non représenté sur les Figures de la planche. L'application à deux thermostats permet évidemment de contrôler la focalisation aussi bien en hauteur qu'azimuth sidéraux Il est évident qu'en raison du principe de retour inverse de la lumière si une source irradiante est plac 6 e en 18, ses rayons sont transformes en rayons parallèles 1 dont la hauteur et l'azimuth astraux sont contrôlables à volonté en commandant les systèmes 5 et 12. De manière industrielle, l'appareil est utilisable de manières multiples puisqu'il s'adapte à toutes radiations Dans le domaine de la production 4 ner- gétique c'est un capteur à concentration de poursuite du soleil; il travaille indépendamment de la position du châssis fixe et se-fixe sur toute paroi Dans le domaine des repérages et mesures, il peut s'adapteur à des émetteurs variés, les miroirs peuvent être des antennes réfléchissantes, et associe à une mesure des vitesses de propagation d'ondes, il s'intègre au système de suivi d'engins mobiles Dans le domaine des essais de matériel de captation d'énergie, il permet de réaliser des chambres solaires artificielles à éclairages parallèles orientables et sans ondes composées transversales à l'onde principale. 25102-72 - REVENDICATIONS 1 Ensemble optique de deux cadres d'ossature fixés sur un châssis fixe, associés d'une part à deux miroirs de Fresnel plans à effet de focalisation linéaire cylindro-parabolique par échelons réfléchissants élémentaires d'in- clinaison progressive, mobiles autour d'axes rectilignes et parallèles portés par les cadres, et d'autre part par des systèmes de commande d'équi-angulation des rotations des échelons de chaque miroir de Fresnel, caractérisé par le fai que les plans des cadres forment un dièdre rentrant réfléchissant et que la di rection des axes de rotation des échelons réfléchissants du premier cadre est perpendiculaire à la direction des axes de rotations des échelons réfléchis- sants du deuxième cadre. 2 Ensemble optique selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le système de commande d'équi-angulation est relié aux échelons par un système de blocage desserable et serrable. 3 Ensemble optique selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'à un des miroirs de Fresnel sont associés une commande motorisée al- ternative sans fin d'angulation des échelons, une alimentation énergétique de cette commande indépendante et un thermostat différentiel asservissant l'ouver- ture de cette alimentation placé à l'endroit de focalisation fixée. 4 Ensemble optique selon la revendication 3 caractérisé par le fait que l'autre miroir de Fresnel est associé à une commande motorisée alternative sans fin d'angulation des échelons, une alimentation énergétique de cette commande indépendante et un thermostat différentiel asservissant l'ouverture de cette alimentation placé à l'endroit de Localisation fixée. Ensemble optique selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé par le fait qu'est associé un ensemble de captation de l'énergie focalisée du type à cellules voltaïques ou à absorbeur thermo-fluide. 6 Ensemble optique selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait qu'y sont associés une source irradiante quasi-ponctuelle placée au foyer et émettant vers l'ensemble du premier miroir de Fresnel et un système de con- tr 6 le manuel ou asservi des systèmes de commande d'équi-angulation des échelons 7 Ensemble optique selon la revendication 1 ou 6 caractérisé par lefait que les échelons des miroirs de Fresnel sont des antennes de propagation à ef- fet réfléchissant adaptées à la longueur d'onde des radiations.