Brevet FR2506438A1 — publié le 19821126

La présente invention a pour objet des capteurs solaires. Les capteurs solaires connus se répartissent principalement 1 ) en capteurs plans qui procèdent exclusivement de l'effet de serre , que le corps noir de grande surface qui joue le rôle d'absorbeur soit tubulaire ou laminaire et que le fluide caloporteur utilisé soit gazeux ou liquide ; 20) en capteurs concentrateurs qui procèdent exclusivement de la concentration du rayonnement solaire incident au foyer d'un système optique convergent par réflexion ou par réfraction, le dispositif absorbeur de petite surface étant placé audit foyer ; 30) en capteurs mixtes dans lesquels l'effet de serre est complété par l'em- ploi d'un dispositif concentrateur. Leurs caractéristiques différentes correspondent à des emplois déterminés différents aussi . Les premiers permettent l'ob- tention de températures relativement basses correspondant aux usages domestiques en eau chaude ou air chaud , leur rendement n'étant pas un facteur déterminant de leur choix . Les seconds au contraire permettent d'obtenir des températures élevées et meme très élevées dépendant des qualité focalisatrices de l'optique et présentant toujours un rendement élevé , leur construction étant cependant plus onéreuse et leur entretien aussi , du fait même de la perfection nécessaire dans l'élaboration du dispositif optique . Les troisièmes procèdent des deux précédents systèmes présentant évidemment un rendement intermédiaire pour l'obtention aussi de températures intermédiaires. Mais dans chacun de ces cas, et principalement dans le deuxième mode de construction, le rendement optimum n'est obtenu que pour une orientation bien précise en fonction de la latitude du lieu d'implantation ainsi que de la période de l'année par rapport à la déclinaison du soleil sur l'horizon et enfin de l'heure de la journée Dans les installations où le coût de l'investissement est le facteur essentiel de décision pour le choix du matériel, celui-ci va de préférence aux capteurs plans , quel qu'en soit le type .Ce dispositif est alors placé dans une orientation moyenne par rapport à la course diurne du soleil correspondant au plan méridien du lieu , et selon un angle de déclinaison du soleil plus proche de sa déclinaison durant la saison d'hiver que de celle d'été , ceci ayant pour but d'obtenir le meilleur rendement durant la saison froide . Cette orientation fixe moyenne correspond évidemment à un rendement moyen toujours faible Pour accroître ce rendement il a été prévu divers systèmes rendant mobile le capteur autour d'un axe situé dans le plan méri dien du lieu, prallèle à l'axe de la terre, de manière que ledit capteur suive le soleil dans sa course diurne de part et d'autre de ce plan méridien .De façon plus perfectionnée encore il a été prévu de rendre le capteur mobile , non seulement autour de l'axe ci-dessus décrit ,mais simultanément aussi autour d'un axe perpendiculaire à ce plan méridien de manière que la rotation dudit capteur autour de cet axe lui permette de suivre les variations saisonnières du plan de l'é- cliptique entre les deux solstices d'hiver et d'été De telles installations qui assurent évidemment le maximum de rendement sont manifestement très onéreuses et fragiles, elles ne sont donc possibles que dans des cas particuliers. n a donc été prévu des solutions qui permettent d'éviter les inconvénients de l'immobilité du capteur par rapport à la terre pour éviter les inconvénients des capteurs fixes, sans aller jusqu'à la complexité nécessaire pour assurer l'immobilité constante dudit capteur par rapport au soleil durant les heures diurnes en toutes saisons Pour cela il a été prévu dans le type de capteur mixte des dispositifs concentrateurs, principalement par réflexion, qui utilisent des miroirs de formes diverses telles que paraboliques , spirales d'Archimède, cardioïques ou cuspidales , qui permettent à partir d'un calage fixe annuel dépendant de la latitude du lieu d'obtenir un rendement élevé indépendamment de la variation saisonnière du plan de l'écliptique Il est remarquable er effet de constater que si le rendement moyen saisonnier de ces concentrateurs dépend de leur angle d'ouverture , leur taux de concentration dépend du rapport de la surface de leur ouverture matérielle à la surface du dispositif absorbeur caloduc placé à leur foyer réellement atteinte par le rayonnement réfléchi en toute position du soleil Or on constate que dans ces dispositifs utilisant des miroirs concentrateurs une partie seulement de l'absorbeur caloduc est atteinte par le rayonnement réfléchi à un instant donné La présente invention a donc pour but d'etablir un dispositif optique réfléchissant concentrateur présentant un angle d'ouverture sensiblement égal à l'angle maximum de déclinaison du soleil en un lieu donné et surtout présentant le plus grand rapport entre cette surface d'ouverture et la surface utile du caloduc absorbeur à chacun des instants où la position du soleil par rapport au plan équatorial correspond à l'angle d'ouverture dudit dispositif , conférant à celui-ci un rendement maximum qui permet de le maintenir définitive ment chapé, sans qu'il soit nécessaire de prévoir son réglage dans le plan méridien , réduisant par le fait meme l'investissement nécessaire pour un rendement égal Les dessins annexés, donnés å titre d'exemple seulement montrent un mode de réalisation de l'objet de la présente invention La figure 1 est une vue schématique en coupe transversale de l'objet de l'invention montrant sa courbure caractéristique La figure 2 est une vue schématique en coupe transversale partielle d'un élément capteur solaire muni d'un tel dispositif La figure 3 est une vue schématique de son calage par rapport au soleil La figure 4 est une vue schématique cavalière d'un ensemble capteur muni d'un tel dispositif. Tel qu'il est représenté sur la figure 1 , le miros allongé qui capte le rayonnement solaire épouse en coupe la forme d'une ellipsoïde cuspidée 1 qui est obtenue par l'intersection des deux ellipses identiques 2 et 3 dont les axes 4 et 5 sont parallèles entre eux et tangents au cercle 6 qui constitue en coupe le tube caloduc absorbeur qui est aussi proche de tangenter simultanément les ellipses considérées comme génératrices dudit miroir cylindro-ellipsoïde On constate par l'épure que dans ces conditions la totalité de la surface du tube caloduc absorbeur se trouve soumise au rayonnement direct ou réfléchi du soleil quelle que soit la position de celuici par rapport à l'ensemble de l'appareil, y compris lorsque le soleil se trouve dans le plan axial du miroir cylindro-ellipsoïde , objet de l'invention, puisque dans ce cas la totalité des rayons parallèles à ce plan sera réfléchie sur la surface arrière du tube caloduc absorbeur y compris ceux qui passent par le plan médian de chacune des ellipses engendrant ledit miroir cylindro-ellipsoïde, ce rayonnement particulier tangentant le tube caloduc absorbeur et étant réfléchi sur lui-même, puisque réfléchi par le sommet de chacune des ellipses On constate donc de ce fait que, puisque la totalité de la surface du tube caloduc absorbeur est soumise à tout instant au rayonnement solaire , ce tube peut présenter une très faible section, ce qui améliore son rendement calorifique , le rapport entre sa surface extérieure et le volume d'eau circulant étant d'autant plus grand, de même que la vitesse de cette eau par rapport à son débit . Et on constate que dans ces conditions le rapport entre l'ouverture illuminée du miroir cylindro-ellipsoïde ainsi constitué et de la surface du tube caloduc absorbeur est un rapport multiplicateur maximum du fait du petit diamètre possible de celui-ci Un tel miroir cylindro-ellipsoïde 1 contenant le tube caloduc 6 situé comme il vient d'être dit est donc placé, selon la figure 3,orthogonal au plan méridien du lieu , son plan médian étant orienté dans le plan des équinoxes 7 de telle manière que son ouverture soit pratiquement tangente de part et d'autre au plan de l'éclipti que aux solstices d'été 10 et à celui des solstices d'hiver 11 On a vu selon la figure 1 que, quelle que soit la position relative saisonnière du soleil, le tube absorbeur 6 présente la totalité de sa surface au rayonnement solaire direct ou réfléchi Il sera donc inutile de procéder à la rectification saison nière de son orientation en déclinaison, son plan d'ouverture restant orthogonal au plan méridien du lieu Selon a figure 2, et afin de faciliter l'implantation de tels appareils qui, grâce à cela, peuvent être placés verticalement le plan de l'ouverture du miroir cylindro-ellipsoiZde 1 fait avec le plan médian dudit miroir un angle 0( complémentaire de l'angle)3 que fait en ce lieu le plan des équinoxes dans lequel est placé ledit plan médian du miroir cylindro-ellipsoiNde 1 .Ainsi organisé le miroir cylindro-ellipsoïde 1 peut être enferme dans un caisson 8 dont la partie avant est constituée par la vitre 9 qui protège le miroir 1 de toute souillure et provoque un effet de serre supplémentaire Selon la figure 4 plusieurs miroirs cylindro-ellipsoides 1 sont associés pour former un ensemble capteur plan d'une grande capacité et qui par sa caractéristique frontale représentée par la figure 2 peut être placé verticalement , ce qui réduit son encombrement au sol et permet de le situer contre les murs d'un immeuble convenablement orienté Il est bien entendu que l'étendue de l'invention n'est pas limitée à l'exemple ou aux exemples de réalisation qui en ont été dé crits, toute variante considérée comme équivalence ne pouvant en mo difier la portée. C'est ainsi que le tube caloduc absorbeur 6 peut présenter une section quelconque, circulaire ou polygonale . De même l'angle d'ouverture du miroir cylindro-ellipsoide , qui est déterminé par chacune des ellipses 2 et 3 qui I'enbenàrent, ainsi que par la distance qui sépare leurs grands axes, est fonction de l'angle maximun de déclinaison du plan de l'écliptique en un lieu déterminé , un même an gle d'ouverture pouvant donc être considéré comme valable pour une zone comprise entre deux latitudes connues. L'invention peut être utilisée pour l'obtention d'eau chau de ,.dans un but quelconque, obtenue avec un haut rendement , ce qui permet l'utilisation d'un tel dispositif meine dans des zones réputées de faible ensoleillement REVENDICATION S 19) - Capteur solaire à concentrateur , Caractéhsé par le fait que ledit concentrateur ( 1 ) est constitué par un miroir cylindro-ellipsoïde ( 2 ) et ( 3 ) qui se présente en coupe transversale comme étant engendré par l'intersection de deux demi-ellipses identiques entre elles et dont les axes parallèles entre eux sont tangents à la périphérie externe de l'absorbeur ( 6 ) , l'enveloppe extérieure qui constitue ainsi le miroir formant une courbe ellipsoïde cuspidée. 20) - Capteur solaire conforme à la revendication 1 Caractérisé par le fait que le plan médian dudit miroir cylindro-ellipsoïde ( 1 ) étant orienté dans le plan des équinoxes du lieu considéré, son ouverture peut être coupée par un plan transparent vertical ( 9 ) servant de façade et de protection audit miroir concentrateur 30) - Capteur solaire conforme à la revendication 2, Caractérisé par le fait que le plan médian dudit miroir cylindro-ellipsoide ( 1 ) étant orienté dans le plan des équinoxes du lieu considéré l'angle d'ouverture de l'ellipsoïde ainsi formée est sensiblement égal à l'angle existant en ce même lieu entre le plan des solstices d'été ( 10 ) et d'hiver ( 11 ) 40) - Capteur solaire conforme à la revendication 3, Caractérisé par le fait que ledit capteur cylindro-ellipsoïde ( 1 ) étant placé de telle manière que le tube caloduc ( 6 ) qu'il contient soit perpendiculaire au plan méridien du lieu, plusieurs capteurs identiques peuvent être juxtaposés dans un meme plan vertical, leurs absorbeurs étant reliés'entre eux en série de façon à former ensemble un panneau capteur de grande capacité d'absorption