Brevet FR2523279A1 — publié le 19830916

La présente invention se rapporte un réfracteur com- posé de plusieurs prismes droits dont chacun a des dimensions appropriées et est fabriqué en un matériau transparent, dans lequel lesdits prismes sont agencés pour former une structure comportant une face plate et une face dentelée ou crénelée. Pour obtenir des réfracteurs appropriés à concentrer l'énergie solaire, on a utilisé dans le passé la capacité d'u- ne lentille ayant un profil du type "lentille de Presnel" pour concentrer un faisceau de rayons parallèles vers le point fo- cal Des réfracteurs utilisant de telles lentilles sont déj-à connus dans la technique; ces réfracteurs sont soit montés sur des mécanismes qui suivent le déplacement apparent du so- leil, soit fixes mais, dans ce dernier cas, ils sont couplés à des éléments appropriés qui simulent de tels mécanismes. Les applications de ces réfracteurs sont relativement onéreuses et sont d'une mise en oeuvre complexe. Une demande de brevet antérieure de la Demanderesse décrit un réfracteur composé d'éléments du type "lentille de Fresnel", mais qui est asymétrique, c'est-à-dire qu'il n'a plus un foyer unique On peut obtenir une concentration ap- préciable de l'énergie solaire transmise en utilisant ce ré- fracteur, bien que sa position reste fixe dans le temps. Par conséquent, on peut obtenir des dispositifs bien plus simples et d'un emploi plus facile. La réalisation des parties de réfracteur précitées pose cependant toujours des problèmes de fabrication et en- traîne, par conséquent, des coûts relativement élevés. Par conséquent, la Demanderesse a effectué d'autres re- cherches et expériences et a découvert un nouveau type de ré- fracteur original qui fait l'objet de la présente invention. Un tel réfracteur peut être considéré comme étant ré- volutionnaire en ce sens qu'il peut être fabriqué à la fois facilement et à un coût relativement bas, et en un matériau transparent solide quelconque; il est également possible d'u- tiliser, par exemple, un type connu quelconque d'équipement de fabrication en continu de verre à vitres. En outre, lorsqu'on utilise un dispositif tel que ce- lui de la présente invention, on peut plus facilement recou- vrir la face crenel_e Au rf-racteur de couches appropriées à haut pouvoir rûflchissant afin de minimiser la dispersion vers l'extérieur de l'énercie reflechie par le dispositif utilisateur, dont le réflecteur selon l'invention forme la couverture Dans les réfracteurs connus jusqu'à présent dans la technique, il s'est avéré que le dépôt de telles couches réfl'chissantes était, au contraire, moins facile du fait de la forme de la surface. On doit également faire remarquer que le réfracteur se- lon l'invention peut être utilisé comme élément modulaire pour des surfaces collectrices plus grandes. En fait, de multiples combinaisons peuvent être imagi- nées et il est évident que, pour maintenir le rapport de con- centration associé à l'élément modulaire, il devra y avoir autant de secteurs de surface collectrice qu'on utilisera d'é- léments modulaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: la Fig 1 est une vue en coupe accompagnée d'une vue partielle en plan du réfracteur selon l'invention; la Fig la est une vue, à plus grande échelle pour faciliter la compréhension, d'un unique prisme droit du ré- fracteur; la Fig 2 est une vue schématique du réfracteur, uti- lisée pour expliquer la définition de la distance focale; la Fig 3 est, de même, une représentation schémati- que du réfracteur de la Fig 1, représenté dans une disposi- tion appropriée pour recevoir l'énergie solaire sur sa face plate; la Fig 4 est un graphique sur lequel on a tracé la courbe du rapport de concentration de l'énergie solaire en fonction de la distance entre la surface collectrice et le réfracteur; la Fig 5 représente les images du soleil transmi- ses par le réfracteur au plan de concentration maximale de 8 heures à 12 heures; la Fig 6 est un graphique sur lequel on a tracé les rayons les plus extérieurs réfractés par les éléments pris- matiques, rayons utilisés pour déterminer la distance entre le plan de concentration maximale et le réfracteur. Comme on peut le voir sur le dessin, la présente inven- tion a trait à un dispositif réfracteur R qui reste dans une position fixe dans le temps et que l'on obtient en utilisant divers éléments structuraux afocaux, à savoir des prismes droits p qui sont disposés côte à c 8 te et qui sont convenable- ment dimensionnés pour permettre d'obtenir un rapport de con- centration C az 2,60 pendant une partie importante de la jour- née. On entend par rapport de concentration C-dans le pré- sent cas, le rapport entre la largeur L du réfracteur et la largeur LI de la surface éclairée par le soleil sur une sur- face collectrice pendant la partie de la journée considérée. La caractéristique distinctive du dispositif selon l'invention est qu'il existe un plan dans le demi-espace si- tué de l'autre côté du plan d'incidence dans lequel un rap- port de concentration C 2/ 2,6, tel que défini ci-dessus, peut être atteint pendant une période pouvant atteindre huit heures, selon la saison Ce plan est défini comme étant le plan de concentration maximale Pmc (voir la Fig 6). En dehors du plan de concentration maximale Pmc, l'énergie solaire peut être captée dans un plan quelconque situé à une distance d quelconque de la surface plate du réfracteur R. Naturellement, le rapport de concentration C obtenu sera fonction de la distance d; plus ce plan sera proche du réfracteur R plus le rapport de concentration sera faible. Le réfracteur A, conformément à la présente invention, est composé, comme déjà indiqué, de prismes droits p, ou, plus précisément, de deux sûries de tels prismes p dont cha- cune possède ses propres caractéristiques géométriques. Les deux séries de prismes sont jointes l'une à l'au- tre suivant une ligne de jonction Q appropriée et sont soli- darisées l'une de l'autre au moyen, par exemple, d'une cou- che support plate dont l'épaisseur eo n'a pas une valeur d'im- portance décisive en ce qui concerne les performances optiques du dispositif. L'agencement, les dimensions (hauteur e, largeur 1, épaisseur h) (Fig l, la) et le nombre des divers prismes droits p disposés au-dessus et au-dessous de la ligne de jonc- tion Q (voir les Fig 1 à 3) sont tels qu'il est formé un ré- fracteur R capable de limiter au maximum l'excursion de l'i- mage solaire concentrée, due au mouvement apparent du soleil, dans un plan particulier (le plan de concentration maximale Pmc) Plus particulièrement, l'agencement des prismes p doit etre tel que, si lton considère deux éléments prismatiques ps situé au-dessus de la ligne de jonction Q et pi situé au-des- sous de ladite ligne de jonction, qui sont disposés de façon a capter le rayonnement solaire incident en des points équi- distants (d'une distance yi) de ladite ligne, l'élément infé- rieur pi doit toujours avoir une "distance focale" f plus pe- tite que la distance focale f' de l'élément supérieur ps (Fig 2). Le rapport entre la distance focale de l'élément in- férieur le plus éloigné de la ligne de jonction U et èlle de l'élément supérieur le plus éloigné de ladite ligne est tou- jours inférieur à 1. La "distance focale" d'un prisme p pour un rayon donné et une position donnée du prisme est définie comme étant la distance entre la face plate du réfracteur R et le point d'in- tersection de la ligne droite passant par la ligne de jonc- tion Q et du rayon le plus extérieur transmis par le prisme p lorsque l'angle d'incidence sur la face plate est nul. Si l'on se réfère à la Fig 1, on peut voir que, dans le cas d'éléments ayant une hauteur maximale e égale à 3 mm, les rayons du soleil a huit heures, le 22 juin, à une latitude de 42 N, sont totalement réfléchis par des prismes pi de lar- geur 11 égale à 4 mm, disposés dans la région inférieure du réfracteur R, et par des prismes ps de largeur 12 égale à 13 mm ou moins, disposés dans la partie supérieure du réfrac- teur. On obtient les résultats qui précèdent en positionnant la surface plate du réfracteur R perpendiculairement à la di- rection des rayons du soleil à midi, avec une orientation Est- Ouest. Sur la Fig 3 on a désigné par X l'angle que fait l'axe des rayons réfractés avec un plan horizontal T. Plus particulièrement, on donne à l'élément prismati- que inférieur pi une largeur minimale de 4 mm tandis qu'on donne à l'élément supérieur ps une largeur minimale de 6,5 mm. Ces éléments extrêmes produisent une réflexion totale pendant une courte période de temps après huit heures et par conséquent, on obtient des conditions optimales de fonction- nement moyennant une faible perte initiale d'énergie. Apres avoir donné aux éléments supérieur et inférieur la largeur minimale 1 déterminée, on a dimensionné par tàton- nement les prismes intermédiaires p de manière à avoir la concentration maximale C dans un plan donné qui était situé, en première approximation, à une distance d = 350 mm de la face plate du réfracteur R. La partie inférieure du réfracteur R (voir à nouveau la Fig 1) est bien plus grande que la partie supérieure; dans cet exemple, il y a 42 prismes p, de largeur 1 variable dans la partie inférieure et 9 prismes p, de largeur 1 va- riable, dans la partie supérieure. On peut fabriquer-le réfracteur R selon l'invention en tout matériau transparent Supposons par exemple, qu'un tel matériau utilisé ait un indice de réfraction de 1,5; le ré- fracteur R aura la capacité de concentrer et de limiter l'ex- cursion de l'image du soleil de façon à obtenir le rapport de concentration suivant pendant la période allant de 8 heures à 16 heures: L C Lt 2,60 (voir les Figp 3 à 6) sur un plan de concentration maximale situé à une distance d = 358 mm. La Fig 4 montre que le rapport de concentration varie lorsqu'on passe de d = 358 mm à d = O. En ce qui concerne la perte d'énergie par les éléments les plus extérieurs qui provoquent une réflexion totale, on peut calculer que cette perte d'énergie n'est que de 1,5 X de l'énergie réfractée pendant la période qui va de 8 à 16 heures. La Fig 5 est une représentation graphique de l'image du soleil telle qu'elle apparalt dans le plan de concentration maximale Pmc. La référence R désigne le contour du réfracteur tandis que les références La, Lb, Lc, Ld, Le, désignent les contours de L'image du soleil pendant la période allant de 8 heures à 12 heures, il est facile d'en déduire le rapport de concentra- tion C = L. L' On n'a pas représenté les images du soleil pendant l'a- près-midi étant donné que ces images correspondent à celles des heures respectives du matin qui sont "symétriques", par rapport à 12 heures et qu'elles sont symétriques de ces images du matin par rapport au plan médian du réfracteur. Par calcul, on a trouvé que le plan de concentration maximale, F Pmc, est situé à une distance légèrement différente de celle initialement admise, c'est-à-dire que la distance d = 358 mm. En effet, sur la Fig 6, l'axe des y représente le plan le long duquel sont échelonnés les éléments prismatiques (Fig l) tandis que l'axe des x représente la distance d; le rayon su- périeur rs est le rayon réfracté à 12 heures par le bord ex- térieur du 9 ème élément supérieur et le rayon inférieur ri est le rayon réfracté, également à 12 heures, par le bord extérieur du 42 ème élément inférieur, tandis que la ligne rin représente le rayon intermédiaire réfracté par le 2 ème élément supérieur à 8 heures. L'intersection des rayons ri et rin donne la position exacte du plan de concentration maximale Pmc qui est situé à: d = 358,34 mm Dans ce plan et pendant la période qui va de 8 heures à 16 heures, les coordonnées maximale et minimale des rayons transmis sur l'axe des y sont les suivantes Y max = 118,14 mm Y min = 53,52 mm de sorte qu'on obtient le rapport de concentration suivant: = 118,14 + 53,52 = 2,60 équation dans laquelle 447 est la largeur totale, en millimè- tres, des 53 éléments prismatiques p qui déterminent la lar- geur L du réfracteur R de l'exemple. On peut fabriquer le réfracteur R de l'invention avec une épaisseur e+ eo de seulement quelques millimètres; par conséquent, il peut être plus léger que les réfracteurs connus et avoir des performances élevées en ce qui concerne la trans- mission de l'énergie. Par conséquent, on peut conclure que le réfracteur qui fait l'objet de l'invention est d'une fabrication plus facile et d'un maniement plus commode que les réfracteurs connus; en outre, ses performances sont supérieures. Naturellement, ces caractéristiques s'ajoutent au nou- vel avantage qui est de concentrer l'énergie sans l'emploi de mécanismes qui suivent la position apparente du soleil. R E V E N D I C A T I O N S 1 Réfracteur en un matériau transparent conçu pour rester dans une position fixe dans le temps, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments structuraux afocaux disposés asymétriquement par rapport à une ligne de jonction (Q) de fa- çon à obtenir un rapport de concentration de l'énergie solai- re (C) supérieur ou égal à 2,6 pendant la période qui va de 8 heures à 16 heures. 2 Réfracteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments structuraux afocaux sont des prismes droits échelonnés (p) dont chacun a des dimensions appropriées et qui sont formés en une seule pièce avec un support en ma- tériau transparent d'une épaisseur quelconque (eo). 3 Réfracteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments structuraux afocaux sont des prismes droits ayant une hauteur maximale (e) égale à 3 mm et une largeur ( 1) égale ou supérieure à 4 mm dans la partie inférieure du réfracteur, et égale ou supérieu- re à 6,5 mm dans la partie supérieure du réfracteur, la dis- position étant telle que le rapport de concentration maximale (C) peut être atteint dans un plan (Pmc) situé à une distance d'environ 350 mm du réfracteur (R). 4 Réfracteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments structuraux afocaux sont des prismes (p) dont les faces crénelées sont re- vêtues de couches réfléchissantes appropriées conçues pour minimiser la dispersion par le dispositif utilisateur dont le réfracteur (R) forme la couverture. Réfracteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments structuraux extrêmes (pi, ps) produisent une réflexion totale pendant une courte période de temps. 6 Réfracteur selon ltune quelconque des revendica- tions précédentes, caract 6 risé en ce que les éléments sup 6- rieurs par rapport à la ligne de jonction (Q) sont toujours en plus petit nombre que les éléments inf 6 rieurs. 7 Réfracteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments prismatiques qui sont supérieurs par rapport à la ligne de jonction (Q) sont au nombre de 9, tan- dis que les éléments qui sont inférieurs par rapport a ladite ligne de jonction sont au nombre de 42. 8 Réfracteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la distance focale de l'élément inférieur le plus é 161 oigné de la ligne de jonction (Q) et celle de l'élément supérieur le plus éloigné de ladite ligne est toujours inférieur à 1. 9 Réfracteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il forme un élément de type modulaire qui peut etre assemblé à volonté a un ou plusieurs autres éléments identiques.