Brevet FR2530826A1 — publié le 19840127

La présente invention concerne une lentille du type dit de "Fresnel" en matière plastique et son application aux disposi- tifs pour carter l'énergie solaire. On utilise dans les optiques de phares de signalisation côtière -"es lentilles de Fresnel en verre de relativement grande dimension Ces lentilles ont cependant un prix de re- vient et un poids tels que l'on ne peut envisager de les uti- liser dans des applications appelées à une grande diffusion, par exemple le captage de l'énergie solaire. On a également réalisé des lentilles de Fresnel moulées en matière plastique, beaucoup plus légères et moins coûteu- ses, que l'on utilise notamment dans des appareils de projec- tion du type diascope" Cependant compte tenu des problèmes de moulage et de stabilité dimensionnelle, ces lentilles ont dans la pratique un diamètre limité, inférieur à 400 mm Une telle dimension peut se révèler insuffisante dans une application telle que le captage de l'énergie solaire. le but de cette invention est de proposer une lentille de Fresnel qui, tout en pouvant atteindre des dimensions im- portantes, soit d'une fabrication aisée et ait un prix de re- vient faible. A cet effet, l'invention a pour objet une lentille de Fresnel en matière plastique moulée caractérisée en ce qu' elle comprend au moins une série d'éléments ou secteurs ra- diaux maintenus juxtaposés côte à côte dans le sens circon- férentiel. Suivant d'autres caractéristiques: il est prévu plusieurs couronnes concentriques formées cha- cune d'éléments ou secteurs radiaux juxtaposés; de préférence le nombre d'éléments constituant chaque cou- ronne va en croissant au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre de la lentille; la dimension radiale des éléments constituant les diverses couronnes est à peu près la même. l'invention a également pour objet un capteur solaire, caractérisé en ce qu'il comprend une lentille de Fresnel du type défini ci-dessus montée sur un cadre orientable autour de deux axes perpendiculaires et asservi à la position du soleil de façon à permettre à la lentille de présenter cons- tamment sa face plane en direction du soleil. L'invention va être décrite plus en détail ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: la Fig 1 représente une lentille de Fresnel selon 1 ' invention en vue de dessus; la Fig 2 est une vue en coupe de la lentille de Fres- nel suivant la ligne 2-2 de la Fig 1; les Fig 3 et 4 représentent respectivement une vue de dessus et une vue de côté de la partie intérieure d'un sec- teur; les Fig 5 et 6 représentent respectivement une vue de dessus et une vue de côté de la partie extérieure d'un sec- teur; la Fig 7 est une vue en perspective du capteur solaire réalisé avec la lentille de Fresnel selon l'invention; la Fig 8 est une vue en perspective d'un bloc de dé- tection de la position du soleil utilisée pour délivrer les valeurs de consigne au dispositif de pilotage; la Pig 9 est un schéma représentant les dispositifs électroniques de commande des moteurs du dispositif de pilo- tage; et la Fig 10 est une représentation d'un amplificateur de commande. La lentille de Fresnel représentée à la Fig 1 est constituée d'une couronne 1 à l'intérieur de laquelle sont maintenus juxtaposés un grand nombre d'éléments ou de sec- teurs 2,3 disposés suivant deux couronnes concentriques au- tour d'un organe de serrage central 4 Dans l'exemple repré- senté, il est prévu deux fois plus d'éléments 3 que d'élé- ments 2 et la dimension radiale de ces éléments 2,3 est à peu près la même, ce qui permet d'utiliser deux types d'élé- ments ayant, dans l'ensemble des dimensions voisines et pouvant donc être fabriqués par injection sur les mêmes pres- ses. Il est clair cependant que le nombre et la dimension des secteurs composant chaque couronne peuvent être choisis à volonté en tenant compte de la capacité des équipements de moulage utilisés qui déterminent en particulier le volume maximal de chaque pièce moulée Si les dimensions radiales des couronnes sont choisies à peu près égales on est amené comme dans l'exemple représenté à augmenter le nombre des éléments composant les couronnes les plus éloignées-du cen- tre Ceci ne constitue pas, cependant, une obligation et deux couronnes adjacentes peuvent comporter le même nombre d'élé- ments On peut même envisager, mais ceci est à priori moins favorable qu'une couronne donnée comporte moins d'éléments qu'une couronne située plus près du centre de la lentille. Comme représenté à la Fig 2, chaque secteur 2,3 com- prend une face supérieure plane 9 et une face inférieure com- posée d'une succession de prismes reproduisant des échelons optiques connus des lentilles de Fresnel, calculés en fonc- tion du rayon de courbure et de la focale utilisée Sur la face plane supérieure 9 de l'ensemble des secteurs est appli- quée une plaque plane 11 en matière plastique transparente et l'ensemble des secteurs est maintenu entre ladite plaque Il et une plaque inférieure analogue 12,, Sa couronne 1 a une section en U à l'intérieur-de la- quelle sont engagés les bords extérieurs des plaques 11,12 et des secteurs 2,3 Une garniture élastique 14 en caoutchouc ou en mousse est interposée entre les bords extérieurs des plaques et des sec:teurs et l'intérieur de la couronne Des plots 15 venus de moulage avec chaque secteur et une entre- toise cylindrique 16 entourant la partie interne de l'organe de serrage 4 sont disposés entre la face 10 des secteurs pour assurer l'alignement planimétrique-sur la plaque 11 de la face plane 9 de tous les secteurs 2, 3 L'élément de serrage 4 comprend une douille filetée 17 délimitant une collerette 18, dans laquelle s'engage une vis 19 comportant une tête plate 20 La collerette 18 et la tête plate 20 sont dispo- sées de façon à maintenir les bords intérieurs des plaques 11,12-et des secteurs 2 pour les serrer les uns contre les autres par l'intermédiaire de l'entretoise 16. Chaque secteur 2,3 comprend un demi plot disposé sur chacun de ses c 8 tés et lors de l'assemblage des secteurs, une bague 21 est enfilée sur deux demi plots 15 voisins assurant ainsi l'alignement correct des prismes ainsi que l'immo- bilisation des secteurs entre eux. Deux plans inclinés d'un léger angle d'abouter avec le bord intérieur des éléments 3 adjacents. Les secteurs 2,3 qui constituent la lentille peuvent être obtenus par moulage d'unle matière transparente tel qu' un polycarbonate type DIAKCN M 102 (ICI) ou par moulage à chaud d'un monomère Dans l'exemple de réalisation de l'in- vention on a donné une forme rectiligne aux arêtes des pris- mes 10 des secteurs, comme cela est représenté aux Fig 3 à 6 Il est bien évident que cette forme n'est pas obligatoire et pourrait être notamment circulaire. Un capteur solaire équipé d'une lentille de Fresnel selon l'invention, de deux mètres de diamètre est représenté à la Fig 7. Il comprend un chemin de roulement circulaire 22 sur lequel roulent les galets 23 d'un plateau 24, supportant un moteur 25 par l'intermédiaire d'un bras 26 L'arbre 27 dl mo- teur 25 entraîne en rotation une roue dentée 28 qui engrène sur une crémaillère 29 située sous le chemin de roulement 22. Des montants 30 fixés par une de leurs extrémités sur le pla- teau 24, comportent à leur partie supérieure deux paliers 31 et 32 dans lesquels tourillonnent deux axes 33 et 34 fixés sur la périphérie extérieure de la couronne 1 de la lentille de Fresnel en des points diamétralement opposés Un moteur , fixé sur les montants 30, entraîne l'arbre 34 par 1 'in- termédiaire des pignons 36, 36 b et 37 Des tiges obliques 38 ont une de leur extrémité fixée à la couronne 1, pour sup- porter à leur autre extrémité et à la hauteur du foyer de la lentille, un bloc 39, de préférence en acier contenant un serpentin 40 à l'intérieur duquel circule un liquide, formé par exemple d'un mélange d'eau et de glycol Ce liquide est destiné à transporter l'énergie calorifique captée, vers le circuit d'utilisation ou un dispositif accumulateur La len- tille est disposée de façon a être entrainée par le moteur 35 autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation de son support pour pouvoir présenter constamment sa face 9 en di- rection du soleil. Un bloc de détection 41 de la position du soleil par rapport à la surface de la lentille est également fixé sur l'extérieur de la couronne 1 Ce bloc représenté à la Fig 8 comprend un ensemble de quatre diodes photo-résistantes dis- posées en carré etappariées en diagonale Cet ensemble peut être réalisé à partir d'un même substrat 42 de semi-conduc- teur de conductibilité P sur lequel sont diffusées quatre pas- tilles 45 à 46 de semi-conducteur de conductibilité N Le cen- tre du carré est situé sur l'axe optique d'une lentille con- vergente 47 à une distance du centre de cette lentille infé- rieure à sa distance focale, de façon qu'un flux de rayons solaires convergeant au foyer de la lentille embrasse un élé- ment de surface identique de chacune des quatre pastilles. La lentille 47 repose sur un support 48 L'ensemble des qu La- tre diodes est orienté de façon qu'une diagonale du carré soit parallèle à l'axe 33,34 IT en résulte qu'une modifica- tion d'éclairement due au déplacement du soleil se traduit par un déséquilibre des surfaces de pastille éclairées en- traînant une modification du signal de sortie des diodes photo-résistantes, se traduisant par l'apparition d'une ten- sion aux bornes des diodes situées sur une même diagonale. Un filtre 49 laissant passer les infra-rouges est placé au-dessus du bloc de détection 41, sur la face située entre le soleil et la face avant de la lentille de façon à rendre opérationnel le capteur solaire même en présence d'une couche nuageuse. Les dispositifs électroniques de commande des moteurs sont représentés à la Fig 9. Le moteur à courant continu 35 qui assure le déplace- ment en site de la couronne de la lentille par basculement autour de ses axes 33 et 34, est commandé sur ses enroule- gents d'induit 50 et 51 par les collecteurs respectifs des transistors 52 et 53 dont les bases sont reliées aux sorties respectives P 3 et P 4 d'un amplificateur d'asservissement 54 par l'intermédiaire des résistances 55 et 56 Les diodes photo-résistantes 43 et 44 ont leur anode connectée ensemble à la masse et leur cathode reliée respectivement aux entrées Pl et P 2 de l'amplificateur 54 Le moteur 25 à courant conti- nu assure le déplacement en azimut du plateau 24 autour de l'axe vertical du chemin de roulement 22, il est commandé sur ses enroulements d'induit 80 et 81 par des dispositifs élec- troniques identiques à ceux décrits précédemment pour la com- manlde du moteur 35, qui portent sur la Fig 9, les références des dispositifs précédents augmentées de 30 On notera que les moteurs à courant continu 25 et 35 peuvent être remplacés par des moteurs à courant alternatif, auquel cas on interpose des relais entre les enroulements de commande des moteurs et les amplificateurs 54 et 84. L'amplificateur 84 et les photo-résistances 45 et 46 sont reliés de façon similaire aux liaisons existantes entre les photo-résistances 43 et 44 et l'amplificateur 54 La bor- ne P 5 des amplificateurs 54 et 84 constitue une entrée de va- lidation du dispositif électronique de commande qui est acti- vée lorsque le rayonnement du soleil a une intensité suffi- sante Cette intensité de rayonnement se traduit par l'appa- rition d'une tension électrique négative aux bornes de la diode 57 Cette tension est amplifiée par un amplificateur opérationnel 58 dans le rapport de ses résistances d'ampli- fication 59 et 60 Cet amplificateur a son entrée (+) reliée à la masse générale au travers d'une résistance 61 La ten- sion délivrée ainsi en sortie de l'amplificateur 58 est posi- tive et est appliquée sur l'entrée(-) d'un amplificateur opé- rationnel 62 au travers d'une résistance 6, mlonté en compa- rateur de tension Cette tension est compar J à un niveau fi- xe de tension appliqué sur l'entrée (+) de l'amplificateur 62, défini par le diviseur potentiométrique formé de la ré- sistance variable 64 et de la résistance fixe 65 montées en série entre le pôle positif-de l'alimentation, non représen- tée, du dispositif et la masse Ce niveau de tension définit le seuil de rayonnement toléré En-dessous de ce niveau, la tension de sortie du comparateur est positive et inhibe lten- trée P 5 et par là le fonctionnement des amplificateurs d'as- servissement, au-dessus elle valide leur fonctionnement Les entrées P 6 et P 7 des amplificateurs 54 et 84 sont utilisées pour introduire des tensions positives ou négatives de com- mande manuelle des déplacements en site et en azimut de la couronne de la lentille pour la pointer sur le soleil au mo- ment de la mise en marche du capteur solaire, ou par un sys- tème photo-électrique type "l "pour retour au point zéro le soir, soit encore par un signal d'une sonde thermique de protection en cas de surchauffe à la suite d'une panne de circulation de fluide calo-porteur. La Fig 10 représente un amplificateur d'asservisse- ment. Il comprend un amplificateur différentiel 69 sur les entrées duquel sont appliquées les tensions délivrées par les diodes photo-résistantes 43 et 44, un réseau correcteur de phase 70 connecté par son entrée à la sortie de l'ampli- ficateur 69 et connecté par sa sortie aux entrées respecti- ves de deux étages comparateurs 71 et 72, un circuit "NON OU" 75 dont une entrée est reliée à la sortie du compara- teur 71 et dont l'autre entrée est connectée à l'entrée P 7 de l'amplificateur, un circuit "NON OU" 74 dont une entrée est reliée à la sortie du circuit "NON OU" 73, un circuit "NTON OU" 75 dont une entrée est reliée à la sortie du compa- rateur 72 et dont l'autre entrée est reliée à l'entrée P 6 de l'amplificateur, et un circuit "NON OU" 76 dont une entrée est reliée à la sortie du circuit "NON OU" 75 Les circuits ":CI OU" 74 et 76 sont connectés par une deulxième entrée à l'entrée P 5 de l'amplificateur. L'amplificateur différentiel 69 se compose d'un ampli- ficateur opérationnel A 1 connecté sur son entrée (-) d'une part à une extrémité d'une résistance R 1 dont l'autre extré- mité est connectée à la cathode de la diode 43 et d'autre part à une extrémité d'une résistance R 2 dont l'autre extré- mité est connectée à la sortie de l'amplificateur A 1 L'am- plificateur A 1 est également connecté sur son entrée (+) d' une part à une extrémité d'une résistance R? dont l'autre ex- trémité est connectée à la cathode de la diode 44 et d'autre part à une extrémité d'une résistance R 4 dont l'autre extré- mité est à la masse. Le réseau correcteur de phase 70 se compose d'un ampli- ficateur opérationnel A 2 connecté sur son entrée (-) d'une part à lune extrémité d'une résistance R 5 dont l'autre extré- mité est connectée à la sortie de l'amplificateur A 1 et d'au- tre part à une extrémité d'une résistance R 6 dont l'autre ex- trémité est connectée à la sortie de l'amplificateur A 2 Une capacité C 1 est branchée en parallèle sur-les extrémités de la résistance R 6 La résistance R 6 est réglable pour ajuster le pôle R 6 C 1 de la fonction de transfert du réseau 70 L'am- plificateur A 2 est connecté sur son entrée (+) à une extrémi- té d'une résistance R 7 dont l'autre extrémité est reliée à la masse générale du circuit. Le comparateur 71 comprend un amplificateur opération- nel A relié sur son entrée (-) à la sortie de l'amplifica- teur A 2 par l'intermédiaire d'une résistance R 8 L'entrée (+) de l'amplificateur A 3 est connectée d'une part à une extrémi- té d'une résistance R 12 dont l'autre extrémité est connectée à la sortie de l'amplificateur A 3 et d'autre part à une ex- trémité d'une résistance R 11 dont l'autre extrémité est re- liée au curseur d'une résistance réglable R 10 La résistance R 10 est reliée par une de ses extrémités à la masse générale et par son autre extrémité au pôle +U d'une tension de réfé- rence au travers d'une résistance R 9. Le comparate ur 72 comporte les mêmes éléments que le comparateur 71, leur référence est obtenue en ajoutant 8 aux références des éléments du comparateur 71 Le fonctionnement de l'amplificateur est le suivant. L'amplificateur différentiel 69 amplifie dans le rap- port des résistances R 2/R 1 la différence des tensions four- nies par les diodes 43 et 44. Si l'éclairement détecté par les diodes 43 et 44 est le même, la différence de tension obtenue est nulle et l'am- plificateur 69 délivre sur sa sortie une tension nulle Par contre, s'il y a une différence d'éclairement correspondant à un dépointage de la lentille sur le soleil, cette diffé- rence est amplifiée par l'amplificateur 69 qui délivre une tension positive ou négative suivant le sens de cette diffé- rence La sortie de l'amplificateur 69 est positive si la diode 43 est éclairée davantage que la diode 44, elle est né- gative dans le cas contraire La tension de sortie de l'am- plificateur 69 est appliquée à l'entrée du réseau 70 à re- tard de phase. La tension de sortie du réseau 70 est appliquée aux en- trées respectives des comparateurs 71 et 72 Si cette tension est nulle, les tensions de sortie des deux comparateurs 71 et 72 sont toutes deux positives Si la tension de sortie du ré- seau 7 Q O est positive et supérieure en valeur absolue à la va- leur du seuil définie par le diviseur potentiomètrique formé par les résistances R 9 et R 10, la tension de sortie du compa- rateur 71 devient négative alors que la tension de sortie du comparateur 72 reste positive De même si la tension de sor- tie du réseau 70 devient négative et supérieure en valeur ab- solue à la valeur du seuil défini par le diviseur potentiomè- trique formé par les résistances R 17 et R 18, la tension de sortie du comparateur 72 devient négative alors qu'elle est positive en sortie du comparateur 71 Cette tension négative qui apparait en sortie de l'un ou l'autre des comparateurs 71 ou 72 a pour conséquence la commande d'un moteur 35 ou 25 au travers des circuits 73 à 76 dans un sens ou dans l'autre cour f'aire diminuer l Y 4-cart-d'éclairement des cou Dies de dio- des 45,44 A et, 45,46. R E V E N D ICATIONS 1) Lentille de Fresnel en matière plastique moulée, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une série d'éléments ou secteurs radiaux ( 2,3) maintenus juxtaposés côté à côte dans le sens circonférentiel. 2) Lentille de Fresnel suivant la revendica- tion 1 caractérisée en ce qu'il est prévu plusieurs couronnes concentriques formées chacunes d'éléments ou secteurs radiaux ( 2,3) juxtaposés. 3) Lentille de Fresnel suivant la revendica- tion 2 caractérisée en ce que de préférence le nombre d'éléments constituant chaque couronne va en croissant au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre de la lentille. 4) Lentille de Fresnel suivant la revendica- tion 2 caractérisée en ce que la dimension radiale des êléments constituant les diverses couronnes est à peu près la même. ) Lentille suivant l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisée en ce que les éléments sont munis de moyens de positionnement relatif ( 15). 6) Lentille suivant la revendication 5, carac- térisée en ce que les moyens de positionnement com- prennent des demi-plots ( 15) prévus sur chaque côté de chaque élément et des bagues ( 21) adaptées pour coif- fer deux demi-plots adjacents. 7) Lentille selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, comportant une face plane et une face délimitant des prismes, caractérisée en ce que la face plane de tous les secteurs est appliquée sur une plaque plane transparente ( 11) - 8) Lentille selon la revendication 7, caracté- risée en ce que l'ensemble des secteurs est maintenu en- tre ladite plaque ( 11) et une autre plaque analogue ( 12). 9) Lentille selon la revendication 8, caracté- risée en ce qu'il est prévu des moyens d'entretoisement ( 15,16) entre les deux plaques et des moyens de serrage des plaques l'une vers l'autre. ) Lentille suivant la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens de serrage comprennent d'une part un organe de serrage central ( 3) et d'autre part une couronne de maintien périphérique ( 1). * 11) Capteur solaire, caractérisé en ce qu'il comprend une lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.