Brevet FR2531520A1 — publié le 19840210

CAPTEUR SOLAIRE ORIENTABLE Le procède proposé par la présente invention a pour objet une bonne utilisation de l'énergie solaire à partir de dispositifs simples,de réalisation facile et nécessitant peu d'entretien quel que soit le moyen annexe d'utilisation de cette énergie. II est bien connu qu'en fonction des besoins locaux, l'énergie solaire peut entre utilisée aussi bien pour le pompage et la distillation des eaux dans les pays tropicaux que pour le chauffage des installations domestiques ou industrielles dans les pays froids ou tempérés. Dans tous les cas le rendement définitif annuel est lié non seulement à la grandeur de la surface réceptrice Dais aussi a la maçon dont celle-ci a été utilisée. Ceci étant fonction non seulement de considérations théoriques, mais aussi, et souvent, des réalités pratiques locales. Sur la majeure partie du globe terrestre, le soleil apparait à l'horizon le satin à l'Est pour disparaitre le soir à l'Ouest en passant à midi par une inclinaison plus ou moins proche de la verticale selon le lieu où on se trouve. ll résulte de ceci que les surfaces réceptrices fixes ne peuvent recevoir qu'une partie de l'énergie solaire réceptible en fonction de leur surface. Il est bien connu que le fait de, rendre ces surfaces mobiles et orientables permet d'accroitre nettement leur-rendement énergétique. Cependant ceci est généralement réalisé à l'aide de moyens plus ou n oins complexes et souvent peu fiables. Le procédé proposé par la présente invention permet l'orientation automatique de tout type de capteur connu, non pas d'une façon rigoureuse, mais convenablement efficace, d'une manière autonome et fiable par le fait de la seule action de l'énergie solaire. Ceci par l'utilisation de moyens simples, de grande fiabilité, dont la mise cn oeuvre et l'emploi nc- nécessitent pas l'intervention d'une main d'oeuvre très qualifiée mais seulement consciencieuse. Compte tenu de certaines réalités concrètes, la présente invention propose un procédé simple adaptable à de nombreux types d'instaj- lations destinées à récupérer au mieux l'énergie solaire à l'aide d'intermédiaire caloporteur, électroconvertisseurs ou autres de tout type cornu. A cet effet, la présente invention est basée sur l'utilisation de capsules thermo-sensibles utilisées de façon différentielle et susceptibles de produire un effort mécanique suffisant pour permettre la borme orientation des surfaces réceptrices pour les utiliser de façon telle quson puisse obtenir un rendement convenable avec de bonnes certitudes de fiabilité, même dans des conditions d'emploi difficiles dans certaines régions de notre globe. La figure I de la planche I illustre de façon schématique comment le procédé proposé peut etre appliqué a l'orientation d'un capteur solaire selon un plan vertical afin que celui-ci puisse recueillir le maximum d'énergie quelle que soit la hauteur du soleil par rapport a l'horizon. Le capteur reçoit l'énergie solaire sur une surface réceptrice (1) figurée plane par simplification mais pouvant être de toute autre forme convenable. Cette surface réceptrice (1) est montée sur un bti (2) mobile autour d'un axe horizontal (D) lequel est fixé sur un support (4j supposé fixe pour cette explication préliminaire. De part et d'autre de la surface réceptrice (1) sont placées deux capsules thermo-sensibles (5) et (6) légèrement inclinées par rapport à celle-ci Ces cellules sont remplies d'un liquide volatil et reliées respectivement par des tuyaux souples (7) et (8) à des enceintes expansives (9) et (10) lesquelles sont fixées au bâti (2) par les tourillons (11) et (12) et liees sur leurs faces opposées aux tiges (13) et (14) qui pivotent autour d'un axe figuré (3 ) solidaire du support (4) supposé fixe. Les capsules (5) et (6) étant également inclinées par rapport au rayonnement solaire (RS)leurs pressions internes (P1) et (P2) qui résultent de la tension de vapeur du liquide interne déterminent des forces égales (f1) et (f2) qui s'exercent entre les tourillons (ii) et (i2) fixés au bdrti et l'axe (3). L'ensemble mobile autour de l'axe (3) reste donc orienté selon l'axe X Y du supporte (4). Si le soleil disparait,les cellules (5) et (6) se refroidissent et les pressions (P1) et (P2) décroissent-en restant sensiblement égales l'une à l'autre.Il en résulte que l'ensemble mobile autour de l'axe horizontal (3) ne change pas de position s'il est convenablement équilibré par rapport à cet axe. Si le soleil baisse vers la direction de l'horizon figurée (H) la capsule thermostatique (5) reçoit moins d'énergie que la capsule (6) etEla pression (P2) devient plus importante que (P1). Il en résulte que par le fait de l'accroissement de la force (f2) par rapport à (fi), il y aura une rotation du bâti (2) dans le sens de la flèche (r) et que l'ensemble mobile se dirigera vers une direction voisine de celle du rayonnement solaire, ceci en fonction de la ciné fatigue figurée.Si le soleil disparait, les forces (fui) et (f2) redeviennent égales et l'ensemble mobile s'oriente progressivement vers la position d'équilibre selon l'axe (x, y), Le procédé selon la présente invention peut être non seulement employé pour l'orientation de la surface réceptrice (1) dans la direction verticale du soleil par pivotement du bâti (2) autour de l'axe horizontal (3), mais aussi pour l'orientation de cette surface dans la direction du soleil vers l'Est ou l'ouest. A cet effet, le support (4) est rendu mobile en rotation autour de l'axe vertical par par le fait qu'il comporte une partie tubulaire (16) tourillonnant autour du pivot fixe (17) solidaire du socle (18). Pour comprendre ccmment le dispositif selon la présente invention peut être réalisé de façon diverses on se référera à la figure 2 de la planche I donnée à titre d'exemple. Celle ci représente la vue shématique en plan d'un capteur dont la surface collectrice (1) est montée sur le bâti (2) mobile en rotation selon l'axe horizontal (3), lequel est assujetti à la pièce tubulaire (16) mobile en rotation autour du pivot (17) selon son axe vertical. Le pivot (17) est solidaire du socle (18) fixé au sol lequel porte une semelle (19). L'orientation de la surface collectrice (1) en fonction de la position du soleil est obtenue comme il a déjà été expliqué par l'action hydropneumatique de capsules thermo-sensibles (20) et (21) disposées de part et d'autre de cette surface et légèrement inclinées par rapport à celle-ci. Ces deux cellules sont garnies d'un liquide vocatif dont la tension de vapeur, fonction de l'énergie reçue est transmise par les tuyaux souples (22) et (23) aux enceintes expansives (24) et (25) lesquelles sont liées à la semelle (19) par des tourillons (26) et (27) fixés sur celle-ci. Ces enceintes sont mécaniquement liées aux leviers (28) et (29) mobiles autour des pivots (30) et (31) lesquels sont fixés sur la semelle (19). Les extrémités (32) et (33) de ces leviers sont réunies par un cible (34) enroulé autour de la pièce tubulaire (16) quixentraine en rotation, le support (4) selon l'axe vertical (M.N). Si par exemple la cellule (20) reçoit plus d'énergie que la cellule (21) l'enceinte (24) va se développer dans le sens de la flèche (a) ce qui va entrainer par l'intermédiaire du câble (34) le mouvement du capteur dans le sens convenable Jusqu'à ce qu'il y ait une sensible égalité entre les tensions de vapeur des cellules (20) et (21). Si le rayonnement solaire disparait, l'ensemble mobile revient dans la position d'origine et l'ensemble s'oriente ensuite automatiquement dans la direction du soleil lorsque celui-ci ré-apparait. La figure 5 de planche Il donne un exemple de possibilité d'application de la présente invention à l'orientation de plusieurs capteurs solaires selon une disposition qui peut être particulièrement intéressante pour leur emploi dans les pays tropicaux En effet dans ce cas, chaque jour le soleil se dépiace de l'Est à l'Ouest selon un plan proche de la verticale et il y a avantages a utiliser pour certaines applications des capteurs allongés dans la direction Nord-Sud. Dans ce cas, leur orientation n'a une grande importance que dans la direction perpendiculaire ce qui peut être obtenue par un moyen simple selon la représentation schématique de la figure 3 qui représente la vue en bout d'un ensemble comportant trois capteurs rectilignes dont les surfaces collectrices sont schématisées (40), (41), (42), lesquelles sont mobiles en rotation autour des axes (43), (44), (45) perpandiculaires au plan de la figure Ainsi qu'il a déjà été expliqué, l'orientation est déterminée par deux capsules thermo-sensibles à tension de vapeur figures (46) et (47) légèrement inclinées Ces capsules sont reliées par un tuyau aowtÂe respectivement aux enceintes expansives (48) et (49) fixées su le bâti (50) par des tourillons (51) et (52) Les forces résultant des pressions établies dans les enceintes sont appliquées aux leviers (53) et (54) articulés sur le bâti (50) aux points (55) et (56).Les extrémités mobiles (57) et (58) sont reliées par le câble (59) lequel est maintenu en tension par les ressorts (60) et (61) et s'enroule successivement autour des poulies (62) à (66) montée en bout des capteurs et des capsules thermo-sensibles. Il résulte de cet accouplement qu'il y a un mouvement conjugué de tous ces prganes. L'ensemble est presente en position de repos tel qu'il se présente par exemple le matin après le refroidissement nocturne alors que les deux capsules (46) CL (47) sont a la même température Au lever du soleil la capsule (46) recevra plus d'énergie que la capsule (47) et la différence de pression entre les enceintes (48) et (49) va entrainer un mouvement du levier (53) dans le sens de la flèche (f) et un positionnement favorable des capteurs. Le reste du fonctionnement se comprend en fonction de ce qui a déjà été expliqué à partir des figures 1 or 2 On remarquera qu'avec le procédé proposé par la présente invention l'orientation des capteurs ne sera jamais rigoureusement par suite de la présence des forces de rappel nécessaires pour replacer l'ensemble orientable en position de repos à la disparition du soleil.Pour la majorité des utilisations, ceci n'a pas cependant qu'une faible importance puisque l'énergie reçue varie en fonction de l'orientation selon une loi sinusoïdale et qu'un écart angulaire de 10 correspond seulement à une perte d'énergie de 3 % dans le cas d'une surface collectrice plane En fonction des exemples donnés, on comprend que la réalisation pratique de la présente invention peut donner lieu à nombreuses variantes et elle prévoit que tout moyen connu peut être utilisé, soit pour la réalisation des cellules thermo-sensibles, soit pour leur liaison avec les organes utilisés d'une façon différentielle pour l'orientation d'un capteur. Pour illustrer ceci, on se réfèrera à titre d'exemple explicatif et non limitatif, aux figures 4 et 5 de la planche 2. La figure 4 représente la vue schématique en coupe dune cellule comportante un récipient (70) muni d'une face transparente (71) et d'une membrane souple (72) laquelle sépare l'espace (73) contenant un liquide volatil teinte en noir d el'eau contenue dans la partie interne (74) du récipient (70), cette eau servant d'élément de transmission hydraulique à l'enceinte expansive assocree laquelle transmet la force nécessaire pour l'orientation du capteur La figure 5 représente schématiquement, une cellule comportant une membrane souple constituée par un soufflet en accordéon (75) fixé sur une pièce transversale (76) solidaire d'un réflecteur (77) dont la membrane (75 > occupe le foyer.Cette membrane transmet une force fonction de l'éclairement du réflecteur. par lsinter- médiaire du câble (78) tendu par le ressort (79) et coulissant dans la gaine (80) fixée gu réflecteur (77), lequel peut par exemple, etre constitué par l'optique d'un véhicule automobile. Dans les exemples qui ont été donné précédemment pour expliquer les possibilités de réalisation de dispositifs selon le procédé proposé, il a été indiqué que l'orientation de surfaces captrices pouvait se faire selon un axe vertical et un axe horizontal en utilisant pour chaque mouvement l'action d'un couple de cellules thermo-sensibles associées à cette surface et inclinées svmétrique- ment par rapport a celle-ci. La présente invention prévoit que l'orientation de surfaces réceptrices simples ou multiples peut- être réalisée selon les deux axes non pas par deux mais par un seul couple de capsules thermo-sensibles en utilisant une composition des deux mouvements à l'aide d'une cinématique simple. Pour comprendre les possibilités de réalisation de dispositifs selon ce qui vient d'être exposé ci-dessus, on se réfèrera aux figures de la planche III La figure 6 donne la vue an coupe d'élévation et la figure 7 la vue de profil d'un tel dispositif- représenté schématiquement à titre indicatif et non limitatif L'élément orientable (100) est monté sur un bâti (101) mobile autour d'un axe horizontal (102) supporté par une pièce en fourche (103) solidaire du corps cylindrique (104) lequel est mobile en rotation selon l'axe vertical (x, Y). A A cet effet, le corps cylindrique (104) pivote dans une colonne creuse (105) fixée sur un socle (106) posé au sol. En application du procédé selon la présente invention le dispositif expose comporte deux capsules thermo-sensibles symétriquement inclinées par rapport à l'élément orientable (100) et également fixées sur le bâti (101). Dans le cas de l'ensemble figuré et bien que, comme il a déjà été expliqué, ceci puisse etre réalisé par d'autres moyens, l'action solaire s'exerçant sur les capsules (107) et (108) est utilisée pour provoquer l'orientation du capteur par 11 intermédiaire de deux enceintes extensibles (109) et (110) reliées aux capsules par des tuyaux souples (111) et (112) passant à l'intérieur du corps cylindrique creux (104). Les enceintes (109) et (110) agissent.respectivement sur les leviers -(1 13) et (114) entre lesquels est tendu le câble (115) qui s'enroule autour de la poulie (116) solidaire du corps cylindrique (104) ce qui, en fonction de l'action différentielle de ces enceintes détermine l'orientation de l'ensemble mobile en rotation selon l'axe vertical (X, Y). Ce mouvement commande également la position de l'élément orientable (100) par le dispositif simple exposé ci-après. Pour déterminer l'inclinaison convenable de l'élément orientable (100) dans le sens vertical on détermine sa rotation autour de l'axe horizontal (102) par l'action d'un cible (117) fixé sur celui-ci en un point (118) et en (119) en un point fixe excentré par rapport à l'axe de rotation vertical (X, Y), ce point fixe étant par exemple constitué par un amarrage sur un support (120) solidaire du. socle (106). Le câble (117) est maintenu tendu par l'effet de rappel du câble (121) fixé en (122) sur la partie mobile supposée équilibrée et amarré en (123) sur le corps tournant cylindrique (104) par l'intermédiaire d'un ressort (124). Selon la figure 6 l'ensemble mobile est supposé orienté dans la direction solaire sud à midi et, comme représente sur la figure 7, le câble (117) est alors dans la position verticale de l'axe (X, Y). On comprend que par le fait de lwexcentrage du point d'attache (119) de ce câble et de la possibilité d'extension du ressort (124) il en résultera un pivotement de la partie orientable dans le sens de la flèche (a) lorsque le soleil quit tersa cette position pour s'abaisser ensuite vers l'horizon. On conçoit par le présent exemple qu'il est facilement possible de réaliser d'une façon plus ou moins précise l'orientation d'un élément récepteur de l'énergie solaire dans le sens horizontal comme dans le sens vertical par l'action d'un seul couple de capsules thermo-sensibles. L'application d'un dispositif tel que décrit ci-dessus dans des lieux différents et à des époques annuelles variables peut être améliorée par la modification manuelle ou automatique des ciné- matiques employées ou par tout autre.moyen relevant des règles de l'art en la matière. Par exemple, dans. le cas de cet exemple, de grandes possibilités d'adaptation résulteront de l'introduction dans le montage de dispositif a de déplacement des points d'application des forces provoquant les déplacements. Dans le mime sens la précision du positionnement peut être améliorée par adjonction de dispositifs mécaniques simples intercalés. dans les cinématiques de commande tels que des cames de profil convenable. La présente invention prévoit que la liaison entre les éléments détecteurs thermo-sensibles et les organes qui utilisent la force qu'ils produisent peut être effectuées selon les règles de l'art par tout moyen mécanique, hydraulique ou pneumatique. Compte tenu de la lenteur.relative.du mouvement solaire la pre- sente invention prévoit que selon les règles de l'art le dispo Sitif propose doit hêtre réalisé pour agir avec une certaine constante de temps de façon à amortir l'effet des passages nuageux. La présente invention prévoit que le procédé proposé peut hêtre employa pour l'orientation de tout type de capteur mais également de surfaces réflectrices ou absorbantes. ou de tout corps ou objet dont l'orientation en fonction de la direction du soleil présente une utilité. Par le fait. de la simplicité des moyens utilisables pour la réali- sation de la présente invention, celle-ci est particulièrement adaptable à l'orientation des capteurs solaires destinés au pompage et à la distillation des eaux ainsi qu'à leur échauffement pour des besoins domestiques ou industriels. REVENDICATIONS 1.- Procédé permettant d'assurer l'orientation de capteurs solaires sans faire appel à des organes de nature électrique, caractérisé en ce que ladite orientations'effectue dans le sens vertical, comme dans le sens ho rizontal, au moyen d'un nombre pair de capsules thermosensibles à tension de vapeur (5) et (6) lesquelles permettent par le fait de leur inclinaison symétrique par rapport a la surface réceptrice (t) dudit capteur de de terminer, par leur action différentielle une force permettant ladite orientation. 20 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, par le fait de la disposition asymétrique desdites capsules thermosensibles (5) et (6) en l'absence de soleil, l'ensemble mobile du capteur solaire revient lentement vers une position prédéterminée et qu'il s'oriente ensuite de façon convenable. :b.- Capteur solaire pourvu d'un surface réceptrice fixée à un bâti (tout) mobile par rapport a' un socle (106) au moyen d'une double liason pivotante (103,104) pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication t, caractérisé en ce qu'il comprend une première et un se conde séries de capsules thermosensibles (107,108) emplies d'un liquide volatil et reliées respectivement à des enceintes expansibles (109,110), lesdites première et seconde séries de capsules (107,108) étant fixées respectivement de part et d'autre de ladite surface récep- trice et légèrement inclinées symétriquement par rapport à celle-ci, lesdites enceintes (109,110) étant fixées d'une part audit bâti (toi) et d'autre part audit socle (106) et un câble (117) fixé d'une part audit bâti(101) et d'autre part audit socle (106) pour limiter le mouvement dudit bâti (101). 4.- Capteur solaire pourvu d'une pluralité de surfaces réceptrices Pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites surfaces (40,41,42) sont constituées par des tubes d'axes parallèles entre eux mobiles en rotation autour de ces axes et associées au moyen d'une liaison mécanique, une première et une seconde séries de capsules thermosensibles (46,47) emplies d'un liquide volatil et reliées respectivement à des enceintes expansives (48,49) lesdites première et seconde séries de capsules(46,47) étant fixées de part et d'autre de la pluralité de surfaces réceptrices (40,41, 42) et légèrement inclinées symétriquement par rapport à celle-ci, lesdites enceintes (48,49) étant fixes d'une part à des tourillons fixes (51,52) et d'autre part à ladite liaison mecanique, de manière à déterminer des forces qui, appliquées à cette dernière, permettent d'assurer la rotation desdits tubes autour de leurs axes.