Brevet FR2531500A1 — publié le 19840210

POMPE SOLAIRE La présente invention a pour objet un procédé permettant le puisage de l'eau jusqu'à une ce@taine profondeur par le seul effet de l'énergie solaire, lequel procédé n'utilise que des moyens simples a 11 exclusion de tout element électrique ou electronique. Le procedé propose est Basé sur l'utilisation de la pression de vapeur d'un liquide volatilisé sous l'effet du rayonnement solaire selon un cycle alternatif et employa pour le pompage de l'eau par l'intermédiaire d'organes mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques. Pour comprendre le procédé Selon la présente Invention on se réfèrera aux figures jointes en annexe selon les planches 1 a Les figures l et 2 de la planche r permettent d'expliquer le prin cipe général de fonctionnement de la présente invention a partir d'une représentation purement schématique et non limitative. La figure 3 de la planche T donne une vue schématique explicative d'une possibilité de réalisation du dispositif utilisable pour la commande cyclique du processus de fonctionnement selon le procédé propos. La figure 4 de la planche II donne une vue schématique générale explicative du fonctionnement d'un dispositif de réalisation possible selon la présente invention. La figure 5 de la planche 111 donne une vue générale explicative d'un dispositif selon la présente invention dans lequel le refroidissement des enceintes est accéléré par le passage cyclique de l'eau puisée au travers des enceintes inactives et la figure 6 donnez titre d'exemple la vue de détail dsune version de réali- sation du type tubulaire. Pour comprendre le mode de fonctionnement du p@océdé @eventiqué par la présente invention on se @éfèrera en premier lieu aux figures de la planche I données à titre explicatif. Le procédé proposé est à base d'enceintes telles que représentées schématique ment (1 > et (2) sur la figure l.Ces enceintes sont cycliquement soumises ou soustraites a l'action du rayonnement solaire par l'effet d'écrans ou de réflecteurs mobiles figurés schématique- ment (3) et (4), chacune@des enceintes (1) et (2) comporte une couche de liquide volatil (5) placée au dessus d'une couche d'eau (6) dont elle est séparée par le fait de sa densité ou bien par l'interposition d'une membrane souple. L'enceinte (1) est représentée comme soumise au rayonnement solaire (RS) alors que l'enceinte (2) y est soustraite par l'écran (4). Sous l'effet de l'énergie solaire une partie du liquide volatil (5) contenu dans l'enceinte (1) se volatilise ce qui provoque une augmentation de pression dans cette enceinte. il en résulte qu'en fonction du volume de vapeur-produit l'eau (6) contenue dans l'enceinte (1) est refoulée vers le dispositif hydro-mécanique (7) et vers le compartiment (8) du corps de pompe (9) immergé dans le puits (10). Ceci- entraine le déplacement de la membrane souple (11) dans le sens de la flèche (f) ce qui provoque l'évacuation d'une partie de l'eau de la chambre (12) vers le bassin de récupération (13) situé au dessus du niveau du sol. Par le même effet, la membrane souple (14) laquelle est accouplée a la membrane (il) par une tige coulissante (15) provoque l'aspiration d'une certaine quantité d'eau dans la chambre (16) et la remontée d'un volume correspondant qui se transfère du compartiment (17) à ltenceinte (2) ce qui contribue au -refroidissement de celle-ci et a la liquéfaction du liquide volatil contenu. Lorsque l'écart entre la pression (Pl) croissante dans l'enceinte (1) par l'action du rayonnement solaire et la pression (P2) décroissante dans l'enceinte.(2) occultée atteint un niveau déter- miné le dispositif bydro-mécanique différentiel (.7) à déclenchement brusque entraîne par une transmission figurée (18) la permutation des. parties (3) et (4) ce qui inverse l'action du soleil sur les enceintes (1) et (25. Le rôle des clapets d'aspiration (19) et (20) et des clapets de refoulement (21) et (229 découle de la technique connue des pompes à membranes et à. double effet. Leur fonctionnement est protégé par l'adjonction d'un filtre d'admission (23). On comprendra d'après ce qui précede que le procédé selon la présente invention perm.et le pompage de l'eau par des moyens simples de nature hydro-mécanique à partir d'une action cyclique utilisant la vaporisation d'un liquide volatil par l'effet de l'énergie solaire. Pour comprendre les possibilités pratiques de réalisation de la présente invention on se réfèrera aux exemples ci-après donnés a titre explicatif-et non limitatif. La figure 2 montre comment l'enceinte (1) peut être rendue active par l'effet d'un trou placé en regard dans un disque (30) mobile en- rotation selon un axe (0) et perpendiculaire à cet axe lequel disque opaque et réfléchissant sur sa surface externe masque l'enceinte (2) laquelle est ainsi soustraite au rayonnement solaire. Le disque (30).est commandé en rotation par le dispositif repéré (7) dans la description précédente et détaillé selon la représen- tation schématique de la figure (3). La pression (P1) de enceinte (1) laquelle est devenue active est appliquée à une membrane extensible (31) liée par la tige (32) à la membrane (33) qui revoit la pression (P2) de enceinte (2) laquelle pression est devenue décroissante par l'effet dVoccul- tation du disque (30). L'accroissement de la pression (P1) entraine l'extension de la membrane (31) qui est assujettie à la pièce fixe (34) ce qui entraîne la compression de la membrane (33) liée à la pièce fixe (35) ce qui détermine le mouvement du levier (36) articulé par un axe (37).Ce levier entraîne le ressort (39 > attaché à son extrémité et lorsque le point d'équilibre est dépassé, il y a basculement du levier (.40) lequel quitte la butée (41 > pour venir s'appuyer sur la butée (42) alors que le levier (36) passe de la butée (38) à la butée (43) ceci selon les positions représentées en pointillé Le levier (41) est solidaire d'une roue dentée (44) laquelle entraîne le pignon.(45) lié au disque (30,) lequel tourne de 180' ce qui rend l'enceinte (2) active et occulte l'enceinte (1), ce qui inverse le cycle de fonctionnement et prépare la succession d'opérations identiques. L'exemple donné ci-dessus à titre indicatif, montre une possi bilité de réalisation du type rotatif mais l'invention prévoit que toute autre' technologie connue peut être employée pour le meme objet. Dans la description donnée à partir de la figure 1 à titre explicatif, il a été représenté des enceintes-telles que (1) et (2) supposées planes et circulaires, mais avec une telle disposition les liquides volatils qu'il peut être intéressant d'utiliser donnent, pour un bon ensoleillement des tensions de vapeur assez élevées. Il en résulte qu'il peut en découler les difficultés de réalisation par le fait que la pression qui- en resulte s'applique à des surfaces planes sur lesquelles peuvent s'exer- cer des forces importanteS. Une autre possibilité de réalisation du procédé selon la présen- te invention est représentée schématiquement, à titre indicatif et non limitatif par la figure 4 de la planche TI. Selon exemple descriptif donne à partir dé la figure 4 on voit que-le dispositif. selon la présente invention comporte un nombre pair de surfaces collectrices dont certaines, telles. que representées (46) et (47) sont.disposees de telle sorte qu'elles reçoi- vent moins d'énergie du rayonnement solaire (RS) que d'autres telles que (48) et (49) qui reçoivent ce rayonnement dans de meilleures conditions. Pour simplifier l'explication ces surfaces ont été représentées comme étant planes et mobiles en rotation selon des axes (5Q) à (53) perpendiculaires au plan de la figure L'orientation de ces surfaces est schématiquement figurée comme étant réalisée à l'aide d'un câble (54) tendu par un ressort (,55) entre deux poulies (56) et (57) et s'enroulant autour des poulies (58) et (61) solidaires desdites surfaces récéptrices et pivotées selon les axes (50) à (53). Les deux extrémités du câble (54) sont réunies et fixées.en (62) à l'extrémité d'un levier (63) mobile en rotation autour de l'axe (64). Pour déterminer le mouvement alternatif du dispositif les surfaces collectrices (47) et (48) qui sont associées à des enceintes garnies d'un liquide volatil, lesquelles par simplification ne sont pas représentées sur cette figure mais sont supposées tubulaires et reliées selon les axes de rotation (51) et (52) à des tuyaux souples (65) et (66).qui les mettent en liaison pneumatique avec les enceintes expansives figurées (67) et (685. L'enceinte (65) est articulée à l'une de ses extrémités sur un axe (693 et son autre extrémité est solidaire d'une bielle (70) articulée en (71) à l'extrémité du levier (72) mobile en rotation autour de l'axe (64). D'une façon analogue l'enceinte expansive (68) articulée en (73) est reliée en (71) au levier (72), lequel est associé au mouvement du levier (63).par le ressort (74). Dans la position-des pièces représentées sur la figure le levier (63) est figuré en fin-de course. celle-ci étant limitée par la butée (75) qui détermine sa position de repos dans un sens. Le levier (72) est également en position de repos. sur la butée (76) ceci résultant de l'extension de l'enceinte expansive (67) dans le cycle précédent On comprend que dans la configuration représentée les surf aces (46) et (47) reçoivent moins d'énergie que les surfaces (.48) et (49) ; il en résulte que la température de celles-ct, lesquelles étaient précédemment en position défavorablet va. augmenter en fonction du rayonnement solaire capté.De ce fait la pression du liquide volatil contenu dans les enceintes correspondantes va s'accroître et enceinte expansive (68) sa se dilater dans le sens de la flèche (f1) en repoussant le levier (72) par l'intermédiaire de.la bielle (775. Il en résulte que lorsque l'axe -d'attache (71) du ressort (74) aura dépassé l'axe du levier (63) il y aura basculement du dispositif bi-stable ainsi représenté de façon schématique et que le levier (63) basculera dans le sens de la flèche (a) jusqu'à venir en contact avec la butée (78) dans.la position figurée en pointillé sur la figure 1 En conséquence, par l'effet de la liaison établie schématiquement par le câble (54), les surfaces collectrices (46) et (47), après avoir pivoté de 90 se trouveront en bonne position réceptive et les surfaces (48) et (49) deviendront- inactives. Il en résulte que le cycle sera repris en sens inverse avec une constante-de temps fonction du rayonnement reçu et de l'inertie thermique des divers éléments composant le dispositif. Le fonctionnement cyclique du dispositif étant ainsi expliqué il est nécessaire d'-exposer.de quelle façon il peut entre utilise pour pomper l'eau en n'utilisant que des moyens simples. A titre non limitatif, on se rèfèrera au texte ci-après référencé à la même figure. Selon leur position figurée.on voit que, ainsi qu.1i1 a été expliqué-ci-dessus, que par le fait de l'action précédente la surface collectrice (47) était récéptrice, ce qui a entraidé l'extension de enceinte (67) mais dans le même temps la surface (46), a laquelle peuvent être associées d'autres surfaces collectrices similaires, était génératrice d'une pression gazeuse laquelle a entraîné le gonflement d'une enveloppe souple (80) de forme toroïdale a laquelle elle est reliée par le tuyau (81). Cette enveloppe (80) s'appuie sur une plaque rigide (82 > placée dans l'une des demi-parties (83) du corps de pompe (84) immergé au dessous du niveau (Nl) de l'eau dans le puits (P) creusé dans le sol (S) la tige (85) qui coulisse dans le,mancbon (86) fixé sur la cloison médiane (87) permet d'assurer une liaison mécanique entre la paroi mobile (82) et la paroi similaire (88) qui comprime l'enveloppe torique souple (89) dans l'autre demi-partie (90) du corps de pompe. Ainsi qu'il a été exposé la figure correspond à l'instant où les surfaces (48) et (49) sont devenues récéptrices. La surface (48) commande l'expansion de l'enceinte (68) ainsi qu'il a été expliqué 9 mais simultanément la surface (49) transmet sa pression de vapeur par le tuyau (91) à l'enveloppe gonflable (89) laquelle exerce une force de plus en plus importante sur la paroi (88) dont il résulte un mouvement dans le sens de la flèche (b) ce qui entraîne également une augmentation de pression dans la chambre (90) ce qui déclenche la fermeture du clapet d'aspiration (92) et l'ouverture du clapet de-refoulement (93). En fonction de la pression transmise à l'enveloppe (89) il en résultera l'évacuation d'une certaine quantité d'eau par le tuyau (93) laquelle se déversera au niveau .(N2) dans le bassin (B) situé au dessus du niveau du sol (S). Fendant le meme temps du cycle, la pression de vapeur de l'encein- te associée à la surface.(46) s'est abaissée puisque celle-ci n'est plus réceptrice. Il en résulte que la paroi (82) associée à la paroi (88) par la tige (86).peut aplatir l'enveloppe (80) dont le volume diminue ce qui entraîne la fermeture du clapet de refoulement (95) et l'ouverture du clapet d'aspiration (96). L'eau du puits (P) admise au travers du filtre (97) vient donc remplir la chambre (83) et pourra être évacuée dans l'opération suivante laquelle résultera du basculement du levier (63) lorsque le levier C727 aura repoussé le point d'attache (71) du ressort (74) au delà du point d'équilibre ce qui mettra les surfaces (46) et (47) en bonne position de captation du rayonnement. Dans le présent- exemple donné,à titre explicatif les surfaces collectrices sont figurées planes, mobiles en rotation et solidaires thermiquement d'enceintes évaporatrices de-type tubulaire liées par tuyau souple à des.enveloppes souples placées dans le corps de la pompe ; mais ainsi qu'il a été expliqué précédemment. ces enceintes peuvent aussi être fixes et soustraites ou non au rayonnement solaire par l'action d'écrans thermiques mobiles. Compte tenu de l'objet de l'invention prévoyant l'emploi de moyens simples et peu couteux, l'invention propose-par exemple que les enveloppes souples toroidales telles que figurées (80) et (89) peuvent être réalisées à l'aide de classiques chambres à air utilisées pour des roues de véhicules d'usage courant Celles-ci peuvent entre utilisées non seulement pour le corps de pompe mais aussi pour la réalisation de la commande du cycle alternatif ou de simples tuyaux souples- peuvent.- également être employés. Ainsi qu'il a été expliqué le rendement du disppsitif.dépendra d'une partde la rapidité d'échauffement des enceintes produisant la pression de vapeur et d'autre. part de leur rapidité de refroidissement lorsqu'elles sont soustraites au rayonnement solaire par le fait de leur rotation-ou de l'interposition d'un écran. Elle prévoit à cet effet et à titre non limitatif diverses dispositions qui seront exposées-ci-après. Par exemple, il est possible d'utiliser comme liquide volatif nécessaire pour le fonctionnement un liquide -.tel.que l'éther éthylique lequel est peu miscible à l'eau, moins-dense que celle ci et possède une chaleur spécifique nettement inférieure ainsi qu'une tension de vapeur convenable pour les @empératures de l'ordre de 40 C à 30t C lesquelles sont acceptables pour un bon fonctionnement Un tel liquide est également d'un coût modéré, peu toxique et d'emploi facile pour le But proposé Cependant d'autres corps peuvent être utilisés en fonction des besoins particuliers selon les techniques de l'art en la matière. La présente invention prévoit, entre autre possibilité de réa -lisation, qu'un certain nombre d'enceintes soient groupées en parallèle, la moitié de celles-ci, par exemple celles de rang impair, étant.rendues actives par effet d'un écran réflecteur et celles de rang pair étant occultées par le fait de la position inversée de cet écran, La présente invention prévoit également que le refroidissement des enceintes échauffées dans le demi-cycle précédent peut être activé en utilisant le fait que l'eau pompée dans le puits est à une température plus basse que celle des enceintes Pour mieux comprendre ce qui précède on se réfèrera à la figure 5 donnée à titre explIcatif selon laquelle il a été.figuré quatre enceintes repérées (101) à (104), ces enceintes étant fixes par rapport à un bâti support non représenté. Chacune de ces enceintes comporte deux tubes concentriques est représentée, en coupe, d'une façon plus détaillée par la figure 6 Le tube extérieur (105) est un tube en verre ou bien en matériau. métallique par exemple en aluminium oxydé noir pour le rendre absorbant, ou en toute autre matiere convenable pour .cet emploi. L'enceinte évaporatrice est constituée par l'espace compris entre le tube extérieur (105). et le tube interne (106) en matériau bon conducteur, lequel espace est garni d'un corps poreux absorbant et bon conducteur thermique,..par exemple de charbon de bois, fibres ou granulés de carbone. Cette enceinte (107) est remplie eh partie de liquide volatil, éther éthylique par exemple, et d'une certaine quantité d'eau laquelle sert d'agent de trans mission hydraulique. Selon la figure 5 les enceintes (101) et (103) sont une phase active par suite de 1 position favorable des réflecteurs (309) et (111) qui concentrent sur elles l'énergie solaire, alors que les réflecteurs (110) et (112) en position inverse occultent les enceintes (102) et (1Q45* Tous les réflecteurs sont commandés par le cible (108) lequel est tendu par les ressorts (113? et (114) entre les poulIes (115) et (116) et s'enroule successivement autour des poulies (117) à@(120) placées aux extrémités des enceintes précitées et liées mécaniquement selon leurs axes, aux divers réflecteurs mobiles. les enceintes (101) et (103) représentées actives sont liées bydrauliquement par le tuyau (121) ; les enceintes-occultees (102) et (103) sont de la meme façon reliées par le tuyau (122). La pression (Pl) établie par le liquide volatil dans les enceintes actives est transmise à l'eau contenue dans le récipient (123) servant de vase séparateur entre le liquide volatil et 11 eau utilisée comme agent de transmission hydraulique. Par cet intermédiaire la pression (P1) qui est croissante est appliquée à la membrane extensible (125) laquelle est liée mécaniquement à la membrane identique (126) laquelle est soumise au travers du vase (124) à la pression (P2) des enceintes (102) et (104) reliées par le tuyau (122). La position des organes représentés sur la figure 5 correspond au moment où la- pression (P1) croissante devient égale à la pression (P2) décroissante, la membrane (125) étant en phase d'extension selon le sens de la flèche (fl). La pression (P1) est également admise par le tuyau (127) à la membrane (129) accouplée à la membrane (130) par la tige (131) coulissant à travers la cloison médiane du corps de pompe (132). La pression (Pl) étant croissante on.comprend que l'ensemble mobile de la pompe se déplace dans le sens de la flèche (f2). I1 en resulte que par le jeu des clapets d'aspiration et de refoulement l'eau de la chambre (133) est expulsée par tuyau (134) dans les tubes internes des enceintes (302) et (304) et va se déverser dans un bassin d'utilisation situe à l'autre extrémité de ces tubes, Par )e fait que l l'eau puisée est froide il en résulte une baisse rapide de la pression P2. Le mouvement de l'ensemble mobile dc la pompe entraîne dans le meme temps une aspiration de l'eau du puits qui vivent remplir progressivement la chambre (136) Le mouvement se poursuit jusqu'à l'instant ou le levier (137) poussé par la, membrane (325) déplace le point d'attache (138) du ressort (139) au delà du point d'équilibre ce qui détermine le basculement du levier (140) auquel il est attache par son extrémité 413. Ce basculement entra@ne la tension du câble (308) ce qui détermine le mouvement des poulies (117) à (120) et la rotation de 180 des réflecteurs. Les enceintes (101) et (303) sont alors occultées alors que celles (102) et (104) deviennent actives ce qui amorce la deuxième phase du cycle selon le même processus. La présente invention prévoit que le dispositif préconisé peut comporter de nombreuses versions de réalisation selon les règles de l'art et les technologies connues. La présente invention prévoit que le procédé proposé peut être mis en application en :utilisant des éléments vaporisants employes de façon cyclique pour déterminer une action de pompage et que la liaison entre ces éléments et les organes de pompage peut être faite non seulement par mode hydraulique mais également par une jonction mécanique par. tige, câble ou autre moyen, ainsi que par tout mode pneumatique adapté au besoin défini Bien que l'utilisation de la tension de vapeur d'un liquide facilement volatil soit particulièrement favorable pour la mise en application du procédé selon la présente invention celle ci prévoit également que le même procédé peut être employé selon les exemples décrits en utilisant la simple dilatation de l'air contenu dans des enceintes soumises ou soustraites alternativement à l'action solaire selon le processus indiqué. Comme il a été précédemment exposé, on comprend également que le débit de pompage est lié en premier lieu à l'énergie solaire captée mais que ce débit est grandement fonction de la fréquence du cycle de pompage. La présente invention prévoit que les dispositifs utilisés pour.la réalisation.du procédé peuvent selon les règles de l'art, utiliser tous les moyens connus utilisables pour.accélérer la fréquence du cycle, tant en pe qui. concerne le choix des matériaux, leur. aspect et leur disposition, qu'en ce qui concerne leur combinaison et leur agencement. Les dispositifs realisables selon le procédé proposé par la présente.invention et dont quelques exemples de réalisation ont été indiqués cidessus sont applicables dans les pays tropicaux ou tempérés pour le pompage des eaux destinées aux besoins domestiques, agricoles ou industriels par le seul emploi de l'énergie solaire. REVENDICATIONS 1.- Procédé permettant le pompage de l'eau par l'effet du rayonnement solaire à l'aide de moyens thermo-hydrauliques simples, a l'exclusion de tout élément électrique ou électronique, caractérisé en ce que l'on utilise une pluralité d'enceintes (1,2) contenant un liquide volatil (5) dont une première série est d'abord soumise à 19ac- tion du rayonnement solaire tandis que l'autre série en est soustraite,puis inversement, la variation de pression résultant des différences de température dans lesdites enceintes (i,2) dues au changement d'orientation de ces dernières et l'effet amplificateur résultant des lois quadratiques de variation des tensions de vapeur dudit liquide volatil étant employés pour actionner une pompe et pour commander le changement cyclique de la série d'enceintes soumises à l'action du rayonnement solaire. 2.- Procéde selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise l'eau puisée pour assurer le refroidissement des enceintes occultes (102,104). 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications let 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison - une pluralité d'enceintes réceptrices (t92) contenant un liquide volatil (5) dont une première série est d'abord soumise à l'action du rayonnement solaire tandis que l'autre série en est soustraite, puis inversement, - une pompe à double effet dont le premier compartiment (8) est relié à la première série desdites enceintes (1) et le second compartiment (17) à l'autre série (2), et - un dispositif hydro-mécanique différentiel (7) à dé clenchement brusque commandant l' exposition au rayonne- ment solaire de l'une desdites séries et l'occultation de l'autre série et étant connecté en parallèle avec ladite pompe. 4.- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que lesdites enceintes réceptrices sont constituées aussi bien par des éléments récepteurs mobiles (46,47, 48,49) que par des éléments récepteurs fixes (101,102 103,104) associés à des réflecteurs mobiles (109,110, 111,112). 5.- Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdites enceintes réceptrices (107) affectent une forme d'un tube (105,106) empli d'un liquide volatil, dont l'une des extrémités est reliée à ladite pompe et audit dispositif hydro-mecanique et qui est poursu longitudinalement d'un réflecteur (109,110,111,112) permettant,soit de présenter ledit tube ( 105,106) au rayonnement solaire, soit de 1 occulter.