Brevet FR2572168A1 — publié le 19860425

La présente invention concerne le domaine de l'héliotechnique et a notamment pour objet une installation héliotechnique. L'invention peut être appliquée avec succès notamment aux fours héliothermiques à haute température, aux installations énergétiques solaires, par exemple du type à tour. On connaît une installation héliotechnique (voir le certificat d'auteur URSS nO 267253, 1968, F 24 j 3/02) comportant un récepteur de rayonnement solaire fixe (un concentrateur) et un héliostat. L'héliostat est monté sur un dispositif d'appui et de pivotement assurant son pivotement autour de deux arbres réciproquement perpendiculaires, dont l'un est disposé le long de l'axe du concentrateur (du récepteur de rayonnement solaire). En pivotant autour desdits arbres le dispositif d'appui et de pivotement reflète les rayons solaires dans la direction assignée indépendamment des coordonnées du Soleil sur l'hémisphere céleste au cours de la journée. Avec une telle construction du dispositif d'appui et de pivotement les vitesses angulaires de rotation de l'héliostat par rapport aux axes des arbres du dispositif d'appui et de pivotement sont instables et changent brusquement dans le temps.La variation brusque des vitesses de rotation angulaires de l'héliostat par rapport aux axes des arbres entraîne l'evolution par à-coups de l'héliostat sur son appui. La construction de l'héliostat subit alors des surchages dynamiques, tandis que les rayons réfléchis par le miroir de l'héliostat dérivent par rapport au foyer géométrique du concentrateur (le centre géométrique du récepteur de rayonnement). Les surchages dynamiques sollicitant la construction de l'héliostat imposent un accroissement de la rigidité de la carcasse porteuse, et, donc, une augmentation de la puissance des moteurs d'entrainement de l'héliostat, et la dérive des rayons réfléchis par rapport au centre géométrique du récepteur réduit l'efficacité d'utilisation de l'installation héliotechnique. Une autre installation heliotechnigue connue (brevet français n" 1475393, F24, j, G02b, 08.04.1966) comporte un récepteur de rayonnement solaire et des héliostats montés sur un châssis métallique fixé sur le sol. Le mécanisme d'asservissement des héliostats au mouvement du Soleil comporte des arbres d'entraînement montés sous un angle t égal à la latitude géographique de l'implan- tation de l'installation héliotechnique. Chaque arbre d'entraînement tourne à une vitesse angulaire S constante, égale à la vitesse angulaire de la Terre i)- 15 /h. L'arbre d'entralnement est accouplé, par l'intermédiaire d'un système de leviers, à une tringle, à l'une dè extrémités de laquelle est fixé sous un angle droit miroir de l'héliostat, tandis que la seconde extrémité e la tringle est montée de façon à pouvoir se déplacer longitudinalement dans un guidage et pivoter. Le guidage est fixé rigidement sur l'une des extrémités d'un levier, dont l'autre extrémité est reliée à l'arbre d'entraînement, ledit levier constituant l'un des côtés d'un triangle isocèle dontle sommet se situe au point de son accouplement à l'arbre d'entraînement, tandis que la base du triangle est constituée par la tringle sur laquelle est fixé le A miroir.L'autre coté du triangle isocèle est constitué par un levier accouplé par un bout à l'arbre d'entraînement, et par l'autre, à la tringle sur laquelle est fixé le miroir. Dans le triangle isocèle indiqué, l'un des côtés est orienté dans l'espace de façon à colncider avec la direction du rayon solaire réfléchi par le miroir de l'héliostat, et un autre côté est parallèle aux rayons solaires tombant sur le miroir. La base du triangle isocèle est constituée par la tringle sur laquelle est fixé le miroir, elle constitue la bissectrice de l'angle formé par le rayon solaire tombant sur le miroir de l'héliostat et le rayon réfléchi par le miroir vers le récepteur de rayonnement. Le levier parallèle aux rayons solaires incidents est doté d'un dispositif permettant d'introduire des corrections pour compenser la déclinaison solaire selon les saisons de l'année. La construction du mécanisme d'asservissement de l'héliostat décrite plus haut ne permet pas d'utiliser des miroirs de diamètre dépassant 700-800 mm (voir "A 400 kW high-temperature solar test facility", I.D. Walton, S.H. Bomar, N.E. Pouls, ANSALDO nO 11, 1981), car leur rigidité est insuffisante.D'autre part, la fixation rigide du miroir sur la tringle sous un angle droit entraîne une augmentation de la surface du miroir en comparaison de la surface minimale de ce miroir nécessaire pour éclairer le récepteur de rayonnement au cours de la journée. L'ensemble des circonstances ci-dessus réduit le domaine d'application de l'héliostat ainsi conçu dans les installations héliotechniques de forte puissance et dans les installations exigeant un asservissement très précis au mouvement visible du Soleil, par exemple pour les fours solaires. La présente invention vise donc un héliostat d'installation héliotechnique, dont le schéma cinématique du mécanisme d'asservissement au mouvement du Soleil permettrait d'améliorer la précision d'asservissement, d'assurer une surface minimale du miroir réflecteur de l'héliostat pour éclairer le récepteur de rayonnement solaire durant toute la période de travail, et tenant également compte de la réfraction des rayons solaires. Le problème ainsi posé est résolu du fait que dans une installation héliotechnique comportant un récepteur de rayonnement solaire et un héliostat doté d'un mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil, dont l'arbre d'entraînement est monté, par rapport à la surface de la Terre, sous un angle égal à la latitude géographique de l'emplacement de l'instal- lation héliotechnique, selon l'invention l'héliostat est monté sur un dispositif d'appui et de pivotement réalisé avec deux arbres réciproquement perpendiculaires, dont un arbre, ou arbre principal, est orienté dans la direction du rayon réfléchi par la surface du miroir de l'héliostat, tandis que le mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil est réalisé sous la forme d'une tringle rigide dirigée vers le Soleil et d'une tige télescopique, reliées entre elles, l'une des extrémités de la tringle rigide étant accouplée à l'héliostat au moyen de coulisseaux montés sur des glissières fixées sur l'arbre d'entraînement au point d'intersection de son axe avec l'axe de l'arbre principal du dispositif d'appui et de pivotement, et la tige télescopique étant accouplée à l'arbre d'entrainement. Pour tenir compte de la réfraction des rayons solaires, il est avantageux de doter le mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil d'un arbre mené, monté coaxialement à l'arbre principal du dispositif d'appui et de pivotement au point d'intersection des axes de l'arbre d'entraînement et de l'arbre principal du dispositif d'appui et de pivotement, et avec possibilité d'être déplacé le long de l'axe de l'arbre principal la tringle rigide étant réalisée réglable en longueur. L'invention proposée permet de réduire la surface totale du miroir, nécessaire pour éclairer le récepteur de rayonnement solaire durant toute la journée de travail de l'installation héliotechnique, d'augmenter la surface de réflexion d'un héliostat unitaire, ce qui permet de réduire le nombre d'heliostats unitaires nécessaires pour obtenir la puissance thermique assignée. La chaîne cinématique du mécanisme d'asservissement de l'heliostat permet de réaliser un asservissement "aveugle", c'est- -dire même lorsque le Soleil est caché par les nuages. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celleci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en réference aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une installation héliotechnique conforme à l'invention - la figure 2 montre la chaîne cinématique du mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil, selon l'invention - la figure 3 représente la structure de l'ensemble de correction tenant compte de la réfraction, selon l'invention - la figure 4 est une vue axonométrique de l'installation héliotechnique conforme à l'invention. L'installation héliotechnique selon l'invention comporte un récepteur 1 du rayonnement solaire (un concentrateur) et un héliostat 2 monté sur un dispositif d'appui et de pivotement 3 réalise sous forme de deux arbres 4 et 5 perpendiculaires l'un à l'autre. L'arbre principal 4 coïncide avec la ligne 6 reliant les centres géométriques du récepteur de rayonnement 1 et de l'héliostat 2, tandis que l'autre arbre 5 est perpendiculaire à l'arbre principal 4. Le mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil est réalisé sous la forme d'un arbre d'entraînement 7 et d'une tringle rigide 8 accouplée à une tige télescopique 9. L'une des extrémités de la tringle rigide 8 est accouplée par une jonction articulée à l'arbre d'entraînement 7 au point A d'intersection de l'axe de l'arbre principal 4 avec l'axe de l'arbre d'entraînement 7. L'autre extrémité de la tringle rigide 8 est reliée à l'héliostat au moyen de coulisseaux 10 montés sur des glissieres 11 fixées sur la carcasse portante 12 de l'héliostat 2. L'arbre d'entraînement 7 est monté de façon à pouvoir pivoter en synchronisme en suivant le mouvement visible du Soleil.La longueur L de la tringle rigide 8 est égale à la distance S entre, d'une part, le point B d'intersection de l'axe de l'arbre principal 4 et de l'axe de l'arbre 5 du dispositif d'appui et de pivotement 3, et d'autre part, le point A. La tige télescopique 9 est articulée à l'arbre d'entralnement 7 et à la tringle rigide 8. Si le mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil comporte un ensemble 13 (figure 2) de correction tenant compte de laréfraction, la tringle rigide 8 est accouplée, au point A, à un arbre mené 14 coaxial à l'arbre principal 4 du dispositif d'appui et de pivotement 3. L'arbre d'entraînement 7 est articulé en 15 à la tringle rigide 8 au moyen de la tige télescopique 9. L'ensemble 13 (figure 3) de correction tenant compte de la réfraction se compose d'une articulation 16, au moyen de laquelle la tringle rigide 8 est accouplée à l'arbre mené 14, et qui est mobile le long de l'arbre mené 4, et d'un mécanisme 17 de déplacement de l'articulation 16. L'ensemble 13 comporte également une tige télescopique 18 qui permet de régler la longueur de la tringle rigide 8. L'arbre d'entralnement 7 (figure 4) du mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil est monté sous un angle f par rapport à la surface de la Terre. Cet angle est égal à la latitude géographique de l'emplacement de 1'héliostat 2. La trinqle rigide 8 forme avec la ligne AB un angle aigu dont le sommet se situe au point A. La normale N à la surface de l'héliostat 2 représente la bissectrice de cet angle aigu. L'installation héliotechnique fonctionne de la façon suivante. Au début de la journée de travail, on ajuste la tringle rigide 8 (figure 1) sur la déclinaison journalière du Soleil en modifiant la longueur de la tige télescopique 9, la tringle rigide 8 étant ainsi dirigée vers le Soleil. L'arbre d'entraînement 7 commence à tourner avec une vitesse angulaire constante 0 égale à 150/h, sur le signal de l'heurte précise. La tringle rigide 8 effectue un mouvement de rotation qui est transmis à partir de arbre daentrainement 7, les coulisseaux 10 se déplaçant alors sur les glissières il fixées à la carcasse 12 de lthéliostat 2. Le mouvement des coulisseaux 10 provoque le pivotement de l'héliostat 2 par rapport aux axes des arbres 4 et 5 du dispositif d'appui et de pivotement 3.De ce fait, lihEliostat accomplit un mouvement complexe par rapport au point B en tant que centre de rotation, tandis que la normale t à la surface de lBhXliostat 2 reste en permanence la bissectrice de l'angle aigu, formé par la ligne AB reliant les centres géométriques du récepteur de rayonnement 1 et de l'héliostat 2, et la tringle rigide 8. Par conséquent, les rayons solaires réfléchis par le miroir de l'héliostat 2 restent dans un plan passant par le centre du disque solaire et la ligne 6 et sont dirigés vers le long de cette dernière. Aux jours ou aux heures de travail de l'installation héliotechnique, lorsque la hauteur du soleil est inférieure à 30s, la réfraction joue un rôle important pour la précision de l'asservissement. Affin de tenir compte de la réfraction, il est prévu un ensemble 13 (figure 2) qui permet dlintroduire une correction de l'asservissement au Soleil. A cet effet en faisant tourner la manivelle du mécanisme 17 (figure 3), on déplace d'une certaine valeur l'articulation 16 le long de la ligne 6 (figure 1) en réglant simultanément la longueur de la tringle rigide 8 à l'aide de la tige télescopique 18, afin de maintenir l'égalité des distances L et S, pour que l'angle entre la position précédente de la tringle rigide 8 et la nouvelle position reste égal à la valeur de la réfraction maximale au jour considéré. Le mouvement de rotation de l'arbre d'entra;- nement 7 est alors transmis par l'intermédiaire de la tige télescopique 9 et de l'articulation 15 (figure 2) à la tringle rigide 8, qui tourne avec l'arbre mené 14. En conséquence, les coulisseaux 10 (figure 1) se déplacent le long des glissières 11. La surface réfléchissante de l'héliostat 2 accomplit alors un mouvement complexe par rapport au centre de rotation, au point B. Ainsi, en prévoyant dans le mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil un arbre mené 14 relié à la tringle rigide 8, et en transmettant le mouvement de rotation de l'arbre d'entraînement 7 à la tringle rigide 8 par l'intermédiaire de la tige télescopique 9, on améliore la rigidité de la construction. La prise en compte de la réfraction des rayons solaires et l'amélioration de la rigidité de la construction de la chaîne cinématique du mécanisme d'asservissement permettant d'améliorer la précision de l'asservissement. La rotation de la surface réfléchissante de l'héliostat 2 par rapport au point d'intersection des arbres 4 et 5 du dispositif d'appui et de pivotement 3 assure la coïncidence du plan de réflexion avec le grand demi-axe de l'ellipse formée par la projection du récepteur 1 sur le plan de l'héliostat au début ou à la fin de la journée de travail. Ceci permet d'éclàirer le récepteur de rayonnement 1 durant toute la journée de travail de l'installation héliotechnique, et ce, avec une surface minimale des miroirs de l'héliostat 2. REVENDICATIONS 1.- Installation héliotechnique comportant un récepteur de rayonnement solaire (1) et un héliostat (2) doté d'un mécanisme assurant l'asservissement au mouvement visible du Soleil, et dans lequel l'axe de l'arbre d'entraînement (7) est disposé, par rapport à la surface de la Terre, sous un angle X égal à la latitude géographique de l'emplacement de l'installation héliotechnique, caractérisée en ce que l'héliostat (2) est monté sur un dispositif d'appui et de pivotement (3) réalisé sous la forme de deux arbres (4 et 5) perpendiculaires l'un à l'autre, dont l'arbre principal (4) est dirigé suivant le rayon réfléchi par le miroir de l'héliostat (2), et en ce que le mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil est réalisé sous la forme d'une tringle rigide (8) orientée vers le Soleil et d'une tige télescopique (9),accouplées l'une à l'autre, une extrémité de la tringle rigide (8) étant accouplée à l'héliostat (2) par l'intermédiaire de coulisseaux (10) montés sur des glissières (11) fixées sur la carcasse portante (12) de l'héliostat (2), l'autre extrémité de la tringle rigide (8) étant accouplée à l'arbre d'entraînement (7) au point (A) d'intersection de son axe avec l'axe de l'arbre principal (4) du dispositif d'appui et de pivotement (3), la tige télescopique (9) étant en outre accouplée à l'arbre d'entrainement (7). 2.- Installation héliotechnique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mécanisme d'asservissement au mouvement visible du Soleil est doté d'un arbre mené (14) monté coaxialement à l'arbre principal (4) du dispositif d'appui et de pivotement (3) au point (A) d'intersection des axes de l'arbre d'entraine- ment (7) et de l'arbre principal (4) du dispositif d'appui et de pivotement (3) et de façon à pouvoir se déplacer le long de l'axe de l'arbre principal (4), la tringle rigide (8) étant réalisée de manière à permettre le réglage de sa longueur (L).