Brevet FR2568991A1 — publié le 19860214

L'invention concerne un dispositif autonome de captage et de stockage solaire à faible emprise au sol. On sait que, dans les climats de ciel clair notamment, les dispositifs de captage de l'énergie solaire permettant de "suivre" le soleil ont des rendements annuels et journaliers supérieurs à ceux des dispositifs fixes. A ce jour cependant les dispositifs orientables sont peu utilisés car nettement plus coûteux, fragiles et sensibles aux intempéries. On a proposé dans l'art de placer les récepteurs orientables dans des enceintes transparentes au rayonnement solaire, telles que serres ou enceintes gonflables hemisphèriques; cependant ces installations nécessitent généralement des surfaces importantes de terrain par rapport à la surface réceptrice utile L'objet de l'invention concerne un dispositif simple de faible encombrement horizontal, constituant une unité d'exploitation de l'énergie solaire. Suivant une caracteristique de l'invention, on dispose les éléments récepteurs et concentrateurs de l'énergie solaire dans une enceinte cylindrique étanche à axe vertical formant tour dont les parois sont constituées de matériaux transparents au rayonnement solaire. Suivant une autre caractéristique, le dispositif de réception et de concentration de énergie solaire conçu pour pouvoir tourner autour d'un pylône creux formant axe vertical rigide du dispositif afin de se positionner automatiquement face au soleil tout au long de chaque journée. Cette disposition permet une durée de captation theorique maximum et une réception d'énergie quasi constante pour des latitudes d'implantation voisines ou supérieures à 300. Suivant une autre caracteristique, ltenveloppe transparente et son armature sont stabilisées et contreventées, non seulement par le pylône axial s'etendant de haut en bas, mais également par la masse d'un stockage thermique ou d'un local technique auquel elle est associée, et qui lui constitue une assise et un encastrement dans le sol. Suivant une autre caractéristique, la forme cylindrique ou polygonale de l'ensemble de la centrale lui confère une prise au vent minimum et permet une réception quasi constante du rayonnement solaire quelle que soit l'heure de la journée. La réalisation d'une centrale solaire selon l'invention pourait faire appel à des armatures métalliques revêtues de matériaux plastiques transparents, constituant "revêtement travaillant" de type construction aeronautique conduisant à des construction légère qui pouront être érigées d'un seul tenant, scellées sur le socle formant local technique et éventuellement haubannées dans les sites très ventés. Les matériels récepteurs, concentrateurs et convertisseurs d'énergie solaire incorporés pourront être de préférence : des photopiles en ruban sur support souple, des feuilles de plastique métallisé tendues sur des armatures courbes, des insolateurs tubulaires verticaux fixes enveloppant le pylône central. Le pylône axial pourrait être réalisé par un tube métallique servant de conduite de tirage d'un système de production d'air chaud ou constituer la cheminée d'un dispositif d'appoint à combustible stockable. Les moyens assurant les mouvements d'orientation pourront être des petits moteurs éléctriques ou un système dîhorlogerie animé par descente de poids, ou tout autre dispositif. L'installation suivant l'invention pourra éventuellement être réalisée par étages indépendants, permettant des liaisons horizontales entre l'enveloppe extérieure et le pylône axial. Les éléments récepteurs pourront être constitués de persiennes articulées permettant d'optimiser la réception du rayonnement solaire en hauteur. Accessoirement, l'installation suivant l'invention pourrait servir de support à un éclairage public et à une antenne collective de télévision. Le dispositif selon l'invention convient particulièrement à des zones d'habitat dense à faible hauteur où il peut trouver place aisément dans des espaces restreints publics ou privés. Le dispositif est adapté au chauffage de fluides caloporteurs et à la production d'énergie frigorifique et électrique pour des groupes d'habitations et installations agricoles ou industrielles. L'invention apparaîtra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre, faite en réference aux dessins annexés, et donnant à titre d'exemple un mode de mise en oeuvre. L'installation, est établie, par exemple, dans une région du 38ème parallèle jouissant d'un ensoleillement annuel de 2.000 heures et destinées au chauffage, à la réfrigération et à la production d'eau chaude sanitaire d'une dizaine de maisons bien isolées. Dans ce cas, l'installation devra produire environ 50.000 KW/heure thermiques en vue d'économiser 70% environ de l'énergie nécessaire. Dans ce cas, la centrale de chauffe aura une surface de réflexion de l'énergie solaire de 120 M2 environ, ce qui sera obtenu par une centrale de chauffage de 6 mètreS de diamètre et de 20 mètres de hauteur. La figure 1 montre en vue de face et en coupe verticale avec arrachements un dispositif conçu suivant l'invention et détaillant notamment le réflecteur et le dispositif de rotation. La figure 2 est une vue en coupe horizontale vue du dessus d'une section courante d'un dispositif suivant l'invention, indiquant notamment un mode de réalisation du foyer linéaire vertical du réflecteur cylindro-parabolique et de l'enveloppe transparente. La figure 3 est une variante du dispositif réflecteur. La figure 4 est une coupe verticale en arrachement établie dans le plan médian du réflecteur et du foyer vertical, et détaillant le circuit des fluides et la disposition des matériels d'exploitation de la chaleur solaire du stockage thermique et de la chaudière d'appoint. On se rapportera tout d'abord aux figures 1,2 et 3, dans lesquelles on a figuré la configuration générale d'une installation ayant la forme d'une tour cylindrique à base circulaire ou polygonale, constituée par exemple de trois étages distincts : soit, de bas en haut, l'étage de stockage en sous-sol 1, l'étage formant local technique 2, -l'étage formant captage du rayonnement solaire proprement dit 3. Suivant l'invention, les étages 1 et 2 sont réal isés par exemple en maçonnerie de béton ou en contruction métallique, l'étage 1 constituant stockage thermique étant soigneusement isolé et pouvant être compartimenté en un ou plusieurs réservoirs. L'étage 3 est composé d'une enceinte transparente 4 rigidifiée sur son axe par un pylône tubulaire solidarisé du socle que forme le local technique. Ce pylône tubulaire 5 sert de support à des tendeurs 6 suspendant un anneau rigide 7 sur lequel sont assemblés des tendeurs periphèriques 8 ancrés dans le socle que forme le local technique 2. On conçoit qu'une telle structure autotendante constituée par le pylône axial comprimé et par les tendeurs forme une structure de contreventement extrêmement rigide permettant de suspendre une série d'anneaux formant lisses horizontales circulaires 9, et qui permettront de visser les plaques de revêtement transparentes, par exemple de type plexiglas constituant aventageusement les parois verticales et la toiture de l'enceinte 4. Des haubants tels qu'en 10 permettent un contreventement de sécurité.On a représenté un réflecteur tournant 11 cylindrique et allongé dans le sens vertical; d'une surface d'ouverture de 100 mètres carrés environ. Ce réflecteur 11 est réalisé en feuilles de plastique, en toile métallisée ou par une pluralité de feuillards polis verticaux. Le réflecteur 11 constitue ainsi une sorte de voile, suspendue à une vergue 12 ayant le profil désiré, et articulée au pylône tubulaire 5 par l'intermédiaire d'une potence tournante 13 comportant une tourelle annulaire 14 équipée de galets porteurs 15, et de galets de guidage 16. L'entrainement de l'ensemble est réalisé par un moteur électrique 17 ; d'un engrenage de réduction 18, d'un pignon 19 et d'une couronne dentée 20. Le dispositif d'entrainement pourrait également être un dispositif à friction. L'acquisition et la poursuite du soleil est réalisée par un dispositif optique de controle d'illumination constitué par exem ple, de diodes ou photopiles 21-22, destinées à commander le moteur d'orientation. Afin d'augmenter le rendement du réflecteur, et de diminuer les pertes optiques à son ouvertures basse, l'ensemble du plancher 23 est recouver d'une surface réfléchissante 24. La bonne qualité optique du concentrateur (réflecteur 11) est obtenue par des moyens permettant d'éviter les plis ou déformations locales, et de permettre une dilatation libre sous l'effet de la chaleur ou de refroidissements importants. Pour atteindre cet objectif, la voile formant concentrateur (11) épouse en partie supérieure la vergue courbe horizontale (12) qui constitue la directrice du cylindre ainsi formé. Suivant l'invention, la voile est maintenue sous tension longitudinale et verticale par un ensemble de poids 25 dont les effets de traction sont répartis uniformément par des lattes horizontales flexibles et élastiques 26, cintrées par de fins cables 27 formant cordes, et permettant le maintien du profil à la cambrure souhaitée identiquement sur toute la hauteur. On pourrait utiliser avantageusement le long de la vergue haute ou de la latte basse d'extrémité, des fixations à ressort permettant de compenser les tensions différentielles. On a représenté en coupe verticale sur la figure 1, et en section horizontale sur les figures 2 et 3, la constitution du foyer récepteur 28 désignant une chaudière solaire 29 verticale, enveloppant le pylône axial tubulaire 5 ; et constituée d'une pluralité de tubes verticaux à ailettes 30 métalliques et revêtus d'un traitement sélectif de type Chrome, noir par exemple. La surface réceptrice de la chaudière ou "corps noir" est isolée en face arrière par un matériau 31 et séparée de l'ambiance intérieure par une enveloppe transparente 32 pouvant être par exemple du verre Pyrex, permettant de minimiser les pertes thermiques - notamment à hautes températures - par confinement de l'air surchauffé. Bien évidemment, d'autres types de réalisation sont possibles sans pour autant sortir du cadre de l'invention. On pourra par exemple réaliser l'enveloppe générale sous forme d'un "boudin" gonfflable sous pression, ou par l'assemblage de plaques rigides autoportantes nervurées. Les réflecteurs tournants pourront être réalisés en matériau rigide ultraléger, plastique cellulaire, ou composite en nids d'abeille etc...., revêtu de matériau réfléchissant. Dans ce cas, les réflecteurs mobiles pourront être articulés en deux points. Le foyer recepteur pourra être réalisé par enroulement hélicoidal de canalisations ; ou bien -dans le cas d'un capteur à air en tôle métallique ondulée, cannelée ou pliée à très grande surface d'échange. En se reportant à la figure 4, qui représente l'ensemble de l'installation, on a représenté plus particulièrement le dispositif thermique. On pourra apprécier la compacité des dispositions prévues, ainsi que le raccourcissement des canalisations permettant de hauts rendements, et une grande économie de moyens. Le foyer récepteur 28 recevant le rayonnement solaire direct et réfléchi, est irrigué en boucle fermée par un fluide caloporteur du type "gilotherm", et mis en circulation par une pompe 33. La boucle étant équipée d'en 2 échangeurs 34 et 35 permettant de fournir les calories d'un groupe frigorifique à absorption 36 ou d'un stockage thermique 1 soigneusement isolé, et de préférence enterré pour minimiser les pertes thermiques. Ce stockage pourrait être successive ment utilisé comme stockage chaud en hiver, et stockage froid en été. On a représenté en 37 une chaudière d'appoint utilisant par exemple un combustible stockable, tel que le charbon. Dans ce cas, le pylône tubulaire 5 sert avantageusement de conduite d'évacuation des gaz brûlés. 38 et 39 sont les canalisations isolées de départ et de retour d'eau chaude, ou d'eau froide vers les lieux et appareils d'utilisation pouvant être notamment des planchers chauffants, des plafonds réfrigérants, des ballons de stockage d'eau chaude sanitaire. EVE?DIOATIONS 1. Dispositif destiné principalement au chauffage,à la réfrigération,de fluides ou à la production d'énergie électrique, dont la source d'énergie est constituée partiellement ou en totalité par le rayonnement solaire,caractérisé en ce qu"il est realisé sous forme d'un ensemble monobloc cylindrioue vertical formant tour vitrée transparente à base circulaire ou polyaonalecontenant des moyens de réception, de concentration ou de conver- sion du rayonnement solaire1 ceux-ci étant reliés à des moyens d'orientation par rotation autour d'un axe vertical afin d'être constarn.ent positionnés en azimut face au soleil 2.Dispositif selon la revendication 1 caracterisé en ce qu'il est établi sur un socle formant local technique étau à un ou plusieurs conrenant, pour les usages thermiques un ou plusieurs réservoirs de stockage de préférence en sous-sol, une chaudière d'appoint, des dispositifs d'appoint, associés ou non à une pompe à chaleur ou à une unité de distillation, et pour les. usages de fourniture d'électricité par voie photovoltaloue, un local d'accumulation et un groupe électrogène 3.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de réception et de concentration du rayonnement solaire sont constitués par un miroir à simple courbure de type cylindro-parabolique à génératrices verticales, constitué d'une paroi mince realisée en feui6- les de métal poli ou en plastique aluminisé, suspendue à une vergue rigide horizontale ayant un profil permettant de réaliser la concentration du rayonnement solaire sur un foyer linéaire vertical fixe établi selon l'axe du dispositif, le maintien de cette forme cylindro-parabolique et la qualité du miroir obtenue étant assurés simultanément par la traction d'un ensemble de poids assurant une répartition régulière des efforts par l'intermédiaire de ressorts et par une série de lattes courbes flexibles du type utilisé pour rigibifier les viles de bateau, établies à intervalles réguliers sur toute la hauteur du miroir 4. Dispositif selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce qu'un miroir courbe du -ype cylindro-paraboli- cue à génératrices verticales est constitué de plaques de polystyrène à revêtement réflechissant, assemblées dans un chassis d'alliae léger. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les plaques flexibles sont mises en forme par cintrage en arc sous l'action de fils tendus de manière a vénérer la courbure désirée 6. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'enceinte transparente légère formant tour vitrée est supportée par un mât central formant py lône creux, encastré, scellé ou articulé sur un rassif de béton ou sur le plafond d'un local technique, et sta bilisé pheriquement par une série de tendeurs supportant des anneaux à intervalles rouliers sur lesquels sont vissées les plaques en clastique souple constituant l'en- veloppe 7.Dispositif se on les revendications 1,9 et 6 selon lequel le mât central constitue un pylône creux équipé extérieurement de moyens de réception de l'énergie solaire et formant intérieurement une cheminée dans le cas d' utilisation d'une chaudière d'appoint 8. Dispositif selon les revendications 1, 3 et 4 caractérisé en ce cue le dispositif de rotation du miroir cylindriaue vertical est constitué par une tourelle annulaire pouvant pivoter autour du pylône axial et actionnée par un moteur électrique agissant sur une couronne dentée ou par un contre-poids. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1,3,4 et 8 caractrisé en ce que l'acquisition et la poursuite de la source d'énergie solaire en azimut sont reali sées par un micro-processeur intégrant les données astronomiques du lieu, ou par un asservissement constitué prin cipalementde deux couples de cellules photolectriques séparées chacune par un diaphragme, chacun de ces couples étant établi aux deux extrêmités hautes de la verrue du miroir de telle façon qu'un couple au moins de cellules ne soit pas à l'ombre 10. Dispositif conforme à la revendication 1 selon lequel les moyens de conversion de l'énergie solaire sont des cellules photovoltalques en panneaux ou en rubans, orientables ,positionnés de part et d'autre ou en avant du py lône central .