Brevet FR2608741A1 — publié le 19880624

La présente invention concerne un héliostat et une association de ces héliostats pour constituer le collecteur d'un capteur solaire. Le principe de fonctionnement d'un tel capteur solaire, et en particulier, les héliostats, pièces constitutives principales du collecteur d'un tel capteur solaire sont décrits ci-après. r - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Si l'on considère le schéma n fig 4 Le soleil est la source S qui peut etre considérée comme à l'infini, les rayons directs r sont donc parallèles. En réalité, nous savons que nous voyons, de la terre, le disque solaire sous un angle de 32' d'arc. On tiendra compte de cette réalité dans les calculs relatifs au récepteur R Deux réflecteurs M1 et H2 reço ivent le rayonnement direct en provenance du soleil et renvoient les rayons sur le récepteur R . Pour satisfaire cette condition, il suffit que les normales des réflecteurs N, de M1, N2 de M2 soient bissectrices des angles R H, S et R M2 S. R M1 S = R M S = Lorsque le soleil vient dans une position S' ; rotation de la terre d'un angle #t , nous pouvons toujours admettre que M, S' et M2 S' sont parallèles, et comme M, M2 est petit devant M, S' ou M2 S', l'on en déduit. S M1 S' = S H2 S' = Si les réflecteurs M, et M2 sont orientés pour réfléchir le rayonnement reçu, en R, lorsque le soleil est en S , un changement d'orientation de #/2 pour chacun de ces deux réflecteurs lorsque le soleil est S' permet encore de renvoyer le rayonnement sur R. Ce raisonnement pouvant etre généralisé pour n réflecteurs. Enfin, si on imagine un système d'axes de repérage t o, x, y, z ] passant par le centre de R, chaque miroir réflecteur à une position par rapport à R, telle que x1 x2 xi xn M1 y1 M2 y2 Mi yi Mn yn z1 z2 zi zn Si pour une position donnée de la source S, les miroirs M sont orientés pour réfléchir le rayonnement direct sur R , ces miroirs réfléchissent encore le rayonnement sur R pour une position S' de S (soleil) si l'on fait tourner les miroirs H du demi-angle SHS' , puisque S M1 S' = S H2 S' = S Mi S' = S M n La position par rapport à R des miroirs réflecteurs M n'a d'influence que sur le "calage origine" des miroirs M (a et ss pour M1 , M2 ). On a toujours &alpha; - ss = constante. II - CONSTITUTION - DESCRIPTION DES PRINCIPAUX ORGANES Ce capteur est du type à concentration linéaire et est constitué des organes principaux suivants 10) Le réflecteur dont le but est de collecter puis de concentrer le rayonnement. Le réflecteur est constitué par l'association d'héliostats. 2 ) Le récepteur ou chaudière, chargé de transformer le rayonnement en chaleur. L'évacuation des calories produites se faisant grâce à un fluide caloporteur circulant dans ce récepteur. 30) Un mécanisme de commande d'orientation du réflecteur. 40) Un système de contrôle commande permettant le suivi du soleil et intégrant toutes les sécurités. 1 - LC REFLECTEUR I1 est constitué d'un ensemble de lames parallèles ou héliostats, articulés aux extrémités. Ces héliostats font l'objet d'une description détaillée ci-après. Chacune de ces lames a un calage" d'origine qui permet la réflexion du rayonnement sur le récepteur R. Ce réglage d'origine est facile à effectuer, en utilisant un laser par exemple, ou par mesure directe d'angle. En effet, en fonction de sa position par rapport au récepteur R et à l'axe de symétrie du réflecteur, chaque héliostat à une orientation d'angle W déterminée. La figure nO 2 illustre ce qui vient d'etre énoncé. Elle représente un capteur dont les laies sont articulées dans un plan. Cette disposition est simple à mettre en oeuvre mais le principe du capteur est conservé pour d'autres dispositions : par exemple, les axes de rotation des héliostats peuvent être sur les génératrices d'un cylindre. A - RLEHENT REElRCEIS5ANT OU RRlTOSTAT L'association de plusieurs éléments réfléchissants ou héliostats permet de constituer un collecteur solaire. Le rayonnement solaire incident capté par le collecteur peut etre renvoyé sur une cible, en l'occurrence une chaudière qui permet la transformation du rayonnement en chaleur. Une des caractéristiques essentielle des héliostats est leur pouvoir réflecteur. Le miroir, obtenu à partir de verre plat, argenté sur la face arrière possède un bon pouvoir réflecteur et constitue une solution intéressante pour a fabrication d'héliostats car c'est un produit bon marché. Cependant, un miroir souiis aux conditions atmosphériques extérieures reste un élément très fragile, qui perd rapidement une partie de son pouvoir réflecteur si on n'adopte pas des solutions permettant une protection efficace de l'argenture. Il existe des solutions connues pour assurer la protection de l'argenture telles que : vernis de protection, plaque de verre collée sur la face argentée constituant ainsi un miroir sandwich. il faut en fait trouver une solution économique qui garantisse le plus longtemps possible les qualités du miroir qui rappelons-le, possède à l'état neuf un bon coefficient de réflection du rayonnement solaire. Les dispositions constructives décrites ci-après permettent la réalisation d'héliostats dans des conditions économiques satisfaisantes tout en garantissant la tenue dans le temps des miroirs utilisés. a) Avec un profilé métallique à section rectannulaire La figure 3 représente la partie centrale de l'héliostat qui est consti - tuée par un support métallique - tube à section rectangulaire 4 des miroirs plans rectangulaires 7 collés sur la face du tube, une colle 3 dont les bourrelets se feront sur les côtés si les miroirs sont un peu moins larges que le tube. En utilisant une colle silicone par exemple qui reste souple après polymérisation, les petits écarts dimensionnels dus à des variations de température entre support et miroirs seront acceptés. L'encollage étant total et ltépais- seur de colle suffisante pour qu'il se forme un bourrelet comme représenté sur la fig. & ce qui empêche les entrées d'air ou d'eau entre le miroir et la face supérieure du tube. On obtient par cette disposition un sandwich métal verre et l'argenture étant prisonnière entre ces deux couches imperméables ne peut pas s'altérer. b) Une solution similaire mais améliorée est également présentée sur les figures 4 et 5 . Le profilé métallique représenté en coupe sur la figure 4 comporte une face plane à la partie supérieure a , bordée de tombées c de faible hauteur. Les miroirs sont collés sur cette face. Les tombées c évitent les coulées de colle et font également une protection très efficace des champs des miroirs. Les miroirs étant d'une largeur lége- relent inférieure à celle du profilé, il se forme un bourrelet de celle (fig. 5 détail.l.) qui cose dans la solution décrite précédemment constitue un véritable joint d'étanchéité et empêche toute infiltration d'air ou d'eau entre la face inférieure du miroir (argentée) et la face supérieure du pro filé. L'intérêt de la solution décrite est donc d'obtenir un héliostat ( teste): - facile à réaliser et économique, - assurant une protection efficace de l'argenture des miroirs par un col lage total, y compris vers les tranches, par la formation d'un bourrelet de colle faisant joint d'étanchéité et évitant les entrées d'air ou d'eau entre miroirs et profilé. c) La figure 6 représente une extrémité de l'héliostat. Le palier d'ex trémité est constitué par une rotule 19 fixée sur un support 3 et sur le tube l pièce principale de l'héliostat par l'intermédiaire de la pièce 10 . L'héliostat est ici représenté en coupe longitudinale. Le miroir 2 (miroir plan) est collé sur la face supérieure du tube. Le tube devra être en un matériau inoxydable ou avoir reçu une protec tion anti-corrosion. 2 - Le MBCANISNE D'ORIENTATION DES HELIOSTATS CONSTITUANT LE REFLECTEUR Compte tenu que toutes les lames ou héliostats pivotent d'un même angle e e étant le demi angle fait par le soleil entre les instants t, et t2 par exemple - on peut utiliser le système à parallélogrammes fig. 7 et décrit ci-après. Les biellettes a forment avec chaque lame un angle ç , W1 pour la biellette a1 , W2 pour la biellette a2 ... Chaque biellette est solidaire d'une lame. La rotation d'une biellette autour de l'axe longitudinal de l'héliostat (lame) provoque la rotation de ce dernier du même angle. L'angle W est constant et représente un angle de calage initial. Cette disposition ayant déjà été expliquée par la figure 2. On a donc pour chacune des lames un angle W, fonction de la position de la lame (héliostat) par rapport au récepteur R et à l'axe de symétrie du réflecteur. La barre 10 fig. 7 permet la manoeuvre simultanée des biellettes a Les points 1, 2, 3, 4, 5, 6 ... représentent des articulations. C O N S I D E R A T I O N S D'O R D R E A B R O D Y N A M I Q U B Plusieurs solutions sont possibles pour concentrer le rayonnement solaire. Dans le cas de la concentration linéaire, le système à laies mobiles est particulièrement avantageux et -intéressant d'un point de vue aérodynamique, ce que nous allons montrer ci-après. 1 - VARIATION DE LA RESULTANTE AeRODYNAKIQUE SUR UNE SURFACE PLANE EN FONCTION DE L , 1 Soit L la longueur et 1 la largeur. Nous savons que la valeur de la résultante aérodynamique est donnée par la relation F = k.Cx # S V 2 e étant la masse volumique de l'air Cr le coefficient de trainée S la surface = L x 1 V la vitesse du vent On définit un coefficient > L Les essais en soufflerie montrent - l'importance du rapport #. - une résultante maxi pour = l à une incidence voisine de 400 pour une plaque plane. 2 - POSITION DB Lb RESULTANTE AERODINAMIQUE A une incidence i = 900 R est au centre de gravité de la plaque rectangulaire P Lorsque i diminue R se rapproche du bord d'attaque et par exemple pour i compris entre 5 et 100, R est située entre 25 et 30 X de la profondeur. 3 - INFLUENCE DE LA VALEUR ET DE LA POSITION DE LA RESULTANTE AERODYNAMIQUE Dans le cas ou la plaque est articulée et soumise à l'action du vent, la résultante aérodynamique R va créer un couple de rotation fonction de la valeur et de la position de R R = f () C = R d. avec d = k'l. Pour une surface S donnée, nous pouvons comparer le couple créé pour n plaques de surface S n 10) Pour des plaques de surface S = L n n Nous avons pour une plaque R = k S d = k' n n C = R d = k S k' 1 n Pour n plaques de surface S n C t n nC = k S k' n n 2 ) Alors que pour une plaque de surface S nous aurions R=kS d = k'l C = Rd = k S k'l On voit ainsi que pour la iême superficie S, n plaques de superficie-5engen- n drent un couple n fois plus petit qu'une plaque unique de superficie S. Et compte tenu du fait que sera plus faible dans le cas de n plaques, la résultante pour une incidence donnée autre que 900 sera également plus faible que dans le cas de la plaque unique (voir courbes diagramme 1). 4 - CONCLUSION Un réflecteur de capteur solaire de surface S nécessitera un couple de maintien ou de positionnement pour le suivi du soleil, au moins n fois plus faible si ce réflecteur est composé de n plaques orientables, de superficie jb que s'il était composé d'une seule plaque orientable de superfice S. Le raisonnement que nous avons conduit avec des plaques planes reste valable pour toute autre forme. REVENDICATIONS 1. - Héliostat caractérisé en ce qu'il est constitué par des miroirs plans collés sur un tube de section rectangulaire ou sur la face plane de la partie supérieure (a) d'un profilé métallique, cette face plane étant bordée de tombées (c) de faible hauteur. 2. - Héliostat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs sont collés sur toute leur surface et sur le tube ou profilé métallique à l'aide d'une colle présentant des caractéristiques mécaniques appropriées après réticulation} de résistance au cisaillement et de souplesse, de manière à ce que l'ensemble miroirs, colle et tube ou profilé constitue un sandwich. 3. - Héliostat réalisé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est monté sur deux articulations fixées aux extrémités du tube, permettant ainsi sa rotation autour d'un axe passant par ces articulations. 4. - Association d'héliostats réalisés suivant les revendications 1 2 - 3, caractérisée en ce qu'elle constitue le collecteur d'un capteur solaire à lames mobiles, ces héliostats étant placés dans un plan, sur un cylindre ou suivant une géométrie appropriée. 5. - Collecteur de capteur solaire constitué de plusieurs lames ou héliostats réalisés suivant les revendications 1 - 2 - 3 caractérisé en ce que les axes des héliostats sont parallèles et commandés par un même système permettant à tout moment le bon positionnement desdits héliostats de façon à réfléchir le rayonnement sur un récepteur placé dans une position définie.