Brevet FR2930051A1 — publié le 20091016

Paroi optique asymétrique La présente invention concerne à titre principal une paroi qui laisse passer la lumière principalement dans un sens. Le principal objectif poursuivi par la présente invention est de piéger la lumière dans un volume, pour améliorer la luminosité dans un volume, ou pour produire la chaleur. La présente invention est une paroi, comportant : • un réseau lenticulaire 1, comportant une pluralité de dispositifs 10 optiques 10a, 10b et suivants dits lentilles élémentaires, qui sont des systèmes optiques convergents, • et une surface 2 située à proximité du domaine des centres focaux desdites lentilles élémentaires, dite surface de focalisation, caractérisée par le fait que ladite surface de focalisation 2 se 15 transforme sous l'effet de la chaleur pour passer d'un état sensiblement opaque à une température dite � basse �, à un état sensiblement transparent à une température dite � élevée �. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : ^ ladite surface de focalisation 2 est une pellicule d'un matériau qui 20 est opaque à la température dite basse et transparent à la température dite haute ; ^ ladite surface de focalisation 2 est une pellicule composée d'éléments élémentaires d'un matériau qui se rétracte lorsqu'il passe de la température dite basse à 12. température dite haute ; 25 ^ la paroi 2 comprend deux feuilles 2a et 2b dont la plus éloignée du réseau lenticulaire 1 a les :aractéristiques optiques d'une vitre sans tain ; ^ une image est située sur l'un des constituants de la paroi 2 ; ^ une surface de diffusion lumineuse 3 est située à distance de la 30 surface de focalisation 2 pour recevoir et diffuser de façon homogène les rayons lumineux issus de la surface de focalisation 2 ; ^ l'espace entre le réseau lenticulaire 1 et la surface de focalisation 2 est un volume d'air gonflable. ^ le réseau lenticulaire 1 est constitué par deux feuilles souples 35 transparentes remplies d'un liquide. ^ la surface de focalisation 2 comporte des alvéoles dans lesquelles est enfermé le matériau qui est opaque à la température dite basse et transparent à la température dite haute. ^ la périphérie d'une alvéole est constituée par une ligne de soudure 40 entre les deux parois 2a et 2b. L'invention sera bien comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, laquelle est illustrée par les figures 1 à 3 qui représentent toutes des dispositifs selon l'invention. 45 La figure 1 représente une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention dans un premier mode de réalisation Les figures 2 et 3 représentent un dispositif selon l'invention dans un second mode de réalisation, la figure 2 étant une vue en perspective et la figure 3 une vue en coupe. 50 Les rayons lumineux issus du soleil, lorsqu'ils traversent un réseau lenticulaire 1, sont concentrés par chacune des lentilles élémentaires 2 10a, 10b et suivantes dudit réseau, pour former un point lumineux sur la surface de focalisation 2 desdites lentilles élémentaires. La rotation de la terre autour de son axe a pour effet de faire décrire une trajectoire à ce point lumineux au cours de la journée, et la révolution de la terre autour du soleil a pour effet de modifier cette trajectoire d'un jour à l'autre, selon les saisons. Par convention, dans la présente description, la zone située du côté du soleil est dénommée 1' � extérieur �, et la zone située de l'autre côté du dispositif est dénommée 1' � intérieur �. Si la surface de focalisation 2 est transparente, les rayons lumineux provenant de l'extérieur peuvent passer à travers ladite surface pour arriver à l'intérieur, mais dans le cas contraire, deux cas sont possibles : - si la surface de focalisation est claire, ils sont réfléchis et 15 repassent à travers le réseau lenticulaire 1 pour retourner vers l'extérieur ; - si la surface de focalisation est sombre, ils sont transformés en chaleur. Si la surface de focalisation 2 est transparente, les rayons lumineux 20 provenant de l'intérieur peuvent passer à travers ladite surface pour arriver à l'extérieur à travers le réseau lenticulaire 1, mais dans le cas contraire, deux cas sont possibles : - si la surface de focalisation est claire, ils sont réfléchis et repassent à travers le réseau lenticulaire 1 pour retourner vers 25 l'intérieur ; - si la surface de focalisation est sombre, ils sont transformés en chaleur. Pour conserver le maximum de lumière à l'intérieur, il est donc avantageux que : 30 1. les rayons lumineux les plus puissants issus de l'extérieur passent à travers ladite surface de focalisation 2 pour arriver à l'intérieur, et donc que la surface de focalisation soit transparente à l'endroit où ces rayons la traversent, 2. la plus grande partie des rayons lumineux issus de l'intérieur ne 35 passent pas à travers la surface de focalisation, mais soient au contraire soit transformés en chaleur soit réfléchis vers l'intérieur. Il faut donc pour cela que la surface de focalisation soit transparente aux emplacements où elle est traversée par les rayons lumineux les plus 40 puissants, comme par exemple ceux du soleil, mais ne le soit pas aux autres emplacements. Le principe de la présente invention consiste à utiliser la lumière et/ou la chaleur pour obtenir une modification de la structure ou de l'état du matériau constituant la surface de focalisation, de façon à obtenir ce 45 résultat. Une façon simple d'y parvenir selon l'invention consiste à ce que la surface de focalisation soit brûlée par la concentration des rayons lumineux issus du soleil et concentrés par une lentille élémentaire 10. Cette méthode non réversible est très simple à réaliser avec du papier 50 fin comme celui d'une cigarette. De nombreux moyens connus peuvent être mis en œuvre pour éviter la propagation du feu, comme par exemple la séparation de petits éléments de papier séparés par de l'air ou par un matériau incombustible. La non réversibilité de cette méthode n'est pas très grave, dans la 55 mesure où seule une partie de la voûte céleste est parcourue par le soleil, et où donc de petites parties seulement de la zone de focalisation deviennent transparentes au fil de l'année. Une autre méthode, qui offre l'avantage d'être réversible, ccnsiste à enduire la face arrière d'un réseau lenticulaire d'une couche de cire 5 colorée, par exemple en blanc. La concentration des rayons du soleil sur certaines petites zones de ladite surface de focalisation 2 fait fondre la cire qui devient transparente. Lorsque le soleil se déplace, la cire fond à un endroit différent. L'avantage par rap:pert à la méthode précédente est que la cire 10 se refroidit et redevient blanche à l'emplacement où l'image du soleil n'est plus présente. D'une façon plus générale, il suffit ainsi que ladite surface de focalisation 2 soit une pellicule d'un matériau qui est opaque à la température dite basse et transparent à la température dite haute. C'est 15 le cas de la cire, mais aussi de nombreuses huiles qui se figent à basse température. Une autre méthode consiste à utiliser comme surface de focalisation 2 une pellicule composée d'éléments élémentaires d'un matériau qui se rétracte lorsqu'il passe de la température dite basse à la température dite haute; 20 De petites billes ou de petits disques d'un matériau thermo-rétractable, enfermées entre deux parois transparentes, peuvent constituer une telle surface de focalisation selon l'invention. Un dispositif selon l'invertcon peut avantageusement comporter deux parois : une paroi 2a et une paroi 2b qui ont toutes les deux la 25 propriété de se transformer sous l'effet de la chaleur pour passer d'un état sensiblement opaque à une température dite � basse �, à un état sensiblement transparent à une température dite � élevée �. Les deux parois sont alors avantageusement de couleurs différentes de telle sorte que 30 - la paroi extérieure reflète la lumière issue d'autres sources extérieures que la source principale (ex. le soleil), afin d'offrir une bonne esthétique à l'environnement du dispositif tandis que la paroi intérrieurje renvoie vers l'intérieur l'énergie lumineuse issue de l'intérieur, soit sous forme de lumière soit 35 sous celle de chaleur Il est avantageux que le matériau de l'une de ces parois ne puisse se mélanger avec celui de l'autre paroi. Ceci est facile à réaliser en disposant une feuille transparente entre les deux parois. Lorsque l'objectif est de transformer la lumière du soleil en chaleur à 40 l'intérieur, la paroi extérieure est avantageusement blanche, et l'autre noire. Un autre perfectionnement consiste à ce que la paroi 2 la plus éloignée du réseau lenticulaire 1 ait les caractéristiques optiques d'une vitre sans tain. Cela n'empêche pas les rayons du soleil de la traverser pour 45 entrer à l'intérieur, mais a l'avantage de réfléchir l'essentiel des rayons lumineux se propageant à l'intérieur. Pour améliorer l'esthétique du dispositif, il est particulièrement avantageux de disposer une image sur la face extérieure de la paroi 2a, laquelle peut être codée de façon à offrir de nombreuses images 50 d_fférentes au spectateur lorsqu'il se déplace à l'extérieur du dispositif. Ces techniques son-_ connues. Avantageusement, cette image est imprimée directement sur la paroi 2a la plus proche du réseau lenticulaire, qui est transparente, tandis que la paroi 2b est opaque et blanche lorsqu'elle est à la température dite 55 � basse �. 4 Un perfectionnement du dispositif, lorsque l'objectif est d'augmenter la :Lumière à l'intérieur, consiste à disposer une surface de diffusion lumineuse 3 à distance de la surface de focalisation 2 pour recevoir et diffuser de façon homogène les rayons lumineux issus de la surface de focalisation 2. Idéalement, cette surface est située à une distance telle que les rayons lumineux issus du soleil sont répartis régulièrement sur cette surface. L'homme de l'art sait calculer la distance entre ladite surface de focalisation 2 et ladite surface de diffusion 3 : c'est à peu près la longueur focale des lentilles élémentaires 10a, 10b et suivantes du réseau lenticulaire 1. Pour concentrer au maximum les rayons du soleil sur la partie la plus petite possible de la surface de focalisation 2, il est avantageux d'utiliser des réseaux lenticulaires à lentille sphérique, et tout particulièrement des lentilles élémentaires 10a, 10b et suivantes organisées en nid d'abeilles comme cela est représenté sur la figure 1. Cn peut aussi, sans sortir du cadre de cette description, utiliser des réseaux lenticulaires à lentilles cylindriques croisées, comme celles décrites dans la demande française FR 02-00113 du 07 01 2002. Dans le même objectif, il est souhaitable que le rapport entre la distance focale et 1a surface pupillaire de chaque lentille élémentaire soit le plus faible possible,. Ceci est obtenu facilement lorsque chaque dispositif optique élémentaire 10 est composé de deux lentilles convergentes superposées. On peut, sans sortir du cadre de l'invention, utiliser toutes sortes de systèmes optiques convergents pour la constitution du réseau lenticulaire, comme par exemple des lentilles de Fresnel. Une solution particulièrement avantageuse, non représentée, consiste à créer un double vitrage dont • la vitre extérieure reçoit sur sa face inférieure un réseau 30 lenticulaire composé de lentilles de Fresnel en matériau de synthèse bon marché qui peuvent être obtenues par calandrage ou par tout autre moyen, • et la vitre intérieure est constituée par deux feuilles 2a et 2b séparées par un cloisonnement empêchant la circulation entre les 35 deux feuilles 2a et 2b d'un matériau ayant la propriété d'être opaque à la température dite basse et pouvant être liquide et transparent à la température dite haute. Dans un second mode de mise, en oeuvre de l'invention, représenté aux figures 2 et 3, le dispositif est constitué par la superpos__tion de 40 feuilles souples et étanches soudées entre elles. Le réseau lenticulaire 1 est constitué de deux feuilles la et lb entre lesquelles on peut enfermer un liquide comme de l'eau ou toute autre matière dont l'indice de réfraction est différent de celui de l'air. La surface de focalisation est constituée de deux feuilles 2a et 2b qui 45 sont reliées entre elles par de nombreuses petites cloisons de telle sorte que l'ensemble constitue un grand nombre de petites alvéoles. Le matériau qui est opaque à la température dite basse et transparent à la température dite haute peut être introduit dans chacune de ces alvéoles avant la fermeture des alvéoles. L'avantage de cette solution est que ce 50 matériau, qui peut être liquide ou devenir liquide à une certaine température, ne peut pas circuler d'une alvéole à l'autre. Ainsi, lorsqu'une alvéole devient chaude et transparente, ses voisines peuvent rester opaques. L'un des procédés les plus simples pour réaliser ces alvéoles consiste à 55 ce que la périphérie d'une alvéole soit constituée par une ligne de soudure entre les deux parois 2a et 2b. Il suffit pour cela par exemple de souder ensemble deux feuilles de PVC dont l'une au moins est souple ou préalablement déformée par thermoformage, les soudures décrivant par exemple un nid d'abeilles (non représenté). La matière se transformant sous l'effet de la chaleur pour passer d'un état sensiblement opaque à une température dite � basse �, à un état sensiblement transparent à une 5 température dite � élevée � peut être introduite préalablement entre les deux couches de PVC soit sous forme de poudre, soit sous forme d'une plaque, soit encore sous forme d'un réseau de petits éléments destinés chacun à une alvéole. Ces petits éléments peuvent être reliés entre eux par une partie qui fond lors de la soudure fermant l'alvéole. L'homme de l'art peut régler la distance entre les lentilles du réseau lenticulaire 1 et la surface de focalisation 2 de telle sorte que l'image du soleil sur ladite surface de focalisation occupe plus qu'une alvéole, et que la dimension de chaque lentille élémentaire soit suffisante pour que la chaleur de l'image du soleil reste suffisante pour que l'image du soleil rende toujours au moins une alvéole transparente. Un autre avantage du mode de mise en oeuvre représenté aux figures 2 et 3 est que l'on peut gonfler avec: de l'air l'espace situé entre le réseau lenticulaire et la surface de focalisation, c'est-à-dire dans le cas présent entre les feuilles __b et 2a. La déformation des feuilles transparentes peut être calculée par l'homme de l'art pour que la surface dans laquelle se forment les images du soleil à travers chaque lentille coïncide avec la forme de la surface de focalisation 2a. Les feuilles peuvent avantageusement être reliées entre elles par des éléments soudés 20, qui peuvent être par exemple des cylindres réalisés dans le même matériau que celui utilisé pour les autres composants. Le dispositif selon l'invention ressemble alors à un matelas pneumatique d'un type connu, et fait appel aux mêmes techniques connues et bon marché pour sa fabrication. Un perfectionnement de la présente invention consiste à placer un échangeur de chaleur, par exemple une feuille de métal, juste en dessous de la surface de focalisation 2a pour y concentrer la chaleur produite. Cet échangeur peut a:teindre des températures élevées et par exemple être utilisé pour produire de la vapeur. Cet échangeur peut être réalisé très simplement en ajoutant au dispositif un compartiment laissant libre la circulation d'un fluide comme de l'air ou de l'eau. Un tel compartiment supplémentaire est illustré aux figures 2 et 3 par la présence d'une feuille supplémentaire 5, dont la distance à la surface de focalisation 2 est maintenue par les éléments soudés 20. La fabrication de dispositifs selon l'invention dans le mode de 40 réalisation illustré aux figures 2 et 3 est particulièrement facile et bon marché. La présente inventicn permet de réaliser des chauffe-eau solaires très performants, parce que la température des images du soleil sur la surface de focalisation 2 peut atteindre des niveaux très élevés. A la différence 45 des modèles de l'art antérieur qui récupèrent d'autant moins d'énergie que la température de l'eau augmente, la performance énergétique est ici très importante et les dispositifs peuvent même être utilisés pour produire de la vapeur, et donc de l'énergie mécanique en les accouplant avec une turbine ou d'autres dispositifs connus. 50 Un autre groupe très important d'applications est constitué par la réalisation de vitrages ou de films pour les serres et les châssis utilisés pour l'agriculture. Un troisième groupe d'applications concerne la construction : éléments de toiture et de murs fournissant de l'énergie. Ils sont avantageusement 55 construits par injection de matières de synthèse. D'une façon générale, la présente invention peut trouver des applications pratiquement tous les domaines où l'on souhaite bénéficier d'une énergie renouvelable abondante et bon marché. On peut citer des exemples comme les couvertures pour piscines, les bouilloires, les machines à café fonctionnant à l'énergie solaire. Revendications1. Paroi comportant. : ^ un réseau lenticulaire 1, comportant une pluralité de dispcsitifs optiques 10a, lob et suivants dits lentilles 5 élémentaires, qui sont des systèmes optiques convergents, ^ et une surface 2 située à proximité du domaine des centres focaux desdites lentilles élémentaires, dite surface de focalisation caractérisée par le fait que ladite surface de focalisation 2 se 10 transforme sous l'effet de la chaleur pour passer d'un état sensiblement opaque à une température dite � basse �, à un état sensiblement transparent à une température dite � élevée �. 2. Paroi selon la revendication 1 caractérisée par le fait que ladite surface de focalisation 2 est une pellicule d'un matériau qui est 15 opaque à la température dite basse et transparent à la température dite haute. 3. Paroi selon la revendication 1 caractérisée par le fait que ladite surface de focalisation 2 est une pellicule composée d'éléments élémentaires d'un matériau qui se rétracte lorsqu'il passe de la 20 température dite basse à la température dite haute. 4. Paroi selon la revendication 1 caractérisée par le fait que la paroi 2 comprend deux feuilles 2a et 2b dont la plus éloignée du réseau lenticulaire 1 a les caractéristiques optiques d'une vitre sans tain 5. Paroi selon la revendicaticn 4 caractérisée par le fait qu'une image 25 est située sur l'un des constituants de la paroi 2. 6. Paroi selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'une surface de diffusion lumineuse 3 est située à distance de la surface de focalisation 2 pour recevoir et diffuser de façon homogène les rayons lumineux issus de __a surface de focalisation 2. 30 7. Paroi selon la revendication 1 caractérisée par le fait que l'espace entre le réseau lenticulaire 1 et la surface de focalisation 2 est un volume d'air gonflable,. 8. Paroi selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le réseau lenticulaire 1 est constitué par deux feuilles souples 35 transparentes la et lb remplies d'un liquide. 9. Paroi selon la revendication 2 caractérisée par le fait que la surface de focalisation 2 comporte des alvéoles dans lesquelles est enfermé le matériau qui est opaque à la température dite basse et transparent à la température dite haute. 40 10. Paroi selon la revendication 9 caractérisée par le fait que la périphérie d'une alvéole est constituée par une ligne de soudure entre les deux parois 2a et 2b. 7