Brevet FR2985303A1 — publié le 20130705

- 1 - La présente invention concerne le domaine de la concentration de l'énergie solaire et tout particulièrement la cuisson solaire; Elle consiste essentiellement en un dispositif mécanique qui lui permet d'être utilisée pour concentrer le rayonnement solaire en un foyer fixe situé à proximité d'obstacles fixes, par exemple près de murs de maçonnerie. L'objectif est de concevoir un concentrateur qui concentre les rayons solaires en un point fixe, en une seule réflexion, avec une distance entre le point focal et l'obstacle fixe inférieure au rayon ou à la focale du réflecteur. Le réflecteur pivote classiquement autour du point focal. Le problème qui se pose alors est un problème d'encombrement: Traditionnellement, la parabole réfléchissante, dans sa rotation nécessaire au suivi du mouvement apparent du soleil durant les différentes heures de la journée et les différentes saisons, heurte les obstacle fixes (mur par exemple) situés près du foyer; Pour éviter que le réflecteur ne soit bloqué dans sa rotation, une première solution pourrait être simplement de tronquer l'essentiel du paraboloïde réfléchissant. Cela est géométriquement possible, mais la surface réflective qui peut suivre le mouvement apparent du soleil 15 sans heurter les obstacles est très réduite, ce qui condamne en pratique cette première solution. Il ne faut donc pas trop tronquer le paraboloïde. Une seconde solution pourrait être de ne plus faire tourner la portion de paraboloïde autour de son foyer, mais autour d'un point situé près du milieu du réflecteur. Mais cela conduit la plupart du temps à désaxer optiquement le paraboloïde, si bien que les rayons solaires incidents ne 20 sont plus parallèles à l'axe de symétrie du dit paraboloïde; Pour que cela n'induise pas une trop grande dispersion de la tache focale, le réflecteur doit être utilisé en conditions de Gauss; Mais cette condition conduit soit à utiliser une surface réflective très faible, soit à choisir une focale importante, imposant une trop grande distance entre le réflecteur et le foyer pour une utilisation pratique. Une troisième solution, qui est actuellement employée (réflecteur "Schleffer"), reprend 25 apparemment la même rotation que celle exposée au paragraphe précédent, mais en déformant le réflecteur, afin de faire varier sa distance focale. Ainsi, le réflecteur n'est plus optiquement désaxé, les rayons incidents sont toujours parallèles à l'axe de symétrie du paraboloïde. En effet, l'axe de symétrie est continuellement ajusté grâce aux déformations. Cette solution intéressante permet de conserver une tache focale de surface sensiblement constante avec une grande surface réflective assez proche du 30 foyer. Mais elle impose au réflecteur d'être souple. Elle impose aussi la présence d'un dispositif pour déformer le réflecteur. La présente invention (Voir Figi) résout le problème sans trop tronquer le paraboloïde, sans trop éloigner le réflecteur de sa tache focale, sans désaxer la parabole, ni modifier sa focale. Pour cela, un nouvel axe de rotation est ajouté (6a), en plus des deux axes classiques d'une monture 35 azimutale ou équatoriale. L'invention est caractérisée en ce que le réflecteur (7), constitué d'une partie d'un ou de plusieurs paraboloïdes de révolution (0) ayant le même axe de symétrie, est porté par une monture qui - 2 - comprend un troisième axe de rotation (6a), constitué par l'axe de révolution du ou des paraboloïdes de révolution. Ce nouvel axe permet au réflecteur de s'effacer devant les obstacles, tout en garantissant la conservation des caractéristiques optiques de la réflexion. La qualité optique de l'ensemble n'est affectée que par le jeu mécanique et la flexion supplémentaire induits par ce troisième 5 axe, qui peuvent être très faibles. Ainsi, il est possible d'utiliser un réflecteur issu d'un paraboloïde de révolution dont le rayon et/ou la focale sont supérieurs à la distance entre le point focal et l'obstacle, sans que le réflecteur ne heurte l'obstacle lorsqu'il pivote autour de son point focal au cours de la journée. Disposée contre un mur, la présente invention peut être essentiellement utilisée aux 10 latitudes comprises entre 0° et 65 0; Néanmoins, entre 0° et 15° environ, les ombres du bâti peuvent devenir importantes, selon la forme, la hauteur et la largeur du bâti. Aux hautes latitudes, comme au delà de 65° environ, la surface du paraboloïde utilisable devient petite. Le mur peut avoir des orientations autres que Est / Ouest, mais cela conduit à une efficacité moindre, en raison de la présence d'ombres sur le réflecteur à certaines heures. Le réflecteur peut être monté au moins selon 15 deux types de montures : le premier utilise une monture de type équatorial plus un troisième axe, le second une monture de type azimutal plus un troisième axe. La figure 1 montre un réflecteur avec le paraboloïde dont il est issu, ainsi que leur axe de révolution, et un disque au point focal. Les figures 2 (2a, 2b, 2c, 2d) montrent un exemple de concentrateur avec sa monture équatoriale. 20 Les figures 3 (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) montrent un exemple de concentrateur avec sa monture azimutale. Les figures 4 (4a, 4b, 4c) montrent une variante de disque de foyer, variante avec un fond oblique. Les figures 5 (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) montrent une variante de disque de foyer, variante avec un fond équipé d'un réflecteur. La figure 6 montre une variante de plan de cuisson, plan doté de perforations. 25 La figure 7 montre un complément d'exécution du réflecteur, ici équipé de roulettes. La figure 8 montre un complément d'exécution de la monture équatoriale ici équipée de deux actionneurs rotatifs. La figure 9 montre un complément d'exécution de la monture équatoriale ici équipée d'un actionneur linéaire. 30 La figure 10 montre un complément d'exécution de la monture azimutale ici équipée de deux actionneurs rotatifs. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, 2 formes d'exécution de la présente invention ainsi que deux variantes des disques de foyers, une variante du plan de cuisson, un complément d'exécution du réflecteur, trois compléments d'exécution de la monture, en référence aux 35 dessins annexés Fig 1 à Fig9. - 3 - Exemplel: Monture de type équatorial plus un axe, disposée contre un mur de direction Est / Ouest, sensiblement vertical (Voir Fig2). Le mur du bâti (1) qui abrite la pièce d'habitation depuis laquelle on souhaite utiliser l'énergie solaire concentrée (généralement la cuisine) dispose d'une avancée vers l'extérieur constituée au minimum 5 d'un plan de cuisson (2). Ce plan de cuisson est, dans cet exemple, composé de trois plaques de foyer (3a) et (3b). Seul le foyer central correspond au foyer optique. Les deux autres sont illuminés par un léger désaxement temporaire du paraboloïde; L'angle limité du désaxement permet de garder une tache focale sensiblement identique entre les trois foyers. 10 Les foyers dédiés à la cuisson peuvent être de plusieurs nature : Pour un rendement thermique maximal, le foyer peut être simplement constitué d'une perforation du plan de cuisson. Mais il y a un risque d'éblouissement de l'utilisateur lorsqu'il apporte ou enlève le récipient de cuisson. Pour un confort d'utilisation maximal, le foyer peut être constitué d'un disque métallique. Mais le 15 rendement thermique sera inférieur. L'épaisseur du disque crée un inertie thermique qui permet d'augmenter la régularité de la cuisson, cette épaisseur permet également à la face inférieure du disque de se rapprocher du foyer optique. En effet, la position du foyer optique est limitée en hauteur par l'obstacle que constitue le plan de cuisson pour le mouvement de rotation de la monture. Les deux axes suivants sont typiques des montures équatoriales: 20 L'axe (41a), traditionnellement appelé "axe des déclinaisons", de direction horizontale Est-Ouest passe près du plan de cuisson. Autour de cet axe pivote l'armature (41 b). Afin de réduire les ombres portées sur le foyer, le corps de l'armature (41 b) est pour l'essentiel situé plus haut (monture visant un soleil au zénith) que le plan défini par les deux axes (41a) et (51a). L'armature (41 b) porte l'axe (51a), appelé "axe horaire". Cet axe est perpendiculaire à l'axe (41a). 25 Autour de l'axe (51a) pivote l'armature (51b). L'armature (51b) supporte le troisième axe, qui est l'axe de symétrie du paraboloïde (6a). Autour de cet axe (6a), pivote l'armature (6b). Cette dernière porte le réflecteur (7). Les trois axes (41a, 51a et 6a) passent par le foyer optique. Le réflecteur (7) est pour l'essentiel situé sous le foyer optique. Il est pavé de petits miroirs plans, ou 30 revêtu d'un miroir courbe, et focalise généralement les rayons solaires au centre du foyer central. La forme du réflecteur est obtenue en deux temps : Dans un premier temps, n'est retenue du paraboloïde de révolution complet que la part qui peut suivre la trajectoire apparente du soleil à la latitude du lieu considéré, sans percuter l'obstacle, sachant que cette part de paraboloïde peut tourner autour de son axe de symétrie. L'obstacle peut être quelconque, 35 notamment un mur vertical idéalement orienté Est ouest, mais dont l'orientation peut varier. L'obstacle peut aussi être un angle droit constitué par deux murs, dont la bissectrice est idéalement de direction Nord Sud. - 4 - Mais la part de paraboloïde à retenir comme réflecteur dans la réalisation finale doit généralement être une restriction de la surface obtenue précédemment. En effet, toute sa surface n'est pas toujours, à toute heure de la journée, située en dessous du plan de cuisson, condition indispensable pour que les rayons réfléchis soient captés et donc que la partie du réflecteur qui les a réfléchis soit efficace. La partie centrale est très souvent efficace, mais l'efficacité diminue généralement en gagnant la périphérie. On a donc intérêt à tronquer encore la surface obtenue précédemment. R: Dans Fig2 et Fig3, le réflecteur (7) n'est qu'une partie de la part maximale d'un paraboloïde qui peut suivre la trajectoire apparente du soleil, entre les latitudes 35 et 45°, dont le foyer est à 40 cm d'un mur vertical, de direction Est-Ouest, et dont la distance focale est de 130 cm. La section des armatures peut être variée, et notamment être elliptique. D'une façon générale, toutes les armatures peuvent être constituées d'un treillis, conciliant forte résistance mécanique, faible masse employée et faible surface de son ombre portée. La face inférieure du plan de travail, ainsi que diverses surfaces proches du foyer optique doivent être protégées contre les surchauffes liées à l'absorption régulière ou accidentelle de rayons solaires concentrés. La protection peut consister, par exemple, en un revêtement métallique, réfléchissant ou non, ménageant une lame d'air éventuellement ventilée entre le dit revêtement et la surface à protéger. Exemple2: Monture de type azimutal, disposée contre un mur sensiblement vertical; (Voir Fig3) Comme dans l'exemplel, le mur du bâti (1) dispose d'une avancée vers l'extérieur constituée au 20 minimum d'un plan de cuisson (2). Ce plan de cuisson (2) est ici composé d'un seul foyer central (3a) qui correspond au foyer optique. Les deux axes suivants sont typiques des montures azimutales: L'axe (42a), appelé "axe d'azimut" est de direction verticale. Autour de cet axe pivote l'armature (42b). Cette armature est ici un roulement de forme annulaire. Cette armature porte l'axe (52a), appelé 25 "axe de hauteur", de direction horizontale. Autour de cet axe pivote l'armature (52b). Le troisième axe est l'axe de symétrie du paraboloïde (6a). Il est porté par l'armature (52b). Autour de ce troisième axe pivote l'armature (6b). Elle porte le réflecteur (7). Ces trois axes passent par le foyer optique. Le réflecteur (7) et le foyer (3a) peuvent avoir les mêmes caractéristiques que celles décrites dans 30 l'exemplel. Comme dans l'exemplel, toutes les armatures peuvent être constituées d'un treillis. Variante d'exécution de disque de foyer à fond oblique. (Fig4) Du point de vue de la face inférieure des plaques de foyer, les rayons incidents ne proviennent pas de toutes les directions, mais seulement du côté où il n'y a pas le mur. Le rendement de l'absorption sera augmenté si le plan de la face inférieure du disque (3c) est incliné par rapport à l'horizontale. Selon la 35 géométrie de l'obstacle, au cours de la journée, l'utilisateur pourra éventuellement avoir intérêt à - 5 - orienter la face inférieure du disque en faisant tourner le disque selon un axe vertical. Des briseurs de symétrie de révolution (3c1) permettent à l'utilisateur de repérer l'orientation de la face inclinée. Les plaques de foyer comportent éventuellement une isolation thermique latérale. Variante d'exécution de disque de foyer à fond doté de réflecteur latéral. (FigS) Pour les mêmes raisons que celles exposées au paragraphe précédent, la plaque de foyer peut être plane, mais dotée d'une surface réflective (3d2), verticale ou inclinée vers l'extérieur, sur une partie de son périmètre. Comme précédemment, des briseurs de symétrie de révolution (3d1) permettent à l'utilisateur de repérer l'orientation de la face inclinée Variante d'exécution du plan de travail, doté de zones transparentes. (Fig6) Afm que l'utilisateur, situé au dessus du plan de travail, puisse suivre la position de la tache focale qui irradie le dessous du plan de travail, le plan de travail est percé de perforations de faible diamètre, disposées autour des plaques des foyers. Ces perforations peuvent être remplies par des cylindres de verre plus ou moins teinté faisant office de lentilles divergentes, afm de réduire l'éblouissement de l'utilisateur. Le verre employé a avantage à être à faible coefficient de dilatation afin de résister aux chocs thermiques. La différence d'éclairement entre les différentes perforations renseigne l'utilisateur sur le mouvement du réflecteur en temps réel, sur les erreurs de focalisation éventuelles du système d'asservissement, ou sur la nécessité d'intervenir en cas de pilotage manuel de la rotation du réflecteur. Cette différence d'éclairement contribue également à signaler une plaque chaude. Variante d'exécution du réflecteur (Fig 7) L'armature (6b) ne nécessite pas obligatoirement une motorisation; Comme le réflecteur doit être positionné idéalement le plus bas possible afin que le foyer ne reçoive pas les rayons selon un angle trop rasant, c'est la gravité qui peut être avantageusement le moteur de la rotation de cette armature (6b). Mais l'obstacle (1) empêche souvent le réflecteur d'atteindre le point bas de sa rotation. Afm de réduire les frottements entre le réflecteur et l'obstacle, il est avantageux d'équiper de roulettes (9) les points saillants du périmètre du réflecteur. Complément d'exécution des armatures comprenant des actionneurs : Cas de la monture équatoriale (Voir Fig 8). Les axes de déclinaison et axes horaires sont avantageusement motorisés: Dans l'exemple décrit, deux moto-réducteurs (41c) font pivoter d'environ un quart de tour l'armature des déclinaisons (41b). Un moto-réducteur (51c) fait pivoter d'un demi-tour l'armature horaire (51 b). Dans une variante (Voir Fig 9), l'armature des déclinaisons (41 b) est actionnée par un palan (41d) qui est arrimé plus haut sur l'obstacle (1). Cas de la monture azimutale (Voir Fig 10). De même, deux armatures sont avantageusement - 6 - motorisées : Dans l'exemple décrit, l'armature des azimuts (42b) reçoit sur une partie de sa périphérie une denture d'engrenage (42c) permettant à un moto-réducteur (42d) d'actionner la rotation de l'armature (42b). L'armature des hauteurs (52b) est motorisée par un actionneur linéaire (52c) qui prend appui sur l'armature (42b) et qui permet une rotation de moins d'un quart de tour (hors zone intertropicale). Dans tous les cas, ces actionneurs peuvent tirer leur énergie d'un moteur électrique ou d'une manivelle à entraînement manuel. Dans le cas de la motorisation par manivelle, le réducteur peut offrir deux vitesses : Une vitesse lente pour l'ajustement périodique au cours de la journée, et une vitesse rapide pour le retour après le coucher de soleil en position "Lever de soleil". Selon la surface du réflecteur, les deux exemples de concentrateurs décrits (Exemplel et Exemple2 avec leurs variantes et compléments) peuvent être utilisés par des centres de restauration collective ou par des particuliers. Le plan de cuisson (2) peut être mis hors d'air et hors d'eau par des parois verticales et un toit, constituant une avancée de la pièce d'habitation. Par rapport à celle de l'exemplel, la monture de l'exemple2 a l'avantage de ne pas produire d'ombres portées sur le foyer optique. Par contre, elle crée des contraintes supplémentaires pour pouvoir faire fonctionner des foyers latéraux (3b Fig2). Le foyer central (3a Fig2) peut servir à d'autres usages que la cuisson : chauffage de l'eau, de l'air, production d'électricité (dont le refroidissement des cellules chauffe la maison si nécessaire), séchage, distillation. Les deux foyers latéraux sont plutôt consacrés à la cuisson. Les trois axes peuvent être pivotés périodiquement à la main, ou motorisés et pilotés automatiquement. Dans ce dernier cas, la puissance thermique moyenne absorbée par les foyers (3a) et (3b) peut se commander grâce à un bouton ressemblant à ceux des cuisinières classiques. Ce bouton permet de choisir un pourcentage de l'insolation totale, ce qui conduit le réflecteur à illuminer à pleine puissance, cycliquement un, deux ou trois foyers pendant un court instant, afin que soit respectée la contrainte de puissance moyenne d'insolation sur une période plus longue. REVENDICATIONS1) Dispositif concentrant le rayonnement solaire comprenant une monture autorisant le suivi de la trajectoire apparente du soleil, supportant un réflecteur (7) défini comme étant une restriction d'un ou de plusieurs réflecteurs plus grands (0) sensiblement dotés d'une symétrie de révolution avec un même axe de symétrie (6a), caractérisé en ce que la monture comporte au moins la possibilité de rotation du dit réflecteur autour du dit axe de symétrie. 2) Dispositif selon la revendication 1 et équipé d'une monture équatoriale, caractérisé en ce que le corps de l'armature (41b) pivotant autour de l'axe des déclinaisons (41a) est pour l'essentiel situé plus haut (monture visant un soleil au zénith) que le plan défini par les deux axes des déclinaisons et horaires (41a) et (51a). 3) Dispositif selon la revendication 1 et équipé d'une monture azimutale, caractérisé en ce que le corps de l'armature (42b) pivotant autour de l'axe des azimuts (42a) est de forme annulaire. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par un foyer constitué par une pièce métallique d'enveloppe cylindrique dont la base s'inscrit dans un plan qui n'est pas perpendiculaire à 15 l'axe de symétrie générale de l'enveloppe cylindrique de la pièce (3c). 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par un foyer constitué par une pièce métallique dont le périmètre de la base est partiellement entouré d'un réflecteur, vertical ou non (3d2). 6) Dispositif selon la revendication 1, doté d'un plan de cuisson (2) caractérisé en ce que le plan de cuisson est percé de perforations de faible diamètre autour des foyers, pouvant être garnis 20 de pièces de verre. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par la présence de roues (9) dans les angles du réflecteur (7) permettant de réduire le frottement avec un obstacle (1). 8) Dispositif selon la revendication 1 et équipé d'une monture équatoriale, caractérisé en ce que deux de ses axes, l'axe des déclinaisons (4 lb) et l'axe horaire (5lb) sont motorisés par des 25 moto-réducteurs (respectivement 41c et 51c) pouvant être dotés d'un moteur électrique ou d'une manivelle. 9) Dispositif selon la revendication 1 et équipé d'une monture équatoriale, caractérisé en ce que la rotation de son axe des déclinaisons (4 lb) est actionné par un actionneur linéaire pouvant être un palan manuel (41d). 30 10) Dispositif selon la revendication 1 et équipé d'une monture azimutale, caractérisé en ce que deux de ses axes, l'axe des azimuts (42b) et l'axe des hauteurs (52b) sont motorisés par des moto-réducteurs (respectivement 42c et 52c) pouvant être dotés d'un moteur électrique ou d'une manivelle.