Héliostat autorégulateur. L'invention a pour objet un héliostat autorégulateur sans mouvement d'horlogerie, destiné principalement, suais non exclusive ment, à rendre industriellement pratique l'é clairage des locaux par le soleil et, plus gé néralement, la distribution et l'utilisation des rayons solaires (visibles, infrarouge et ultra-violets), ensemble ou séparément; ces rayons solaires pouvant être, quanti le so leil manque, remplacés par les rayons éma n4 de sources lumineuses électriques puis santes, à haut rendement, escamotables auto matiquement dès l'arrivée du soleil, réalisant ainsi "l'éclairage central" des maisons ou lo caux.
L'inventeur a précédemment . fait con naître un dispositif de distribution des rayons solaires dans les locaux sombres dans lequel un héliostat réglé sur le soleil est dis posé sur le toit d'un immeuble et renvoie une colonne de rayons solaires verticalement dans un puits ou courette, dans lequel sont dispo sés, à. diverses hauteurs, des systèmes opti- ques captant chacun une partie du faisceau solaire et distribuant la lumière à travers des ouvertures appropriées des locaux sombres à éclairer, et cela au moyen d'appareils organi sés pour répartir cette lumière dans le local.
Pour être bien compris, il est nécessaire de rappeler brièvement quel est l'objet de tout héliostat: un héliostat est un appareil destiné à fonctionner d'une manière telle que, quand il reçoit les rayons solaires (dont la direc tion varie suivant la position du soleil dans tel ou tel méridien, par suite du mouvement diurne horaire, et en déclinaison par suite des saisons), il les renvoie dans une direction fixe, toujours la même.
Tous les héliostats conçus jusqu'à. présent étaient des appareils ou de laboratoire ou d'observatoire: d'autre part, ils étaient tous commandés par un mouvement d'horlogerie, et comportaient des régulateurs mécaniques.
L'héliostat d'après l'invention est caracté risé par le fait que les rayons renvoyés par le miroir agissent, en se déplaçant lorsque le miroir est arrêté, sur un relais sensible à ces rayons qui commande un moteur asservis sant le déplacement du miroir à celui du fais ceau mobile de rayons.
Dans sa forme d'exécution préférée, le présent héliostat est d'abord un appareil à fins pratiques et industrielles, car il ne com porte pas de mouvement d'horlogerie, mais un dispositif à servomoteur, qui sera décrit plus loin; les caractéristiques essentielles de ce servomoteur sont telles que le soleil lui- même règle les mouvements du miroir de l'héliostat, et cela peut être obtenu quelle que soit la position initiale de cet héliostat, Alors que les autres héliostats nécessitaient un réglage à la main de la déclinaison, une mise en route également à la main,
des mou vements d'horlogerie d'une précision de chro nomètre continuellement contrôlée, le présent appareil peut être réalisé de façon à- 10 Rechercher automatiquement le soleil, dès qu'il paraît, afin de se placer dans la po sition où il va pouvoir réfléchir les rayons du soleil dans la direction fixe cherchée; 20 Suivre automatiquement les mouve ments compliqués du soleil (mouvement ho raire, mouvement de déclinaison, déplacement apparent dû à la réfraction atmosphérique); <B>30</B> Corriger de lui-même les défauts de réglage et de mécanique (orientation des axes, jeux, flexions, etc.).
Ces résultats sont obtenus, dans la forme d'exécution préférée, aisni qu'il a été dit ci- dessus en partie, au moyen d'un dispositif à servomoteur comportant essentiellement des contacteurs électriques thermométriques dif férentiels à gaz et à mercure fonctionnant sous l'effet de l'échauffement dû à la lumière du soleil.
Dans ce qui va suivre, l'invention sera exposée en application à un héliostat possé dant le type de montage le plus simple que, par analogie avec le montage d'une lunette astronomique équatoriale, on appellera "mon- tage équatorial".
Pour bien faire comprendre comment peut être réalisée une telle commande automati que, on exposera d'abord le mécanisme d'as- servissement au mouvement horaire du soleil, puis le mécanisme d'asservissement au mouve ment de déclinaison du soleil, et comment on peut les réaliser tous les deux simultanément par un mécanisme unique. Mais il y a lieu aussi de tenir compte que, dans la pratique, le soleil étant un astre qui n'est pas toujours visible, il se produira, après la nuit ou après un temps couvert, un décalage de la position du miroir par rapport à celle du soleil.
Pour remédier à cet inconvénient, c'est-à-dire pour rechercher le soleil, il a été prévu un disposi tif de recalage automatique qui sera égale ment décrit Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 représente schématiquement en élévation le dispositif d'asservissement aux mouvements horaires, et La fig. 2 en est un détail en plan; La fig. 3. représente en élévation le dis positif d'asservissement en déclinaison, et La fig. 4 en est à plus grande échelle un détail en plan; La fig. 5 représente schématiquement en élévation un dispositif assurant simultané ment l'asservissement horaire et celui en dé clinaison; La fig. 6 est en élévation un détail d'un organe vu en plan dans la fig. 5;
La fig. 7 représente schématiquement en élévation un dispositif de recherche du soleil après une absence de celui-ci (recalage du miroir) ; La fig. 8 est la vue en plan d'un détail de ce dispositif; Les fig. 9, 10 et 11 représentent en éléva tion de face, en plan et en élévation la éralfi l'ensemble des miroirs auxiliaires assurant les asservissements ci-dessus;
La fig. 1.2 représente, suivant une coupe axiale, l'ensemble des organes mécaniques d'un mode de réalisation de l'héliostat sui vant les principes indiqués aux figures pré cédentes, et Les fig. 13 et 14 représentent respective ment un contacteur et un interrupteur à mer- cure à. enceinte gazeuse fonctionnant par échauffement.
D'après la fig. 1, le soleil 26 envoie sur le miroir 1 de l'héliostat un faisceau 2 qui est renvoyé suivant la direction de l'axe du monde suivant lequel est orienté l'axe 5 por tant le miroir 1; ce faisceau réfléchi tombe sur le miroir fixe 12 et il est renvoyé verti calement. L'asservissement au mouvement horaire du soleil est réalisé comme suit: si on suppose qu'à l'instant considéré (midi) le plan de la figure représente le méridien du lieu, contenant à ce moment le soleil, le mou vement horaire du soleil est perpendiculaire à. ce plan.
Si dans le faisceau vertical 27 on dispose une lentille 2$, elle donnera (voir la fig. 2 qui représente en plan une partie de ce dispositif), une image 29 du soleil qui se déplacera dans le sens de la flèche 30. Per pendiculairement -au trajet 29, 30, est dispo sée une bande de miroir elliptique 31 et, au- dessus de ce miroir, dans le plan qui corres pond à l'image de la lentille .28, est disposée l'enceinte gazeuse sensible 32 d'un contacteur à mercure qui, par échauffement,
établira un contact fermant le circuit d'alimentation du moteur M qui entraîne l'axe horaire 5 à rai son d'un peu plus d'un tour en vingt-quatre heures (vitesse supérieure d'environ au mouvement diurne apparent du soleil). Il est facile de comprendre comment ce dispositif assure l'asservissement horaire du miroir 1 au soleil 2;
6. En effet, si on suppose qu'à un moment donné le miroir 1 est en position correcte par rapport au soleil 2,6 (l'image du soleil se trouvant à ce moment en 2-9, (fig. 2i), c'est-à-dire un peu en arrière de la bande de miroir elliptique 31), le miroir 1 étant fixe, le déplacement du soleil a pour effet d'ame ner l'image 29 sur le miroir elliptique & 1, de sorte que cette image réfléchie échauffe le contacteur 32;
le moteur électrique 33 est mis en marche, agit sur le miroir de l'hé liostat et le déplace, l'image du soleil 29, est ainsi ramenée lentement un peu en avant et en dehors du segment de miroir 3'1, dans la position représentée en fig. 2: Le contacteur 3'3 ne recevant plus alors les rayons réflé- chis par le segment de miroir 3;1; le circuit électrique s'ouvre, le moteur et, par suite, le miroir de l'héliostat s'arrêtent.
L'image du soleil recommence alors à s'avancer vers le segment du miroir 31 et le même mouvement, se reproduisant ainsi successivement par à- coups, réalisera l'asservissement horaire. 11 faut remarquer que la bande de miroir 3,1 devant être toujours perpendiculaire au dé placement 30 de l'image 29 du soleil, c'est-à- dire parallèle au plan de figure ou plan d'in cidence du miroir 1, il est nécessaire que ce miroir,311 tourne sur lui-même d'un mouve ment en rapport avec celui de l'axe horaire 5. C'est ce qui a été indiqué schématiquement par la ligne pointillée 34-3-5.
Le schéma du dispositif d'asservissement du miroir 1 au mouvement de déclinaison du soleil '2,6 est représenté en fig. 3. Le plan de la figure étant, comme il a été dit, celui du méridien où se trouve le soleil 'à l'instant con sidéré, le mouvement de déclinaison doit être considéré comme étant représenté par les flèches 3,6 ou 37 placées @à côté du soleil. Le mouvement suivant ces flèches correspondra dans la figure en plan 4, pour l'image du soleil 2.9, à un mouvement suivant les flèches 38, 39.
Dans le faisceau solaire vertical 27 sont disposées deux bandes distinctes de mi roirs: paraboliques 40, 41, disposées en pro longement et dans le plan de la figure. Dans le plan des images de la lentille 2;8 donnée par ces miroirs 40, 41 se trouvent deux con tacteurs 42', 43 du type précédemment indi qué. Les deux contacteurs 42, 43 sont dispo sés de façon à commander, l'un dans un sens, l'autre dans l'autre, un moteur 44 qui fait varier l'angle e du miroir 1 avec l'axe horaire 5 qui le porte.
Il est facile de voir que, quand le mouve ment horaire du soleil aura été suivi, grâce au mécanisme de la fig. 1, par exemple, le mécanisme des fig. 3, et 4 produira à son tour l'asservissement en déclinaison. En effet, si l'image 29 du soleil, se déplaçant dans le sens de la flèche '30,, arrive sur l'un ou l'autre des deux miroirs paraboliques 40, 41, les rayons seront renvoyés sur l'un ou l'autre des con- facteurs. 42, 43 qui. mettra en marche le mo teur 44 dans le sens voulu pour que l'angle e du miroir varie de façon à ramener l'image vers le miroir qui ne l'a pas reçue.
Il est facile de comprendre que, grâce à ce mécanisme, l'image du soleil sera toujours maintenue en 45 à l'intersection des deux miroirs 40, 41, c'est-à-dire que l'asservissement en déclinai son se trouvera réalisé.
Le mécanisme représenté en fig. 5 montre comment l'on peut combiner les dispositifs des fig. 1 et 3, de façon à n'utiliser pour l'as servissement horaire et pour celui en déclinai son, qu'une seule lentille 218, un seul groupe de deux bandes de miroirs paraboliques 40, 41, un seul groupe de deux contacteurs 42, 43 et un seul moteur 46. A cet effet, le moteur 46 commande directement (flèche 47), la rota tion de l'arbre horaire 5 et il commande la variation de l'angle e (flèche 46), par l'inter médiaire d'un embrayage 49 dont le jeu va être indiqué.
Les deux contacteurs 42', 43 sont: d'une part, disposés en parallèle sur le circuit d'alimentation du moteur 46, de telle façon que lorsque l'image 29 du soleil (fig. 3) rencontre l'un ou l'autre des miroirs 40, .11 qui, dans ce cas, forment un ensemble équiva lent au miroir unique 31, des fig. 1 et 2, l'un de ces deux contacteurs 42, 43 se trouve fermé et le moteur 46 se met en marche, tou jours dans le même sens, commandant ainsi (flèche 47) la rotation de l'arbre horaire 5 dans le sens voulu pour assurer l'asservisse ment horaire;
d'autre part, disposés de façon là alimen ter, comme il va être dit, un groupe de trois bobines 50, 51, 52, le contacteur 42 alimente la bobine 50 et un enroulement de la bobine 52; le contacteur 43 alimente la bobine 51 et un second enroulement, en sens inverse de la bobine 52. Il en résulte que: Si c'est le contacteur 42 qui est fermé, les bobines 50 et 52 sont excitées.
Si c'est le contacteur 43 qui est fermé, les bobines 51 et 52 sont excitées.
Si les contacteurs 42 et 43 sont fermés simultanément, les bobines 50 et 51 sont ex citées, les effets des courants circulant dans les deux enroulements de la bobine 52 s'an- Mnlant l'un l'autre.
En dessous des bobines 50, 51, 52 (voir l'élévation de la fig. 6) se trouve une arma ture commune formée par un disque 53 monté à rotule au point 54. D'après ce qui vient d'être dit, ce disque pourra occuper trois po sitions suivant que ce sera l'un ou l'autre des trois groupes de deux bobines 50, 51, 52 qui sera excité. L'armature 53 est solidaire d'une tige verticale 55 dont l'extrémité (fig. 5) par l'intermédiaire de la biellette 56, attaque un levier 57 pivoté en 58 et portant à son extré mité le manchon d'embrayage 49. Le moteur 46 entraîne un pignon 59 conique, qui engrène d'une façon permanente avec deux autres pi gnons coniques 60, 61 montés fous sur l'ar bre 62.
Le manchon d'embrayage 49 est monté à clavette ou -à billes sur l'arbre 62 de façon à pouvoir coulisser sur lui en l'entraî nant. Suivant les trois positions que peut oc cuper l'armature 53 des bobines 50, 51, 52, le manchon 49 se trouve ou bien embrayé avec le pignon 60, ce qui fait tourner l'arbre 62 dans un certain sens, ou bien embrayé avec le pignon 61, ce qui fait tourner l'arbre 62 en sens inverse, ou bien il n'est embrayé avec aucun des deux pignons 60, 61, ce qui laisse l'arbre 62 immobile. Le mouvement de l'ar bre 62 est utilisé, comme il est indiqué sché matiquement par la flèche 48, pour faire va rier l'angle de déclinaison du miroir 1.
On voit que grâce à ce dispositif de la fig. 5, on réalise l'asservissement en mouve ment horaire grâce à l'ensemble de deux ban des de miroir 40 et 41 et aux contacteurs 42, 43 mettant en marche toujours dans le même sens le moteur 46 qui entraîne l'arbre horaire 5, tandis que, pendant que ce moteur 46 est en marche, les deux miroirs 40, 41 et leurs contacteurs 42, 43 agissent, par l'intermédiaire des trois bobines 50, 51, 52 et de l'embrayage 49 pour corriger, s'il y a lieu l'asservissement en déclinaison du miroir.
Comme il a été indiqué plus haut, pour commander automatiquement l'héliostat par le soleil, il ne suffit pas de maintenir l'as servissement à partir du moment où il est réalisé. Il faut encore prévoir un dispositif de recalage, qui, après la disparition du so leil, permettra au miroir de rattraper rapide ment la position correcte du moment. C'est ce dispositif qui est représenté en fig. 7.
Il y a lieu de remarquer d'abord qu'avec un hélio stat à montage équatorial comme celui envi sagé ci-dessus, les mouvements en déclinaison du miroir 1 pendant la période où le soleil peut ne pas être apparent et qui pourra durer quelques semaines, seront relativement de faible importance, de sorte que, si l'on réa lise le recalage -de l'axe horaire 5, la longueur des bandes de miroirs paraboliques 40, 41 (fig. 3 .et 5) sera suffisante pour que, malgré le décalage en déclinaison, l'image du soleil rencontre ces bandes lorsque le recalage ho raire sera assuré, de sorte que, le fonctionne ment normal de l'asservissement pourra se poursuivre.
Pour réaliser ce recalage horaire, on actionne l'axe horaire par un moteur 63 à mouvement relativement rapide. Sur le cir cuit électrique général de l'appareil sont dis posés un contacteur 64 disposé en un endroit dégagé où il pourra toujours être frappé par les rayons directs du soleil 26 dès que celui- ci se montrera et, en série avec ce contacteur 64, un interrupteur 65 et un moteur. L'in terrupteur 65 est combiné avec la lentille 28 dont il a déjà été question, et avec un mi roir elliptique 66 qui donne sur l'interrup teur 65 l'image de la lentille 28.
Cet inter rupteur est échauffé et rompt le courant du moteur dès que la lentille 28 recevant le fais ceau de rayons solaires donne une image du soleil en avant des miroirs 40 et 41, au-dessus de la partie du miroir 66 qui n'est pas recou verte par ceux-ci. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant dès que le soleil 26 se montre à nouveau, le contacteur 64 est échauffé et se ferme. L'interrupteur 65, qui, non excité, laisse passer le courant, permet donc la mise en marche du moteur 63. L'axe horaire 5 est entraîné à une vitesse relative ment rapide et il arrive un moment où l'image 29 du soleil (fig. 8), se rapproche du miroir 66.
Lorsqu'elle arrive sur ce miroir en 29' après avoir traversé la zone des mi roirs 40, 41, l'interrupteur 65 est échauffé et interrompt immédiatement le courant du moteur 63. L'axe horaire 5 s'arrête dans une position telle que le fonctionnement normal de l'asservissement précédemment décrit peut commencer.
L'ouverture de la calotte du miroir el liptique 66 doit être suffisante pour que, étant .donné le décalage admissible qui a pu se produire dans la déclinaison pendant l'in terruption de l'éclairage solaire, ce miroir soit assez grand pour rattraper toujours à un moment donné, pendant la rotation de l'axe horaire 5, l'image du soleil.
Les fig. 9, 10 et 11 montrent en élévation suivant un plan donné, en plan, et en éléva tion suivant un plan perpendiculaire au pre mier, comment peuvent être disposés et réu nis- la ' lentille 28, le miroir de recalage 66, les deux bandes de miroirs d'asservissement. 40, 41 rendues solidaires du miroir 66, ainsi que l'interrupteur 65 du miroir 66, et les deux contacteurs 42, 43 des miroirs 40 et 41. Comme il a déjà été indiqué précédemment. il est nécessaire que les bandes de miroirs 40, 41 participent au mouvement horaire.
A cet effet, dans le montage qui vient d'être indiqué en fig. 9, 10 et 11, le miroir 66 sera, entraîné par l'axe horaire 5 comme il est représenté schématiquement en fig. 7 par la flèche 67, 68.
En fig. 12, on a représenté une forme d'exécution de tous les organes mécaniques de cette commande d'héliostat. Dans un carter cylindrique 69, qui est orienté suivant l'axe du monde et fixé sur un bâti, approprié; se trouve un tube creux 70 qui constitue ce qui a été appelé, dans tout ce qui précède, l'axe horaire 5. Ce tube 70 porte à son extrémité le miroir 1. -Ce tube est emmanché à frotte ment doux sur un arbre 71 dont l'extrémité 72 est montée par roulement à billes dans un palier 73 du bâti. Un plateau 74 est fixé sur le tube 70 et porte le moteur électrique 7.5 servant à régler le mouvement horaire.
Ce mouvement est. obtenu par le mécanisme sui vant: l'arbre 76 du moteur engrène par une vis sans fin avec une roue dentée 77 soli daire d'un arbre 7 8 qui commande lui-même, par vis sans fin 79, la roue dentée 80; un au tre arbre 81, terminé par une vis sans fin 82, engrène avec une roue dentée 83 portée par des paliers solidaires du plateau 74 et .faisant corps avec une vis sans fin 64 qui engrène avec une grande roue dentée 85 mon tée sur l'arbre central 71.
Cette roue dentée 85 est solidaire d'une autre roue dentée 86 qui, par l'intermédiaire d'engrenages appro priés et de renvois de mouvement analogues à ceux qui viennent d'être indiqués, est com mandée par le moteur électrique à mouve ment rapide 87 servant au recalage du mi roir.
On voit que, si le moteur de recalage 87 est mis en marche, il fait tourner le train des deux roues 85, 86 et que celui-ci, lié au plateau 74 par la commande irréversible roue dentée 85, vis sans fin 84, entraîne ce plateau 74 dans sa rotation. Lorsque le moteur de re- calage 8 7 n'est plus excité, il immobilise le train dés deux roues dentées 85, 86. Si, à ce moment, le moteur d'asservissement horaire 75 est mis en marche, la vis sans fin 84 est mise en rotation et par suite obligée de che miner autour de la roue dentée 85 en entraî nant dans son mouvement le plateau 74 et le manchon horaire 70.
Mais, comme on l'a vu et décrit à l'occa sion de la fig. .5, le moteur horaire 75 com mande également l'asservissement en décli naison du miroir. Cette commande est assu rée de la façon suivante:'par un jeu d'engre nages et de renvois de mouvement appropriés. le moteur 75 fait tourner une vis sans fin 88, qui engrène avec une roue dentée 89 fixée sur une tige 90 disposée dans l'axe du man chon horaire 70. Cette tige 90 est filetée à son extrémité supérieure et fait mouvoir un écrou guidé 91, sur lequel est articulée une biellette 92 dont l'autre extrémité est. articu lée sur le miroir 1.
D'après le schéma de com mande qui a été détaillé à la fig. 5, on re trouve en fi-. 12, dans la transmission du moteur 75 à la vis sans fin 88, tous les élé ments du dispositif d'embrayage 49 com mandé par les trois bobines 50, 51, 52. En effet, le moteur entraîne toujours dans le même sens le pignon 59 qui, par le jeu de l'embrayage 49, et des pignons à mouvements apposés 60, 61, donne l'entraînement dans un sens ou dans l'autre, ou l'arrêt de la vis 90.
Les fig. 13 et 14 représentent un contac teur et un interrupteur. D'après la fig. 13, les deux enceintes à gaz 93 (tête) et 91 (corps) sont reliées par des tubes 95 et 96, remplis par une masse de mercure 97 dont le niveau se trouve en 98 et 99. Sur le côté (le la tubulure 96 est disposée une électrode 100 qui est toujours en communication avec la masse de mercure et une électrode 101 dont la communication avec la masse de mercure est établie dès que le gaz de la tête de l'ap pareil (enceinte 93) s'échauffe sans qu'il en soit de même de celui du corps 94.
t1 l'intérieur de la tête se trouve une pas tille de clinquant d'acier doux noirci 102. L'interrupteur représenté en<B>fi,-.</B> 14 est constitué d'une manière analogue. La cham bre sensible 104 est réunie à la chambre de compensation 105 par une tubulure 106 rem plie d'une colonne de mercure dont le niveau se trouve en 107, 108. Sur le côté de la tu bulure 106 sont disposées une électrode 109 qui est toujours en communication avec la masse de mercure, et une électrode 110 dont la communication avec cette masse est inter rompue dès que l'enceinte 104 s'échauffe salis qu'il en soit de même pour l'enceinte 105.
Comme dans l'appareil de la fi-. 13, une pas tille de clinquant noirci, 111, est disposée à l'intérieur de la tête 104.
La pastille de métal noirci disposé à l'in térieur de la tête des contacteurs a pour but de recevoir la lumière solaire et d'échauffer le gaz par suite de son propre échauffement. On arriverait au même résultat en noircissant simplement le verre de la tête. Cependant, les contacteurs à tête de verre noirci ont une certaine inertie. Le rayonnement solaire, pour échauffer le gaz intérieur, doit d'abord chauf- fer le verre de la paroi. Ce verre, bien que mince, a évidemment une capacité calorifique énorme par rapport à celle du gaz qu'il s'a git de dilater; le refroidissement se fait éga lement lentement, car le verre étant mauvais conducteur perd lentement sa. chaleur.
Cette inertie gênante se trouve très dimi nuée par l'emploi de la pastille. Dans ce cas: 1o La tête du contacteur est faite d'an verre mince et transparent.
20 La pastille, qui d'ailleurs pourrait être remplacée par un demi-cylindre, est en métal extrêmement mince. Ce métal qui ne doit pas être attaqué par le mercure, doit avoir une capacité calorifique faible, et ne doit pas être facilement fusible. L'acier bruni, par exemple, convient très bien en feuilles de 0,03 mm d'épaisseur.
Le fonctionnement de l'appareil est alors le suivant: L'énergie solaire au lieu d'être absorbée par la paroi du réservoir, traverse celle-ci sans l'échauffer et tombe sur la pastille de Ô Cette pastille, étant extrêmement m étal.
mince et bonne conductrice de la chaleur, s'é chauffe très vite et se refroidit aussi très vite par rayonnement infrarouge.
Le gaz se trouve donc chauffé ou refroidi par l'intermédiaire de la pastille de métal.