EP0047751A1 - Capteur concentrateur catoptrique de faisceaux de rayonnements de faible divergence, notamment de rayonnement solaire ou de faisceaux obtenus au moyen de lasers - Google Patents

Capteur concentrateur catoptrique de faisceaux de rayonnements de faible divergence, notamment de rayonnement solaire ou de faisceaux obtenus au moyen de lasers

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EP0047751A1
EP0047751A1 EP81900513A EP81900513A EP0047751A1 EP 0047751 A1 EP0047751 A1 EP 0047751A1 EP 81900513 A EP81900513 A EP 81900513A EP 81900513 A EP81900513 A EP 81900513A EP 0047751 A1 EP0047751 A1 EP 0047751A1
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EP
European Patent Office
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pupil
section
receiving
reflecting
axis
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP81900513A
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Inventor
Pierre Malifaud
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CIVILE OPTHRA Ste
Original Assignee
CIVILE OPTHRA Ste
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • Catoptric concentrator sensor of beams of radiations of low divergence in particular of solar radiation or of beams obtained by means of lasers.
  • the beams of electromagnetic radiation are said to be "parallel" when the rays which compose them have a slight divergence, of the order of a few sexagesimal degrees and, in the strict sense, less than 1 °.
  • Solar radiation for example, has a divergence on the order of 30 '; the beams obtained from lasers or masers can exhibit a much less divergence.
  • a beam or a combination of such beams can be picked up in a collecting pupil having a certain cross section, then concentrated in a receiving pupil having a smaller cross section.
  • the concentrating sensors may be dioptric, constituted for example by converging lenses, or else be catoptric, constituted by mirrors.
  • a classic concentrating mirror for these so-called "parallel" radiations is the parabolic mirror which provides its focal point with a very punctual concentrated spot whose distribution is very inconsistent around the brightest central point.
  • the parabolic mirror is not suitable.
  • Another solution is the frusto-conical mirror whose inventor of the present invention has proposed optimizations in previous patents.
  • the length of the frusto-conical mirror would be around (3.5-0.5) cotg 1/200 radian , or 700 meters.
  • pre-concentrator for example a parabolic mirror, which greatly reduces the length of the cone, which completes only the pre-concentration. This solution is valid for large concentrations (from several thousand suns up to the limit of 40,000 suns).
  • each reflecting element is formed by a frustoconical crown.
  • the virtual cones are concentric and have a common vertex. They are even more spaced that their angle at the top is large.
  • the frustoconical crowns are provided at a constant distance from the top of the cones, that is to say according to a spherical cap.
  • the present invention describes reflective elements which can be curved, superimposed, juxtaposed, in the form of a gutter, etc.
  • the arrangement of the focal points is completely different from that which is the subject of the present inventi on without lens since the latter provides that the focal point of the parabola, an arc of which forms part of the generator of a reflecting element, is situated in a position "quite distant" from the pupil.
  • U.S. Patent 2,415,211 describes an image projection system of which all the elements are immersed (column 6 lines 26 to 30). In any case, it is a system concerning divergent rays.
  • the invention applies to parallel and or substantially similar rays and provides that immersion (well known in itself) is partial in order to use a refractive effect in order to obtain an increase in concentration and judiciously achieve an improved implementation of the basis of the invention.
  • a - A concentrator sensor can comprise only one reflective element which is defined by its linear profile.
  • This reflecting element may not be continuous and, in particular, may not be a truncated cone.
  • b - The entire pupil receives, after a single reflection, all of the reflected radiation.
  • the reflected radiation is distributed with homogeneity which means not exclusively that at any point of the pupil finds an illumination of same value, since a variable illumination value (or optical density) can also be provided, in particular a decrease from the center towards the periphery of the pupil.
  • the homogeneous distribution means that in no area of the pupil are there very different lighting values. They can be equal (there are, al ers, perfect homogeneity) or similar, d - Other characteristics, not referred to by the cited prior art, allow concentrators of various configurations to be optimally produced, depending on the applications envisaged.
  • the invention will be better understood from the detailed description below made with reference to the accompanying drawing. Of course, the description and the drawing are only given by way of example and are not limiting.
  • FIG 1 schematically illustrates the most general features of the invention.
  • FIG. 2 shows a reflective profile according to the invention in the form of an osculating curve of a family of parabolas.
  • Figure 3 shows an arc-shaped profile of para boledont the axis and the focus are offset from the receiving pupil.
  • Figure 4 shows a profile in the form of straight lines arranged end to end.
  • FIG. 5 shows, on an example similar to that of FIG. 4, an improved profile where account is taken of the divergence, although small, of the received beam.
  • FIGS. 6, 7 and 8 illustrate, in the case where all of the reflective elements of the sensor constitute a regular pyramid, the determination according to the invention of the number of faces.
  • Figures 9, 10 show the sections of a gutter-shaped sensor in the case of a longiform receiver.
  • Figure 11 shows a plan view.
  • Figure 12 i 11 ustre the determination according to the invention of the axial height of the concentrator sensor under given conditions.
  • FIG. 13 shows a reflective profile according to the invention making it possible to benefit from optical immersion.
  • the concentrating sensor is not determined as a reflecting surface (surrounding a volume) and acting optically as such, but as a set of linear reflecting elements each acting in a single plane independently of each other .
  • linear is meant here (preferably “linear” which evokes, more restrictively, rather a straight line) which is relative to. a line, to any curve with one dimension, as one understands by surface what relates to a two-dimensional surface and by volume what which relates to a three-dimensional volume.
  • FIG. 1 most generally represents profiles of concentrator sensors according to the invention. This involves collecting parallel or weakly diverging radiation in a collecting pupil and concentrating it in a smaller receiving pupil.
  • the average direction 1 of an elementary beam of radiation picked up at a point 2 of the periphery of a collecting pupil has been shown.
  • the receiving pupil 4 has a central point 5. If it is a circle, this point is the center of the circle; otherwise, it is an average central point:
  • the plane of the figure, in which the profile of the sensor is determined is the plane containing the average direction 1 and passing through the central point 5; plane which cuts the receiving pupil along a straight line whose ends are points 6 and 7.
  • the profile of the sensor is formed, according to the in vention, of at least one linear re-f1 element such as 8 whose ends are points 2 and 9.
  • the curvature of the reflecting element is determined in such a way that the radius 1 received at the end 2 is reflected directly towards one of the ends of the section of the receiving pupil, for example towards point 6, and that the ray 10 received at the end 9 is reflected directly towards the other end of the section of the receiving pupil, or, here, towards point 7. And also i, in such a way that the points of the reflecting element 8, intermediate between 2 and 9 reflect the radiation (picked up in parallel directions) towards the points of section 4 intermediate between 6 and 7, so that this section receives the reflected radiation over its entire length continuously.
  • the normal 11 to the linear reflecting element, at point 2 is determined as being the bisector of the angle formed by the radius 1 and the straight line joining points 2 and 6, so that the angle of reflection r of the radius received in 6 is equal to the angle of incidence i of the radius picked up in 2.
  • the tangent 12 at point 2 is, of course, the perpendicular to the normal 11.
  • the normals and the tangents pertaining to each of the points of the linear reflecting element 8 are determined as a function of a continuous variation of the direction of the ray reflected towards points continuously traversing the section 4, according to any known analytical or graphic method; or digitally by programming from a computer.
  • the profile can be determined so as to obtain such a distribution as desired between the various points of the section of the receiving pupil.
  • the position of the end 9 is thus itself determined when, according to the method used, the normal 13 is such that the reflected ray passes through the point 7. Specific examples will be described below.
  • the profile of the sensor in this same plane, can consist of several linear reflecting elements thus defined.
  • a second element 15 whose end 9 (normal 14) reflects the parallel radiation towards the point
  • the linear reflecting element receiving the radiation 1 at its end 2 furthest from the receiving pupil 4, reflects it towards the end 6 of this section closest to it, and, receiving it at its other end 9 closest to said selection, reflects it towards the other end 7 of this section, the farthest from it.
  • the distribution of the radiation reflected in the section of the receiving pupil can also be operated in the opposite direction, as can be seen on the right-hand side of FIG. 1.
  • the figuration of the receiving pupil 4 is unchanged.
  • the plane of the figure now taken into consideration, contains the radius 17, passes through the central point 5 of the receiving pupil, and cuts it according to the line segment of ends 7 and 6.
  • the curvature of the element linear reflecting 20 is now determined so that the radius 17 received at the end 18, of the collecting pupil, the most distant from the receiving pupil, reflects it towards the end 6, of this section, the most distant from this element reflective.
  • the normal 21 is the bisector of the angle formed by the radius 17 and the straight line joining the points 18 and 6 - the line 22 at the point 18 being the perpendicular to this normal.
  • the other end, 23, of the reflecting element 20 is determined (after implementing the same process for determining the intermediate points as described previously) the fact that the normal at this end is such that the ray 24 is picked up at this end (closest to the collecting pupil) is reflected towards point 7 (end of the section of the receiving pupil closest to the 'reflective element).
  • the linear reflecting element can, in this case, be a straight segment such as 25. It is obtained by extending the tangent 22 at point 18 to point 26 where the radius 27, parallel to the radius 17, is reflected towards the end 7 of section 4, in direction 26-7, parallel to that of the reflected ray 13-6. This particularly simple example of embodiment will be repeated later.
  • FIG. 2 To return to the first type of profile of the kind shown diagrammatically on the left-hand side of FIG. 1, a particular example of embodiment is shown in FIG. 2.
  • the end 28 of the linear reflecting element 29, the most distant end of the receiving pupil 4 is a point on the periphery of the collecting pupil of the sensor.
  • the ray 29 picked up at point 28 is reflected towards the end 6 of the section of the receiving pupil and the normal to the reflective element at point 28 is determined accordingly as already said.
  • the elementary reflective linear portion at point 28 is here co ⁇ si der ⁇ e as belonging to a parabola having for axis the average axis 30 normal to the e ecting pupil and having for point point 6.
  • 29 are determined step by step considering that they each belong to a parabola whose axis remains the axis
  • the linear reflecting element here is an oscillating latent curve of a family of parabolas infinitely close to each other, the respective foci of which occupy the points of section 4 by covering it continuously.
  • the axis is distant from the mean axis 30 normal to the receiving pupil and is situated with respect to the arc 31 on the other side of the mean axis and parallel to it.
  • the parabolic arc at two ends, the first at point 32, located on the periphery of the collector pupil, and the second which coincides with the end 7 of section 4 of the receiving pupil or which is located in the vicinity from this end 7.
  • the focal point of the parabola is at a point 33 located on the extension of the straight line joining point 32 and the other end 6 of section 4, in a position far enough from this point 5 so that the the illumination in the central part 5 of the section 4 is substantially equal to the half-sum of the illuminations in the parts surrounding the extreme points 6 and 7 of the section of the receiving pupil.
  • the distribution of the illuminations in this section depends on the position of the focal point in relation to point 6. If the focal point was located in point 6, the illumination would be entirely concentrated at this point and the other points of the section would not receive any of the rays reflected by the points of the parabola arc. As the focal point is moved away from point 6, the lighting in.
  • the illumination at point 6 is however always greater than the illumination at point 7.
  • the position determined preferably for the focal point is that where the illumination in the central part 5 of section 4 is substantially equal to the half-sum of the illuminations at point 6 and at point 7.
  • the linear reflecting element 34, parabolic arc symmetrical of the arc 31, having a focal point 35 symmetrical of the focal point 33 with respect to the axis 30 of the receiving pupil produces at point 7 an illumination equal to that which the arc 31 produces at point 6, and at point 6 an illumination equal to that which the arc 31 produces at point 7 and, on the other hand in the central part 5 of section 4, an illumination substantially equal to the half-sum of the illuminations at point 7 and at point 6.
  • Figure 4 shows the particular example of a linear reflecting element in the form of a line segment.
  • the description has already been started with reference to FIG. 1
  • the reflecting straight line 25 has been defined by its ends 13 and 26.
  • the radius 17 picked up at point 18 assumed to be parallel to the mean axis 30 of the receiving pupil,
  • the end 6 of section 4 is directly reflected from the end, and the radius 27 picked up at point 26 is directly reflected towards the end 7 of section 4.
  • the characterization of the reflecting segment 25 can be specified.
  • the angles of incidence and reflection at point 18 being equal on either side of the normal 21 (see fig. 1), their supplements designated by a in FIG. 4 are also so.
  • Another angle is also equal to ⁇ , that made by the reflecting segment 25 with the extension of the picked-up ray 17: this angle is opposed by the vertex with one of the angles designated by ⁇
  • R the distance between the mean axis 30 and the end 18 to the reflecting segment
  • c ' is to say the distance between this point 18 and its projection 37 on the mean axis
  • R the distance between the mean axis 30 and the end 18 to the reflecting segment
  • c ' is to say the distance between this point 18 and its projection 37 on the mean axis
  • r half the linear section 4 of the receiving pupil by h the distance on the mean axis 30 between the mean center 5 - of the receiving pupil and the point 37
  • Point 26 is characterized geometrically. It is the point of the straight line 25 such that the ray 39 reflected at this point, that is to say the parallel led by 26 to the ray 36, passes through the point 7.
  • the beam of radiation of axis 53 and of extreme rays 54 and 55 being picked up it is the reflected ray 56 corresponding to the picked up ray 55 (in the opposite direction by relative to its axis of that of radius 45 close into account at the end 47) which must be directed towards the end 7 this the receiving section.
  • the point 57 towards which is reflected the axial radius 53 is located, here too, at a certain distance from the end 7.
  • the case separating point 57 from the end 7, the closest to the linear reflecting element, is smaller than the distance separating the point 52 of the end 6, the furthest from this reflecting element.
  • the concentrator sensors according to the invention have been defined throughout the above description by their linear profile in a given plane.
  • a concentrator sensor is made up of a set of these linear wires acting independently of each other. This set may be discontinuous.
  • the assembly can be continuous and compose the geometric shape of a surface which can close in on itself, possibly of revolution.
  • each of the linear reflecting profiles acts independently of the others.
  • the set of linear reflecting elements in the form of straight line segments constitutes the geometric shape of a conical surface
  • the optical properties of this set are in no way those of a conical mirror which requires the implementation of reflections multiple between opposing generators and comes out of es relationships integrating the effects of these multiple reflections.
  • each of the generators has been defined for itself and acts alone.
  • a particular case is that where the linear reflecting elements together make up the geometric shape of a pyramid, possibly regular.
  • the number of faces of the pyramid is optimally determined according to the invention.
  • the number of faces of the ..pyramid cannot be any number.
  • the number of these faces of the pyramid must be fixed in such a way (not at all obvious) that the side of the collecting polygon is smaller or at most equal to the diameter of the inscribed circle. in the receiving polygon. This is not the case in the example this figure with a square pyramid whose collector side 60-61 is larger than the diameter of the circle 66 inscribed in the receiving square, diameter equal to the side 62-63 of this square.
  • Ton has:
  • This condition can be expressed as a function of the concentration C characterizing the concentrator sensor, concentration equal to the ratio between the air of the collecting pupil and the air of the receiving pupil.
  • concentration equal to the ratio between the air of the collecting pupil and the air of the receiving pupil.
  • the ratio of these areas is the square of the ratio of the diameters d 1 and d 2 , it comes:
  • n of the faces of the pyramid will be fixed in such a way that we have:
  • the value determined by the above relationship will be rounded off, preferably by default, in order to be sure that the side of the collecting polygon is smaller than the diameter of the circle inscribed in the receiving polygon.
  • the whole number rounded by excess is close to the calculated value, we will round as well by excess because then the side of the collector polygon will be barely larger with the diameter d 3 .
  • n 8.
  • the polygon is an octagon shown in Figure 7. aside 67-68.
  • n thus fixed is optimal in the sense that it makes it possible to obtain the desired concentration, without losing flux with the minimum of planar faces.
  • each of the faces of these regular pyramids according to the invention has a reflecting profile of the type described with reference to FIG. 4.
  • the concentrator sensor consists of truncated cones arranged end to end, according to the profile shown in FIG. 4.
  • the conical shape in itself constitutes another kind of optimization. If it is preferable, in fact, in the case of regular pyramids, to limit the number of faces as much as possible in order to simplify the manufacture, we go all at once with the truncated cones to a die shape veloppable easy to make.
  • Figures S and 10 show two sections, one transverse 9, the other longitudinal 10, and a plan view 11, of a concentrator sensor according to the invention in the case where the receiving pupil 73 is elongated, by example a pipe traversed by a heat transfer fluid.
  • the mean central point then considered in each section being a point on the axis such as point 76 in FIG. 9, or a point close to this axis.
  • These central points continuously and entirely cover the longitudinal axis of the receiving pupil; in other words, the reflective profiles such as 74 make up a surface of cylindrical shape in the particular case shown in FIG. 9, or prismatic.
  • the ends of the gutter may consist of different sets of linear reflecting elements, each of these reflecting the captured radiation, in a plane cutting said at least approximately longitudinal pin receiving at a point that its axis constituting the mean center of at least one of its parts, and continuously covering at least this part of the section.
  • the linear reflecting element 77 reflects the radiation picked up as it is indicated in solid lines with single and double arrows, covering the entire center section 79.
  • the linear reflecting element can be designed so as to reflect the radiation (dotted line with triple arrows) in covering only part of the pupil, part having its mean central point for example at 80.
  • the symmetrical (independent) reflecting element 78 then covers the symmetrical part of the pupil around a center 81.
  • the plane of FIG. 10 cuts the receiving pupil in a strictly longitudinal fashion passing through its axis 76. It can be a little differently in other section planes.
  • a linear reflecting element 82 which operates in a plane cutting diagonally the receiving receptor 11 at its center 79, and containing another linear (independent) reflecting element 83, symmetrical of 82 with respect to the center 79
  • the reflections by the element 82 can thus cover only a part of the pupil, of center 84 for example.
  • the reflective element can also be linear tr o uver more obliquely such that the element 85 and not having a corresponding symmetric on the other end that the gutter.
  • This type of concentrator sensor relates to all the applications where a liquid passing through a pipe is heated such as cal oducs, dowtherms, boilers, distillation installations, etc.
  • a particular application, according to the invention consists in constituting, with such a concentrator sensor, a trough or drinker intended for breeding, in particular calves. It has been established that a temperature of the order of 25 to 30 ° C is favorable to the development of calves and a concentrator sensor of the type described above can easily raise water from 10 or 15 ° to 25 or 30 °.
  • the concentrator sensor proper forming the side walls, can, for example, be covered with aluminum or mylar sheets, and the receiving pupil can be constituted by the bottom of the drinker and possibly the bottom part of the side walls, this background and these parts being made black to absorb the radiation and transform it into heat.
  • FIG. 12 represents three examples of linear reflecting profiles made up of straight line segments arranged end to end as described above considering, for the same dimension of collecting section of diameter d 1 and the same receiving section, three different axial lengths h 1 , h 2 , h 3 .
  • this type of concentrating sensor according to the invention there is always a part of the captured flux which is lost, owing to the fact that the end of the last reflecting segment, closest to the receiving pupil, always presents a hiatus with the end of the section of this pupil closest to it.
  • the section of the pupil being designated by 6-7 in the figure, the ends of the three sensors represented in example closest to the pupil are designated by 88, 89, 90.
  • the hiatuses are respectively 88-6, 89-6, 90-7.
  • the aim is to reduce the optical hiatus as much as possible and to determine an optimal compromise between the various parameters involved, having regard to other disadvantages which also arise.
  • the hiatus turns out to vary in opposite direction to the axial length h of the sensor. It is therefore advantageous, to decrease the hiatus, to increase this length h, otherwise di.t. To move the collecting pupil away from the receiving Dupille.
  • the longer the concentrator sensor is extended the more it creates drawbacks of size, weight, wind resistance, price increase.
  • An optimal compromise is proposed here, according to the invention.
  • the average diameter 6-7 of Your receiving pupil c ⁇ j'on denote by d 2
  • the axial value h a value of the order of 3 to 5
  • the average diameter d 1 of the collecting pupil being of the order of 6 to 7
  • the mean terminal diameter d of the concentrator sensor then being of the order of 1.5 to 2.
  • a concentrator sensor corresponding to this optimization is represented in the figure by three reflective segments end to end 91-92, 92-93, 93-90.
  • the loss of flux from the hiatus is proportional to; .
  • the yield loss compared is the quotient of this expression by:
  • the energy efficiency is, respectively ment, in these three cases: 2%, 8%, 21%.
  • the concentrator sensor is of one of the types according to the invention described above. Particularly suitable: surfaces with an osculating curve profile of parabolic families as described with regard to FIG. 2, with an arc-shaped profile of a dish with a focal point (FIG. 3), regular pyramids (FIGS. 5 and 4) ), the butt joints of trunks of cone of revolution.
  • surfaces with an osculating curve profile of parabolic families as described with regard to FIG. 2 with an arc-shaped profile of a dish with a focal point (FIG. 3), regular pyramids (FIGS. 5 and 4) ), the butt joints of trunks of cone of revolution.
  • the receiving pupil is here provided with a grill and / or constitutes the entrance to an oven.
  • the sun dispenses, when the sky is clear, an energy of the order of 1 KW per m2.
  • an energy of the order of 1 KW per m2. Taking into account the fact that food has a radiation absorption coefficient ranging from 0.5 to 0.2 approximately, that there are these losses by convection, possibly by the effect of air currents etc. . obtaining a temperature of the order of 150o to 200o C, suitable for cooking or grilling food, requires a concentration of the order of 6 to 9 times. A concentration of the order of 16 suns would allow safer and faster cooking. Referring to the table determined above, we see that in the case of a pyramid barbecue the simplest basic polygon is the octagon (6 suns).
  • the decagon allows a concentration of just over 9 suns.
  • a concentration of 16 suns requires a decatriagon (13 sides).
  • the assembly of the concentrator sensor and its pupil provided with a grill and possibly attached to an oven is oriented towards the sun and is provided with a tilting device in an approximately east-west direction, possibly operated by hand.
  • Two wires are arranged in the flow input section of the sensor and their intersection is in the center of this section, so that when the shadow cast by this intersection is in the center of the receiving pupil, we see that the sensor is correctly oriented towards the sun. This allows you to control the pointing towards the sun.
  • one or more glass panes with greenhouse effect are arranged in the vicinity of the exit pupil, either in sections of the concentrator sensor, or outside (when the pupil is at a distance). This, in order to return to the actopm of the concentration of solar energy especially in the case where the exit pupil leads to an oven.
  • the vitrange (or them) can then close the oven by making it waterproof if necessary.
  • the receiving pupil in which the cooking or grilling lines are arranged, especially when it is located at a certain distance from the concentrator sensor (in the case of a pyramid barbecue in particular), is protected from wind or drafts. air by a device such as screens and possibly constituting the walls, preferably black, of an oven surrounding the hob.
  • the oven may contain stones or materials that store heat. It is the same when the receiving pupil leads directly to an oven, as has been said.
  • FIG. 13 represents a reflective profile of a concentrator sensor performing an optical immersion. It is recalled that an optical device, operating in air, is said to be “immersed” when its terminal part, where its optical action finishes, is made up of a medium with a higher refractive index n to 1. For a converging optical system, immersion has the effect, all other things being equal, of multiplying the concentration of the radiation by an additional factor n 2 .
  • the concentrator sensor is composed, according to the invention, of at least minus two parts.
  • One, terminal whose linear reflecting profile (in one or more elements) is characterized as it was said previously, and contains an optical body of index n (larger than that of air) solid or liquid la filling up to the level of its own collecting pupil and. in optical contact with the receiving pupil.
  • This end part acts by its reflecting profile as if there were no immersion medium (refractive body), but it is the presence of this which makes it possible to determine according to the invention the reflecting profile of another part of the concentrator sensor, preceding the terminal part. It is this other part, operating in the air, (or whose volume is occupied by an optical body with a refractive index less than n) which obtains an additional concentration implementing the immersion.
  • the characteristics of the reflecting profile of this other part are determined by taking into account the refraction undergone at the entry of the optical medium. filling the terminal part.
  • the rays picked up by a linear reflecting element are re-bent towards points of the receiving pupil which have been well specified. If there is an immersion medium of index n delimited by the plane diopter of the collecting pupil of the terminal part, that is to say the largest section, perpendicular to the axis of this terminal part, these reflected rays are deflected by refraction crossing the plane diopter.
  • the reflective profile is modified, according to the invention, taking account of said refraction.
  • This modification is made in the following manner, described with reference to FIG. 9 on an example of linear reflecting elements in the form of straight line segments.
  • the terminal part 96 of the concentrator sensor is delimited laterally by linear reflecting elements such as 97 whose ends are 98 and 99, the end 98 being closest to the receiving pupil 100 whose ends are 101 and 102.
  • An optical medium refractive index n solid or liquid, fills this terminal part until it forms a plane diopter 103 at the level of the collecting pupil of this terminal part, in the plane perpendicular to the mean axis passing through the end 99 of the reflecting segment furthest from the axis, this optical miMeu is in optical contact with the receiving pupil 100.
  • n solid or liquid
  • this wall can advantageously be constituted by a reflective profile in the form, for example of a parabolic arc with a focal point, as it was previously described and as shown in the drawing (98-102).
  • the characteristics of the reflecting segment 97 are those which have already been described.
  • the reflecting segment 97 makes with the direction 107 of the middle axis an angle a as as has been said
  • the reflecting segment 108 which precedes the submerged terminal segment 97.
  • This reflecting segment makes with the direction 107 of the mean axis an angle ⁇ 'which it is a question of determining. It has two ends 99 and 109.
  • the ray 110 picked up at point 109 must reach point 101, which is the end of the section of the receiving pupil furthest from the reflecting segment, after having undergone a reflection at point 109 and a refraction at point 110.
  • the ray 111 picked up at point 99 must reach point 102, the other end of the section of the receiving pupil after having undergone a reflection at point 99 and a refraction.
  • figure 9 shows what must happen, by shifting point 99 a little, so that reflection and refraction occur at non-confused points as is the case for the borderline. very end of the reflecting segment.
  • the refraction point is shown here at 112.
  • the ray 111 undergoes a reflection at 99 and reaches the plane diopter 103 at point 112.
  • the ray refracts at an angle of refraction r 'with the normal.
  • the point 110 from which the ray coming from 109 is refracted coincides with the parallel to the axis 104 led by the end 102 that the receiving pupil. Indeed, the radii 99-102 and 110-101 are parallel, each making an equal angle (denoted r ') with 102-110.
  • the end 109 of the segmen reflecting 108, the furthest from the mean axis 104, is at a distance R 'from this mean axis, which must also be determined.
  • the ray 115 picked up at point 109, after reflection reaches the plane diopter 103 at point 110 at an angle of incidence which is also equal to 2 ⁇ '.
  • tg 2 ⁇ ' by designating by h 'the distance 110-115, that is to say the distance between the plane diopter and the collecting pupil corresponding to the end 109.
  • This characteristic of the invention which makes it possible to benefit from an additional concentration thanks to optical immersion, is particularly interesting in the case where it is precisely desired to carry out the terminal concentration in a medium of index greater than unity.

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Abstract

Un concentrateur par exemple pour le rayonnement solaire. Un concentrateur conforme a l'invention est determine par un ensemble d'elements reflechissants lineiques (8) agissant chacun, dans un seul plan et independamment les uns des autres. La courbure de l'element (8) est determinee de maniere telle que le rayon (1) recu en l'extremite (2) soit reflechi directement vers l'extremite (6) de la section (4) de la pupille, que le rayon (10) recu en l'extremite (9) soit reflechi vers l'extremite (7) et que les points de l'element (8) intermediaire entre (2) et (9) reflechissent le rayonnement vers les points de la section (4) intermediaires entre (6) et (7).

Description

Capteur concentrateur catoptrique de faisceaux de rayonnements de faible divergence, notamment de rayonnement solaire ou de faisceaux obtenus au moyen de lasers.
Les faisceaux de rayonnements électromagnétiques sont dits "parallèles" lorsque les rayons qui les composent présentent une faible divergence, de l'ordre de quelques degrés sexagésimaux et, au sens strict, inférieure à 1°. Le rayonnement solaire, par exemple, présente une divergence de l'ordre de 30'; les faisceaux obtenus à partir de lasers ou de masers peuvent présenter une divergence bien moindre. Un faisceau ou une association de faisceaux de ce genre peut être capté dans une pupille collectrice présentant une certaine section droite, puis concentré dans une pupille réceptrice présentant une section droite plus petite. Les capteurs concentrateurs peuvent être dioptriques, constitués par exemple par des lentilles convergentes, ou bien être catoptriques, constitués par des miroirs. Un miroir concentrateur cla.ssique pour ces rayonnements dits "parallèles" est le miroir parabolique qui fournit en son foyer une tache concentrée très ponctuelle dont la répartition est très inhomogêne autour du point central le plus brillant. Lorsque, comme c'est le cas général, la pupille du récepteur n'est pas ponctuelle et qu'on désire lui fournir une densité de rayonnement aussi homogène que possible, le miroir parabolique ne convient pas. On peut, certes, exfoca liser la pupille réceptrice pour déconcentrer la tache-image, mais on obtient alors une répartition encore plus inhomogène en anneau brillant avec une zone nettement plus sombre au centre. Une autre solution est le miroir tronconique dont l'inventeur de la présente invention a proposé des optimisations dans des brevets antérieurs. Le principe d'un miroir conique agissant comme tel est de faire subir aux rayons captés plusieurs réflexions dont la moyenne des effets est intégrée au niveau de la pupille réceptrice. S'agissent de rayonnements de faible divergence, la solution d'un miroir tronconique simple est impraticable avec les optimisations décrites dans ces brevets antérieurs. Dans le cas par exemple, du rayonnement solaire dont là divergence est de l'ordre de 30', soit un 1/100 radian, l'angle au sommet du miroir conique doit être choisi plus petit , par exemple de valeur moitié comme il a été préconisé, soit 1/200 radian. Si l'on se propose de capter le rayonnement solaire dans une section collectrice de 10 m2 (correspondant à une puissance de 10 Kw) , soit un cercle d'environ 3,50 m de diamètre, pour une pupille réceptri ce dont le diamètre est de l'ordre, par exemple, de 0,50m (concentration en surface de l'ordre de 5O fois), la longueur du miroir tronconique serait de l'ordre de (3,5-0,5) cotg 1/200 radian, soit 700 mètres. On est alors contraint en pareil cas de recourir à un système optique supplémentaire, pré-concentrateur, par exemple un miroir parabolique,ce qui réduit beaucoup la longueur du cône, lequel parachève seulement la pré-concentration. Cette solution est valable pour les grandes concentrations (depuis plusieurs milliers de soleils jusqu'à la limite de 40.000 soleils). Mais elle présente plus d'inconvénients que d'avantages lorsqu'on recherche des concentrations moins élevées de l'ordre par exemple d'un ou deux milliers de soleils, ou moyennes (des centaines de soleils), voire faibles (des dizaines de soleils). Non seulement elle est alors trop compliquée et trop onéreuse, mais les relations d'optimisation ne s'appliquent plus du fait que le nombre des réflexions mises en ceuvre devient trop petit. Il convient dans ces cas de rechercher une solution d'un principe tout différent excljant les pré-concentrateurs et ne faisant pas appel à l'effet conjugué de ré¬ flexions multiples caractérisant les miroirs coniques Une telle solution est apportée par la présente invention.
Par ailleurs, on connait le brevet U.S. 2.791.214 qui décrit une structure de réflecteur comprenant une pluralité d'éléments annulaires concentriques, à génératrice rectiligne (colonne 4, lignes 56 à 59).
Ils sont disposés relativement les uns aux autres (colonne 4 lignes 59-60) et n'ont, en soi, aucune caractéristique définie. La relation intéresse au moins trois éléments puisque les distances (colonne 4 ligne 6) qui les séparent doivent augmenter à partir de l'axe optique.
En outre, les génératrices des éléments réfléchissants sont orientées de telle sorte qu'elles convergent toutes vers un point commun situé sur l'axe optique. En d'autres termes, chaque élément réfléchissant est formé par une couronne tronconique. Les cônes virtuels sont concentriques et ont un sommet commun. Ils sont d'autant plus espacés que leur angle au sommet est grand.
Les couronnes tronconiques sont prévues à une distance constante du sommet des cônes, c'est-à-dire selon une calotte sphérique.
Aucune de ces indications n'enseigne le principe de la présente invention qui s'applique à la constitution d'un élément réfléchissant éventuellement unique. En supposant même que l'on se borne au mode de réalisation de l'invention selon lequel il y a plusieurs éléments réfléchissants associés, leurs génératrices ne peuvent pas être convergentes puisqu'il ne s'agit pas de couronnes tronconiques appartenant à des cônes virtuels de sommet commun (cf. notamment page 18 lignes 22 à 25 de la demande).
De plus, la présente invention décrit des éléments réfléchissants qui peuvent être courbes, superposés, juxtaρosés,.en forme de gouttière etc...
Par ailleurs, il est clair sur la figure 1 et plus encore sur la figure 2 du brevet US 2.791.214 que le rayon réfléchi par une extrémité d'un élément n'atteint pas obligatoirement l'extrémité de la pupille, ce qui est incompatible avec l'invention et procure un résultat moins con Le document "APPLIED OPTICS" vol. 17 N°7 décrit un concentrateur constitué par la surface réfléchissante d'un volume dont la génératrice est une parabole. Les foyers de ces paraboles (de nombre infini) se situent sur la circonférence extérieure de la pupill-e (de diamètre P2 - P'2). Le perfectionnement décrit consiste à ajouter une lentille.
La disposition des foyers est totalement différente de celle qui fait l'objet de la présente inventi on sans lentille puisque celle-ci prévoit que le foyer de la parabole dont un arc constitue une partie de la génératrice d'un élément réfléchissantest situé en une position "assez éloignée" de la pupille.
Le brevet U.S. 4.162.824 montre que l'on connaît déjà des concentrateurs en forme de gouttière ou d'auge. Mais cette disposition ne reprend pas la caractéristique fondamentale de l'invention.
Le brevet U.S. 2.415.211 décrit un système de projection d'images dont tous les éléments sont immergés (colonne 6 lignes 26 à 30). Il s'agit, de toutes façons, d'un système concernant des rayons divergents.
Au contraire, l'invention s'applique à des rayons parallèles et ou sensiblement tels et prévoit que l'immersion .bien connue en elle-même) est partielle pour utiliser un effet de réfraction en vue d'obtenir un surcroît de concentration et de parvenir judicieusement à une mise en oeuvre perfectionnée du fondement de l'invention.
Par rapport à l'état de la technique ainsi établi, l'invention se caractérise en ce que : a - Un capteur concentrateur peut ne comporter qu'un seul élément réfléchissant qui est défini par son profil linéique.
Cet élément réfléchissant peut n'être pas continu et, en particulier, peut ne pas être une couronne tron-conique. b - La totalité de la pupille reçoit, après une seule réflexion, l'intégralité du rayonnement réfléchi.
c - Le rayonnement réfléchi est réparti avec homogénéité ce qui signifie non pas exclusivement qu'en tout point de la pupillse trouve un éclairement de même valeur, puisqu'il peut, aussi, être prévu une valeur d ' écl ai rement (ou densité optique) variable, notamment une décroissance du centre vers la périphérie de la pupille. La répartition homogène signifie qu'en aucune zone de la pupille il ne se trouve des valeurs d ' écl ai rement très différentes. Ellespeuvent être égales (il y a, al ers, homogénéité parfaite) ou voisines, d - D'autres caractéristiques, non visées par les anté riorités citées, permettent de réaliser de manière optimale des concentrateurs de configurations diverses, selon les applications envisagées. L'invention sera bien comprise par la description détaillée ci-après faite en référence au dessin annexé. Bien entendu, la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre d'exemple .indicatif et non limitatif.
La figure 1 illustre schématiquement les caractéristiques les plus générales de l'invention.
La figure 2 montre un profil réfléchissant selon l'in vention en forme de courbe osculatrice d'une famille de paraboles.
La figure 3 montre un profil en forme d'arc de para boledont l'axe et le foyer sont décalés par rapport à la pupille réceptrice. La figure 4 montre un profil en forme de segments de droite disposés bout à bout.
La figure 5 montre, sur un exemple similaire à celui de la figure 4, un profil perfectionné où il est tenu compte de la divergence, quoique faible, du faisceau capté. Les figures 6 , 7, et 8, illustrent dans le cas où l'ensemble des éléments réfléchissants du capteur constituent une pyramide régulière, la détermination selon l'invention du nombre des faces.
Les figures 9 , 10, montrent les coupes d'un capteur en forme de gouttière dans le cas d'un récepteur longiforme. La figure il, en montre une vue en plan. La figure 12 i 11 ustre la détermination selon l'invention de la hauteur axiale du capteur concentrateur dans des conditions données.
La figure 13 montre un profil réfléchissant selon l'invention permettant de bénéficier d'une immersion optique.
Selon l'invention, le capteur concentrateur n'est pas déterminé comme une surface réfléchissante (entourant un volume) et agissant optiquement en tant que telle, mais comme un ensemble d'éléments réfléchissant linéiques agissant chacun dans un seul plan indépendamment les uns des autres.
On entend ici par "linéique" (de préférence à "linéaire" qui évoque, de manière plus restrictive, plutôt une ligne droite) ce qui est relatif à. une ligne, à une courbe quelconque à une dimension, comme on entend par surfacique ce qui est relatif à une surface à deux dimensions et par volumîque ce qui est relatif à un volume à trois dimensions.
La figure 1 représente de la manière la plus générale des profils de capteurs concentrateurs selon l'invention. Il s'agit de collecter un rayonnement parallè le ou de faible divergence dans une pupille collectrice et de le concentrer dans une pupille réceptrice plus petite.
On a représenté la direction moyenne 1 d'un faisceau élémentaire de rayonnement capté en un point 2 de la pé riphérie d'une pupille collectrice 3. la pupille récep trice 4 présente un point central 5. Si c'est un cercle, ce point est le centre du cercle ; autrement, c'est un point central moyen: Le plan de la figure, dans lequel est déterminé le profil du capteur est le plan contenant la direction moyenne 1 et passant par le point central 5; plan qui coupe la pupille réceptrice selon un segment de droite dont les extrémités sont les points 6 et 7. Dans ce plan, le profil du capteur est constitué, selon l'in vention, d'au moins un élément ré-f1 échi ssant linéique tel que 8 dont les extrémités sont les points 2 et 9. La courbure de l'élément réfléchissant est déterminée de manière telle que le rayon 1 reçu en l'extrémité 2 soit réfléchi directement vers l'une des extrémités de la section de la pupille réceptrice, par exemple vers le point 6, et que le rayon 10 reçu en l'extrémité 9 soit réfléchi directement vers l'autre extrémité de la section de la pupille réceptrice, soit, ici, vers le point 7. Et aus i, de manière telle que les points de l'élément réfléchissant 8, intermédiaires entre 2 et 9 réfléchissent le rayonnement (capté selon des directions parallèles) vers les points de la section 4 intermédiaires entre 6 et 7, en sorte que cette section reçoive le rayonnement réfléchi sur toute sa longueur continûment. A cet effet, la normale 11 à l'élément réfléchissant linéique, au point 2, est déterminée comme étant la bissectrice de l'angle formé par le rayon 1 et la droite joignant les points 2 et 6, afin que l'angle de réflexion r du rayon reçu en 6 soit égal à l'angle d'incidence i du rayon capté en 2. La tangente 12 au point 2 est, bien entendu, la perpendiculaire à la normale 11. Les normales et les tangentes afférentes à chacun des points de l'élément réfléchissant linéique 8 sont déterminées en fonction d'une variation continue de la direction du rayon réfléchi vers des points parcourant continûment la section 4, selon toute méthode analytique ou graphique connue; ou digitalement par programmation d'un ordinateur. Avec cette demi ère méthode, on peut déterminer le profil de manière à obtenir telle répartition que l'on désire entre les divers points de la section de la pupille réceptrice. La position de l'extrémité 9 se trouve ainsi elle-même déterminée lorsque, selon la méthode utilisée, la normale 13 est telle que le rayon réfléchi passe par le point 7. Des exemples précis en seront décrits ci-après.
Le profil du capteur, dans ce même plan, peut être constitué par plusieurs éléments réfléchissants linéiques ainsi définis. Sur la figure 1, on voit, faisant suite à l'élément 8, un second élément 15 dont l'extrémité 9 (normale 14) réfléchit le rayonnement parallèle vers le point
6 (3 flèches) et l'extrémité 16 le réfléchit vers le point
7 (4flêches). Et ainsi de suite, éventuellement.
Dans ce premier exemple (très schématique), l'élément réfléchissant linéique, recevant le rayonnement 1 en son extrémité 2 la plus éloignée de la pupille réceptrice 4, le réfléchit vers l'extrémité 6 de cette section la plus proche de lui, et, le recevant en son autre extrémité 9 la plus proche de ladite selection, le réfléchit vers l'autre extrémité 7 de cette section, la plus éloignée de lui. Larépartition durayonnement réfléchi dans la section de la pupille réceptrice peut aussi bien être opérée en sens inverse, comme on le voit sur la parite droite de la figure 1. On considère maintenant la direction moyenne 17 d'un faisceau élémentaire de rayonnement capté er un point 18 de la périphérie d'un pupille collectrice 19. La figuration de la pupille réceptrice 4 est inchangée. Le plan de la figure, pris maintenant en considération, contient le rayon 17, passe par le point central 5 de la pupille réceptrice, et coupe celle-ci selon le segment de droite d'extrémités 7 et 6. La courbure de l'élément réflechissant linéique 20 est maintenant déterminée de maniére que le rayon 17 reçu en l'extremité 18, de la pupille collectrice, la plus éloignée de la pupille réceptrice, le réfléchit vers l'extrémité 6, de cette section, la plus éloignée de cet élément réfléchissant. La normale 21 est la bissectrice de l'angle formé par le rayon 17 et la droite joignant les points 18 et 6 - la tengente 22 au point 18 étant la perpendiculaire à cette normal. L'autre extrémité, 23, de l'élément réfléchissant 20 est déterminé (après mise en oeuvre du même processus de détermination des points intermédiaires que décrit précédemment) du fait que la normale en cette extrémité est telle que le rayon 24 est capté en cette extrémité (la plus proche de la pupille collectrice) est réfléchi vers le point 7 (extrémité de la section de la pupille réceptrice la plus proche de l'élément réfléchissant).
L'élément réfléchissant linéique peut, dans ce cas, être un sejment de droite tel que 25. Il est obtenu en prolongeant la tangente 22 au point 18 jusqu'au point 26 où le rayon 27, parallèle au rayon 17, se réfléchit vers l'extrémité 7 de la section 4, selon la direction 26-7, parallèlement à celle du rayon réfléchi 13-6. Cet exemple de réalisation particulièrement simple sera repris plus loin.
Pour en revenir au premier type de profil du genre représenté schématiquement sur la partie gauche de la figure 1, un exemple particulier de la réalisation est représenté sur la figure 2. L'extrémité 28 de l'élément réfléchissant linéique 29, extrémité la plus éloignée de la pupille réceptrice 4, est un point de la périphérie de la pupille collectrice du capteur. Le rayon 29 capté au point 28 est réfléchi vers l'extrémité 6 de la section de la pupille réceptrice et la normale à l'élément réfléchissant au point 28 est déterminée en conséquence comme il a été céjà dit. La portion linéique réfléchissante élémentaire au point 28 est ici coπsi dérëe comme appartenant à une parabole ayant pour axe l'axe moyen 30 normal à la pupille rêc eotrice et ayant pour foyer le point 6. Les points de l'élément réfléchissant
29 sont déterminés de proche en proche en considérant qu'ils appartiennent chacun à une parabole dont l'axe demeure l'axe
30 et dont le foyer occupe de proche en proche les points de la section 4 en parcourant continûment cette section depuis l'extrémité 6 jusqu'à l'extrémité 7. Autrement dit, l'élément réfléchissant linéique est ici une courbe oscu latrice d'une famille de paraboles infiniment voisines les unes des autres dont les foyers respectifs occupent les points de la section 4 en la couvrant continûment. On a figuré au dessin quelques uns de ces points ainsi eue les rayons captés et réfléchis correspondants. Le résultat, dans l'exemple représenté, est obtenu avec une seule courbe osculatrice. En faisant parcourir plusieurs fois continûment la section 4 par les foyers des paraboles, on peut obtenir le résultat cherché avec plusieurs courbes osculatrices disposées bout à bout. cn passant ensuite au second type de profil du genre représenté schématiquement sur la partie droite de la figure 1, un exemple particulier de réalisation est représenté sur la figure 3. L'élément réfléchissant linéique 31 a ici la forme d'un arc de parabole dont l'axe est distant de l'axe moyen 30 normal à la pupille réceptrice et est situé par rapport à l'arc 31 de l'autre côté de l'axe moyen et parallèlement à lui. L'arc de parabole à deux extrémités, la première au point 32, situé à la périphérie de la pupille collectrice du capteur, et la seconde ςui coïncide avec l'éctrémité 7 de la section 4 de la pupille réceptrice ou qui se trouve au voisinage de cette extrémité 7. Le foyer de la parabole se trouve en un point 33 situé sur le prolongement de la droite joignant le point 32 et l'autre extrémité 6 de la section 4, en une position assez éloignée de ce point 5 pour que l'éclairement dans la partie centrale 5 de la section 4 soit sensiblement égal à la demi-somme des éclairements dans les partiesavoisinant les points extrêmes 6 et 7 de la section de la pupille réceptrice. La répartition des éclairements dans cette section dépend de la position du foyer par rapport au point 6. Si le foyer était situé au point 6, l'éclairement serait tout entier concentré en ce point et les autres points de la section ne recevraient aucun des rayons réfléchis par les points de l'arc de parabole. Au fur et à mesure que le foyer est éloigné du point 6, l'éclairement en. ce point diminue au profit des autres points de la section, l'éclairement au point 6 étant toujours cependant plus grand que l'éclairement au point 7. La position déterminée de préférence pour le foyer est celle où l'éclairement dans la partie centrale 5 de la section 4 est sensiblement égal à la demi-somme des éclairements au point 6 et au point 7. De cette manière, l'élément réfléchissant linéique 34, arc de parabole symétrique de l'arc 31, ayant un foyer 35 symétrique du foyer 33 par rapport à l'axe 30 de la pupille réceptrice, produit au point 7 un éclairement égal à celui que l'arc 31 produit au point 6, et au point 6 un éclairement égal à celui que l'arc 31 produit au point 7 et, d'autre part dans la partie centrale 5 de la section 4 un éclairement sensiblement égal à la demi-somme des éclairements au point 7 et au point 6. Ainsi, les effets des arcs de parabole 31 et 34 se conjuguant, les éclairements aux extrémités 6 et 7 et dans la partie centrale 5 sont tous égaux, réalisant une répartition très homogène. Il convient ici de remarquer que ces arcs de parabole n'appartiennent pas à une même parabole mais à deux paraboles distinctes. Leur conjugaison selon l'invention permet d'obtenir une homogénéité tandis que dans les systèmes connus où l'on exfocalise un miroir parabolique, on aboutit à une très grande i nhomogénéité
La figure 4 reprend l' exemple particuler d'un élément réfléchissant linéique en forme de segment de droite. La description en a déjà été commen ée en regard de la figure 1 Le segment de droite réfléchissant 25 a été défini par ses extrémités 13 et 26. Le rayon 17 capté au point 18 supposé parallèle à l'axe moyen 30 de la pupille réceptrice, est directement réflëchivers l'extrémité 6 de la section 4, et le rayon 27 capté au point 26 est directement réfléchi vers l'extrémité 7 de la section 4. La caractérisation du segment réfléchissant 25 peut être précisée. Les angles d'incidence et de réflexion an point 18 étant égaux de part et d'autre de la normale 21 (voir fig. 1), leurs suppléments désignés par a sur la figure 4 le sont aussi. Un autre angle est aussi égal à α , celui que fait le segment réfléchissant 25 avec le prolongement du rayon capté 17 : cet angle est opposé par le sommet avec l'un des angles désignés par α Le rayon 36, réfléchi du point 18 vers le point 6, fait donc avec le prolongement du rayon 17, parallèle à l'axe 30, un angle désigné par β égal à 2α Si on désigne par R la distance entre l'axe moyen 30 et l' extrémité 18 au segment réfléchissant, c'est-à-dire la distance entre ce point 18 et sa projection 37 sur l'axe moyen ; par r la moitié de la section linéaire 4 de la pupille réceptrice ; par h la distance sur l'axe moyen 30 entre le centre moyen 5 -de la pupille réceptrice et le point 37 ; on peut déterminer la valeur de l'anglβ/δ dans le triangle formé par le rayon réfléchi 36, la parallèle à l'axe 30 passant car le point 6 et le segment désigné par R prolongé jusqu'à sa rencontre au point 38 avec cette parallèle. En remarquant que la distance entre les points 37 et 38 est égale à r , on a: . Et, comme , on peut caractériser l'an gle α que fait le segment réfléchissant 25 avec la direction de l'axe moyen par la relation ;
Le point 26 est caractérisé géométriquement. C'est le point de la droite 25 tel que le rayon 39 réfléchi en ce point, c'est-à-dire la parallèle menée par 26 au rayon 36, passe par le point 7.
En considérant le point 26 comme jouant à son tour le rôle dévolu précédemment au point 18, on peut caractériser de la même manière un autre segment réfléchissant 40, réfléchissant en son extrémité 26 le rayon 27 vers le point 6 (selon la direction indiquée par trois flèches) et réfléchissant en son extrémité 41 le rayon 42 vers le point 7. Et ainsi de suite, si on le veut.
Ces segments, disposés bout à bout, ne peuvent rejoindre l'extrémité 7 de la section de la pupille réceptrice. Un certain hiatus subsiste entre cette extrémité et la dernière extrémité des segments réfléchissants. Pour éviter ce hiatus, on peut disposer à la suite du dernier segment réfléchissant un arc de parabole tel que défini en regard ce la figure 3. Par exemple, sur la figure 4, l'arc de parabole 43.
Dans le plan de la figure, un autre profil, symétrique de celui qui vient d'être décrit, est représenté dans la partie gauche.
Jusqu'ici on a négligé l'angle de divergence du faisceau de rayonnement capté en chacun des points de l'élément réfléchissant linéique, approximation légitime du fait qu'il s'agit de rayonnement dit "parallèle". Cependant, il peut y avoir des cas où cet angle de divergence, quoique faible, n'est pas négligeable, ainsi que des cas où l'on veut se donner une marge angulaire supplémentaire de captation au tour de la direction axiale du rayonnement, ce qui équivaut à prendre en considération un angle de divergence plus grand que l'angle réel.
Sur la figure 5, on considère un faisceau élémentaire d'axe 44 présentant une divergente 2γ de 6° dans l 'exemple représenté, faisceau délimité dans le plan de la figure par des rayons extrêmes 45 et 46 à 3° de part et d'autre de Taxe 44. Ce faisceau est capté au point 47, extrémité la plus éloignée de Taxe d'un, élément réfléchissant linéique 48 qu'on suppose dans cet exemple être un segment de droite d'extrémités 47 et 49. Si l'on veut que le faisceau de rayonnement réfléchi au point 47 pénètre tout entier dans la pupille réceptrice de section 4, d'extrémités 6 et 7, il faut que le rayon réfléchi 50, correspondant au rayon capté extrême 45, soit dirigé vers le point 6. Le rayon réfléchi axial 51 ne doit donc plus être dirigé vers l'extrémité 6 de la section réceptrice mais vers un point 52. Il faut alors remplacer, dans les modes de détermination de l'lément réfléchissant linéique décrits plus Haut, l'extrémité 6, de la section réceptrice par le point tel que 52 situé à une distance de l'extrémité telle que le rayon extrême du faisceau réfléchi ne déborde pas l'extrémité 6. Ceci revient à dire que dans la relation déterminée plus haut, l'angle α doit être diminué de la moitié de l'angle de divergence γ du faisceau capté :
De même, en l'extrémité 49 de l'élément réfléchissant linéique 48, le faisceau de rayonnement d'axe 53 et de rayons extrêmes 54 et 55 étant capté c'est le rayon réfléchi 56 correspondant au rayon capté 55 (en sens inverse par rapoort à son axe de celui du rayon 45 près en compte en l'extrémité 47) qui doit être dirigé vers l'extrémité 7 ce la section réceptrice. Ainsi, le point 57 vers lequel est réfléchi le rayon axial 53 est situé, ici aussi, à une cer taine distance de l'extrémité 7. La cfîstance séparant le point 57 de l'extrémité 7, la plus proche de Télément ré fléchissant linéique, est plus petite que la distance séparant le point 52 de l'extrémité 6, la plus éloignée de cet élément réfléchissant.
Les capteurs concentrateurs selon l'invention ont été définis dans toute la description ci-dessus par leur profil linéique dans un plan donné. Bien entendu, un capteur concentrateur est constitué d'un ensemble de ces pr<fils linéi ques agissant indépendamment les uns des autres. Cet ensem ble peut être discontinu. Afin de mettre en oeuvre le plus grand nombre possible de profils linéiques, l'ensemble peut être continu et composer la forme géométrique d'une surface pouvant se refermer sur elle-même, éventuellement, de révolution. Chacun des profils réfléchissants linéiques n'en agit pas moins indépendamment des autres. Par exemple, si l'ensemble des éléments réfléchissants linéiques en forme de segments de droite constitue la forme géométrique d'une surface conique, les propriétés optiques de cet ensemble ne sont nullement celles d'un miroir conique lequel requiert la mise en oeuvre de réflexions multiples entre génératrices opposées et ressortit à es relations intégrant les effets de ces réflexions multiples. Dans le cas d'un capteur concentrateur selon l'invention, chacune des génératrices a été difinie pour elle-même et agit seule.
Un cas particulier est celui où les éléments réfléchissants linéiques composent par leur ensemble la forme géométrique d'une pyramide, éventuellement régulière. Dans ce dernier cas, on détermine de manière optimale, selon l'invention le nombre des faces de la pyramide.
Sur les figures 6, 7 , 8 , qui sont des vues en plan, la pupille collectrice du capteur, supposée polygonale, a un cercle circonscrit 58, et la pupille réceptrice, supposée délimitée par un polygone régulier homothétique de celui de la pupille colllectrice , a un cercle circonscrit 59 et un cercle inscrit de diamètre désigné par d3. Pour que la concentration s'opère sans perte d'énergie rayonnante, le nombre des faces de la ..pyramide ne peut pas être quelconque. Dans l'exemple représenté sur la figure 6a si les polygones homothéti ques de la pupille collectrice et de la pupille réceptrice étaient des carrés de côtés tels que 60-61 et 62-63 respectivement on voit que les rayons captés extrêmes perpendiculairement au plan de la figure entre les points 60 et 64 et entre les points 65 et 61 (le segment médiant 64-65 étant égal au côté 62-63) seraient réfléchis respectivement selon des directions (vues en plan) indiquées par des flèches et ne pénétreraient pas dans la pupille réceptrice. Il en serait de même pour tous les payons captés dans .les zones représentées hachurées de la pyramide carrée. Pour que tous les rayons captés at tei gnent la pupille réceptrice, il faut que le nombre ces faces de la pyramide soit fixé de telle manière (nullement évidente) que le côté du polygone collecteur soit plus petit ou au plus égal au diamètre du cercle inscrit dans le polygone récepteur. Ce qui n'est pas le cas dans l'exemple ce la figure avec une pyramide carrée dont le côté collecteur 60-61 est plus grand que le diamètre du cercle 66 inscrit dans le carré récepteur, diamètre égal au côté 62-63 de ce carré.
On sait que la moitié du côté, d'un polygone régulier de n côtés inscrit dans un cercle de rayon R et exins- crit à un cercle de rayon r, est égal à
En désignant par d, le diamètre du cercle 58 circonscrit au polygone collecteur, par d2 le diamètre du cercle 59 circonscrit au polygone récepteur, par d3, le diamètre du cercle inscrit dans le polygone récepteur (diamètre dont la valeur varie selon le nombre n des côtés du polygone), il faut que le nombre n des faces de la pyramide régulière soit tel que Ton ait :
On peut exprimer cette condition en fonction de la con centration C caractérisant le capteur concentrateur, concen tration égale au rapport entre l'airede la pupille collectri ce et l'aireddee la pupille réceptrice. Le rapport de ces ai res étant le carré du rapport des diamètres d1 et d2, il vient:
Le nombre n des faces de la pyramide sera fixé de telle manière que l'on ait :
Le nombre n devant être entier, on arrondira, de préfé rence par défaut, la valeur déterminée par la relation ci dessus, afin d'être assuré que le côté du polygone collecteur est plus petit que le diamètre du cercle inscrit αans le polygone récepteur. Bien entendu, lorsque le nombre entier arrondi par excès sera proche de la valeur calculée, on arrondira aussi bien par excès car alors le côté du polygone collecteur sera à peine plus grand eue le diamètre d3.
On voit eue le nombre n ne saurait, en zcut état de cause, être inférieur à 5. En effet, l'expression a une limite supérieure, pour C=1. On a alors : Ce cas limite n'opère pas de concentration effective (d2 devient égal à d1). Pour que celle-ci soit plus grande que l, il faut que le nombre n des faces de la pyramide soit au moins égal à 5 (pyramide pentagonale).
Pour fixer la valeur de n, on calculera et on arrondira, de préférence par défaut, le nombre n, en se r
Dans l'exemple représenté par les figures 7 et 8 , Concentration 4,7). On trouve :
Arc tg 0,46 = 24°44'
En arrondissant par défaut, en trouve n = 8. Le polygone est un octogone représenté sur la figure 7 . de côté 67-68. Les rayons réflé chis en 67 et en 68, selon des directions représentées par des flèches, pénètrent dans la pupille réceptrice, à l'intérieur du cercle inscrit 69. Mais la valeur 24°44' n'est pas très éloignée de 25°43' à quoi correspond un heptagone (n = 7, par excès), dont le côté est représenté sur la figure 6 c en 70-71 et qui peut sensiblement convenir pour la concentration caractérisant cet exemple.
Les rayons captés en 70-71, réfléchis selon des directions représentées par des flèches, débordent de peu le cercle inscrit 72 de la pupille réceptrice.
Le nombre n ainsi fixé est optimal en ce sens qu'il permet d'obtenir la concentration cherchée, sa.ns perdre de flux avec le minimum de faces planes.
Vue en coupe dans un plan axial médian, chacune des faces de ces pyramides régulières selon l'invention présente un profil réfléchissant du type décrit en regard de la figure 4.
Un cas particulier est celui où le nombre des faces tend vers l'infini, auquel cas la surface latérale du capteur est en forme de cône de révolution, n'agissant d'ailleurs nullement comme un miroir conique, chacune de ses génératrices agissant indépendamment des autres. Plutôt qu'en forme de tronc de cône simple, le capteur concentrateur est constitué de troncs de cône disposés bout à bout, selon le profil représenté sur la figure 4.
La forme conique constitue par elle-même une autre sorte d'optimisation. S'il est préférable, en effet, dans le cas de pyramides régulières, de limiter le plus qu'on peut le nombre des faces afin de simplifier la fabrication, on passe d'un seul coup avec les troncs de cône à une forme dé veloppable facile à réaliser.
Les figures S et 10 montrent deux coupes, l'une trans versale 9, l'autre longitudinale 10, et une vue en plan 11, d'un capteur concentrateur selon l'invention dans le cas où la pupille réceptrice 73 est longiforme, par exemple un tuyau parcouru par un fluide caloporteur. L'ensemble de la plus grande partie ( la pupille longiforme étant le plus souvent beaucoup plus longue, rel ati vexent, qu'il n'est représenté au dessin) des éléments réfléchissants linéiques compos.e alors la forme d'une gouttière, chacun de ces éléments linéiques, tel que 74 ou 75 réfléchissant selon l'invention le rayonnement capté, dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal moyen 76 de la pupille longiforme (plan de la figure 9.), le point central moyen considéré alors dans chaque section étant un point de l'axe tel que le point 76 sur la figure 9 , ou un point voisin de cet axe. Ces points centraux couvrent continûment et entièremeπt l'axe longitudinal de la pupille réceptrice ; autrement dit, les profils réfléchissants tels que 74 composent une surface de forme cylindrique dans le cas particulier représenté sur la figure 9,ou prismatique.
Les extrémités de la gouttière, telles que 77 et 78 (figure 10) peuvent être constituées d'ensemble différents d'éléments réfléchissants linéiques, chacun de ceux-ci renvoyant le rayonnement capté, dans un plan coupant de manière au moins approximativement longitudinale ladite púpille réceptrice en un point ce son axe constituant le centre moyen d'au moins une de ses parties, et en couvrant continûment au moins cette partie de la section.
Par exemple, sur la figure 10, supposée dans le plan médian de la gouttière, perpendiculaire au plan ce la figure 9, et passant par l'axe 75 de la pupille réceptrice, l'élément réfléchissant linéique 77 réfléchit le rayonnement capte comme il est indiqué en traits pleins avec des flèches simples et doubles, couvrant toute la section de centre 79. Mais si la pupille est très longue, l'élément réfléchissant linéique peut être conçu de manière à réfléchir le rayonnement (trait en pointilllé avec flèches triples)en ne couvrant qu'une partie de la pupille, partie ayant son point central moyen par exemple en 80. L'élément réfléchissant symétrique (indépendant) 78 couvre alors la partie symétrique de la pupille autour d'un centre 81.
Le plan de la figure 10 coupe la pupille réceptrice de manière strictement longitudinale en passant par son axe 76. Il peut en être un peu différemment dans d'autres plans de coupe Par exemple on voit sur la figure 11 représentée en vue de dessus, un é-lément réfléchissant linéique 82 qui opère dans un plan coupant en biais la pupi 11 e réceptrice en son centre 79, et contenant un autre élément réfléchissant linéique (indépendant) 83, symétrique de 82 par rapport au centre 79. Les réflexions par l'élément 82 peuvent ainsi ne couvrir qu'une partie de la pupille, de centre 84 par exemple. L'élément réfléchissant linéique peut aussi se trouver davantage en biais tel que l'élément 85 et n'avoir pas de correspondant symétrique sur l'autre extrémité ce la gouttière. Dans ce cas, il renvoie le rayonnement capté dans un plan coupant de manière très approximativement longitudinale, la pupille réceptrice en un point tel que 86 de son axe et les réflexions couvrent continûment la partie 87 représentée en trait plein. Ce type de capteur concentrateur concerne toutes les applications où l'on chauffe un liquide passant dans un tuyau tels que cal oducs, dowtherms, bouilleurs, installations de distillation,... Une application particulière, selon l'invention, consiste à constituer, avec un tel capteur concen trateur, une auge ou abreuvoir destinée à l'élevage, notamment des veaux. Il a été établi qu'une température de l'ordre de 25 à 30° C était favorable au développement des veaux et un capteur concentrateur du type décrit ci-dessus peut aisèment élever de l'eau de 10 ou 15° à 25 ou 30°. Le capteur concentrateur proprement dit, formant les parois latérales, peut, par exemple, être recouvert de feuilles d'aluminium ou de mylar, et la pupille réceptrice peut être constituée par le fond de l'abreuvoir et éventuellement la partie basse des parois latérales, ce fond et ces parties étant rendues noi res ρour absorber le rayonnement et le transformer en cha leur.
La figure 12 représente trois exemples de profils réflé chissants linéiques constitués de segments de droite dispo sés bout à bout comme il a été décrit plus haut en considé rant, pour une même dimension de section collectrice de diamètre d1 et une même section réceptrice, trois longueurs axiales différentes h1 , h2, h3. Avec ce type de capteur concentrateur selon l'invention, il y a toujours une partie du flux capté qui est perdu, du fait que l'extrémité du dernier segment réfléchissant, la plus proche de la pupille réceptrice, présente toujours un hiatus avec l'extrémité de la section de cette pupille la plus rapprochée d'elle. La section de la pupille étant désignée par 6-7 sur la figure, les extrémités des trois capteurs représentés en exemple les plus proches de la pupille sont désignées par 88, 89, 90. Les hiatus sont respectivement 88-6, 89-6, 90-7.
Il s'agit de réduire le plus possible le hiatus optique et de déterminer un compromis optimal entre les divers paramètres entrant en jeu, eu égard à d'autres inconvénients intervenant également. Le hiatus s'avère varier en sens inverse de la longueur axiale h du capteur. On a donc intérêt, pour diminuer le hiatus, à augmenter cette longueur h , autrement di.t .à éloigner la pupille collectrice de la Dupille réceptrice. D'un autre côté, plus on allonge le capteur concentrateur, plus cela engendre des inconvénients d'encombrement, de poids, de prise au vent, d'augmentation de prix. Un compromis optimal est ici proposé, selon l'invention. En prenant comme unité de longueur le diamètre moyen 6-7 de Ta pupille réceptrice cμj'on désignera par d2, on fixera de préférence pour la valeur axiale h une valeur de l'ordre de 3 à 5, le diamètre moyen d1 de la pupille collectrice étant de l'ordre de 6 à 7, le diamètre moyen terminal d du capteur concentrateur étant alors de l'ordre de 1,5 à 2.
Un capteur concentrateur correspondant à cette optimisation est représenté sur la figure par trois segments réfléchissants bout à bout 91-92, 92-93, 93-90.
La perte de flux provenant du hiatus est proportionnel le à; . La perte de rendement par rapport au flux capté est le quotient de cette expression par :
, soit : On a comparé sur la figure trois capteurs concentrateurs. Le plus long, 94-89, pour lequel h2 est égal à 6 (d2 étant choisi comme unité) et di égal à 1,23. Le capteur concentrateur 91-90 correspondant à l'optimisation proposée ; h3 = 4 d" 3 = 1,75. Le capteur concentrateur 95-88, le plus court ; h1 = 2 ; d3 = 2,5. Le diamètre d1 de la pupille collectrice est ici égal à 5 pour les tro .
Le rendement énergétique est, respective ment, dans ces trois cas : 2%, 8%, 21 %.
La perte consentie de 8% avec l'optimisation selon l'invention représente le compromis le plus acceptable eu égard aux inconvénients inhérents aux deux autres capteurs concentrateurs. Une autre variante de réalisation de capteur concentrateur selon l'invention, non représentée au dessin mais ici décrite, est caractérisée en ce que le capteur concentrateur constitue un barbecue solaire.
Le capteur concentrateur est de l'un des types selonl'invention décrits précédemment. Conviennent particulièrement bien : les surfaces à profil en courbe osculatrice de familles de paraboles telles que décrites en regard de la figure 2, à profil en forme d'arc de parabole à foyer déjeté (figure 3), les pyramides régulières (figures 5 et 4), les assemblages bout à bout de troncs de cône de révolution. On peut éventuellement tenir compte de la divergence de l'ordre de 30' du rayonnement solaire et aussi se donner une marge en se conformant aux caractéristiques décrites en regard de la figure 5. La pupille réceptrice est ici dotée d'un gril et/ou cons titue l'entrée d'un four.
Le soleil dispense, quand le ciel est clair, une énergie de l'ordre de 1 KW par m2. En tenant compte du fait eue les aliments ont un coefficient d'absorption eu rayonnement allant de 0,5 à 0,2 environ, qu'il y a ces pertes par convection, éventuellement par l 'effet de courants d'air etc... l'obtention d'une température de l'ordre de 150º à 200º C, convenable pour cuire ou griller les aliments, demande une concentration de l'ordre de 6 à 9 fois. Une concentration de l'ordre de 16 soleils permettrait une cuisson plus saivie et plus rapide. En se reportant au tableau déterminé plus haut, on voit que dans le cas d'un barbecue pyramidal le polygone de base le plus simple est l'octogone (6 soleils).
Le décagone permet une concentration d'un peu plus de 9 soleils. Une concentration de 16 soleils demande un décatriagone (13 côtés). L'ensemble du capteur concentrateur et de sa pupille dotée d'un gril et solidaire éventuellement d'un four est orienté vers le soleil et est muni d'un dispositif de bascule dans un sens approximativement est-ouest manoeuvré éventuellement à la main. Deux fils sont disposés dans la section d'entrée de flux du capteur et leur intersection se trouve au centre de cette section, en sorte que lorsque l'ombre portée par cette intersection se trouve au centre de la pupille réceptrice, on visualise que le capteur est correctement orienté vers le soleil. Ceci permet le contrô le du pointage vers le soleil. Eventuellement un ou plusieurs vitrages à effet de ser re sont disposés au voisinage de la pupille de sortie, soit dans des sections du capteur concentrateur, soit en dehors, (lorsque la pupille est à distance). Ceci, afin de rentor cer l'actopm de la concentration de l'énergie solaire notamment dans le cas ou la pupille de sortie débouche sur un four.Le (ou les) vitrange peut a lors obturer le four en le rendant au besoin étanche.
La pupille réceptrice, dans laquelle sont disposés les liments à cuire ou à griller, surtout lorsqu'elle est située à une certaine distance du capteur concentrateur (dans le cas notamment d'un barbecue pyramidal), est protégée du vent ou des courants d'air par un dispositif tel que formé d'écrans et constituant éventuellement les parois, de préférence noires, d'un four entourant le plan de cuisson. Le four peut comporter des pierres ou des matériaux emmagasinant la chaleur. Il en est de même lorsque Ta pupille réceptrice débouche directement sur un four, comme il a été dit.
Enfin, un point important est d'obtenir une absorption aussi grande que possible du rayonnement par les aliments disposés dans la pupille réceptrice. Dans le cas notamment d'une viande "blanche", l'absorption est faible et la plus grande partie du rayonnement est renvoyée par diffusion vers le haut et est perdue. C'est pourquoi des vitrages à effet de serre on été prévus. On peut aussi selon une caractéristique .secondaire de l'invention, employer une sauce spéciale de couleur foncée à base par exemple de purée d'olives noires (du genre "tapenade"), de jus et d'aromates colorés . La figure 13 représente un profil réfléchissant de capteur concentrateur effectuant une immersion optique. Il est rappelé qu'un dispositif optique, opérant dans l'air, est dit "à immersion" lorsque sa partie terminale, là où achève de s'effectuer son action optique, est consituée d'un milieu d'indice de réfraction n supérieur à 1. Pour un système optique convergent, l'immersion a pour effet, toutes choses égales d'ailleurs, de multiplier la concentration du rayonnement par un facteur n2 supplémentaire.
S'agissant, comme ici, d'un rayonnement "parallèle" capté dans la direction de l'axe d'un ca.pteur concentrateur, le problème de l'immersion se présenta d 'une manière tout à fait particulière. Il ne servirait en effet c rien de remplir ce capteur concentrateur d'un milieu d'indice n. Ces rayons captés parallèlement à l'axe du capteur ne subiraient aucune réfraction en traversant le dioptre plan de la pupille collectrice qui est perpendiculaire à cet axe, et la concentration s'opérerait comme s'il n'y avait pas d'immersion. Une faible divergence ne modifie pas sensible ment la situation. Pour obtenir dans ces conditions un sup plément de concentration mettant en oeuvre l'immersion, le capteur concentrateur est composé, selon l'invention, d'au moins deux parties. L'une, terminale, dont le profil réfléchissant linéique (en un ou plusieurs éléments) est caractérisé comme il a été dit précédemment, et renferme un corps optique d'indice n (plus grand que celui de l'air) solide ou liquide la remplissant jusqu'au niveau de sa propre pupille collectrice et. en contact optique avec la pupille réceptrice. Cette partie terminale, agit par son profil réfléchissant comme s'il n'y avait pas de milieu d'immersion (corps réfringent), mais c'est la présence decelui-ci qui permet de déterminer selon l'invention le profil réfléchissant d'une autre partie du capteur concentrateur, précédant la partie terminale. C'est cette autre partie, opérant dans l'air, (ou dont le volume est occupé par un corps optique d'indice de réfraction inférieur à n) qui obtient un supplément de concentration mettant en oeuvre l'immersion. A cet effet, les caractéristiques du profil réfléchissant de cette autre partie (ou de ces autres si elle est ellemême constituée de plusieurs éléments réfléchissants linéiques disposés bout à bout), sont déterminées en tenant compte de la réfraction subie à l'entrée du milieu optique emplissant la partie terminale. Selon tout ce qui a été décrit précédemment, lorsqu'il n'y a pas âe milieu d'immersion, les rayons captés par un élément réfléchissant linéique sont ré fléchis vers des points de la pupille réceptrice qui ont été bien précisés. S'il existe un milieu d'immersion d'indice n délimité par le dioptre plan de la pupille collectrice de la partie terminale, c'est-à-dire la plus grande section,perpendiculaire à l'axe de cette partie terminale, ces rayons réfléchis sont déviés par réfraction en traversant le dioptre plan. Pour qu'il soient envoyés quand même vers les points qui ont été précisés, le profil réfléchissant est modifié, selon l'invention, en tenant compte de ladite réfraction. Cette modification est faite de la manière suivante, décrite en regard de la figure 9 sur un exemple d'éléments réfléchissants linéiques en forme de segments de droite. La partie terminale 96 du capteur concentrateur est délimitée latéralement par des éléments réfléchissants linéiques tels que 97 dont les extrémités sont 98 et 99, l'extrémité 98 étant la plus rapprochée de la pupille réceptrice 100 dont les extrémités sont 101 et 102. Un milieu optique d'indice de réfraction n, solide eu liquide, emplit cette partie terminale jusqu'à former un dioptre plan 103 au niveau de la pupille collectrice de cette partie terminale, dans le plan perpendiculaire à l'axe moyen passant par l'extrémité 99 du segment réfléchissant la plus éloignée de l'axe, ce miMeu optique est en contact optique avec la pupille réceptrice 100. Si c'est un milieu liquide, on prévoit une paroi étan- che entre les points 102 et 98, cette paroi pouvant avantageusement être constituée par un profil réfléchissant en forme, par exemple d'arc de parabole à foyer déjeté comme il a été précédemment décrit et comme il est représenté au dessin (98-102). Les caractéristiques du segment réfléchissant 97 sont celles qui ont déjà été décrites. En désignant par R la distance à l 'axe moyen 104 de l 'extrémité 99, par r la moitié de la section linéaire 101-102 de la pupille réceptrice 100, par h la distance sur l 'axe moyen entre le centre 105 de la pupille réceptrice et la projection 106 sur cet axe de l'extrémité 99, le segment réfléchissant 97 fait avec la direction 107 de l'axe moyen un angle a tel que comme il a été dit
Il s'agit de déterminer, selon l'invention, le segment réfléchissant 108 qui précède le segment terminal immergé 97. Ce segment réfléchissant fait avec la direction 107 de l'axe moyen un angle α' qu'il s'agit de déterminer. Il a deux extrémités 99 et 109. Le rayon 110 capté au point 109 doit parvenir au point 101, qui est l'extrémité de la section de la pupille réceptrice la plus éloignée du segment réfléchissant, après avoir subi une réflexion au point 109 et une réfraction au point 110. Le rayon 111 capté au point 99 doi t parvenir au point 102, l'autre extrémité de la section de la pupille réceptrice après avoir subi une réflexion au point 99 et une réfraction. Pour plus .de clarté, la figure 9 montre ce qui doit se passer, en décalant un peu le point 99, afin que la réflexion et la réfraction se procuisent en des points non confondus comme c'est le cas à la limite peur l 'extrémité même du segment réfléchissant. Le point de réfraction est ici figuré en 112. Le rayon 111 subit une réflexion en 99 et atteint le dioptre plan 103 au point 112. Soit i l'angle d'incidence avec la normale 107 au dioptre plan. Le rayon se réfracte en faisant un angle de réfaction r' avec la normale.
Sin i' = n Sin r'
Le point 110 à partir duquel se réfracte le rayon provenant de 109, coïncide avec la parallèle à l'axe 104 menée par l'extrémité 102 ce la pupille réceptrice. En effet, les rayons 99-102 et 110-101 sont parallèles, faisant chacun un angle égal (noté r') avec 102-110.
Dans le triangle rectangle 99-110-102, le côté 110-99 est égal à
R - r et l'on a : tg r' ou r' Arc tg =
D'autre part, le rayon 111 en se réfléchissant en 99 sur le segment réfléchissant 108 incliné de α' par rapport à la direction 107, tourne de
2 α' (comme on le sait) par rapport à cette direction. L'angle d'incidence i' vaut 2 α' On a : sin 2α' = n sin r' = n sin Arc tg
Pour obtenir le résultat cherché, on déterminera donc α' tel que : α' = Arc sin n sin Arc tg
L'extrémité 109 du segmen réfléchissant 108, la plus éloignée de l'axe moyen 104, se trouve à une distance R' de cet axe moyen, qui doit également être déterminée. Le rayon 115 capté au point 109, atteint après réflexion le dioptre plan 103 au point 110 sous un angle d'incidence qui vaut également 2 α' . Dans le triangle rectangle 109- 116-110, on a : tg 2 α' = en désignant par h' la distance 110-115, c'est-à-dire la distance entre le dioptre plan et la pupille collectrice correspondant à l'extrémité 109.
D'où :
R' = h' tg 2 α' + r
Et ainsi de suite, un ou pluieurs segments réfléchissants ainsi définis pouvant éventuellement précéder celui-ci.
On voit très bien que, grâce à l'immersion dont on peut bénéficier par les caractéristiques données au segment réflé enissant 108, l'angle α' est plus grana que dans le cas où il n'y aurait pas immersion ( c'est-à-dire tel que déterminé auparavant ) et la pupille collectrice de rayon moyen R' est aussi plus grande, ce qui procure un supplement de concentration. Dans les cas où le profil réfléchissant (tel que 108 ici ) précédant l'immersion n'est pas rectiligne, un angle tel que α' est déterminé pour la tangente en chacun des points du profil, d'une manière analogue à ce qui vient d'être dit, R étant alors la distance du point considéré à l'axe moyen 104 et r étant la distance séparant le centre 105 de la pu pille réceptrice du point de la section 100 qui doit être atteint après réfraction, point qui était visé selon la des cription précédente lorsqu'il n'y avait pas d'immersion, pour que la section 100 soit couverte continument au moins une fois par les rayons réfléchis par le profil réfléchissant. Cette caractéristique de l'invention qui permet de bénéficier d'un supplément de concentration gràce à l'immersion optique, est particulièrementintéressante dans le cas où l'on désire précisément effectuer la concentration terminale dans un milieu d'indice supérieur à l'unité. Par exemple, dans le cas où l'on se propose de dissocier la molécule d'eau en utilisant une concentration de l'énergie solaire en présence de catalyseurs appropriés, il serait particulièrement indiqué d'enfermer cette eau dans la partie terminale d'un capteur concentrateur comme il vient d'être décrit selon l'invention. On peut aussi combiner cette caractéristique avec toutes celles qui ont été décrites, notamment dans le cas de l'auge ou réservoir (abreuvoir pour bétail) qui a été décrit.

Claims

REVENDICATIONS
Capteur concentrateur catoptrique de rayonnement parallèle ou de faible divergence, du type comprenant au moins un élément réfléchissant (8) associé à une pupille non ponctuelle réceptrice (4) du rayonnement réfléchi, caractérisé en ce que chaque élément réfléchissant (8) présente, dans un plan de coupe contenant la direction moyenne (1) d'un faisceau élémentaire de rayons captés et coupant la pupille réceptrice (4), un profil linéique dont la courbure en chacun de ses points est déterminée par une tangente (12) et une normale (II) tellesque d'une part, recevant un rayon (1) en l'une de ses extrémités (2), ce profil Linéique le réfléchit directement vers l'une des extrémités (6) ou vers un point considéré comme tel de la section de la pupille réceptrice (4) et, recevant un rayon (10) en l'autre de ses extrémités (9), il le réfléchit directement vers l'autre extrémités (7) ou vers un point considéré comme tel de ladite section (4) et que, d'autre part, chacun des points intermédiaires de ce profil linéique réfléchit un rayon directement vers un point intermédiaire de ladite section (4) afin que la totalité de la pupille (4) reçoive après une seule réflexion et selon uneréparti ti on homogène ou sensiblement telle, l'intégralité du rayonnement réfléchi par chaque élément réfléchi ssant. Capteur concentrateur selon la revendication 1. caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux éléments réfléchissants super-posés (8-15), de préférence jointifs. Capteur concentrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profil linéique recevant un rayon (1) en son extrémité la plus éloignée (2) de la section de la pupille réceptrice (3) le réfléchit vers l'extrémité (6) de la section (4) la plus proche de lui et, recevant un rayon (10) en son autre extrémité la plus proche (9) de ladite section (4) le réfléchit vers l'autre extrémité (7) de cette section (4), la plus éloignée de lui, ces rayons extrêmes ainsi, que tous les rayons intermédiaires atteignant ladite section (4) directement en la couvrant conti nûment. Capteur concentrateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le profil réfléchissant linéique est la courbe osculatrice d'une famille de paraboles infiniment voisines les unes des autres dont les foyers respectifs occupent les points de la section de la pupille réceptrice (4) en couvrant continûment au moins une fois toute cette section. Capteur concentrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profil réfléchissant linéique (25), recevant un rayon (17) en son extrémité la plus éloignée (18) de la pupille réceptrice (4), le réfléchit vers l'extrémité (6) de cette section (4) la plus éloignée de lui et, recevant un rayon (27) en son autre extrémité la plus proche (26) de ladite section (4) le rëfléchit vers l'autre extrémité (7) de cette section (4) la plus proche de lui, ces rayons extrêmes ainsi que tous les rayons intermédiaires atteignant ladite section directement en la couvrant continûment. Capteur concentrateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le profil réfléchissant linéique (31)a la forme d'un arc de parabole dont l'axe (32) est distant de l'axe moyen (30) normal à la pupille réceptrice (4) et est situé, par rapport à cet arc (31), de l'autre côté de cet axe moyen (30) et parallèlement à lui, l'extrémité (7) de l'arc de parabole la plus proche de ces axes (30)coïncidant avec l'extrémité (7) de la section de ladite pupille (4) la plus éloignée de ces axes (30) ou se trouvant au voisinage de cette extrémité (7), le foyer (33) de la parabole se situant, sur le prolongement de la droite joignant l'extrémité de l'arc la plus éloignée (32) de son axe à l'extrémité (6) de la section de la pupille (4) la plus proche de cet axe (30), en une position assez éloignée de cette dernière extrémité (6) pour que l'éclairement dans la partie centrale de la pupille réceptrice (4) soit sensiblement égal à la demi-somme des éclairements dans les parties avoisinant les extrémités (6 et 7) de cette pupille (4).
Capteur concentrateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le profil réfléchissant linéique à la forme d'un segment de droite (25) incliné par rapport à l'axe moyen (30) normal à la pupille réceptrice (4). ses points se rapprochant conjointement de cet axe (30) et de cette pupille (4), ce segment de droite (25) faisant avec la direction de l'axe moyen (30) un angle a défini par :
Arc tg R, désignant la distance à l'axe moyen (30) de l'extrémité du profil réfléchissant la plus éloignée (18) de cet axe (30), r, la moitié de la section linéaire de la pupille réceptrice (4) par le plan de coupe méridien contenant ce profil réfléchissant, h la distance sur l'axe moyen (30) entre le centre moyen (5) de la pupille réceptrice (4) et la projection sur cet axe (30) de l'extrémité du profil réfléchissant la plus éloignée (18) de l'axe (30), cette extrémité (18) étant le point tel qu'un rayon parallèle à l'axe moyen (30), se réfléchissant en faisant un angle de 2α avec cet axe (30), passe par l'extrémité (6) de la section linéaire de la pupille réceptrice (4) la plus éloignée du profil réfléchissant (25), l'autre extrémité du profil, la plus rapprochée (26) de la pupille réceptrice (4), étant lepoint tel qu'un rayon parallèle à l'axe moyen (30), se réfléchissant en faisant un angle de 2α avec cet axe (30), passe par l'extrémité (7) de ladite section (4) la plus rapprochée du profil réfléchissant (25).
Capteur concentrateur selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit élément (43) dont le profil en forme d' arc de parabole est situé entre un autre élément (40) réfléchissant et la pupille (4) qu'il jouxte. Capteur concentrateur selon la revendication 1. caractérisé en ce que les. extrémités (6 et 7) d'une section de la pupille réceptrice (4) sont déterminées par deux points de cette section situés à une distance de ce s extrémités telle que les rayons extrêmes des faisceaux réfléchis, de divergence non négligeable, débordant ces deux points ne débordent pas les extrémités de ladite section (4). Capteur concentrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément, ou au moins l'un des éléments réfléchissants, est composé d'une infinité de profils linéiques juxtaposés constituant ainsi une surface continue. Capteur concentrateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la surface continue est fermée sur elle même, éventuellement selon une surface de révolution. Capteur concentrateur selon la revendication 10 caractérisé en ce que les profils juxtaposés composent par leur ensemble la forme géométrique d'une pyramide éventuellement régulière, auquel, cas, pour une concentration C du flux, ou rapport de l'aire de la pupille collectrice à l'aire de la pupille réceptrice, le nombre dés faces de la pyramide régulière est fixé égal au nombre entier n, arrondi de préférence par défaut, tel que l'on ait :
Capteur concentrateur selon la revendication 10 caracté risé en ce que la surface continue est en forme généra le de gouttière, associée à une pupille longiforme coaxiale.
Capteur concentrateur selon la revendication 13 , carac térisé en ce qu'il comporte axialement des extrémités consti tuées d'éléments réfléchissants.
Capteur concentrateur selon la revendication 14, caracté risé en ce qu'il a sensiblement une forme d'auge et constitue un réservoir tel qu'un abreuvoir, dont le fond est noir pour absorber le rayonnement et chauffer le li quide contenu dans cette auge.
Capteur concentrateur selon la revendication 1 caracté risé en ce qu'il délimite un volume devant être occupé par un corps optique réfringent dont l'indice de réfrac tion est supérieur à celui, de l'air et en ce qu'il est associé à un concentrateur de tout type connu qui le précède et qui estoceupé par un corps d'indice de réfraction inférieur au précédent et dont la pupille collectrice a une surface supérieure à celle de la pupille collectrice dudit capteur concentrateur. 17- Capteur concentrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un barbecue solaire et qu'à cet effet, sa pupille réceptrice est dotée d'un gril et/ ou constitue l'entrée d'un four et en ce qu'il comporte, notamment, un dispositif de bascule dans un sens approximativement est-ouest manoeuvré éventuellement à la main, un ou plusieurs vitrages à effet de serre au voisinage de sa pupille réceptrice, un dispositif tel que formé d'écrans protégeant le plan de cuisson des courants d'air et constituant éventuellement les parois de préférence noires d'un four entourant le plan de cuisson, pouvant comporter des pierres ou des matériaux emmagasinant la chaleur, gratifié en outre de l'emploi d' une sauce destinée à rendre spectral ement absorbantes les viandes et denrées alimentaires disposées dans le plan de cuisson, sauce de couleur foncée à base par exemple de purée d'olives noires, de jus et d'aromates colorés.
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