FR2472147A1 - Dispositif de captage du rayonnement solaire et thermique - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIFS DE CAPTAGE DU RAYONNEMENT SOLAIRE ET THERMIQUE. LES DISPOSITIFS DE LA PRESENTE INVENTION, COMPORTENT UNE SURFACE D'ENTREE PLANE 28, S'APPUYANT SUR L'EXTREMITE D'UNE STRUCTURE DE TRANSFERT DE RAYONNEMENT, DONT LA SECTION DROITE FORME UN TRACE COMPOSE D'ARCS DE CERCLES 21, GENERES A PARTIR D'UN POLYGONE CONVEXE INSCRIT SUR UNE CIRCONFERENCE. ELLE ENTOURE LE CONCENTRATEUR 24, CONTENANT L'ABSORBEUR 26, DE RECUPERATION DE LA CHALEUR. APPLICATIONS A UN CAPTEUR SOLAIRE ET THERMIQUE AINSI QU'A UNE CHAMBRE SOLAIRE POUR: DESSALEMENT, DISTILLATION, DESSECHAGE, CROISSANCE VEGETALE, CELLE-CI ETANT A CLIMATISATION TOUT SOLAIRE.
Description
La présente invention concerne l'utilisation de l,e, nergie solaire et plus particulièrement,un dispositif de captage du rayonnement solaire destiné à extraire énergie du rayonnement au moyen d'absorbeurs thermiques.
De nombreux dixpositifs de captage sont connus dans l'art antérieur,et on peut généralement les classer en trois catégories distinctes:les capteurs plans,les capteurs à focalisation,et les capteurs utilisant une structure de canalisations guidant le rayonnement solaire.
D'une part,les capteurs plans sont généralement cons titubés par un caisson fermé par un vitrage,et sur le fond duquel sont disposés des absorbeurs thermiques,le plus souvent constitués par des éléments tubulaires.Ce type de dispositif, d'une part,présente le désaventage d'un rendement thermique défaW vorable,puisque le rayonnement directe n'atteint qu'une face des éléments absorbeurs et laisse donc subsister des parois fro des et,d'autre part,il est relativement sensible à l'inclinaison des rayons solaires,un réglage optimal au zénith, par exemple,ne l'étant plus à toute autre heure de la journée.
tgaLement,on a développé des capteurs à focalisation dans lesquels un miroir parabolique ou cylindro-paraboliqué concentre la totalité du rayonnement qu'il reçoit,vers le foyer du miroir.Hien entendu,le dispositif absorbeur du rayonnement est place à ce foyer.ee type de dispositif permet d'obtenir des tem pératures très élevées au niveau de l'absorbeur,mais ces température s ne conduisent généralement pas à un rendement optimal des installations classiques destinées au chauffage de l'eau chaude sanitaire ou au chauffage domestique,par exemple.Par ailleurs, et c'est là le désaventage majeur,ces types de dispositifs Sovit très sensibles à l'inclinaison des rayons solaires qui l'atteignent,et il est souvent nécessaire de leur adjoindre un-mécanisme d'orientation manuel ou automatique.0n comprend donc
que le coût de ces capteurs orientables est très élévé et qu'il
est nécessaire d'en limiter la surface des éléments réflecteurs
orientables,pour des raisons de résistance mécanique,accroissant
d'autant le coût.
que le coût de ces capteurs orientables est très élévé et qu'il
est nécessaire d'en limiter la surface des éléments réflecteurs
orientables,pour des raisons de résistance mécanique,accroissant
d'autant le coût.
D'autre part,les capteurs de rayonnement solaire à
structure composée de canalisations courbes-permett nt de rabats
tre ce rayonnement tombant sur une face-plane de manière à ce quJ
il soit dirigé vers un corps absorbeur de forme circulaire,ont é-
té proposés-par des inventeurs sans obtenir d'applicati'ons im
portantes,encore à ce jour.Ces capteurs solaires sont peu sensibles à l'inclinaison du rayonnement par comparaison aux capteurs
plans classiques,et permettent de collecter et d'absorber celui
ci pour presque toutes les inclinaisons,et par voie de conséquen
ce d'etre de type fixe.Ils ne nécessitent qu'une faible isolation thermique arrière du fait de l'absence de paroi froide,phénomène
que l'on rencontre dans tout capteur plan à corps n-oir de forme plane ou pseudo-plane.Les capteurs à canalisations proposés jusqu
'ici,ne permettent de canaliser le rayonnement solaire -selon tou-
tes les incidences comme nous le citions,ceci ayant pour consé
quence de baisser le rendement dans une certaine mesure.Si toute
fois une chambre d'assez faible volume produit autour de l'absorbeur un effet de serre maintenant la température de ce milieu au-
si élevée que possible,le volume ou se trouvent les canalisations,
est le siège lui aussi d'un effet de serre assez important causé par le retour des rayons solairesde la bande spectrale des infra
rouges,qui n'ont pas pu arriver.jusqu'à la chambre de l'absor beur,réchauffant l'air dans ces canalisations et sous le vitrage d'entrée.Cet effet de serre périphérique plus ou moins impor
tant réduit d'autant le niveau de la température de la partie
centrale contenant l'absorbeur.Un autre inoonvénient"estque .ees deux volumes obligent le rayonnement solaire à traverser $ftes-
sivement deux vitrages,ce qui est un désaventage certain par com
paraison avec lés deux premières classes de capteurs ou vient au-plus qu'un seul vitrage'traverser.0n peut également
remarquer que la composante énergétique solaire moyenne entrant dans la chambre centrale et rencontrant l'absorbeur est inféri
eure à la valeur de celle du rayonnement arrivant au-dessus du 7 vitrage d'entrée et ce de beauc-oup,pour deux raisons importan
tes:la première du fait de la forme divergeante des couloirs de
canalisations qui ne sont pas de largeur constante de l'entrée à
la sortie d'un couloir et ce pour chacun d'eux;la deuxième rai son tient du fait que la courbure des canaux réduit encore cete te composante énergétique d'autant plus que l-e nombre de ceuxci est- faible On comprendra aisément que les capteurs à cana lisations courbes,assemblées cote à cote,qui ont été réalisés usqu'à ce jour,en fait ,ne sont pas d'une grande efficacité a- vec tous les défauts de conception de principe qu'ils comportent comme nous avons pu nous en rendre compte à ltanalyse,le seul point succeptible d'intérêt étant la faible influence de l'in-1 cidence des rayons solaires,quoique discutable et loin d'etre optimale.frinaleent on constate que ces structures nécessitent un nombre d'éléments assez important et de réalisation complexe ,d'où un coût certainement très élevé fortement discutable vis à vis d'une efficacité somme toute assez réduite.
structure composée de canalisations courbes-permett nt de rabats
tre ce rayonnement tombant sur une face-plane de manière à ce quJ
il soit dirigé vers un corps absorbeur de forme circulaire,ont é-
té proposés-par des inventeurs sans obtenir d'applicati'ons im
portantes,encore à ce jour.Ces capteurs solaires sont peu sensibles à l'inclinaison du rayonnement par comparaison aux capteurs
plans classiques,et permettent de collecter et d'absorber celui
ci pour presque toutes les inclinaisons,et par voie de conséquen
ce d'etre de type fixe.Ils ne nécessitent qu'une faible isolation thermique arrière du fait de l'absence de paroi froide,phénomène
que l'on rencontre dans tout capteur plan à corps n-oir de forme plane ou pseudo-plane.Les capteurs à canalisations proposés jusqu
'ici,ne permettent de canaliser le rayonnement solaire -selon tou-
tes les incidences comme nous le citions,ceci ayant pour consé
quence de baisser le rendement dans une certaine mesure.Si toute
fois une chambre d'assez faible volume produit autour de l'absorbeur un effet de serre maintenant la température de ce milieu au-
si élevée que possible,le volume ou se trouvent les canalisations,
est le siège lui aussi d'un effet de serre assez important causé par le retour des rayons solairesde la bande spectrale des infra
rouges,qui n'ont pas pu arriver.jusqu'à la chambre de l'absor beur,réchauffant l'air dans ces canalisations et sous le vitrage d'entrée.Cet effet de serre périphérique plus ou moins impor
tant réduit d'autant le niveau de la température de la partie
centrale contenant l'absorbeur.Un autre inoonvénient"estque .ees deux volumes obligent le rayonnement solaire à traverser $ftes-
sivement deux vitrages,ce qui est un désaventage certain par com
paraison avec lés deux premières classes de capteurs ou vient au-plus qu'un seul vitrage'traverser.0n peut également
remarquer que la composante énergétique solaire moyenne entrant dans la chambre centrale et rencontrant l'absorbeur est inféri
eure à la valeur de celle du rayonnement arrivant au-dessus du 7 vitrage d'entrée et ce de beauc-oup,pour deux raisons importan
tes:la première du fait de la forme divergeante des couloirs de
canalisations qui ne sont pas de largeur constante de l'entrée à
la sortie d'un couloir et ce pour chacun d'eux;la deuxième rai son tient du fait que la courbure des canaux réduit encore cete te composante énergétique d'autant plus que l-e nombre de ceuxci est- faible On comprendra aisément que les capteurs à cana lisations courbes,assemblées cote à cote,qui ont été réalisés usqu'à ce jour,en fait ,ne sont pas d'une grande efficacité a- vec tous les défauts de conception de principe qu'ils comportent comme nous avons pu nous en rendre compte à ltanalyse,le seul point succeptible d'intérêt étant la faible influence de l'in-1 cidence des rayons solaires,quoique discutable et loin d'etre optimale.frinaleent on constate que ces structures nécessitent un nombre d'éléments assez important et de réalisation complexe ,d'où un coût certainement très élevé fortement discutable vis à vis d'une efficacité somme toute assez réduite.
C'est pourquoi,la présente invention a pour objet de prévoir un dispositif de captage de rayonnements du spectre solaire,de structure très simple,succeptible d'être intégré soit dans un caisson ou un boStier,soit directement mis en contact avec le milieu ambiant,de pouvoir fonctionner en position fixe ou mobile autour d'un axe de rotation pour poursuivre le soleil dans sa course diurne,dans ce deuxième type d'application, ceci avec une précision de pointage inférieure à plus de cent fois celle demandée aux mécanismes des capteurs à focalisation.Ce dispositif permet en outre d'absorber le rayonnement infrarouge du spectre solaire et du spectre produit par des phéno:: mènes de transport de chaleur par conduction-convection entre le milieu ambiant et le dispositif;Sa structure permet de pomper îa chaleur environnante associée au rayonnement infra-rouge correspondant qui est en majeure partie capté en étant dirigé directement ou après un ou plusieurs passages,sur un absorbeur gris.Il s'en suit un abaissement de la température dans la structure et son proche environnement,supprimant l'effet de serre dans celle-ci et en conséquence de permettre à des dispositifs qui seront décrits plus loin,de fonctionner en capteur so lairene nécessitant aucune isolation thermique de la structure et par l'interposition d'une pièce optique d'amplification, d'obtenir une intensité moyenne du rayonnement tombant sur 1' absorbeur ,supérieure à l'intensité du rayonnement Entrant dans cette structure,ayant les avantages supplémentaires suivants:
10)réalisation d'un captage global de rayonnement,dont ltefficacité,représentable par le quotient dela puissance reçue sur l'alJsorbeur gris divisée par la puissance du rayonnement entrant (tans le capteur, et supérieur à l'unité,en basse température ( 2 à 3 et plus ).
10)réalisation d'un captage global de rayonnement,dont ltefficacité,représentable par le quotient dela puissance reçue sur l'alJsorbeur gris divisée par la puissance du rayonnement entrant (tans le capteur, et supérieur à l'unité,en basse température ( 2 à 3 et plus ).
2 )D'obtenir une convergence de toute la pu;S- sance du rayonnement totalement pompé(solaire et thermique)vers le corps gris,cela sans effet de serre,assurant une température de captage elevée,sur l'absorbeur thermique.
Un deuxième type de dispositif faisant également 1' objet de l'invention,p3sévoit une structure très simple qui sera décrite plus loin,permettant d'éclairer par toutes ses faces,sans baisse importante de l'intensité de la lumière,près de celles-ci ,un volume parallélépipédique aux multiples usages qui
<tb> apparattront
<tb> dans la suite avec en particulier la possibilité de construire des serres spéciales pour photo-synthcse accélérée,par une intensité de lumière à l'intérieur du dit volume,supérieure à celle reçue sur le lieu environnant 1 t installation, de type à fonction nement tout solaire,la climatisation en température pouvant être faite avec des dispositifs du premier type,placés à l'intérieur ,pompant la chaleur par absorption des infra-rouges du milieu chaud à climatiser.
<tb> dans la suite avec en particulier la possibilité de construire des serres spéciales pour photo-synthcse accélérée,par une intensité de lumière à l'intérieur du dit volume,supérieure à celle reçue sur le lieu environnant 1 t installation, de type à fonction nement tout solaire,la climatisation en température pouvant être faite avec des dispositifs du premier type,placés à l'intérieur ,pompant la chaleur par absorption des infra-rouges du milieu chaud à climatiser.
En remarque finale,tous ces dispositifs ont la part cularité de fonctionner par rayonnement solaire direct ou diffus sans distinction.
La présente invention sera bien comprise à la leetu- re de la description suivante,faite en relation avec les- dessins ci-joints,dans lesquels
La figure 7 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un élément de structure optimale,permettant de guider une onde de lumière saiis réfraction nt retour et arrière
La figure 2 représente schématiquement en coupe la définition d'une structure générale permettant de transmettre une onde lumineuse totalement,entrant selon un plan d'incidence repéré par une droite, cette onde traversant la structure,et arrivant dans un volume cylindrique repéré par un cercle sur notre schéma.Elle montre le polygone, d w ordre quelconque, convexe,inscrit sur la circonférence de ce cercle,à partir duquel sont générés les éléments de la structure.
La figure 7 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un élément de structure optimale,permettant de guider une onde de lumière saiis réfraction nt retour et arrière
La figure 2 représente schématiquement en coupe la définition d'une structure générale permettant de transmettre une onde lumineuse totalement,entrant selon un plan d'incidence repéré par une droite, cette onde traversant la structure,et arrivant dans un volume cylindrique repéré par un cercle sur notre schéma.Elle montre le polygone, d w ordre quelconque, convexe,inscrit sur la circonférence de ce cercle,à partir duquel sont générés les éléments de la structure.
les figures 3 et 1 > montrent en coupe,des structures gé- nérales réalisant un pompage de chaleur, superposé à un captage solaire direct et diffus,dans la structure et l'environnemente- téricur proche, avec un abaissement correspondant de température.
La figure 5 est une vue en coupe d'un système de captage solaire intégral,utilisant la structure faisant l'objet cle l'invention,ce capteur étant orientable progressivement en fonction de la hauteur du soleil au cours de la journée.
La figure 6 représente en coupe,un système de captage solaire intégral, à plusieurs structures regroupées cote à cote transversale::ent,présentant leur entrée dans un même plan, jointivement.
La figure 7 représente en coupe un dispositif de captage particulier à chambre parallélépipédique;et
ira figure 8 représente le dispositif de la figure 7 vue en coupe selon la ligne w-z de cette figure.
ira figure 8 représente le dispositif de la figure 7 vue en coupe selon la ligne w-z de cette figure.
Dans la figure 1,on a représenté schématiquement en coupe,des éléments de transfert total de rayonnement,consti tués par exemple de deux surfaces refléchissantes cylindriques concentriques 1 et 2, délimitant un couloir 3 de largeur constante,raccordé orthogonalement,d'une part à une surface fictive 4 et, d'autre part, à une surface fictive 5.On comprendra aisément que,quelle que soit l'incidence i,respectivement i,d'un rayon lumineux ó, respectivement 7,traversant la surface fictive 5,celui-ci ressortira par la surface fictive 4,directement ou après une ou plusieurs réflections sur la surface réfléchis- sante 1 ou 2.Ainsi,cet élément de transfert,qui est formé par les surfaces réfléchissantes 1 et 2,permet de reporter sur la surface fictive 4 la totalité du rayonnement tombant sur la surface fictive 5.Bien entendu,la portion de surface cylindrique 8 prolongeant la surface 1 permet à son tour de reporter le ra yonnement traversant la surface 4 à la surface 9,de sortie.On comprendra donc que,quelle que soit la position d'une surface fictive telle que 9,1a structure constituée par les surfaces réfléchissantes 1,2, et 8,permet d'amener à cette surface 9 le rayonnement traversant la surface d'entrée 5,dans le sens choit si pour notre démonstration.
Selon la présente invention,on a applique la propriété de transfert total décrite en liaison avec la figure 1, à une famille de structures cpnduisant à des systèmes de canalisa- tion de rayonnement iumineux(visible,infra-rouge,ultra-violet) ,rectilignes,représentés schématiquement en coupe, selon une section droite dans la figure 2.0n distingue un polygone convexe X0 dont les sommets sont inscrits sur une circonférence 11,et à partir desquels sont générés des arcs de cercles 12 dont les rayons et les angles d'ouverture sont définis par les secteurs
circulaires 13 centrés sur les sommets 14 du polygone 10 et
s'appuyant sur ses cotés 15,où chaque rayon des arcs de cercle
est egal. a la somme d'une partie de ces cotés t5 comme celà
est spécifié sur la figure 2.La construction de couloirs 16 ain
si proposée,permet d'obtenir chacun de ceux-ci avec une largeur constante tout au long de leur développepent,égale à la dimension
du coté t,sur lequel chacun d'eux abouti respectivement.
circulaires 13 centrés sur les sommets 14 du polygone 10 et
s'appuyant sur ses cotés 15,où chaque rayon des arcs de cercle
est egal. a la somme d'une partie de ces cotés t5 comme celà
est spécifié sur la figure 2.La construction de couloirs 16 ain
si proposée,permet d'obtenir chacun de ceux-ci avec une largeur constante tout au long de leur développepent,égale à la dimension
du coté t,sur lequel chacun d'eux abouti respectivement.
En pratique on pourra se limiter souvent à un nom
bre de secteurs 13 construits,égal"n" ou "n-l",si"n" désigne
le nombre de cotés 15 du polygone convexe inscrit 10.Pour génie
raliser le principe d' obtention de la dite structure,la cons
truction de secteurs 13 et d'arcs 12,peut être poursuivie en
parcourant plus d'une fois le polygone 15,pour obtenir en sec
tion droite,une forme plus ou moins enroulée autour de la cir-
conférence 11.De meme,le sens de l'enroulement pourra être in
versé ou ce dernier interrompu,avec la possibilité d'avoir des
couloirs prolongés,selon le principe de génération précédemment
défini,tel que cela est esquissé en 18 et en 19;;de même,on re
groupera dans la famille toute combinaison d'éléments circulai
res juxtaposés respectant le principe de génération permettant
de transférer totalement une onde luminexc2aJúne entrée exté
rieure telle que 17,vers la sortie circulaire 11.
bre de secteurs 13 construits,égal"n" ou "n-l",si"n" désigne
le nombre de cotés 15 du polygone convexe inscrit 10.Pour génie
raliser le principe d' obtention de la dite structure,la cons
truction de secteurs 13 et d'arcs 12,peut être poursuivie en
parcourant plus d'une fois le polygone 15,pour obtenir en sec
tion droite,une forme plus ou moins enroulée autour de la cir-
conférence 11.De meme,le sens de l'enroulement pourra être in
versé ou ce dernier interrompu,avec la possibilité d'avoir des
couloirs prolongés,selon le principe de génération précédemment
défini,tel que cela est esquissé en 18 et en 19;;de même,on re
groupera dans la famille toute combinaison d'éléments circulai
res juxtaposés respectant le principe de génération permettant
de transférer totalement une onde luminexc2aJúne entrée exté
rieure telle que 17,vers la sortie circulaire 11.
Des systèmes de transfert pourront être ainsi réa
lisés,à l'aide de parois réfléchissantes rectilignes,dont la sec
tion droite pourra être assimilée à un réseau d'arcs de cercles
appartenant à la famille générale de profils précédemment ex
plicitée;les parois pourront être limitées dans le-sens longi
tudinal,par deux faces parallèles entre elles,de manière à obtenir un dispositif fermé latéralement.Selon la multiplicité du prO-
fil transversal,nous aurons une ou plusieurs faces d'entrée(de
trace telle que 17) du rayonnement: la largeur de chaque face
d'entrée sera égale à la somme des dimensions respectives des
cotés 15 du polygone 10,ou aboutissent les couloirs correspon
dant.
lisés,à l'aide de parois réfléchissantes rectilignes,dont la sec
tion droite pourra être assimilée à un réseau d'arcs de cercles
appartenant à la famille générale de profils précédemment ex
plicitée;les parois pourront être limitées dans le-sens longi
tudinal,par deux faces parallèles entre elles,de manière à obtenir un dispositif fermé latéralement.Selon la multiplicité du prO-
fil transversal,nous aurons une ou plusieurs faces d'entrée(de
trace telle que 17) du rayonnement: la largeur de chaque face
d'entrée sera égale à la somme des dimensions respectives des
cotés 15 du polygone 10,ou aboutissent les couloirs correspon
dant.
Globalement,une telle structure générale permettra
d'obtenir un transfert total de rayonnement avec une valeur op
timale du rapport entre l'intensité moyenne lumineuse reçue à
l'une des entrée et l'intensité moyenne correspondante arrivant
sur une partie du cylindre de trace circulaire ll:ce rapport "? " peut s'exprimer par la relation suivante:
d'obtenir un transfert total de rayonnement avec une valeur op
timale du rapport entre l'intensité moyenne lumineuse reçue à
l'une des entrée et l'intensité moyenne correspondante arrivant
sur une partie du cylindre de trace circulaire ll:ce rapport "? " peut s'exprimer par la relation suivante:
Avec les définitions suivantes:
R : rayon de la trace circulaire il
c. : longueur d'un coté"j" du polygone 10
J
Indices"i" à "k" : couloirs ayant une entrée oQmmune et RboutlS- sant sur les cotés 15 "i à k",respectivement, Ce rapport " # " est toujours inférieur à l'unité,mais l'on peut le rendre peut différent de 1 en augmentant la nul- tiplicité du polygone 10 ,comme cela apparaîtra dans la suite.
R : rayon de la trace circulaire il
c. : longueur d'un coté"j" du polygone 10
J
Indices"i" à "k" : couloirs ayant une entrée oQmmune et RboutlS- sant sur les cotés 15 "i à k",respectivement, Ce rapport " # " est toujours inférieur à l'unité,mais l'on peut le rendre peut différent de 1 en augmentant la nul- tiplicité du polygone 10 ,comme cela apparaîtra dans la suite.
Dans le cas particulier où entrée du système est unique,ou lorsque l'intensité lumineuse moyenne est pratiquement constante dans le milieu ambianttrayons infra-rouges en milieu chaudgrayonnement solaire sous couverture nuageuse totale) ,ltexpression donnant ce rapport se simplifie et devient:
Avec,
"n" :ordre de multiplicité du polygone 10.
"n" :ordre de multiplicité du polygone 10.
"p" périmètre du polygone 10.
Evaluons,avec deux chiffres significatifs,les valeurs de " # " pour quelques formes classiques que sont les premiers polygones réguliers,pour lesquels,
<tb> n <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 9
<tb> # <SEP> 0,82 <SEP> 0,t)0 <SEP> 0;94 <SEP> 0,95 <SEP> 0,96 <SEP> O,Y7 <SEP> 0,98 <SEP>
<tb>
Il apparaît clairement que pour les structures où
"n" est supérieur à 6,la perte d'intensité moyenne devient assez
faible,est négligeable à partir de"n=9".
<tb> # <SEP> 0,82 <SEP> 0,t)0 <SEP> 0;94 <SEP> 0,95 <SEP> 0,96 <SEP> O,Y7 <SEP> 0,98 <SEP>
<tb>
Il apparaît clairement que pour les structures où
"n" est supérieur à 6,la perte d'intensité moyenne devient assez
faible,est négligeable à partir de"n=9".
En pratique,ces systèmes de transfert ainsi décrits
,pourront être appliqués de maniere générale à tout rayonnement
de type électromagnétique(hyperfréquences;infra-rouge;lumiere
naturelle et cohérente;micro-ondes en général) dont la longueur d'onde représentative ne sera pas supérieure à deux fois la lon tueur de chacun des cotés 15 du polygone 10, respectivement pour chaque couloir.
,pourront être appliqués de maniere générale à tout rayonnement
de type électromagnétique(hyperfréquences;infra-rouge;lumiere
naturelle et cohérente;micro-ondes en général) dont la longueur d'onde représentative ne sera pas supérieure à deux fois la lon tueur de chacun des cotés 15 du polygone 10, respectivement pour chaque couloir.
On voit l'intérêt de tels systèmes fixes,en réception ou en émission d'ondes venant de tout azimut avec une louver ture pouvant aller jusqu'à 360 degrés.
De plus,de tels dispositifs vont permettre la construction de systèmes plus complets,faisant l'objet de l'invention,permettant le capter de énergie du rayonnement solaire ou du rayonnement thermique mis par des corps et des milieux chauds.
La figure 3 représente une vue en coupe d'une structure rectîligne,iimitée dans le sens de la longueur par deux parois parallèles l'une à I Tautre,réflectrices respectivement sur la face intérieure à cette structure,la section droite faisant apparaître des profils formés d'arcs de cercles 21 ,appartenant à la famille décrite précédemment,dont le volume cylindrique de trace 22,représentant notre circonférence sur laquelle s'inscrivent les sommets 23 d'un pentagone convexe dans notre exemple, est occupé par un tube 24 plus ou moins épais,comme cela sera précisé plus loin,en matériau transparent d'indice de réfraction "α;" supérieur à 1 ,de gradient
nul ou négatif,pour lequel "r" désigne la distance séparant l'axe 25 du cylindregn un point localisé dans le Matériau constituant ce tube transparent.
nul ou négatif,pour lequel "r" désigne la distance séparant l'axe 25 du cylindregn un point localisé dans le Matériau constituant ce tube transparent.
L'intérieur du tube 24 est équipé d'un tuyau fin 26 ,métallique,ooncentrique,absorbant le rayonnement par sa surface extérieure traitée,
étant accolée dans le tube transparent 24,sans transition intermédiaire telle qu'une lame d'air ou de liquide.Ce tuyau 26 est parcouru par un fluide caloporteur 27 d'extraction de la chaleur produite par le rayonnement solaire
initialement entré par la face transparente 28, ainsi que le rayonnement thermique provenant d'un pompage de la chaleur dans la structure et le milieu environnant,clos ,29, limité par les éléments d'architecture 30.La structure de transfert permet d'a- mener tout ce rayonnememt, sur le cy]indre de trace circulaire 22.
étant accolée dans le tube transparent 24,sans transition intermédiaire telle qu'une lame d'air ou de liquide.Ce tuyau 26 est parcouru par un fluide caloporteur 27 d'extraction de la chaleur produite par le rayonnement solaire
initialement entré par la face transparente 28, ainsi que le rayonnement thermique provenant d'un pompage de la chaleur dans la structure et le milieu environnant,clos ,29, limité par les éléments d'architecture 30.La structure de transfert permet d'a- mener tout ce rayonnememt, sur le cy]indre de trace circulaire 22.
Soit un rayon lumineux 31,respeetivement 32 et 33, arrivant en par exemple,ttsera diffracté selon 35,respectivenent 36 et 37.in pratique l'-efficacité de transfert du tube 24 ,pour du verre ordinaire et le rayonnement de la lumière naturelle solaire,est de(O,86}du fait d'une réflection partielle des rayons en fonction cie leur angle d'incidence 38.
La dimension du rayon intérieur "r" du tube transparent,sera définie en fonction du matériau le constituant,d'indice de réfraction 11",constant ou variable comme déjà mentionné.Dans le cas particulier d'un matériau d'indice constant,nous calculerons les rayons intérieur "r" et extérieur "I?" du tube 24 ,en respectant la relation suivante: R = α
r
Pour un matérau à gradient d'indice négatif,la convergence optique sera plus importante que précédemment,et le ra-yon de sortie "r",sera plus petit.
r
Pour un matérau à gradient d'indice négatif,la convergence optique sera plus importante que précédemment,et le ra-yon de sortie "r",sera plus petit.
Si dans ce cas nous notons = = 0 + f(r)
O < c désigne l'indice de réfraction sur la périphérie
du tube 24.
O < c désigne l'indice de réfraction sur la périphérie
du tube 24.
f(r):désigne un terme à valeur décroissante par rapport au rayon "r" pris en valeurs croissantes.
Cette amélioration de la convergeance permettra d' obtenir des valeurs élevées du rapport (Rr) ,tel que: r
Des applications d'un dispositif tel que celui relaté,apparaissent immédiatement pour la production d'eau chaude à usages multipledoub3 oe' d'une climatisation du local correspon dantScontenant la structure de transfert.La mise en place des é- léments,somme toute assez légers,mettra en oeuvre des raccordements mécaniques de renforcement et de fixation,assez simples l'essentiel des masses en jeu se situant au niveau de la partie tubulaire.
Des applications d'un dispositif tel que celui relaté,apparaissent immédiatement pour la production d'eau chaude à usages multipledoub3 oe' d'une climatisation du local correspon dantScontenant la structure de transfert.La mise en place des é- léments,somme toute assez légers,mettra en oeuvre des raccordements mécaniques de renforcement et de fixation,assez simples l'essentiel des masses en jeu se situant au niveau de la partie tubulaire.
Sur la figure 4,est representé en coupe,un dispositif rectiligne,de principe similaire à celui de la figure 3 mais ici la structure de transfert comporte un changement de sen5 dans le développement des arcs de cercles 39,ceci respectant le principe décrit dans le début.Le résultat de ce choix permet d' obtenir un syst < Nme plus aplati,donc moins soumis aux efforts mecaniques que pourraient provoquer des perturbations atmosphériques,pour une installation de grande dimension, en plein air.
On reconnait la surface d'entrée 40 transparente au rayonnement ,les arcs de cercles 39 de transfert,le tube cylindrique épais 41 transparent,le tuyau fin 42 d'absorption du rayonnement,et It fluide caloporteur 43, circulant à 1 'intérieur.L' ensemble peut être renforcé par une structure métallique fine de
<tb> mestien
<tb> et soutenu au sol par des supports tels que 44,adaptés à la forme du terrain 45,
L'aspect cylindrique,de trace circulaire,de tels Svstèmes,permet de désolidariser la structure de transfert qui peut être diversement orientée par rapport à l'ensemble tubulaire regroupant le tube transparent et le tuyau métallique absorbeur.
<tb> et soutenu au sol par des supports tels que 44,adaptés à la forme du terrain 45,
L'aspect cylindrique,de trace circulaire,de tels Svstèmes,permet de désolidariser la structure de transfert qui peut être diversement orientée par rapport à l'ensemble tubulaire regroupant le tube transparent et le tuyau métallique absorbeur.
La figure 5 représente en coupe,une appliçation où le tube 6,le tuyau métallique absorbeur 47,sont fixes et solidaires des structures 48 de support,l'ensemble de transfert 49 étant lui,progressivement orientable,de structure légère,équi libre éventuellement par une masse pesante 50.La couverture transparente 51 assure l'étanchéité contre les poussières.
Le choix d'un système orientable pourra être retenu par besoin d'une efficacité importante en collectage journalier d'énergie,lorsque l'on disposera d'une installation
<tb> utilisant
<tb> presqutimmédiåtement cette énergie,mettant en oeuvre de faibles moyens de stockage.Inversement pour un captage journalier comparable,le capteur tournant permet de réduire la surface d'entrée de : 7-r -2
( 7r ) = 36 %
par rapport au capteur fixe de même structure.
<tb> presqutimmédiåtement cette énergie,mettant en oeuvre de faibles moyens de stockage.Inversement pour un captage journalier comparable,le capteur tournant permet de réduire la surface d'entrée de : 7-r -2
( 7r ) = 36 %
par rapport au capteur fixe de même structure.
Le dispositif de captage représenté en coupe sur la figure 6,composé de plusieurs cellules placées cote à cote selon un même plan,permet d'obtenir des systèmes fixes assez plats, directement encastrables avec des éléments de toitures,ou regroupés en réseau plan de grande surface.
Les parties principales se retrouvent encore dans ce cas.le vitrage d'entrée 52 recevant le rayonnement solaire 53; les tubes transparents de concentration 54 contenant les absorbeurs gris 55 parcourus par le fluide caloporteur 56.les tuyauteries de chaque tube pourront être raccordées pour former un circuit hydraulique commun.Les supports 57 et les renforcements mécaniques des structures peuvent etre conçus en fonction des applications.
On estime facilement l'efficacité d'un capteur d'aspect plan,représenté sur la figure 6,à l'aide du rapport que 1' on peut obtenir entre l'intensité moyenne du rayonnement à l'entrée du vitrage 52 et l'intensité moyenne du rayonnement tombant sur l'absorbeur 55.Supposons que la couverture soit équivalent verre et que le tube 54 soit en verre ordinaire,pour simplifier au maximum,la stnjcture de transfert étant générée à partir d'un hexagone régulier:
Ce rapport fait intervenir quatre facteurs' princi- paux,soient :
.La transmission du vibrage : 0,93
.La transmission de la structure de transfert 0,95
.La transmission du tube transparent :: 0,86
.L'amplification du tube transparent : 1,45
Soit le produit
0,93x0,95x0,86x1,45 = 1,d0
Comparé à'un capteur plan classique,le rapport d'intensité moyenne du rayonnement tombant sur l'absorbeur de la présente invention et de ce dernier,est de
0,95x0,86x1,45 = 1,18 ,pour des conditions similaires.
Ce rapport fait intervenir quatre facteurs' princi- paux,soient :
.La transmission du vibrage : 0,93
.La transmission de la structure de transfert 0,95
.La transmission du tube transparent :: 0,86
.L'amplification du tube transparent : 1,45
Soit le produit
0,93x0,95x0,86x1,45 = 1,d0
Comparé à'un capteur plan classique,le rapport d'intensité moyenne du rayonnement tombant sur l'absorbeur de la présente invention et de ce dernier,est de
0,95x0,86x1,45 = 1,18 ,pour des conditions similaires.
Ceci montre,qulà quantité d'énergie captée comparable,les résultats obtenus aux Tropiques avec le type plan, corres- pondront à ceux de celui de l'invention,à latitude plus haute,soit 40 à 50 degrés,élargissant ainsi les zones à gisement solaire ex ploitablo,plus au nord pour notre hémisphère.
Sur la figure 7,on a représenté,sei.on une application particulière faisant intervenir des structures en arcs de cercles de 90 degrés d'ouverture,un dispositif de captage solaire comportant une chambre d'absorption ou d'utilisation 58 parallélépipédique.Le fond 59 de la-chambre 58 est partagé en deux portions planes égales 60 et 61,raccordées chacune par un couloir respectif 62,63,à deux portions correspondantes 64,65,de la surface de passage,disposées de part et d'autre de la chambre.
Selon un mode de réalisation non limitatif,on a prévu des supports 66 pour soutenir la partie inférieure de la strc- ture de guidage.
La figure 8 est une vue en coupe longotudinale selon la ligne "a-a" de la figure 7;elle montre qu'une structure de guidage 68 est associée à chaque face 69 de la chambre,per pendiculairement à la direction longitudinale de celle-ci.0n notera < gaiement les supports 70 pour ces structures de guidage 68.
Ainsi on voit que l'on a réalisé une chambre solairc parallélépipédique,dont toutes les faces sont soumises au rayonnement solaire , pour , par exemple la production de chaleur en
chambre close en vue de nombreuses applications telles que le
dessale!lent de l'eau de mer,la distillation,le desséchage de
produits industriels ou agricoles,où,bien entendu l'on prévoit
avantageusement dans les odes de réalisation de l'invention,un
couvercle ou une entrée,facilement amovible,pour permettre le
cliargement,et des structures, on grillages ,servant de supportS
aux produits qu'elle est succeptible de contenir.
chambre close en vue de nombreuses applications telles que le
dessale!lent de l'eau de mer,la distillation,le desséchage de
produits industriels ou agricoles,où,bien entendu l'on prévoit
avantageusement dans les odes de réalisation de l'invention,un
couvercle ou une entrée,facilement amovible,pour permettre le
cliargement,et des structures, on grillages ,servant de supportS
aux produits qu'elle est succeptible de contenir.
Cette chambre,d'une autre manière peut être struc
turée comme indique,selon 1,2,3 ou 4 faces latérales seulement,
le plancher et les autres faces latérales restant opaques,pour
certaines applications plus simples,éliminant alors les struc
tures en arcs de cercles telles, que 62 et 63 du bas de la figu-re 7,et si celà est nécessaire,une partie des arcs latéraux 68
et 71 correspondant.
turée comme indique,selon 1,2,3 ou 4 faces latérales seulement,
le plancher et les autres faces latérales restant opaques,pour
certaines applications plus simples,éliminant alors les struc
tures en arcs de cercles telles, que 62 et 63 du bas de la figu-re 7,et si celà est nécessaire,une partie des arcs latéraux 68
et 71 correspondant.
De plus,la chambre à faces totalement éclairées ou uniquement par ses faces latérales et le dessus,peut être emplo- yée pour la culture en atmosphère eontrôlée,avec de forts éclai rements(comme on pourra se l'imaginer,du fait de la quantité importante de lumWèretq-ai y pénètre par 5 ou 6 faces)solaires di- rect ou diffus,permettant de bénéficier de processus accélérées lors de la photo-synthèse,donc de faciliter des opérations de mûrissement ou de développement de plantes et produits végé-taux variés;;dans ce cas,le rayonnement infra-rouge captif dans une telle serre,pourra être aisément pompé à l'intérieur,à l'aide de petits dispositifs adaptés,de type et de principe conformes à la description faite antérieurement,permettant ainsi de climatiser cette serre en température,utilisant par là-même une technique, tout solaire.
De maniere tout à fait générale,la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits,elle est au contraire succeptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de i1 art.
Les réalisations comportant une structure de transfert cornplète,peuvent etre regroupées en deux grandes classes de systèmes,formés par les parties prjncipales suivantes:
1 classe:une structure ae transfert munie d'une face d'entrée transparente ou opaque;un élément optique tubu mire de concentration sur lequel abouti la structure précédente ;n corps gris d'absorption en contact direct avec la face interne du tube optique.
1 classe:une structure ae transfert munie d'une face d'entrée transparente ou opaque;un élément optique tubu mire de concentration sur lequel abouti la structure précédente ;n corps gris d'absorption en contact direct avec la face interne du tube optique.
20classe:unc structure de transfert munie d'un face d'entrée particulière,propre à l'application;un corps gris d'absorption de forme extérieure cylindrique sur lequel aboutissent les éléments de la structure précédente.
Les dispositifs propres au captage du rayounement solaire,compris tans les deux classes précédemment définies, sont prévus pour être placets en position plus ou moins inclinée selon le sens longitudinal de ceux-ci, face au sud,cette inclinaison étant t'onction des saisons et des résultats pratiques recherchés en un lieu géographique choisi.
Claims (9)
1 - Dispositif de transrort.du rayonnement optique
et thermique,rectil.igne,limité à ses extrémités par deux.fa- ces parallèles entre elles de paroi intérieure réfléchissante, comportant une ou plusieurs surfaces d'entrée planes,longitudi- nales,exposées au rayonnement et une structure rectiligne formant un ensemble de couloirs juxtaposés,aux parois réfléchissantes,dont le profil selon un plan de section droite,est représenté par un réseau de plusieurs courbes,cha-cune d'elles étant formée d'arcs de cercles raccordés tangentiellement dans le prolongement l'un de l'autre,définissant des espaces ou bandes de largeur constante sur toute leur longueur,la génération de ces courbes et des arcs de cerclesles composant,étant obtenue à partir des somrnets d'un polygone convexe inscrit sur une cir eonférence,celles-ci aboutissant sur ces sommets, ces derniers étant les centres des arcs de cercles pris en groupes par secteurs circulaires respectivement,les rayons de ces cercles étant égaux à la somme des longueurs d'une partie des côtés du polygone, ~ ,le nombre de courbes du réseau et de bandes de largeur eonstantes,correspondantes ,étant égal à l'ordre de multiplicité de ce polygonesee dernier étant complètement entouré par les bandes ainsi formées.
2 - Dispositif selon la revendication l,caraetéri- sé en ce que l-a structure de transfert contient une pièce cylindrique absorbant le rayonnement eransfe-ré.,par sa surface latérale,celle-ci s'appuyant sur les arêtes longitudinales du poly aèdre dont une seetion droitb représente le polygone de génération des arcs de cercles de la revendication 1.
3 - Dispositif selon la revendication 1,caraetéri- sé en ce que la structure de transfert contient un tube cylindrique et circulaire- transparent,dont la surface latérale extérieure stappuie sur les aretes longitudinales du polyèdre dont une section droite représente le polygone de génération des arcs de cer-cles de la revendication 1,ie matériau transparent ayant un in- dice de réfraction constant ou croissant lorsque le tube est traversé latéralement de l'ext-érieur vers l'intérieur.
4 - Dispositif selon la revendication 1 et la revendication 3,caractérisé en ce que le tube transparent contient une pièce cylindrique de section circulaire,raccordée sans jeu à ce tube,et absorbant le rayonnement arrivant sur sa surface latérale.
5 - I)ispositif/d'utilisation de la lumière solaire comportant une chambre polyèdrique droite,aux surfaces latérales plaiIes,verticales,limité par deux faces horizontales, la su périeure étant transparente, avec une ou plusieurs des faces latérales également transparentes, chacune de ces faces latérales transparentes se raccordant extérieurement par son coté iwiférieur horizontal, à une portion de paroi cylindrique elle-même horizon tale,réfléchissante,dont une section selon un plan perpendicu laire à la face supérieure et à la face latérale transparente correspondante,représente un secteur circulaire vertical,de 90 degrés d' ouverture,de rayon égal à la hauteur des faces latérales,la réflection ayant lieu sur la partie concave de cette portion de surface cylindrique limitée dans le sens longitudinal par deux faces verticales perpendiculaires à la face latérale considérée,parallèios entre elles et réfléchissantes du coté où elles se font face,la lumière solaire qui arrive au niveau du plan horizontal supérieur étant respectivement transférée dans sa totalité sur la face latérale transparente correspondante.
6 - Dispositif selon la revendication 5,caractéri- sé en ce que la chambre est parallélépipédique,rectangulaire, avec sa fac inférieure transparente,partagée en deux portions de surface rectangulaire, égales, selon la sens longìtudinal,celles- ci étant raccordées à une structure de guidage associée,respec vivement de part et d'autre de la chambre, cette struc-ture ayant la propriété de transférer intégralement ,une onde lumineuse la traversant.
7 - Dispositif selon la revendication 5 ou la revendication 6,caractérisé en ce qu'il comporte une surface trans parente plane,recouvrant entièrement la chambre et les structure.
de guidage associées,soit en prolongement de la face horizontale plane supérieure,soit selon toute autre disposition de cette surface en la raccordant à la chambre et aux structure de gui dage par des guides réfléchissants à laces rectilignes parallèles et,ou,par des guides à transfert intéFrral.
S - Dispositif selon la revendication 5 ou la revendication 6 ou la revendication 7,caractérisé en ce que la cha bre polyèdrique contient un ou plusieurs dispositifs de la revendication 2 ou de la revendication 4.
9 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 ou 3 ou 4,caractérisé en ce que la structure de transfert est montée en rotation autour de l'axe du cylindre associé au polyèdre de section polygollale convexe, de génération.
10 - Dispositif selon la revendication 9,caractérisé en ce quwil comporte un mouvement d'horlogerie pour Com- mander la rotation de la structure de transfert.
11 - Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 4,caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs dispositifs élémentaires placés cote à cote,leur surface entrée étant regroupées selon un même plan,pour former une surface d entrée unique.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR7931167A FR2472147A1 (fr) | 1979-12-19 | 1979-12-19 | Dispositif de captage du rayonnement solaire et thermique |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR7931167A FR2472147A1 (fr) | 1979-12-19 | 1979-12-19 | Dispositif de captage du rayonnement solaire et thermique |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2472147A1 true FR2472147A1 (fr) | 1981-06-26 |
Family
ID=9232960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR7931167A Withdrawn FR2472147A1 (fr) | 1979-12-19 | 1979-12-19 | Dispositif de captage du rayonnement solaire et thermique |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2472147A1 (fr) |
Cited By (3)
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| FR2922997A1 (fr) * | 2007-10-24 | 2009-05-01 | Aurelien Cabarbaye | Concentrateur solaire statique forme en spirale et muni de miroirs |
| FR2941038A1 (fr) * | 2009-01-15 | 2010-07-16 | Andre Jean Marie Philippe Cabarbaye | Concentrateur solaire statique optimal forme en spirale et muni de miroirs |
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-
1979
- 1979-12-19 FR FR7931167A patent/FR2472147A1/fr not_active Withdrawn
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| ST | Notification of lapse |