FR2479949A1

FR2479949A1 - Reflecteur spiral, son procede de realisation et appareil pour tracer une spirale predeterminee sur une feuille en rotation

Info

Publication number: FR2479949A1
Application number: FR8106848A
Authority: FR
Inventors: Richard Teenblik; Dar-Veig Ho
Original assignee: Georgia Tech Research Institute
Current assignee: Georgia Tech Research Institute
Priority date: 1980-04-07
Filing date: 1981-04-06
Publication date: 1981-10-09
Also published as: GB2074342A; MX150001A; IN155997B; JPS56151904A; DE3113169A1; AU540349B2; AU6911381A; IT1142472B; IL62457A0; HK91485A; CA1162120A; US4350412A; IT8148209A0; GB2074342B

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN RELECTEUR SPIRAL DE FRESNEL. CE REFLECTEUR EST OBTENU PAR TRACAGE D'UNE SPIRALE DEVELOPPEE PREDETERMINEE SUR UNE FEUILLE PLANE EN MATIERE REFLECHISSANTE, DECOUPAGE DE LA FEUILLE POUR FORMER UNE SPIRALE QUI EST ENSUITE ENROULEE JUSQU'A CE QUE SES BRAS 2 CONCENTRENT LA LUMIERE REFLECHIE VERS UNE ZONE FOCALE. LA SPIRALE DEVELOPPEE PEUT AVOIR UNE DISTANCE FOCALE POSITIVE OU NEGATIVE. DOMAINE D'APPLICATION: APPAREILS DE CHAUFFAGE UTILISANT L'ENERGIE SOLAIRE.

Description

L'invention concerne les réflecteurs de Fresnel,

et plus particulièrement des réflecteurs spiraux de Fresnel.

Il existe un besoin important, en particulier dans les pays pauvres du Tiers-Mondeven appareils de cuisson peu coûteux, utilisant l'énergie solaire et pouvant réaliser la cuisson d'aliments sans nécessiter l'utilisation de combustibles de valeur. Les appareils de cuisson solaires se présentent classiquement sous la forme de paraboloides ou d'hémisphères. Cependant, ces formes sont difficiles à réaliser et à conserver, car elles doivent être produites en métal, en fibres de verre ou en matière plastique dure. Tous ces matériaux sont coûteux, de mëme que les procédés destinés à les mettre en forme. En conséquence, l'appareil de cuisson fini est également coûteux. En outre, ces formes sont

volumineuses et leur emballage exige un volume dispropor-

tionné. Etant donné que le volume d'emballage et de transport est coûteux, il en résulte un accroissement supplémentaire du coût. Un réflecteur de Fresnel est un réflecteur réalisé dans une feuille de matière plane et comportant des anneaux concentriques à foyer commun. L'utilisation d'un réflecteur de Fresnel pour un appareil de cuisson solaire est avantageuse, car toutes les pièces d'un tel réflecteur peuvent être découpées dans une feuille de matière et aucune

pièce de forme tridimensionnelle complexe n'est à réaliser.

Le réflecteur de Fresnel peut être réalisé dans des matériaux peu coûteux tels que du carton aluminisé ou une matière plastique aluminisée, et le réflecteur assemblé présente un

profil très bas et peut être aisément transporté et stocké.

Un réflecteur de Fresnel à anneaux concentriques est décrit dans l'article "Compact Solar Energy Concentrator" de Robert W. Hosken, dans Electro-Optical Systems Design, janvier 1975, pages 32-35. Cependant, le réflecteur de Fresnel décrit dans cet article comporte des anneaux usinés dans une ébauche en matière solide. Un degré élevé de précision est donc nécessaire pour l'usinage des anneaux dans les ébauches, ce

qui entraîne un coût de fabrication relativement élevé.

Un réflecteur de Fresnel comportant des anneaux concentriques séparés a été proposé dans le passé (par exemple "EVALUATION OF SOLAR COOKERS" par "Volunteers for International Technical Assistance", U.S. Department of Commerce, Office of Technical Services). Cependant, un tel réflecteur de Fresnel à anneaux concentriques présente plusieurs inconvénients. Chaque anneau du réflecteur doit être assemblé et monté séparément au cours d'une opération prenant du temps. En outre, chaque réflecteur est constitué de nombreuses pièces séparées. Etant donné que chaque anneau se présente sous la forme d'une pièce séparée, il existe un

grand nombre de pièces pouvant être mal placées ou endom-

magées. Un réflecteur de Fresnel peu coûteux et facilement transportable peut également être avantageux dans d'autres régions bénéficiant de l'énergie solaire. Par

exemple, un tel réflecteur peut être utilisé pour la généra-

tion de vapeur d'eau, à des températures basses à moyennes, pour la production d'énergie. Il peut également être utilisé pour la production d'énergie électrique au moyen d'un générateur à cycle de Brayton-Joule ou à cycle Sterling, placé au foyer du réflecteur. En outre, il est possible de produire directement de l'énergie électrique par conversion photovoltaique en plaçant des piles solaires au foyer du réflecteur. Par conséquent, un réflecteur de Fresnel peu coûteux et facilement transportable présente des avantages

dans toutes les régions utilisant l'énergie solaire.

L'invention concerne donc un réflecteur spiral de Fresnel, ainsi que son procédé de réalisation. Ce réflecteur présente une distance focale négative et il peut être assemblé en une seule opération simple et rapide. Il est

constitué d'une seule pièce.

Lorsqu'on développe, sur une pièce de matière plane, une spirale définie mathématiquement, que l'on découpe cette spirale suivant son axe et qu'on "l'enroule", les bras de la spirale forment un certain anqle d'inclinaison avec le plan de la feuille initiale. Cet angle d'inclinaison est

proportionnel à la distance du bras au centre de la spirale.

Il est apparu que l'angle d'inclinaison de cette spirale varie de façon continue de sorte qu'un point de la spirale présente un angle approprié d'inclinaison pour réfléchir les rayons du soleil vers un foyer. L'invention consiste donc à calculer une spirale pouvant être formée sur une feuille de matière plane et réflectrice et qui, lorsqu'elle est "enroulée", possède un foyer prédéterminé. La spirale peut être formée de telle manière que le réflecteur obtenu ait une

distance focale positive ou négative.

Un tel réflecteur spiral de Fresnel possède tous les avantages d'un réflecteur Fresnel à cercles concentriques et il possède les avantages supplémentaires de pouvoir être assemblé rapidement et simplement et d'être constitué d'une

seule pièce.

La spirale développée peut être produite au moyen d'un programme de calculateur calculant une spirale qui, lorsqu'elle est enroulée, présente un diamètre maximal, une distance focale, un rapport de concentration, un blocage estimé, un coefficient de réflexion et un nombre de tiges de montages prédéterminés. Le programme de calculateur peut alors être utilisé pour tracer la spirale développée qui peut être reportée sur une feuille de matière réfléchissante,

découpée et enroulée pour produire le -réflecteur souhaité.

Les bras enroulés du réflecteur peuvent être maintenus en place par des tiges radiales de montage dont les positions

peuvent être déterminées par le programme de calculateur.

En variante, une came peut être utilisée pour tracer une spirale développée sur une feuille en rotation, cette spirale développée étant ensuite reportée sur une feuille de matière réfléchissante de la même façon que la

spirale développée par le programme de calculateur.

Dans une autre variante, la came peut être utilisée pour tracer une spirale développée directement sur la feuille de matière réfléchissante. Dans d'autres variantes, le programme de calculateur peut être utilisé pour produire une bande pouvant être employée pour piloter une machine à commande numérique afin qu'elle découpe la spirale, ou bien un stencil peut être réalisé à partir du dessin de la spirale et utilisé pour la production en grande série d%

dessins de spirale identiques.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en plan du réflecteur spiral de Fresnel selon l'invention; - la figure 2 est une coupe axiale schématique du réflecteur spiral de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique en plan d'une spirale développée à distance focale positive; - la figure 4 est une vue partielle en perspective d'un détail du réflecteur de la figure 2; - la figure 5 est une coupe axiale schématique d'un réflecteur spiral de Fresnel à distance focale négative; - la figure 6 est une vue schématique en plan d'une spirale développée à distance focale négative; - la figure 7 est une élévation schématique d'un réflecteur spiral de Fresnel réfléchissant des rayons lumineux qui convergent et proviennent de plusieurs miroirs; - la figure 8 est un schéma d'un appareil à tracer une spirale sur une feuille de matière; - la figure 9 est un schéma d'une autre forme de réalisation de l'appareil de la figure 8; - la figure 10 est une vue en plan d'un montage de tiges de fixation; - la figure 11 est une vue partielle en perspective d'un détail d'une liaison entre l'une des tiges de fixation et la spirale; - la figure 12 est une vue de face d'une forme de

réalisation de la pièce centrale des tiges de fixation repré-

sentées sur la figure 10; - la figure 13 est un tracé d'une spirale développée produite au moyen d'un calculateur; - la figure 14 montre une trame définissant une grille à triangles équilatéraux; - la figure 15 montre une trame définissant une grille à carrés; - la figure 16 est une coupe axiale d'un réflecteur conique de type A-B; - la figure 17 est une coupe axiale d'un réflecteur conique de type A; - la figure 18 est une vue en perspective du réflecteur de la figure 17; - la figure 19 est une coupe axiale d'un réflecteur conique de type P-B; et - la figure 20 est une coupe axiale d'un

réflecteur conique du type P-A.

La figure 1 représente en plan un réflecteur de Fresnel enroulé. Ce réflecteur comporte une largeur de bras projetée x et la spirale est à une distance d du centre du système de coordonnées polaires, d variant avec l'angle 0 de la spirale. Le même réflecteur est représenté en coupe axiale sur la figure 2. On peut voir que l'angle d'inclinaison de chaque partie du bras du réflecteur spiral varie avec la distance d de cette partie du bras par rapport au centre du système de coordonnées polaires. On peut également voir que la distance focale d'un rayon lumineux réfléchi par la base de la partie du bras, cette base correspondant à la spirale

tracée, est égale à f.

La figure 3 est une vue en plan de la spirale qui

est développée sur une feuille plane de matière réfléchis-

sante de manière que, lorsqu'elle est découpée suivant son axe et enroulée, on obtienne le réflecteur spiral de Fresnel montré sur les figures 1 et 2. La spirale développée de la figure 3 présente une distance D à partir du centre du système de coordonnées polaires, cette distance D ayant une certaine valeur pour tout angle GV de la spirale. Pour développer, sur une feuille plane de matière réfléchissante, une spirale ayant une largeur de bras projetée souhaitée x et un diamètre d, il est donc nécessaire de calculer les valeurs de D et 4> correspondant à un réflecteur spiral de Fresnel enroulé ayant une largeur de bras projetée x et un diamètre d, à un angle d'enroulement S. a xB _1 (lj 2ir cos (1/2 tg -1 (x8W)) 2irf L'équation (1) ci-dessus donne la distance D de la spirale développée en fonction de la distance focale souhaitée et de la largeur du bras souhaitée, à un angle

d'enroulement 8.

x = fg [ cos(1/2 t9 (1X) _x2_ + 2X 2,f" (1/2 X x26 sin(1/2 tg -1('2fir) COS 1 (12 l2 Xfj(472f c ()) cos( /2 (2) Parmi les équations précédentes, l'équation (2) donne l'angle Y de la spirale développée en fonction de la largeur du bras projetée et souhaitée et de la distance focale souhaitée pour tout angle 8 d'enroulement de la spirale. Par conséquent, une spirale développée peut être tracée pour tout réflecteur spiral de Fresnel souhaité ayant une largeur de bras projetée, une distance focale et un

diamètre maximal d'enroulement prédéterminés.

Cependant, les équations précédentes ne portent que sur le bord intérieur d'une partie du bras de la spirale, car ce bord est défini par la spirale conformément aux équations précédentes. Cependant, le rapport maximal de concentration n'est pas situé au foyer de la lumière atteignant la partie inférieure de chaque tronçon du bras, mais au foyer ff de la lumière atteignant le centre radial de chaque tronçon du bras de la spirale. Comme montré sur la figure 2, la surface focale présente sa valeur minimale (mw) à la distance focale ff et la concentration d'énergie est la plus grande à cette largeur focale minimale. Par conséquent, il est souhaitable de déterminer une spirale développée en fonction du rapport de concentration dans la largeur focale minimale, à la distance focale ff. La relation entre f et ff est donnée par l'équation (3) f = d(ff)

Z (3)

La largeur minimale (mw) présente dans l'équa-

tion (3) peut être trouvée au moyen de l'équation (4) MW] I(I-G)pD2 (4) o G est le pourcentage de blocage; e est le coefficient de réflexion de la matière; et

CR est le rapport de concentration.

Le pourcentage de blocage (G) utilisé dans l'équation (4) peut être aisément compris à l'aide de la figure 4. Cette figure 4 montre en gros plan et en coupe deux tronçons d'un bras de spirale. Il apparaît, sur la figure 4, que les rayons lumineux 1 réfléchis par chaque tronçon du bras 2 de la spirale peuvent être partiellement bloqués par un tronçon adjacent du bras de la spirale. Le pourcentage de la zone bloquée 4 est représenté par (G). Le rapport de concentration (CR) utilisé dars l'i uation (4) est simplement le rapport, exprimé en terme de "soleils", par lequel l'énergie du soleil est multipliée dans la largeur focale

minimale (mw).

En outre, la largeur du bras projetée n'est pas

un paramètre à prendre initialement et normalement en consi-

dération pour produire un réflecteur ayant certaines caracté- ristiques. La largeur du bras projetée peut être calculée au moyen de l'équation (5i une fois que (mw) et (ff) sont trouvés: X = + (ég (l/2tg,4( d+mw))) d*mw&J

F 2 (5)

fi ff Par conséquent, les équations précédentes

fournissent une description complète d'une spirale

développée en utilisant, comme Paramètres d'entrée, le diamètre maximal souhaité, la distance focale souhaitée, le rapport de concentration souhaité, le blocage estimé souhaité et le coefficient de réflexion du réflecteur. Un programme de calculateur approprié peut alors déterminer la largeur focale minimale (mw) pour le point le plus extérieur de la spirale à partir de l'équation (4), la largeur du bras projetée x à partir de l'équation (5) et la distance focale f du bord intérieur de chaque point de la spirale à partir de l'équation (3). A partir de ces paramètres, la spirale développée peut être tracée au moyen des équations (1)

et (2).

Une équation supplémentaire, qui peut être utile pour tracer la spirale développée, est l'équation donnant le changement de diamètre de la spirale enroulée en fonction de l'angle S. Cette relation est exprimée par l'équation (6): dD = x x2- sm (2/2,t91 (f)) 2i rcos (1/2 tg-l()) + (4, r2f+ (6)2)cos2 (1/2 tc( Xe)) 2ïf a 21rf (6) Les équations précédentes décrivent un réflecteur spiral de Fresnel ayant une distance focale positive, comme montré sur la figure 2. La figure 5 représente schématiquement un réflecteur spiral de Fresnel à distance focale négative, alors que la figure 6 montre une spirale développée à distance focale négative, pouvant ëtre tracée sur une feuille plane de matière réfléchissante. Comme montré sur la figure 5 qui est une coupe axiale d'une spirale enroulée, le foyer de la lumière réfléchie dans un réflecteur spiral de Fresnel à distance focale négative se trouve sur le côté opposé à celui par lequel la lumière arrive sur le réflecteur. En outre, les angles que font les bras 2 de. la spirale avec le plan horizontal sont très supérieurs à ceux existant dans un réflecteur à distance focale positive. En outre, comme montré sur la figure 6, un réflecteur à distance focale négative doit être enroulé en sens opposé à celui d'un réflecteur à distance focale positive afin que les spires extérieures de la spirale développée deviennent les spires intérieures du réflecteur spiral enroulé. La spirale développée pour le réflecteur spiral de Fresnel à distance focale négative peut être développée par une méthode analogue à celle utilisée pour le réflecteur à distance focale positive, sauf que les équations (1, 2 et 6) sont remplacées respectivement par les équations (7, 8 et 9) ci-dessous: xe D = 2- sin(l/2 tg -1 ( f2x) (7) Y = f d2 + (X)2 (dD2 de (8)

2X

d1.x25 cos (1/2 tga -1 (2f)) dD: d 2 sin(l/2 tg -(_f)) (42f + (X))sin2 (1/2 tg-l(xf)) (9) Bien que le réflecteur spiral de Fresnel soit utilisé typiquement pour concentrer les rayons directs du soleil et que les équations précédentes aient trait à un réflecteur spiral destiné à réaliser une telle concentration de rayons parallèles, le réflecteur spiral de Fresnel peut également être utilisé comme réflecteur secondaire pour concentrer des rayons convergents, par exemple les rayons réfléchis par un champ de miroirs. La figure 7 représente schématiquement un réflecteur spiral 2 de Fresnel placé entre un champ de miroirs réfléchissants 6 et le foyer virtuel F de ce champ de miroirs. Le réflecteur spiral 2 de Fresnel est placé à une hauteur H par rapport au champ de miroirs et le foyer virtuel F de ce champ de miroirs est situé à une hauteur ' du champ de miroirs 6. Un réflecteur spiral de Fresnel qui concentre les rayons convergents au foyer souhaité DFP peut être formé à partir d'une spirale développée et tracée à l'aide de l'équation précédente (2) dans laquelle f est déterminé à partir des équations suivantes (10) et (11): f =L2f)e ( - ( g12F) + <g-(fi10) F = d max (11) Par conséquent, à l'aide des équations (10) et (11), il suffit de présélectionner les hauteurs souhaitées H et 3', ainsi que les autres paramètres souhaités tels que le diamètre maximal souhaité, la distance focale, le rapport de concentration, le blocage estimé et le coefficient de réflexion du réflecteur, pour tracer une spirale développée qui peut être enroulée pour former un réflecteur spiral de

Fresnel utilisable avec des rayons lumineux convergents.

Un autre procédé pour tracer la spirale développée destinée au réflecteur spiral de Fresnel est mis en oeuvre par l'appareil montré sur la figure 8. La figure 8 représente schématiquement un dispositif mécanique destiné à

tracer une spirale développée. Une pièce de matière réflé-

chissante plane 10, ou un stencil, est placée de manière à pouvoir tourner autour d'un axe 12. Ce dernier est monté de manière à pouvoir tourner sur un guide rigide 14 et il comporte un pignon 16 qui engrène avec une crémaillère 18 reliée à une came 20 qui guide un axe 22, contre la force de rappel d'un ressort 24. Par conséquent, lorsque la matière 10 est tournée dans le sens 26, ou lorsque la came 20 est déplacée dans le sens 28, la rotation de la matière et le mouvement de l'axe 22 sous l'action de la came 20 font suivre à cet axe la spirale 30 formée sur la matière 10. Il est possible de prédéterminer la forme de la came 20 à partir des équations. Ce procédé pour développer la spirale est utile lorsqu'un grand nombre de spirales identiques doivent être produites. Une fois que la spirale développée est tracée,

elle peut être reportée sur une feuille de matière réfléchis-

sante plane, par exemple une matière plastique flexible aluminisée ou du "Mylar" aluminisé, fixé à une feuille de polyéthylène de faible poids moléculaire ou à toute autre feuille réfléchissante. La spirale développée doit également être' tracée directement sur la matière réfléchissante. Une fois que la spirale développée est tracée sur la matière réfléchissante, la feuille réfléchissante est découpée

suivant la ligne formée par la spirale.

D'autres matières pouvant être utilisées pour la réalisation du réflecteur spiral de Fresnel comprennent la Masonite (par exemple de la Masonite de 3,2 mm d'épaisseur) sur une face de laquelle une pellicule d'aluminium est collée, une mince feuille d'aluminium et du carton dont la surface réfléchissante est constituée par une pellicule d'aluminium. Une fois que la spirale développée a été découpée, il est nécessaire de l'enrouler afin que l'on obtienne le réflecteur spiral. Dans le cas d'un réflecteur spiral de Fresnel à distance focale positive, le tronçon extérieur du bras de la spirale développée est placé à une distance fixe du centre de la spirale et ledit centre de la spirale est enroulé. Dans le cas d'un réflecteur spiral de Fresnel à distance focale négative, l'extrémité intérieure de la spirale développée est placée à une distance fixe du centre du réflecteur et l'extrémité extérieure de la spirale, qui est l'extrémité intérieure du réflecteur spiral de Fresnel, est enroulée. Le degré d'enroulement détermine l'angle d'inclinaison des bras de la spirale et, par conséquent, la distance focale du réflecteur résultant. Il est donc possible de modifier légèrement la distance focale en procédant à de légers réglages du degré d'enroulement des

bras du réflecteur spiral.

La figure 9 montre une autre forme de réalisation de l'appareil destiné à tracer la spirale développée de la figure 8. Cet appareil convient à la réalisation de grands réflecteurs de divers diamètres. Le flan 10 est fixé de manière à pouvoir tourner sur un axe 32 qui porte une roue 34 à denture conique. La roue dentée conique 34 engrène avec un pignon conique 36 qui est monté sur un arbre cannelé 38 afin de ne pouvoir se déplacer qu'axialement sur cet arbre. Un pignon conique 40 est monté sur l'autre extrémité de l'arbre cannelé 38 et engrène avec une roue dentée conique 42 qui est montée sur un axe 44, ainsi qu'un pignon 46. L'axe 44 est fixé au moyen d'une tige 48 de guidage. Le pignon 46 engrène avec une crémaillère 50 fixée à une came 52. Un galet suiveur 54, faisant partie d'une tringlerie 56, est guidé par la came 52 contre la force de rappel d'un ressort 58 lorsque la came 52 est déplacée. Il en résulte un déplacement d'un axe 60 qui décrit une spirale 62, de la même manière que dans l'appareil de la figure 8. Les pignons 36 et 40 peuvent se déplacer le long de l'arbre cannelé 38 afin de s'adapter à des spirales

de différentes dimensions.

Une fois que la spirale développée est enroulée pour former le réflecteur spiral de Fresnel résultant, il est nécessaire de stabiliser les bras et de les maintenir en

position appropriée, avec le degré d'enroulement souhaité.

Ceci peut être de préférence réalisé au moyen de bras radiaux de liaison qui rayonnent du centre de la spirale et qui sont fixés aux bras de la spirale, en certains points radiaux. Ces bras radiaux 70 peuvent être vus sur la figure 10. Les bras 2 de la spirale peuvent être fixés aux bras 70 de liaison en des points 72 de fixation. Bien que quatre bras de liaison soient représentés sur la figure 10, il est possible

d'utiliser un nombre quelconque de ces bras.

Selon un procédé préféré, les points de fixation peuvent être tracés sur la spirale développée et le réflecteur spiral de Fresnel peut être enroulé à partir de la spirale développée, simplement par assujettissement des points 72 de fixation aux bras appropriés 70 de liaison. Le tracé des points appropriés de fixation sur la spirale développée peut être effectué par détermination du nombre de bras de liaison à utiliser, calcul de l'angle e entre les bras de liaison et utilisation de l'équation (2) ou (8) pour calculer l'angle q> sur la spirale développée, à chaque point

de fixation.

La fixation des bras 2 de la spirale aux tiges 70 de liaison, à l'emplacement des points 72 de fixation, doit être réalisée de manière que les bras de la spirale ne soient pas déformés à ces points de fixation. Selon une forme préférée de réalisation, il est possible de réaliser, à cet effet, deux trous 74 dans la partie intérieure des bras de la spirale, à chaque point de fixation. Une certaine longueur de fil d'aluminium ou d'acier inoxydable, de forme en U, peut ensuite être glissée dans les trous afin que la base du U relie les deux trous, comme montré sur la figure 11. Les branches du U, qui dépassent de la face inférieure de la tige de liaison, peuvent ensuite être pliées vers l'intérieur, comme montré en 76 sur la figure 11. On obtient ainsi un pivot permettant au bras de la spirale de pivoter sur son

bord intérieur.

La figure 10 montre des tiges de liaison formées d'une seule pièce. En variante,-les tiges de liaison peuvent être fixées à demeure en 82 à une pièce centrale séparée 80, comme montré sur la figure 12. La pièce centrale peut présenter un trou central 84 dans lequel peut être placé un goujon d'assemblage 86 portant une poignée 88 lui permettant d'être tourné. L'extrémité de la spirale développée peut être placée dans le goujon d'assemblage 86 et ce dernier peut être tourné pour enrouler la spirale développée afin de former le réflecteur spiral de Fresnel. Par cette technique, une première extrémité de la spirale développée est fixée à un diamètre prédéterminé du goujon d'assemblage, tandis que l'autre extrémité est introduite dans le goujon d'assemblage et enroulée jusqu'à ce que les points 72 de fixation soient

alignés avec les tiges appropriées 70 de liaison.

Il n'est pas nécessaire que la pièce centrale présente un trou central logeant un goujon. Dans ce cas, il est possible d'enrouler la spirale en fixant d'abord l'extrémité extérieure de la spirale à l'une des tiges de liaison. La spirale est ensuite enroulée par sa spire intérieure suivante jusqu'à ce que son point de fixation soit en alignement avec la tige de liaison, et ce point de

fixation est alors assujetti à la tige de liaison. L'enrou-

lement est poursuivi et les bras intérieurs successifs de la spirale sont fixés à la tige de liaison, suivant un rayon passant par le centre de la spirale, vers l'extérieur et jusqu'au bord opposé. Une fois que la spirale a été fixée aux tiges de liaison sur un diamètre complet,. les autres points

de fixation sont mis en place.

Il n'est pas nécessaire que la trame ou le cadre destiné à stabiliser la spirale enroulée soit constitué de bras radiaux de liaison, mais ce cadre peut avoir la forme d'une grille. Une telle grille est plus aisée à fabriquer et présente une résistance supérieure à celle d'un cadre à bras radiaux. La figure 14 représente une forme d'une telle grille. Cette grille est constituée de triangles équilatéraux. Les bras de certains des triangles équilatéraux forment des tiges 90 qui se croisent et qui peuvent être les points principaux de montage de la spirale. Cette dernière peut également être fixée à d'autres points de montage situés

à des intersections de cette spirale avec la grille.

La figure 15 représente une autre forme de grille composée de plusieurs carrés. Cette grille présente un point central 100 duquel partent des tiges radiales ou bras 102 qui sont constituées par les côtés de certains des carrés. La spirale peut être montée en des points 104 de fixation sur ces bras radiaux, ainsi qu'en d'autres points de la grille o le bord de la spirale coupe la grille. D'autres formes de

grilles peuvent évidemment être utilisées.

EXEMPLE

On souhaite construire un réflecteur spiral de Fresnel ayant un rayon de 57,15 cm, une distance focale de 108,6 cm, un rapport théorique maximal de concentration de 1000 et huit bras de montage. Ces paramètres sont introduits dans les équations (1) à (6) qui donnent une largeur de bras de 2,738 cm, un rayon à plat de 58,764 cm et une largeur focale minimale de 3,07 cm. Un calculateur est utilisé pour tracer la spirale développée ci-dessus comme montré sur la figure 13. La spirale est découpée suivant sa ligne et des trous destinés au passage d'un fil métallique de montage sont percés dans la spirale. Les bras de liaison sont ensuite réalisés à partir de tube carré et ils sont reliés, en un point central, à une pièce centrale en contreplaqué, au moyen de rondelles et d'écrous carrés. Les bras de la spirale sont ensuite fixés aux tiges de liaison au moyen des fils métalliques 76, comme décrit précédemment. Le dispositif obtenu est essayé à 5 heures de l'après-midi, par un jour ensoleillé, et on mesure un taux de concentration de 500

soleils. Il n'est pas nécessaire que la spirale enroulée soit sous une forme plane.

Le réflecteur enroulé de Fresnel peut également avoir la forme d'un cône creux ou d'un tronc de cône creux. A cet effet, il est possible d'utiliser un

cadre ayant la forme d'un cône ou d'un tronc de cône creux.

De même que pour le réflecteur spiral plat de Fresnel, la spirale peut être découpée dans une feuille unique de matière

plane, puis enroulée sur le cadre conique. L'angle d'incli-

naison d'un point quelconque de la spirale conique enroulée est réglé de manière à réfléchir la lumière vers un foyer

choisi f.

Il est possible de réaliser au moins quatre types différents de réflecteurs spiraux coniques de Fresnel. Un premier type de réflecteur conique comporte un cadre de support entièrement conique, possédant un angle t qui est supérieur à l'angle d'inclinaison du bras 110 de la spirale en un point radial donné. Ce réflecteur est désigné réflecteur du type (A). Un tel réflecteur de type (A) est représenté sur la figure 17. Comme montré sur la figure 17, qui représente en coupe axiale le réflecteur, l'angle d'inclinaison des bras en un point quelconque est inférieur à l'angle d'inclinaison t du cadre, jusqu'au point T de transition. Par conséquent, les bras sont fixés au cadre par leur bord radial extérieur. Si le réflecteur se prolongeait

radialement vers l'extérieur au-delà du point T de transi-

tion, l'angle d'inclinaison des bras serait supérieur à

l'angle tr. On obtiendrait alors un réflecteur du type (B).

La figure 16 représente un réflecteur spiral conique de Fresnel qui est un réflecteur combiné du type (A) et du type (B). Comme montré sur la figure 16, le réflecteur s'étend radialement vers l'extérieur au-delà du point T de transition auquel l'angle d'inclinaison des bras de la spirale devient supérieur à l'angle t. Dans cette partie du type (B) du réflecteur, les bras sont fixés au cadre par

leurs bords situés radialement à l'intérieur.

Il convient de noter que dans un réflecteur conique purement du type (A), le point T de transition n'a jamais à être atteint. Autrement dit, le réflecteur peut se terminer radialement à peu de distance du point o l'angle

d'inclinaison des bras du réflecteur est égal à l'angle 1t.

Dans le cas o le bras extérieur de la spirale forme un angle d'inclinaison égal à l'angle 't, de manière que le point de transition soit atteint, le bras extérieur peut être fixé à plat au bras de support. Un tel montage est représenté sur la figure 18. Sur cette figure, le cadre se présente sous la

forme de plusieurs tiges 112 disposées radialement et présen-

tant une section droite en forme de quadrilatère. Les bras de la spirale sont fixés en des points 114 situés sur les bords extérieurs de ces bras. Comme indiqué en 116, le bras

extérieur de la spirale, qui se trouve au point de transi-

tion, est fixé à la fois par son bord intérieur et par son

bord extérieur.

Dans le réflecteur du type (A), aucune partie du bras du réflecteur n'est masquée ou n'est placée dans l'ombre

par la partie radialement intérieure adjacente du bras.

Cependant, étant donné que la distance focale utile des bandes diminue au fur et à mesure que ces dernières s'éloignent du centre et s'élèvent jusqu'au cadre conique de support, la lumière réfléchie par les bandes extérieures arrive au plan focal sous de plus petits angles. Il en résulte un accroissement du diamètre du foyer, ce qui réduit

le taux de concentration obtenu.

Lorsqu'une partie du réflecteur spiral conique de Fresnel est plane (c'est-à-dire la partie tronquée d'un tronc de cône), ce type plan est appelé réflecteur du type

(P). La figure 19 représente un réflecteur combiné du type P-

B dans lequel la partie radialement intérieure du cadre est plane alors que la partie restante du cadre est conique, mais forme un angle t qui est inférieur à l'angle d'inclinaison formé par les bras de la spirale à la distance radiale du cadre conique. Dans un tel réflecteur P-B, le cadre de support passe de la forme plane à la forme conique au point T de transition. Comme montré sur la figure 19, l'angle tr est égal à l'angle d'inclinaison formé par le bras de la spirale

au point T de transition.

La figure 20 représente un quatrième type de

réflecteur spiral conique de Fresnel, à savoir le type nP-A".

Dans ce type de réflecteur, l'angle Vr est tel que le point de transition ne se trouve pas au point o le cadre passe de la forme plane à la forme conique, mais sur le bord radial extérieur ou au-delà du bord radial extérieur du bras de la spirale. Un second type de point Tl de transition apparaît à l'emplacement o la partie plane du cadre coupe la partie conique. Comme montré sur la figure 20, dans la partie (P) du réflecteur, les bras de la spirale sont fixés par leurs bords intérieurs au cadre. Dans la partie (A) du réflecteur, les bras de la spirale sont fixés au cadre par leurs bords extérieurs. Ce second type de point Tl de transition apparaît lorsque le bord intérieur et le bord extérieur du bras de la spirale portent contre le cadre à proximité de l'intersection

des parties plane et conique de ce dernier.

Il est important de noter que les bras extérieurs du réflecteur spiral de Fresnel plan, ou du type (P), présentent le blocage le plus important et entrent pour la plus grande part dans la surface totale du réflecteur. Dans le réflecteur du type P-A, le blocage est totalement supprimé des tronçons de bras de la spirale qui sont fixés à la partie conique du cadre, c'est-à-dire les bras extérieurs. Ceci tend à accroître le taux de concentration obtenu avec un réflecteur du type P-A par rapport à celui obtenu avec un réflecteur du type (P) ayant le même diamètre, la même distance focale et la même largeur de bras projeté. Par ailleurs, les bandes extérieures du réflecteur P-A ont un angle d'inclinaison supérieur à celui des bandes analogues d'un réflecteur du type P. Ceci tend à agrandir la largeur focale minimale du réflecteur de type P-A et à réduire le taux de concentration pouvant être obtenu. Par conséquent, le réflecteur conique de Fresnel du type P-A présente des caractéristiques qui accroissent le taux de concentration pouvant être obtenu, et des caractéristiques qui diminuent ce taux de concentration. En choisissant convenablement les paramètres de conception, il est possible à l'homme de l'art d'optimiser le réflecteur du type P-A afin de maximiser le

taux de concentration pouvant être obtenu.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au réflecteur décrit et représenté

sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de réalisation d'un réflecteur,

caractérisé en ce qu'il consiste à former une spirale réflé-

chissante plate de forme prédéterminée, et à enrouler cette spirale autour d'un axe perpendiculaire au plan de ladite

spirale afin que cette dernière prenne une certaine inclinai-

son par rapport au plan, dans la direction radiale, afin de

former un réflecteur ayant une certaine surface focale.

2. Procédé de réalisation d'un réflecteur, caractérisé en ce qu'il consiste à dessiner une spirale de forme prédéterminée sur une feuille plane (10) de matière réfléchissante, à découper la feuille suivant le dessin de la

spirale afin de former une spirale plate en matière réflé-

chissante, et à enrouler cette spirale autour d'un axe per-

pendiculaire au plan de la feuille afin que la spirale prenne une certaine inclinaison par rapport à ce plan dans la direction radiale pour former un réflecteur ayant une

certaine surface focale.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la spirale est enroulée par la mise en position d'un tronçon radialement intérieur de la spirale sur ledit axe et par rotation de ce tronçon radialement intérieur de la spirale autour dudit axe pendant que le diamètre extérieur de la spirale est maintenu à une valeur constante, le réflecteur

ayant une distance focale positive.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la spirale est enroulée par mise en position d'un tronçon radialement extérieur de la spirale sur ledit axe et par rotation de ce tronçon radialement extérieur de la spirale autour dudit axe, alors que le diamètre extérieur de la spirale est maintenu à une valeur constante, le réflecteur

ayant une distance focale négative.

5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la spirale enroulée est maintenue à un degré fixe d'enroulement au moyen de plusieurs organes de fixation placés sur certaines parties de la spirale et reliés à

plusieurs organes rigides de liaison (70).

6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé

en ce que la forme du dessin de la spirale et le degré d'en-

roulement de la spirale sont déterminés en fonction des caractéristiques du réflecteur spiral résultant, le dessin de la spirale pouvant être tracé au moyen d'un calculateur dans lequel lesdites caractéristiques sont programmées, ou bien le dessin de la spirale pouvant être tracé sur une feuille plane (10) tournant autour d'un axe (12 ou 32), l'élément (22 ou ), destiné à tracer ledit dessin sur la feuille plane, pouvant être déplacé sous la commande d'une came (20 ou 52)

actionnée par la rotation de la feuille.

7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir la spirale à l'état enroulé au moyen de plusieurs tiges (70) de liaison qui rayonnent du centre de ladite spirale enroulée et qui sont reliées à cette dernière en des points (72) o les tiges radiales de liaison et les bras (2) de la spirale se coupent, les tiges radiales pouvant notamment être reliées à une pièce centrale (80), sur ledit axe perpendiculaire au plan de la feuille plane, la spirale étant reliée à une partie (86) de cette pièce centrale et enroulée par rotation de ladite partie de la

pièce centrale.

8. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir la spirale à l'état enroulé au moyen de plusieurs tiges (102) de liaison qui forment une grille rectangulaire à laquelle la spirale est reliée en des points (104) o les tiges radiales de liaison coupent la grille. 9. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir la spirale à l'état enroulé au moyen de plusieurs tiges (90) de liaison qui forment une grille à triangles équilatéraux à laquelle la spirale est reliée en des points o les tiges radiales de liaison coupent

ladite grille.

10. Réflecteur spiral, caractérisé en ce qu'il comporte une longueur de matière réfléchissante plane formant une spirale qui présente une extrémité intérieure et une extrémité extérieure, l'une desdites extrémités étant fixée et l'autre étant enroulée circonférentiellement dans le sens de la spirale, sur un degré prédéterminé, de manière que chaque tronçon circonférentiel de la spirale soit incliné radialement par rapport au plan de la spirale afin de concentrer la lumière réfléchie par ladite spirale. Il. Réflecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce centrale (80) placée au centre de la spirale et de laquelle rayonnent plusieurs bras (70) de liaison situés dans le plan dudit réflecteur et- reliés à ladite spirale, aux points (72) d'intersection de ces bras avec la spirale, la pièce centrale pouvant notamment comporter un dispositif rotatif (86, 88) d'enroulement auquel une extrémité de la spirale peut être fixée, les bras (70) de liaison pouvant être reliés au

tronçon radialement intérieur de la spirale.

12. Réflecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un support se présentant sous la forme d'une grille rectangulaire à laquelle les bras (2) de la spirale peuvent être reliés en des points (104) d'intersection de ces bras avec la grille, ou bien un cadre de support qui se présente sous la forme d'une grille (90) à triangles équilatéraux à laquelle les bras (2) de la spirale sont reliés aux points d'intersection de ces bras avec ladite grille. 13. Réflecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il présente une distance focale positive

ou bien une distance focale négative.

14. Réflecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est conçu pour concentrer des rayons

lumineux non parallèles.

15. Réflecteur selon la revendication 10,

caractérisé en ce qu'il est sensiblement plan.

16. Réflecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'un cône creux, auquel cas ce réflecteur peut comporter un élément de support ayant également la forme d'un cône creux, le cône formé par le réflecteur pouvant être tronqué afin que la

partie radialement intérieure du réflecteur soit sensible-

ment plane, auquel cas le réflecteur peut comporter un

élément de support ayant la forme d'un câne-tronqué et creux.

17. Appareil à tracer une spirale prédéterminée sur une feuille plane (10) en rotation, caractérisé en ce qu'il comporte un axe (12 ou 32) autour duquel ladite feuille (10) tourne, un pignon denté (16 ou 34) pouvant tourner avec la feuille plane, une crémaillère (18 ou 50) mobile sous l'effet de la rotation du pignon, une came (20 ou 52), de forme prédéterminée, mobile avec la crémaillère, et un élément (22 ou 60) de traçage, adjacent à la feuille, fixé dans la direction circonférentielle de la feuille en rotation et mobile sous l'action de la came, dans la direction radiale

de ladite feuille en rotation, afin qu'une spirale pré-

déterminée (30 ou 62) soit tracée sur la feuille par ledit

élément de traçage mobile radialement.