FR2521292A1

FR2521292A1 - Solar energy tracking system - uses two inclined photovoltaic cells whose voltage difference controls detector orientation w.r.t. sun

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Publication number: FR2521292A1
Application number: FR8202060A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-02-09
Filing date: 1982-02-09
Publication date: 1983-08-12
Also published as: FR2521292B1

Abstract

The device forms an enclosed volume and has two of its faces (1,2) forming a dihedron. Photovoltaic detectors (3,4) are fixed on the interior surfaces of the dihedral faces, their sensitive surfaces being directed one towards the other. The dihedron is closed by a third opaque face (5) perpendicular to its plane of bisection and having a central zone (6) transparent to solar radiation which extends symmetrically on either side of the bisection plane and at least partially onto the triangular faces (7,8) which form the ends of the dihedron. The device is mounted such that the ridge of the dihedron (9) which is opaque lies horizontally along the East-West direction or vertically. Solar radiation falling on a photovoltaic detector gives rise to a voltage which is fed to on electronic circuit. A signal representing the voltage difference between the two detectors is fed to a drive motor which changes the orientation of the device until the voltage difference is null.

Description

L'invention concerne un détecteur de soleil comportant au moins deux détecteurs photovoltalques dont les surfaces sensibles sont inclinées par rapport à la direction du soleil. The invention relates to a sun detector comprising at least two photovoltaic detectors whose sensitive surfaces are inclined relative to the direction of the sun.

Dans de nombreux procédés relatifs à la captation de l1énergie solaire, ou au contraire à la protection thermique contre les effets du soleil, il est nécessaire de connattre avec une précision relative la position du soleil dans le ciel, soit en orientation, soit en altitude, soit les deux. In many processes relating to the collection of solar energy, or on the contrary to thermal protection against the effects of the sun, it is necessary to know with relative precision the position of the sun in the sky, either in orientation, or in altitude, either both.

Les dispositifs actuellement connus sont relativement complexes et ne permettent pas d'être intégras éco nomiqueoeent dans des utilisations courantes au niveau du logement par exemple. The devices currently known are relatively complex and do not allow them to be integrated eco nomiqueoeent in common uses in housing for example.

Un système suiveur de soleil est connu, par exemple, du brevet français nO 2.435.078. Le dispositif se compose d'une platine carrée supportée par une suspension cardan dont les axes perpendiculaires sont entratnés par des servomoteurs. Chaque côté de la platine porte une cellule, inclinéé par rapport à la verticale, dont la surface sens i- ble est tournée vers l'extérieur. Les cellules fixées sur deux côtés opposés déterminent donc des axes d'orientation
Nord-Sud et Zst-Ouest. Au centre du dispositif est disposé un bottier cylindrique comportant un trou central muni d'une optique. Le fond du boltier porte quatre cellules photo vol talques qui reçoivent le rayon lumineux provenant de l'optique d'entrée.Les cellules extérieures servent à faire un pointage approximatif de la source lumineuse. Ce pointage est amélioré par les cellules disposées dans le fond du bottier qui délivrent une tension proportionnelle à leur éclairement. Les tensions des quatre cellules sont comparées par un dispositif électronique qui envoie des signaux de commande aux servomoteurs pour orienter la platine perpendiculairement à la source lumineuse.A sun tracking system is known, for example, from French patent No. 2,435,078. The device consists of a square plate supported by a cardan suspension whose perpendicular axes are driven by servomotors. Each side of the plate carries a cell, inclined with respect to the vertical, the visible sense surface of which faces outwards. The cells fixed on two opposite sides therefore determine axes of orientation
North-South and Zst-West. In the center of the device is arranged a cylindrical case comprising a central hole provided with an optic. The bottom of the boltier carries four photo vol tal tal cells which receive the light ray coming from the entry optics. The external cells are used to make an approximate pointing of the light source. This pointing is improved by the cells arranged in the bottom of the case which deliver a voltage proportional to their illumination. The voltages of the four cells are compared by an electronic device which sends control signals to the servomotors to orient the plate perpendicular to the light source.

Le système décrit permet de déterminer avec une bonne précision la position du soleil, mais comporte un nombre de constituants importants dont la protection con tre les agents atmosphériques est difficile à assurer. En outre, il ne peut être intégré à un élément ou ensemble mobile de faibles dimensions. The system described makes it possible to determine the position of the sun with good precision, but comprises a number of important constituents whose protection against atmospheric agents is difficult to ensure. In addition, it cannot be integrated into a mobile element or assembly of small dimensions.

Un dispositif plus simple est décrit dans le brevet français n 2.403.525, dans lequel quatre cellules dia métralement opposées sont fixées au bord du miroir parabolique d'une chaudière héliothermique. Lorsque le miroir n'est pas dans l'axe du soleil, il porte ombre sur au moins une cellule. Les tensions des cellules sont comparées par des moyens électroniques qui commandent les organes de pointage du miroir. A simpler device is described in French Patent No. 2,403,525, in which four metrically opposite cells dia are fixed to the edge of the parabolic mirror of a solar thermal boiler. When the mirror is not in the axis of the sun, it shades at least one cell. The cell voltages are compared by electronic means which control the pointing devices of the mirror.

L'invention a pour objet la réalisation d'un détecteur compact, simple, de faible encombrement susceptible être porté par l1élément ou le dispositif dont l'orientation est fonction de la direction du soleil ou de l'illku- mination maximum. Il est destiné à contrôler, par exemple, l'orientation de lames mobiles de protection solaire dont l'axe serait,soit dans un plan horizontal, soit dans un plan vertical, de telle sorte que leur ombre portée soit minimum (récupération d'énergie) ou maximum (protection 50- laire).Il est également destiné à donner une orientation optima à des capteurs solaires placés en terrasses ou sur le sol, à toute période du jour et de l'année, afin dwobte- nir un rendent maximum et d'éviter ainsi les pertes non négligeables relatives aux capteurs fixes plein Sud dont le rendement le matin et le soir baisse considérablement du fait de leur fixité. The subject of the invention is the production of a compact, simple detector with a small footprint capable of being carried by the element or the device, the orientation of which is a function of the direction of the sun or of maximum illumination. It is intended to control, for example, the orientation of movable solar protection slats whose axis would be either in a horizontal plane or in a vertical plane, so that their drop shadow is minimum (energy recovery ) or maximum (50-layer protection) .It is also intended to give optimum orientation to solar collectors placed on terraces or on the ground, at any time of the day and of the year, in order to obtain a maximum and thus avoiding the non-negligible losses relating to fixed sensors facing due south, the performance of which in the morning and in the evening drops considerably due to their fixed nature.

Les explications et figures données ci-après, à titre d'exemple, permettront de comprendre cotent l'inven- tion peut être réaliste. The explanations and figures given below, by way of example, will make it possible to understand how the invention may be realistic.

La figure 1 représente une vue perspective d'une première forme de réalisation du détecteur selon l'invention. FIG. 1 represents a perspective view of a first embodiment of the detector according to the invention.

La figure 2 est une coupe selon II-II de la figure 1. Figure 2 is a section on II-II of Figure 1.

La figure 3 est une vue en perspective d'une deu xiéme forme de réalisation du détecteur. Figure 3 is a perspective view of a second embodiment of the detector.

La figure 4 est une vue en perspective d'une troisième forme de réalisation du détecteur. Figure 4 is a perspective view of a third embodiment of the detector.

Le détecteur de soleil, selon la réalisation représentée figure 1, se présente extérieurement sous l'aspect d'un volume fermé, creux ou constitué d'un matériau transparent, présentant deux faces 1 et 2 formant un dièdre. Sur les surfaces intérieures des faces 1 et 2 sont fixés des détecteurs photovoltarques 3 et 4 dont les surfaces sensibles sont dirigées l'une vers l'autre. The sun detector, according to the embodiment shown in Figure 1, is presented externally as a closed volume, hollow or made of a transparent material, having two faces 1 and 2 forming a dihedral. On the interior surfaces of the faces 1 and 2 are fixed photovoltaic detectors 3 and 4, the sensitive surfaces of which are directed towards one another.

La surface sensible des détecteurs est constituée d'un élément rectangulaire de dimensions correspondantes ou de plusieurs éléments disposés côte à côte, reliés électriquement les uns aux autres, couvrant au moins partiellement les surfaces intérieures des faces 1 et 2. The sensitive surface of the detectors consists of a rectangular element of corresponding dimensions or of several elements arranged side by side, electrically connected to each other, covering at least partially the interior surfaces of the faces 1 and 2.

Le dièdre est fermé par une troisième face opaque 5 perpendiculaire au plan bissecteur présentant symétriquement de part et d'autre du plan une zone 6 transparente au rayonnement solaire. The dihedral is closed by a third opaque face 5 perpendicular to the bisector plane having symmetrically on either side of the plane an area 6 transparent to solar radiation.

Les côtés 7 et 8, fermant les côtés triangulaires du détecteur, sont au moins en partie opaques. The sides 7 and 8, closing the triangular sides of the detector, are at least partially opaque.

Le détecteur est utilisé en disposant l'ar & e du dièdre selon la direction horizontale Est Ouest (E-O) ou verticale, la face 5 étant orientée au sud, ces directions correspondant à la direction de l'axe de rotation des éléments mobiles devant être commandés. The detector is used by arranging the edge of the dihedral in the horizontal direction East West (EO) or vertical, the face 5 being oriented to the south, these directions corresponding to the direction of the axis of rotation of the movable elements having to be orders.

Lorsque le détecteur est aligné selon la direction Est Ouest et plus particulièrement lorsque le soleil est bas sur l'horizon en été, les surfaces mobiles ne pourront être atteintes par le rayonnement qu'à partir du moment où le soleil est à l'Est et jusqu'a l'Ouest. Afin d'éviter cet inconvénient, la zone transparente formée sur la face avant 5 du détecteur est prolongée sur les côtés triangulaires 7 et 8. When the detector is aligned in the East West direction and more particularly when the sun is low on the horizon in summer, the moving surfaces can only be reached by radiation from the moment when the sun is in the East and to the West. In order to avoid this drawback, the transparent zone formed on the front face 5 of the detector is extended on the triangular sides 7 and 8.

Selon une variante de réalisation, les côtés 7 et 8 sont inclinés symétriquement par rapport à l'axe de symétrie du dièdre et en sens contraire par rapport au dièdre, c'est-à-dire vers l'intérieur, les faces dirigés vers l'intérieur étant rendues réfléchissantes. Ainsi, dès que le rayonnement solaire n'est plus tangent à la face 5, il pénètre dans le détecteur par la fente 6 et est réfléchi par les surfaces réfléchissantes intérieures des faces triangulaires 7 et 8 vers la ou les surfaces sensibles. According to an alternative embodiment, the sides 7 and 8 are inclined symmetrically with respect to the axis of symmetry of the dihedral and in the opposite direction with respect to the dihedron, that is to say inwards, the faces directed towards the interior made reflective. Thus, as soon as the solar radiation is no longer tangent to the face 5, it enters the detector through the slot 6 and is reflected by the interior reflecting surfaces of the triangular faces 7 and 8 towards the sensitive surface or surfaces.

Cette variante avec faces réfléchissantes peut être utilisée seule, c'est-à-dire avec une zone transparente s'étendant seulement sur la face avant 5 du dièdre ou en combinaison avec une zone transparente prolongée sur les deux côtés 7 et 8.This variant with reflective faces can be used alone, that is to say with a transparent zone extending only on the front face 5 of the dihedron or in combination with an extended transparent zone on the two sides 7 and 8.

Si les détecteurs photovoltatques 3, 4 sont adjacents, c'est-à-dire si leurs bords forment l'arête du dièdre, le réglage du détecteur sera obtenu à partir des différences d'éclairement de chaque détecteur. Une solution plus simple est obtenue en prévoyant une zone neutre 9, ne comportant pas de surfaces sensibles au rayonnement, disposée près de l'arête du dièdre perpendiculairement à son axe de symétrie. Cette zone correspond, par exemple, b la fente 6 et sépare les détecteurs 3 et 4. Selon le rapport de la largeur de la fente à celle de la zone neutre, le fonctionnement pourra être continu,si la largeur de la fente 6 est supérieure 'ou égale à la largeur de la zone neutre, ou discontinu, si la largeur de la fente 6 est inférieure à la largeur de la zone neutre. If the photovoltaic detectors 3, 4 are adjacent, that is to say if their edges form the edge of the dihedral, the adjustment of the detector will be obtained from the differences in illumination of each detector. A simpler solution is obtained by providing a neutral zone 9, not comprising radiation-sensitive surfaces, arranged near the edge of the dihedron perpendicular to its axis of symmetry. This zone corresponds, for example, to b the slot 6 and separates the detectors 3 and 4. According to the ratio of the width of the slot to that of the neutral zone, the operation may be continuous, if the width of the slot 6 is greater 'or equal to the width of the neutral zone, or discontinuous, if the width of the slot 6 is less than the width of the neutral zone.

Cette zone neutre peut être obtenue soit en limitant les dimensions des détecteurs, soit en recouvrant la surface sensible par un cache plus ou moins important ce qui permet le fonctionnement continu ou discontinu. This neutral zone can be obtained either by limiting the dimensions of the detectors, or by covering the sensitive surface with a more or less large cover which allows continuous or discontinuous operation.

Le mode de fonctionnement d'un détecteur de soleil comportant une zone neutre ou insensible est le suivant. Le rayonnement solaire tombant sur, par exemple, le détecteur 3 donne naissance à une tension qui est envoyée à l'entrée d'un circuit électronique. Un tel circuit en soi connu comporte schématiquement un amplificateur et un relais comandant la rotation d'un moteur d'entratnement du dispositif solaire. Lorsque le détecteur ne comporte pas de zone neutre la tension du détecteur 3 est comparée à la tension du détecteur 4---- supposée différente puisque plus ou moins éclairé.La différence des deux tensions et le sens de cette différence soeit envoyés à un relais qui commande le moteur d'entratnement. Le dispositif solaire, duquel est solidaire le détecteur, est déplacé
Jusqu'à ce que; la tension ou la différence entre les tensions des détecteurs 3 et 4 soit nulle. Le moteur d'entraînement s'arrête alors jusqu'au moment où le soleil a changé de position, le rayonnement atteignant par exemple le détecteur 4. Le même cycle se reproduit alors. Dans les cas d'ascension ou de déclin du soleil, un seul détecteur sera soumis au rayonnement, la temporisation de la remise en marche du moteur ne dépendra plus alors que de l'inertie du dispositif solaire et de son moteur d'entrainement. The operating mode of a sun detector comprising a neutral or insensitive zone is as follows. The solar radiation falling on, for example, the detector 3 gives rise to a voltage which is sent to the input of an electronic circuit. Such a circuit known per se schematically comprises an amplifier and a relay controlling the rotation of a drive motor of the solar device. When the detector does not have a neutral zone, the voltage of detector 3 is compared to the voltage of detector 4 ---- assumed to be different since it is more or less lit. The difference between the two voltages and the direction of this difference are sent to a relay which controls the drive motor. The solar device, to which the detector is attached, is moved
Until; the voltage or the difference between the voltages of detectors 3 and 4 is zero. The drive motor then stops until the sun has changed position, the radiation reaching, for example, detector 4. The same cycle then reproduces. In the case of rising or falling of the sun, only one detector will be subjected to radiation, the delay of the restarting of the engine will not depend any more then only on the inertia of the solar device and of its drive motor.

Cette inertie peut d'ailleurs être déterminée par un circuit de temporisation du moteur ou par la définition d'un seuil de tension pour la mise en marche du moteur.This inertia can moreover be determined by a motor delay circuit or by the definition of a voltage threshold for starting the motor.

Afin de permettre une mise en oeuvre aisée du détecteur, il est prévu, selon son axe de symétrie, des moyens de fixation et de connexion électrique constitués, par exemple, par une prise 10, aux broches Il de laquelle sont connectés les détecteurs,qui coopère avec un socle 12 fixé de manière orientable sur le dispositif solaire 13 à orienter. In order to allow easy implementation of the detector, there are provided, along its axis of symmetry, means of fixing and electrical connection constituted, for example, by a socket 10, to the pins II to which the detectors are connected, which cooperates with a base 12 fixed in an orientable manner on the solar device 13 to be oriented.

-La forme prismatique des exemples de réalisation ci-dessus décrits est adaptée à une utilisation avec des dispositifs solaires mobiles selon une seule direction O-E verticale, tels que des laies de protection solaire. Dans le cas de l'utilisation de capteurs solaires de récupération d'énergie placés en terrasse ou sur le sol, il est souhaitable de leur donner une orientation optimale à toute période du jour et de l'année. -The prismatic form of the embodiments described above is suitable for use with mobile solar devices in a single vertical direction O-E, such as sun protection sheets. When using solar energy recovery collectors placed on the terrace or on the ground, it is desirable to give them an optimal orientation at any time of the day and year.

L'orientation de ces capteurs peut être' obtenue par l'utilisation de deux détecteurs prismatiques, le sommet de chacun des dièdres étant dirigé verticalement et
E-O, c'est-à-dire perpendiculairement l'un à l'autre. Selon une forme de réalisation ayant pour but une simplifi cation de cette combinaison, le détecteur (fig.3) est constitué de quatre faces 14, 1S, 16, 17, les faces opposées 14, 16 et 15, 17 formées par l'intersection de deux dièdres dont les arêtes sont perpendiculaires entre elles dans un même plan déterminant un détecteur en forme de pyramide dont la base carrée 18, perpendiculaire à l'axe de symétrie, présente une zone 19 transparente au rayonnement solaire, centrée sur l'axe de symétrie. Selon une forme préférée de la zone transparente, celle-ci est circulaire.The orientation of these sensors can be obtained by the use of two prismatic detectors, the apex of each of the dihedrons being directed vertically and
EO, that is to say perpendicular to each other. According to an embodiment intended to simplify this combination, the detector (fig. 3) consists of four faces 14, 1S, 16, 17, the opposite faces 14, 16 and 15, 17 formed by the intersection of two dihedrons whose edges are perpendicular to each other in the same plane determining a pyramid-shaped detector whose square base 18, perpendicular to the axis of symmetry, has an area 19 transparent to solar radiation, centered on the axis of symmetry. According to a preferred form of the transparent zone, this is circular.

Trois au moins des surfaces intérieures des faces de la pyramide portent des détecteurs photovoltaIques. At least three of the interior surfaces of the faces of the pyramid carry photovoltaic detectors.

Le mode de fonctionnement du détecteur pyramidal est semblable à celui du détecteur prismatique. Le traitement des tensions utilise des moyens semblables à ceux précédemment décrits et permet la commande de deux moteurs d'entrarnerran, chaque moteur agissant sur le capteur 50laire selon une direction donnée E-O et N-S, ou les composantes du mouvement du capteur lui-même. The operating mode of the pyramidal detector is similar to that of the prismatic detector. The processing of the voltages uses means similar to those previously described and allows the control of two interconnecting motors, each motor acting on the sensor 50laire in a given direction E-O and N-S, or the components of the movement of the sensor itself.

Une zone neutre ou insensible 20 est éventuellement prévue au sommet de la pyramide et sur l'arête séparant chaque dièdre. A neutral or insensitive zone 20 is possibly provided at the top of the pyramid and on the edge separating each dihedral.

Une prise 21, fixée selon l'axe de symétrie de la pyramide et à son sommet, porte les broches de connexion aux détecteurs photovoltatques et permet la fixation du détecteur sur le capteur mobile par l'intermédiaire d'un socle orientable. A socket 21, fixed along the axis of symmetry of the pyramid and at its top, carries the connection pins to the photovoltaic detectors and allows the fixing of the detector to the mobile sensor by means of an orientable base.

Le détecteur est positionné de manière que ses faces soient parallèles deux à deux aux directions N-S et
E-O.The detector is positioned so that its faces are parallel two by two to the directions NS and
EO.

Selon une forme de realisation simplifiée du détecteur de soleil ne nécessitant qu'un nombre réduit de détecteurs photovoltaiques et un appareillage électronique simplifié, on répartit les détecteurs photovoltaques selon les trois faces 22, 23, 24 d'un trièdre (fig.4) formant une pyramide à base triangulaire isocèle 28. Ce détecteur présente une zone 25 transparente au rayonnement solaire centrée sur l'axe de symétrie et une prise 26 fixée au sommet de la pyramide et selon l'axe de symétrie. According to a simplified embodiment of the sun detector requiring only a reduced number of photovoltaic detectors and a simplified electronic apparatus, the photovoltaic detectors are distributed along the three faces 22, 23, 24 of a trihedron (fig. 4) forming an isosceles triangular-based pyramid 28. This detector has an area 25 transparent to solar radiation centered on the axis of symmetry and a socket 26 fixed at the top of the pyramid and along the axis of symmetry.

Une zone neutre ou insensible 27 est prévue au sommet. Le détecteur de soleil est fixé de manière qu'un de ses côtés 24 soit dans la direction E-O.A neutral or insensitive zone 27 is provided at the top. The sun sensor is fixed so that one of its sides 24 is in the direction E-O.

Le détecteur-de soleil selon l'invention présente l'avantage non seulement de permettre l'orientation vers le soleil, mais aussi, dans certains cas, le recalage sur la zone de ciel la plus lumineuse. The sun detector according to the invention has the advantage not only of allowing orientation towards the sun, but also, in certain cases, registration on the brightest sky area.

GCnéralcment, le détecteur de soleil de type pyramidal sera utilisé avec des contacts de fin de course
E-O de manière qu'au lever du jour il soit ramené face au soleil levant.Generally, the pyramid type sun sensor will be used with limit switches
EO so that at daybreak it is brought back facing the rising sun.

Le dispositif solaire commandé par le détecteur pourra être muni de moyens permettant de déterminer un éclairement minimum au-dessous duquel le dispositif sera isolé du rayonnement ambiant et remis en position moyenne ou de départ. The solar device controlled by the detector may be provided with means making it possible to determine a minimum illumination below which the device will be isolated from ambient radiation and returned to the medium or starting position.

Claims

1. Sun detector comprising at least two photovoltaic detectors, the sensitive surfaces of which are inclined relative to the direction of the sun, characterized in that it constitutes a closed volume having at least two faces (1,2; 14,16; 15 , 17> forming a dihedral on the interior surface of which are fixed

photovoltaic detectors (3,4), sen surfaces

sibles being directed towards each other, and a third opaque face (5,18) opposite to the dihedral and comprising a zone (6,19,22) transparent to the solar radiation centered by the relation to the axis of symmetry of the dihedral.

2. Detector according to claim 1, charac terized in that the transparent zone extends symmetrically on either side of the bisector plane of the dihedron.

3. Detector according to claim 2, characterized in that the transparent zone extends at least partially over the triangular sides (7,8) closing the ends of the dihedron.

4. Detector according to one of claims 1 to 3, characterized in that a zone insensitive (9, 20, 24) to solar radiation is provided from the top of the dihedral and symmetrically on each of the faces.

5. Detector according to one of claims 1 to 4 characterized in that the triangular sides (7,8) closing the ends of the dihedral are inclined symmetrically with respect to the axis of symmetry of the dihedral and in opposite direction with respect to at the dihedral, the faces facing inwards being reflective.

6. Detector according to one of claims 1,

2 and 4, characterized in that it consists of four faces (14.16 - i5.17), the opposite faces being formed by two dihedra of edges perpendicular to each other in the same plane, determining a pyramid, the base, perpendicular to the axis of symmetry, has a transparent region (19) to solar radiation centered on the axis of symmetry of the pyramid, at least three of the four fa ces carrying the photovoltaic detectors.

7. Detector according to claim 1, characterized in that the closed volume consists of three faces (22,23,24) forming a trihedron on the inner surface of which are fixed the photovoltaic detectors, the sensitive surfaces being directed one towards the other, the base perpendicular to the axis of symmetry having a zone (25) transparent to solar radiation centered on the axis of symmetry.

8. Detector according to one of claims 1 to 7, characterized in that a zone (9,20,27) insensitive to solar radiation is provided from the top of the volume and symmetrically on each of the faces.

9. Detector according to one of claims 1 to 8, characterized in that the closed volume carries, along its axis of symmetry and b its end opposite to the transparent area, means of fixing and electrical connection (10,21, 26) connected to photovoltaic detectors.