FR2544551A1

FR2544551A1 - Dispositif capteur d'energie solaire resistant bien au vent

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Publication number: FR2544551A1
Application number: FR8306180A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-04-15
Filing date: 1983-04-15
Publication date: 1984-10-19
Also published as: ES531612A0; CA1255557A; IT8420524A0; IN160784B; ES8602303A1; EP0139691A1; OA07704A; AU2812884A; WO1984004152A1; GR81979B; FR2544551B1; IT1176040B

Abstract

DISPOSITIF COMPRENANT UN ENSEMBLE INCLINE DE PANNEAUX SOLAIRES (PHOTOVOLTAIQUES OU EVENTUELLEMENT THERMIQUES) PRESENTANT LA FORME D'UNE SURFACE RECTANGULAIRE ALLONGEE DANS LE SENS HORIZONTAL, COMPRENANT AUSSI UNE CARENE 2 DE FORME COMPARABLE A L'ENSEMBLE DES PANNEAUX 1 ET FIXEE DERRIERE EUX DE FACON A DETERMINER UN DIEDRE EVOQUANT UN TOIT, AVEC UN OU DES EVENTS 8 A LA PARTIE SUPERIEURE, LES EXTREMITES DU DIEDRE ETANT OBTUREES PAR DES PANNEAUX TRIANGULAIRES, ET LE TOUT ETANT FIXE A UNE DISTANCE AU SOL FAIBLE MAIS SUFFISANTE POUR PERMETTRE L'ENTREE DE L'AIR FRAIS A L'INTERIEUR DU DIEDRE, EVITANT AINSI UNE PRISE AU VENT TROP GRANDE TOUT EN PERMETTANT UNE CIRCULATION D'AIR AU DOS DES PANNEAUX. APPLICATION AUX CAPTEURS ORIENTABLES.

Description

L'invention se rapporte à l'énergie solaire et plus particulièrement aux dispositifs comprenant un ensemble incliné de panneaux solaires plans (photovoltaiques ou éventuellement thermiquest.

De tels panneaux offrent une grande prise au vent, ce qui limite, en fait, leur utilisation à des installations lourdes solidement ancrées au sol. On a bien tenté de monter des panneaux plans sur un support orienteur azimutal mais ces installations sont de faibles dimensions, onéreuses, et, surtout, supportent.mal les effets du vent.

Pour remédier à ces inconvénients, l'inventeur a mis au point un dispositif résistant bien au vent comprenant un ensemble incliné de panneaux solaires présentant la forme d'une surface rectangulaire allongée dans le sens horizontal, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend aussi une carène de forme comparable-à l'ensemble des panneaux et fixée derrière eux de façon à déterminer un dièdre évoquant un toit, avec un ou plusieurs orifices de ventilation (évents ou fentes) à la partie supérieure, les extrémités du dièdre étant obturées par des panneaux triangulaire, et le tout étant fixé à une distance au-dessus du sol faible mais suffisante pour tolérer l'en trée de l'air frais à l'intérieur du dièdre, et permettre une circulation d'air au dos des panneaux.L'orifice (fente) prévu à la partie supérieure du dièdre, s'étend sur toute la longueur de l'arête et est suffisamment large pour permettre l'évacua- tion facile de l'air.

Le dispositif selon l'invention est orientable autour d'un axe vertical permettant ainsi une poursuite en azimut et à cet effet la base du dièdre est asaujettie directement ou indirectement à un chemin de roulement circulaire,
Le dispositif, tout en permettant la ventilation naturelle de la face arrière des panneaux solaires, par effet thermique ou sous l'action du vent, présente surtout l'important avantage de n'offrir que peu de prise au vent qui aura tendance à plaquer le système sur la plate-forme.

Conformément à la présente invention, la carène~peut affecter toute forme différente d'un rectangle plan, par exemple une forme galbée, à condition que l'aération de la partie arrière des panneaux puisse se faire dans de bonnes conditions.

Le bâti est animé du mouvement de poursuite en azimut du soleil à l'aide d'un moteur à double sens de marche. Durant la journée, le moteur intervient pour faire tourner le bâti, soit de façon continue, sa vitesse étant ajustée en fonction de la vitesse apparente, en azimut, du soleil, soit de façon discontinue en sorte que l'angle dièdre D du plan vertical perpendiculaire aux panneaux avec le plan vertical contenant le soleil soit inférieur à une certaine valeur, Dm, choisie d'avance par l'utilisateur.

Dans le cas où l'on utilise un mouvement de poursuite discontinu, ce qui constitue le cas d'utilisation le plus général, la valeur du Dm dépend de l'utilisation ou non du dispositif de concentration en auge.

- Sans concentration, Dm est choisi en sorte que la perte- de
rendement dûe à l'erreur périodique de visée demeure accep
table. Entre deux mises en marche du moteur on peut admettre
que la vitesse angulaire du soleil est sensiblement constan
te. Le moteur est mis en marche lorsque l'angle dièdre D a
la valeur -Dm et s'arrête lorsqu'il prend la valeur +Dm. On
démontre que la perte de rendement a pour valeur le facteur
8in Dm (Dm en radians)
Dm
ce qui correspond par exemple, pour Dm = 10. à r = 0,995,
pour Dm = 204 à r = 0,980, pour Dm = 309 à r = 955
On voit ainsi qu'une tolérance de 200 sur l'angle D n'entraî-
ne une perte que de 2% par rapport à une poursuite en azimut
parfaite.

- En revanche, si on met en oeuvre la concentration en auge,
c'est un autre phénomène qui limite Dm, particulièrement si
on utilise des panneaux photovoltarques. En effet, il est
nécessaire, pour le bon fonctionnement des panneaux photovol
taques, que toute leur surface active soit uniformément
éclairée; il convient donc que la lumière réfléchie par les
miroirs couvre bien cette surface dans tous les cas, en par
ticulier pour la valeur Dm de l'écart angulaire, ce qui con
duit à élargir d'autant plus les miroirs que Dm est grand.

Dans la pratique, Dm ne doit guère dépasser un ou deux degrés.

Si, pour des vents ne présentant pas de tourbillons à axe vertical, le dispositif décrit est très stable, en revanche dans ce dernier cas, seul le dispositif de mise en rotation peut s'opposer au couple à axe vertical provoqué par le vent, ce qui risque de le détériorer.

Aussi la présente invention comprend-elle un dispositif complémentaire de blocage en rotation du bâti lorsque celuici est immobile, ce dispositif étant mis-hors service lorsque le mouvement de rotation est commandé. Un système de sécurité met automatiquement en oeuvre le dispositif de blocage si le couple de rotation dépasse la valeur admissible pour le dispositif d'entratnement de la rotation. Le déblocage peut se faire manuellement lorsque le vent est tombé, ou automatiquement au bout d'un certain temps, quitte à être immédiatement remis en oeuvre si le couple excessif réapparatt.

La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les différents éléments constituant la présente invention.

Fig. 1 représente schématiquement une perspective du dispositif de base conforme à la présente invention,
Fig. 2 représente schématiquement en plan un dispositif de rotation et d'entrainement conforme à la présente invention,
Fig. 3 représente une coupe schématique, dénommée B sur la Fig. 2, des dispositifs de roulement et de blocage qui per- mettent la rotation, tout en assurant la résistance au vent du dispositif mobile,
Fig. 4 représente une coupe schématique du châssis mobile,
Fig. 5 représente une perspective schématique de principe du dispositif de concentration par miroirs en auge,
Fig. 6 représente une perspective axonométrique du châssis mobile muni de panneaux et du dispositif de miroirs de concentration,
Fig. 7 représente un schéma sous forme de blocs qui montre les différents éléments de commande et de -controle du dispositif conforme à la présente invention.

Sur la Fig. 1, 1 représente les panneaux solaires asso ciés dans un même plan et fixés sur un chassies non représelltev 2 représente la carène symétrique du plan des panneaux, 3 représente une embase rectangulaire composée de deux longerons 4 et 5 et de deux traverses 6 et 7, les autres traverses ne sont pas figurées, 8 représente l'évent par lequel l'air situe sous le châssis et la carène peut s'échapper, A, A' représente l'axe de rotation du système mobile, 9 représente une bande de roulement, 12 représente le socle sur lequel repose le système
La Fig. 1 représente à titre d'exemple, une association de trente panneaux solaires sous forme de deux rangée de quinze éléments, la carène 7 a une forme rectangulaire idéntique à celle de l'ensemble des panneaux et est symétrique de cet ensemble par rapport à l'axe A, A'. Pour des raisons d'aérodynanisme ou même d'esthétique on peut, sans sortir de la présente invention, donner à cette carène une forme différente, par exemple plus large, ce qui augmente la distance du longeron 4 à l'axe A, A', ou bien galbée, ceci à condition que l'évent 7 demeure sous la forme représentée sur la Fig. 1 et que la partie basse 10 de la carène se trouve à la même distance du plan supérieur du socle 12 que la partie basse fl de l'ensemble des panneaux, cette distance étant du même ordre que la largeur de l'évent 8.

L'élément de liaison entre l'embase rectangulaire 3 et la bande de roulement 9 n'est pas représenté sur la Fig. 1 mais sur la Fig. 2
Sur la Fig. 2 est représentée l'embase rectangulaire 3 avec ses deux longerons 4 et 5 et ses deux entretoises 6 et 7 et en pointillé la superstructure composée de l'ensemble des panneaux solaires et de la carène. L'embase rectangulaire repose sur une structure cruciforme 13 qui l'éloigne du socle 12.

Cette structure 13 comporte en son milieu une pièce cylindrique 14 traversée en son centre par un axe 15 fixé sur le socle 12 en sorte qu'elle puisse tourner librement autour de cet axe et assurer ainsi le centrage de la partie mobile sans en supporter le poids. De cette pièce cylindrique partent quatre bras 16, 17, 18, 19 qui supportent les longerons 4 et 5 et sont terminés par des éléments de roulement et de blocage 20, 21, 22, 23 dont le structure est représentée (coupe B)sur la Fig. 3.

Une entretoise 24 porte un moteur 25 qui entraine une roulette 26 fixée sur un arbre 27, lequel est relié au rotor du moteur pai une botte de réduction de vitesse non figurée. La roulette 26 repose sur la bande de roulement 9 et assure1 par friction ou par l'intermediaire d'une crémaillère, la rotation de la partie mobile.

Un capteur d'angle, non figuré, relié d'une part à la pièce cylindrique 14 et d'autre part à l'axe 15, traduit sous la forme d'un signal électrique, analogique ou numérique, 1' angle que fait la partie mobile avec une direction azimutale choisie pour origine (pour l'hémisphère Nord, ce sera de préférence la direction Nord, pour l'hémisphère Sud, la direction
Sud), ce type de capteur est bien connu de l'homme de l'art et il en existe une grande variété.

Un capteur de couple, non figuré-, peut être avantageu- sement interposé entre le moteur 25 et l'entretoise 24, en sorte que, si une force horizontale perpendiculaire à l'axe 27 trop grande est appliquée à la roulette 26, le capteur de couple déclenche un signal électrique qui assure le blocage de la partie mobile.

La Fig. 3 représente une coupe- schématique, selon B9 des éléments de roulement et de blocage 20, 21, 22, 23. Le bras i8 porte en son extrémité une pièce mécanique 27 consolidée par une entretoise 28. Cette pièce 27 comprend dans un premier logement deux roulettes libres 29 et 30, mobiles autour des axes 31 et 32, ces roulettes enserrent une couronne métallique 33 suffisamment épaisse pour supporter les efforts que lui appliquent les roulettes 29 et 30. La couronne 33 est fixée à un support circulaire 34, lequel est fixé sur le socle 12, le support circulaire 34 et le socle 12 étant avantageusement réalises en béton armé. La couronne 33 constitue, avec le support circulaire 34 auquel elle est solidement fixée, la bande de roulement 9.Un dispositif électro-mécanique 35 met en oeuvre un patin de frein 36, soit pour supprimer le contact entre le patin de frein 36 et la couronne 33, soit pour appliquer le patin 36 sur la couronne 33 avec une force suffisante pour empêcher tout mouvement de rotation de l'ensemble mobile autour de l'axe 15, réalisant ainsi le dispositif de blocage. Les roulettes 29 et 30 roulent librement sur la couronne 33, les quatre roulettes supérieures 29 supportent le poids de la partie mobile, les quatre roulettes inférieures 30 interviennent pour le cas où, par effet du vent, un ou deux des éléments de roulement 20, 21, 22 et 23 auraient tendance à se soulever, de plus elles exercent la contreforce nécessaire à la pression du patin 36.

Bien d'autres dispositifs équivalents à celui de la Fig.

3 peuvent être mis en oeuvre par l'homme de l'art, sans sortir du domaine de la présente invention.

Sur la Fig. 4 on a représenté une coupe schématique de la superstructure de la partie mobile, on y reconnaît les longerons 4 et 5 appartenant à l'embase rectangulaire 3 (Fig. 1 et 2). Le châssis est constitué sensiblement comme une charpente de toiture, comportant des arbalétriers 45 et 45' soutenus par des jambes de force 46 et 46' et réunis au sommet par un entrait 37 dégageant l'évent 44. Des pannes 38, 39, 40, 41, 42, 43 soutiennent les panneaux solaires i et la carène 2. Les flèches F1, F2 sur la partie gauche de la figure correspondent à la direction de la lumière incidente, les flèches verticales
F3, F4 au sommet du châssis indiquent le sens de la circulation de l'air.

La Fig. 5 est une vue en perspective d'un fragment de l'ensemble des panneaux solaires munis de miroirs de concentration. On a représenté deux panneaux 47, 48, les miroirs rectangulaires 49 50 concernent le panneau 48. Les côtés inférieurs 53, 54 de ces miroirs s'appuient sur le panneau 48, à la limite de la partie active du panneau. En effet, les panneaux solaires photovoltaiques ou thermiques ont toujours, pour des raisons de construction, des marges 55 ne contribuant pas à leur fonction, ces marges occupent environ 15% de leur largeur, il est donc inutile de les éclairer, et la structure conforme à la présente invention permet un gain de surface appréciable pour l'ensemble des panneaux.

Les miroirs 49 et 50 réfléchissent la lumière du soleil en sorte que le faisceau réfléchi couvre la totalité de la surface active du panneau 48, lorsque l'angle D, défini plus haut, est inférieur à une valeur choisie par le constructeur. Sur la
Fig. 5 on a supposé que D était nul, en sorte qu'un rayon 51, frappant le miroir 50 sur son coté supérieur, ait un réfléchi 52 qui frappe la partie utile du panneau 48 à sa limite 53. il est évident que si l'on veut introduire une certaine tolérance sur D (Dm # O), il convient d'élargir les miroirs, ce qui a pour effet d'augmenter la surface occupée par l'ensemble des panneaux et des miroirs. Un bon compromis correspond à une valeur de Dm de un ou deux degrés.

Les miroirs 49 et 50 peuvent être réalisés avec des ma tériaux très divers, cependant, pour l'usage photovoltaSque qui est l'application principale de la présente invention, Ils seront de préférence constitués par des feuilles de plastique aluminisées qui garantissent une réflectivité d'au moins 80% et qui, en cas de détérioration, peuvent être remplacées facilement, pour cela chaque alignement de miroirs reposera sur un support, non représenté sur la Fig. 5, construit selon les règles de l'art, en sorte qu'il soit facile de fixer les miroirs et de les remplacer.

On peut montrer que, compte tenu d'une réflectivité de 80% des miroirs et de la réflectivité des panneaux pour une incidence oblique du rayon réfléchi, le gain en surface obtenue, en tenant compte des marges 55, compense sensiblement les pertes par réflectivité dues à l'utilisation des miroirs, en sorte que, pour une même aire de panneaux jointifs ou de panneaux avec miroirs disposés selon la Fig. 5, la puissance ex ploitable soit la même en lumière directe, leéconomie suer les panneaux avoisinant 30%.

La Fig. 6 montre l'aspect général du châssis supérieur muni de panneaux 48 et de miroirs 49. La carène qui se trouve en arrière du chassais n'est pas représentée, en revanche, on voit à l'extrémite droite du châssis le panneau d'obturation 56 qui empêche la pénétration du vent à l'extrémité du dièdre formé par l'ensemble des panneaux et la carène.

Sur la Fig. 7, 57 représente la capteur d'angle, 58 le détecteur de couple, 59 un organe de commande du moteur 61, 60 un organe de traitement des informations anguaires, 62 un organe declenchant en cas de couple excessif le blocage de la rotation à l'aide du dispositif de blocage 63, 64 un senseur de direction du soleil.

On peut envisager deux types de poursuite du soleil e azimut, soit exploiter les données astronQmiques qui permettent de calculer à chaque instant l'azimut du soleil, soit mettre en oeuvre un procédé direct de visée du soleil en azimut par un senseur conçu à cet effet.

La solution consistant à calculer à chaque instant l'azimut du soleil nécessite une horloge et un calculateur dans lequel on introduit les données géographiques du lieu et les constantes astronomiques. Dans ce cas le senseur 64 n'est pas utilisé, l'organe 60 comporte l'horloge et le calculateur d'azimut, cet azimut est comparé par l'organe de comparaison 59 à l'azimut réel donné par le capteur d'angle 57 et, selon le signe de la différence entre ces deux valeurs, le moteur 61 est mis en marche dans un sens ou dans l'autre jusqu'à ce que les deux valeurs fournies par 57 et 60 soient égales entre elles, avec une tolérance déterfainée à l'avance. Un tel dispositif est bien connu et l'homme de l'art peut y apporter un certain nombre de perfectionnements ou de variantes.

Une autre solution consiste à disposer d'un senseur 64.

Bien connu de l'homme de l'art, ce senseur, de préférence du type "à ombre portée" est, dans le domaine de la présente invention, limité à la seule poursuite en azimut. Le senseur 64 envoie alors deux signaux analogiques à l'organe 60, signaux dont la différence dépend de l'écart en azimut entre le soleil et le senseur, et dont la somme permet de savoir si le soleil brille ou non. Si le soleil brille, l'organe 60 se contente de transmettre à l'organe 59, après mise en forme, le sens de la rotation que l'organe 59 doit transmettre au moteur 61, tant que la différence entre les signaux analogiques est inférieure à une certaine valeur dépendant de la tolérance désirée pour l'erreur sur l'angle de visée.L'organe de traitement des informations angulaires 60, dans le cas de l'utilisation d'un senseur de direction du soleil, comporte toujours une horloge et possède en mémoire un certain nombre, deux par exemple, de valeurs d'azimut qui sont des positions d'attente pour les pannex et par conséquent le senseur 64, ces positions étant telles, en l'absence de soleil direct, que si le soleil brille à nouveau, le senseur 64 puisse fournir un signal correct pour commander l'orientation des panneaux.Lorsque le soleil est voilé ou lorsqu'il fait nuit, la somme des signaux analo giques fournis par le senseur 64 devient inférieur à un certain seuil, l'organe de traitement 60 envoie alors à organe de comparaison 59 un signal indiquant la valeur de l'azimut prévu pour l'heure à laquelle s'effectue l'opération et, comme dans le cas précédent, l'organe de comparaison actionne le moteur 61, en sorte que le capteur d'angle 57 affiche la même valeur de l'azimut introduit. Pendant la nuit l'azimut de visée des panneaux correspond à la position d'attente prévue pour le lever du soleil suivant.

Les dispositifs que l'on vient de décrire sont connus de l'homme de l'art. Conformément à la présente invention, à ces dispositifs est ajouté un dispositif de blocage en cas de vent tourbillonnant ou irrégulier, produisant sur la partie mobile un couple à axe vertical. Lorsque ce couple dépasse une certaine valeur déterminée par des conditions de sécurité, le détecteur de couple 58 envoie un signal à l'organe de déclenchement de blocage 62. Cet organe, d'une part actionne le dispositif de blocage 63, d'autre part inhibe l'organe 59 qui arrête le moteur 61 ou empêche sa mise en marcheR La partie mobile reste ainsi bloquée jusqu'à ce qu'une intervention nouvelle réactive l'organe 62.Dans une variante, l'organe 62 comporte une horloge qui assure automatiquement cette réactivation au bout d'un certain délai, quitte à ce qu'au bout d'un temps éventuellement très bref, le processus de blocage intervienne à nouveau.

Bien que la présente invention puisse apporter des avantages intéressants dans l'utilisation de panneaux solaires thermiques plans, l'invention concerne essentiellement les panneaux solaires plans photovoltaSques, quelle que soit la technologie utilisée dans ces derniers.

Le dispositif selon l'invention permet l'utilisation d'un dièdre résistant bien au vent et formé à partir dsune charpente légère. Le dispositif peut atteindre ainsi une gran- de longueur dépassant de beaucoup la structure cruciforme porteuse comme le montre la Fig. 2. Ainsi il est possible d'obtenir de plus grandes surfaces de captage d'énergie qu'avec les dispositifs en usage actuellement.

Claims

R E V E N D I C A T I C) N S

1. Dispositif comprenant un ensemble incliné de panneaux solaires (photovoltaSques ou éventuellement thermiques) présentant la forme d'une surface rectangulaire allongée dans le sens horizontal, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend aussi une carène (2) de forme comparable à l'ensemble des panneaux 1 et fixée derrière eux de façon à déterminer un dièdre évoquant un toit, avec un ou des évents (8) à la partie supérieure les extrémités du dièdre étant obturées par des panneaux triangulaires, et le tout étant fixé à une distance au sol faible mais suffisante pour permettre l'entrée de l'air frais à l'intérieur du dièdre, évitant ainsi une prise au vent trop grande tout en permettant une circulation d'air au dos des panneaux.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évent (8) prévu à la partie supérieure du dièdre, s'étend sur toute la longueur de l'arête et est suffisamment large pour permettre l'évacuation facile de l'air.

3. Dispositif selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dièdre est fixé sur une embase rectangulaire (4, 5, 6, 7) elle même fixée sur une structure cruciforme (13) comportant d'une part en son milieu une pièce cylindrique (14) traversée en son centre par un axe (15) fixé sur le socle (12) en sorte que la dite structure (13) peut tourner librement autour de cet axe (12), et comportant d'autre part à l'extrémité de chacun de ses bras (16, 17, 18, 19) des éléments de roulement et de blocage (20, 21, 22, 23) en relation avec un support circulaire (34).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure cruciforme (139 comporte une entretoise (34) porteuse d'un moteur (25) qui entraîne une roulette (26) reposant sur la bande de roulement (9) et assurant par friction (ou par cremaillère) la rotation de la partie mobile.

5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque élément de roulement (20, 21, 22, 23) comporte une pièce mécanique (27) formant un premier logement pour deux roulettes (29, 30) mobiles autour des axes (31, 32), et un deuxième logement pour un dispositif électromécanique (35) de commande d'un patin de frein (36), coopérant avec une couronne metallique (33) fixée sur le support circulaire (34) qu'elle dépasse vers l'intérieur, de telle manière que les roulettes libres (29, 30) enserrent la partie dépassante de la couronne (33) et que le patin (36) puisse frotter sur la partie non dépassante.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1, 3 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen capteur de couple intervenant lorsque le couple, éventuellement exercé par le vent dépasse une certaine valeur déterminée par des raisons de sécurité.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que de la lumière est concentrée sur chaque panneau solaire (48) à l'aide de miroirs plan latéraux (49, 50) recouvrant les marges (55) non actives des panneaux

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les panneaux solaires (47, 48) présentent entre eux un espace recouvert par un dièdre déterminé par des miroirs (49).