-1- La présente invention consiste en un dispositif moteur mû par les-1- The present invention consists of a motor device driven by the
rayonnements solaires direct et diffus, à haute efficience et auto-démarrant. direct and diffuse solar radiation, high efficiency and self-starting.
La production d'énergie électrique à partir du rayonnement solaire se fait usuellement par le biais de cellules photovoltaïques ou de moteurs thermiques implantés dans des centrales électriques solaires. Il est bien connu que l'effet photovoltaïque prend naissance spontanément dans certains matériaux semi-conducteurs et permet, de ce fait, la conversion du rayonnement solaire directement en énergie électrique. Ainsi, les cellules photovoltaïques qui exploitent cet effet sont des dispositifs particulièrement commodes pour la production d'électricité à partir du rayonnement solaire, leur maintenance et leur entretien étant réduits au simple nettoyage des surfaces exposées au soleil. Mais avec une fabrication coûteuse en énergie, parce qu'elle requiert la production préalable de silicium extrêmement pur, et des rendements de l'ordre de 12% associés à des durées de vie de l'ordre de 15 ans, le ratio de l'énergie produite à l'énergie nécessaire à leur fabrication n'est pas en faveur de l'utilisation à grande échelle des cellules photovoltaïques. A celà s'ajoute le risque de dissémination des éléments chimiques, généralement très nocifs, utilisés pour doper les semi-conducteurs. Ces inconvénients ne concernent pas les centrales solaires, dont les coûts énergétiques de fabrication, les rendements et les durées de vie sont comparables à ceux des centrales électriques conventionnelles. En revanche, le fait que les moyens de la production énergétique classique soient 2919346 -2- mis en service dans les centrales solaires conduit à une demande élevée en puissance primaire. Le rayonnement solaire exploité étant une ressource relativement diluée, cela aboutit à l'emploi de capteurs à concentration démesurés. 5 Comme leur exploitation n'est rentable qu'en ensoleillement direct, donc sur les territoires bien dégagés les plus ensoleillés, :La mise en oeuvre des centrales solaires usuelles est très limitée. Parmi les idées avancées pour apporter une solution au 10 problème de la conversion massive du rayonnement solaire en énergie électrique ou mécanique, celle qui consiste à associer, dans une unité de taille modeste, un capteur solaire plan ou éventuellement à faible concentration, à un moteur Stirling est certainement la plus prometteuse 15 puisqu'elle combine les avantages des solutions précédemment citées, à savoir une captation bon marché, un convertisseur à haut rendement et des coûts énergétiques de fabrication acceptables. Toutefois, les perfectionnements apportés au moteur Stirling ayant surtout visé à l'augmentation de sa 20 puissance massique, l'adaptation inconsidérée d'un moteur Stirling à un capteur solaire plan ne conduirait pas forcément à un dispositif d'une grande efficience, en ce sens que l'énergie produite pendant la durée complète du fonctionnement ne serait pas maximale, le rendement et la 25 durée de vie des moteurs Stirling courants étant encore insuffisants. The production of electrical energy from solar radiation is usually done by means of photovoltaic cells or heat engines installed in solar power plants. It is well known that the photovoltaic effect arises spontaneously in certain semiconductor materials and therefore allows the conversion of solar radiation directly into electrical energy. Thus, the photovoltaic cells which exploit this effect are particularly convenient devices for the production of electricity from solar radiation, their maintenance and upkeep being reduced to the simple cleaning of surfaces exposed to the sun. But with expensive manufacturing in energy, because it requires the prior production of extremely pure silicon, and yields of around 12% associated with lifetimes of around 15 years, the ratio of energy produced to the energy required for their manufacture is not in favor of the large-scale use of photovoltaic cells. Added to this is the risk of the dissemination of chemical elements, generally very harmful, used to dope semiconductors. These drawbacks do not apply to solar power plants, whose manufacturing energy costs, yields and lifetimes are comparable to those of conventional power plants. On the other hand, the fact that the means of conventional energy production are commissioned in solar power plants leads to a high demand for primary power. The exploited solar radiation being a relatively dilute resource, this results in the use of excessive concentration sensors. 5 As their operation is profitable only in direct sunlight, therefore in the most sunny, open areas: The use of conventional solar power plants is very limited. Among the ideas put forward to provide a solution to the problem of the massive conversion of solar radiation into electrical or mechanical energy, that which consists in associating, in a unit of modest size, a flat solar collector or possibly at low concentration, with a motor Stirling is certainly the most promising since it combines the advantages of the solutions mentioned above, namely an inexpensive capture, a high efficiency converter and acceptable manufacturing energy costs. However, the improvements made to the Stirling engine having mainly aimed at increasing its specific power, the reckless adaptation of a Stirling engine to a flat solar collector would not necessarily lead to a device of great efficiency, in this respect. sense that the energy produced during the entire period of operation would not be maximum, the efficiency and the service life of current Stirling engines still being insufficient.
Le dispositif selon l'invention permet de rémédier à cette lacune. Son architecture générale, qui profite de la 30 nécessité d'avoir des surfaces de captation de taille significative, est décisive. - Avec un piston de la taille la plus grande permise, à savoir celle du capteur solaire, les évolutions 2919346 -3- thermodynamiques sont effectuées lentement et ainsi plus proches de l'idéal thermodynamique des évolutions réversibles ; la lenteur du dispositif selon l'invention est, par ailleurs, le facteur essentiel de l'allongement de sa 5 durée de vie. - De façon analogue, l'absorbeur et le refroidisseur ayant la taille du capteur, les surfaces d'échange thermique du gaz de travail ont aussi la taille la plus importante permise par la captation, ce qui favorise la limitation des 10 irréversibilités par transferts thermiques. - Le refroidisseur est tourné vers le sol ; muni d'ailettes, étant à l'ombre de l'absorbeur incliné et parallèle à ce dernier, les conditions sont idéales pour dissiper passivement la chaleur par convection naturelle 15 dans l'air ambiant et par rayonnement avec le sol ; muni d'un serpentin, il produit l'eau chaude sanitaire. - La configuration d'un ensemble capteur solaire avec son absorbeur solidaire du bâti et d'un refroidisseur ayant aussi fonction de piston permet de mettre en oeuvre par 20 l'extérieur un système à bielle et arbre à excentrique pour transformer la poussée motrice en rotation de la prise de force. Le dispositif selon l'invention permet aussi au facteur primordial du rendement d'avoir la valeur optimale : la 25 température de source chaude est à la valeur maximale qu'il est possible d'atteindre sans concentration : environ 500 C sous un flux solaire de 800 W/m2, grâce au capteur équipé d'un absorbeur peint en noir sur sa face de captation et préservé des pertes thermiques par l'interposition d'un 30 vitrage et d'un espace vide ; de plus, la limite de transparence du vitrage dans le domaine infra-rouge est à une longueur d'onde aussi proche que possible de la valeur comprise entre 1 et 2 pm pour laquelle l'effet de serre 2919346 -4- produit par le rayonnement solaire est maximum. Les dispositions précédentes, qui ne suffiraient pas à l'obtention de rendements élevés, sont complétées tout d'abord par des dispositions constructives générales 5 produisant un cycle dont le rendement théorique atteint la valeur maximale, à savoir le rendement de Carnot. - Un piston de transfert, muni d'un logement en son centre, placé entre l'absorbeur et le piston refroidissant et conduit par des cames entraînées par l'arbre de sortie, 10 maintient le fluide de travail confiné alternativement sur l'absorbeur au moment de sa détente puis sur le piston refroidissant au moment de sa compression ; lorsqu'il est chassé vers le piston refroidissant par le mouvement inverse du piston de transfert, le gaz de travail réchauffe le 15 régénérateur, solidaire du piston de transfert ou du piston refroidissant et occupant le logement au centre du piston de transfert, et arrive froid contre le piston refroidissant ; inversement, :Lorsqu'il est chassé vers l'absorbeur, le gaz de travail refroidit le régénérateur et arrive chaud contre 20 l'absorbeur. - Le calage de la came impose + la fin de la détente dans la position du piston qui offre le plus grand volume au gaz de travail ou Point Mort Bas, 25 + la fin de la compression dans la position du piston qui offre le plus petit volume au gaz de travail ou Point Mort Haut, + la condition théorique d'égalité des entropies échangées durant la détente et durant la compression 30 traduite par l'égalité du rapport du volume occupé par le gaz de travail en début de compression à celui au Point Mort Haut et du rapport du volume au Point Mort Bas à celui en début de phase de détente. 2919346 -5- Ces dispositions générales sont doublées d'un certain nombre d'autres destinées à matérialiser les hypothèses sensibles du cycle théorique : -L'emploi d'un gaz à forte conductivité thermique et à 5 capacité calorifique élevée, par exemple d'hélium, est un facteur favorable, d'une part à la diminution des irréversibilités par transferts thermiques, et, d'autre part, à celle de la dissipation d'énergie mécanique par abaissement de la vitesse de rotation. 10 - Les liaisons entre l'absorbeur et le piston de transfert, d'une part, et le piston de transfert et le piston refroidissant,, d'autre part, réalisées par des anneaux de jonction élastiques, permettent aux élongations longitudinales de la cavité motrice de se faire avec une 15 infime dissipation mécanique ; ces liaisons contribuent de façon décisive aux valeurs élevées du rendement. - La faible épaisseur des chambres dans lesquelles le gaz de travail est au contact de l'absorbeur ou du piston refroidissant (rapport du diamètre de capteur à 20 l'excentricité de l'ordre de 25), associée à une face de piston de transfert d'épaisseur significative, à des faces en contact avec le gaz de travail peintes en noir pour stimuler les échanges thermiques par rayonnement mutuel et doubler les surfaces d'échange thermique, et associée à des surfaces 25 d'échange de grandes tailles et à de grandes durées d'évolution, conduisent à des détentes réalisées à une température toujours proche de celle de l'absorbeur et à des compressions réalisées à une température toujours proche de la température du piston refroidissant. 30 - L'emploi de matériaux bons conducteurs de la chaleur pour l'absorbeur et le piston refroidissant limite l'écart dû aux transferts thermiques par conduction. - Le régénérateur est formé de plaques métalliques de 2919346 -6- quelques dizièmes de millimètre d'épaisseur, rendues perméables au passage du gaz de travail par un réseau de trous de quelques dizièmes d'épaisseur ; ces plaques superposées et maintenues espacées par des distances de 5 quelques dizièmes de millimètre dans une coque cylindrique thermiquement isolante permettent les transferts thermiques avec le gaz de travail ainsi que le stockage puis la restitution de la chaleur sous une différence de température proche de la différence entre la température 10 d'absorbeur et celle du piston refroidissant, condition d'une efficacité élevée du régénérateur ; en l'absence de ce régénérateur, le rendement est globalement divisé par un facteur deux. - Le piston refroidissant est emmené du Point Mort Bas 15 au Point Mort Haut par un volant d'inertie et un soufflet métallique le liant à l'absorbeur par son bord extérieur, ces derniers restituant alors respectivement l'énergie cinétique et l'énergie potentielle élastique reçues durant la phase précedente de détente. 20 -La prise de force entraîne une génératrice électrique ou une génératrice d'air comprimé, selon le type d'énergie mécanique qu'il est choisi de faire produire au dispositif selon l'invention ; la régulation, par la température de l'absorbeur et selon la courbe caractéristique du 25 fonctionnement optimal, de l'intensité de la charge imposée par la génératrice réalise la production maximale d'énergie électrique ou mécanique. - Les fuites thermiques internes de l'absorbeur vers le piston refroidissant sont maintenues à un bas niveau par : 30 + l'espace vide entre les deux plateaux du piston de transfert, leur couverture avec un matériau réfléchissant et le contact entre ces deux faces uniquement par deux entretoises d'épaisseur aussi réduite que le permet la 2919346 -7-résistance aux efforts transmis, ce qui permet de supprimer tout transfert thermique par convection, de limiter les transferts thermiques aux transferts par conduction et de réduire fortement les transferts thermiques par rayonnement 5 mutuel. + l'espacement des plaques du régénérateur permettant de limiter les pertes par conduction dans le gaz de travail. - Les pertes thermiques avec l'ambiance sont limitées 10 par l'espace vide entre la cavité motrice et le soufflet métallique formant aussi l'enveloppe externe de la cavité motrice. - Grâce à la structure en nids d'abeille de ses deux faces, le piston de transfert : 15 + est léger ce qui limite les pertes par frottement durant ses déplacements et, par de courtes durées de déplacement, rallonge les durées de détente et de compression et augmente, par conséquent, le rendement, + est rigide ce qui garantit un taux de compression 20 peu sensible aux variations de pression dans la chambre. - Le système d'étanchéité dynamique au passage des tiges de commande du piston de transfert limite les effets néfastes que les cavités parasites des soufflets de conduite du piston de transfert pourraient apporter sur le cycle. 25 - La combinaison d'une rugosité contrôlée des parois des faces en contact avec le gaz de travail et la transmission des efforts par des ressorts permet de calibrer et, par conséquent, de contrôler, les frottements fluides accompagnant le déplacement du piston de transfert. 30 Aux dispositions précédentes contribuant à un rendement élevé s'en ajoutent d'autres simplifiant et allégeant le dispositif selon l'invention. - La vitesse de rotation de l'arbre à excentrique est 2919346 -8- augmentée à l'aide du multiplicateur de vitesse ; le volant d'inertie tournant plus rapidement, un moment cinétique significatif peut être engendré avec une masse acceptable. - La composante latérale de la poussée principale est 5 reprise au niveau du piston refroidissant par la raideur du soufflet liant l'absorbeur et le piston refroidissant ; une biellette articulée, placée entre la tige de commande et la face d'appui fixée sur le plateau du piston de transfert, évite que les tiges de conduite ne participent à la 10 transmission des efforts de basculement du piston refroidissant. - Avec un déplacement du piston de transfert juste après le Point Mort Haut, la valeur de la pression maximale est plus faible sans que le rendement ne soit pénalisé ; des 15 pressions maximales ainsi diminuées contribuent à la diminution des épaisseurs d'absorbeur et de piston refroidissant. - Un absorbeur bombé en matériau composite à fibre de carbone dans une matrice de cuivre et un piston refroidissant 20 bombé à fibre de carbone dans une matrice d'aluminium allègent le dispositif selon l'invention pour une résistance équivalente. vitre en forme de voûte résiste aux efforts par la pression atmosphérique avec une épaisseur sa transparence s'en trouve, par ailleurs, The device according to the invention makes it possible to remedy this shortcoming. Its general architecture, which takes advantage of the need to have capture surfaces of significant size, is decisive. - With a piston of the largest size allowed, namely that of the solar collector, the thermodynamic evolutions are carried out slowly and thus closer to the thermodynamic ideal of the reversible evolutions; the slowness of the device according to the invention is, moreover, the essential factor in extending its life. - Similarly, the absorber and the cooler having the size of the sensor, the heat exchange surfaces of the working gas also have the largest size allowed by the capture, which favors the limitation of irreversibilities by heat transfers. . - The cooler is turned towards the ground; provided with fins, being in the shadow of the inclined absorber and parallel to the latter, the conditions are ideal for passively dissipating heat by natural convection in the ambient air and by radiation with the ground; fitted with a coil, it produces domestic hot water. - The configuration of a solar collector assembly with its absorber integral with the frame and of a cooler also having a piston function makes it possible to implement from the outside a system with a connecting rod and eccentric shaft to transform the driving thrust into rotation. of the power take-off. The device according to the invention also allows the primordial factor of the efficiency to have the optimum value: the hot source temperature is at the maximum value that it is possible to reach without concentration: approximately 500 ° C. under a solar flux of 800 W / m2, thanks to the sensor equipped with an absorber painted black on its collection face and protected from thermal losses by the interposition of a glazing and an empty space; in addition, the transparency limit of the glazing in the infrared range is at a wavelength as close as possible to the value between 1 and 2 pm for which the greenhouse effect produced by the radiation solar is maximum. The preceding arrangements, which would not be sufficient to obtain high yields, are first of all supplemented by general constructive arrangements 5 producing a cycle whose theoretical yield reaches the maximum value, namely the Carnot yield. - A transfer piston, provided with a housing in its center, placed between the absorber and the cooling piston and driven by cams driven by the output shaft, keeps the working fluid confined alternately on the absorber to the the moment of its expansion then on the piston cooling at the moment of its compression; when it is driven towards the cooling piston by the reverse movement of the transfer piston, the working gas heats the regenerator, integral with the transfer piston or the cooling piston and occupying the housing in the center of the transfer piston, and arrives cold against the cooling piston; conversely,: When forced into the absorber, the working gas cools the regenerator and arrives hot against the absorber. - The timing of the cam imposes + the end of the rebound in the position of the piston which offers the greatest volume to the working gas or Bottom Dead Center, 25 + the end of the compression in the position of the piston which offers the smallest volume to the working gas or Top Dead Center, + the theoretical condition of equality of the entropies exchanged during expansion and during compression 30 expressed by the equality of the ratio of the volume occupied by the working gas at the start of compression to that at the Top Dead Center and the ratio of the volume to the Bottom Dead Center to that at the start of the expansion phase. 2919346 -5- These general provisions are coupled with a certain number of others intended to materialize the sensitive assumptions of the theoretical cycle: The use of a gas with high thermal conductivity and high heat capacity, for example of helium, is a favorable factor, on the one hand to the reduction of irreversibilities by heat transfers, and, on the other hand, to that of the dissipation of mechanical energy by lowering the speed of rotation. 10 - The connections between the absorber and the transfer piston, on the one hand, and the transfer piston and the cooling piston, on the other hand, made by elastic junction rings, allow the longitudinal elongations of the cavity motor to be done with a tiny mechanical dissipation; these connections make a decisive contribution to the high efficiency values. - The small thickness of the chambers in which the working gas is in contact with the absorber or the cooling piston (ratio of the sensor diameter to the eccentricity of the order of 25), associated with a transfer piston face of significant thickness, with surfaces in contact with the working gas painted in black to stimulate heat exchanges by mutual radiation and to double the heat exchange surfaces, and associated with exchange surfaces of large sizes and long periods of evolution, lead to expansion carried out at a temperature always close to that of the absorber and to compressions carried out at a temperature always close to the temperature of the cooling piston. 30 - The use of materials that are good conductors of heat for the absorber and the cooling piston limits the deviation due to heat transfers by conduction. - The regenerator is formed of metal plates a few tenths of a millimeter thick, made permeable to the passage of the working gas through a network of holes a few tenths thick; these superimposed plates kept spaced apart by distances of 5 a few tenths of a millimeter in a thermally insulating cylindrical shell allow heat transfers with the working gas as well as the storage and then the release of heat under a temperature difference close to the difference between the temperature of the absorber and that of the cooling piston, a condition for high efficiency of the regenerator; in the absence of this regenerator, the yield is overall divided by a factor of two. - The cooling piston is taken from Bottom Dead Center 15 to Top Dead Center by a flywheel and a metal bellows connecting it to the absorber by its outer edge, the latter then respectively restoring the kinetic energy and the potential energy elastic received during the previous phase of relaxation. 20 -The power take-off drives an electric generator or a compressed air generator, depending on the type of mechanical energy that is chosen to produce the device according to the invention; the regulation, by the temperature of the absorber and according to the characteristic curve of the optimal operation, of the intensity of the load imposed by the generator achieves the maximum production of electrical or mechanical energy. - Internal thermal leaks from the absorber to the cooling piston are kept low by: 30 + the empty space between the two plates of the transfer piston, their cover with a reflective material and the contact between these two faces only by two spacers of thickness as small as the 2919346 -7-resistance to transmitted forces allows, which eliminates any heat transfer by convection, limits heat transfers to transfers by conduction and greatly reduces heat transfers by radiation 5 mutual. + the spacing of the regenerator plates to limit conduction losses in the working gas. - The thermal losses with the environment are limited by the empty space between the driving cavity and the metal bellows also forming the external envelope of the driving cavity. - Thanks to the honeycomb structure of its two faces, the transfer piston: 15 + is light which limits the losses by friction during its movements and, by short periods of movement, lengthens the periods of relaxation and compression and consequently increases the efficiency, + is rigid which guarantees a compression ratio 20 which is not very sensitive to pressure variations in the chamber. - The dynamic sealing system at the passage of the transfer piston control rods limits the harmful effects that the parasitic cavities of the transfer piston pipe bellows could have on the cycle. 25 - The combination of a controlled roughness of the walls of the faces in contact with the working gas and the transmission of forces by springs makes it possible to calibrate and, consequently, to control the fluid friction accompanying the movement of the transfer piston. In addition to the preceding arrangements contributing to high efficiency, there are others which simplify and lighten the device according to the invention. - The rotational speed of the eccentric shaft is increased by means of the speed multiplier; with the flywheel rotating faster, a significant angular momentum can be generated with an acceptable mass. - The lateral component of the main thrust is taken up at the level of the cooling piston by the stiffness of the bellows linking the absorber and the cooling piston; an articulated link, placed between the control rod and the bearing face fixed to the plate of the transfer piston, prevents the driving rods from participating in the transmission of the tilting forces of the cooling piston. - With a displacement of the transfer piston just after the Top Dead Center, the value of the maximum pressure is lower without the efficiency being penalized; such reduced maximum pressures contribute to the decrease in absorber and cooling piston thicknesses. A convex absorber made of a carbon fiber composite material in a copper matrix and a cooling piston 20 convex carbon fiber in an aluminum matrix lighten the device according to the invention for an equivalent resistance. vault-shaped glass resists efforts by atmospheric pressure with a thickness its transparency is found, moreover,
bonne fonctionnalité du dispositif selon l'invention repose sur les deux dispositions suivantes. - Les durées de cycles étant importantes, typiquement de 30 quelques dizaines de secondes, la mise en régime thermique du régénérateur, dont dépend le bon rendement du dispositif selon l'invention, doit se faire sur un petit nombre de cycles sous peine d'une production d'énergie mécanique 25 mécanique - La engendrés limitée ; améliorée. Enfin, la 2919346 -9- moyenne amoindrie, du fait du déphasage avec les fluctuations d'ensoleillement ; en jouant sur le taux de perforation des plaques microperforées du régénérateur, la capacité calorifique des plaques peut être abaissée et ajustée à une 5 valeur permettant au régénérateur d'atteindre son régime thermique stationnaire en peu de cycles de fonctionnement. - L'exploitation du dispositif selon l'invention est facilitée s'i:L démarre spontanément sous simple exposition au rayonnement solaire ; une combinaison adéquate de la raideur 10 du soufflet rappelant le piston refroidissant sur l'absorbeur, du multiplicateur de vitesse et du volant d'inertie permet l'auto-démarrage dès les faibles flux solaires, typiquement de l'ordre de 40 W/m2. 15 Les dessins annexés illustrent l'invention : Les figures 1 et 2 illustrent le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention, la figure 1 étant une vue en coupe en début de détente et la figure 2, une vue en coupe en début de compression. 20 La figure 3 représente, en demi-coupe, le dispositif selon l'invention en fin de phase de compression (Point Mort Haut). La figure 4 représente, en demi-coupe, la cavité motrice du dispositif selon l'invention en fin de phase de détente (Point Mort Bas). 25 La figure 5 représente, en vue de face et en coupe, la came du dispositif selon l'invention en fin de phase de compression. good functionality of the device according to the invention is based on the following two provisions. - The cycle times being long, typically a few tens of seconds, the thermal regime of the regenerator, on which depends the good efficiency of the device according to the invention, must be done over a small number of cycles under penalty of a production of mechanical energy - limited generation; improved. Finally, the reduced average, due to the phase shift with fluctuations in sunlight; by adjusting the perforation rate of the microperforated plates of the regenerator, the heat capacity of the plates can be lowered and adjusted to a value allowing the regenerator to reach its stationary thermal regime in a few operating cycles. - Operation of the device according to the invention is facilitated if: L starts spontaneously under simple exposure to solar radiation; an adequate combination of the stiffness 10 of the bellows recalling the piston cooling on the absorber, of the speed multiplier and of the flywheel allows self-starting from low solar fluxes, typically of the order of 40 W / m2 . The accompanying drawings illustrate the invention: Figures 1 and 2 illustrate the operating principle of the device according to the invention, Figure 1 being a sectional view at the start of the expansion and Figure 2, a sectional view at the start of compression. FIG. 3 represents, in half-section, the device according to the invention at the end of the compression phase (Top Dead Center). FIG. 4 represents, in half-section, the drive cavity of the device according to the invention at the end of the expansion phase (Bottom Dead Center). FIG. 5 represents, in front view and in section, the cam of the device according to the invention at the end of the compression phase.
En référence à ces dessins, le dispositif selon 30 l'invention comporte les cinq sous-ensembles fonctionnels suivants : - un bâti permettant le positionnement relatif des différentes pièces, 2919346 -10- - un capteur solaire plan, - une cavité motrice permettant la transformation du flux solaire capté en puissance mécanique de déplacement d'un piston, 5 - une chaîne cinématique de conversion de la poussée motrice du piston en un couple à la prise force, - une chaîne cinématique permettant la conduite du piston de transfert en synchronisme avec l'angle de rotation de l'arbre de sortie, de façon à réaliser les phases du cycle 10 thermodynamique. Le bâti se compose du support à embase (1), du longeron (2), des deux montants latéraux (3), des paliers de l'arbre de sortie (4), des paliers du volant d'inertie (5), du bâti du multiplicateur de vitesse (6), du bâti de la génératrice 15 d'électricité ou de la génératrice d'air comprimé 7), du pied non représenté et du système de calage sur pivots horizontaux (8). Le capteur solaire se compose de la vitre (9), de l'espace vide (10) et de la face bombée de l'absorbeur (11). La cavité motrice se compose, quant à elle, de la face plane 20 de l'absorbeur (11), du piston refroidissant (12), du piston de transfert (13), lui-même formé des deux plateaux (14) et (15), séparés,, d'une part, par l'espace vide (16) et, d'autre part, par les deux entretoises (17) et (18), des anneaux de jonction élastiques (19) et (20), du régénérateur (21), des 25 deux soufflets métalliques de conduite du piston de transfert (22) et du soufflet métallique de liaison de l'absorbeur et du piston refroidissant (23). En ce qui concerne la chaîne cinématique de conversion de la poussée motrice en couple à la prise de force, elle est composée du palier de tête de 30 bielle (24), de l'axe de tête de bielle (25), du roulement de tête de bielle (26), de la bielle (27), du roulement de pied de bielle (28), de l'arbre de sortie à excentrique (29), des deux roulements d'arbre de sortie (30), du disque 2919346 -11- d'accouplement à la prise de force du multiplicateur de vitesse (31), du multiplicateur de vitesse (32), des arbres, des roulements, des roues et des pignons non représentés du multiplicateur (32), des roulements du volant d'inertie (33), 5 du volant d'inertie (34), de la prise de force (35) et des organes mobiles de la génératrice (36). Quant à la chaîne cinématique de conduite du mouvement du piston de transfert, elle se compose des deux cames (37), des deux galets principaux (38), des deux galets de centrage (39), des deux 10 tiges de liaison came-soufflet (40), des deux ressorts d'entraînement du piston de transfert (41), des deux tiges de conduite du piston de transfert (42), elles-mêmes composées d'une biellette (43) et des axes (44), en contact avec la face d'appui (45). 15 Le support à embase (1) pouvant être un anneau d'une seule pièce ou en deux secteurs et le longeron (2) du bâti sont soudés sur les montants latéraux (3) pour former l'ensemble rigide sur lequel prennent place les paliers de 20 l'arbre de sortie (4), les paliers du volant d'inertie (5), le bâti du multiplicateur de vitesse (6) et le bâti de la génératrice d'électricité ou d'air comprimé (7). L'ensemble ainsi constitué est monté sur un pied non représenté et incliné par rapport à l'horizontale grâce au système de 25 calage sur pivots horizontaux (8). L'embout du soufflet (23) à deux méplats (46) et (47) est fixé, par exemple par soudure, sur l'embase du support à embase (1). La vitre (9) est posée sur le méplat (46) muni d'un système d'étanchéité capable de maintenir le 30 vide durablement. La cavité motrice prend place entre le méplat (47) de l'embout fixe (48) et le bord externe de l'embout mobile (49) du soufflet (23). L'assemblage de la cavité motrice nécessite la 2919346 -12- confection préalable du piston de transfert (13) et du régénérateur (21). Les plateaux circulaires du piston de transfert (14) et (15), à structure composite en nid d'abeille, comportant 5 en leur centre l'alésage (50) et formés de deux semelles d'épaisseur différentes, la plus épaisse ayant une face dont la rugosité, supérieure à une certaine limite, est tournée vers l'extérieur et peinte en noir, sont soudés sur l'entretoise interne (18) et l'entretoise externe (17), le 10 cordon de soudure formant une jonction étanche ; l'une des deux faces externes reçoit alors les appuis (45). Les plaques circulaires du régénérateur (51) et les entretoises (52) sont empilées alternativement dans la coque cylindrique externe isolante (53), laquelle présente, dans sa 15 partie basse, d'une part, les trous radiaux (54) destinés au passage du gaz de travail et, d'autre part, l'embase de fixation (55). Les plaques (51) et les entretoises (52), une fois scellées dans la coque (53), font fonction de régénérateur (21). 20 L'assemblage de la cavité motrice consiste alors à souder les deux soufflets métalliques (22) par un de leur embout sur le piston refroidissant (12), le cordon de soudure formant une jonction étanche, l'embout libre étant, tout d'abord, laissé ouvert. Le régénérateur (21) est fixé au 25 centre de la face plane du piston refroidissant (12). Les tiges de conduite (42) du piston de transfert sont fixées aux appuis (45) par leur biellette (43) puis introduites dans les passages (56) du piston refroidissant (12), la face plane de ce dernier ayant été orientée vers le plateau du piston de 30 transfert. L'étanchéité du passage (56) est assurée par un usinage soigné ou tout autre système, pouvant être à chicanes. Le bord libre le plus intérieur de l'anneau de jonction (20) est présenté au piston de transfert (13) et le 2919346 -13-bord libre le plus extérieur au piston refroidissant (12). La fixation se fait au moyen du système de collier à emmanchement conique (57) ou tout autre système de fixation démontable, puis l'étanchéité est réalisée au moyen d'un 5 cordon de soudure aux extrémités de l'anneau de jonction. La face plane de l'absorbeur (11) ayant été orientée face au plateau du piston de transfert (13), la fixation de l'absorbeur (11) au piston de transfert (13) est réalisée de la même façon que celle du piston de transfert (13) au piston 10 refroidissant (12). La cavité motrice ainsi constituée est implantée dans le bâti comme suit. La face bombée de l'absorbeur (11) est posée sur le méplat (47) du soufflet (23) et la face bombée du piston refroidissant (12) est fixée sur l'embout libre du 15 soufflet (23) au moyen des crochets (58) répartis sur le pourtour de l'embout libre. Cette opération nécessite d'enfoncer le piston refroidissant à l'intérieur du soufflet (23). L'étanchéité est réalisée par la soudure du bord du soufflet sur le piston refroidissant ou tout autre procédé. 20 Les espaces compris entre la vitre (9) et l'absorbeur (11), entre la cavité motrice et le soufflet (23) et entre les deux plateaux (14) et (15) du piston de transfert communiquent par des trous d'égalisation de pressions. Cet ensemble est mis sous vide à partir d'un embout fixé sur l'un des embouts (48) 25 ou (49) du soufflet (23). Le remplissage de la cavité motrice en gaz de travail se fait à partir d'un ou deux embouts placés sur le piston refroidissant (12) pour faire le vide et introduire le gaz de travail. La chaîne cinématique de conversion de la poussée 30 motrice en couple à la prise de force est alors montée comme suit. Le palier de tête de bielle (24) et les paliers de l'arbre de sortie (4) sont fixées, respectivement, sur le fond bombé du piston refroidissant (12) et sur le longeron 2919346 -14- (2). Le roulement de tête de bielle (26) est monté à part dans l'alésage de la tête de bielle, de même que le roulement de pied de bielle (28) dans l'alésage du pied de bielle. La tête de bielle est alors présentée dans le palier (24) et 5 l'axe (25) est passé à travers le palier et la bague intérieure du roulement (26) puis fixé sur le palier (24). Le pied de bielle est présenté dans le palier (4) et l'excentrique de l'arbre de sortie (29) est passé à travers la bague intérieure du roulement (28) et les alésages vides 10 des deux paliers (4). En jouant sur la rotation de l'arbre à excentrique (29), les deux roulements (30) sont présentés devant leur logement dans le palier (4) et autour de l'arbre de sortie (29) puis montés dans ces derniers, les entretoises de calage (59) ayant été au préalable 15 intercalées. Après avoir intercalé les entretoises (60), les deux cames (37) sont montées sur l'arbre de sortie et fixées à l'aide de la clavette (61) ou de tout autre système lui donnant le bon positionnement angulaire et l'empêchant de tourner autour de l'arbre (29). Les deux cames sont 20 immobilisées latéralement par les disques (31) fixés en bout. Deux multiplicateurs de vitesse (32) sont montés sur les arbres solidaires des disques (31) et fixés sur le longeron (2). Les bagues intérieures des deux roulements (33) sont montées sur l'axe du volant d'inertie (34) et leurs bagues 25 extérieures dans les alésages des deux paliers (5). L'ensemble est fixé sur le longeron (2) par l'intermédiaire des deux paliers (5). Les bâtis des deux génératrices d'électricité ou d'air comprimé (7) étant présentées sur l'axe externe du volant d'inertie, ils sont fixés sur les 30 montants latéraux (3). Dans une variante non représentée, la chaîne cinématique de conversion de poussée motrice en couple pourra ne possèder qu'un seul ensemble multiplicateur de vitesse-volant 2919346 -15-d'inertie-génératrice d'électricité ou d'air comprimé. Finalement, la chaîne cinématique de conduite du piston de transfert est montée. Les ressorts d'entraînement du piston de transfert (41) sont équipés des embouts (62), 5 introduits dans les soufflets de conduite du piston de transfert (22) de façon à ce qu'ils soient vissés sur les tiges de conduite (42) ou joints à ces dernières par tout autre système. Les ressorts (41) sont enfermés hermétiquement dans les soufflets (22) au moyen des couvercles (63). Les 10 deux tiges (40) munies des galets principaux (38) sont introduites dans les cames, les galets de centrage (39) sont glissés autour des tiges (40), lesquelles sont finalement fixées sur les couvercles (63). With reference to these drawings, the device according to the invention comprises the following five functional sub-assemblies: - a frame allowing the relative positioning of the different parts, - a flat solar collector, - a driving cavity allowing the transformation. of the solar flux captured in mechanical displacement power of a piston, 5 - a kinematic chain for converting the driving thrust of the piston into a torque at the power take-off, - a kinematic chain allowing the transfer piston to be driven in synchronism with the angle of rotation of the output shaft, so as to achieve the phases of the thermodynamic cycle. The frame consists of the flange support (1), the side member (2), the two side uprights (3), the output shaft bearings (4), the flywheel bearings (5), the frame of the speed multiplier (6), of the frame of the electricity generator 15 or of the compressed air generator 7), of the foot not shown and of the wedging system on horizontal pivots (8). The solar collector consists of the glass (9), the empty space (10) and the curved face of the absorber (11). The drive cavity consists, for its part, of the flat face 20 of the absorber (11), of the cooling piston (12), of the transfer piston (13), itself formed of two plates (14) and ( 15), separated ,, on the one hand, by the empty space (16) and, on the other hand, by the two spacers (17) and (18), elastic junction rings (19) and (20) , of the regenerator (21), of the two metal bellows for driving the transfer piston (22) and of the metal bellows connecting the absorber and the cooling piston (23). As regards the kinematic chain for converting the driving thrust into torque at the power take-off, it is composed of the big end bearing (24), the big end pin (25), the big end bearing. big end (26), connecting rod (27), big end bearing (28), eccentric output shaft (29), two output shaft bearings (30), disc 2919346 -11- coupling to the power take-off of the speed multiplier (31), of the speed multiplier (32), shafts, bearings, wheels and pinions not shown of the multiplier (32), of the bearings of the flywheel (33), 5 of the flywheel (34), of the power take-off (35) and of the mobile parts of the generator (36). As for the kinematic chain for driving the movement of the transfer piston, it consists of the two cams (37), the two main rollers (38), the two centering rollers (39), the two cam-bellows connecting rods. (40), the two drive springs of the transfer piston (41), the two driving rods of the transfer piston (42), themselves composed of a connecting rod (43) and the pins (44), in contact with the bearing face (45). 15 The base support (1) being able to be a ring in one piece or in two sectors and the spar (2) of the frame are welded to the side uprights (3) to form the rigid assembly on which the bearings are placed. of the output shaft (4), the bearings of the flywheel (5), the frame of the speed multiplier (6) and the frame of the electricity or compressed air generator (7). The assembly thus formed is mounted on a foot, not shown, and inclined relative to the horizontal by virtue of the system of wedging on horizontal pivots (8). The end piece of the bellows (23) with two flats (46) and (47) is fixed, for example by welding, on the base of the base support (1). The pane (9) is placed on the flat (46) provided with a sealing system capable of maintaining the vacuum durably. The drive cavity takes place between the flat (47) of the fixed end piece (48) and the outer edge of the movable end piece (49) of the bellows (23). The assembly of the drive cavity requires the prior assembly of the transfer piston (13) and the regenerator (21). The circular plates of the transfer piston (14) and (15), with a composite honeycomb structure, comprising 5 in their center the bore (50) and formed of two flanges of different thickness, the thickest having a face whose roughness, greater than a certain limit, is turned outwards and painted black, are welded to the internal spacer (18) and the external spacer (17), the weld bead forming a tight junction ; one of the two external faces then receives the supports (45). The circular regenerator plates (51) and the spacers (52) are stacked alternately in the insulating outer cylindrical shell (53), which has, in its lower part, on the one hand, the radial holes (54) intended for the passage. working gas and, on the other hand, the fixing base (55). The plates (51) and the spacers (52), once sealed in the hull (53), act as a regenerator (21). 20 The assembly of the drive cavity then consists in welding the two metal bellows (22) by one of their end piece on the cooling piston (12), the weld bead forming a tight junction, the free end piece being, all the more so. first, left open. The regenerator (21) is attached to the center of the planar face of the cooling piston (12). The driving rods (42) of the transfer piston are fixed to the supports (45) by their connecting rod (43) then introduced into the passages (56) of the cooling piston (12), the flat face of the latter having been oriented towards the transfer piston plate. The leaktightness of the passage (56) is ensured by careful machining or any other system, which may be with baffles. The innermost free edge of the junction ring (20) is presented to the transfer piston (13) and the outermost free edge to the cooling piston (12). The fixing is done by means of the collar system with conical fitting (57) or any other removable fixing system, then the sealing is achieved by means of a weld bead at the ends of the junction ring. The plane face of the absorber (11) having been oriented facing the plate of the transfer piston (13), the fixing of the absorber (11) to the transfer piston (13) is made in the same way as that of the piston transfer (13) to the cooling piston 10 (12). The motor cavity thus formed is located in the frame as follows. The domed face of the absorber (11) is placed on the flat (47) of the bellows (23) and the domed face of the cooling piston (12) is fixed on the free end of the bellows (23) by means of the hooks. (58) distributed around the perimeter of the free end piece. This operation requires pushing the cooling piston inside the bellows (23). Sealing is achieved by welding the edge of the bellows to the cooling piston or any other process. 20 The spaces between the window (9) and the absorber (11), between the drive cavity and the bellows (23) and between the two plates (14) and (15) of the transfer piston communicate by means of holes. pressure equalization. This assembly is evacuated from a tip attached to one of the tips (48) 25 or (49) of the bellows (23). The driving cavity is filled with working gas using one or two nozzles placed on the cooling piston (12) to create a vacuum and introduce the working gas. The kinematic chain for converting the driving thrust into torque at the power take-off is then mounted as follows. The big end bearing (24) and the bearings of the output shaft (4) are fixed, respectively, on the domed bottom of the cooling piston (12) and on the side member 2919346 -14- (2). The big end bearing (26) is mounted separately in the big end bore, as is the big end bearing (28) in the big end bore. The big end is then introduced into the bearing (24) and the pin (25) is passed through the bearing and the inner race of the bearing (26) and then secured to the bearing (24). The big end is presented in the bearing (4) and the eccentric of the output shaft (29) is passed through the inner race of the bearing (28) and the empty bores 10 of the two bearings (4). By adjusting the rotation of the eccentric shaft (29), the two bearings (30) are presented in front of their housing in the bearing (4) and around the output shaft (29) then mounted in the latter, the wedging spacers (59) having been inserted beforehand. After having inserted the spacers (60), the two cams (37) are mounted on the output shaft and fixed using the key (61) or any other system giving it the correct angular positioning and preventing it to turn around the shaft (29). The two cams are immobilized laterally by the discs (31) fixed at the end. Two speed multipliers (32) are mounted on the shafts integral with the discs (31) and fixed to the side member (2). The inner rings of the two bearings (33) are mounted on the axis of the flywheel (34) and their outer rings 25 in the bores of the two bearings (5). The assembly is fixed to the side member (2) by means of the two bearings (5). The frames of the two generators of electricity or compressed air (7) being presented on the external axis of the flywheel, they are fixed on the side uprights (3). In a variant that is not shown, the kinematic chain for converting driving thrust into torque may have only a single speed multiplier-flywheel 2919346 -15-inertia-generator of electricity or compressed air assembly. Finally, the drive kinematic chain of the transfer piston is mounted. The drive springs of the transfer piston (41) are equipped with end caps (62), 5 introduced into the pipe bellows of the transfer piston (22) so that they are screwed onto the pipe rods (42 ) or joined to them by any other system. The springs (41) are hermetically sealed in the bellows (22) by means of the covers (63). The two rods (40) provided with the main rollers (38) are introduced into the cams, the centering rollers (39) are slid around the rods (40), which are finally fixed on the covers (63).
15 A titre d'exemple non limitatif, avec quelques grammes d'hélium comme gaz de travail, un absorbeur (11) d'un peu moins de un mètre de diamètre, en cuivre, une plage angulaire de basculement du piston de transfert au Point Mort Haut d'une dizaine de degrés, des ailettes donnant une valeur 20 usuelle du coefficient d'échange thermique global, un soufflet (23) compatible avec l'absorbeur, d'une raideur de l'ordre de 1 000 N/mm, comprimé d'une dizaine de millimètres au Point Mort Haut, deux soufflets (22) d'une raideur de l'ordre de 100 N/mm, une vitre (9) opaque au rayonnement 25 infra-rouge à partir d'une longueur d'onde comprise entre 1 et 2 im et d'un bon coefficient de transmission, un piston refroidissant (12) en aluminium, une excentricité d'une dizaine de millimètres à l'arbre de sortie (29), un taux de compression volumétrique de quelques unités, un régénérateur 30 (21) formé d'une centaine de plaques d'acier microperforé, d'une centaine de millimètres de diamètre, les plaques, espacées d'à peu près un millimètre, étant percées de trous de quelques dizièmes de millimètre, un facteur de secousse au 2919346 -16- démarrage élevé mais acceptable, un multiplicateur (32) à roues et pignons et ayant un facteur de multiplication de vitesse de plusieurs centaines, un volant d'inertie (34) en acier, d'un moment d'inertie assez conséquent, un longeron 5 (2) formé d'un profilé IPN, un roulement à rouleaux sur rotule comme roulement de tête de bielle (26), un roulement à rouleaux coniques comme roulement de pied de bielle (28), deux roulements à rotule sur rouleaux comme roulements d'arbre de sortie (30), une face plane d'absorbeur (11) de 10 piston refroidissant (12) et de semelles des plateaux du piston de transfert ayant une rugosité suffisante, des ressorts (41) de l'ordre de 1 000 N/m de raideur, le dispositif selon l'invention démarrerait sous 40 W/m2 environ, pourrait avoir, incliné de 45 sous un ciel clair et 15 sous des latitudes de 45 dans un ambiance à 20 C, un rendement moyen annuel de 36% et une durée de vie de 50 ans. Sous un flux de 800 W/m2, la durée du cycle serait de l'ordre de 10 s environ et la pression maximale de quelques bars. 15 By way of non-limiting example, with a few grams of helium as working gas, an absorber (11) of a little less than one meter in diameter, made of copper, an angular range of tilting of the transfer piston at the Point Dead Top of about ten degrees, fins giving a usual value of the overall heat exchange coefficient, a bellows (23) compatible with the absorber, with a stiffness of the order of 1000 N / mm, compressed by around ten millimeters at the Top Dead Center, two bellows (22) with a stiffness of the order of 100 N / mm, a pane (9) opaque to infrared radiation from a length of d wave between 1 and 2 im and a good transmission coefficient, a cooling piston (12) in aluminum, an eccentricity of ten millimeters at the output shaft (29), a volumetric compression ratio of a few units, a regenerator 30 (21) formed from a hundred microperforated steel plates, a hundred millimeters in diameter, the plates, spaced approximately one millimeter apart, being pierced with holes of a few tenths of a millimeter, a high but acceptable start-up jerk factor (32), a wheel and pinion multiplier (32) and having a speed multiplication factor several hundred, a steel flywheel (34), with a fairly large moment of inertia, a spar 5 (2) formed from an IPN profile, a spherical roller bearing as a connecting rod bearing (26), one tapered roller bearing as the big end bearing (28), two spherical roller bearings as output shaft bearings (30), one flat face of the absorber (11) of the cooling piston ( 12) and the plates of the transfer piston plates having sufficient roughness, springs (41) of the order of 1000 N / m of stiffness, the device according to the invention would start under approximately 40 W / m2, could have , inclined 45 under a clear sky and 15 under latitudes of 45 in an atmosphere at 20 C, an average annual return of 36% and a lifespan of 50 years. Under a flow of 800 W / m2, the cycle time would be of the order of approximately 10 s and the maximum pressure of a few bars.
20 Muni d'un système de stockage d'énergie, par exemple, d'une batterie d'accumulateurs ou d'un réservoir d'air comprimé, le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la production de l'électricitédomestique. Avec ou sans un tel système de stockage, il 25 permet, branché à la ligne à haute tension, la production de masse d'électricité. Muni d'un réservoir d'air comprimé, il produit l'air comprimé nécessaires aux véhicules équipés d'un moteur à air comprimé, ou à tout autre système mécanique usuel, dont le moteur thermique aura été remplacé par un 30 moteur à air comprimé. En outre, le remplacement des ailettes par un serpentin peut fournir de l'eau chaude sanitaire. Dans toutes ces applications, le dispositif selon l'invention doit être mis en oeuvre en poste fixe. Equipped with an energy storage system, for example, an accumulator battery or a compressed air tank, the device according to the invention is particularly intended for the production of domestic electricity. With or without such a storage system, it allows, connected to the high voltage line, the mass production of electricity. Equipped with a compressed air tank, it produces the compressed air necessary for vehicles equipped with a compressed air motor, or any other usual mechanical system, the heat engine of which has been replaced by a compressed air motor. . In addition, replacing the fins with a coil can provide domestic hot water. In all these applications, the device according to the invention must be implemented in a fixed station.