WO1983000733A1

WO1983000733A1 - Capteur solaire semi-concentreur a orientation integrale

Info

Publication number: WO1983000733A1
Application number: PCT/FR1982/000138
Authority: WO
Inventors: Bernard Gros
Original assignee: Bernard Gros
Priority date: 1981-08-21
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1983-03-03
Also published as: FR2511759A1; EP0086792A1

Abstract

Capteur solaire muni d'un dispositif concentreur d'énergie avec absorbeur central (9) et système d'orientation automatique intégrale. La concentration du rayonnement est assurée à partir de miroirs (1-8) disposés autour d'un absorbeur central (9) approprié à la réception de l'énergie solaire. Ce capteur solaire, objet de la présente invention, est d'autre part équipé d'un dispositif d'orientation automatique fonctionnant à partir de la seule luminosité céleste ou rayonnement. Les mécanismes d'entraînement en rotation horizontale et en inclinaison verticale sont assurés à partir d'éléments dentés. Le capteur solaire a pour fonction essentielle de produire de l'eau chaude d'origine solaire, pour des fins sanitaire, de chauffage de locaux ou de réchauffage de piscines ou autres...

Description

" Capteur Solaire Semi-Concentreur à Orientation Intégrale"

La présente invention a pour objet un capteur solaire composé d'un dispositif concentreur d'énergie, d'une surface centrale absorbante et d'un système d'orientation automatique intégrale.

Cet appareil a pour fonction essentielle de produire de l'eau chaude d'origine solaire pour des fins sanitaire, de chauffage de locaux, de rec chauffage de piscines ou autres. . Le Dispositif réfléchissant assurant la concentration solaire est équie pé dans ses angles de miroirs de forme particulière, conçus pour faire bénéficier l'appareil d'un maximum de surface de captage pour un même encombrement du dispositif, tout en assurant une projection directe du rayonnement sur la surface centrale absorbante.

Du fait que cet appareil peut être amené à représenter une surface de captage relativement importante et que plusieurs peuvent être assemblés en série, ce gain de surface obtenu par ce système de montage de miroirs dans les angles peut amener un supplément appréciable de puissance.

. La surface centrale absorbante ou absorbeur, assurant la réception du rayonnement, contient le fluide caloporteur chargé de véhiculer l'énergie récupérée. Cet absorbeur est muni, sur sa face arrière, d'un quadrillage d'emboutis soudés ou collés, permettant le déplacement du fluide en un film uniformément réparti sur toute la surface centrale réceptrice. L'absorbeur dispose d'autre-part, d'entrées et de sorties multiples, impérativement situées sur sa face arrière, afin d'assurer la bonne diffusion du fluide aux entrées en s'opposant à la pression dynamique d'arrivée, de limiter la pression nécessaire à son déplacement entre les parois et de bien en assurer sa répartition afin d'uniformiser la température de la surface réceptrice soumise à la concentration solaire. D'autre-part, l'absorbeur étant soumis à d'importantes variations de température du fait de cette concentration solaire, dispose de collécteurs de distribution de fluide parfaitement séparés de ses parois, pour que les dilatations puissent, en toutes circonstances, rester parfaite.ment libres.

Afin de permettre son fonctionnement sous pression et de lui assurer une bonne tenue mécanique dans le temps, la liaison de ses parois est prévue à partir de points de soudure ou collage, situés au niveau de ses embou tis et par la soudure périphérique de ses. parois. La face exposée de l'absorbeur pourra être revêtue d'une peinture noire mate répondant aux critères de l'énergie solaire ou de tout autre revêtement approprié.

. Les mécanismes d'entrainement permettant les différentes rotations de l'appareil sont prévus, dans notre exemple, à partir d'éléments dentés inaltérables.

La rotation horizontale de l'appareil est assurée à partir d'une couronne dentée formant embase ou socle, servant de chemin de roulement aux galets porteurs de l'appareil, et dans laquelle s'engrène le pignon d'un motoréducteur à double sens de rotation. Ce motoréducteur est solidaire de l'appareil et le suit dans sa rotation autour de la couronne dentée. L'ensemble est guidé en rotation par un axe central maintenu par l'embase ou socle, et permettant l'ancrage au sol de l'appareil afin qu'il puisse s'opposer aux efforts d'arrachage exercés par le vent. L'inclinaison verticale du dispositif de captage est assurée à partir d'un secteur denté, solidaire de ce dispositif, situé soit sur l'un des pivots transversaux, soit sur la partie centrale arrière du dispositif précité, et dans lequel s'engrène également le pignon d'un motoréducteur à double sens de rotation. Le fait d'utiliser la partie centrale arrière du dispositif de captage pour assurer l'inclinaison verticale, fait bénéficier l'appareil d'un troisième point d'équilibre particulièrement favorable pour sa tenue au vent.

. Le dispositif d'orientation automatique intégrale est conçu à partir d'un asservissement électronique, d'un ensemble de boitiers à plaque translucide et de cellules photo-sensibles.

Son rôle est de permettre la recherche permanente de la meilleur position possible de réception de l'énergie et de s'y maintenir avec précision. Pour ce faire, les boitiers du dispositif d'orientation ont la particularité de comporter une partie translucide, ayant pour rôle de transformer le rayon solaire reçu en luminosité diffuse à l'intérieur des enceintes où sont situées les cellules photo-sensibles. Cette diffusion lumineuse permet aux cellules de ne pas faire la différence entre le rayon solaire direct et le rayonnement diffus, ce qui amène le dispositif de guidage à rechercher en permanence, et avec précision, la zone céleste offrant le plus fort rayonnement et à s'y maintenir.

Par grand soleil, cette diffusion de la lumière dans les enceintes des cellules permet, sans aucun appareillage complémentaire, d'assurer une parfaite stabilisation de l'appareil selon une durée moyenne de l'ordre de deux à trois minutes.

Par soleil caché ou ciel nuageux, l'appareil ne recherche que les zones importantes de luminosité céleste et ne réagit pas aux lueurs et points lumineux sans étendue, ce qui permet de bien se stabiliser en toutes circonstances.

Ce n'est que par temps particulièrement sombre de pluie, de neige ou proche de la nuit, qu'un seuil minimum de lumière, mesuré par l'une des quatre cellules du dispositif de guidage, commande l'arrêt de la recherche, le retour de l'appareil en Est et sa mise en position verticale, ce qui correspond à sa position d'attente ou de repos, puisque cessant toute activité. Le seuil de lumière minimum est mesuré par la cellule Est, puisqu'elle est la seule à ne recevoir en fonctionnement normal par ciel ensoleillé, que du rayonnement céleste diffus. L'appareil sera prêt à repartir dès qu'il y aura, et seulement s'il y a, une récupération possible d'énergie.

. Dans les dessins annexés :

. La figure 1 est une vue en perspective montrant le capteur solaire dans son ensemble en position de fonctionnement ;

. La figure 2 est une vue partielle montrant le positionnement des miroirs dans les angles du dispositif concentreur ;

. La figure 3 est une vue en coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2 montrant le rayon ri et la position du centre 0 par rapport à l'absor beur central 9 ;

. La figure 4 est une vue en coupe selon la ligne 4-4 de la figure 2 montrant la position du rayon r2 ;

. La figure 5 est une vue en coupe selon la ligne 5-5 de la figure 2 montrant la position du rayon r3 ;

. La figure 6 est une vue en coupe selon les lignes 3-3,4-4 et 5-5 de la figure 2, montrant les différents rayons r1,r2 et r3 ;

. La figure 7 est une vue montrant l'absorbeur central sur sa face arrière :

. La figure 8 est une vue en coupe de l'absorbeur selon la ligne 8-8 de la figure 7 ;

. La figure 9 est une vue partielle de l'absorbeur selon la ligne 9-9 de la figure 7, montrant l'un de ses emboutis ;

. La figure 10 est une vue de l'absorbeur montrant une variante des collecteurs de distribution ;

. La figure 11 est une vue partielle en coupe montrant le mécanisme d'inclinaison verticale positionné sur la partie centrale arrière du dispositif concentreur : . La figure 12 est une vue partielle en coupe selon la ligne 12-12 de la figure 11 montrant le mécanisme d' entrainement de l'appareil en rotation horizontale ;

. La figure 13 est une vue partielle en coupe selon la ligne 13-13 de la figure 11 montrant les différents éléments constituant le mécanisme permettant la rotation horizontale de l'appareil ;

. la figure 14 est une vue partielle en coupe selon la ligne 14-14 de la figure 15 montrant le positionnement des boitiers du dispositif d'orientation ;

. la figure 15 est une vue montrant la partie translucide des boitiers du dispositif d'orientation ;

. La figure 16 est une vue partielle en coupe selon la ligne 16-16 de la figure 14 montrant la position des cellules photo-sensibles par rapport aux parties opaque et translucide des boitiers. ;

. La figure 17 est une vue sur l'asservissement électronique et élec

. trique de l'appareil ;

. Selon la figure 1, les miroirs 1, 2, 3 et A et les miroirs d'angle 5, 6 7, et 8 du dispositif concentreur sont disposés autour d'un absorbeur central 9 selon une inclinaison par rapport à l'axe du capteur de 35 à 36° pour les miroirs 1 et 2 soit selon un angle de 125 à 126° par rapport à la surface de l'absorbeur central 9, de 33 à 35° pour les miroirs 3 et 4 soit selon un angle de 123 à 125° par rapport à la même surface de l'absorbeur central 9, et de 33 à 36° pour les miroirs d'angle 5, 6, 7 et 8 soifc selon un angle de 123 à 126° par rapport à cette même surface de l'absorbeur central 9. Les miroirs des angles 5,6,7 et 8 ont été déterminés comme le montre la figure 2, à partir des cercles concentriques ayant pour rayon r1,r2 et r3 dans lesquels ces miroirs s'inscrivent et à partir des centres 0 situés au droit des angles de l'absorbeur central 9 et à la limite d'encombrement en élévation des miroirs 1, 2, 3 et 4, selon les figures 3, 4, 5 et 6. Les miroirs situés aux parties extrêmes des angles du dispositif concentreur ont une largeur fonction du cercle dans lequel ils s'inscrivent et ayant comme rayon r3, puisque devant s'inscrire également dans les limites d'encombrement du dispositif concentreur, comme le montre la figure 2.

La largeur de ces miroirs détermine la largeur des autres miroirs s'inscrivant dans les cercles concentriques ayant pour rayon r1 et r2. L'ensemble des miroirs 1, 2, 3 et 4 et des miroirs d'angles 5, 6, 7 et 8 sont déterminés pour assurer une projection directe du rayonnement sur toute la surface de l'absorbeur central 9.

. L'absorbeur central 9 est constitué de deux parois 10 et 11 selon la figure 8, maintenues séparées par un quadrillage d'emboutis 12 soudés ou collés selon figure 7 et figure 9, situé sur la face arrière 11 de l'absorbeur 9, et permettant le déplacement du fluide caloporteur en un film 13 réparti sur toute la surface de l'absorbeur et selon une épaisseur de l'ordre de un millimètre.

Cet absorbeur 9, étant soumis à l'importantes variations de température du fait de la concentration solaire, est équipé, selon là figure 7, de collecteurs de distribution de fluide 14 et 15 parfaitement séparés de ses parois, pour qu'en toutes circonstances, les dilatations puissent rester parfaitement libres.

Les collecteurs 14 et 15 selon la figure 10 pourront être séparés en autant de parties qu'il y a d'entrées ou de sorties, et se regrouper sur des distributeurs appropriés 17 et 18. Les entrées 19, 20, 21 et 22 du fluide caloporteur et les sorties 23,24, 25 et 26 sont impérativementnt prévues sur la face arrière de l'absorbeur 9. Le nombre des entrées et sorties de fluide peut être différent. Dans le cas de notre exemple, ce nombre a été établi à quatre pour cet absorbeur de 1,50 m sur 1 mètre. Deux dispositifs de purge d'air complètent l'équipement de l'absorbeur central, l'un 27 est situé sur la partie supérieure de l'absorbeur, l'autre 28 est situé sur le collecteur inférieur 15. Ces deux purges d'air remontent à la partie supérieure de l'appareil pour être parfaitement accessibles de l'extérieur. . L'ensemble des miroirs du dispositif concentreur sont rendus solidaires de l'absorbeur central 9 par l'intermédiaire d'un châssis 29 selon figure 1 et d'un boitier central 30. Les éléments constituant l'ossature de l'appareil peuvent être en matériau plastique ou d'alliage d'aluminium. Le boitier sera de préférence réalisé en Polyester armé. Une isolation thermique de forte épaisseur, de 100 mm dans le cas de notre exemple, est prévu dans le boitier central 30 pour isoler parfaitement la face arrière de l'absorbeur 9 et sa périphérie. Le boitier central assure également l'assise de l'absorbeur par un doublage de sa coque sur toute sa périphé rie. La face exposée 10 de l'absorbeur selon figure 8, est protégée par un verre de façade trempé. L'air contenu entre ce verre de façade et la face exposée de l'absorbeur ou face réceptrice, pourra être déshumidifié, rempli d'azote déshydraté ou climatisé comme dans le cas de notre exemple par passage de cet air par convection sur la partie arrière du boitier central.

Le châssis précité 29 est supporté par un bâti 31 à partir de deux pivots transversaux. L'ensemble châssis-bâti, porteur de l'ensemble du dispositif de captage, repose par l'intermédiaire de quatre galets 32, 33, 34 et 35 selon les figures 11, 12 et 13 sur une couronne dentée 36 formant embase ou socle 37. Cette couronne sert, outre à l'entrainement de l'appareil en rotation horizontale, de chemin de roulement aux galets porteurs précités. Le bâti 31 est guidé dans sa rotation par un axe central 38, solidaire de l'embase ou socle 37 permettant également l'ancrage de l'appareil au sol, soit directement, soit par reprise au niveau de la partie centrale de l'embase ou socle 37 selon figure 12.

L' entrainement en rotation horizontale de l'appareil est assurée par le pignon d'un motoréducteur à double sens de rotation 39 selon les figures 1 et 13 solidaire du bâti 31, qu'il suit dans sa rotation autour de la couronne dentée 36.

L'entrainement en inclinaison verticale est assuré selon les figures 1 et 11, par un secteur denté 40, solidaire du dispositif concentreur à partir du châssis 29, et dans lequel s'engrène le pignon d'un autre motoréducteur à double sens de rotation 41. Ce mécanisme peut être situé soit sur l'un des pivots transversaux porteurs du dispositif concentreur, comme le montre la figure 1, soit sur la partie centrale arrière de ce dispositif comme le montre la figure 11.

. L'orientation automatique intégrale de l'appareil est assurée à partir d'un asservissement électronique et d'un dispositif 42, selon les figures 1 et 14, comportant quatre boitiers 43,44, 45 et 46, opaques et parfaitement identiques et équipés, comme le montre les figures 15 et 16, d'une partie translucide 47, d'une partie opaque 48, et d'une cellule photo-sensible 49.

La partie opaque 48 a pour rôle de masquer .selon la figure 16, la cellule 49 contenue dans les enceintes 50 des boitiers 43, 44, 45 et 46. Cette partie opaque 48 est importante dans la mesure où elle représente un des éléments permettant d'assurer avec simplicité, la précision du dispositif d'orientation.

Les Boitiers 43, 44, 45 et 46 ont d'autre-part, la particularité de comporter une partie translucide 47 selon les figures 15 et 16, dont le rôle important est de transformer le rayon-solaire direct reçu en luminosité diffuse à l'intérieur des enceintes 50 où sont situées les cellules photosensibles 49. Cette transformation permet à ces cellules 49, contenues dans les enceintes 50 des boitiers 43, 44, 45 et 46 de ne pas faire la différence entre le rayon solaire direct et le rayonnement diffus, ce qui amène le dispositif d'orientation à rechercher en permanence et avec précision, la meilleure position de réception de l'énergie et à s'y maintenir tant qu'il y a une récupération possible, et tout en assurant une stabilisation de l'appareil selon une durée de deux à trois minutes par grand soleil à quelquefois plusieurs heures par ciel non ensoleillé, sans aucun appareillage complémentaire.

Le dispositif d'orientation bénéficie ainsi d'une complète intégralité, puisque son fonctionnement ne dépend que de la seule luminosité céleste. Les parties translucides 47 des boitiers 43,44, 45 et 46 dans le cas de notre exemple, sont assurés par des plaques inaltérables en verre spécial, Elles pourraient être également assurées à partir de plaques en matière plastique de qualité translucide, mais elles présenteraient alors, vrai semblablement l'inconvénient de s'altérer dans le temps. Ces plaques translucides 47 sont, dans notre exemple, prévues incorporées aux boitiers comme le montre la figure 16, afin que les bordures et arêtes de ces plaques soient également parfaitement masquées de la lumière. Ce montage conditionne également le bon fonctionnement de l'ensemble du dispositif d'orientation.

La rotation horizontale de liappareil est déterminée selon la figure 17 à partir des boitiers Est 43 et Ouest 44, de l'amplificateur électronique 51, du filtre 52 et des comparateurs 53 et 54.

Le moteur 55 à double sens de rotation, est commandé à partir de deux relais 56 et 57, assurant les alimentations électriques 58 et 59 du moteur et d'un commun 60.

L'évolution de l'appareil dans sa rotation horizontale est limitée par deux contacteurs de fin de course61 et 62.

L'appareil évolue vers l'Ouest, si c'est la cellule contenue dans le boitier Ouest 44 qui réceptionne le plus de rayonnement solaire ou luminosité céleste par rapport à la cellule du boitier Est 43, ou vers l'Est, si c'est la cellule du boitier Est 43 qui en réceptionne le plus. L'évolution en rotation horizontale de l'appareil prend fin dès que les cellules des boitiers Est 43 et Ouest 44 enregistrent la même quantité de lumière.

L'inclinaison verticale du dispositif de captage est déterminée selon la figure 17, à partir des boitiers Haut 45 et bas 46, de l'amplificateur 63 du filtre 64 et des deux comparateurs 65 et 66.

Le moteur 67, également à double sens de rotation, est commandé à partir de deux relais 68 et 69 assurant les alimentations électriques 70 et 71 du moteur, et d'un commun 72.

L'évolution en inclinaison verticale du dispositif de captage est limitée par deux contacteurs de fin de course 73 et 74. Le dispositif de captage évolue vers le haut si c'est la cellule contenue dans le boitier Haut 45 qui réceptionne le plus de rayonnement solaire ou lumière céleste par rapport à la cellule du boitier Bas 46, ou vers le bas si c'est la cellu le du boitier Bas 46 qui en réceptionne le plus. L'évolution en inclinai son verticale prend fin, dès que les cellules des boitiers Haut 45 et Bas 46 enregistrent la même quantité de lumière. Dès que l'appareil est stabilisé il se trouve alors dans la meilleure position possible de réception de l'énergie.

Dans le cas de notre exemple, l'ensemble du capteur solaire est alimenté en courant électrique 24 volts alternatifs. Cette tension électrique pourrait être différente, voire prévue à partir de piles ou de panneaux à cellules photo-voltaïques, vu que dans notre exemple les moteurs ne font que 5 Watts de puissance.

Un seuil de lumière minimum 75, mesuré par la cellule située dans le boitier Est 43, commande le retour du dispositif de captage en Est et sa mise en position verticale dès que la luminosité céleste ne permet plus de récupération possible d'énergie, par temps sombre proche de la nuit, de pluie ou de neige, le retour en position verticale est alors impératif pour éviter le recouvrement du dispositif de captage.

L'appareil sera prêt à repartir dès qu'il y aura, et seulement s'il y a, une luminosité céleste suffisante, pouvant être supérieure à celle qui a commandé son retour.

Le capteur Solaire est complet en lui-même et en ordre de marche. L'électronique est parfaitement protégée dans un coffret en plastique prévu noyé dans l'isolation thermique du boitier central 30, selon la figure 1, avec couvercle de visite s'ouvrant sur la partie arrière du boitier central 30, permettant d'effectuer avec toute facilité, les manipula tions nécessaires aux réglages ou l'échange éventuel d'éléments électroniques.

Claims

REVENDICATIONS

1. Capteur solaire comportant un dispositif de concentration d'énergie avec absorbeur central, équipé d'un dispositif d'orientation automatique avec boitiers optiques, cellules photo-sensibles et asservissement électronique, et de mécanismes d'entrainement en rotation horizontale et en inclinaison verticale, caractérisé par le fait que la concentration solaire est assurés à partir de miroirs disposés autour d'un absorbeur central selon une inclinaison par rapport à l'axe du capteur de 35 à 36° pour les miroirs 1 et 2 soit selon un angle par rapport à la surface de l'absorbeur de 125 à 126°, de 33 à 35° pour les miroirs 3 et 4 soit selon un angle par rapport à cette même surface de l'absorbeur de 123 à 125°, et de 33 à 36° pour les miroirs d'angle 5, 6, 7 et 8 soit selon un angle de 123 à 126° par rapport à cette même surface de l'absorbeur central 9.

2. Capteur solaire selon revendication 1 caractérisé par le fait que les angles du dispositif de concentration solaire peuvent comporter des ensembles de 2, 3 ou plus de trois miroirs ou facettes multiples.

3. Capteur solaire selon revendication 1 caractérisé par le fait queles angles du dispositif de concentration comportent des ensembles du miroirs 5, 6, 7 et 8 dimensionnés et positionnés à partir des cercles concentriques ayant comme rayon r1, r2, et r3 et centres 0 selon figure 2, dans lesquels ils s'inscrivent, permettant de faire bénéficier l'appareil d'un maximum de surface de captage pour un même encombrement du dispositif concentreur, tout en assurant une projection directe du rayonnement sur l'absorbeur.

4. Capteur solaire selon revendication 1 caractérisé par le fait que l'absorbeur central 9 comporte des entrées et des sorties multiples de fluide caloporteur permettant d'assurer la bonne diffusion de ce fluide au niveau des arrivées, de limiter la pression nécessaire à son déplace ment et d'en assurer sa répartition en un film de l'ordre de un millimètre d'épaisseur sur toute la surface absorbante.

5. Capteur solaire selon revendication 1 et 4, caractérisé par le fait que l'absorbeur central 9 comporte des collecteurs de distribution parfaitement séparés de ses parois afin que les dilatations dues aux importantes variations de température consécutives à la concentration solaire, puises ssent rester parfaitement libres.

6. Capteur solaire selon revendication 1 caractérisé par le fait que l'asservissement électronique du dispositif d'orientation comporte un système de mesure de lumière céleste 75 ou seuil de lumière minimum, fonctionnant à partir de la cellule du boitier Est 43, permettant le fonctionner ment du capteur tant qu'il y a, et seulement s'il y a, une récupération possible d'énergie.

7. Capteur solaire selon revendication 1 caractérisé par le fait que le s boitiers optiques du dispositif d'orientation comportent une partie translucide 47, parfaitement identique pour chacun des boitiers, permet ttant la transformation du rayon solaire direct qu'ils sont appelés à réceptionner en luminosité diffuse à l'intérieur de leur enceinte contenant leur cellule photo-sensible,et permettant au dispositif d'orientation de rechercher en permâjsnce et avec précision la meilleure position de récep tion de l'énergie et à s'y maintenir, tant qu'il y a une récupération possible, et tout en assurant une stabilisation à l'appareil selon une durée de l'ordre de deux à trois minutes par grand soleil à quelquefois plusieurs heures par soleil non apparent.

8. Capteur solaire selon revendications 1 et 7 caractérisé par le fait que les boitiers optiques du dispositif d'orientation comportent également une partie opaque 48, parfaitement identique pour chacun des boitiers, masquant leur cellule et permettant au dispositif d'orientation de fonctionner avec précision en toutes circonstances.

9. Capteur solaire selon revendication 1 caractérisé par le fait que le mécanisme d'entrainement en rotation horizontale de l'ensemble de captage comporte une couronne dentée 36 formant embase ou socle, servant de chemin de roulement aux galets porteurs de l'appareil dont la rotation est guidée par un axe central, et dans laquelle s'engrène le pignon d'un motoréducteur à double sens de rotation.

10. Capteur solaire selon revendication 1 caractérisé par le fait que le mécanime d'entrainement en inclinaison verticale du dispositif de captage comporte un secteur denté solidaire de ce dispositif situé, soit sur l'un de ses pivots transversaux soit sur sa partie centrale arrière, et dans lequel s'engrène le pignon d'un motoréducteur à double sens de rotation.