CH619530A5 - Device for the collection of solar energy - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un dispositif de captage de l'énergie solaire, plus particulièrement comprenant un réflecteur-concentrateur fixe monté sur le toit d'un bâtiment ou sur une structure quelconque et un collecteur orientable en fonction de la hauteur du soleil sur l'horizon pour optimiser le rendement à toute heure de la journée et en toute saison. The invention relates to a device for collecting solar energy, more particularly comprising a fixed reflector-concentrator mounted on the roof of a building or on any structure and a collector which can be oriented as a function of the height of the sun on the horizon. to optimize performance at any time of the day and in any season.
De nombreux dispositifs de captage de l'énergie solaire ont été proposés jusqu'ici. La plupart utilisent des réflecteurs paraboliques ou autres pour concentrer les rayons solaires sur un collecteur situé au foyer. En général, le réflecteur et le collecteur sont solidaires et sont orientés ensemble en direction du soleil. Many devices for collecting solar energy have been proposed so far. Most use parabolic or other reflectors to focus the sun's rays on a collector located at the hearth. In general, the reflector and the collector are integral and are oriented together in the direction of the sun.
Il existe également d'autres dispositifs qui comportent un ou plusieurs réflecteurs fixes et un ou plusieurs collecteurs mobiles. Un dispositif de ce type utilise un miroir shpérique et un collecteur central monté sur une structure articulée qui permet de l'orienter angulairement en fonction de l'heure et de la saison. Cependant, le miroir sphérique a l'inconvénient d'être délicat et coûteux à réaliser et se prête mal à une fabrication en grande série. Une autre solution décrite dans le brevet allemand no 517 417 du 4 février 1931 utilise un paraboloide oblong ou elliptique dont l'axe focal s'étend horizontalement et symétriquement par rapport à une verticale passant par le centre du réflecteur. Pour corriger les petits écarts du soleil par rapport à la verticale, le collecteur est monté au bout d'un bras télescopique orientable dont les mouvements sont commandés par un mécanisme à came pour déplacer le collecs There are also other devices which include one or more fixed reflectors and one or more mobile collectors. A device of this type uses a spherical mirror and a central collector mounted on an articulated structure which makes it possible to orient it angularly according to the time and the season. However, the spherical mirror has the disadvantage of being delicate and costly to produce and does not lend itself to mass production. Another solution described in German Patent No. 517,417 of February 4, 1931 uses an oblong or elliptical dish whose focal axis extends horizontally and symmetrically with respect to a vertical passing through the center of the reflector. To correct small deviations of the sun from the vertical, the collector is mounted at the end of an adjustable telescopic arm whose movements are controlled by a cam mechanism to move the collecs
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teur latéralement et verticalement. Le mécanisme d'orientation en azimut du réflecteur n'est pas décrit clairement dans le brevet précité. Il semble cependant évident qu'un tel dispositif ne peut admettre que de petites variations angulaires de la position du soleil par rapport à un plan vertical contenant le grand axe du réflecteur, et en tout cas pas les variations annuelles de hauteur du soleil. De plus, ce dispositif est relativement complexe et difficile à réaliser à une grande échelle, surtout pour le bras télescopique et la came de guidage. Pour qu'il soit utilisable avec un bon rendement pendant une période raisonnable chaque jour et sur plusieurs mois, il est indispensable de prévoir un dispositif quelconque de basculement ou d'orientation angulaire du réflecteur, en plus du positionnement normal du collecteur par les mouvements de son bras télescopique. laterally and vertically. The azimuth orientation mechanism of the reflector is not clearly described in the aforementioned patent. However, it seems obvious that such a device can only accept small angular variations in the position of the sun relative to a vertical plane containing the long axis of the reflector, and in any case not the annual variations in height of the sun. In addition, this device is relatively complex and difficult to produce on a large scale, especially for the telescopic arm and the guide cam. In order for it to be usable with good yield for a reasonable period each day and over several months, it is essential to provide some device for tilting or angular orientation of the reflector, in addition to the normal positioning of the collector by the movements of his telescopic arm.
La présente invention a pour but de fournir un dispositif relativement simple de captage de l'énergie solaire qui utilise un réflecteur fixe et un collecteur animé d'un mouvement simple pour utiliser au mieux les heures d'ensoleillement de chaque jour de l'année. The object of the present invention is to provide a relatively simple device for collecting solar energy which uses a fixed reflector and a collector animated with a simple movement to make the best use of the hours of sunshine of each day of the year.
A cet effet l'invention a pour-objet le dispositif de captage de l'énergie solaire défini dans la revendication 1. To this end the invention relates to the solar energy collection device defined in claim 1.
Les dessins annexes représentent à titre d'exemples non limitatifs plusieurs variantes du dispositif de l'invention. The accompanying drawings show by way of nonlimiting examples several variants of the device of the invention.
La fig. 1 est une vue schématique d'un bâtiment dont le toit est équipé du dispositif pour le captage de l'énergie solaire. Fig. 1 is a schematic view of a building whose roof is equipped with the device for capturing solar energy.
La fig. 2 est une vue en perspective et à plus grande échelle d'une partie du dispositif de captage de la fig. 1. Fig. 2 is a perspective view on a larger scale of part of the capture device of FIG. 1.
La fig. 2a est une vue fragmentaire illustrant une variante de montage des collecteurs mobiles. Fig. 2a is a fragmentary view illustrating an alternative mounting of the mobile manifolds.
La fig. 3 est une vue fragmentaire à grande échelle montrant le support des collecteurs mobiles. Fig. 3 is a fragmentary view on a large scale showing the support of the mobile collectors.
La fig. 3a est une coupe agrandie de l'un des collecteurs dans le plan 3a-3a de la fig. 3. Fig. 3a is an enlarged section of one of the collectors in the plane 3a-3a of FIG. 3.
La fig. 4 illustre une variante de montage d'un collecteur. Fig. 4 illustrates a mounting variant of a collector.
La fig. 5 est une coupe schématique du raccordement de deux réflecteurs ajacents. Fig. 5 is a schematic section of the connection of two adjacent reflectors.
La fig. 6 est une vue schématique du mécanisme de positionnement des collecteurs mobiles correspondant au mode de montage de la fig. 3. Fig. 6 is a schematic view of the positioning mechanism of the mobile manifolds corresponding to the mounting method of FIG. 3.
La fig. 6a est une vue schématique du mécanisme de positionnement des collecteurs mobiles correspondant au mode de montage de la fig. 4. Fig. 6a is a schematic view of the positioning mechanism of the mobile manifolds corresponding to the mounting method of FIG. 4.
La fig. 7 est un diagramme illustrant la cinématique de l'un des collecteurs mobiles par rapport au réflecteur associé en fonction de la position du soleil à différentes époques de l'année. Fig. 7 is a diagram illustrating the kinematics of one of the mobile collectors with respect to the associated reflector as a function of the position of the sun at different times of the year.
La fig. 8 est un diagramme similaire illustrant une application du principe de l'invention à un lieu dont la latitude est connue. Fig. 8 is a similar diagram illustrating an application of the principle of the invention to a place whose latitude is known.
La fig. 1 représente schématiquement un bâtiment 11 tel qu'une école, une usine, un immeuble d'habitation ou autre dont le toit 21 porte un certain nombre de réflecteurs-concentrateurs 31 qui occupent une partie ou la totalité de sa superficie. En pratique, la surface occupée par le dispositif de captage dépend de l'ensoleillement du lieu et des besoins énergétiques du bâtiment. A part le toit, le bâtiment 11 est classique avec des murs 13, des fenêtres 15 et des portes 17. Fig. 1 schematically represents a building 11 such as a school, a factory, a residential building or the like, the roof 21 of which carries a certain number of reflector-concentrators 31 which occupy part or all of its surface. In practice, the surface occupied by the collection device depends on the sunshine of the place and the energy needs of the building. Apart from the roof, the building 11 is conventional with walls 13, windows 15 and doors 17.
La surface de captage est constituée par la juxtaposition de plusieurs réflecteurs 31 dont les bords adjacents sont assemblés de manière à assurer l'étanchéité du toit. Les réflecteurs 31 reposent à leurs extrémités sur des supports concaves 36 qui sont fixés à l'ossature 101 du bâtiment. D'autres supports peuvent être placés en des points intermédiaires des réflecteurs pour leur donner la rigidité voulue. Les bords extérieurs de la structure sont fermés par des plaques 32, 32a fixées de manière à assurer l'étanchéité de l'ensemble aux intempériers. Pour recueillir l'eau de pluie qui s'écoule le long des réflecteurs 31, on dispose des gouttières 111 sous leurs extrémités. Dans l'exemple illustré, le toit du bâtiment porte deux rangées de réflecteurs 31 et il y a donc trois gouttières 111 qui sont montées perpendiculairement aux axes des réflecteurs (fig. 2). L'eau de pluie ainsi recueillie est évacuée par des tuyaux de descente ordinaires. The collection surface is formed by the juxtaposition of several reflectors 31, the adjacent edges of which are assembled so as to seal the roof. The reflectors 31 rest at their ends on concave supports 36 which are fixed to the frame 101 of the building. Other supports can be placed at intermediate points of the reflectors to give them the desired rigidity. The outer edges of the structure are closed by plates 32, 32a fixed so as to seal the assembly against the weather. To collect the rainwater which flows along the reflectors 31, there are gutters 111 under their ends. In the example illustrated, the roof of the building carries two rows of reflectors 31 and there are therefore three gutters 111 which are mounted perpendicular to the axes of the reflectors (FIG. 2). The rainwater thus collected is discharged through ordinary downpipes.
L'ensemble de la structure est entourée d'un bandeau continu 19 (fig. 1) destiné à couper le vent et à améliorer l'esthétique de l'ensemble. Ce bandeau ne doit pas être trop haut sous peine de réduire l'efficacité du dispositif de captage par l'ombre qu'il projette sur les extrémités des réflecteurs. The entire structure is surrounded by a continuous strip 19 (fig. 1) intended to cut the wind and improve the aesthetics of the whole. This strip should not be too high, otherwise the efficiency of the collection device will be reduced by the shadow it casts on the ends of the reflectors.
Chaque réflecteur-concentrateur 31 est un panneau concave de matière polie qui réfléchit les rayons solaires, par exemple un métal, un verre ou une matière plastique. Selon le cas, on peut utiliser des panneaux réflecteurs travaillants ou des pan-naux convenablement suportés sur une couverture suffisamment rigide. Le profil concave utilisé peut être une courbe continue ou une approximation de la courbe idéale par des facettes rectilignes ou curvilignes. Ainsi, si les réflecteurs sont des feuilles de métal, il est facile de les cintrer en un ou plusieurs éléments. De même, on peut utiliser des lames planes de métal, de verre ou de matière plastique convenablement juxtaposées pour donner une bonne approximation de la courbe idéale. De plus, lorsque la structure réflectrice n'occupe pas toute la surface du toit 21, ce dernier peut comporter des surfaces translucides ou transparentes laissant passer la lumière du jour à l'intérieur du bâtiment. Pour cela, on peut aussi utiliser des réflecteurs 31 partiellement translucides. Pour que le système ait une efficacité optimale, il est préférable que les axes des réflecteurs 31 soient orientés dans une direction est-ouest, mais cette condition n'est pas rigoureuse et d'autres azimuts peuvent être choisis avec cependant un moins bon rendement. Each reflector-concentrator 31 is a concave panel of polished material which reflects the sun's rays, for example a metal, a glass or a plastic material. Depending on the case, it is possible to use working reflective panels or panels suitably supported on a sufficiently rigid cover. The concave profile used can be a continuous curve or an approximation of the ideal curve by rectilinear or curvilinear facets. Thus, if the reflectors are sheets of metal, it is easy to bend them into one or more elements. Likewise, flat metal, glass or plastic blades suitably juxtaposed can be used to give a good approximation of the ideal curve. In addition, when the reflective structure does not occupy the entire surface of the roof 21, the latter may include translucent or transparent surfaces allowing daylight to pass inside the building. For this, one can also use partially translucent reflectors 31. For the system to have optimal efficiency, it is preferable that the axes of the reflectors 31 are oriented in an east-west direction, but this condition is not rigorous and other azimuths can be chosen with, however, less efficient performance.
Chaque réflecteur 31 concentre l'énergie solaire dans une «zone de convergence maximale» dont la position varie avec la hauteur du soleil dans le plan du méridien. Un collecteur mobile 51 est monté longitudinalement au-dessus de chaque réflecteur-concentrateur 31. Le collecteur 51 est porté à ses extrémités opposées par des bras 45 qui peuvent pivoter dans des plans nord-sud. Each reflector 31 concentrates solar energy in a "maximum convergence zone" whose position varies with the height of the sun in the plane of the meridian. A movable collector 51 is mounted longitudinally above each reflector-concentrator 31. The collector 51 is carried at its opposite ends by arms 45 which can pivot in north-south planes.
Les axes de pivotement des bras 45 sont horizontaux dans des plans est-ouest et peuvent être situés au-dessus, au-dessous ou au niveau de la surface du réflecteur-concentrateur 31 avec un effet minime sur l'efficacité de l'ensemble. On voit sur la fig. 3 que les axes des bras 45 tournent dans des paliers 81c montés sous la surface réflectrice 31. Dans le mode de réalisation illustré, le «facteur de concentration», c'est-à-dire le rapport de la surface en plan (corde x longueur) du réflecteur 31 et de la surface efficace du collecteur 51 est de l'ordre de 15 à 1. Ce facteur représente la concentration maximale théorique que l'on peut atteindre avec un ensemble réflecteur-collecteur, mais dans le cas d'une batterie de tels ensembles, les réflexions parasites des réflecteurs adjacents peuvent augmenter légèrement la concentration. Par contre, d'autres facteurs tels que l'angle d'inclinaison et l'ombre du collecteur 51 sur le réflecteur 31 (surtout en été) réduisent la concentration effective que l'on peut atteindre pour différentes hauteurs du soleil. Un autre facteur important qui sera examiné en détail dans la suite est le degré de coïncidence entre la surface de captage du collecteur 51 et la zone de convergence de l'énergie solaire créée par le réflecteur 31. The pivot axes of the arms 45 are horizontal in east-west planes and can be located above, below or at the surface of the reflector-concentrator 31 with a minimal effect on the efficiency of the assembly. We see in fig. 3 that the axes of the arms 45 rotate in bearings 81c mounted under the reflecting surface 31. In the illustrated embodiment, the "concentration factor", that is to say the ratio of the surface in plan (chord x length) of the reflector 31 and the effective area of the collector 51 is of the order of 15 to 1. This factor represents the theoretical maximum concentration which can be achieved with a reflector-collector assembly, but in the case of a battery of such sets, stray reflections from adjacent reflectors may slightly increase the concentration. On the other hand, other factors such as the angle of inclination and the shade of the collector 51 on the reflector 31 (especially in summer) reduce the effective concentration which can be reached for different heights of the sun. Another important factor which will be examined in detail below is the degree of coincidence between the collector surface of the collector 51 and the zone of convergence of the solar energy created by the reflector 31.
Les bras pivotant 45 sont de préférence reliés par des bielles horizontales 71 qui assurent un positionnement simultané de tous les collecteurs 51 par rapport aux réflecteurs associés. L'ensemble constitué par la bielle horizontale 71, les bras pivotant 45, la bras 81 et une poutre fixe 101 forme un paral5 The pivoting arms 45 are preferably connected by horizontal connecting rods 71 which ensure simultaneous positioning of all the collectors 51 relative to the associated reflectors. The assembly constituted by the horizontal rod 71, the pivoting arms 45, the arm 81 and a fixed beam 101 forms a paral5
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lélogramme déformable qui peut être commandé par le bras 81 solidaire d'un tube de torsion horizontal 91 et d'un petit bras 81d dirigé vers le bas. L'axe de pivotment 81a du bras 81 est supporté par une pièce de renfort 83 qui est fixé à une partie de la structure 101. Les mouvements du bras 81 sont commandés par un vérin à vis 84 qui est articulé entre un point fixe 83a et l'extrémité 83b du bras 81d. Le vérin 84 est de préférence un vérin à recirculation de billes commandé par un moteur M. the deformable logram which can be controlled by the arm 81 secured to a horizontal torsion tube 91 and a small arm 81d directed downwards. The pivot axis 81a of the arm 81 is supported by a reinforcement piece 83 which is fixed to a part of the structure 101. The movements of the arm 81 are controlled by a screw jack 84 which is articulated between a fixed point 83a and the end 83b of the arm 81d. The cylinder 84 is preferably a recirculating ball cylinder controlled by a motor M.
On voit sur la fig. 3 que l'extrémité supérieure du bras 81 est articulée en 81b sur la bielle 71 et que sa longueur est la même que celle des bras porteurs 45. L'ensemble constitue donc un parallélogramme déformable. We see in fig. 3 that the upper end of the arm 81 is articulated at 81b on the connecting rod 71 and that its length is the same as that of the support arms 45. The assembly therefore constitutes a deformable parallelogram.
Dans le mode de réalisation des figures 1-3 et 6, les collecteurs 51 sont fixés aux bielles 71 par des boulons 73 et sont donc maintenus horizontaux dans toutes leurs positions angulaires. Cette disposition est avantageuse car elle permet de réduire les pertes de chaleur au niveau du collecteur, notamment les pertes par convection qui augmentent lorsque la face d'entrée du collecteur est inclinée. In the embodiment of Figures 1-3 and 6, the manifolds 51 are fixed to the connecting rods 71 by bolts 73 and are therefore kept horizontal in all their angular positions. This arrangement is advantageous because it makes it possible to reduce the heat losses at the level of the collector, in particular the losses by convection which increase when the inlet face of the collector is inclined.
Les fig. 4 et 6a illustrent une variante dans laquelle les collecteurs 51 sont fixes par rapport aux bras pivotants 345, alors que ces derniers sont articulés en 345b sur la bielle horizontale 371 du parallélogramme. Dans ce cas, les collecteurs 51 sont d'autant plus inclinés que les bras 345 s'écartent de la position verticale. Figs. 4 and 6a illustrate a variant in which the collectors 51 are fixed relative to the pivoting arms 345, while the latter are articulated at 345b on the horizontal rod 371 of the parallelogram. In this case, the collectors 51 are all the more inclined as the arms 345 deviate from the vertical position.
En revenant à la fig. 3, on voit que le réflecteur 31 est constitué de lames de verre métallisé 31a collées sur une structure porteuse incurvée comprenant par exemple une mousse isolante rigide 35 prise en sandwich entre deux tôles cintrées 33 et 37. Ce procédé de construction permet de fabriquer des réflecteurs suffisamment rigides pour résister aux intempéries. Les différentes couches de la structure sandwich sont de préférence collées entre elles et la mousse isolante 35 peut être formée de plusieurs épaisseurs superposées, à moins qu'elle ne soit directement coulée à la courbure désirée. Avec une légère diminution du rendement, on peut supprimer les miroirs 31a à condition de polir convenablement la feuille de métal 33. D'autres constructions de réflecteur pourront être utilisées. Returning to fig. 3, it can be seen that the reflector 31 consists of metallized glass strips 31a bonded to a curved support structure comprising for example a rigid insulating foam 35 sandwiched between two curved sheets 33 and 37. This construction method makes it possible to manufacture reflectors rigid enough to withstand bad weather. The different layers of the sandwich structure are preferably bonded together and the insulating foam 35 can be formed of several superimposed thicknesses, unless it is directly cast at the desired curvature. With a slight decrease in efficiency, the mirrors 31a can be omitted provided that the metal sheet 33 is properly polished. Other reflector constructions can be used.
La fig. 5 illustre une méthode de jonction étanche des bords adjacents de deux réflecteurs 31. Deux profilés complémentaires 41 et 43 qui peuvent être extradés en un métal tel que l'aluminium, le magnésium ou l'acier, sont fixés aux bords adjacents des réflecteurs 31. Le profilé «mâle» 43 forme une arête supérieure 43a entourée d'un joint de caoutchouc 44b qui est reçu dans une gouttière inversée 41a du profilé «femelle» 41. De plus, les profilés 41 et 43 forment le long de leurs bords inférieurs des nervures d'espacement complémentaires 411 et 431. Une bande de caoutchouc 44a est reçue entre les profilés 41,43 au-dessus des nervures 411,431. L'ensemble est serré par des boulons 47,47a de manière à comprimer les joints 44a, 44b. Les bords longitudinaux des réflecteurs 31 sont reçus entre des ailes parallèles obliques 41fu, 41fl et 43fu, 43fl des profilés 41 et 43. Fig. 5 illustrates a method of tightly joining the adjacent edges of two reflectors 31. Two complementary sections 41 and 43 which can be extradited in a metal such as aluminum, magnesium or steel, are fixed to the adjacent edges of the reflectors 31. The “male” section 43 forms an upper edge 43a surrounded by a rubber seal 44b which is received in an inverted gutter 41a of the “female” section 41. In addition, the sections 41 and 43 form, along their lower edges, complementary spacing ribs 411 and 431. A rubber band 44a is received between the sections 41,43 above the ribs 411,431. The assembly is tightened by bolts 47, 47a so as to compress the seals 44a, 44b. The longitudinal edges of the reflectors 31 are received between oblique parallel wings 41fu, 41fl and 43fu, 43fl of the sections 41 and 43.
Chaque collecteur 51 peut comporter deux ou plusieurs tubes 57a, 57b espacés latéralement dans lesquels circule un fluide caloporteur, en général de l'eau ou un gaz. Les tubes 57a, 57b peuvent être le siège de circulations parallèles, mais il est préférable de réaliser une circulation aller et retour en faisant communiquer les deux tubes à l'une des extrémités du collecteur. A l'autre extrémité du collecteur, les tubes 57a, 57b sont reliés par des tuyaux souples 49a, 49b à des conduites de fluide froid et chaud 47a, 47b. Les tuyaux souples 49a et 49b sont de préférence entourés d'une gaine isolante commune 49. Les conduites 47a, 47b desservent en parallèle toute une batterie de collecteurs 51 pour réaliser une circulation à boucles miltiples de fluide caloporteur. Each manifold 51 may comprise two or more tubes 57a, 57b spaced laterally in which a heat transfer fluid circulates, generally water or a gas. The tubes 57a, 57b can be the seat of parallel circulation, but it is preferable to carry out a return circulation by making the two tubes communicate at one of the ends of the collector. At the other end of the manifold, the tubes 57a, 57b are connected by flexible pipes 49a, 49b to cold and hot fluid lines 47a, 47b. The flexible pipes 49a and 49b are preferably surrounded by a common insulating sheath 49. The pipes 47a, 47b serve in parallel a whole battery of collectors 51 to produce circulation with miltiples loops of heat-transfer fluid.
La coupe transversale de la fig. 3a montre que le collecteur 51 contient un élément d'absorption d'énergie 59 qui est tourné vers le bas pour capter les rayons du soleil renvoyés par le réflecteur 31. Pour réduire les pertes, l'élément d'absorption 59 qui contient les tubes de circulation 57a, 57b est de préférence enrobé d'une mousse plastique 55 ou d'une autre matière cellulaire qui est contenue dans une enveloppe extérieure 53, par exemple un profilé de métal extrudé. Le dessous du collecteur 51 est occupé par une plaque transparente 58, de préférence en verre, qui laisse passer les rayons solaires vers l'élément d'absorption 59 dont la face inférieure est nervurée et noircie. On voit que l'élément 59 qui porte les tubes de circulation 57a, 57b, est ancré dans la mousse plastique isolante 55. Des joints souples 56 assurent l'étanchéité entre les bords de la plaque de verre 58 et le profilé 53. Pour assurer un bon transfert de la chaleur, les tubes 57a, 57b doivent être en contact intime avec l'élément d'absorption 59. En pratique, les tubes peuvent être enrobés dans un élément extrudé ou posés dans des rainures longitudinales dont les bords sont ensuite rabattus sur les tubes, comme illustré sur la fig. 3a. The cross section of fig. 3a shows that the collector 51 contains an energy absorption element 59 which is turned downwards to capture the rays of the sun reflected by the reflector 31. To reduce losses, the absorption element 59 which contains the tubes circulation 57a, 57b is preferably coated with a plastic foam 55 or another cellular material which is contained in an outer envelope 53, for example an extruded metal profile. The underside of the collector 51 is occupied by a transparent plate 58, preferably made of glass, which allows the sun's rays to pass towards the absorption element 59, the lower face of which is ribbed and blackened. We see that the element 59 which carries the circulation tubes 57a, 57b, is anchored in the insulating plastic foam 55. Flexible seals 56 seal between the edges of the glass plate 58 and the profile 53. To ensure good heat transfer, the tubes 57a, 57b must be in intimate contact with the absorption element 59. In practice, the tubes can be wrapped in an extruded element or placed in longitudinal grooves whose edges are then folded down on the tubes, as illustrated in fig. 3a.
L'élément 59 a les caractéristiques d'un corps noir et absorbe les rayons solaires qu'il restitue sous forme de chaleur au fluide caloporteur circulant dans les tubes 57a, 57b. Comme indiqué précédemment, la position horizontale du collecteur 51 est la plus favorable à un captage efficace de l'énergie solaire et un bon transfert vers les tubes collecteurs, tout en minimisant les pertes par convection. The element 59 has the characteristics of a black body and absorbs the solar rays which it restores in the form of heat to the heat transfer fluid circulating in the tubes 57a, 57b. As indicated above, the horizontal position of the collector 51 is the most favorable for efficient collection of solar energy and good transfer to the collecting tubes, while minimizing convection losses.
Les conduites de flu de chaud et froid 47a, 47b peuvent être reliées à un système d'utilisation de la chaleur, par exemple un accumulateur et une installation de chauffage et/ou de réfrigération par absorption. En variante, la chaleur recueillie par les collecteurs 51 peut servir à produire un travail en faisant tourner des machines. Avec un système du type décrit, utilisant l'eau comme fluide caloporteur, on peut atteindre des températures de 150°C et plus selon les caractéristiques de l'installa-tions. Ces températures sont très suffisantes pour que le fluide puisse alimenter une installation de chauffage ou de réfrigération par absorption. The hot and cold fluid lines 47a, 47b can be connected to a heat utilization system, for example an accumulator and an absorption heating and / or cooling installation. Alternatively, the heat collected by the collectors 51 can be used to produce work by rotating machines. With a system of the type described, using water as the heat transfer fluid, temperatures of 150 ° C. and above can be reached depending on the characteristics of the installation. These temperatures are very sufficient for the fluid to be able to supply a heating or cooling installation by absorption.
Sur les fig. 7 et 8, les réflecteurs-concentrateurs 31 sont des miroirs concaves partiellement cylindriques constitués de plusieurs segments adjacents SIA, S2 et S1B. Les rayons de courbure RI, R3 des segments extrêmes SIA et S1B sont de préférence égaux et plus courts que le rayon R2 du segment central S2. Ainsi, la courbure plus accentuée des segments SIA et S1B contribue à réduire la largeur de la zone de convergence des rayons solaires que doit intercepter le collecteur 51 pour différents angles d'incidence des rayons solaires. De plus, les réflecteurs adjacents peuvent être reliés par une portion de surface plane pour former un toit ondulé qui peut présenter des avantages esthétiques sur des bâtiments industriels, commerciaux ou résidentiels. Il est cependant évident qu'en s'écartant de la forme idéale, on sacrifie légèrement le rendement de l'installation. In fig. 7 and 8, the reflector-concentrators 31 are partially cylindrical concave mirrors made up of several adjacent segments SIA, S2 and S1B. The radii of curvature RI, R3 of the extreme segments SIA and S1B are preferably equal and shorter than the radius R2 of the central segment S2. Thus, the more pronounced curvature of the segments SIA and S1B contributes to reducing the width of the zone of convergence of the solar rays which the collector 51 must intercept for different angles of incidence of the solar rays. In addition, the adjacent reflectors can be connected by a flat surface portion to form a corrugated roof which can have aesthetic advantages on industrial, commercial or residential buildings. It is however obvious that by deviating from the ideal shape, the efficiency of the installation is slightly sacrificed.
Avec un réflecteur-concentrateur symétrique à triple courbure, comme sur la fig. 7, on peut obtenir une bonne concentration d'énergie solaire sur le collecteur 51 pour différentes positions du soleil. A titre d'exemple, pour une latitude de 28° Nord, la configuration illustrée permet d'obtenir un facteur de concentration variant entre environ 6:1 et 11:1. La fig. 8 illustre schématiquement les zones de convergence ou enveloppes des rayons réfléchis vers le collecteur pour trois époques particulières de l'année. L'enveloppe ESE est obtenue à midi au solstice d'été, l'enveloppe EEQ est obtenue à midi à l'équinoxe de printemps ou d'automne et l'enveloppe ESH est obtenue à midi au solstice d'hiver. Dans ces trois cas particuliers, les surfaces de réflexion utiles du miroir 31 sont respectivement SESM, SEF/SM et SEWM sur le diagramme de la fig. 8. With a symmetrical reflector-concentrator with triple curvature, as in fig. 7, a good concentration of solar energy can be obtained on the collector 51 for different positions of the sun. For example, for a latitude of 28 ° North, the illustrated configuration makes it possible to obtain a concentration factor varying between approximately 6: 1 and 11: 1. Fig. 8 schematically illustrates the convergence zones or envelopes of the rays reflected towards the collector for three particular times of the year. The ESE envelope is obtained at noon at the summer solstice, the EEQ envelope is obtained at noon at the spring or fall equinox and the ESH envelope is obtained at noon at the winter solstice. In these three particular cases, the useful reflection surfaces of the mirror 31 are respectively SESM, SEF / SM and SEWM in the diagram of FIG. 8.
s s
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
5 5
619 530 619,530
Dans le cas d'une implantation à 28° de latitude, le système de la fig. 7 peut avoir les dimensions relatives suivantes: In the case of an installation at 28 ° latitude, the system of FIG. 7 can have the following relative dimensions:
Rayons RI et R3 des arcs extrêmes SIA et S1B RI and R3 radii of the SIA and S1B extreme arcs
du réflecteur reflector
62 62
unités units
Rayons R2 de l'are central S2 Rays R2 from central area S2
81 81
unités units
Largeur effective L du collecteur 51 Effective width L of manifold 51
6 6
unités units
Longueur du bras pivotant 45 Swivel arm length 45
40,75 40.75
unités units
Dimension a Dimension a
24 24
unités units
Dimensions b, c Dimensions b, c
21 21
unités units
Dimension d Dimension d
24 24
unités units
Dimension e Dimension e
15,3 15.3
unités units
Dimension f Dimension f
6,25 6.25
unités units
Dimension g Dimension g
4 4
unités units
Arcs SIA etSIB SIA andSIB arcs
27 27
unités units
ArcS2 ArcS2
43 43
unités units
Hauteur minimale utile du soleil, angle MNS Minimum useful height of the sun, MNS angle
17 17
degrés degrees
Hauteur maximale utile du soleil, angle MXS Maximum useful height of the sun, MXS angle
104 104
degrés degrees
Angle minimal MMC de l'ensemble collecteur Minimum angle MMC of the manifold assembly
51, bras 45 pour la hauteur maximale du 51, arm 45 for the maximum height of the
soleil (environ 104 degrés) sun (about 104 degrees)
7 7
degrés degrees
Angle maximal MXC de l'ensemble collecteur Maximum angle MXC of the manifold assembly
51, bras 45 pour la hauteur minimale utile 51, arm 45 for the minimum useful height
du soleil (environ 18 degrés) from the sun (about 18 degrees)
147 147
degrés degrees
Pour d'autres latitudes, particulièrement entre 0 et 40 ou 50°, les mêmes dimensions peuvent être conservées pour le réflecteur, mais il faut modifier la longueur du bras 45 et la position de son axe de pivotement 45a. Ces paramètres peuvent être déterminés graphiquement à partir de la forme du réflecteur et des hauteurs du soleil pour la latitude considérée. On peut ainsi choisir la trajectoire optimale pour le collecteur 51, ce qui permet ensuite de déterminer la longueur du bras 45 et la position de son axe 45a. Par exemple, pour une latitude de 39° N, la longueur du bras 45 est réduite à 32 unités, la dimension f devient 21 unités et la dimension g devient nulle. Un tel dispositif assure une concentration optimale de l'énergie solaire sur le collecteur à toute heure de la journée et à toute époque de l'année. For other latitudes, particularly between 0 and 40 or 50 °, the same dimensions can be kept for the reflector, but the length of the arm 45 and the position of its pivot axis 45a must be modified. These parameters can be determined graphically from the shape of the reflector and the heights of the sun for the latitude considered. It is thus possible to choose the optimal trajectory for the collector 51, which then makes it possible to determine the length of the arm 45 and the position of its axis 45a. For example, for a latitude of 39 ° N, the length of the arm 45 is reduced to 32 units, the dimension f becomes 21 units and the dimension g becomes zero. Such a device ensures optimum concentration of solar energy on the collector at all hours of the day and at all times of the year.
La position idéale du collecteur 51 pour chaque hauteur du soleil peut être déterminée avec précision pour un réflecteur de profil donné soit par ime résolution graphique empirique, The ideal position of the collector 51 for each height of the sun can be determined with precision for a given profile reflector either by an empirical graphic resolution,
soit à l'aide d'un ordinateur ou d'un autre instrument d'analyse mathématique de l'enveloppe de convergence des rayons réfléchis. On arrive ainsi à optimiser la position du collecteur pour intercepter un maximum de rayons solaires à toutes les hauteurs du soleil pour une latitude donnée. Le positionnement des bras 45 et des collecteurs peut être commandé par un programme ou par un asservissement basé sur l'énergie reçue par le collecteur. Un tel système est par exemple décrit dans la demande de brevet des E.-U.A. no 525 545. Tous les réflecteurs 31 ayant de préférence des courbures identiques, tous les collecteurs mobiles 51 peuvent être actionnés par un mécanisme commun. Pour réaliser une boucle d'asservissement, on peut monter un ou plusieurs capteurs d'énergie sur les collecteurs 51. On pourrait aussi commander individuellement le positionnement de chaque collecteur 51, mais ce n'est pas souhaitable pour des raisons pratiques et économiques. either using a computer or another instrument for mathematical analysis of the envelope of convergence of the reflected rays. We thus manage to optimize the position of the collector to intercept a maximum of solar rays at all heights of the sun for a given latitude. The positioning of the arms 45 and of the collectors can be controlled by a program or by a control based on the energy received by the collector. Such a system is for example described in the patent application of the USA. No. 525 545. All the reflectors 31 preferably having identical curvatures, all the mobile collectors 51 can be actuated by a common mechanism. To make a servo loop, one or more energy sensors can be mounted on the collectors 51. One could also individually control the positioning of each collector 51, but this is not desirable for practical and economic reasons.
Pour réaliser un raccordement sans discontinuité des arcs SIA, S2 et S1B, il suffit qu'ils aient des tangentes communes aux points de raccordement, ce qui revient à dire que les centres R1C et R2C doivent se trouver sur un même rayon et que les centres R2C et R3C doivent se trouver sur un même rayon. To make a seamless connection of the arcs SIA, S2 and S1B, it suffices that they have tangents common to the connection points, which amounts to saying that the centers R1C and R2C must be on the same radius and that the centers R2C and R3C must be on the same radius.
On a vu précédemment que les zones de réflexion utiles de la fig. 8 correspondent pour un lieu dont la latitude est environ 28°, à l'éclairement solaire à midi au solstice d'hiver, au solstice d'été et aux équinoxes de printemps et d'automne. L'expérience a montré qu'on obtenait un bon facteur de concentration pendant les périodes de fort ensoleillement de chaque jour de l'année en employant un réflecteur à au moins trois arcs de rayons différents, c'est à dire de plus en plus petits au fur et à mesure qu'on s'écarte de l'arc central. Dans l'exemple illustré, un réflecteur à trois arcs donne des résultats satisfaisants. On voit sur la fig. 8 qu'un tel réflecteur ne donne jamais une ligne focale unique, mais plutôt des zones de convergence dont la forme, les dimensions et la position varient avec la hauteur du soleil sur l'horizon qui dépend elle-même de l'heure du jour et de la saison. A cet égard, l'examen des positions du soleil pour le lieu choisi de 28° de latitude Nord met clairement en évidence les contraintes imposées au système pour certains jours de l'année. Comme indiqué sur la fig. 8, ces zones sont les amplitudes diurnes du mouvement de pivotement des bras 45 et des collecteurs 51. On notera que le réflecteur peut et doit pouvoir fonctionner pour une culmination du soleil au-delà du zénith, ce qui se poursuit dans la bande intertropicale. La forme des réflecteurs doit également tenir compte de l'obliquité des rayons solaires par rapport au plan du méridien, c'est-à-dire de leur inclinaison dans le plan vertical est-ouest. En pratique, il suffit que les réflecteurs 31 et les collecteurs 51 aient une longueur relativement grande par rapport à la distance qui sépare les collecteurs des réflecteurs. We have previously seen that the useful reflection zones of FIG. 8 correspond for a place whose latitude is around 28 °, with solar illumination at noon at the winter solstice, the summer solstice and the spring and autumn equinoxes. Experience has shown that a good concentration factor is obtained during the periods of strong sunshine of each day of the year by using a reflector with at least three arcs of different radii, ie smaller and smaller as we move away from the central arch. In the example illustrated, a three-arc reflector gives satisfactory results. We see in fig. 8 that such a reflector never gives a single focal line, but rather areas of convergence whose shape, dimensions and position vary with the height of the sun on the horizon which itself depends on the time of day and the season. In this regard, the examination of the positions of the sun for the chosen place of 28 ° north latitude clearly highlights the constraints imposed on the system for certain days of the year. As shown in fig. 8, these zones are the daytime amplitudes of the pivoting movement of the arms 45 and of the collectors 51. It will be noted that the reflector can and must be able to operate for a peak of the sun beyond the zenith, which continues in the intertropical band. The shape of the reflectors must also take into account the obliquity of the sun's rays relative to the plane of the meridian, that is to say their inclination in the vertical east-west plane. In practice, it suffices that the reflectors 31 and the collectors 51 have a relatively large length relative to the distance which separates the collectors from the reflectors.
A l'approche des équinoxes de printemps et d'automne, l'amplitude diurne du mouvement angulaire des bras 45 et des collecteurs 51 diminue et devient nulle au jour précis de l'équi-noxe où le soleil se lève et se couche dans le plan est-ouest qui contient les axes des réflecteurs. L'angle de hauteur du soleil mesuré dans le plan vertical du méridien reste constant toute la journée. With the approach of the spring and autumn equinoxes, the diurnal amplitude of the angular movement of the arms 45 and the collectors 51 decreases and becomes zero on the precise day of the equinox where the sun rises and sets in the east-west plane which contains the axes of the reflectors. The height angle of the sun measured in the vertical plane of the meridian remains constant throughout the day.
Dans le mode de réalisation illustré, le facteur d'amplification ou de concentration de l'énergie solaire varie avec l'angle de hauteur du soleil. Ce facteur dépend du degré de coïncidence du collecteur et de la zone de convergence de l'énergie solaire réfléchie pour un angle de hauteur donné. D est donc important de maximiser cette coïncidence pour toutes les positions angulaires du soleil et des ensembles collecteur 51, bras 45. In the illustrated embodiment, the amplification or concentration factor of solar energy varies with the height angle of the sun. This factor depends on the degree of coincidence of the collector and the area of convergence of the reflected solar energy for a given height angle. It is therefore important to maximize this coincidence for all the angular positions of the sun and of the collector 51, arm 45 assemblies.
Ce problème peut être résolu en montant les pivots des bras 45 à proximité de la surface du réflecteur, de préférence en dessous de cette dernière. Le collecteur 51 peut ainsi intercepter un maximum de rayons passant dans la zone de convergence. Sur les figures, l'axe d'articulation des bras 45 est légèrement plus bas que la surface réflectrice du réflecteur 31 et est décentré dans une direction opposée à l'équateur d'une distance f qui est fonction de la latitude du lieu. On peut cependant adopter d'autres dispositions avec un axe de pivotement situé dans la surface réflectrice ou légèrement au-dessus. This problem can be solved by mounting the pivots of the arms 45 near the surface of the reflector, preferably below the latter. The collector 51 can thus intercept a maximum of rays passing through the convergence zone. In the figures, the axis of articulation of the arms 45 is slightly lower than the reflective surface of the reflector 31 and is off-center in a direction opposite to the equator by a distance f which is a function of the latitude of the place. However, other arrangements can be made with a pivot axis located in the reflective surface or slightly above it.
Sur la fig. 2, les bras 45 disposés entre les deux patries de réflecteur 31 sont communs aux deux réflecteurs alignés 51. Dans la modification de la fig. 2a, les bras communs sont remplacés par deux bras indépendants 245 qui portent chacun l'un des réflecteurs 51 associés aux deux batteries de réflecteurs. Dans ce cas, seul le tube de torsion 91 est commun aux deux batteries et commande les déformations des parallélogrammes 45, 81, 71,245, 271, 81, 245, 271, 81, etc., à chaque extrémité des groupes de collecteurs 51. In fig. 2, the arms 45 disposed between the two reflector lands 31 are common to the two aligned reflectors 51. In the modification of FIG. 2a, the common arms are replaced by two independent arms 245 which each carry one of the reflectors 51 associated with the two banks of reflectors. In this case, only the torsion tube 91 is common to the two batteries and controls the deformations of the parallelograms 45, 81, 71, 245, 271, 81, 245, 271, 81, etc., at each end of the groups of collectors 51.
Il est évident que les dessins n'ont qu'un caractère d'illustration et qu'ils ne sont généralement pas à l'échelle, sauf pour la fig. 7 qui l'est partiellement. Cette remarque s'applique également aux zones de réflexion et de convergence de la lumière solaire qui sont représentées uniquement pour faciliter la compréhension du principe et du fonctionnement de l'invention. It is obvious that the drawings are only illustrative and that they are not generally to scale, except for fig. 7 which is partially so. This remark also applies to the reflection and convergence zones of sunlight which are shown only to facilitate understanding of the principle and the operation of the invention.
De plus, l'exemple décrit et illustré, notamment sur la fig. 7, correspond à un lieu dont la latitude est 28°. Les facteurs de concentration sont en outre optimisés pour l'été, le printemps et l'automne au détriment de la période d'hiver car sous ces s In addition, the example described and illustrated, in particular in FIG. 7, corresponds to a place whose latitude is 28 °. The concentration factors are also optimized for summer, spring and autumn at the expense of the winter period because under these s
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
SO SO
55 55
60 60
65 65
619530 619530
6 6
latitudes, les besoins énergétiques du conditionnement d'air sont importants en période chaude. Le rendement en hiver est cependant suffisant pour assurer un chauffage efficace pendant la majeure partie de la saison. latitudes, the energy needs of air conditioning are important in hot weather. The winter yield is however sufficient to ensure efficient heating for most of the season.
En variante, on peut utiliser un réflecteur unique ou multiple monté ou non sur le toit d'un bâtiment, bien que la solution proposée soit particulièrement avantageuse. On peut également modifier le mécanisme de positionnement des collecteurs à condition de respecter les principes précédemment Alternatively, a single or multiple reflector may or may not be mounted on the roof of a building, although the proposed solution is particularly advantageous. The positioning mechanism of the collectors can also be modified, provided that the above principles are respected.
énoncés. En ce qui concerne la forme des réflecteurs, on peut utiliser des rayons plus nombreux diminuant lorsqu'on s'écarte de l'arc central, ou même un rayon évoluant de manière continue du centre vers les bords du réflecteur. Cependant, s cette dernière solution complique sensiblement la fabrication des réflecteurs et n'offre pas d'avantages marquants en contrepartie. Le meilleur compromis est celui qui a été décrit avec trois arcs de courbure. statements. As regards the shape of the reflectors, it is possible to use more numerous radii which decrease as one moves away from the central arc, or even a ray evolving continuously from the center towards the edges of the reflector. However, the latter solution considerably complicates the manufacture of the reflectors and does not offer any significant advantages in return. The best compromise is that which has been described with three arcs of curvature.
B B
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