WO2013079824A1 - Héliostat pourvu d'un dispositif pour l'actionner selon deux axes avec un seul moteur - Google Patents

Héliostat pourvu d'un dispositif pour l'actionner selon deux axes avec un seul moteur Download PDF

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Definitions

  • Heliostat equipped with a device to operate it along two axes with a single motor
  • the present invention relates to the mechanical drive devices of heliostats.
  • a heliostats field has the function of directing the sun rays received by each heliostat to a single target. The accumulation of all the radiation reflected towards the target then produces a concentration of solar radiation on the target.
  • the target may be a solar photovoltaic or thermal or chemical sensor.
  • Each heliostat known in the current state of the art comprises a movable mirror which pivots around two axes of rotation to follow the position of the sun in its diurnal movement and in its seasonal movement. Since the relative positions of the target and the sun are different for each heliostat of a heliostatic field, each heliostat must angularly position its two axes of rotation in a different manner from one heliostat to the other.
  • An object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks of heliostats according to the state of the art, and thus to further simplify the mechanical transmissions and to reduce the number of motors and mechanical links necessary for the operation of a group of heliostats, to reduce the overall operating cost of a heliostats field and increase the reliability of the whole.
  • Another particular object of the invention is to propose a device enabling simultaneous or alternating rotation of the two axes of rotation of a heliostat with a single motor.
  • Another object of the invention is to allow a more reliable positioning of each heliostat mirror, despite the simplification provided to the mechanisms of motorization and actuation of the mirrors.
  • the aims are achieved by a heliostat or a group of heliostats according to the invention.
  • the object of the invention therefore consists of a heliostat comprising a movable mirror having its front face oriented towards the sun and being actuated in rotation by a first actuating means around a first axis of rotation, while being adapted to pivoting under the effect of a second actuating means about a second axis of rotation perpendicular to said first axis of rotation.
  • Said first and second actuating means are selectively controlled by a transmission driven by a single motor.
  • selective control of the actuating means is meant that said transmission is configured so that it can be coupled alternately to the first actuating means and the second actuating means, or simultaneously to the first and second actuating means. .
  • the first and second actuating means are arranged in such a way that when they are coupled together to the single motor by said transmission, the mirror is rotated about said first axis of rotation, but is held fixed with respect to said second axis of rotation.
  • first and second actuating means are arranged so that when they are separately coupled to the single motor by said transmission, the mirror pivots in one direction or the other around the second axis of rotation.
  • the mirror rotates around the first axis of rotation. rotation by maintaining constant the inclination of the plane of the mirror relative to the axis of rotation of the earth, which corresponds to the normal movement of the mirror for a day.
  • This operating phase is typically of short duration and corresponds to the adjustment, for example daily, of the inclination of the mirror relative to the main axis of rotation corresponding to the axis of rotation of the earth.
  • the invention proposes a advantageous configuration of the first and second means for actuating the mirror.
  • the first actuating means comprise a hollow tube whose one end is pivotally connected to the rear face of the mirror, and the other end of which is secured to a toothed wheel capable of being actuated in rotation by the transmission
  • the second actuating means comprise a threaded rod rotatably mounted inside said hollow tube and coaxial with it, said threaded rod being provided with a nut held fixed in rotation and connected to the mirror by a link.
  • the threaded rod is rotatable by the transmission, so that the longitudinal displacement of the nut along the threaded rod causes the inclination of the mirror about the second axis of rotation.
  • the hollow tube has a longitudinal slot through which extends a flange integral with the nut and connected to said link.
  • the ends of the slot act as stops for the longitudinal displacement of the nut on the threaded rod, and therefore for the angular displacement of the mirror about the second axis of rotation.
  • the rotation of the hollow tube and the threaded rod are in the same direction and at the same speed.
  • the rotation speed differential is transposed at the nut in a longitudinal movement along the threaded rod, which has the effect of actuating the rod and to tilt the mirror around its secondary axis of rotation.
  • the threaded rod and the hollow tube are coaxial.
  • the transmission actuating in rotation the hollow tube and the threaded rod comprises, on the one hand, two respective coaxial gearwheels and integral in rotation with the ends of the hollow tube and the threaded rod which are opposite to the mirror, and on the other hand, two endless screws each meshing with one of the two toothed wheels, and which are susceptible of on the other hand, to engage separately or together with a drive gear connected to the motor shaft, under the action of gear drive control means.
  • the first axis of rotation of the mirror will make it possible to follow the position of the sun in azimuth and the second in height.
  • the two driven gears are parallel to each other and their axes of rotation are concentric, so that when their rotational speeds are identical and in the same direction, the nut remains fixed and the mirror rotates only about its first axis. rotation which is that of the movement in azimuth.
  • the nut moves respectively in one direction or the other and causes the mirror to pivot in one direction or the other along its second axis. rotation, this to follow the movement of the sun in its movement in height.
  • FIG. 1 to 5 illustrate the invention.
  • Figure 1 is a sectional diagram of a heliostat provided with its means of action nEMENT.
  • Figure 2 is a block diagram showing the simultaneous actuation of a plurality of heliostats.
  • Figures 3A, 3B and 3C show the selective gearing of the transmission, in its three modes of operation.
  • Figure 4 is a schematic sectional diagram of a heliostat according to the invention, associated with a fixed mirror and a target.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view associating several heliostats and fixed mirrors according to FIG. 4 and illustrating the phenomenon of solar concentration when heliostats according to FIG. 4 are aligned.
  • a heliostat H comprises a mirror (1) which is movable about two axes of rotation (4.2) which are perpendicular to each other, namely preferably a first axis or main axis (4) parallel to the axis of rotation of the earth and materialized by a tube (3), and a second axis (2) in a plane perpendicular to the first axis.
  • the rotation of the tube (3) around the first axis of rotation (4) is done by a drive device which comprises a mechanical transmission (13) coupled to a motor (not shown).
  • the transmission (13) comprises a first worm (15) which drives a toothed wheel (17) integral with the tube (3) and perpendicular thereto.
  • the rotation of the toothed wheel (17) therefore causes the rotation of the tube (3) and the mirror (1) which is integral therewith.
  • the tube (3) is hollow, and an opening in the form of an elongated slot is made there.
  • the rotation of the mirror around the second axis (2) of rotation is also done by means of a drive comprising the transmission (13) and a second worm (14) which drives a toothed wheel ( 16) which is integral and perpendicular to a threaded rod (19), this threaded rod (19) taking place inside and along the tube (3).
  • a portion of flange-shaped, preferably flat, extends through the slot in the hollow tube (3), in order to prohibit the rotating the nut (18) and causing it to move along the threaded rod (19) when the latter is rotating.
  • the flange of the nut (18) is connected to the back of the mirror by a rod (20) rigid so that the displacement of the nut (18) sliding along the slot causes the pivoting of the mirror (1) around its second axis (2) of rotation.
  • the two gears (16,17) of the transmission (13) are parallel to each other and their axes of rotation are concentric and coincide with the axis of rotation (4) of the hollow tube (3), so that when their rotational speeds are identical, the nut (18) remains fixed and the mirror (1) rotates only about its first axis (4) of rotation which is that of the azimuth movement.
  • the nut (18) moves respectively in one direction or the other along the threaded rod ( 19) and causes the mirror (1) to pivot in one direction or the other depending on its second axis (2) of rotation, this to follow the movement of the sun in its movement in height.
  • the transmission (13) comprises for example a worm (14,15) for each toothed wheel (16,17).
  • a worm 14,15
  • One of the ends of each worm is rotated by a selective gear having a drive gear (2) as shown in Figures 3A, 3B, 3C.
  • FIGS. 3A, 3B, 3C show, in three different positions, this selective gearing (21) which consists of a main gearwheel (22) actuated by a motor (not shown) and two driven gears (1, 2 ) each of which is secured to one of the two worm (14,15).
  • the main or drive gear (22) is displaceably mounted by a control system (not shown), either to couple with the first gear (RI) or to couple with the second gear ( R2), or to couple with the two gears (R1, R2) at the same time.
  • the rotation of the toothed wheel (RI) drives that of the worm (15) and the toothed wheel (17) which actuates in rotation the hollow tube (3) and the mirror (1).
  • the mirror (1) follows well the continuous displacement of the sun in azimuth.
  • the difference in the number of laps traveled between the two wheels (R1, R2) is either positive or negative, ie one of the two wheels can get ahead of the other, which then leads to advance or retreat of the nut (18).
  • the nut (18) can also remain stationary simply by requiring the two wheels (R1, R2) to rotate at the same speed.
  • the first axis of rotation (4) is parallel to the axis of rotation of the Earth, that is to say directed towards the pole star (5).
  • the principle can be extended to a plurality of heliostats according to the invention as shown schematically in FIG. 2. These multiple heliostats all have their first axes of rotation (4) parallel to one another and all these heliostats are preferably arranged in a row. East / West oriented.
  • These two worms (14,15) of great length are preferably controlled by a single selective gear (21) and a single motor (not shown), which allows the simultaneous rotation and in an identical manner of all heliostats. This allows a precise and identical positioning of all heliostats, minimizing the actuation mechanism and the motorization of the assembly.
  • all the heliostats redirect the solar radiation along the axis of rotation of the Earth (4), that is to say in the direction of the pole star (5).
  • the rotation of the various hollow tubes (3) of the different heliostats will then be at a constant speed around the axis (4), and will be equal to one turn per day, or a turn in 23h56mn.
  • each mirror around the second axis of rotation (2) will be used to follow the sun in its seasonal movement, 12 degrees above and 12 degrees below the celestial equator, which corresponds to an average speed 4 degrees per month around the seasonal axis (2).
  • the selective gear (21) operates most of the time with equal rotational speeds (FIG. 3C) for the two worms (14, 15), and operates with different speeds (FIGS. 3A, 3B) only during short periods corresponding to the catching up of the seasonal movement of the sun.
  • This feature drastically reduces the operating time of the selective gear (21) and thereby reduce the wear of the parts and the energy expended for this operation.
  • a variant (not illustrated) of the embodiment illustrated in FIG. 2 consists in actuating each heliostat around its second axis (2) by a local mechanism, without remote mechanical transmission, so without the long end screw (14). This can easily be achieved by storing in a battery or supercapacitor the electrical energy produced by a photovoltaic cell attached to each heliostat, and then using this electrical energy to drive a local motor to rotate the toothed wheel (16). each heliostat, which will cause the displacement of the nut (18) and the pivoting of the mirror (1) around its second axis (2).
  • the motor may consist of two electromagnets which, under the effect of a few electrical pulses, will set the gearwheel (16) in motion. either in one direction or the other, depending on the electromagnet to be chosen.
  • the starting instructions of the motor located on the heliostat or electromagnets can be preferably remote remotes that will use for example radio waves.
  • a second variant of this embodiment is to position the motor or the electromagnets directly at the level of the rod (20) for positioning the mirror (1) so as to lengthen or shorten its length, which will cause the desired tilting mirror (1) around its second axis of rotation (2).
  • each heliostat may usefully be associated with a fixed mirror (12) arranged to reflect solar radiation (7) always towards the same target (10).
  • Each heliostat comprises in this case two mirrors (1,12), namely a first mirror (1) movable about a first axis of rotation (4) which is oriented North / South and inclined at an angle h relative to the horizontal. This angle h equals the latitude of the geographic location of the facility. More precisely this axis of rotation (4) is parallel to the axis of rotation of the Earth (4) and is therefore directed approximately to the pole star (5).
  • the second axis of rotation (2) of the first mirror (1) is perpendicular to the first axis of rotation (4).
  • This first mirror (1) is adjusted so that that the incident solar rays (7) are reflected in the same direction as its first axis of rotation (4), that is to say toward the pole star (5).
  • the solar beam reflected (8) by the first mirror (1) keeps its orientation during the daily movement of the sun (6), simply by rotating the first mirror (1) around its first axis of rotation ( 4) with a constant speed of one turn per day, which corresponds to the apparent speed of rotation of the sun around the Earth.
  • the second axis of rotation (2) of this first mirror (1) pivots in one year at an angle of plus or minus 12 ° around its median position set for the equinox.
  • the total deviation of a ray by reflection on a mirror is twice its incidence angle measured relative to the perpendicular of the mirror.
  • the speed of rotation of the mirror (1) around this second axis (2) is not constant, it follows a sinusoidal progression known to those skilled in the art.
  • the second mirror (12) is positioned to receive reflected solar radiation (8) from the first mirror (1).
  • This second mirror (12) is fixed and permanently oriented so as to reflect the solar radiation (9) towards the target (10).
  • the orientation of the mirror (12) can be done for example by two axes of rotation perpendicular to each other or through a ball joint (11).
  • a plurality of heliostats according to FIG. 4 are aligned, preferably along an East / West axis and so that all the first mirrors ( 1), all the first axes (4) and all the second axes (2) are parallel to each other.
  • the rotation of the movable mirrors (1) around their main axes (4) and respective secondary axes (2) is done by means of transmissions (13) actuated by a motor, as explained in connection with FIG. used is of any suitable type chosen by the skilled person, electric or not, with wired or wireless controls, or by a potential energy engine, gravitational or mechanical.
  • the concentration effect is increased by increasing the number of heliostats, which is made possible, for example, by putting several lines of heliostats in parallel.
  • the rotations of all the first mirrors (1) are identical and are transmitted from one row to another by a mechanical transmission device (not shown) such as, for example, toothed wheels, pulleys, and / or belts.
  • a Fresnel lens is positioned either between the fixed mirror (12) and the target (10), or between the first mirror (1) and the second mirror (12), which makes it possible to obtain high solar concentrations on the target (10) with a single heliostat.
  • the target (10) is fixed and is close to the focal length of the Fresnel lens, which is ideal for example to design a well-secured solar cooker.
  • a heliostat is composed of a plane mirror (1) 1.50 m long by 1.0 m wide and two perpendicular axes of rotation.
  • the first axis of rotation (4) is materialized by a hollow tube (3) 1.60 m long and 4 cm in diameter oriented towards the pole star (5).
  • the second axis of rotation (2) is materialized by a hollow tube 3 cm in diameter welded at right angles to the first hollow tube (3).
  • the back of the mirror (1) has two opposing brackets pierced by two circular holes of 3 cm in diameter within which take place the ends of the second axis of rotation thus allowing the rotation of the mirror about this axis.
  • a threaded rod (19) of 10 mm in diameter which abuts the closed end of the tube (3).
  • This tube (3) is pierced at its center with a slot of 3 mm wide and 40 cm in length.
  • a nut (18) of 10 mm inside diameter surmounted by a flange 2 mm thick is threaded into the coaxial threaded rod (19) so that the flange protrudes from the tube (3) through the slot.
  • This flange is connected by a link (20) to one end of the mirror.
  • the end of the coaxial threaded rod (19) and the end of the tube (3) are each fixed at the center of two toothed wheels 11 cm in diameter and 120 teeth. These two gear wheels (16,17) are concentric and parallel to each other.
  • a selective gear (21) contains the two worms (14, 15) which terminate in two gears (R1, R2) separated by a third selection wheel (22).
  • This selection wheel (22) is rotated by means of a rotary electric motor and a reduction of its speed so as to reach rotational speeds close to a quarter of revolutions per minute.
  • This speed is calculated to allow the first tube (3) to perform a complete turn in 23h56mn and therefore to follow the sun in its daily movement, which is the case when the selection wheel (22) is positioned against the two wheels teeth (R1, R2) and drives them at the same speed (configuration of Figure 3C), which causes the rotation of the mirror about the first axis (4) but annihilates its rotation about the second axis (2).
  • the selection wheel (22) is positioned only on the wheel RI or the wheel R2 so as to cause the rotation of the mirror about its second axis (2) by an angle of about 1 degree which allows to follow the sun in its seasonal movement.
  • the invention meets the stated goals. It proposes a heliostat provided with means for actuating the mirror around two axes, using a single motor. This principle is easily applicable to a solar power plant comprising a plurality of heliostats and actuated by a single motor and simple but innovative mechanical couplings, which will reduce the overall cost of the installation, while increasing the accuracy and reliability of the system. positioning mirrors.

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Abstract

L'invention concerne un héliostat (H) comportant un miroir (1) orienté vers le soleil et actionné en rotation par un premier moyen d'actionnement (3) autour d'un premier axe de rotation (4), et apte à pivoter sous l'effet d'un second moyen d'actionnement (18,19,20) autour d'un second axe de rotation (2) perpendiculaire audit premier axe de rotation (4), caractérisé en ce que lesdits premier et second moyens d'actionnement sont commandés sélectivement par une transmission (13) entraînée par un moteur unique. Les premiers et seconds moyens d'actionnement sont agencés de manière à ce que lorsqu'ils sont couplés ensemble au moteur unique par ladite transmission (13), ledit miroir (1) est entraîné en rotation autour dudit premier axe de rotation (4), et ledit miroir est maintenu fixe par rapport audit second axe de rotation (2).

Description

Héliostat pourvu d'un dispositif pour l'actionner selon deux axes avec un seul moteur
La présente invention concerne les dispositifs d'entraînement mécanique des héliostats. En général un champ d'héliostats a pour fonction de diriger les rayons du soleil reçus par chaque héliostat vers une cible unique. L'accumulation de tous les rayonnements réfléchis vers la cible produit alors une concentration du rayonnement solaire sur la cible. La cible peut être un capteur solaire photovoltaïque ou thermique ou chimique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Chaque héliostat connu dans l'état actuel de la technique comprend un miroir mobile qui pivote autour de deux axes de rotation pour suivre la position du soleil dans son déplacement diurne et dans son déplacement saisonnier. Comme les positions relatives de la cible et du soleil sont différentes pour chaque héliostat d'un champ d'héliostats, chaque héliostat doit positionner angulairement ses deux axes de rotation d'une manière différente d'un héliostat à l'autre.
La solution la plus courante consiste à rendre tous les héliostats totalement indépendants les uns des autres d'un point de vue mécanique, chacun d'entre eux recevant des consignes différentes de positionnement et de rotation en fonction de sa position par rapport à la cible. Cette solution connue nécessite alors d'utiliser deux moteurs par héliostat et un calculateur astronomique pour déterminer la position idéale du miroir mobile de chaque héliostat en fonction de la position du soleil et de la cible. Cette pluralité de moteurs et de dispositifs de commande entraine un coût important et des problèmes de maintenance qui pèsent sur l'exploitation d'un champ d'héliostats.
Au-delà de la solution la plus courante, on connaît également quelques dispositifs particuliers de couplage mécanique des héliostats entre eux. Ces dispositifs permettent à plusieurs axes de rotation correspondant à plusieurs héliostats d'être entraînés en même temps et de la même manière, ce qui limite le nombre de moteurs, simplifie les calculs de positionnement et diminue donc le coût global de l'investissement initial.
Mais les procédés mécaniques connus ne résolvent que partiellement le problème posé, et ils peuvent encore être à la fois améliorés en ce qui concerne le positionnement de chaque miroir, tout en étant simplifiés, ce qui paraît contradictoire.
BUT DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités des héliostats selon l'état de la technique, et donc de simplifier encore les transmissions mécaniques et de réduire le nombre de moteurs et de liaisons mécaniques nécessaires au fonctionnement d'un groupe d'héliostats, afin de réduire le coût d'exploitation global d'un champ d'héliostats et d'augmenter la fiabilité de l'ensemble.
Un autre but particulier de l'invention est de proposer un dispositif permettant la mise en rotation simultanée ou alternative des deux axes de rotation d'un héliostat avec un seul moteur.
Un autre but de l'invention est de permettre un positionnement plus fiable de chaque miroir d'héliostat, malgré la simplification apportée aux mécanismes de motorisation et d'actionnement des miroirs.
RESUME DE L'INVENTION
Les buts visés sont atteints par un héliostat ou un groupe d'héliostats selon l'invention.
L'objet de l'invention consiste donc en un héliostat comportant un miroir mobile ayant sa face avant orientée vers le soleil et étant actionné en rotation par un premier moyen d'actionnement autour d'un premier axe de rotation, tout en étant apte à pivoter sous l'effet d'un second moyen d'actionnement autour d'un second axe de rotation perpendiculaire audit premier axe de rotation. Lesdits premier et second moyens d'actionnement sont commandés sélectivement par une transmission entraînée par un moteur unique. Par commande sélective des moyens d'actionnement, on entend le fait que ladite transmission est configurée de manière à pouvoir être couplée soit alternativement aux premiers moyens d'actionnement et aux seconds moyens d'actionnement, soit simultanément aux premiers et seconds moyens d'actionnement.
Ceci permet de faire en sorte que les premier et second axe de rotation soient entraînés soit alternativement, soit simultanément, avec une même transmission entraînée par un moteur unique.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les premiers et seconds moyens d'actionnement sont agencés de manière à ce que lorsqu'ils sont couplés ensemble au moteur unique par ladite transmission, le miroir est entraîné en rotation autour dudit premier axe de rotation, mais est maintenu fixe par rapport audit second axe de rotation.
En outre, les premiers et seconds moyens d'actionnement sont agencés de manière à ce que lorsqu'ils sont couplés séparément au moteur unique par ladite transmission, le miroir pivote dans un sens ou dans l'autre autour du second axe de rotation.
De cette manière, pour autant que le premier axe de rotation soit parallèle à l'axe de rotation de la terre, tant que la transmission reste engagée pour activer simultanément les premiers et seconds moyens d'actionnement, le miroir tourne autour du premier axe de rotation en maintenant constante l'inclinaison du plan du miroir par rapport à l'axe de rotation de la terre, ce qui correspond au mouvement normal du miroir pendant une journée.
En outre, afin de tenir compte de la variation saisonnière de hauteur du soleil d'un jour à l'autre, il suffit de désengager la transmission par rapport aux premiers moyens d'actionnement tout en laissant la transmission engagée par rapport aux seconds moyens d'actionnement, pour faire varier l'inclinaison du miroir par rapport au premier axe de rotation. Cette phase de fonctionnement est typiquement de courte durée et correspond au réglage, par exemple journalier, de l'inclinaison du miroir par rapport à l'axe de rotation principal correspondant à l'axe de rotation terrestre.
Afin d'obtenir cette cinématique particulière, l'invention propose une configuration avantageuse des premiers et seconds moyens d'actionnement du miroir.
Ainsi, selon l'invention, les premiers moyens d'actionnement comportent un tube creux dont une première extrémité est reliée de façon pivotante à la face arrière du miroir, et dont l'autre extrémité est solidaire d'une roue dentée susceptible d'être actionnée en rotation par la transmission, et les seconds moyens d'actionnement comportent une tige filetée montée mobile en rotation à l'intérieur dudit tube creux et coaxiale avec lui, cette tige filetée étant pourvue d'un écrou maintenu fixe en rotation et relié au miroir par une biellette. La tige filetée est susceptible d'être actionnée en rotation par la transmission, de sorte que le déplacement longitudinal de l'écrou le long de la tige filetée provoque l'inclinaison du miroir autour du second axe de rotation.
Afin de bloquer la rotation de l'écrou lorsque la tige filetée tourne, le tube creux comporte une fente longitudinale à travers laquelle s'étend un flasque solidaire de l'écrou et connecté à ladite biellette. Ainsi les extrémités de la fente font office de butées pour le déplacement longitudinal de l'écrou sur la tige filetëe, et par conséquent pour le déplacement angulaire du miroir autour du second axe de rotation.
En outre, afin d'annuler le déplacement longitudinal de l'écrou dans le tube creux et le long de la tige filetée, la rotation du tube creux et de la tige filetée se font dans le même sens et à la même vitesse. Lorsque seul le tube creux ou la tige filetée est actionnée en rotation, le différentiel de vitesse de rotation se transpose au niveau de l'écrou en un déplacement longitudinal le long de la tige filetée, ce qui a pour effet d'actionner la biellette et d'incliner le miroir autour de son axe de rotation secondaire.
De préférence, afin d'obtenir ce mode de fonctionnement, la tige filetée et le tube creux sont coaxiaux.
Selon un mode de réalisation simple, la transmission actionnant en rotation le tube creux et la tige filetée comporte d'une part deux roues dentées respectives coaxiales et solidaires en rotation avec les extrémités du tube creux et de la tige filetée qui sont opposées au miroir, et d'autre part, deux vis sans fin qui s'engrènent chacune avec une des deux roues dentées, et qui sont susceptibles de s'engrener d'autre part, séparément ou ensemble, avec une roue dentée motrice reliée à l'axe du moteur, sous l'action d'un moyen de commande d'engrenage de la transmission.
Le premier axe de rotation du miroir va permettre de suivre la position du soleil en azimut et le second en hauteur.
Les deux roues dentées menées sont parallèles entre elles et leurs axes de rotation sont concentriques, ce qui fait que lorsque leurs vitesses de rotation sont identiques et dans le même sens, l'écrou reste fixe et le miroir tourne seulement autour de son premier axe de rotation qui est celui du mouvement en azimut.
Lorsque la deuxième roue dentée tourne plus vite ou moins vite que la première roue dentée, l'écrou se déplace respectivement dans un sens ou dans l'autre et provoque le pivotement du miroir dans un sens ou dans l'autre suivant son deuxième axe de rotation, ceci afin de suivre le mouvement du soleil dans son mouvement en hauteur.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Les figures 1 à 5 illustrent l'invention.
La figure 1 est un schéma en coupe d'un héliostat pourvu des ses moyens d 'action nement.
La figure 2 est un schéma de principe montrant l'actionnement simultané d'une pluralité d'héliostats.
Les figures 3A, 3B et 3C représentent l'engrenage sélectif de la transmission, dans ses trois modes de fonctionnement.
La figure 4 est un schéma de principe en coupe d'un héliostat suivant l'invention, associé à un miroir fixe et à une cible.
La figure 5 est une vue schématique en perspective associant plusieurs héliostats et miroirs fixes selon la figure 4 et illustrant le phénomène de concentration solaire lorsque des héliostats selon la figure 4 sont alignés.
On se réfère à la figure 1. Un héliostat H comprend un miroir (1) qui est mobile autour de deux axes de rotation (4,2) qui sont perpendiculaires entre eux, à savoir de préférence un premier axe ou axe principal (4) parallèle à l'axe de rotation de la terre et matérialisé par un tube (3), et un second axe (2) dans un plan perpendiculaire au premier axe.
La mise en rotation du tube (3) autour du premier axe de rotation (4) se fait par un dispositif d'entraînement qui comprend une transmission mécanique (13) couplée à un moteur (non représenté). La transmission (13) comporte une première vis sans fin (15) qui entraine une roue dentée (17) solidaire du tube (3) et perpendiculaire à lui. La rotation de la roue dentée (17) entraine donc la rotation du tube (3) et du miroir (1) qui en est solidaire. Le tube (3) est creux, et une ouverture en forme de fente longiligne y est pratiquée.
La mise en rotation du miroir autour du deuxième axe (2) de rotation se fait également par l'intermédiaire d'un dispositif d'entraînement comprenant la transmission (13) et une seconde vis sans fin (14) qui entraine une roue dentée (16) qui est solidaire et perpendiculaire à une tige filetée (19), cette tige filetée (19) prenant place à l'intérieur et le long du tube (3).
Autour de la tige filetée (19) est vissé un écrou coulissant (18) dont une partie en forme de flasque, de préférence plate, se prolonge au travers de la fente pratiquée dans le tube creux (3), ceci afin d'interdire la rotation de l'écrou (18) et de provoquer son déplacement le long de la tige filetée (19) lorsque cette dernière est en rotation.
Le flasque de l'écrou (18) est relié au dos du miroir par une biellette (20) rigide de sorte que le déplacement de l'écrou (18) coulissant le long de la fente provoque le pivotement du miroir (1) autour de son deuxième axe (2) de rotation.
Les deux roues dentées (16,17) de la transmission (13) sont parallèles entre elles et leurs axes de rotation sont concentriques et coïncident avec l'axe de rotation (4) du tube creux (3), ce qui fait que lorsque leurs vitesses de rotation sont identiques, l'écrou (18) reste fixe et le miroir (1) tourne seulement autour de son premier axe (4) de rotation qui est celui du mouvement en azimut.
Par contre, lorsque la deuxième roue dentée (16) tourne plus vite ou moins vite que la première roue dentée (17), l'écrou (18) se déplace respectivement dans un sens ou dans l'autre le long de la tige filetée (19) et provoque le pivotement du miroir (1) dans un sens ou dans l'autre suivant son deuxième axe (2) de rotation, ceci afin de suivre le mouvement du soleil dans son mouvement en hauteur.
En plus des deux roues dentées (16,17), la transmission (13) comporte par exemple une vis sans fin (14,15) pour chaque roue dentée (16,17). Une des extrémités de chaque vis sans fin est mise en rotation par un engrenage sélectif comportant une roue dentée motrice (2) comme représenté en Figures 3A,3B,3C.
Les figures 3A,3B,3C montrent, dans trois positions différentes, cet engrenage sélectif (21) qui est constitué d'une roue dentée principale (22) actionnée par un moteur (non représenté) et de deux roues dentées menées ( 1, 2) dont chacune est solidaire d'une des deux vis sans fin (14,15). La roue dentée principale ou motrice (22) est montée de façon à pouvoir être déplacée par un système de commande (non représenté), soit pour se coupler à la première roue dentée (RI), soit pour se coupler à la deuxième roue dentée (R2), soit pour se coupler au deux roues dentées (R1,R2) en même temps.
La roue dentée principale (22) ainsi que les deux autres roues dentées
(R1,R2) de l'engrenage sélectif (21) tournent toujours dans le même sens mais une logique de commande ordonne la mise en couplage et donc la rotation d'une roue (RI) (figure 3A) et/ou de l'autre roue (R2) (figure 3B).
La rotation de la roue dentée (RI) entraine celle de la vis sans fin (15) et de la roue dentée (17) qui actionne en rotation le tube creux (3) et le miroir (1). Il en résulte que le miroir (1) suive bien le déplacement continu du soleil en azimut.
La différence du nombre de tours de rotation d'une roue (RI) par rapport à l'autre (R2) provoque bien soit l'avance soit le recul de l'écrou (18) sur la tige filetée (19), ce qui actionne le miroir (1) autour du second axe (2) et donc le suivi du soleil dans sa hauteur.
La différence du nombre de tours parcourus entre les deux roues (R1,R2) est soit positive soit négative, c'est-à-dire qu'une des deux roues peut prendre de l'avance sur l'autre ce qui entraine alors l'avance ou le recul de l'écrou (18). L'écrou (18) peut aussi rester immobile simplement en imposant aux deux roues (R1,R2) de tourner à la même vitesse.
Dans un mode de réalisation préféré, le premier axe de rotation (4) est parallèle à l'axe de rotation de la Terre, c'est-à-dire dirigé vers l'étoile polaire (5). Le principe peut être étendu à une pluralité d'héliostats selon l'invention comme schématisée en figure 2. Ces multiples d'héliostats ont tous leurs premiers axes de rotation (4) parallèles entre eux et tous ces héliostats sont de préférence disposés suivant une rangée orientée Est/Ouest.
Dans cette configuration particulière, toutes les roues dentées (16,17) qui sont couplées aux premiers et aux deuxièmes axes de rotations de chaque héliostat sont reliées entre elles par seulement deux vis sans fin (14,15) de grande longueur.
Ces deux vis sans fin (14,15) de grande longueur sont de préférence commandées par un seul engrenage sélectif (21) et un seul moteur (non représenté), ce qui permet la mise en rotation simultanée et d'une manière identique de tous les héliostats. Cela permet un positionnement précis et identique de tous les héliostats, en minimisant la mécanique d'actionnement et la motorisation de l'ensemble.
Dans ce mode particulier de réalisation, tous les héliostats redirigent les rayonnements solaires suivant l'axe de rotation de la Terre (4), c'est-à-dire suivant la direction de l'étoile polaire (5). La rotation des différents tubes creux (3) des différents héliostats se fera alors à vitesse constante autour de l'axe (4), et sera égale à un tour par jour, soit un tour en 23h56mn.
De même, la rotation de chaque miroir autour du deuxième axe de rotation (2) servira à suivre le soleil dans son mouvement saisonnier, soit 12 degrés au dessus et 12 degrés au dessous de l'équateur céleste, ce qui correspond à une vitesse moyenne de 4 degrés par mois autour de l'axe saisonnier (2).
Ainsi l'engrenage sélectif (21) fonctionne la plupart du temps avec des vitesses de rotation égales (figure 3C) pour les deux vis sans fin (14,15), et ne fonctionne avec des vitesses différentes (Figures 3A,3B) que pendant des périodes courtes correspondant au rattrapage du mouvement saisonnier du soleil.
Cette caractéristique permet de réduire de façon drastique le temps de fonctionnement de l'engrenage sélectif (21) et ainsi de réduire d'autant l'usure des pièces et l'énergie dépensée pour cette opération.
Une variante (non illustrée) du mode de réalisation illustré en figure 2 consiste à actionner chaque héliostat autour de son second axe (2) par un mécanisme local, sans transmission mécanique distante, donc sans la vis sans fin de grande longueur (14). Cela peut être réalisé aisément en stockant dans une pile ou un super condensateur l'énergie électrique produite par une cellule photovoltaïque attachée à chaque héliostat, puis en utilisant cette énergie électrique pour actionner un moteur local pour mettre en rotation la roue dentée (16) de chaque héliostat, ce qui provoquera le déplacement de l'écrou (18) et le pivotement du miroir (1) autour de son second axe (2).
Comme la nécessité de provoquer ce mouvement de rattrapage est très ponctuel (environ 1 degré par semaine), le moteur pourra être constitué de deux électro-aimants qui, sous l'effet de quelques impulsions électriques, mettront en mouvement la roue dentée (16), soit dans un sens, soit dans l'autre sens, suivant l'électro-aimant qui sera choisi.
Les consignes de mise en marche du moteur localisé sur l'héliostat ou des électro-aimants pourront se faire de préférence par des télécommandes distantes qui utiliseront par exemples des ondes hertziennes.
Une deuxième variante à ce mode de réalisation consiste à positionner le moteur ou les électro-aimants directement au niveau de la biellette (20) de positionnement du miroir (1) de manière à allonger ou à raccourcir sa longueur, ce qui provoquera le basculement voulu du miroir (1) autour de son deuxième axe de rotation (2).
Comme représenté en figures 4 et 5, chaque héliostat peut utilement être associé à un miroir fixe (12) disposé de manière à réfléchir le rayonnement solaire (7) toujours vers une même cible (10). Chaque héliostat comprend dans ce cas deux miroirs (1,12), à savoir un premier miroir (1) mobile autour d'un premier axe de rotation (4) qui est orienté Nord / Sud et incliné d'un angle h par rapport à l'horizontale. Cet angle h équivaut à la latitude du lieu géographique de l'installation. Plus précisément cet axe de rotation (4) est parallèle à l'axe de rotation de la Terre (4) et est donc dirigé approximativement vers l'étoile polaire (5).
Le deuxième axe de rotation (2) du premier miroir (1) est perpendiculaire au premier axe de rotation (4). Ce premier miroir (1) est réglé de manière à ce que les rayons solaires incidents (7) soient réfléchis dans la même direction que son premier axe de rotation (4), c'est-à-dire vers l'étoile polaire (5).
On peut alors montrer que le faisceau solaire réfléchi (8) par le premier miroir (1) conserve son orientation pendant le déplacement journalier du soleil (6), simplement en faisant tourner le premier miroir (1) autour de son premier axe de rotation (4) avec une vitesse constante d'un tour par jour, ce qui correspond à la vitesse de rotation apparente du soleil autour de la Terre.
Pour corriger le déplacement saisonnier du soleil, qui est de 46° par an, c'est-à-dire de plus ou moins 23° au dessus et en dessous de sa position aux équinoxes, le deuxième axe de rotation (2) de ce premier miroir (1) pivote en un an d'un angle de plus ou moins 12° autour de sa position médiane réglée pour l'équinoxe. En effet la déviation totale d'un rayon par réflexion sur un miroir est le double de son angle d'incidence mesuré par rapport à la perpendiculaire du miroir. La vitesse de rotation du miroir (1) autour de ce deuxième axe (2) n'est pas constante, elle suit une progression sinusoïdale connue de l'homme de métier.
Le deuxième miroir (12) est positionné de manière à recevoir le rayonnement solaire réfléchi (8) par le premier miroir (1). Ce deuxième miroir (12) est fixe et orienté définitivement de manière à réfléchir le rayonnement solaire (9) vers la cible (10). L'orientation du miroir (12) peut se faire par exemple grâce à deux axes de rotation perpendiculaires entre eux ou bien grâce à une rotule de réglage (11).
Comme représenté en Figure 5, afin de créer un effet de concentration solaire sur la cible (10), une pluralité d'héliostats selon la figure 4 sont alignés, de préférence suivant un axe Est/Ouest et de sorte que tous les premiers miroirs (1), tous les premiers axes (4) et tous les deuxièmes axes (2) soient parallèles entre eux.
La rotation des miroirs mobiles (1) autour de leurs axes principaux (4) et axes secondaires (2) respectifs se fait à l'aide de transmissions (13) actionnées par un moteur, comme expliqué en relation avec la figure 1. Le moteur utilisé est de n'importe quel type approprié choisi par l'homme du métier, électrique ou non, à commandes filaires ou non filaires, ou encore par un moteur à énergie potentielle, gravitationnelle ou mécanique. L'effet de concentration est augmenté en augmentant le nombre d'héliostats, ce qui est rendu possible, par exemple, en mettant plusieurs lignes d'héliostats en parallèle. Dans cette configuration les rotations de tous les premiers miroirs (1) sont identiques et sont transmises d'une rangée à l'autre par un dispositif de transmission mécanique (non illustré) comme par exemple des roues dentées, des poulies, et/ou des courroies.
Dans un autre mode particulier de réalisation une lentille de Fresnel est positionnée soit entre le miroir fixe (12) et la cible (10), soit entre le premier miroir (1) et le deuxième miroir (12), ce qui permet d'obtenir de fortes concentrations solaires sur la cible (10) avec un seul héliostat. Dans ce cas la cible (10) est fixe et se situe près de la focale de la lentille de Fresnel, ce qui est idéal par exemple pour concevoir un cuiseur solaire bien sécurisé.
EXEMPLE DE REALISATION
Un héliostat est composé d'un miroir plan (1) de 1,50 m de longueur par 1,0 m de largeur et de deux axes de rotation perpendiculaires. Le premier axe de rotation (4) est matérialisé par un tube creux (3) de 1,60 m de long et de 4 cm de diamètre orienté vers l'étoile polaire (5). Le deuxième axe de rotation (2) est matérialisé par un tube creux de 3 cm de diamètre soudé à angle droit avec le premier tube creux (3). Le dos du miroir (1) possède deux équerres en opposition percées de deux trous circulaires de 3 cm de diamètre à l'intérieur desquels prennent position les extrémités du deuxième axe de rotation permettant ainsi la rotation du miroir autour de cet axe. A l'intérieur du premier tube creux (3) est disposée une tige filetée (19) de 10 mm de diamètre qui vient en butée à l'extrémité fermée du tube (3). Ce tube (3) est percé en son centre d'une fente de 3 mm de large et de 40 cm de longueur. Un écrou (18) de diamètre intérieur de 10 mm surmonté d'un flasque de 2 mm d'épaisseur est enfilé dans la tige filetée coaxiale (19) de sorte que le flasque dépasse du tube (3) à travers la fente. Ce flasque est relié par une biellette (20) à une des extrémités du miroir. L'extrémité de la tige filetée coaxiale (19) et l'extrémité du tube (3) sont fixées chacune au centre de deux roues dentées de 11 cm de diamètre et de 120 dents. Ces deux roues dentées (16,17) sont concentriques et parallèles entre elles. Deux vis sans fin (14 et 15) permettent la mise en rotation des deux roues dentées (16,17). Un engrenage sélectif (21) contient les deux vis sans fin (14,15) qui se terminent par deux roues dentées (R1,R2) séparées par une troisième roue de sélection (22). Cette roue de sélection (22) est mise en rotation grâce à un moteur électrique rotatif et une démultiplication de sa vitesse de manière à atteindre des vitesses de rotation proches d'un quart de tours par minute. Cette vitesse est calculée pour permettre au premier tube (3) d'effectuer un tour complet en 23h56mn et donc de suivre le soleil dans son mouvement journalier, ce qui est le cas lorsque la roue de sélection (22) se positionne contre les deux roues dentées (R1,R2) et les entraine à la même vitesse (configuration de la Figure 3C), ce qui provoque la rotation du miroir autour du premier axe (4) mais annihile sa rotation autour du deuxième axe (2). Une fois par semaine la roue de sélection (22) se positionne uniquement sur la roue RI ou sur la roue R2 de manière à provoquer la rotation du miroir autour de son deuxième axe (2) d'un angle d'environ 1 degré ce qui permet ainsi de suivre le soleil dans son mouvement saisonnier.
AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention répond aux buts fixés. Elle propose un héliostat pourvu de moyens d'actionnement du miroir autour de deux axes, à l'aide d'un moteur unique. Ce principe est aisément applicable à une centrale solaire comprenant une pluralité d'héliostats et actionnés par un seul moteur et des couplages mécaniques simples mais innovants, ce qui va réduire le coût global de l'installation, tout en augmentant la précision et la fiabilité du positionnement des miroirs.
NOMENCLATURE DES FIGURES
1. Miroir mobile
2. Axe de pivotement saisonnier des miroirs
3. Tube 4. Axe de rotation journalière des miroirs
5. Etoile polaire
6. Soleil
7. Rayon solaire incident
8. Rayon solaire réfléchi
9. Rayon solaire concentré
10. Cible
11. Rotule de réglage du miroir fixe
12. Miroir fixe
13. Transmission
14. Vis sans fin
15. Vis sans fin
16. Roue dentée menée
17. Roue dentée menée
18. Ecrou
19. Tige filetée
20. Biellette
21. Engrenage sélectif
22. Roue dentée motrice
20

Claims

REVENDICATIONS
1 - Héliostat (H) comportant un miroir (1) orienté vers le soleil et actionné en rotation par un premier moyen d'actionnement (3) autour d'un premier axe de rotation (4), et apte à pivoter sous l'effet d'un second moyen d'actionnement (18,19,20) autour d'un second axe de rotation (2) perpendiculaire audit premier axe de rotation (4), lesdits premier et second moyens d'actionnement étant commandés sélectivement par une transmission (13) entraînée par un moteur unique, caractérisé en ce que ladite transmission (13) est configurée de manière à pouvoir être couplée soit alternativement aux premiers moyens d'actionnement (3) et aux seconds moyens d'actionnement (18,19,20), soit simultanément aux premiers et seconds moyens d'actionnement. 2 - Héliostat (H) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers et seconds moyens d'actionnement sont agencés de manière à ce que lorsqu'ils sont couplés ensemble au moteur unique par ladite transmission (13), ledit miroir (1) est entraîné en rotation autour dudit premier axe de rotation (4), et ledit miroir est maintenu fixe par rapport audit second axe de rotation (2).
3 - Héliostat (H) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers et seconds moyens d'actionnement sont agencés de manière à ce que lorsqu'ils sont couplés séparément au moteur unique par ladite transmission, ledit miroir (1) est actionné pour pivoter dans un sens ou dans l'autre autour du second axe de rotation (2).
4 - Héliostat (H) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premiers moyens d'actionnement comportent un tube creux (3) dont une première extrémité est reliée de façon pivotante à la face arrière du miroir (1), et dont l'extrémité opposée au miroir est connectée à la transmission (13), et en ce que les seconds moyens d'actionnement comportent une tige filetée (19) montée mobile en rotation à l'intérieur dudit tube creux (3) et dont l'extrémité opposée au miroir est connectée à la transmission (13), cette tige filetée (19) étant pourvue d'un écrou (18) maintenu fixe en rotation et relié au miroir (1) par une biellette (20), de sorte que le déplacement longitudinal de l'écrou (18) le long de la tige filetée (19) provoque l'inclinaison du miroir (1) autour du second axe de rotation (2).
5 - Héliostat (H) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit tube creux (3) comporte une fente longitudinale à travers laquelle s'étend un flasque solidaire de l'écrou (18) et connecté à ladite biellette (20), les extrémités de la fente faisant office de butées pour le déplacement longitudinal de l'écrou (18) sur la tige (19) et pour le déplacement angulaire du miroir (1) autour du second axe de rotation (2).
6 - Héliostat (H) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la tige filetée (19) et le tube creux (3) sont coaxiaux.
7 - Héliostat (H) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la transmission (13) comporte une première roue dentée menée (17) solidaire en rotation du tube creux (3) et entraînée en rotation par une première vis sans fin (15), une seconde roue dentée menée (16) solidaire en rotation de la tige filetée (19) et entraînée en rotation par une seconde vis sans fin (14), et une roue dentée motrice (22) entraînée en rotation par l'axe du moteur et susceptible de s'engager de façon sélective avec la première vis sans fin (15) et/ou avec la seconde vis sans fin (14) sous l'action d'un moyen de commande de la transmission (13).
8 - Héliostat (H) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la transmission (13) est agencée de manière que lorsqu'elle entraine simultanément en rotation le tube creux (3) portant le miroir (1) et la tige filetée (19) portant l'écrou (18), le tube creux (3) et la tige filetée (19) tournent dans le même sens et à la même vitesse, de sorte que l'écrou (18) garde une position longitudinale fixe sur la tige filetée (19). 9 - Héliostat (H) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la transmission (13) est agencée de manière que lorsqu'elle entraine en rotation uniquement le tube creux (3) portant le miroir (1) ou uniquement la tige filetée (19) portant l'écrou (18), l'écrou (18) se déplace longitudinalement sur la tige filetée (19) et entraine le pivotement du miroir (1) autour du second axe de rotation (2) par l'intermédiaire de la biellette (20).
10 - Héliostat (H) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la transmission (13) pour la mise en rotation du tube creux (3) autour du premier axe de rotation (4) et de la tige filetée coaxiale (19), comporte deux roues dentées concentriques (16,17) solidaires en rotation l'une avec la tige filetée (19) et l'autre avec le tube creux (3) et couplées chacune à une vis sans fin (14,15) actionnée par une roue dentée motrice (22) entraînée par un moteur.
11 - Centrale solaire comprenant une pluralité d'héliostats (H) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que tous les premiers axes de rotation (4) sont parallèles entre eux et orientés vers l'étoile polaire, et en ce que les transmissions (13) de la pluralité d'héliostats (H) sont connectées ensemble par deux liaisons mécaniques (14,15) reliées à un engrenage sélectif (21) actionné par un seul moteur, de façon à entraîner la rotation à l'identique de tous les miroirs (1) de la pluralité d'héliostats.
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