Brevet FR2281549A1 — publié le 19760305

DESCRIPTION Origines de l'invention. La présente invention concerne, d'une manière générale, la catégorie des appareils de chauffage et plus particulièrement de chauffage utilisant l'énergie solaire. Antérieurement, des essais pour récupérer les rayons du soleil et en utiliser la chaleur dérivée, ont existé. Dans un type de dispositif antérieur à celui-ci, on fait circuler un liquide dans un échangeur de chaleur, directement exposé aux rayons du soleil, de manière å le faire chauffer. Bien que simple et peu couteux à faire marcher, ce type de dispositif de chauffage n'a qu'un rendement faible, et demande un échangeur de chaleur relativement grand pour produite une quantité appréciable de chaleur. Il existe un autre type antérieur de dispositif de chauffage solaire possédant un système de rénexion des rayons du soleil sur un collecteur adéquat qui en concentre l'énergie et qui contient le liquide à chauffer. De tels dispositifs ont un rendement sensiblement supérieur à ceux n'utilisant pas de réflecteur, mais ont un désavantage sérieux dans le fait qu'ils ne recueillent énergie qutà l'intérieur d'un angle très faible et que l'on doit changer leur exposition fré quemzent de tanière & suivre le soleil. Ces appareils ne conviennent pas a des applications telles que le chauffage ou la climatisation de batiments, où une installation fixe sans changement d'exposition journalier ou saisonnier est nécessaire. Les caractéristiques particulières et aditionnelles de l'invention seront mises à jour\dans la présente description où les configurations préconisées seront énoncées en détail à l'aide de dessins. Brève description des dessins. Figure 1: vue isométrique d'une des configurations possibles de l'appareil de chauffage solaire selon l'invention. Figure 2: coupe transversale sur l'appareil représenté en figure 1. (agrandissement) Figure 3: vue isométrique de l'absorbeur de l'appareil représenté en figure 1. (agrandissement) Figure 4: illustration schématique du réflecteur de l'appareil représenté en figure 1. Figure 5A - 5D: illustration de la manière dont les rayons du soleil dont réfléchis par le réflecteur de l'appareil de chauffage à différentes époques de l'annEe. Figure 6: vue isométrique d'une portion d'absorbeur, utilisé pour l'appareil représenté en figure 1, sous une deuxième configuration possible.. Figure 7: vue isométrique d'une portion d'absorbeur, utilisé pour l'appareil représenté en figure 1, sous une troisième cocfiuration possible. Figure 8: illustration schématique d'une des meilleures configurations du réflecteur correspondant à l'absorbeur de la figure 7, dans l'appareil représenté en figure 1. Figure 9: vue isométrique d'une portion d'absorbeur, utilisé pour l'appareil représenté en figure 1, sous une quatrième configuration possible Figure 10: vue isométrique d'une portion d'absorbeur, utilisé pour l'appareil représenté en figure 1, sous une cinquième configuration possible. Figure 11: illustration schématique d'une des meilleures configurations du réflecteur correspondant aux absorbeurs des figures 9 et 11, dans l'appareil représenté en figure 1. Figure 12: vue très schématique d'une possibilité de configuration de l'appareil de chauffage selon l'invention, avec ajout de ré9lecteurs de chaque coté du réflecteur principal, de manière â redire les pertes d'énergie Figure 13: illustration schématique d'une possibilité configuration de l'appareil de chauffage selon l'invention, avec utilisation d'une source auxiliaire d'énergie et de réflecteurs auxiliaires de manière à diriger énergie vers le réflecteur principal. Figure 14: illustration schématique de l'utilisation de l'appareil de chauffage selon l'invention installé dans un batiment avec réserve thermique et équipement utilisant la chaleur. Description des configurations optima. Comme illustré dans les figures 1 et 2, le dispositif de chauffage comprend une caisse 16 ayant: une paroi supérieure 17, frontale 19, arrière 21, 2 parois latérales 22 et 23, et un fond 18. Les parois sont faites d'un matériau rigide tel que des feuilles de mental, de bois, ou de plastique, et sont assemblées par un procédé quelconque de manière à former une structure solide. La caisse comprend aussi une fenêtre 24 qui se situe à l'ouverture formée entre la paroi supérieure 17, la paroi frontale 19 et les parois latérales 22 et 23.. La fenêtre peut entre faite d'-un matériau transparent à énergie solaire, tel que le verre, ou le plastique transparent.Cela permet aux radiations de énergie solaire drentrer dans la caisse, et empêche aussi les pertes de chaleur ou d'énergie par convection à travers l'ouverture. Un absorbeur 26 est onté à l'intérieur de la caisse 16 et est supporté par les parois latérales 22 et 23. L'absorbeur comprend un tuyau 27 disposé longitunalement, selon l'axe défini, où passe le liquide qui doit entre chauffé. Le tuyau, aux deux extrémités, passe à travers les deux parois 13térales 22 et 23 dans des ouvertures adéquates et permet de faire des raccords à ltextérieur de la caisse. Dans la configuration représentée dans les figures 1 - 3, l'absorbeur comprend aussi une multitude d'ailerons 29 disposés autour du tuyau 27. Ces ailerons portent l'enveloppe cylindrique 30 qui les enferme, et qui est faite d'un matériau a' haute conductivité thermique absorbant énergie solaire. Le tuyau et les ailerons sont faits d'un matériau à haute conductivité thermique. Les ailerons conduisent la chaleur depuis l'enveloppe extérieure 30 jusqu'au tuyau intérieur. En général, une deuxième enveloppe cylindrique 31, coaxiale à la première, enferme l'absorbeur 26. Cette enveloppe est faite d'un ia- tériau isolant transparent à l'énergie solaire, et sert à empêcher les pertes de chaleur par convection (de l'absorbeur aux parois de la caisse). Un réflecteur semi-cylindrique 36 est monté à l'intérieur de la caisse 16, en général parallèle à l'absorbeur 26 et dirigé vers la entre 24 pour réfléchir l'énergie solaire passant à travers la fenêtre vers l'absorbeur. Le réflecteur part de l'absorbeur en prenant une forme en spirale 37 depuis un point 38 à proximité de la surface extérieure de l'absorbeur, jusqu'à un point 39 qui, lui, est à distance de l'absorbeur. Dans la configuration optimum, le point 38 se trouve sur un cercle 41 qui coincide avec la surface extérieure de l'enveloppe absorbeuse 30 et dont le centre se trouve sur l'axe du tuyau 28. Le point 39 se trouve sur une ligne 42 tangente au cercle 41 en un point 43 qui est à une certaine distance du point 38,définie par l'angle A. Le réflecteur permet une concentration d'énergie solaire d'autant plus forte que l'angle A est plus grand, mais le champ d'action du réflecteur décroit quand cet angle augmente. On a démontré que des angles de l'ordre de 330 à 350 donnent le meilleur équilibre entre la concentration et le champ, mais d'autres angles de l'ordre de 300 á 360 peuvent être utilisés, si désiré. La forme en spirale 37 peut entre celle d'une spirale quelconque ayant un rayon de courbure croissant en fonction de l'éloignement de l'absorbeur.Dans la configuration optimum de l'absorbeur généralement circulaire montré dans les figures 1 - 3, la spirale est une spirale d'Archimède où le rayon de courbure croft d'une manière constante en fonction de ltéloignement de l'absorbeur. Une telle spirale peut par exemple s'obtenir en enroulant un fil d'acier autour d'une forme circulaire d'un diamètre égal à celui du cercle 41. Quand on relache I'extrémité et que le point 58 reste attaché, le fil décrit la spirale voulue. Le réflecteur 36 se poursuit au delà du point 39 selon une forme généralesent parabolique jusqu'au point 44 qui est plus éloigné de l'absorbeur que le point 39 Dans la configuration optimum la courbure parabolique est définie par la relation y = (l/4F) t2, où x et y sont les coordonnées cartésiennes d'un système ayant son origine au point 39; où la ligne 42 est l'axe des y et où f est la distance sur l'axe des y entre le point 39 et le point de contact avec l'enveloppe extérieure de l'absorbeurF Dans la configuration illustrée, le cercle 41 coincide avec cette enveloppe extérieure et l'intersection entre l'axe des y et l'absorbeur se produit au point 43. Comme illustre, les parties en spirale et parabolique du réflecteur se raccordent de telle manière que la courbure ne change pas brusquement à leur point de jonction 39. Dans la configuration optimum, la position du point 44 est telle qu'une ligne 46 tangente au réflecteur en ce point, a une inclinaison d'un angle B par rapport au fond 18 de la caisse, correspondant à la distance zénithale du soleil à son solstice d'hiver. D'une manière similaire, l'axe des y a une inclinaison optimum d'un angle C par rapport au fond, correspondant à la distance zénithale du réflecteur. Ainsi on définit l'angle d'ouverture du réflecteur, qui est égal à la différence entre les angles C et B. Dans la configuration optimum, cet angle est légèrement supérieur à 46, ce qui correspond à la variation des distances zénithales du soleil entre les solstices dlété et d'hiver. Le réflecteur 36 est fait d'un matériau adéquat cel qu'une feuille de métal, ou d'une extrusion en plastique, et sa surface intérieure est rendue réfléchissante à l'énergie solaire en la polissant ou l'habillant d'un matériau approprié tel c,ue l'aluminium, l'argent, ou une feuille de plastique miroitante. Le réflecteur est monté sur les parois 22 et 23 de la caisse et supporté par des moyens appropriés, tels que tasseaux ou autres non représentés. Comme indiqué précédemment, le liquide que l'on veut chauffer circule dans le tuyau 28. Parmi les liquides appropriés, on trouve l'eau, le "Therminol", l'huile, l'air et des gaz réfrigérants tels que le fréon ou l'ammoniac. L'utilisation de l'appareil de chauffage représenté dans les figures 1 - 4 peut entre décrite grace aux figures 5A - 5D. On admet que le dispositif est installé dans un endroit convenable, avec le fond 18 de la caisse 16 posé sur une surface horizontale, l'axe et la fenêtre 24 exposes au sud. On admet aussi que les extrémités du tuyau 27 sont branchées sur un appareillage destiné à y faire circuler un fluide Quand le soleil est à son solstice d'hiver, comme indiqué en figure 5A, sa distance zénithale d'angle Z est égale, dans la configuration optimum, à l'angle B et les rayons du soleil sont utilisés vendant toute la journée.Quelques uns des rayons frappent directement l'ab60r- beur, comme le rayon 51 l'indique D'autres, comme le rayon 52, rencontrent la spirale du réflecteur et sont réfléchis une fois ou plus vers l'intérieur de la spirale jusqu' & ce qu'ils rencontrent l'absorbeur. D'autres rayons encore, comme le rayon 53, rencontrent la partie parabolique du réflecteur et sont réfléchis une fois ou plus sur la spirale, d'oh ils sont renvoyés vers l'absorbeur. Quand le soleil est à son solstice d'été, la distance zénithale d'angle Z est égale, dans la configuration optimum, à l'angle C et les rayons ne rencontrent que la partie parabolique du réflecteur, comme le rayon 56 l'illustre en figure 5B. Ces rayons sont réfléchis directement sur l'absorbeur sans qu'ils aient à entre transmis par la partie spiralée du réflecteur.- Pendant les périodes intermédiaires, entre les solstices d'été et d'hiver, la distance zénithale d'angle Z du soleil varie entre les angles B et C, comme illustré sur les figures 5C et 5D, et les rayons du soleil se réfléchissent à la fois sur la partie parabolique et spiralée du réflecteur, de meme zou'ils atteignent l'absorbeur directement. Comme aux solstices, les rayons rencontrant le réflecteur sont réfléchis vers l'intérieur une ou plusieurs fois, pour finalement atteindre l'absorbeur. La chaleur-énergie drivée des rayons frappant l'absorbeur est transmise au fluide circulant dans le tuyau 28. Les rayons sont effectivement pris au piège par la partie en spirale du réflecteur, puisqu'ils sont obligés, après avoir frappé le réflecteur, d'être réfléchis vers l'intérieur et ne peuvent sortir du réflecteur sans frapper l'absorbeur. Cette caractéristique permet une haute concentration et constitue une amélioration majeure sur les capteurs d'énergie solaire antérieurs à celui-ci. La figure 6 illustre une deuxième possibilité d'absorbeur pouvant servir dans les dispositifs des figure 1 à 4. Cet absorbeur comprend un tuyau tubulaire 61 entouré de plusieurs canaux de passage 62 disposés coaxialement. Le tuyau est fait d'un matériau d'une haute conductivité thermique, et les surfaces intérieures ou extérieures peuvent entre ondulées. Cet absorbeur trouve sa meilleure utilisation avec un réflecteur en spirale, comme montré en figures 1 - 4. L'absorbeur montré en figure 7 comprend un tuyau longitudinal 66 d'efinissant un canal de passage 67. Le tuyau 66 est entouré d'une enveloppe à trois cotés ayant une section triangulaire. Le tuyau 66 ainsi que l'enveloppe 68 sont faits d'un matériau à haute conductivité thermique, et le tuyau est en contact direct avec deux cotés de l'en- enveloppe Le fonctionnement optimum de cet absorbeur est obtenu grace au réflecteur 71 représenté en figure 8. Ce réflecteur est similaire au réflecteur des figures 1 à 4, ayant lui aussi une partie intérieure en spirale et une partie exterieure parabolique. Le tracé de la partie en spirale du réflecteur 71 est cependant définie par les rayons 72 - 74 de longueurs fixes, au lieu d'un rayon de longueur croissant progressivement.Sur la figure 8, les arêtes de 'enveloppe 68 sont numérotées de 76 à 78 et le rayon 72 est égal en longueur à la distance entre les arase8 76 et 77. Le rayon 73 est égal en longueur au rayon 72, plus à la distance entre les arêtes 77 et 78, et le rayon 74 à une longueur égale au rayon 73 plus à la distance entre les arases 76 et 78. Entre les points 76 et 79, la courbure de la spirale dont le centre se trouve sur l'arête 77 a un rayon 72, et entre les points 79 et 81 la courbure est centrée sur l'arête 78 et a un rayon 73. Entre les points 81 et 82, la spirale est définie par le rayon 74 et a son centre sur l'arête 76. Au delà du point 82, ce qui correspond au point 39 sur le réflecteur 36, le réflecteur 71 est parabolique et semblable au réflecteur 36 La courbure de la partie spiralée du réflecteur 71 peut entre obtenue en enroulant un fil d'acier autour d'une forme circulaire d'un diamètre égal à celui de l'enveloppe 68; quand on en relache l'extrémité et que le point 76 reste fixe, le fil décrit la spirale voulue L'absorbeur montré en figure 9 comprend un tuyau 86 définissant dans le sens longitudinal un canal de passage 87. Le tuyau et l'enveloppe sont faits d'un matériau d'une haute conductivité thermique, et le tuyau est en contact direct avec les parties centrales des parois de l'enveloppe 92. L'absorbeur montré en figure 10 comprend un tuyau 96 définissant dans le sens longitudinal l'axe du canal de passage Une multitude d'ailerons 98 généralement retangulaires prennent place autour du tuyau 96. Ils sont pliés à deux de leurs extrémités opposées 99, ce manière à ce que celles-ci soient parallèles à l'axe, comme indiqué. Le tuyau et les ailerons sont faits d'un matériau conductible à la chaleur et la surface extérieure des ailerons est peinte ou revêtue de manière à obtenir une absorbtion maximum. Les surfaces intérieures des ailerons sont rendues brillantes de manière à minimiser les pertes de chaleur par radiation Le fonctionnement optimum des absorbeurs représentés en figures 9 et 10 s'obtient grace au réflecteur 101, comme montré en figure 11.Ce réflecteur se déploie depuis l'absorbeur vers l'extérieur selon une spirale de finie par les rayons 102 - 105. Les arêtes de l'absorbeur sont numérotées de 106 à 109. Le rayon 102 a ue longueur égale à la distance entre les arêtes 106 et 107 et est centré sur ltarete 107. Le rayon 103 est d'une longueur égale à la somme du rayon 102 et de la distance entre les arêtes 107 et 108, et est centré sur l'ar8te 108. Le rayon 104 est d'une longueur égale à la somme du rayon 103 et de la distance entre les arêtes 108 et 109, et est centré sur l'arête 109. Le rayon 105 est d'une longueur egale à la somme du rayon 104 et de la distance entre les arêtes 106 et 109, et est centré sur l'ar8te 106. Entre l'arête 102 et le point 111 la courbure de la spirale est définie par le rayon 103, entre les points 112 et 113 par le rayon 104, et entre les points 113 et 114elle-est définie par le rayon 105. Au delà du point 114, correspondant au point 30 sur le réflecteur 36, le réflec- teur 101 est parabolique et similaire au réflecteur 36 L'utilisation et le fonctionnement d'appareils de chauffage ayant des absorbeurs et réflecteurs du type montré en figures 6 - 11, sont similaires à ce que nous avons décrit précédemment.Les différents absorbeurs et réflecteurs ici décrits sont montrés s uniquement en temps qu'exemples, et d'autres types convenables de réflecteurs et absorbeurs, tels qu'un tuyau absorbeur utilisant la vapeur comme moyen de transport de la chaleurs ou des absorbeurs de différentes formes, peuvent entre utilisés dans l'invention si on le désirè. On peut aussi avoir dans la meme invention des variations de dimensions générales et de dimensions en longueur par rapport à la dimension latérale. La caisse peut avoir d'autres formes tout à fait convenables, et d'autres orientations adéquates en fonction du soleil peuvent entre utilisées dans l'invention si on le désire. Dans la configuration illustrée en figure 12, les réflecteurs inclinés 116 et 117 sont installés à l'intérieur de la caisse 18, de telle manière qu'ils soient adjacents aux parois latérales 22 et 23 pour empêcher les pertes d'énergie sur les cotés du réflecteur 36. Les réflecteurs 116 et 117 sont généralement plans, et ils sont portés par des moyens appropriés telr que tasseaux, etc., no ortres. s réflecteurs sont inclinés à l'intérieur vers l'arrière de la caisse, et servent à diriger des rayons divergerts, tels que les rayons 11 , ers la partie centrale du réflecteur 36 et de l'absorbeur. Le disositif de chauffage de l'invention peut être utilisé avec une source auxiliaire 121 d'énergie non solaire et un déploiement de miroirs 122 - 124. Ces miroirs servent à réfléchir l'énergie depuis la source 121 jusqu'au réflecteur 36, et ils meuvent aussi servir à diriger vers le réflecteur de l'énergie solaire supplémentaire. Comme illustré en figure 14, l'appareil de chauffage constitue l'invention peut être utilisé avec d'autres appareils de chauffage ou de réfrigération dans un batiment. Dans cette figure, le batiment porte le numéro 131, et l'appareil de chauffage 132 est monté d-?ns une position fixe sur le toit du batiment. Le liquide circulant dans l'absorbeur est renvoyé vers un ballon 133, situé à l'intérieur du batimert, où sa chaleur est conservée. A cet effet, une-tuyauterie 134 adéquate relie à un bout le tuyau de l'absorbeur et la voie d'accès au ballon. La sortie du ballon est reliée à l'autre bout du tuyau de l'absorbeur par une tuyauterie adéquate 136 et 137, et on fait circuler le fluide grace à une pompe 138. A l'intérieur du batiment, une tuyauterie supplémentaire 141 sert de lien pour l'énergie-chaleur entre le ballon et l'équipe- ment qui l'utilise, tel que le radiateur 139. Des appareils de mesure et de controle adéquates 142 règlent le débit du fluide dans l'absorbeur et aussi celui de la chaleur délivrée par le ballon. Il est évident, d'après cette description, qu'un nouvel appareil de chauffage, amélioré, a été inventé. Bien que seulement les formes de caisse optima aient été décrites, comme cela apparaitra è ceux qui sont familiers de cette science, certains changements ou modifications peuvent entre faits sans ne rien changer à l'invention, comme défini par les revendications suivantes. RETENDICATIONS 1. Dans un dispositif de chauffage solaire, un absorbeur ayant dans son axe un canal de passage pour le fluide destiné à être chauffé et un réflecteur semi-circulaire concentrant l'énergie solaire sur l'absorbeur de manière à chauffer le liquide qui y circule, ledit réflecteur étant disposé selon une courbe en spirale partant d'un point à proximité de la surface extérieure de l'absorbeur et allant jusqu'à un deuxième point situé à une distance prédéterminée de l'absorbeur, moyen par lequel l'énergie solaire frappant le réflecteur est réfléchie vers l'intérieur pour finalementrencontrer 1 absorbeur. 2. Le dispositif de chauffage solaire décrit dans la revendication 1, où le réflecteur s'détend paraboliquement depuis le deuxième point jusqu un troisième point situé à une distance supérieure de l'absorbeur. 3. Le dispositif de chauffage solaire décrit dans la revendication 2 où le réflecteur a un angle d'ouverture de l'ordre de 460défini par deux droites, dont l'une est tangente au réflecteur au troisième point et l'autre passe par le deuxième point et un point proche du premier 4. Le dispositif de chauffage solaire décrit dans la revendication 1 où le premier point se trouve sur un cercle dont le centre est sur l'aie du canal de passage, et le deuxième point sur une droite tangente au cercle en un point situé à une certaine distance du premier point, défini par un angle de l'ordre de 330 à 350 ; 5.Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 4, dans lequel le réflecteurxse déroule à partir du deuxième point selon une courbe d'équation y=(1/4F) x2, où y représente l'ordonnée d'un point de la courbe par rapport au deuxième point servant d'origine, où x en est l'abscisse, et où F est la distance entre le deuxième point et l'intersection de la droite tangente avec l'absorbeur. 6. Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 1 où l'absorbeur comprend un conduit définnissant le canal de passage pour le fluide, et des moyens appropriés à l'extérieur et en contact avec le conduit, pour réaliser 11 échange thermique 7. Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 1 comprenant en plus une enveloppe entourant l'absorbeur, ladite enveloppe étant faite d'un matériau isolant thermique et transparent à l'énergie solaire. 8. Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 1 assemblé à au moins un réflecteur supplémentaire, de manière à diriger énergie solaire vers le réflecteur principal Eus-nommé. 9 Le dispositif de chauffage solaire de la reverdication 1 assemblé à une source de chaleur par radiation délivrant l'énergie au réflecteur. 10. Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 1 où le réflecteur se déroule selon une spirale d'Arch.imède entre le premier et le deuxième point. 11. Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 1 assemblé à un appareillage destiné à conserver la chaleur, ainsi que celui nécessaire à véhiculer le fluide entre le canal de passage, l'absorbeur et les réservoirs à chaleur. 12. Dans un dispositif de chauffage solaire, une caisse ayant une fenêtre transparente à l'énergie solaire, dans laquelle se trouve un absorbeur, comprenant un canal de passage pour chauffer un fluide, et un réflecteur semi-cylindrique généralement parallèle à l'absorbeur et tourné vers l'ouverture pour réfléchir l'énergie solaire passant à travers la fenêtre vers le réflecteur principal, qui est placé en spirale autour de l'absorbeur, part d'un premier point à proximité de la surface extérieure de l'absorbeur pour aller jusqu'à un deuxième point en étant à une distance déterminée et qui continue suivant une courbure parabolique depuis ce deuxième point jusqu'au troisième point éloigné de l'absorbeur par une distance supérieure à celle de l'absorbeur jusqu'au deuxième point. 13. Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 12 où le réflecteur a un angle d'ouverture de l'ordre de 46 défini par l'intersection d'une droite tangente au réflecteur au troisième point et d'une autre droite passant par le deuxième point et un point proche du premier point. 14. Le dispositif de chauffage de la revendication 12 coprenant en plus une enveloppe entourant l'absorbeur, ladite enveloppe étant faite d'un matériau isolant thermique et transparent à l'énergie solaire. 15. Le dispositif de chauffage solaire de le revendication 12 assemblé à un réflecteur supplémentaire pour réfléchir l'énergie sur le réflecteur sus-nommé. 16. Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 12 assemblé à une source de chaleur par radiation délivrant énergie au réflecteur. 17. Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 12 où le réflecteur se déroule selon une spirale d'Archimède entre le premier et le deuxième point. 18 Le dispositif de chauffage solaire de la revendication 12 assemblé à un appareillage destiné à conserver 1 chaleur, ainsi que celui nécessaire à véhiculer le fluide entre le canal de passage, l'absorbeur et les réservoirs à chaleur.