Brevet FR2262206A1 — publié le 19750919

La présente invention est relative à un appareillage thermique destiné à réaliser l'ébullition d'un liquide à une température voisine de 700 grâce à I'Energie Solaire afin d'animer un moteur à expansion ou une turbine. A ce jour on connait les dispositifs de captage par voie thermique de lténergie solaire, ce captage se faisant à basse température au moyen de collecteurs plans et fixes. Dans les dispositifs de ce genre on utilise comme fluide moteur, soit de l'eau vaporisée à basse pression, en réalisant un vide partiel dans une enceinte chauffée par le rayonnement solaire ; soit un fluide à point d'ébullition relativement bas, vaporisable dès 60 aux pressions de 5 à 10 Bars d'utilisation efficace. Les fluides généralement utilisés sont :l'anhydride sulfureux, le fréon, -le chlorure de méthyle, le chlorure d'éthyle, le butane, etc.'. Dans ces types d'installation on réalise l'ébullition, soit dans un réseau de canalisations tubulaires solidaires de la surface d'absorbtion du rayonnement solaire, soit au moyen d'un systeme auxiliaire réalisant l'échange de- chaleur entre de l'eau chauffée dans l'insolateur et le fluide moteur Dans tous les cas ces installations mettent en oeuvre des collecteurs plans à exposition solaire unique, généralement orientés au Sud et inclinés à la latitude du lieu. Ce type d'insolateur a l'inconvénient de ne pouvoir capter le rayonnement solaire de façon utile que cinq à six heures par jour même par journée totalement ensoleillée. En effet les rayons solaires inclinés sont perdus du fait de la réflexion sur les vitrages, et leur pouvoir calorifique est faible en début et fin de journée en raison de l'obliqui,té de la surface noire réceptrice. D'autre part, dans le cas d'emploi d'un fluide moteur autre que l'eau, on doit employer une quantité importante d'un fluide relativement coûteux, perdu en totalité en cas de fuite. On a proposé à ce jour, afin de supprimer cet inconvénient, d'injecter directement le fluide'moteur, ( par exemple le chlorure d'éthyle), dans de l'eau située dans un échangeur multitubulaire auxiliaire; cette disposition est néanmoins coûteuse, car elle nécessite une surface d'échange importante, et d'une réalisation complexe. Le dispositif de vaporisation, intégré au dispositif de captage solaire, permet de pallier les inconvénients, énumerés ci-dessus, des modes de réalisation actuels. Suivant une caractéristique de l'invention la surface de captage est constituée de dièdres juxtaposés d'axe Nord-Sud, inclinés suivant l'angle de la latitude du lieu et dont l'ouverture permet l'éclairement utile sans ombres autoportées d'au moins 50% de la surface d'insolation durant huit heures par jour, cette disposition permettant d'augmenter de deux heures le fonctionnement de l'installation par rapport aux installations de type connu à collecteurs plans. Suivant une autre caractéristique applicable dans le cas d'utilisation d'un fluide à bas point d'ébullition, ce fluide est injecté dans la masse d'eau exposée directement au rayonnement, dans un réseau tubulaire solidaire des deux faces absorbantes du dièdre. Par rapport aux systèmes de l'art antérieur, ce dispositif permet, par suppression du bouilleur auxiliaire, d'économiser et de simplifier la construction. Dans le cas de fuites, seule de l'eau et une faible partie de gaz se perd, l'essentiel du fluide moteur restant à l'extérieur du bouilleur, notamment dans le condenseur nécessaire à ces types d'installations. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins annexés, qui représentent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention La figure 1 est une représentation d'un dispositif de captage de l'énergie solaire à collecteur plan et à échangeur de chaleur de type classique. Le figure 2 est une représentation d'un mode de réalisation conforme à l'invention. La figure 3 est un relevé horaire comparatif des températures de surfaces d'insolation exposées, l'une au Sud et les autres suivant la disposition en dièdre caractéristique de l'invention. La figure 4 représente coupe un mode de réalisation du système de captage solaire selon l'invention. La figure 5 est une représentation de détail en coupe du vaporisateur équipant le dispositif de l'invention. La figure 6 est une coupe de l'ensemble constitué par le dispositif selon l'invention et un moteur solaire. La figure 7 représente vue de face la même installation, ainsi que les mouvements d'eau provoqués successivement par le chauffage solaire au cours d'une journée. L'Appareillage de captage de l'énergie Solaire représenté sur la Figure 1 est relatif à un mode de réalisation connu. De liteau circule par thermo-s phon dans des canalisations solidaires d'une surface absorbante 1; celle-ci est inclinée à la latitude du lieuo lthemisphère Nord); lt eau chauffée s'élève vers un collecteur 2, puis traverse un changeur 3 où elle transmet ses calories à un gaz liquéfiable se vaporisant dans un réseau tubulaire 4, le retour de liteau de l'eau refroidie s'effectue par une canalisation incline 5 vers un distributeur 6. le fluide moteur est introduit en 7 à la base de l'échangeur et se dégage sous forme gazeuse en 8 vers un moteur à piston ou une turbine. le rayonnement solaire incliné, par exemple celui du soleil couchant représente en i, est perdu du fait de la réflexion sur la surface du vitrage 10 et de la grande surface interceptée 11. La Figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention: l'ensemble du collecteur est composé d'éléments 12 à profil en v , réalisant des dièdres dont l'angle d'ouverture est ici voisin de 90 a' 700, et dont chaque face est séparée de l'autre en partie basse par des créneaux 13 permettant l'évacuation de la pluie et du sable .L' ensemble est incliné à la latitude du lieu. Cette disposition permet l'intersection favorable du rayonnement du soleil couchant 9 sur les surfaces Il pratiquement normales à ce rayonnement .L'eau chauffée dans des réseaux tubulaires obliques solidaires des surfaces absorbantes, s'élève vers un collecteur 2 par les jonctions 14; une rampe d'injection 15 alimentée par une pompe de contre-pression disperse au sein de l'eau chaude le fluide moteur qui se vaporise à son contact et s'échappe sous pression par la canalisation 8; l'eau refroidie descend par gravité dans des canalisations 5 vers le distributeur 6 au point bas de l t . installation la Figure 3 représente à tit-re indicatif un relevé horaire de température d'un collecteur plan expérimental isolé en face ar rière et protegé par un vitrage en face avant à exposition Sud, en vue de comparer les durées d'ensoleillement efficaces par rapport à un collecteur en V objet de l'invention, constitué de manière analogue et exposé simultanément . on a représenté en 16 le relevé de température du collecteur orienté au Sud, en 17 le relevé de température de la face Est du dièdre, et en 18 celui de la face Ouest .On notera que l'insolateur exposé à l'Sst atteint la température caractéristique de 700 nécessaire au fonctionnement thermodynamique efficace une heure avant la face Sud et que de même l'insolateur exposé à l'Ouest maintient cette température une heure plus tard. D'autre part, les maximum de température excèdent de 100 ceux de l'insolateur Sud, ce fait étant du à la réflexion lumineuse réciproque des deux faces du dièdre, renforçant légèrement le rayonnement incident direct. La Figure 4 représente un mode de réalisation d'un élément en V 12 suivant l'invention, composé d'une structure porteuse 19, d'une isolation 20, d'une tôle d'aluminium noirci 21 dont le profil permet des emboîtements 22 et le contact intime avec un réseau de tubes 23 remplis d'eau, un vitrage 24 protégeant les deux faces. L'angle d'ouverture étantvoisin de 90 à 700, on a représenté en a le rayonnement direct et en b le rayonnement intercepté par la face opposée et réfléchi en direction de la face a. Sur la Figure 5 on a représenté un élément du réseau de tubulures réunis en faisceaux 25 conduisant l'eau chaude dans le collecteur 2 isolé thermiquement. Le niveau de remplissage de l'eau chaude 26 assure un volume suffisant de gaz sous pression. Un injecteur tubulaire à perforations multiples 15 de longueur sensiblement égale au collecteur 2 est alimenté suivant une canalisation 7 par une pompe de contre-pression. Des diaphragmes métalliques 27 cloisonnent le volume intérieur et permettent le positionnement axial de la rampe 15 tout en assurant la régularisation des gaz. Des encoches en partie haute et basse des diaphragmes 27 permettant la continuité du volume de gaz et du volume d'eau refroidie menée par les canalisations 5 à la base de l'installation. On a représenté en 8 la canalisation d'échappement du gaz. La Figure 6 représente en coupe une installation composée d'un dispositif selon l'invention et d'moteur à expansion 28, ainsi que d'une pompe de contre-pression 29 couplée au moteur et d'un condenseur 30 à eau ou à air. On a indiqué suivant les notations ci-dessus l'ensemble des organes de cette installation ainsi que les circuits de gaz 7 et de fluide liquefié 8. L'ensemble est établi sur des murs 31. La Figure 7 représente vue de face une partie de la même installation; on a indiqué le sens de déplacement de l'eau chauffée en fonction des heures de la journée :32 étant la direction du soleil à neuf, 33 à midi, 34 à quinze heures. Ce système de captage de lténergie solaire est destiné principalement à animer des moteurs à expansion adaptés au pompage de liteau dans les zones arides; cependant il est applicable dans tous les cas ou l'on a besoin de chauffer un fluide par l'énergie solaire (réfrigération, production de glace, usage domestique, etc...) Suivant une application caractéristique de l'invention, un ensemble de plusieurs éléments de captage peut constituer la toiture d'un bâtiment. REVENDICATIONS 1. Dispositif de captage de l'énergie solaire, caractérisé en ce que la surface de travail d'un capteur est formée d'une pluralité de dièdres, l'arete de chaque dièdre étant placée dans le ou au voisinage du plan méridien du lieu, l'arête de chaque dièdre étant inclinée d'un angle égal à ou voisin de la latitude du lieu, et l'angle d'ouverture de chaque dièdre étant de préférence égal à ou voisin de 90 à 700. 2. Dispositif de captage de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux dièdres adjacents sont séparés par un chéneau plan parallèle aux arêtes des dièdres. 3. Dispositif de captage de l'énergie solaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la lumière non absorbée par une face d'un dièdre est réfléchie par elle vers la face voisine du dièdre adjacent. 4. Dispositif de captage de l'énergie solaire selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque face de dièdre comprend en dessous une structure porteuse, sur la structure porteuse une couche isolante, sur la couche isolante un réseau de tubes parallèles à l'aréte du dièdre et une tôle d'aluminium noirci embortant les tubes avec liaison thermique, et au dessus de la tole un vitrage de protection, les tubes étant alimentés en eau froide par un distributeur placé en bas des dièdres et alimentant en eau chaude, par exemple par effet de thermo-siphon, un collecteur placé en haut des dièdres. 5. Dispositif de captage de l'énergie solaire utilisant comme fluide primaire l'eau et comme fluide secondaire un liquide bouillant plus tôt que l'eau, caractérisé en ce que le fluide secondaire est injecté dans l'eau chaude du collecteur d'eau chaude et sty vaporise. 6. Dispositif de captage de l'énergie solaire utilisant comme fluide primaire l'eau et comme fluide secondaire un liquide bouillant plus tôt que liteau selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le fluide secondaire est injecté dans l'eau chaude du collecteur d'eau chaude et s'y vaporise. 7. Dispositif de captage de l'énergie solaire utilisant comme fluide primaire l'eau et comme fluide secondaire un liquide bouillant plus tôt que l'eau selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le collecteur d'eau chaude est horizontal et partiellement rempli d'eau chaude, le fluide secondaire y est injecté par un distributeur 'axial, le collecteur est muni de diaphragmes transversaux avec encoches haute et basse, et le fluide secondaire en phase vapeur y est repris à la partie haute.