Brevet FR2296151A1 — publié le 19760723

La présente invention a pour objet des capteurs d'énergie solaire. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des installations de chauffage de bâtiments ou de piscines et de production d'eau chaude. Les capteurs d'énergie solaire actuellement connus sont généralement constitués par des échangeurs dont une surface est exposée au rayonnement solaire et une lame de liquide, de faible épaisseur, circule a l'intérieur de ces échangeurs et s'échauffe au contact de la surface irradiée. Dans de tels capteurs, les échanges de chaleur se font par conduction et l'épaisseur de la lame de liquide chauffé est faible afin que le rapport entre la surface ensoleillée et le volume de liquide chauffé par unité de temps soit élevé et que l'élévation de température AE du liquide chauffé soit suffisamment importante même au de triment d'une captation de calories qui pour rait être plus élevée si l'on admettait une élévation de température moindre. Un objectif de la présente invention est de réaliser des capteurs d'énergie solaire qui captent directement le rayonnement solaire, sans interposition d'une surface d'échange thermique, et qui utilisent le phenomèe dit "effet de serre" suivant lequel les radiations solaires infrarouges porteuses d'énergie calorilquetraversent une paroi transparente et échauffent un corps dont la température reste suffisamment basse pour que les radiations infrarouges qu'il émet a son tour aient une longueur d'onde supérieure et ne puissent pas traverser en sens inverse ladite surface transparente, de telle sorte que l'on récupère le maximum d'énergie calorifique. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un capteur d'é- nergie solaire composé d'une enceinte étanche dont les parois sont isolées thermiquement, qui comporte uneparoi transparente dirigée vers le soleil et qui est remplie d'un corps noir entourant un échangeur thermique dans lequel circule un fluide. Le corps noir est, de préférence, un liquide noir, par vexez ple une huile minérale telle que de l'huile de vidange. La paroi transparente est une paroi en verre ou en résine transparente, par exemple en polyméthacrylate de méthyle.Dans un mode de réalisation préférentiel, l'enceinte d'un capteur solaire selon l'invention est constituée d'un tube cylindrique transparent revêtu d'un isolant athermique sur une partie de sa périphérie qui n'est pas dirigée vers le soleil et à ses extrémités. Le résultat de l'invention est un nouveau capteur d'énergie solaire. Un des avantages de ce capteur réside dans son bon rendement calorifique, c'est-a-dire dans la quantité de calories récupérée par unité de surface qui est très élevée du fait que les radiations infrarouges sont bien absorbées par le corps noir contenu dans l'enceinte et que les pertes dues au rayonnement de celui-ci sont très réduites par suite d'une part du revêtement isolant thermique placé sur les parois opaques de l'enceinte et, d'autre part, de l'effet de serre a travers la paroi transparente. Cet effet de serre est d'autant plus prononcé que l'élévation de température du corps noir n'est pas trop élevée.On a donc intérêt à ce que chaque capteur contienne une grande quantité de corps noir, par exemple au moins 100 litres pour une surface de 1 m2 et puisse donc accumuler une quantité notable de calories sous une faible élévation de température de l'ordre de 400 maximum. il en résulte qu'un capteur selon l'invention présente l'avantage de pouvoir servir d'accumulateur de calories et restituer pendant la nuit une partie des calories accumulées pendant les heures d'ensoleillement ce qui simplifie les installations de chauffage en évitant un réservoir d'accumulation supplémentaire. Le choix d'un liquide noir comme corps noir améliore les échanges à travers la paroi de l'échangeur thermique. L'huile de vidange qui est un produit de récupération particulièrement bon marché, convient très bien comme corps noir et permet de fabriquer économiquement des capteurs selon l'invention. L'huile de vidange présente, de plus, les avantages de ne pas s'évaporer, de ne pas geler et de ne pas être corrosive. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent des exemples de réalisation de capteurs solaires selon l'invention, sans aucun caractère limitatif. La figure 1 est une vue en perspective d'un capteur solaire selon l'invention. La figure 2 est une coupe par II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe verticale d'un deuxième capteur selon l'invention. La figure 4 est une coupe par IV-IV de la figure 3. Le capteur représenté sur les figures 1 et 2 est composé d'une enceinte parallélépipédique étanche 1, constituée, de préférence, en un matériau ayant une faible conductibilité thermique, par exemple en une matière plastique qui supporte aisément les température atteintes. La face 2 tournée vers le soleil est constituée par une paroi transparente, par exemple une plaque de verre ou une plaque de matière plastique transparente. Cette plaque est montée, par exemple, dans des glissières 3 solidaires de l'enceinte 1, avec interposition de joints d'étanchéité. Les parois de l'enceinte autres que la paroi transparente 2 sont revêtues d'un isolant thermique 4 afin d'éviter les déperditions de chaleur au cours de la nuit. L'enceinte 1 est remplie d'un liquide noir, de préférence de l'huile de vidange 5. Dans cette huile est disposé un échangeur thermique conventionnel constitué par exemple par un tube 6 a ailettes 7 formant des épingles et dans lequel circule suivant les flèches le fluide a chauffer par exemple de l'eau destinée a alimenter des radiateurs de chauffage ou une piscine. L'eau qui circule dans l'échangeur 6 peut également, si l'on a besoin de températures plus élevées, être de l'eau qui est seulement préchauf fée et qui alimente un ballon de production d'eau chaude du type cumulus élec trique dans lequel elle est chauffée à la température voulue, Le capteur des figures I et 2 est installé par exemple sur un toit ou sur une terrasse,horizontal ou peu incliné, et il est supporté par des pieds 8 qui permettent de l'incliner de telle façon que la paroi 2 soit sensiblement perpendiculaire aux rayons solaires lorsque celui-ci est au zénith. En variante, les capteurs selon l'invention peuvent etre incorporés a la toiture lorsque l'orientation et l'inclinaison de celle-ci conviennent. La face transparente 2 constitue alors la face supérieure de la toiture ce qui permet une présentation plus esthétique. Le mode de réalisation du capteur représenté sur les figures 3 et 4, dans lequel la surface transparente est cylindrique présente l'avantage de s intégrer facilement dans une toiture revêtue de tuiles romaines ou tuiles canal. Les figures 3 et 4 représentent un autre mode de réalisation dans lequel l'enceinte étanche est constituée par un tube cylindrique en verre 9 d'axe x xl, fermé de façon étanche à ses deux extrémités par deux fonds 10 m et 11. Ce tube est enrobé dans2 n isolant thermique 12 qui enveloppe au moins la moitié de sa peripherièsituee du cotéosé au soleil et les fonds 10 et 11. L'autre demi périphérie -du tube est exposée aux rayons solaires. De préférence, l'axe x xl est vertical ou légèrement incliné pour êtrerpen- diculaire aux rayons solaires lorsque le soleil passe au zénith. Comme dans le cas précédent, le tube 9 est rempli d'un liquide noir 13 et un tube échangeur thermique 14 dans lequel circule le liquide à chauffer baigne dans le liquide 13. Ce deuxième mode de réalisation présente, par rapport au précédent, l'avantage que, lors de la rotation du soleil au cours d'une journée, le flux de rayonnement capté reste sensiblement constant tandis que dans le capteur de la figure 1, une partie importante du rayonnement est réfléchie par la sur face plane de la vitre 2 le matin et le soir. Le fonctionnement des capteurs selon l'invention est le suivant. Le rayonnement solaire, nota=ment-les radiations infrarouges porteuses de la plus grande partie de l'énergie calorifique, traversent la paroi transparente 2 ou 9 et sont absorbées par le liquide 5 ou 13 dont les propriétés sont voisines de celles d'un corps noir idéal. Ce liquide s'échauffe mais l'échauf- fement reste limité du fait que chaque capteur contient une quantité de liquide relativement importante par rapport à la surface transparente. Dans le cas de la figure 1 l'épaisseur de l'enceinte 1 est par exemple de l'ordre de 20 cm de sorte qu'un capteur contient 200 litres de liquide pour 1 m2 de surface transparente. On sait que dans le Sud de la France par exemple l'énergie solaire moyenne varie entre 300 calories et 600 calories environ par m2 et par heure d'ensoleillement. Selon une caractéristique de l'invention, il faut que chaque capteur contienne, par mètre carré de surface ensoleillée, un volume de liquideayant une chaleur spécifique voisine de 1, au moins égal à 100 litres. En effet, le rendement de l'appareil c!est-à-dire le rapport entre I'énergie captée et l'énergie reçue est voisin de un. Il en résulte, pour une capacité de 100 litres par m2 de surface ensoleillée, une élévation de température comprise entre 30 et 60 par heure d'ensoleillement soit une élévation de température théorique maxima par jour comprise entre 200 et 600 suivant les saisons. L'échauffement réel est plus faible du fait que le fluide à chauffer qui circule dans l'échangeur prélève une partie des calories captées pendant la période d'ensoleillement. Les autres calories restent accumulées dans la masse du liquide noir pour être utilisées pendant la nuit. Si l'on consomme pendant les heures d'ensoleillement environ le tiers des calories captées, on voit que la quantité accumulée pendant la journée varie entre 1.300 et 4.000 calories par m2 de surface ensoleillée. Ce liquide émet un rayonnement mais du fait que la température du liquide reste relativement faible, les radiations émises sont des radiations infrarouges ayant une longueur d'onde plus grande que les radiations reçues et elles ne peuvent traverser la paroi transparente 2. Le rendement exprimé par le rapport entre l'énergie captée et l'énergie reçue est très bon et voisin de 1. Ce phénomène est bien connu dans les serres et il est couramment désigné par l'effet de serre. Les capteurs selon l'invention constituent une application pratique nouvelle de ce phénomène. Bien entendu, sans sortir du cadre de 1 invention, diverses parties des capteurs qui viennent autre décrits à titre d'exemple, pourront etre remplacées par des parties équivalentes bien connues de l'homme de l'att, REVEND I CATI ON S 1 - Capteur d'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il est composé d'une en ceinte étanche dont les parois sont isolées thermiquement, qui comporte une paroli transparente dirigée vers le soleil et qui est remplie d'un corps noir entourant un échangeur thermique dans lequel circule un fluide. 2 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps noir est un liquide noir. 3 - Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit liquide noir est de l'huile minérale. 4 - Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite huile est de l'huile de vidange. 5 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite paroi transparente est une paroi en verre. 6 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite enceinte est constituée par un tube cylindrique transparent revetu d'un isolant thermique sur la partie de sa périphérie qui n'est pas dirigée vers le soleil et à ses extrémités. 7 - Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'axe dudit tube est vertical ou perpendiculaire aux rayons solaires lorsque le soleil passe au zénith. 8 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractfrisé en ce que le volume de corps noir est d'au moins 100 litres par mètre carré de surface transparente exposée au soleil.