Brevet FR2345675A1 — publié le 19771021

La présente invention concerne les convertisseurs d'énergie solaire en énergie thermique. L'energie thermique nécessaire au chauffage des habitations où a l'alimentation de centrales electriques est produite principalement en brulant des combustibles industriels tels que le pétrole ou le charbon. L'épuisement probable, dans un avenir relativement proche, des réserves de combustible et l'augmentation du prix des carburants ont accéléré les recherches entreprises pour convertir l'énergie solaire en énergie thermique. On connait des convertisseurs d'énergie solaire en énergie thermique ctonstitués essentiellement d'une plaque métallique sur une face de laquelle est deposée une couche capable d'absorber le rayonnement solaire, une canalisasion etant fixee sur l'autre face de cette plaque pour faire circuler un fluide tel que l'eau. Lorsque la couche est soumise au rayonnement solaire, énergie solaire absorbée par la couche est transmise au fluide. Dans un premier type de ces convertisseurs, la couche absorbante peut être constituée de sulfures ou d'oxydes metalliques ; une telle couche est obtenue par dépôt chimique ou électrochimique. Ces convertisseurs présente l'inconvenient d'avoir une mauvaise fiabilite et des performances relativement -modestes. Plus recensent on a réalisé un deuxième type de convertisseurs dans lequel la couche absorbante est formée de plusieurs couches superposées de composés métalliques ou metaux differents tels que l'or, le nitrure de silicium, le silicium et la silice. Ces couches sont deposees par évaporation ou pulvérisation cathodique sous vide, ou par depôt chimique en phase vapeur. Ces convertisseurs, pressentent l'inconvénient principal d'avoir un prix de revient élevé. Hais, de plus la couche absorbante s'*ltere en fonction du temps surtout si elle fonctionne dans l'air a des températures supérieures 200 degrés centigrades et les procedes de dépôt de la couche ne permettent pas de réaliser facilement des convertisseurs de grande surface utile. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients des convertisseurs connus et de réaliser un convertisseur d'énergie solaire en énergie thermique d'excellente fiabilité, d'un prix de revient faible et possédant cependant des performances suffisantes en pratique. La presente invention a aussi pour but de mettre en oeuvre un procéde de fabrication de ce convertisseur et de réaliser un dispositif pour mettre en oeuvre ce procede. La presente invention a pour objet un convertisseur d'énergie solaire en énergie thermique comportant - une plaque metallique - une couche sélective capable d'absorber énergie du rayonnement solaire, recouvrant une face de ladite plaque - des moyens pour faire circuler un fluide, fixés sur l'autre face de ladite plaque, afin de transferer dans ledit fluide à travers ladite plaque l'énergie absorbée par ladite couche, caractérisé par le fait que ladite couche est constituée de noir de carbone. La présente invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un convertisseur d'énergie solaire en énergie athermique, comportant les étapes suivantes - fixation de moyens pour faire circuler un fluide sur une face d'une plaque métallique - et recouvrement de l'autre face de ladite plaque d'une couche capable d'absorber l'énergie du rayonnement solaire, caractérisé par le fait que ledit recouvrement consiste en un dépôt d'une couche de noir de carbone. La présente invention a également pour objet un dispositif pour réaliser un convertisseur d'énergie solaire en énergie thermique comportant un appareillage pour fixer sur une face d'une plaque métallique des moyens de circulation d'un fluide et des moyens pour déposer une couche absorbant l'énergie solaire sur l'autre face de cette plaque, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour déposer sur l'autre face de ladite plaque une couche absorbant énergie solaire comportent - des rampes d-e bruleurs disposées parallèlement entre elles selon une surface sensiblement horizontale - des moyens pour alimenter lesdites rampes en un carburant constitué d'hydrocarbures - et des moyens pour faire défiler horizontalement ladite plaque au dessus desdits rampes. La présente invention est décrite ci-dessous, à titre illustratif mais nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel - la figure la représente en coupe un mode de réalisation du convertisseur selon l'invention, - la figure lb représente en coupe un mode de réalisation particulier d'un élément du convertisseur représenté sur la figure - la figure 2 eprésente partiellement un dispositif capable de mettre en oeuvre un procédé de réalisation du convertisseur illustré par les figures la ou lb, - la figure 3 représente un élément du dispositif illustré par la figure 2 - et la figure 4 représente un autre élement du dispositif illustré par la figure 2. Sur la figure la est représentée une plaque métallique I dont l'épaisseur peut être comprise entre 0,5 et I millimètre et qui est constituée par exemple d'un métal tel que l'aluminium, le cuivre, le laiton ou un autre alliage d'aluminium et de cuivre. Mais cette plaque métallique peut être aussi constituée comme montré sur la figure 1 b, d'une plaque-support 2 par exemple en acier munie sur une de ses faces d'un revêtement 3 de faible épaisseur formé d'un métal tel que l'aluminium, le cuivre, le nickel ou un alliage de ces métaux. Lorsque la plaque est constituée d'aluminium pur on utilise de préférence de l'aluminium A5, par exemple du type A5-0AIS. Sur une face de la plaque l est fixé un conduit 4 comportant une entrée 5 et une sortie 6. L'autre face de la plaque I est recouverte d'une couche sélective de noir de carbone 7. Lorsque la plaque métallique est du type illustré sur la figure lb, le conduit 4 est fixé du côté du support 2 et la couche 7 est disposée du côté du revêtement 3. L'épaisseur de la couche 7 de noir de carbone est treks faible et de préférence inférieure un micron. Selon un mode de réalisation, la plaque métallique 1 recouverte de la couche 7 et munie du conduit 4 est disposée à l'intérieur d'un boitier 8 par exemple iétallique.Le boitier 8 comporte une fenêtre 9 transparente au rayonnement solaire, réalisée en verre par exemple et disposée en regard de la couche 7. Une vitre 10 également transparente au rayonnement solaire, peut être disposez entre la couche 7 et la fenêtre 9, cette vitre étant fixée aux parois du boitier 8 par tout moyen convenable. La plaque 1 est posée sur un coussin calorifugé il par exemple en polyurethane, placé au fond du boitier 8. Les extrémités 5 et 6 du canal 4 traversent les parois du boitier par des sorties étanches et thermiquement isolées. Le gaz enfermé dans le boitier 8 peut être de l'air ou un gaz neutre tel que l'azote, à la pression atmosphérique. Le boitier 8 peut aussi comporter des moyens (non représentés) pour faire à l'intérieur un vide de l'ordre de torr. Pour faire fonctionner le convertisseur,-on oriente la couche absorbante vers le rayonnement solaire et on fait circuler dans le conduit 4 un fluide tel que l'eau, un fluide organique ou même de l'air. L'énergie solaire est absorbée par la couche 7 de noir de carbone. Grâce à la faible épaisseur de la couche 7 et à la présence de la fenêtre 9 et de la vitre 10, seule une partie relativement faible de l'énergie solaire absorbée est rayonnée par la couche 7 sous forme de radiations infra-rouges. La plus grande partie de l'énergie solaire absorbée par la couche est transmise a la plaque 1 qui la transmet à son tour au fluide caloporteur circulant dans le circuit 4. Bien entendu la température du fluide la sortie du conduit 4 est d'autant plus élevée que sa vitesse de circulation est plus faible. Pour fabriquer le convertisseur représente sur la figure la, on fixe d'abord un conduit 4 sur une face d'une plaque métallique 1 constituée par exemple d'aluminium A5. Le conduit 4 est préalablement alternativement replié plusieurs fois sur lui même comme indiqué sur la figure de manière que les parties du conduit 4 en contact avec la face de la plaque s'étendent sur tout la surface de la plaque. La fixation peut être réalisé par tout moyen connu, par exemple par brasage pour assurer un bon contact thermique entre le conduit 4 et la plaque 1. Les deux faces, mais particulirement-l'autre face de la plaque 1 est alors dégraissée et désoxydée. De préférence on procède ensuite à un polissage chimique des deux faces et du conduit; ce polissage peut être réalisé à l'aide d'une solution a 20 pour cent en poids de soude caustique dans de l'eau. On dépose enfin sur toute la surface de la face opposée au conduit caloporteur ainsi préparée une couche de noir de carbone. Ce dépôt est effectué en faisant défiler la plaque dans un plan horizontal au dessus d'un foyer constitué de flammes provenant de la combustion incomplète dthydrocarbures. Le défilement est de préférence réalisé à vitesse constante de maniere à déposer une couche de noir de carbone d'épaisseur sensiblement constante. La figure 2 représente une installation capable d'effectuer le dépôt de la couche de noir de carbone. Cette installation comprend un chassis 12 supportant des rampes de bruleurs 13 disposées parallèlement entre elles de manière à former une surface de chauffe rectangulaire sensiblement horizontale. Cette rampe est alimentée par une source de carburant (non représentEe) à travers une vanne d'arrêt 14 et un manodétenteur 15. Le carburant utilisé est de préférence du gaz butane, mais il peut être n'importe quel hydrocarbure liquide ou gazeux, par exemple du propane, de l'octane, du benzene ou du méthane, ainsi que leurs mélanges. te chassis 12 supporte deux rails parallèles 16 et 17 horizontaux sur lesquels peut rouler dans le sens de la flèche 18 un chariot 19 grâce à un cable d'entrainement 20. La plaque 1 est fixée sur le chariot 19 de manière que la face à recouvrir de noir de carbone soit tournée ver le bas au dessus des rampes 13, la face supportant le conduit 4 (non représenté sur la figure 2) étant tournée vers le haut. La fixation de la plaque 1 sur le chariot 19 peut être effectuée comme indiqué sur la figure 3, par des crochets 21 pouvant basculer autour d'un axe 22 lié au chariot 19 et pouvant être immobilisés après fixation de la plaque grâce à un ressort 23. Comme il est visible sur la figure 4, les rampes 13 sont entourées d'un boitier ouvert en haut. Le fond de ce boitier est constitué par un grillage fin 24 disposé horizontalement au dessous des rampes 13, et les parois extérieures verticales 25, 26, 27 et 28 du boitier sont pleines. Des cloisons grillagées telles que 29 sont disposées entre les rampes successives. Les parois et les cloisons du boitier doivent être d'une hauteur suffisante pour stabiliser les flammes des rampes 13 des brûleurs, Un orifice d'entrée d'air 30 à section réglable peut être disposé sur les canalisations d'alimentation des rampes 13 afin de permettre le règlage de la combustion incomplète de carburant requise pour obtenir un dépôt convenable de noir de carbone sur les plaques.Les convertisseurs selon l'invention présentent l'avantage d'avoir une fiabilité très supérieure a celle des appareils selon l'art antérieur, notamment pour des températures de fonctionnement assez élevées, de l'ordre de 200- C. De plus le prix de revient d'un convertisseur selon l'invention est particulièresent avantageux. On peut estimer, par exemple, que le prix d'un convertisseur selon l'invention comportant une plaque réceptrice munie de ses canalisations de récupération d'énergie peut etre environ 5 fois noins élevé que celui du deuxième type de convertisseur selon l'art antérieur cité plus hautpourdes performances comparables.De plus, il est possible de réaliser sans difficultés des convertisseurs de grande surface utile, par exemple de deux entres carrés. Le tableau ci-dessous donne à titre indicatif les performances de quelques convertisseurs selon l'invention, du type à boitier sous vide, comportant des couches de noir de carbone de différentes épaisseurs déposées par combustion incomplète de butane sur des plaques d'aluminium brutes ou polies chimiquement. Ces épaisseurs E sont données en micron sur le tableau. Les performances indiquées sont valables pour un rayonnement solaire total de 1000 watts par entre carré. Les valeurs de l'absorptivité a de la couche de noir de carbone sont relatives à un rayonnement incident de longueur d'onde 0,5 micron. Les valeurs de I' émissivité c de cette azure couche sont données pour les deux valeurs de la longueur d'onde d'émission de 7,76 et 6,12 microns, correspondant aux temperatures de 100 et 200 degrés C de fonctionnement de la plaque. La puissance utile P en watts par mètre carré qu'il est possible de receuillir è la sortie des convertisseurs est données pour les trois températures de fonctionnement de 20, 100 et 200 C. La température e limite d'utilisation est la température pour laquelle la puissance utile est nulle, la circulation du fluide caloporteur étant arrêtée, E a a P e PLAQUES # 100 C 200 C 100 C 200 C 20 C 100 C 200 C C A5 laminé 0,03 0,5I5 0,114 0,129 4,52 4 437 310 64 218 0,09 0,775 0,155 0,168 5 4,62 658 485 172 236 " 0,18 0,935 0,210 0,235 4,45 4 795 560 115 21B " 0,36 0,985 0,242 0,271 4,07 3,63 837 566 53 207 " 0,91 0,99 0,283 0,321 3,5 3,08 841 524 0 191 " 1,1 0,99 0,361 0,399 2,74 2,50 841 437 0 166 A5 poli 0,11 0,83 0,188 0,201 4,42 4,13 705 495 121 224 " 0,166 0,92 0,179 0,199 5,14 4,62 782 582 205 23 Le tableau ci-dessus montre que l'épaisseur de la couche déposée doit être adapté à la température de travail désirée. Par exemple, la plaque étant en aluminium laminé, on a intérêt à déposer une couche de 0,36 micron si l'on désire travailler à 100 degrés C et une couche de 0,09 micron pour une température de travail de 200 degrés C. Les convertisseurs selon la présente invention peuvent être appliqués à la climatisation des locaux d'habitation et à l'alimentation des centrales électriques à conversion thermodynamique. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions et remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Convertisseur d'énergie solaire en énergie thermique comportant : - une plaque métallique - une couche sélective capable d'absorber I'énergie du rayonnement solaire, recouvrant une face de ladite plaque - des moyens pour faire circuler un fluide, fixés sur l'autre face de ladite plaque, afin de transferer dans ledit fluide à travers ladite plaque l'énergie absorbée par ladite couche, caractérisé par le fait que ladite couche (7) est constituée de noir de carbone. 2/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte an outre un boitier (8) entourant ladite plaque (1) recouverte de ladite couche (7) et munie des moyens (4) de circulation dudit fluide, ce boitier comportant une fenêtre (9) transparente au rayonnement solaire, disposée en regard de ladite couche. 3/ Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une vitre (10) transparente au rayonnement solaire disposé entre ladite couche (7) et ladite fenêtre (9). 4/ Convertisseur selon la revendication 2 caracterise par le fait qu'il comporte des moyens pour faire le vide dans ledit boitier (8) 5/ Convertisseur selon la revendication 2 caractérisé par le fait que ledit boitier (8) est rempli d'un gaz neutre. 6/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite plaque métallique (1) est constituée d'un métal compris dans le groupe formé par l'aluminium le cuivre et les alliages d'aluminium et de cuivre. 7/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite plaque métallique (1) est constitué d'un support métallique muni sur une face d'un revêtement (3) d'un métal compris dans le groupe formé par l'aluminium, le cuivre, le nickel et les alliages de ces métaux, ladite couche (7) recouvrant ledit revêtement. 8/ Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit métal est de l'aluminium du type A5. 9/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'épaisseur de ladite couche (7) est inférieure à un micron. 10/ Procédé de réalisation d'un convertisseur d'énergie solaire en énergie thermique, comportant les étapes suivantes - fixation de moyens pour faire circuler un fluide sur une face d'une plaque metallique, - et recouvrement de l'autre face de ladite plaque d'une couche capable d'absorber I'énergie du rayonnement solaire, caractWrisê par le fait que ledit recouvrement consiste en un dépôt d'une couche (7) de noir de carbone. 11/ Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ledit dépôt sur ladite autre face d'une couche de noir de carbone est effectué en faisant défiler dans un plan horizontal ladite plaque (1) au dessus d'un foyer constitué de flammes provenant de la combustion incomplète d'hydrocarbures. 12/ Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il consiste en outre à polir chimiquement ladite autre face de ladite plaque (1) avant ledit dépôt. 13/ Procédé selon la revendication 10, caractérisé par ae fait qu'il consiste en outre à polir chimiquement les deut faces de ladite plaque (1) avant ledit dépôt. 14/ Procédé selon la revendication 11 caractérisé par le fait que le défilement de ladite plaque (1) est effectué à vitesse constante. 15/ Dispositif pour réaliser un convertisseur d'énergie solaire en énergie thermique comportant un appareillage pour fixer sur une face d'une plaque métallique des moyens de circulation d'un fluide et des moyens pour déposer une couche absorbant énergie solaire sur l'autre face de cette plaque, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour déposer sur l'autre face de ladite plaque une couche absorbant l'énergie solaire comportent - des rampes (13) de bruleurs disposées parallèlement entre elles selon une surface sensiblement horizontale, - des moyens pour alimenter lesdites rampes en un carburant constitué d'hydro carbures, - et des moyens (16,;t7, 19) pour faire défiler horizontalement ladite plaque (1) au dessus desdites rampes (13). 16/ Dispositif selon la revendication 15, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un boitier entourant lesdites rampes, ce boitier comprenant un fond (24) constitué d'un grillage disposé en dessous de ces rampes (13) parallèlement à ladite surface, des parois extérieures 25, 26, 27, 28 vertieales pleines et des cloisons (29) verticales grillagées disposées entre deux rampes consécutives, ces parois et ces cloisons étant d'une hauteur suffisante pour stabiliser les flammes des bruleurs. 17/ Dispositif selon la revendication 16, caractérisé par le fait que lesdits rampes (13) comportent un orifice (30) à section règlable pour faire rentrer de l'air dans ledit carburant alimentant lesdites rampes. 18/ Dispositif selon la revendication 15, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour faire défiler horizontalement ladite plaque (1) au dessus desdites rampes comportent deux rails (16,17) parallèles disposés horizontalement, un chariot (19) apte à rouler sur lesdits rails au dessus desdites rampes (13), des moyens (21) pour fixer ladite plaque (1) sur ledit chariot et des moyens (20) pour déplacer ledit chariot sur lesdits rails (16,17) 1 Dispositif selon la revendication 15, caractérisé par le fait que ledit hydrocarbure est du gaz butane.