Brevet FR2321670A1 — publié le 19770318

L'invention concerne les collecteurs d'energie solaire. Les collecteurs d'énergie solaire destinés à convertir la chaleur se classent en deux catégories, à savoir les collecteurs pour conversions à haute température, dans lesquels les rayons du soleil sont concentrés par des miroirs concaves qui suivent le soleil pendant la journée, ce type de collecteur n'est pas efficace en lumière diffuse. L'autre type est le collecteur à plaque plane fixe qui convertit la lumière solaire directe ou diffuse en chaleur, à des tem pératures inférieures à 200oC, Un collecteur du type à plaque plane ayant donné satisfaction dans des pays tels que Israël et le Japon comprend un tube métallique circulaire lié à une plaque métallique montée sur une surface isolante. La chaleur absorbée par la plaque est transmise à un fluide circulant dans le tube. Pour qutil présente une grande efficacité, le collecteur est normalement placé dans une enceinte étanche comportant un couvercle transparent convenablement constitué d'un vitrage double. Le rendement de ces appareils est d'environ 40 % à 50OC. Pour permettre l'utilisation de ce type de collecteur dans les régions de haute latitude où l'angle dlinci- dence des rayons solaires est faible, notamment pendant les mois d'hiver, l'efficacité de la conversion doit être fortement augmentée. La demande de brevet britannique no 45 835/74 décrit un collecteur solaire comprenant une zone transparente collectrice de chaleur, et des particules ou fibres absorbant l'énergie et dont la densité n'est pas supérieure à 1,1 dans ladite zone. L'invention concerne un collecteur d'énergie solaire perfectionné, comprenant une zone collectrice de chaleur qui comporte une bande constituée de tubes transparents parallèles d'une seule pièce,renfermant une matière fibreuse particulaire d'absorption d'énergie. Les tubes sont convenablement réalisés dans toute matière transparente pouvant être utilisée pour la production de la bande d'une seule pièce. La matière utilisée est avantageusement transparente à une grande partie du spectre solaire, comprenant, si possible, les rayonnements infrarouges, visibles et ultraviolets, et cette matière ne doit pas se ramollir aux températures susceptibles d'être atteintes pendant le fonctionnement du collecteur. Des matières transparentes convenables comprennent le verre, le polyméthacrylate de méthyle, l'acétate de cellulose, le polyéthylène, le polystyrène, des polycarbonates, le chlorure de polyvinyle transparent, et le mica. les matières plastiques telles que le chlorure de polyvinyle, les polysulfones et les polycarbonates conviennent particulièrement, car leur conductibilité thermique est faible.Les polysulfones sont particulièrement appréciées. La bande de tubes est avantageusement réalisée sous la forme d'une seule couche de tubes disposés côte à côte, de manière que leurs axes longitudinaux soient coplanaires. Les tubes peuvent présenter toute section droite souhaitée, par exemple circulaire, elliptique, carrée, rectangulaire ou polyédrique. Dans une forme avantageuse du col 1 ecteur a'énersolgire lecteur d'énergie/selon l'invention, les tubes sont de sec- tion carrée ou rectangulaire dont deux cotes opposés correspondent aux surfaces supérieure et inférieure de la bande, les deux autres catés opposés formant des parois communes avec les tubes voisins, sauf à l'emplacement des bords longitudinaux de la bande où les tubes extrêmes ntont qu'unie seule paroi commune avec le tube voisin. Les tubes sont reliés entre eux, à chaque extrémité,par des collecteurs convenables sur lesquels sont branchés des conduits d'entrée et de sortie. La bande de tubes transparents est avantageusement réalisée par extrusion ou par moulage par soufflage. Dans une forme avantageuse de réalisation selon l'invention, la bande de tubes transparents parallèles, réa lisée d'une seule pièce, comporte une couche extérieure de matière thermoplastique transparente et une couche intérieure d'une autre matière thermoplastique transparente, extrudées en meme temps que la bande ou appliquées consécutivement sur cette dernière.Ces couches sont relativement imperméables à l'eau. Par conséquent, les tubes transparents parallèles peuvent être réalisés avec une couche extérieure dune résine de polycarbonate, et avec une couche intérieure, appliquée sous la forme d'un revetement, en chlorure de polyvinyle, en fluorure ou en chlorure de polyvinylidène, en acrylonitrile/ butadiène/styrène transparent, en polyéthylène transparent à haute densité, ou en méthacrylate de méthyle-butadiène-styrène, en isobutylène, en acétate de polyvinyle, en élastomères tels que le caoutchouc siliconé, ou en revetements minéraux tels que des revetements de quartz à liant résineux, par exemple des revetements de quartz du type "Degussa".En variante, les tubes peuvent eAtre réalisés avec une couche extérieure en po lycarbonate et une couche intérieure venant d'extrusion et constituée d'une autre matière plastique relativement imperméable à l'eau. La matière particulaire ou fibreuse d1 absorption a'énergie renfermée dans la zone collectrice de chaleur du collecteur selon l'invention doit pouvoir absorber efficacement les rayons solaires. La densité des particules ou fibres n'est avantageusement pas supérieure à 1,1 et, de préférence, comprise entre 0,9 et-1,0. Des matières convenant avantageusement à ces particules ou fibres sont le carbone, par exemple des pastilles de carbone ou de graphite, ou bien des fibres de carbone,-des matières plastiques ou du caoutchouc à charge de carbone, par exemple des pastilles ou des fibres de polyéthylène à charge de carbone, ou bien des granules provenant de déchets de pneumatiques de véhicules, des particules dé perlite expanséeset noircies,des éclats de bitume ou de bitume modifié, des particules de métal et de bois ou de métal, noircies chimiquement, et des particules de verre noir ou des éclats de verre flint sombre. Des matières à haute absorption de l'énergie solaire et faible diffusivité thermi que (par exemple avantageusement inférieure à 2,5.10 3 cm2/s à des températures supérieures à 20oC\ par exemple du polyéthylène à haute densité et à charge de carbone, conviennent particulièrement. Lorsque la matière d'absorption d'énergie est constituée de particules, ces dernières peuvent comprendre, par exemple, des granules, des pastilles, des perles, des petits tronçons de tubes, ou des éclats séparés, ou bien une masse frittée et poreuse de ces particules. Des pastilles eylindriques creuses ou des petits tronçons de tubes sont avantageux. Le diamètre moyen des particules est avantageusement compris entre 1 et 10 mm et, de préférence, entre 3;0 et 4,0 mm. Ces particules remplissent à peu près la zone collectrice de chaleur, mais elles so-nt libres, de manière que dans le cas où un liquide s'écoule entre elles, elles ne soient pas totalement statiques, mais puissent suivre des mouvements d'une certaine amplitude, dans les limites de la zone collec trice de chaleur. Les particules ou fibres d'absorption dé- nergie sont retenues dans cette zone, car cette dernière présente un orifice de sortie du fluide de transmission de cha leur empêchant les particules ou les fibres de passer, par exemple par une toile. La bande de tubes parallèles est avantageusement isolée thermiquement sur une face (c'est-à-dire la face oppo suée à celle recevant les rayons solaires), de manière à réduire les pertes de chaleur par cette face. Cette isolation peut être obtenue, par exemple, en rendant la surface arrière du collecteur réfléchissante et/ou en utilisant des matières d'isolation classiques. Les pertes de chaleur par la face destinée à recevoir les rayons solaires peuvent être réduites si cela est souhaité par l'application d'une ou plusieurs couches de matière transparente. A l'utilisation, le collecteur d'énergie solaire est disposé dans un emplacement où il peut recevoir directement les rayons solaires, et un fluide convenable de trans mission de chaleur est mis en circulation dans les tubes. Les rayons solaires atteignant la matière d'absorption d'énergie produisent de l'énergie thermique qui chauffe le fluide de transmission de chaleur. Ce dernier peut etre utilisé di rectement ou par é l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, ou bien il peut être mis en réserve. Il est avantageux que les tubes soient assemblés de manière que le fluide s'écoule dans les interstices entre fibres ou granules, afin de recevoir un maximum de chaleur de ces derniers. Les fibres ou granules peuvent avantageusement osciller ou vibrer librement dans le courant de fluide. Le fluide de transmission de chaleur doit être totalement ou partiellement transparent au rayonnement solaire, et il peut être liquide ou gazeux. Par exemple, des fluîdes convenables comprennent l'eau, des mélanges d'eau et de liquide antigel, des alcools tels que le glycérol, de l'huile, de l'air, de l'ankydride carbonique ou des hydrocarbures aliphatiques supérieurs. De bons résultats sont obtenus avec de liteau. Le fluide de transmission de chaleur doit être choisi de manière à Autre compatible avec la matière constituant le collecteur. Ainsi, le méthanol ne peut être utilisé avec un collecteur réalisé en polycarbonate. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure i est une coupe verticale partielle du collecteur d'énergie solaire selon l'invention ; la figure 2 est une coupe verticale partielle, suivant la ligne A-A' de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue partielle en plan du collecteur de la figure 1. Le collecteur solaire selon l'invention comprend une bande 1 extrudée d'une seule pièce en matière thermoplastique transparente et comprenant un certain nombre de tubes parallèles de section droite rectangulaire. Ces tubes sont remplis de fibres 2 ae polyéthylène à haute densité à charge de noir de carbone. Un conduit 3 d'arrivée est relié à un collecteur 4 à une premiere extrémité de la bande, -et un conduit 5 de sortie, analogue au conduit 3, est relié à un collecteur 6 à l'autre extrémité de la bande. Des rubans perforés 7 empêchent la matière fibreuse de pénétrer dans les collecteurs. Une couche 8 de mousse de matière thermoplastique est maintenue en place par une jupe 9 de manière à isoler la surface inférieure du collecteur.Des tubes rectangulaires extérieurs 10, situés des deux côtés de la bande 1, assurent l'isolation des bords de cette dernière et ne font pas partie de la zone collectrice de chaleur. Une gouttière 11, réalisée d'une seule pièce avec chaque bord de la bande, assure l'écoulement des eaux de pluie. Une feuille 12 de matière thermoplastique transparente protège la face du collecteur recevant les rayons solaires. Des panneaux tels que celui représenté sur les figures 1 à 3 peuvent eAtre disposés coAte à côte et reliés les uns aux autres par des pièces en U fixées à leurs gouttières latérales, de manière à recouvrir totalement ou partiellement un toit. A-l'utilisation, le collecteur d'énergie solaire est avantageusement placé de manière à recevoir un rayonnement solaire direct maximal, et il est relié, par les conduits d'entrée et de sortie, par exemple à un échangeur de chaleur placé dans un réservoir d'eau chaude. En variante, dans le cas où le fluide de transmission de chaleur est de l'eau, le collecteur peut être branché directement sur le ré- servoir. Le fluide peut être mis en circulation, par exemple en construisant le circuit de manière que le fluide chauffé par les rayons solaires circule en passant dans le réservoir par effet de siphon thermique, ou bien une pompe à faible puissance peut etre mise en oeuvre. En variante, le collecteur peut être alimenté en eau Par gravité avant que cette eau soit canalisée vers un réservoir de réserve, par exemule. Si cela est souhaité~, plusieurs collecteurs de rayons solaires peuvent etre branchés en série et/ou en parallèle. Les collecteurs peuvent également eAtre réalisés de manière à former des feuilles s'enclenchant les unes avec les autres pour couvrir un toit. Les feuilles ainsi assemblées peuvent être isolées, sur leur face orientée vers le soleil, par une feuille unique de matière transparente, si cela est souhaité. Un tel dispositif peut fournir l'eau chaude, par exemple, à usage domestique, ou bien peut chauffer l'eau d'une piscine. il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au collecteur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comporte une zone collectrice de chaleur qui comprend une bande de tubes transparents et paralleles réalisés d'une seule pièce et contenant une matière fibreuse ou particulaire d'absorption d'énergie. 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes transparents et parallèles sont réalisés en verre, en polyméthaciylate de méthyle, en acétate de cellulose, en polyéthylène, en polystyrène, en polycarbonate, en polysulfone, en chlorure de polyvinyle transparent ou en mica. 3. Collecteur selon l'une des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que la bande de tubes est réali sée sous la forme d dsune seule couche de tubes disposés les uns à proximité des autres, de manière que leurs axes longitudinaux soient coplanaires. 4. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes ont une section droite carrée ou rectangulaire. 5. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande de tubes transparents est réalisée par extrusion ou par moulage par soufflage. 6. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande de tubes transparents et parallèles, réalisée d'une seule pièce, comprend une couche extérieure en matière thermoplastique transparente, et une couche intérieure en une autre matière transparente, extrudée avec la bande ou appliquée sur cette dernière comme revêtement, cette couche intérieure- étant en matière relativement imperméable à l'eau. 7. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière fibreuse ou particulaire d'absorption d'énergie, placée dans la zo ne collectrice de chaleur, a une densité d'environ O,9 à 1,0. 8. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande de tubes transparents et parallèles est isolée thermiquement sur sa face opposée à celle recevant les rayons solaires. 9. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande de tubes parallèles est recouverte d'une ou/piusieurs couches de matière transparente sur sa face recevant les rayons solaires.