Brevet FR2355255A1 — publié le 19780113

La présente invention a pour objet les dispositifs ou appareils communément appelés capteurs et conclus pour recevoir et intercepter le rayonnement solaire, de manière à transformer l'énergie qu'il contient sous forme diffi cillement explatable, en une autre énergie facilement exploitable et stockable. La présente invention concerne plus particulièrement les appareils du genre de ceux mis en oeuvre pour assurer, par l'intermédiaire du rayonnement solaire, la montee en température dlun fluide caloporteur utilisé, de façon connue en soj, pour assurer le chauffage de locaux d'habitation ou de travail. Pour répondre à l'application particulière ci-dessus, on a déjà proposé des appareils ou dispositifs dénommés généralement capteurs solaires et comportant un support en forme de bac ou de boiter dans le fond duquel est placé un échangeur de chaleur susceptible d'entre parcouru par un fluide caloporteur dont la montée en ternpérature est assurée par l'intermédiaire de surfaces d'échange secondaire, telles que des ailettes qui sont chauffées par le rayonnement solaire direct. De tels appareils ne permettent pas d'obtenir -un bon rendement, car ils ne réalisent que la transformation d'une faible fraction du rayonnement reçu.Pour pallier cet inconvénient, ona proposé d'utiliser un échangeur de chaleur du type plan supporté à distance du fond du support de manière à supprimer les ponts thermiques et à créer un matelas isolant l'échangeur de chaleur par rapport au support. On a aussi proposé, dans le même but, de recouvrir l'échangeur de chaleur d'un double vitrage transparent, de manière à isoler cet échangeur du milieu amblant Si ces dispositions permettent d'améliorer légèrement le fonctionnement des capteurs solaires actuellement connus, elles ne permettent pas d'augmenter notablement le rendement à l'unité de surface, de sorte que pour disposer d'une puissance calorifique convenable, il est nécessaire d'avoir recours à des capteurs de très grande s surfaces qui posent alors des problèmes de réalisation, d'entretien et d'implantation dans ou sur les immeubles ou locaux dont ils doivent contribuer à assurer le chauffage. La présente invention vise à résoudre le problème ciWdessus en creant un nouveau dispositif de transformation du rayonnement solaire, plus particu lièrement conçu pour accroître, de façon très sensible, le rendement à l'unité de surface de façon à pouvoir disposer, pour une surface donnée, d'une puissance calorifique très nettement supérieure à celle des appareils et dispositifs actuellement connus.L'objet de l'invention vise également à conférer une bonne efficacité à l'appareil ou au dispositif mEme dans le cas de réception de rayonnement incident de faible valeur angulaire, de manière à accroire sa durée guotidienrle de fonctionnement utile. L'objet de l'invention vise également à améliorer les capacités échange de l'échangeur de chaleur de manière qu'il devienne possible, éventuelle ment de disposer le capteur solaire dans une position autre qu'horizontale, éventuellement inclinée, voire verticale. Conformément à l'invention, l'appareil de captage et de transformation du rayonnement solaire, comprenant un caisson contenant un échangeur de chaleur parcouru par un fluide caloporteur, est caractérisé en ce que le caisson délimite une enveloppe ou un garnissage en matière isolante supportant une enceinte d'échange comportant un fond conformé et offrant en direction du dessus ouvert du caisson une surface réfléchissante, destinée à engendrer une réflexion indirecte du rayonnement incident en direction d'un échangeur de chaleur disposé au-dessus du fond et soumis au rayonnement direct à travers un auie transparent rapporté de façon amovible avec un joint d'étant chéité sur le dessus ouvert du caisson. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description ci-dessous faite en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig 1 est une perspective partie en coupe de l'objet de l'invention. La fig. 2 est une coupe transversale partielle montrant à plus grande échelle un détail constructif de l'objet de l'invention. La fig. 3 est une perspective montrant une forme de réalisation de l'un des éléments constitutifs de l'objet de l'invention. La fig. 4 est une perspective partielle illustrant une variante de réalisation de l'élément constitutif selon la fig. 3. La fig. 5 est une élévation partielle, partie en coupe, montrant une forme d'exécution préférée de l'élément de construction selon la fig. 4. Selon les fig. 1 et 2, l'appareil conforme à l'invention comprend un caisson 1 qui peut être réalisé en tout è matière appropriée pour affecter la forme d'un volume géométrique quelconque, celle retenue et représentée aux dessins étant parallélipipédique rectangle, de faible hauteur. Le caisson 1 est du type ouvert et comporte un fond 2 bordé par des côtés latéraux 3 dont l'un, par exemple le côté 3a, est monté pivotant sur le fond 2 par l'intermédiaire de charnières ou dlarticulationsnon représentées dont l'axe commun est parallèle audit fond. Le caisson 1 est revêtu intérieurement d'un garnissage ou d'une enveloppe 4 choisi en toute matière présentant un très bon coefficient d'isolation thermique ainsi que des bonnes caractéristiques de résistance mécanique, notamment à la compression. Le garnissage 4 est réalisé pour former un revête- ment 4a couvrant totalement le fond 2, ainsi que des parements intérieurs 4b s'élevant sur la plus grande partie des faces intérieures des côtés latéraux 3. Le garnissage 4 peut entre réalisé de façon uniforme monobloc ou, au contraire, êrtre constitué par des panneaux découpés et rapportés de toute façon convenable sur le fond 2 et les cOtés latéraux 3. Le garnissage 4 assure le support dtune paroi 5 réfléchissante et conformée de toute façon possible de manière à accrottre notablement-sa surface propre par rapport à une unité de surface donnée La paroi 5 peut être avantageusement constituée par une tôle dont la surface opposée au fond 2 est polie. Cette caractéristique peut être obtenue par la nature propre de la matière constitutive de la paroi 5, ou éventuellement par un revêtement ou traitement de surface exécuté avant ou après l'opération de conformation. Dans touts les cas, la paroi 5 est conformée pour comporter un fond Sa présentant des variations locales de niveau définissant des points bas et des points hauts séparés d'une mesure inférieure à la profondeur P existant entre le dessus du garnissage 4a et les bords supérieurs des parements 4b.En outre, la paroi 5 est réalisée pour que le fond 5a soit bordé par un rebord périphérique 6 s'élevant de façon rectiligne perpendiculairement à partir du plan passant par les différents points hauts du fond 5a. Les bord périphérique 6 est muni d'un rebord 7 rabattu extérieurement selon un plan distant de celui passant par les points bas du fond 5a d'une mesure sensiblement égale à la profondeur P De la sorte, la paroi 5 représente une enceinte E ouverte qui peut etre emboîtée dans le caisson 1 en étant guidée par le bord 6 le long des parements 4b sur lesquels elle repose par le rebord 7 en prenant appui simultanément sur le garnissage 4 par les points bas du fond Sa. Dans l'exemple illustré par les fig. I et 2, Te fond Sa- est conformé pour présentr des variations locales de niveau, selon l'une des dimensions horizontales, c'est-à-dire par exemple la longueur, ces variations de niveau définissant ainsi des plis, des ondulations, des nervures ou toutes autres conformations 8 parallèles entre elles et de meme niveau successif, comme, par exemple, des zig-zag définis par des segments rectilignes 9. La paroi 5 est associée à un échangeur de chaleur 10 représenté en traits mixtes aux fig. 1 et 2 et dont le support peut hêtre assuré directement par l'intermédiaire de deux côtés latéraux parallèles 3, par exemple par le cOté latéral 3a et le côté homologue ou, également, en association par l'intermédiaire d'organes d'appui ou de règles portés ou formés par la paroi 5.Ces organes de support de l'échangeur 10 peuvent etre soit prévus au niveau des rebords 6, soit également constitués par les points hauts du fond 5a. Dans le cas illustré, l'échangeur de chaleur 10 est disposé dans l'enceinte E pour s'étendre, avec ou sans contact, parallelement et au-dessus des points hauts du fond Sa. Selon la fig. 3, l'échangeur de chaleur 10 est constitué à la manière d'un échangeur plan du type à mailles, ciest-à-dire comportantun tube de circulation 11 conformé en serpentin ou encore une série de tubes parallèles reliés à des collecteurs, ce ou ces tubes étant associés, d'une manière connue, à des surfaces d'échange secondaire 12, telles que des aillettes parallèles qui confèrent à l'échangeur 10 un aspect maillé.Des tubulures 13 et 14 sont prévues sur le ou les tubes 11 pour permettre le raccordement à des tuyauteries ou canalisations de circulation d'un fluide caloporteur amené par circulation naturelle ou forcée, à suivre le circuit délimité par le ou les tubes de l'échangeur 10 Ces tubulures s'étendent normalement à l'extérieur, par exemple, du cté latéral 3a dont le montage pivotant permet l'accès dans l'enceinte E pour les opérations de montage ou de démontage de l'échangeur 10. Le rebord périphérique rabattu 7 de la paroi 5 constitue également un appui pour un volume de glace 24, transparent, qui est mis en place par le côté latéral 3a de manière à fermer l'enceinte E. Le rebord 7 est muni d'un joint d'étanchéité plat 25 sur lequel prend appui le volume de glace 24. La fermeture du caisson 1 est réalisée par l'intermédiaire d'un second volume de glace 26, également transparent, qui est posé, par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 27, sur des supports, épaulements ou rebords 15 présentés par les parties supérieures des côtés latéraux 3. Le volume de glace 26 délimite avec le volume de glace 13 un intervalle 16 contenant un matelas d'air intermédiaire isolant l'enceinte E du milieu ambiant. La disposition constructive de l'objet de l'invention, telle que décrite cidessus, est choisie pour améliorer très notablement le rendement du capteur solaire ainsi constitué. En effet, comme cela ressort de la fig. 2, les rayons incidents3 qui sont amenés à traverser les volumes de glace successifs 26 et 24 ont pour effet de chauffer la masse d'air emprisonnée dans l'intervalle 16 qui constitue alors une barrière thermique isolant l'enceinte E du milieu ambiant dont la température, éventuellement basset pourrait avoir une influence néfaste sur l'échange de calories à l'intérieur de l'enceinte E.Certains des rayons incidents sont ensuite amenés à frapper l'échangeur de chaleur 10 et, par conséquent, à réaliser, par rayonnement direct, une montée en température du ou des tubes de circulation, ainsi que des surfaces d'échange 12 tandis que d'autres rayons traversent librement l'échangeur 10 par des mailles ou intervalles existant entre ses éléments constitutifs. Selon l'invention, ces rayons ne sont pas perdus, car au-delà du plan de 1' échangeur 10, ils rencontrent le fond conformé Sa qui en assure, par réflexion simple ou multiple, le renvoi en direction de l'échangeur, comme illustré par le trajet en traits mixtes T.Les rayons réfléchis sont ainsi amenés aussi à contribuer à l'échange de calories avec l'échangeur 10 qui bénéficie de la sorte d'une réception et d'une interception maximale du rayonnement solaire permettant d'obtenir une transformation d'énergie supérieure à celle réalisée par les appareils actuels de meme surface. Le fond conformé 5a de l'enceinte E réalise ainsi un captage maximal des rayons solaires incidents non interceptés par rayonnement direct, quelle que soit l'angle desdits rayons incidents. Outre le gain ainsi obtenu, il devient donc possible de placer l'appareil indifféremment selon un plan horizontal, incliné ou vertical.Le fond conformé 5a de l'enceinte E présente, en outre, l'avantage d'offrir une surface utile de captage et d'interception supérieure à la surface réelle couverte, ce qui contribue à améliorer la quantité maximale d'énergie prélevée à partir des rayons solaires, soit par réflexion des rayons réfléchis, soit par le rayonnement propre du fond Sa dont le déperdition calorifique est limitée à la valeur minimale, étant donné la présence du garnissage 4 et la faible surface de contact entre le revetement 4a et les points bas ou creux du fond 5a. Une amélioration du rendement de l' appareil est. également obtenue par la présence des deux volumes de glace 24 et 26 qui délimitent l'intervalle 16. En effet, cet intervalle constitue une barrière thermique isolant du milieu ambiant l'enceinte E et limitant ainsi à la valeur minimale les déperditions calorifiques. La fig. 2 met en valeur une caractéristique cýlstructive de l'objet de I'inveniEon, plus particulièrement destinés à conférer au capteur solaire une efficacité d'échange, mEme dans le cas d'interception de rayons incidents de très faible valeur angulaire correspondant, par exemple, à ceux reçus apres le lever du soleil ou quelque temps avant son coucher. La fig. 2 fait apparaître selon le trajet en traits mixtes T1 que les rayons incidents de faible valeur angulaire sont interceptes par le bord 6 qui en assure le réflexion primaire en direction du fond 5a chargée diriger ces rayons vers le plan de ltéchan- geur 10.Cette disposition permet d'accroltre de façon importante la durée quotidienne de fonctionnement et d'interception. utile du capteur solaire et, par conséquent, d'obtenir un maintien en température prolongé du fluide caloporteur destiné au chauffage des locaux. La fig. 4 montre une variante de réalisation selon laquelle l'échangeur 10 est constitué, de préférence, par un tube 18 conformé en serpentin de manière à comporter des segments 19 rectilignes qui sont disposés, ainsi que cela apparaft en traits mixtes à la fig. 2, au moins en partie dans les intervalles ou creux délimités par les conformations 8 du fond 5- Les segments rectilignes 19 sont reliés entre eux successivement par des segments cintrés 20 qui sont portés dans des logements présentés par des rebords 21 solidaires de la paroi conformée 5 ou encore de deux des côtés latéraux 3. La fig. 2 fait apparaître que la mise en oeuvre d'un échangeur 10 constitué à partir d'un tube de circulation 18 de gros diamètre, en partie au moins logé dans les creux ou alvéoles séparant les conformations 8, permet d'accroftre notablement la surface d'exposition au rayonnement direct, ainsi que celle soumise à la réflexion indirecte des rayons réfléchis par l'intermédiaire du fond 5a. Pour accroître le rendement de l'échangeur conformé à partir d'un tube 18, il peut être prévu, ainsi que cela est illustré par la fig. 5, de lui adjoindre une surface d'échange secondaire 22, par exemple constituée par une ailette continue enroulée en hélice sur la surface périphérique extérieure selon un pas faible. Une disposition supplémentaire consiste également à disposer à l'intérieur des segments rectilignes 19 au moins, un perturbateur 23 en forme dhélice qui est enroulé dans le sens inverse de celui de l'ailette 22, de manière à forcer une circulation du fluide caloporteur dans le sens opposé pour réaliser, par un léchage obligé de la paroi périphérique des segments 19, une prise en charge régulière et constante des calories apportées à cette surface par l'intermédiaire de l'ailette 22. Bien que cela ne soit pas illustré, il y a lieu de noter que le fond Sa peut présenter une conformation autre que celle representée aux fig. 1 et 2 qui montrent des variations locales de niveau le long de lignes parallèles entre elles et à l'une des dimensions horizontales du fond I1 est également possible d'envisager d'autres conformations, par exemple faisant intervenir des variations locales de niveau selon les deux dimensions horizontales pour obtenir des bossages ou des saillies raccordées ou non. Dans le cas particulier de mise en oeuvre d'un échangeur de chaleur 10 du type à mailles, il peut également être prévu de realiser ce dernier selon une conformation similaire à celle du fond 5a, comme cela est montré en traits mixtes à la fig. 2. L'objet de l'invention peut être utilisé à des fins diverses pour assurer le chauffage d'eau destinée à l'usage domestique, sanitaire ou au chauffage par circulation dans des radiateurs de conception traditionnelle L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation représentés et décrits en détail, car diverses modifications peuvent y etre apportés sans sortir de son cadre. RE VE NDICATI0NS 1 - Appareil de captage et de transformation du rayonnement solaire comprenant un caisson contenant un échangeur de chaleur parcouru par un fluide caloporteur, caractérisé en ce que le caisson délimite une enveloppe ou un garnissage en matière isolante supportant une enceinte d'échange comportant un fond conformé et offrant en direction du dessus ouvert du caisson une surface réfléchissante, destinée à engendrer une réflexion indirecredu rayonnement incident en direction d'un échangeur de chaleur disposé au-dessus du fond et soumis au rayonnement direct à travers un slke transparent rapporté de façon amovible avec un joint d'échantéité sur le dessus ouvert du caisson. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte d'échange est constituée par une paroi offrant une surface réfléchissante en direction du dessus ouvert du caisson et comportant un fond conformé pour présenter des saillies et des creux et à partir duquel s'élève un bord vertical périphérique, muni d'un rebord périphérique rabattu représentant avec le fond conformé des moyens de support de la paroi sur le garnissage ou l'enve - loppe isolante du caisson. 3 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bord vertical périphérique de la paroi s'élève à partir du plan passant par les points hauts ou saillies définis par la conformation du fond de ladite paroi. 4 - Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que enceinte d'échange est constituée par une paroi comportant un fond conformé pour présenter des variations locales de niveaux selon l'une des deux dimensions horizontales dudit fond. 5 - Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enceinte d'échange est constituée par une paroi comportant un fond conformé pour présenter des variations locales de niveaux selon les deux dimensions horizontales dudit fond. 6 - Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur conformé pour suivre au moins en partie les creux définis par le fond conformé de la paroi constitutive de l'enceinte d'échange. 7 - Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur conformé pour que certains de ces éléments constitutifs au moins soient au moins en parte disposés dans les creux du fond conformé de la paroi constitutive de enceinte 8 - Appareil selon l'une des revendications 1, 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur constitué par au moins un tube de circulation d'un fluide caloporteur associé à des surfaces d'échange secondaire formées par des ailettes parallèles 9 - Appareil selon l'une des-revendications 1, 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur constitué par au moins un tube de circulation associé à un moyen d'échange secondaire formé par une ailette continue enroulée en helice sur le tube. 10 - Appareil selon la revendication , caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur constitué par au moins un tube de circulation associé à une ailette d'échange secondaire enroulée en hélice ainsi qu'à un perturbateur interne enroulé en hélice selon un sens contraire à celui de l'ailette.