Brevet FR2351364A1 — publié le 19771209

L'invention concerne un ensemble capteur d'énergie solaire utilisant l'air comme fluide caloporteur. L'invention comprend aussi l'application de cet ensemble au chauffage et à la climatisation des locaux. On connaît dJà des dispositifs de ce genre comportantune surface absorbante placée derrière un écran sélectif transparent aux longueurs d'onde de la lumière solaire et opaque aux rayonnements infra-rouge thermiques. L'énergie calorifique absorbée par effet de serre au niveau de la surface absorbante est évacuée en service par une circulation d'air caloporteur le long du cté éclairé ou des deux côtés de cette surface, et peut être utilisée dans une pompe à chaleur. Dans les capteurs de ce genre, les couches d'air circulant au voisinage de la surface absorbante sont surchauffées au détriment des couches plus éloignées de celle-ci. De ce fait, la collecte de lténergie calorifique par l'air caloporteur s'effectue dans de mauvaises conditions, et ces dispositifs présentent l'in convénient d'avoir un mauvais rendement calorifique. De plus, 1 l'écran se trouve réchauffé à la fois par l'air caloporteur et par le rayonnement calorifique provenant de la surface absorbante. Sa surface extérieure atteint une température élevée entrainant des pertes radiatives importantes qui diminuent encore le rendement calorifique global. Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'un ensemble capteur d'énergie solaire qui ne présente pas les inconvénients ci-dessus et qui permette un bon rendement thermique. L'ensemble capteur d'énergie solaire conforme à l'invention utilise l'air comme fluide caloporteur, notamment pour le chauffage des locaux, et comprend un capteur muni d'un écran présentant une transparence sélective placé devant une surface absorbante. il est caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens d'amenée et de sortie de l'air caloporteur placés de part et d'autre de la surface absorbante, celle-ci comportant des orifices pour le passage de l'air à travers elle. L'air caloporteur est ainsi obligé de traverser la surface absorbante au cours de son trajet dans le capteur. Tous les filets d'air doivent donc successivement passer au voisinage de la surface dont ils évacuent les calories, ce qui assure une collecte thermique parfaitement répartie sans qu'aucune couche d'air soit privilégiée. La surface absorbante peut avantageusement présenter une structure lamellaire qui offre à la fois une grande section de passage à l'air, et une grande surface de captage des rayonnements, et amène la vitesse des filets d'air à gtre parallèle aux lamelles, ce qui favorise les échanges thermiques. De préférence, l'écran comprend au moins deux feuilles de transparence sélective, et le capteur comprend des moyens pour faire circuler l'air caloporteur entre les deux feuilles avant son arrivée au voisinage de la surface absorbante, ce qui minimise les pertes d'énergie calorifique dues aux rayonnements émis vers l'extérieur par l'écran. L'invention vise égalementune application de l'ensemble ci-dessus au chauffage et à la climatisation de locaux,qui est caractérisée en ce que l'ensemble est couplé à une pompe à chaleur comprenant un système frigorifique à deux échangeurs à air, un échangeur d'entrée et un échangeur de sortie, en ce que lton insuffle l'air provenant du capteur dans le local après passage dans l'échangeur d'entrée, le volume d'air correspondant du local étant évacué à l'extérieur après passage sur l'échangeur de sortie, en ce que, en saison froide, on utilise le capteur pour préchauffer l'air insufflé, les échangeurs d'entrée et de sortie fonctionnant alors respectivement en condenseur et en évaporateur pour compléter le chauffage, et en ce que, en saison chaude, on utilise le capteur en émetteur nocturne pour prérefroidir l'air insufflé, les fonctions des deux échangeurs étant alors inversées de manière que la pompe de chaleur assure le refroidissement com plémentaire requis.pour la climatisation du local. La coopération de l'ensemble conforme à l'invention avec une pompe à chaleur permet d'obtenir une amélioration consi érable des performances de celle-ci. D'autres particularités et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexais, donnés à titre d'exemples non limitatifs, on a représenté deux modes de réalisation du capteur et les schémas de deux modes d'exécution do l'application précitée. - les figures 1 et 2 sont des coupes transversales de deux réalisations du capteur - la figure 3 montre schématiquement un premier mode d'exécution de l'application conforme à l'invention, représenté dans le cas du fonctionnement en saison froide - la figure 4 montre schématiquement l'application de la figure 3 dans le cas du fonctionnement en saison chaude; - la figure 5 montre schématiquement un second mode d'exécution de l'application conforme à l'invention - la figure 6 est une vue en perspective avec arrachements du dispositif de la figure I - la figure 7 montre en perspective la structure du métal déployé employé de préférence dans la surface absorbante. Le capteur 1 des figures 1 et 6 comprend un écran 2 double présentant une transparence sélective lui permettant d'être traversé par les rayons énergétiques du soleil tout en restant opaque aux rayonnements thermiques provenant de l'intérieur du capteur 1. L'écran 2 est placé devant une surfaee 3 absorbante, par exemple noire, sur laquelle sont répartis des orifices 4 pour le passage de l'air caloporteur permettant à celui-ci de la traverser. Le capteur 1 comporte également des moyens d'amenée et d'évacuation de l'air placés de part et d'autre de la surface 3 et comprenant respectivement un passage d'admission 5 débouchant dans un volume 6 d'admission situé entre l'écran 2 et la surface 3, et une ouverture de sortie 7 formant l'issue d'un volume de sortie 8 situé du côté de la surface 3 opposé à l'écran 2. La surface absorbante 3 est placée dans une enceinte 9 plate et de forme parallélépipédique dont les deux grandes faces opposées sont fermées respectivement par l'écran 2 et par un fond 10 opaque possédant une face interne tl réfléchissante. Dans la réalisation représentée, cette surface 3 présente une structure lamellaire réalisée en utilisant du métal déployé, par exemple du genre commercialisé sous le nom de "maille silo" par la Société française "Le Métal déployé et représenté la figure 7. Comme on le voit à la figure 7, les orifices 4 ont la forme de croissants minces parallèles entre eux et repartis régulièrement en quinconce sur la surface 3, et ils sont séparés par des lamelles 12 présentant une direction générale inclinée par rapport au plan de la surface 3et de forme galbée. La surface 3 ainsi constituée est disposée obliquement dans enceinte 9 entre l'écran 2 et le fond 10 sur lesquels elle est respectivement appliquée le long de deux bords opposés 13 et 14, le bord 13 étant en regard de l'ouverture de sortie 7, et le bord 14 voisin du passage d'admission 5. Les orifices 4 sont orientés transversalement par rapport à la direction allant du passage 5 à ltouverture 7. L'inclinaison des lamelles 12 est disposée de manière à contrarier ltobliquité de la surfacé 3. En service, le passage 5 est disposé de préférence à la partie inférieure du capteur 1. L'écran 2 est constitué par deux feuilles 17 parallèles au fond 10 et délimitant un espace de circulation 18 communiquant avec le volume d'admission 6 par le passage 5 et avec l'extérieur par une ouverture d'entrée 19. Le passage 5 et l'ouverture 19 sont disposés le long de deux bords opposés de l'écran 2. Les ouvertures 7 et 19 sont disposées en regard l'une de l'autre, le long d'un coté 20 de l'enceinte 9, et présentent toutes deux la même section rectangulaire occupant toute la largeur de l'enceinte 9. Le passage 5, qui présente une section sensiblement identique à celle des ouvertures 7 et 19, est ménagé tout au long d'un côté 21 de 11 enceinte 9 opposé au cSté 20. Pour une réalisation industrielle, le capteur pourrait etre exécuté en éléments modulaires de largeur multiple de 30 centimètres - côtés 20 et 21 -, et de longueur voisine de 1,80 mètres, l'épaisseur étant de l'ordre de 10 centimètres. Suivant une réalisation préférée, le capteur 1 est relié à un accumulateur de chaleur 24 (figure 3) placé en aval de l'ouverture de sortie 7, par l'intermédiaire d'une vanne 25, à trois voies, permettant d'admettre dans l'accumulateur 24 soit l'air provenant de l'ouverture 7, soit directement de l'air extérieur prélevé dans 11 l'atmosphère ambiante. L'accumulateur 24 est par exemple constitué par un assemblage de briques de haute capacité thermique disposées en chicanes. En fonctionnement, les rayons solaires viennent frapper l'écran 2, par exemple suivant les flèches F, traversent les feuilles 17 et sont absorbées par la surface 3 qu'ils échauffent. Par convection et éventuellement sous l'action d'un ventilateur aspirant en aval, une circulation d'air verticale ascendante est créée à travers la surface 3 par les orifices 4. L'air extérieur pénètre alors dans le capteur par l'ouverture d'entrée 19 (flèche G), traverse l'espace t8 (flèche H) et le passage 5 (flèche J), traverse les orifices 4 de la surface 3 (flèches K) et sort par l'ouverture 7 (flèche L). La disposition des orifices 4 provoque la division du flux d'air en un grand nombre de filets individuels 22 répartis régulièrement sur toute la surface absorbante 3 (figure 1). Du fait de la forme aplatie des orifices 4 et de leur disposition par rapport aux lamelles 12, les filets 22 cidessus ont la forme de feuillets plans parallèles aux lamelles 12, comme on le voit à la figure 1. Avant de traverser un orifice 4, le filet 22 correspondant lèche la face éclairée de la lamelle 12 située en amont de celui-ci. Après son passage dans l'orifice 4 considéré, le filet 22 lèche la face opposée d'une autre lamelle 12 placée en aval de l'orifice 4. Chaque particule d'air caloporteur passe ainsi dans le voisinage immédiat de la source chaude constituée par la surface 3, et les transferts thermiques s'effectuent d'une manière particulièrement efficace et avec un rendement maximum. L'obliquité des lamelles 12 par rapport à la surface 3 permet à chaque filet d'air de s'écarter rapidement sans perturber l'écoulement des filets d'air adjacents, limitant ainsi les pertes de charge. D'autre part, cette obliquité redresse les filets d'air qui se trouvent sensiblement parallèles au fond 10, ce qui est également favorable à leur écoulement. Les ouvertures 7 et 19 et le passage 5 occupant toute la largeur du capteur 1, le flux d'air se répartit régulièrement sur toute cette largenr, et toutes les parties de la surface 3 se trouvent également balayées. Par ailleurs, le passage de l'air extérieur frais dans l'espace 18 refroidit l'écran 2 et en particulier celle des feuilles 17 qui se trouve placée à l'extérieur1 limitant ainsi les pertes radiatives par émission vers l'extérieur. De même, la face réfléchissante 11 limite les pertes calorifiques par le fond 10. Dans le même ordre d'idée, on remarquera aussi que l'air réchauffé après avoir traversé la surface 3 se trouve dans le volume 8 et ne peut plus venir réchauffer l'écran 2 par convection. Suivant l'application des figures 3 et 4, l'ensemble 26 comprenant le capteur 1, l'accumulateur 24 et la vanne 25 est couplé à une pompe de chaleur 30 munie d'un système frigorifique 29 comprenant un échangeur d'entrée à air 31 et d'un échangeur de sortie à air 32, et il est utilisé pour le chauffage et la climatisation d'un local 33. L'air sortant du capteur 1 passe dans l'accumulateur 24 et de là, dans l'échangeur d'entrée 31, puis il est insufflé suivant la flèche A dans le local 33 par un ventilateur 34. Le volume d'air correspondant est évacué du local 33 vers l'extérieur suivant la flèche B, sous l'action d'un second ventilateur 35, en passant sur l'échangeur de sortie 32. En saison froide, on utilise le système ainsi constitué pour chauffer le local 33, l'air insufflé étant préchauffé en période d'ensoleillement dans le capteur 1 > La pompe de chaleur 30 joue un rôle d'appoint pour compléter la chaleur fournie par le capteur 1, qui varie suivant l'état du ciel. Pour cela, l'échangeur de sortie 32 fonctionne alors en évaporateur pour prélever sur l'air évacué les calories nécessaires et les transmettre à l'air insufflé par l'intermédiaire du système frigorifique 29 et de l'échangeur 31 fonctionnant en condenseur. La pompe 30 se trouve donc soulagée par l'effet de deux phénomènes cumulatifs t - elle n'a plus à fournir qu'une partie des calories requises pour le chauffage, - la température do sa source froide étant augmentée, son rende ment est amélioré, et le codt unitaire des calories complémen taires qu'elle a à fournir est abaissé. En outre, l'accumulateur 24 permet de régulariser l'action du capteur 1 en stockant une partie de lténergie solaire captée, qui peut être réutilisée en l'absence de soleil en admettant directement l'air extérieur dans l'accumulateur 24 suivant la flèche C par l'intermédiairede la vanne 25. Dans ce cas, le capteur 1, qui pourrait avoir un effet nuisible, est mis hors-circuit, La commutation de la vanne 25 peut & re assurée automatiquement au moyen d'une cellule de pilotage thermosensible 51, exposée au rayonnement solaire, au même titre que le capteur 1. On constate donc que l'association du capteur 1 et de la pompe à chaleur 30 est particulièrement avantageuse. Par ailleurs, en saison chaude, on utilise le système pour la climatisation du local 33. Dans ce but, on fait fonctionner le capteur 1 en émetteur nocturne pour prérefroidir l'air aspiré en G, par émission do rayonnement - suivant les flèches R (figure 4) - vers le ciel dont la température de couleur est basse. La pompe 30 est alors utilisée en climatiseur pour compléter le refroidissement de l'air, les échangeurs 31 et 32 fonctionnant respectivement en évaporateur et en condenseur. Comme pour le chauffage, le capteur 1 coopère efficacement avec lh pompe 30 en lui fournissant des frigories et en améliorant son rendement de production des frigories complémentaires requises. Bien entendu, l'accumulateur 24 et la vanne 25 peuvent, également dans ce cas, être utilisés pour régulariser l'action du capteur 1. Suivant l'application de la figure 5, l'ensemble 26 est couplé à une pompe à chaleur 40 comprenant un échangeur à air 41 relié au capteur 1 et un échangeur 42 à eau relié à un circuit 43 de chauffage du local 33. Alimenté en air caloporteur par l'ensemble 26, l'échangeur 42 sert de source froide à la pompe ko en saison froide, le capteur 1 étant alors utilisé pour recueillir la chaleur solaire. A l'inverse, 11 échangeur 42 sert de source chaude en saison chaude, le capteur 1 étant alors utilisé en émetteur nocturne. L'invention n'est pas limitée au dispositif et aux procédés décrits ci-dessus, et peut faire l'objet de nombreuses variantes. Comme représenté à la figure 2, l'écran 2 d'un capteur la peut être constitué par une seule feuille 17, l'entrée de l'air extérieur s'effectuant suivant la flèche M le long du bord 14 de la surface 3, par exemple dans le fond 10. Egalement, la surface 3 peut être constituée par une simple plaque perforée ou percée de persiennes transversales. Elle peut également être de structure alvéolaire , par exemple en nid d'abeille. Enfin, l'application conforme à l'invention peut être mise en oeuvre sans l'accumulateur 24, ou sans la vanne 25, ou sans aucun de ces deux éléments. REENDICATIONS 1.- Ensemble capteur d'énergie solaire utilisant l'air comme fluide caloporteur, notamment pour le chauffage de locaux, cet ensemble comportant un panneau capteur muni d'un écran de transparence sélective placé devant une surface absorbante, et comportant au moins deux feuilles sensiblement parallèles, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire circuler l'air caloporteur entre les deux feuilles avant de l'amener au voisinage de la surface absorbante. 20- Ensemble conforme à la revendication 1, comportant une enceinte sensiblement parallélépipédique ayant deux grandes faces opposées essentiellement constituées par l'écran et par un fond séparé de l'écran par la surface absorbante, 11 enceinte précitée comportant des passages d'admission et de sortie de l'air caloporteur, caractérisé en ce que les passages précités comportent des ouvertures de forme allongée, disposées respectivement le long de l'un des bords de la feuille externe, le long d'un bord opposé de la feuille interne, et le long d'un bord du fond opposé au bord de passage de la feuille interne. 30- Ensemble conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un accumulateur de chaleur relié 'a la sortie d'air et une vanne permettant d'admettre dans l'accumulateur soit de l'air caloporteur venant du capteur, soit directement de l'air extérieur.