Brevet FR2337856A1 — publié le 19770805

La présente invention concerne des capteurs ou collecteurs de chaleur solaire et,plus particulièrement, un revêtement destiné à améliorer le captage de énergie solaire. Le chauffage et la climatisation de locaux par l'utilisation de énergie solaire constituent une technique bien connue dont des exemples sont donnés par les brevets US 3.145.707, 3.215.134, 3.295.591 et 3.236.294. Environ un cinquième du combustible consommé aux Etats-Unis sert à chauffer et à climatiser des batimentsde sorte qu'il serait souhaitable de pouvoir utiliser l'énergie solaire au lieu de énergie provenant de sources de combustible fossile ou nucléaire. Les dispositifs connus ne sont pas efficaces et exigent de grandes surfaces de captage de l'énergie solaire. I1 en résulte que les collecteurs et ltéquipement sont onéreux par suite de la dimension- indispensable des appareils, si bien que la mise de fonds au départ est obligatoirement élevée.ertaines installations connues de basse température (environ 100 C), d'un caractère moins croûteux, utilisent des collecteurs sous forme de plaques planes alors que d'autres appareils plus coûteux (température de plus de 2000C) utilisent des concentrateurs d'énergie avant le captage de cette dernière.Les collecteurs comportent un tube ou un panneau qui absorbe le rayonnement solaire incident et chauffe un fluide circulant à l'intérieur du tube ou sur le panneau. L'invention a donc pour objet un collecteur perfectionné de chaleur pour des dispositifs à énergie solaire. Selon un aspect de l'invention, un collecteur de la chaleur du soleil comprend une surface collectrice de l'énergie solaire qui est revêtue d'un PbO2 déficient en exygène, par exemple a-Pb02 ou p-PbO2. Cette surface peut être sous forme d'un panneau plat ou ondulé ou sous forme de tubes. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va en entre faite ciaprès en regard du dessin annexé dont la figure unique représente schématiquement un collecteur et un système de captage d'énergie solaire, ledit collecteur étant représenté en coupe. Dans le mode de réalisation représenté,un collecteur 10 d'énergie solaire peut comprendre une plaque collectrice il portant un revêtement 12 qu'on décrira par la sùite. Le collecteur peut être muni d'un couvercle 13 en verre ou une autre matière transparente. Le fluide, par exemple un gaz ou un liquide, qu'on se propose d'utiliser dans une installation de chaufrags ou de climatisation, est pompé à l'aide d'une pompe 14 à partir d'un serpentin 15 de chauffage ou de transmission de chaleur vers un collecteurdistributeur 16 d'où le fluide est distribué sur la plaque 11 avant de revenir au serpentin de chauffage 15. L'installation peut comporter également une cuve d'expansion 17. Le système peut être con çu de diverses façons, par exemple comme décrit dans certains des brevets précités. Le revêtement "noir " sur le panneau présente la plus grande importance puisqu'il détermine les deux principaux paramètres du collecteur. La capacité d'absorption de l'énergie solaire, c 'est-à-dire le paramètre a, doit avoir une valeur aussi élevée que possible, sa limite étant celle d'un corps noir théorique ou 100%. On mesure le paramètre a au spectre solaire dont les pics apparaissent à une longueur d'onde de 0,5 micron Le pouvoir émissif ou paramètre est la perte de chaleur reradiée et doit avoir une valeur aussi faible que possible. On mesure le paramètre g à la température du collecteur ou à 1000C à une longueur d'onde voisine de 8 microns. Selon la loi de Stéfan-Boltzmann, la valeur g augmente avec la température jusqu'à l'établissement d'une température d'équill- bre à laquelle l'énergie re-radiée est égale à l'énergie solaire absorbée. Les températures d'équilibre qui correspondent aux divers rapports a/g , ces rapports étant des propriétés superficielles, sont indiquées dans le tableau suivant. TABLEAU I Températures d'équilibre de Dlaaues planes (valeurs approximatives) &alpha;/# C 6,0 243 5,0 221 2,0 121 1,0 57 0,5 4 .S - 51 Dans le tableau II ci-après, on indique les valeurs représen tatives de a/ pour certains groupes de matériaux. TABLEAU II &alpha; # &alpha;/# Al fratchement évaporé 0,10 0,025 4 Au 0,16 0,02 8 Ag 0,07 0,01 7 Ta 0,59 0,02 29 A1203 0,16 0,75 0,21 Noir de lampe 0,99 0,97 1 Peinture blanche, 25,4 microns 0,15 0,94 0,16 Peinture noire, 25,4 microns 0,97 0,94 1,03 Vernis limpide sur Al, 25,4 microns 0,20 o,8o 0,25 Vernis limpide sur Al microns 0,20 0,10 2,0 On a déterminé qu'en utilisant un revêtement de ss-PbO1,98 sur la plaque collectrice on aboutit à un résultat, aul n était pourtant pas évident, d'une nette amélicration du captage del'é- nergle solaire.Le revêtement est transparent aux nfra-rouges, c'est-à-dire que sa valeur e est faible et sa couleur est un gris foncé dans la plage de la lumière solaire ou lumière visible. La valeur a mesurée est d'environ 90%, la valeur e est d'environ 0,15 et le rapport a/e est 6. Ces valeurs sont en forte opposi- tion avec celles qu'on obtient avec d'autres substances énumérées dans le tableau précédent. On voit que certaines matières dans le tableau, par exemple des métaux non revêtus, ont de bons rapports a/e mais la valeur absolue des a est faible de sorte que la majeure partie de l'énergie incidente est réfléchie (l-a) et seulement une faible portion (a) est absorbée, de sorte que le rendement général est faible.Les peintures noires ou, d'une façon plus géné- ralle, les revêtements organiques, ont des valeurs a élevées mais le rapport a/e ne dépasse pas de beaucoup l'unité de sorte que les revêtements restent froids. On peut revêtir la surface collectrice par électrodéposition afin d'obtenir une couche de PbO2 d'un type semiconducteur. Avec un rapport 02/Pb de 1,98, le revêtement est un oxyde métallique du type n déficient enoxygène, possédant une grande mobilité d'électrons de plusieurs ordres plus élevée que celle qu'on obtient avec d'autres oxydes de ce type, par exemple ZnO, In2O3 ou SnO2. Un mode d'application du revêtement précité ss-PbO1,89 est donné ci-après : Composition du bain de revêtement : 0,6 mole/litre (ou 200 g/ litre) de nitrate de plomb qu'on obtient en dissolvant 135g d'oxyde de plomb dans 79 cm3 d'acide nitrique (densité 1,415), on ajoute de l'eau pour amener le volume total à 1 litre ainsi que 1,5g d'un agent mouillant ("Tergitol", produit non-ionique) et 5g de nitrate de cuivre (ce dernier est utilisé pour revêtir la cathode au lieu de plomb afin de conserver le plomb présent dans le bain), "Tergitol" est une mârque déposéepar la Société "Union Carbide Corporation" pour divers surfactifs de sa fabrication Le bioxyde de plomb 1 est déposé sur l'anode dans les conditions rigoureuses suivantes pH = 1 (intervalle de 0,5 à un maximum de 2) Température 75 C entre 60 C et le point d'ébullition) Plaques de cuivre servant de cathodes; Pièce a tralter servant d'anode} Agitation Densite du courant (valeur critique de 0,9 à 1,8 A/m2 sur l'anode); au-dessus de 1,8 A/m2, les contraintes provoquent la fissuration du revêtement; au-dessous de 0,9 A/m2 le revêtement ne se fait pas de fanon uniforme; la valeur optimale de la densité de courant est de 1,58 A/m2 après 20 minutes, l'épaisseur du revêtement est de 7,6 microns On peut atiliser d'autres bioxydes de plomb déficients en okygène ou des bioxydes de plomb du type semi-conducteur. Comme autre exemple on obtient un revêtement de &alpha;-PbO1.94 comme sur Composition du ùain de revêtement . NaOH 50 g/litre, oxyde de plomb 50 litre addition d'eau jusqu'à un volume total de 1 litre, agent de mouillage,tel qu'un produit "Tergitoi" non-ioni- que. 41,5 g/litre. Le &alpha;-PbO1,94 est déposé sur l'anode dans les con ditions suivantes : pH = 13,5 Température ambiante , Plaques de cuivre servant de cathodes; Pièce à revêtir servant d'anode Agitation vigoureuse; Densité du courant à l'anode 0,9 A/m2. Au bout de 20 minutes,l'épaisseur du revêtement est 7,6 microns. On constate également que l'absorption de l'infra-rouge dans la pellicule de PbO2 déficient en oxygène diminue encore quand on réduit l'épaisseur de la pellicule. Par exemple, quand on applique un revêtement de 0,76 micron, le rapport W/ augmente jusqu'à 11. Le PbO2 déficient en oxygène peut être obtenu dans la gamme de PbOl 66 à PbO1,99 comme on l'explique dans l'article "Electrical Properties cf Electrodeposited Pb02 Films" de W. Mindt, nJournal Electro-Chemical Societyn, Vol. 116 N 8, pages 1076-1080. On peut faire varier la composition du bain pour obtenir du PbO2 déficient en oxygène, comme par exemple indiqué dans les brevets US 2.846.378, 2.872.405, 2.945.790, 2.945.791, ).213.004, 3.463.707 et 3.634.216. Pour donner un exemple, on ne peut pas utiliser de bain hautement acide dans le premier exemple ci-dessus pour revêtir un substrat de cuivre et on ne peut pas utiliser de bain hautement alcalin dans l'autre exemple pour revêtir l'aluminium, par suite de l'attaque possible des substrats. Certaines autres matières semiconductrices possèdent le même pouvoir de transmission élevée de l'infra-rouge et le même pouvoir absorbant que le PbO2 déficient en oxygène; par exempleSle silicium semi-conducteur possède un fort pouvoir de transmission des infra rougeset, par vote de conséquence, une faible valeur de et un rapport &alpha;/# d'environ 9 pour une épaisseur de 0,76 micron. On peut former des revêtements de silicium sur l1aluminium en décapant la ma- tri ce d'aluminium dans un alliage d'aluminiui renfermant du silicium, ce qui a pour effet d'exposer à la surface les particules de silicium qui apparaissent comme des -taches d'une couleur gris foncé. I1 va de soi qu'on peut apporter des modifications aux modes de mise en oeuvre qui ont été décrits sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REUENDICATIONS 1. Appareil collecteur de l'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un organe de transmission de chialeur, un revêtement superficiel de PbO2 déficient en oxygène sur ledit organe, un moyen d'amenée d'un fluide à des fins d'échange de chaleur avec cet organe et des moyens pour amener le fluide de cet organe vers une zone d'utilisation. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le PbO2 déficient en oxygène est compris dans l'intervalle de PbOl,66 et PbO1,99. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le PbO2 est du type semi-conducteur. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le Pb02 est le a-Pb02. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le PbO2 est le p-PbO2. 6. Appareil collecteur de l'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un organe de transmission de chaleur pourvu d'un revêtement superficiel en une matière semi-conductrice ayant une valeur a élevée et une faible valeur ,un moyen d'amenée d'un fluide à des fins d'échange de chaleur avec ledit organe et des moyens pour amener le fluide de cet organe vers une zone d'utilisation. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le paramètre a est supérieur à 90% et g est inférieur à 15%. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière semi-conductrice est un silicium semi-conducteur.