Brevet FR2349107A1 — publié le 19771118

La présente invention concerne l'utilisation de i'dnergie solaire et plus particulièrement un dispositif destiné a chauffer des fluides dans une gamme de tepératures aliant de 300 à 1500 environ, et à des pressions pouvant atteindre plusieurs bars. On connaît à ce jour les collecteurs plans captant l'énergie solaire sans concentration, et ceux qui focalisent optiquement le rayonnement solaire. La première catégorie utilise bien le rayonnement global, mais nécessite généralement pour sa fabrication une quantité importante de métal et de tubulures diverses ; la deuxième catégorie, notamment à foyer linéaire, est d'une très faible efficacité lorsque le rayonnement direct n'est pas largement prédominant: L'invention concerne un collecteur d'énergie solaire d'un bon rendement moyen en rayonnement diffus à basse temperature, comparable à celui des capteurs plans habituels, et d'un rendement élevé en rayonnement direct, supérieur à celui des capteurs plans et permettant une réalisation plus économique.En effet, il nécessite deux à trois fois moins de métal que ceux-ci, et la quantité de fluide à chauffer est faible, ce qui permet un temps de réponse très bref à un ensoleillement discontinu. Par ailleurs, ce collecteur présente, par rapport aux collecteurs à concentration linéaire dont ils se rapprochent, l'avantage d'être fixe et intégrable à l'architecture. L'application principale de l'invention est le chauffage et la climatisation des habitations, la conversion thermodynamique de l'énergie solaire par vaporisation d'un fluide organique, la production de froid par cycle à absorbtion. Le collecteur d'énergie solaire objet de l'invention comporte un réflecteur et un absorbeur d'énergie dans lequel le réflecteur comporte une pluralité d'é- léments cylindriques creux, intérieurement réfléchissants, fixes les uns par rapport aux autres dont les bases sont des portions de cercle et dont les axes sont parallèles, l'absorbeur d'énergie comporte un ensemble rigide de tubes pla cés à l'intérieur des éléments cylindriques du réflecteur, et en ce que des moyens sont prévus pour modifier les positions relatives du réflecteur et de l'ab- sorbeur en fonction de la position apparente du soleil. De façon préférentielle, afin d'améliorer l'efficacIté du système, chaque élément du réflecteur contient un tube rectiligne faisant partie de l'absorbeur, ce tube étant muni d'ailettes traitées, dimensionnées et orientées de façon à favoriser leur absorption du rayonnement solaire tant diffus que direct. I > es Lubes de l'absorbeur sont alors parallèles entre eux. Ils peuvent être as sembles orthogonalement à leurs deux extrémités sur deux canalisations, l'une distributrice et l'autre collectrice qui assurent la rigidité de l'ensemble de tubes De façon préférentielle le tube de l'absorbeur contenu dans chaque élément du réflecteur est approximativement maintenu centré dans le plan défini par l'axe dudit élément du réflecteur et la position apparente du soleil à une distance de cet axe approximativement égale aux deux tiers du rayon dudit élément du réflecteur.L'ensemble rigide de tubes peut être suspendu par rapport au réflecteur par au moins trois points, en pratique quatre, et être ainsi facilement déplacé selon un mouvement pendulaire d'amplitude diurne ou saisonnière en fonction de la latitude du lieu, du déplacement du soleil et de l'orientation du collecteur. De façon préférentielle le tube contenu dans chaque élément réflecteur est muni de trois ailettes planes orientées à 1200 les unes des autres, l'une d'entre elles étant parallèle au plan de symétrie de 1 'élément réflecteur. De façon préférentielle la somme de la surface des ailettes est inférieure à la surface de la pupille de l'élément réflecteur et supérieure à son tiers. De façon préférentielle les éléments cylindriques du réflecteur sont des portions de tube en amiante-ciment revêtues intérieurement d'un matériau bon réflecteur. De façon préférentielle la face supérieure du collecteur est fermée par une paroi transparente qui peut être opaque au rayonnement infra-rouge. De façon préférentielle les ailettes sont fixées sur les tubes au moyens de pattes cintrées recouvrant le tube sur au moins les deux tiers de sa circonférence. Selon cet ensemble de dispositions , et lorsque l'absorbeur d'énergie ou gril est convenablement orienté par rapport au soleil, chacun des tubes à ailettes absorbeurs qui le compose reçoit multanément sur toutes ses faces un ma maximum de rayonnement, direct, dlffus, et réfléchi par la paroi intérieure de son boitier. Pour entrer un peu plus avant dans la compréhension du collecteur, quelques précisions techniques sont utiles. Chaque tube du gril porte de façon optimale trois ailettes d'une longueur égale à la sienne, disposées radialement à son pourtour suivant des angles diedres égaux de 1200 ; ces ailettes peuvent être réalisées par extrusion, ou rapportées par soudure ou serrage ; l'ensemble est revêtu de peinture ou noire ou de qualite absorbante similaire, ou d'un revêtement sélectif. Les boitiers peuvent être réalisés économiquement en amiante-ciment par exemple, au moyen de demi-tubes juxtaposés de 300 à 400 mm. de diamètre, et d'une longueur de 2 à 4 mètres par longueur, des dimensions de cet ordre conve- nant, parmis d'autres possibles, à la mise en oeuvre d'un capteur-toit autoportant. Le déplacement du gril, lui permettant de suivre tout drune pièce le depla- cement solaire, peut être realisé par des interventions manuelles périodiques, ou par un dispositif mécanique d'asservissement mettant en oeuvre un système d'horlogerie par par l'un ou Itautre procédé, il est aisé d'interrompre à volon- té le chauffage du gril par dépointage. Enfin, on notera que, dans le cas d'une mise en oeuvre à grande échelle, le gril peut être décomposé en éléments exécutés en atelier dans des dimensions aisément manipulables et transportables, - tels que par exemple des ensembles de r quatre ou cinq tubes à ailettes soudés en leurs extrêmités à deux tronçons des canalisations distributrices et collectrices. D'autres modes de rationalisation du chantier consisteraient, par exemple dans le cas d'un mode de réalisation des ailettes par préfabrication et serrage, à les monter sur le chantier même afin de faciliter les transports et de diminuer l'encombrement. De telles indications sont plus particulièrement justifiées dans une optique de mise en oeuvre de capteurs solaires dans des sites éloignés et d'accès difficile. L'invention sera mieux comprise par l'examen de l'une de ses formes de réalisation décrite en se référant aux figures. Le figure 1 représente en coupe un ensemble de capteurs solaires conformes à l'invention, orienté Est-Ouest et incliné selon un angle égal à la latitude du lieu. La figure 2 représente en plan le même ensemble de capteurs. La figure 3 représente un détail en coupe d'un mode de réalisation de capteurs orientés Nord-Sud. La figure 4 représente un détail d'un mode de réalisation par éléments du gril capteur. La figure 5 représente le profil d'une des ailettes. Sur ces figures 1 est l'ensemble des surfaces absorbant le rayonnement solaire, solidaire d'un réseau de tubulures métalliques, ou gril 2, contenant le fluide à chauffer suspendu dans des boitiers 3 à fond demi-circulaire, réalisés par exemple au moyen d'un composé de ciment et de fibres d'amiante, et revêtus intérieurement d'une surface réfléchissante, par de l'aluminium en feuille mince ou du plastique métallise ; une surface transparente 4, par exemple du verre, couvrant l'ensemble des boitiers, une enveloppe latérale 5 permettant de fermer en bout l'ensemble des boitiers tout en incluant la totalité du gril. Le gril 2 est raccordé par des canalisations flexibles 6 et 7 réalisées par exemple en téflon à armature de métal tressé au réseau fixe 8 comportant éventuellement un reservoir de stockage du fluide à chauffer 9 et une pompe de circulation 10. Le gril 2 est articulé sur des suspentes telles que 11 est equilibré par un contre-poids 12 permettant, au moyen d'un dispositif manuel ou d'horlogerie périodique ou continu d'orienter le gril 2 afin de capter le maximum de rayonnement solaire direct er réfléchi. Dans le cas ou les collecteurs sont orientes Nord-Sud, on a représenté en detail un mode de réalisation du gril 2 et des boitiers 3, l'étanchéité et la continuité de la couverture vitrée 4 étant réalisées par des couvre-joints 13 on a représenté également la position moyenne, à midi, et les positions extrêmes des tubulures portant les ailettes 14, parallèles aux génératrices du cylindre, et pouvant etre déplacées suivant un arc de cercle de même centre que celuici et de rayon sensiblement égal aux deux tiers de son rayon. La largeur des ailettes 14 du gril est dimensionnee de telle sorte que celles-ci peuvent intercepter le maximum du rayonnement direct, diffus et réfléchi sur la surface intérieure courbe du cylindre. A titre indicatif, cette largeur doit être de l'ordre de 4 ou 5 cm pour un cylindre de 30 à 40 cm de diamètre, le diamètre des tubes du gril peuvent alors être compris entre 1 et 3 cm. Le maximes de rayonnement intercepte est réalisé lorsque l'aIlette inférieure est verticale, les deux autres faisant avec elle un angle de 120 environ. Sur la figure 4 on a représenté un mode de réalisation des ailettes 14 rapportées sur les tubes du gril 2 au moyen de pattes ctntrées 15, qui peuvent être réalisées éconimiquement en acier galvanisé, les ailettes 14 par contre étant réalisées en un métal meilleur conducteur de la chaleur, par exemple en cuivre, en aluminium ou en acier. On a représenté en 5 le profil d'une de ces ailettes 14, dont le contact avec le tube est assuré par l'emprise des pattes de serrage 15 sur les deux tiers de sa circonférence. Tout autre mode de réalisation de ces tubes et ailettes est possible dans la mesure ou il favorise une bonne conduction de la chaleur. - REVENDICATIONS 1 - Coilecteur d'énergie solaire comportant un réflecteur et un absorbeur d'énergie caracterise en ce que le réflecteur comporte une pluralité d'éléments cylindriques creux, intérieurement reflchissants, fixes les uns par rapport aux autres dont les bases sont des portions de cercle et dont les axes sont pa rallèles, l'absorbeur d'énergie comporte un ensemble rigide de tubes placés à l'intérieur des éléments cylindriques du réflecteur, et en ce que des moyens sont prévus pour modifier les positions relatives du réflecteur et de l'absorbeur en fonction de la position apparente du soleil. 2 - Collecteur d'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque élément du réflecteur contient un tube rectiligne faisant partie de l'absorbeur, ce tube étant muni d'ailettes traitées, dimensionnées et orientées de façon à favoriser leur absorption du rayonnement solaire tant diffus que direct. 3 - Collecteur d'énergie solaire selon la revendication 2 caractérisé en ce que le tube de l'absorbeur contenu dans chaque élément du réflecteur est approximativement maintenu centré dans le plan défini par l'axe dudit élément du réflecteur et la position apparente du soleil à une distance de cet axe approximativement égale aux deux tiers du rayon dudit élément du réflecteur. 4 - Collecteur d'énergie solaire selon les revendications 2 et 3 caractérisé en e que le tube contenu dans chaque élément réflecteur est muni de trois ailettes planes orientées à 120 les unes des autres, l'une d'entre elles étant parallèle au plan de symétrie de l'element réflecteur. 5 - Collecteur d'énergie selon la revendication 4 caractérisé en ce que la somme de la surface des ailettes est inférieure à la surface de la pupille de l'é lément réflecteur et supérieure à son tiers. 6 - Collecteur d'énergie solaire selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les éléments cylindriques du réflecteur sont des portions de tube en amiante-ciment revêtues intérieurement d'un matériau bon réflecteur. 7 - Collecteur d'énergie solaire selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la face supérieure du collecteur est fermée par une paroi transparente. 8 - Collecteur d'énergie solaire selon les revendications 2 à 7 caractérisé en ce que les ailettes sont fixées sur les tubes au moyen de pattes cintrées recouvrant le tube sur au moins les deux tiers de sa circonférence.