Brevet FR2334922A1 — publié le 19770708

La présente invention concerne les collecteurs d'énergie électromagnétique, notamment les collecteurs solaires, dans lesquels un:liquide transmet sous forme de chaleur 11 énergie électromagnétique qui a été recueillie. On sait que les liquides présentent des avantages pour la captation de l'énergie solaire, car ils ont une capacité calorifique plus élevée que celle des gaz et leur transport par des pompes est commode. On connatt déåà des collecteurs énergie solaire dans lesquels de l'eau s'écoule sur une surface absorbante, au-dessous d'une plaque de verre au moins qui transmet l'é- nergie solaire à la surface absorbante qui échauffe à son tour l'eau qui s'écoule. De tels collecteurs mettent en oeu -vre lseffet de serre bien connu. Cependant, ces dispositifs présentent des inconvénients car la disposition d'un mince film d'eau sur la surface absorbante nsest pas commode car le fluide s'écoule trop vite pour avoir le temps d'emporter une quantité suffisante de chaleur.Pour cette raison, ces dispositifs sont en général inclinés afin qu'ils ralen tissent l'écoulement de l'eau d 7 uns part et d'autre part- qu'ils soient sensiblement perpendiculaires à la direction des rayons solaires qui doivent entre captés. On connaît aussi des dispositifs dans lesquels un fluide caloporteur, de l'eau en général, est placé entre une feuille de verre et une plaque absorbante, lteau remontant par circulation par convection ou s'écoulant dans un sens ou dans l'autre sous la commande d'une pompe. Cependant, ces dispositifs présentent des inconvénients car la pression hydrostatique élevée imposée par le fluide nécessite l'utilisation de feuilles de verre très épaisses et limite- en pratique la hauteur des collecteurs à 2 m environ. Même pour ces hauteurs relativement limitées, les feuilles de verre utilisées doivent avoir une très grande épaisseur, supérieure à 10 mm. L'invention concerne un collecteur d'énergie solaire qui ne présente pas les inconvénients précités, c'est à-dire dans lequel la pression hydrostatique ne tend pas à briser la feuille de verre placée du cSté de réception d'énergie, et dans lequel d'autre part le fluide utilisé peut entre maintenu pendant longtemps entre deux surfaces en étant exposé à l'énergie solaire ou à la chaleur transmise par une plaque arrière, si bien que l'élévation de température du fluide peut entre très élevée meme lorsque le collecteur a une faible hauteur. Plus précisément, l'invention concerne un collecteur d'énergie électromagnétique, par exemple d'origine solaire, qui comprend une plaque transparente, une plaque arrière, une entretoise destinée à maintenir un espacement déterminé entre les deux plaques, l'ensemble formé par la plaque transparente,la plaque arrière et l'entretoise étant disposé verticalement ou étant incliné et comprenant, entre les plaques, des passages d'écoulement descendant de flui de, un dispositif d'absorption énergie électromagnétique, un dispositif destiné à admettre le fluide au voisinage du haut de l'ensemble, et un dispositif destiné à récupérer le fluide lorsqu'il s'est écoulé entre les deux plaques. La distance séparant les deux plaques est très faible selon 13invention, puisqu'elle est en général de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre. Dans un mode de réalisation, la plaque transparente, en verre,et la plaque arrière sont toutes deux rectangulaires, et l'entretoise comprend de minces fils disposés entre les deux plaques de manière que, lorsque celles-ci sont en position inclinée ou verticale de travail, les fils soient dans un plan vertical ou soient verticaux respectivement ; ainsi, les fils suivent pratiquement des lignes de plus grande pente. L'entretoise peut aussi comprendre des billes,par enem- ple de verre,maintenant l'espacement voulu entre les plaques et fixées au moins à lXune des plaques. Le dispositif d'absorption d'énergie électromagnétique est une surface absorbante de la plaque arrière, formée du c6té tourné vers la plaque de verre qui reçoit l'énergie électromagnétique, et/ou un fluide absorbant, sous forme par exemple dtune solution ou d'une suspension de couleur sombre. Lesdispositifsd'admission de fluide placé en haut de l'ensemble et de récupération de fluide placé en bas peu vent admettre ou récupérer respectivement le fluide à une pression égale ou inférieure à la pression atmosphérique. Le collecteur comprend avantageusement au moins une plaque supplémentaire de verre placée devant la première et ayant pour but de réduire notablement les pertes de chaleur, surtout vers le bas du collecteur. Le fluide peut être de l'eau, de ltéthyleneglycol, par exemple stabilisé par du phosphate de triéthanolamine, du diéthylèneglycol, du triéthylèneglycol, du glycérol-ou dtautres substances. Il peut éventuellement contenir une matière absorbant énergie électromagnétique, par exemple sous forme d'une suspension ou d'une dispersion, ou il peut lui-meme absorber fortement 11 énergie électromagnétique, notamment d'origine solaire. La matière absorbante dissoute ou en suspension dans un fluide peut erre par exemple un colorant sombre ou une poudre sombre, notamment du noir de carbone. Il.est avantageux que la pression du fluide entre les deux plaques soit inférieure ou égale à la pression atmosphérique afin que la pression ambiante tende à rapprocher les deux plaques contre ltentretoise et à maintenir l'espa- cement ; en effet, on constate que, lorsque cet espacement augmente, ctest-à-dire lorsque les deux plaques s'écartent l'une de l'autre, le débit de fluide augmente très rapidement et n'atteint pas la température voulue. Cependant, on constate que, dès que le collecteur est exposé à énergie solaire, l'échauffement meme faible du fluide a tendance à accélérer son écoulement si bien que le fluide rapproche les deux plaques l1une vers l'autre, contre l'entretoise, en faisant apparattre une dépression. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une coupe d'un collecteur solaire selon l'invention, d'untype simple permettant la compréhension de l'invention ; et - la figure 2 est une coupe d'un collecteur solaire selon l'invention, comportant un vitrage supplémentaire rédui sant les pertes de chaleur. L'invention concerne un collecteur d'énergie électromagnétique, notamment d'origine solaire, dans lequel un fluide sXécoule librement entre une plaque de verre et une plaque arrière, au contact de ces deux plaques et sous l'action des forces de gravité qui l'entratnentvers le bas et des forces de frottement qui le ralentissent. De plus, on peut appliquer un gradient de pression qui modifie alors le régime d'écoulement du fluide. Selon l'invention, l'écoule- ment du fluide est ralenti par les forces de frottement afin que l'augmentation de température du fluide soit relativement élevée sur une distance de chute relativement faible. Les surfaces entre lesquelles s'écoule le fluide sont très rapprochées et elles exercent donc d'importantes forces de frottement. Comme l'espacement des deux plaques est très faible, de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre, il est avantageux qu'il soit fixe car le récepteur peut alors entre réalisé ce façon simple. Cependant, on peut envisager des collecteurs dans lesquels.lYespacement varie en fonction d'un paramètre tel que là température du fluide ou son débit. Dans la suite du présent mémoire, on ne considère que des collecteurs dont ltespacement des plaques a une valeur fixe. Lorsque l'espacement des deux plaques est fixé et lorsque le collecteur reçoit de l'énergie par la face transparente, le fluide qui s'écoule entre les plaques s'échauffe soit par contact avec la surface absorbante de la plaque arrière, soit par absorption directe de l'énergie électromagnétique, si bien que sa viscosité diminue. Le débit a alors tendance à crotte par rapport au débit observé en l'absence d'application d'énergie électromagnétique, si bien que 1'élévation de température du fluide n'est pasproportionnelle à la quantité d'énergie reçue mais augmente moins vite. En pratique, on constate qu'on peut obtenir une élévation de température presque constante sur une grande plage d'énergie. reçue, seul le débit variant en conséquence. Ainsi, on obtient un débit variant presque proportionnelle ment à la quantité d'énergie reçue (déterminée avec une cellule photoélectrique) lorsque cette quantité d'énergie varie entre 60 et 100 % de la quantité maximale reçue. Pour une élévation de température de l'ordre de 130 à 1500C environ, un appareil décrit plus loin donne cette caractéristique lorsque la quantité d'énergie reçue varie entre 60 et 100 %. De plus, bien qu'on ne l'ait pas réalisé expérimentalement, on prévoit que la plage d'énergie dans laquelle le débit varie proportionnellement à la quantité d'énergie reçue, clest-à-dire dans laquelle la température du fluide collecté ne varie pratiquement pas (10 % au maximum),est comprise entre 30 et 100 %, lorsque le fluide est du triéthylèneglycol. On constate expérimentalement que les deux plaques du collecteur selon l'invention, lorsque celui-ci est exposé à l'énergie solaire, se rapprochent l'une de l'autre, en serrant l'entretoise, si bien quril existe donc une dépres slon, bien que la pression régnant aux deux extrémités du collecteur soit égale à la pression atmosphérique. On peut appliquer une dépression en haut du récepteur (réduction du débit, augmentation de la température) ou en bas (augmentation du débit, réduction de la température). La figure 1 représente un collecteur 10 qui comprend une plaque absorbante 12, formée par une ttle revêtue de peinture noire mate et poncée. Une feuille de verre 14, de méme dimension que la plaque 12, est disposée devant celle-ci et des fils 16 dYentretoise, sous forme de fils de bobinage de 0,22 mm de diamètre, sont tendus entre le haut et le bas des deux plaques 12 et 14 placées verticalement. Les fils sont fixés à la plaque 12 par collage. A chacune de ses extrémités, la plaque 12 comporte une fente 18 permettant le passage d'un fluide. Un réservoir supérieur 20 et un réservoir inférieur 22 sont soudés de plus à la plaque 12 et entourent chacun une fente 18.Des conduits 24 et 26 permettant la circulation du fluide vers le réservoir supérieur 20 et à partir du réservoir inférieur 22. Un joint formé par un mastic de silicone est disposé sur les cotés verticaux des deux plaques. Il n1est pas très important que ce joint soit très étanche car les fuites éventuelles ntem- pechent pas le fonctionnement du collecteur. Toute la partie arrière du collecteur, c'est-àdire les réservoirs et la plaque 12, est isolée par une garniture 28 de laine de verre maintenue par un bati 30 qui supporte ltensemble. La figure 2 représente un collecteur analogue à celui de la figure 1, les références identiques désignant des éléments analogues. La référence 30' désigne un bAti analogue au bati 30 mais comportant en outre des lèvres destinées au maintien d'une feuille supplémentaire 32 de verre qui réduit les pertes de chaleur du collecteur par la face avant. Une pompe non représentée transmet le fluide reçu par le réservoir du bas au réservoir au haut après circulation dans un dispositif utilisateur par exemple. Les collecteurs du type décrit ont de nombreuses applications. Une première application est le chauffage des habitations. Dans ce cas, le fluide utilisé est avantageusement de l'eau. L'exemple qui suit concerne cette application. On réalise un récepteur vertical du type représenté sur la figure 2 comprenant une plaque 12 en tole noircie par une peinture mate et une plaque 14 de verre de 3,2 mm d'épaisseur. Les deux plaques sont maintenues à distance par des fils de bobinage de 0,17 mm de diamètre, tendus entre le haut et le bas. Les deux plaques sont collées à leur périphérie par un mastic-à base de silicone et une plaque supplémentaire 32 est placée devant la plaque de verre, contre un joint caoutchouteux d'environ 4 mm d'épaisseur, qui la sépare de la plaque 14 de verre. Toute la partie arrière du collecteur, notamment les réservoirs, est soigneusement isolée à l'arrière par un matelas de fibres de verre. La hauteur utile, entre les deux fentes des réservOirs est d'environ 2,5 m et la largeur utile est de 1 m. Des essais sont réalisés en hiver, la température extérieure égant égale à 50C; la température de l'eau introduite dans le réservoir supérieur est aussi de 50C. Les essais sont réalisés autour de midi, par temps ensoleillé sans nuage, La température mesurée dans le réservoir supé rieur 20 est égale à 50C. La température mesurée dans le réservoir inférieur 22 est égale à 750C. Le débit est d'environ 18,5 l/h. On calcule que la puissance du collecteur est de 1 500 W dans les conditions considérées, soit de 600 W/m2* On réalise d'autres essais avec des collecteurs analogues en faisant varier l'épaisseur des fils d'entretoise. On réalise aussi des essais en mettant l'un ou l'autre des réservoirs 20, 22 en dépression.On constate par exemple qu'on obtient une élévation de température d'environ 700C, comme dans l'exemple précédent, en utilisant un collecteur ayant des fils dtentretoise de diamètre 0,22 mm, dans lequel le réservoir supérieur 20 est en dépression (pression absolue d'environ 0,87 bar). On obtient aussi une élévation de température du m & e ordre de grandeur en utilisant des fils d'entretoise de 0,14 mm et en réglant la dépression appliquée au réservoir inférieur 22 afin qu'elle corresponde à une pression absolue de 0,65 bar. Dans ces deux essais, comme l'éléva- tion de température est sensiblement la mtme que dans l'és- sai précédent, pour un éclairement analogue, le débit est aussi sensiblement le même. On réalise d'autres essais avec de l'éthylèneglycol. Le collecteur est comme décrit précédemment mais les fils d'entretoise ont un diamètre de 0,42 mm. Un jour d'hiver ensoleillé, autour de midi, on note une élévation de température de 120 C. Le débit est d'environ 30 1/h. On réalise un autre essai en cnangeant simplement l'espacement qu'on réduit à 0,33 mm. On note, par bon éclairement, une élévation de température atteignant 1500C environ dans les mimes conditions. Le débit est d'environ 20 l/h. On note alors que, lorsque l'éclairement tombe à 60 % de sa valeur (comme déterminé à l'aide d'une cellule photoélectrique), on obtient encore une élévation de température d'environ 1400C, soit-à peine plus faible que celle qu'on obtient avec l'éclairement maximal. Le débit tombe alors à 13 I/h environ. On a décrit des modes de réalisation dans lesquels l'énergie électromagnétique solaire est absorbée par une surface sombre de la plaque arrière. Cependant, cette surface peut entre claire, par exemple réfléchissante, lorsque le fluide utilisé absorbe lui-mtme l'énergie électromagnétique. Par exemple, le fluide peut être une suspension de noir de carbone dans de l'éthylèneglycol ou de l'eau. Dans un exemple, on prépare un tel fluide absorbant par mélange de 20 g de noir animal de dimension particulaire de l'ordre de 30 microns avec 10 1 d'eau contenant 12 cm3 de détergent "Teepol". Le liquide obtenu est très sombre et forme une suspension stable qui ne pose pas de problème d'obturation de canalisation ou du collecteur solaire. Les exemples qui précèdent indiquent que l'invention convient avantageusement au chauffage des habitations (par exemple lorsque le fluide est de lteau). Elle convient aussi à des usages industriels (par exemple pour la fourniture de vapeur à 150 C, des fluides tels que le triéthylèneglycol ou le glycérol devant permettre des temperatures plus élevées). Dans les régions qui ne disposent pas d'équipement électrique, des collecteurs selon l'invention peuvent alimenter des installations mixtes de production d'électricité et de chauffage des bâtiments. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'énergie électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque avant transparente, une plaque arrière, une entretoise disposée entre les deux plaques dont elle maintient l'espacement, l'ensemble comprenant les deux plaques et l'entretoise étant disposé verticalement ou étant incliné et formant des passages internes pour l'écoulement d'un fluide de haut en bas, un dispositif d'absorption d'énergie électromagnétique, un dispositif d'admission de liquide vers la partie supérieure-de l'ensemble, et un dispositif de récupérntion de liquide vers la partie inférieure de 1' ensemble. 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltentretoise comprend des fils placés entre les deux plaques et disposés suivant des lignes de plus grande pente. 3. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entretoise comprend des petites billes fixées sur l'une des plaques au moins. 4. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une plaque transparente supplémentaire placée devant la première, ces deux plaques étant par exemple en verre. 5. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'absorption d'énergie est choisi dans le groupe qui comprend une surface sombre formée sur la plaque arrière, du ctté tourné vers la plaque transparente, et une matière sombre dissoute ou dispersée dans le fluide. 6. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide qui circule entre les deux plaques est choisi dans le groupe qui comprend l'eau, l'éthylèneglycol éventuellement stabilisé par du phosphate de triéthanolamine, le diéthylèneglycol, le triéthylèneglycol et le glycérol, contenant éventuellement une matière d'absorption d'énergie électromagnétique. 7. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espacement des deux pla ques est compris entre 0,05 et 1 mm, avantageusement entre 0,1 et 0,5,mi, 8. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dispositifs d'admission et de récupération de liquide sont à la pression atmosphérique. 9. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'un des dispositifs d'admission et de récupération de liquide est à une pression inférieure à la pression atmosphérique. 10. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide est choisi dans le groupe qui comprend l'éthylèneglycol, le diéthylèneglycol, le triéthylèneglycol et le glycérol, et la température du liquide transmis ne varie pas. de plus de 10 % lorsque l'éner- gie reçue par le récepteur varie entre 60 et 100 % de la quantité maximale d'énergie reçue, avantageusement entre 30 et 100 % de cette quantité d'énergie.