Brevet FR2371645A1 — publié le 19780616

La présente invention a pour objet un capteur solaire du genre comportant une canalisation à l'intérieur de laquelle peut circuler un liquide caloporteur, ce capteur étant destiné à etre branché sur un circuit fermé de chauffage, par exemple un circuit de chauffage central et/ou d'eau sanitaire. On connaît actuellement deux types principaux de capteurs solaires photothermiques à usage domestique. te premier type de capteur utilise des surfaces de récupération planes, généralement noircies par anodisation ou peinture mate, ondulées, ailetées, alvéolées ou totalement lisses. Ces surfaces, exposées convenablement au rayonnement solaire reçoivent son énergie et la cèdent à un liquide circulant entre leurs parois et en film, généralement de l'eau. Ce liquide circule en un circuit fermé aboutissant dans la plupart des cas à un échangeur par circulation forcée ou thermosiphon. On connaît ainsi des capteurs à panneaux métalliques plats, ailetés, ou alvéolés. Ces capteurs plans présentent l'inconvénient de ne convertir l'énergie solaire en chaleur que par leurs surfaces exposées au rayonnement, ce qui entraîne une déperdition thermique importante. D'autre part, une partie importante de l'énergie reçue est réémise dans l'infrarouge lointain, et ce sur la face réceptrice et directement dans l'atmosphère environnante. La réémission de rayonnement infrarouge entraîne donc une déperdition thermique supplémentaire. La seconde catégorie connue de capteurs solaires utilise des collecteurs de chaleur dans lesquels est réalisé un vide poussé pour assurer l'isolation autour de l'élément capteur. Ces systèmes sont technologiquement beaucoup plus complexes que les précédents et de ce fait onéreux, en raison du fonctionnement sous vide qui implique l'exécution de soudures verre-métal (sauf pour les collecteurs en alliage léger), et la réalisation de dépôts en couches minces avec réflecteurs incorporés dans la plupart des cas. tes capteurs fonctionnant sous vide présentent l'avantage d'éviter les pertes par conduction et rayonnement dans l'air ambiant parle liquide intérieur chauffé. Les pertes par Invention sont également amoindries, de sorte qu'on obtient avec ces capteurs un rendement supérieur aux capteurs plans. En revanche ces dispositifs sont fragiles et ne permettent qùe lrobtention de faibles débits. L'invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients en réalisant un capteur qui présente notamment l'avantage de réabsorber la presque totalité du rayonnement infrarouge secondaire réémis à l'intérieur du liquide chauffé. A cet effet, conformément à l'invention, le liquide caloporteur circulant dans la canalisation de ce capteur est chargé de particules métalliques en suspension choisies de façon qu'elles puissent absorber la quasi totalité du spectre d'émission solaire, la canalisation étant réalisée en un matériau transparent audit spectre. Complémentairement, le liquide est avantageusement chargé d'un second ensemble de particules de métaux oxydés capables d'absorber le rayonnement infrarouge réémis à l'intérieur du liquide par le premier ensemble de particules précitées. Cet ensemble de particules est avantageusement choisi pour ne pas sédimenter. La dispersion dans le liquide de particules en suspension convenablement choisies permet de réaliser une absorption photonique en profondeur à l'intérieur du liquide, et non plus seulement sur sa surface, jusqu'à environ deux tiers à trois quarts de la section efficace de la canalisation observée perpendiculairement au rayonnement. On comprend qu'en choisissant des particules ayant un coefficient d'absorption maximum et un coefficient d'émissivité minimum, que le capteur solaire réalisé selon l'invention présente un rendement largement supérieur à celui des capteurs connus. Suivant un mode de réalisation possible de l'invention, le liquide est de l'eau pure, additionnée d'au moins un colorant sélectif ou de poudre métallique capable de capter le rayonnement solaire, en particulier dans sa bande spectrale comprise entre 0,35 et 2 microns. te liquide caloporteur peut aussi etre avantageusement une huile végétale, minérale, ou synthétique chargée de particules métalliques apparemment brillantes aptes à absorber le rayonnement solaire direct. Suivant une autre particularité, le capteur conforme à l'in vention peut comporter des systèmes de focalisation du rayonnement solaire au droit de la canalisation transparente, notamment des systèmes du type FRESNEL en un matériau plastique d'extrusion résistant aux ultra-violets, servant en outre de vitrage d'isolement. L'agencement de tels systèmes limite la déperdition d'énergie solaire, et augmente corrélativement le rendement du capteur. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, on a représenté un mode de réalisation du capteur selon l'invention. - La figure t est une vue en coupe transversale suivant I I de la figure 2, d'un mode de réalisation du capteur solaire selon l'invention. - La figure 2 est une vue en plan du capteur suivant II-II de la figure i. - La figure 3 est une vue partielle en perspective à échelle agrandie du capteur des figures i et 2. - La figure 4 est une vue schématique d'une section transversale de la canalisation du capteur des figures t à 3 exposée au rayonnement solaire. te capteur solaire 1 représenté aux figures 1 à 4, comporte une canalisation 2 à l'intérieur de laquelle peut circuler un liquide caloporteur, cette canalisation présentant deux extrémités 7et 4 permettant de le raccorder à un circuit fermé de chauffage domestique, par exemple un circuit de chauffage central et/ou d'eau sanitaire. La canalisation 2 est contenue dans un boîtier parallélépipédique 5, fermé par un écran vitré 6 avec interposition d'un joint d'étanchéité 7 et d'une matière calorifuge 5a. Un produit dessicateur de l'atmosphère est avantageusement placé dans un récipient 8 disposé entre la paroi intérieure du boîtier 5 et la canalisation 2. Celle-ci présente la forme d'un serpentin constitué par une série de replis successifs en U à branches allongées et rapprochées l'une de l'autre. Cette conformation permet de donner la plus grande longueur possible à la canalisation 2, pour un boîtier de dimensions données. La canalisation transparente 2 est placée sur un réflecteur métallique 9, avantageusement focalisant selon la réalisation repré sentée, et dans les ondulations duquel sont disposés les replis successifs du serpentin formant la canalisation 2. Be~réflecteur 9 peut être réalisé par exemple en aluminium, ses bords étant solidarisés avec les parois intérieures du boitier 5. Par ailleurs, une caractéristique de l'invention prévoit d'équiper le capteur 1 de systèmes de focalisation du rayonnement solaire symbolisé par les flèches F (figures set4). Dans le mode d'exécution représenté, ces systèmes sont du type FRES L et par conséquent connus en soi.On voit sur la figure 1 un assemblage 11 de tels systèmes focalisateurs 12, dont l'un est représenté à plus grande échelle sur la figure 3. Ces systèmes connus en soi ne seront donc pas davantage décrits. Ils permettent de concentrer le rayonnement solaire suivant un faisceau linéaire convergent représenté en pointillés sur la figure 3, et qui vient frapper une large partie du pourtour de la canalisation à section circulaire 2. Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, la canalisation transparente 2 contient un liquide caloporteur 13 apte à capter la totalité du spectre d'émission solaire, et chargé de particules métalliques en suspension 14 choisies de façon qu'elles puissent absorber la quasi totalité du spectre d'émission solaire, et qu'elles ne sédimentent pas. il convient que le liquide utilisé soit plus particulièrement capable de capter la bande spectrale comprise entre 0,35 et 2 microns. te liquide 13 peut ainsi être de l'eau pure additionnée d'au moins un colorant et/ou-de poudres métalliques capables de capter le rayonnement solaire dans la bande précitée notamment. Le liquide caloporteur peut aussi avantageusement être une huile végétale, minérale ou synthétique chargée de particules métalliques apparemment brillantes 14, aptes à absorber le rayonnement solaire direct. te matériau de la canalisation 2 est de son côté transparent spectralement au moins pour les longueurs d'onde comprises entre 0,35 et 2 m iuivant une particularité importante de l'invention de l'invention, le liquide 13 contient en outre un second ensemble de particules 15 (figure 4) telles que des métaux oxydés pouvant absorber le rayonnement infrarouge réémis à l'intérieur du liquide 13 par les particules 14, à des longueurs d'ondes supérieures à celles du rayonnement initialement absorbé par les particules 14. les additîfs constitués par les particules 15 peuvent ainsi réabsorber un rayonnement infrarouge dans une gamme spectrale de 3 à 40 microns environ. Le rayonnement solaire symbolisé par les flèches F traverse donc la paroi transparente de la canalisation 2, et pénètre en profondeur dans le liquide 13 à l'intérieur duquel les particules 14, 15 diffusent la chaleur par effet volumique. Un avantage essentiel de l'invention réside ainsi dans le fait que le capteur fonctionne non plus par effet de surface comme les capteurs connus, mais par effet "volumique" sélectif, puisque le rayonnement incident pénètre Jusqu'au coeur même du liquide caloporteur 13. Il en résulte une absorption et une diffusion considérablement plus grandes de la chaleur, et par conséquent l'obtention d'un rendement thermique nettement supérieur à celui des capteurs connus. On constate qu'avec une canalisation 2 de section circulaire, l'absorption photonique peut atteindre les deux tiers ou les trois quarts de la section efficace de la canalisation, observée perpendiculairement à la direction du rayonnement incident F. La canalisation 2 peut être constituée par exemple en un matériau synthétique extrudé tel qu'un polycarbonate, ou en verre tel qu'un borosilicate. Les particules absorbant la chaleur 14 et 15 sont choisies en un matériau présentant un coefficient d'absorption aussi grand que possible, en même temps qu'un coefficient d'émissivité aussi faible que possible, pour une température rayonnée pouvant atteindre 3700 K à 4000 K au sein du liquide transformateur d'énergie 13. le système focalisateur il peut être extrudé en un matériau synthétique acrylique ou en polycarbonate, et il remplit avantageusement un rôle de premier vitrage d'isolement pour la canalisation capteuse 2.L'écran vitré 6 réalisé par exemple en un polyearbonate ou en un méthacrylate permet d'obtenir, sous une insolation moyenne, des températures de l'ordre de 80 à 1200 C sans prélèvementw Le réflecteur 9 focalisant grâce à ses ondulations à section en U, assure l'obtention d'une augmentation de température, ce réflecteur pouvant d'ailleurs être remplacé par un autre réflecteur sans effet focalisant du rayonnement solaire sur la canalisation 2. Le produit dessicateur 8 supprime l'humidité résiduelle dans le boîtier 5, et limite de ce fait les pertes par convections entre la canalisation 2 constituant le collecteur et le verre isolant de l'écran 6. A titre indicatifs les particules 14 neuvent être par exemple en un métal tel que poudre d'aluminium, de fer, de cuivre, de nickel etc,.. tandis que les paillettes ou particules 15 peuvent être en un métal oxydé tel que le fer oxydé, le cuivre oxydé ou le nickel oxydé. Un autre avantage de l'invention consiste dans le fait que le double vitrage d'isolement constitué par le système focalisateur 11 et l'écran vitré 6 met la canalisation 2 et son fluide caloporteur à l'abri des pertes directes par conduction et convection. Ceci présente d'autant plus d'intérêt que les températures obtenues sont plus élevées, les pertes croissant rapidement avec la température. Un autre intérêt de l'invention consiste en ce qu'elle permet de conserver au capteur un rendement identique au cours des années grâce au fait que, contrairement aux capteurs plans noircis notamment, le capteur ne présente aucune surface peinte ou anodisée servant à cat- ter le rayonnement direct. En effet, lesdites surfaces peintes ou anodisées perdent une partie de leur pouvoir absorbant au cours du temps, ce qui diminue le rendement.A titre d'exemple indicatif, le capteur solaire selon l'invention peut, avec une canalisation 2 de 50 mètres de longueur exposée convenablement et isolée, débiter deux cents litres d'eau à 650C sous insolation au mois d'avril, à partir d'un échangeur lui-meme à 150C initialement; ces températures correspondant par conséquent à un accroissement de 500,C de la température du liquide caloporteur. L'invention n'est pas limitée aux exemples d'exécution décrits et peut comporter des variantes d'exécution. C'est ainsi qu'on peut choisir les particules absorbantes 14 et 15 en tout métal et métal oxydé - autres que ceux précités. De même, le liquide caloporteur 13 peut être de l'eau opacifiée par une solution à base de noir de carbone ou de dérivés carbonés, tel que du noir de fumée en suspension stable. Eventuellement également, l'ensemble de particules 15 destinées à absorber le rayonnement infrarouge secondaire pourrait ne pas être utilisé, mais il est évident que le rendement du capteur en serait sensiblement diminué. REVEEDICATIONS 1/- Capteur solaire comportant une canalisation à l'intérieur de laquelle peut circuler un liquide caloporteur, destiné à être branché sur un circuit fermé de chauffage, caractérisé en ce que le liquide est apte à capter la totalité du spectre d'émis sion solaire et est chargé de particules métalliques en sus pension, ne sédimentant pas, choisies de façon qu'elles puissent absorber la quasi-totalité du spectre d'émission solaire, et en ce que la canalisation est réalisée en un matériau transparent. 2/- Capteur solaire suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le liquide est chargé en outre d'un second ensemble de particules, ne sédimentant pas, capables d'absorber le rayon nement secondaire réémis à l'intérieur du liquide. 3/- Capteur solaire suivant l'une des revendications 1 et 2, carac térisé en ce que le liquide est de l'eau pure additionnée d'au moins un colorant et/ou de poudres métalliques capables de capter le rayonnement solaire, en particulier entre 0,35 et 2 microns, notamment des poudres d'aluminium et de fer. 4/- Capteur solaire suivant l'une des revendications 1 et 2, carac térisé en ce que le liquide caloporteur est une huile végétale, minérale, ou synthetique chargée de particules métalliques apparemment- brillantes aptes à absorber le rayonnement solaire direct. 5/- Capteur solaire suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le liquide contient en outre des particules de métaux oxy dés aptes à absorber le rayonnement secondaire réémis à l'inté rieur du liquide et de longueurs d'ondes supérieures à celles du rayonnement absorbé initialement telles que des particules de fer oxydé, de cuivre oxydé, de nickel oxydé notamment. 6/- Capteur solaire suivant l'une des revendications 1 et 2, carac térisé en ce que le liquide caloporteur est de l'eau opacifiée par une solution à base de noir de carbone ou de dérivés carbonés, tels que du noir de fumée en suspension stable. 7/- Capteur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des systèmes de focalisation du rayonnement solaire sur la canalisation transparente, notamment des systèmes du type ERESNED en un matériau plastique d'extrusion servant en outre de vitrage d'isolement. 8/- Capteur suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la canalisation transparente est-placée sur un ré flecteur métallique, par exemple un réflecteur en aluminium fermé dans les ondulations duquel est disposée la canalisation formant un serpentin. 9/- Capteur suivant l'une des revendications 7 et8, caractérisé en ce que la canalisation et les systèmes de focalisation sont contenus dans un boîtier fermé par un écran vitré avec inter position d'un joint d'étanchéité et d'une matière calorifuge, un produit dessicate-ur de l'atmosphère étant placé dans le boîtier 10/- Capteur solaire suivant l'une des revendications 1 à 9, carac térisé en ce que la canalisation transparente est réalisée en un matériau spectralement transparent dans les longueurs d'onde comprises entre 0,35 et 2 microns.