Brevet FR2360845A1 — publié le 19780303

La présente invention concerne les collecteurs d'énergie solaire et plus précisément les dispositifs de chauffage d'air par l'énergie solaire, ayant un excellent rendement thermique. On a consacré beaucoup d'efforts ces aernieros années, a la mise au point Çe collecteurs d'énergie solaire detinés a transformer celle-ci en énergie calorifique. Ces dispositifs ont des possibilités d'utilisation dans de nombreuses applications dans lesquelles les combustibles fossiles sont actuellement utilisés comme sources principales d'énergie. De telles applications sont notamment le chauffage des bâtiments d'habitation et commerciaux, et la création d'énergie électrique. Les collecteurs d'énergie solaire peuvent être très utilisés, un jour relativement rapproché, sur les toits des maisons d'habitation pour le chauffage par temps froid.Il est évidemment extrêmement important, au cours des années qui viennent, que des collecteurs d'énergie solaire puissent être risés avec un prix relativement faible et un rendement thermique élevé. Des collecteurs solaires mis au point jusqu a présent comprennent une plaque collectrice destinée a transformer l'énergie solaire en chaleur. Par exemple, cette plaque collectrice est placée dans un boîtier ayant une paroi transparente qui transmet les radiations solaires incidentes. Celles-ci, après avoir traversé la paroi transparente, sont absorbées par la plaque collectrice qui les transforme en chaleur. L'énergie thermique est alors transmise à un fluide, c'est- -dire un liquide ou un gaz, par conductlon, convection et/ou radiation,et le fluide est ainsi chauffé. Le fluide chauffe est alors transporté en vue d'un stockage etd'une utilisation ultérieure. Dans un type de collecteur solaire, le fluide à chauler circule dans des tubes ou conduits par exemple, placés à l'interieur de la plaque collectrice ou adjacents cile-ci. La plaque collectrice de ces collecteurs est habituellement une plaque pleine et plane absorbant les radiations, par exemple une plaque métallique assombrie ou noire qui absorbe l'énergie solaire incidente et la transfère sous forme de chaleur par conduction aux tubes pu conduits dans lesquels a lieu l'échange. Les collecteurs de ce type sont donc appelés "collecteurs à plaque plane" et on peut les utiliser pour le chauffage d'un liquide ou d'un gaz. Lorsque la chaleur obtenue doit être transmise à un gaz seulement tel que l'air, on peut utiliser d'autres types de collecteur. Une excellente étude globale des dispositifs de chauffage d'air par l'énergie solaire figure dans l'article de A. Whillier, "BLACK-PAINTED SOLAR AIR HEATERS OF CONVENTIONAL DESIGN", Solar Energy, vol. 8, n01, pages 27-31, Pergamon Press (1964). Dans un type de dispositif de'chauffage par l'énergie solaire, le gaz passe-dans un boltier et traverse la plaque collectrice qui est poreuse et perméable aux gaz, par exemple sous forme d'un feutre poreux de fibres noires, et le gaz à chauffer passe directement à travers la surface qui absorbe l'énergie solaire. En outre, dans ce cas, le boîtier a une entre et une sortie délimitant un trajet de circulation du gaz à chauffer. Dans les circuits à plaque poreuse, la totalité de la plaque collectrice constitue la matière d'échange de chaleur qui transfère la chaleur absorbée ou transformée au gaz ou à l'air qui circule dans le dispositif. Ainsi, l'air ou le gaz penètre par l'entrée et circule ou s'infiltre dans la plaque collectrice qui le chauffe.Le gaz ou l'air chauffé sort par une sortie et parvient à un dispositif de stockage pour une utilisation ultérieure. Les collecteurs solaires de ce type sont dits "dispositifs de chauffage solaire d'air par infiltration Un problème essentiel des collecteurs solaires est la perte de chaleur absorbee par convection naturelle et réirradiation, c'est-a-dire par transmission des radiations infrarouges ou de plus grande longueur d'onde par la plaque collectrice, vers la paroi transparente. On a déjà propose l'utilisation de certains types de structures cellulaires telles que les nids d'abeilles, formant un piège à chaleur qui réduit la perte de chaleur absorbée par convection naturelle dans les dispositifs de chauffage solaire à plaque plane. Le piège de chaleur estplacê sur la plaque collectrice pleine et assure une protection contre la formation de coura;fts de convection qui refroidissent la plaque collectrice et réchauffent la paroi transparente. La chaleur qui est transmise par le courant de convection à la paroi transpa rente peut être facilement perdue par conduction ou radiation dans l'atmosphèreexterne.Ainsi, l'article de Hollands, "HONEYCOMB DEVICES IN FLAT PLATE SOLAR COLLECTORS", Solar Energy, vol. 9, n03, pages 159-169, Pergamon Press (1965) décrit l'utilisation de divers types de structures en nids d'abeilles, par exemple rectangulaires, carrées, triangulaires, etc, formant un piège de chaleur empêchant les pertes par convection dans les dispositifs de chauffage solaire à plaques planes.Le piège en nid d'abeilles peut être formé de verre ou de matière plastique qui transmet les rayons solaires mais qui est opaque aux radiations de plus grande longueur d'ondes Dans les dispositifs de chauffage solaire d'air avec infil tration évidemment la perte de chaleur par convection naturelle nta pas lieu lorsque le gaz ou l'air à chauffer circule cons tamment a travers la matière poreuse d'absorption, en direction l'éloignant de la paroi transparente. On a aussi déjà tenté de résoudre le problème des pertes par réirradiation de diverses manières. Dans des col lecteurs à plaque plane, on peut appliquer des revêtements ayant une sélectivité spectrale, sur la surface absorbante afin que les pertes par réirradiation soient réduites. Une revue de cette technologie du revêtement à sélectivité spec trale figure dans l'article de J. Jurisson, R.E. Peterson, et H.Y.B. Mar, "PRINCIPLES AND APPLICATIONS OF SELECTIVE SOLAR COATINGS", the Journal of Vacuum Science Technology, vol 12, n05, pages 1010-1015, 1975. Les revêtements décrits ne sont cependant pas efficaces pour la réduction des pertes par réirradiation à partir des dispositifs de chauffage d'air par infiltration car les pores de la surface d'une plaque poreuse se comportent comme des cavités de corps noir et limitent l'efficacité de tout revêtement appliqué à la surface. On a aussi essayé de résoudre le problème des pertes par réirradiation des dispositifs de chauffage solaire d'air par infiltration. Ainsi, le brevet des Etats-Unis d'Amérque nO 3 102 532 décrit un collecteur solaire dans lequel de l'air à chauffer passe à travers un collecteur perméable aux gaz comprenant plusieurs couches de feuilles d'aluminium déployées et fendues. La feuille déployée est revêtue d'un émail vinylique noir à la face supérieure tournée vers la paroli transparente. La face inférieure brillante de la paroi est très réfléchissante et constitue un pege qui empêche les pertes de chaleur absorbées par reirradiation. Cependant, ces pertes par radiation peuvent avoir lieu par l'orifice ou les fentes de la feuille et en outre ce collecteur à feuilles est de fabrication délicate et couteuse. On a aussi déjà proposé l'utilisation d'un piège à chaleur en nid d'abeilles présentant une réflexion spéculaire, dans un dispositif de chauffage solaire d'air, ayant une plaque collectrice poreuse. Ainsi, l'article de Buchberg et coll, "PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF RECTANGULAR HONEYCOMB SOLAR THERMAL CONVERTERS", Solar Energy, n013, pages 193-221, Pergamon Press (1971) décrit un dispositif de chauffage solaire d'air ayant un piège de chaleur en nid d'abeilles rectangulaire formé d'une matière à reflexion spéculaire, c'est-à-dire de papier revêtu d'une couche aluminisée claire. Cependant, autant qu'on puisse le savon, on ne connaît pas encore de dispositif de chauffage solaire d'air ayant une plaque collectrice poreuse destinée à transformer les radiations solaires en chaleur et une structure cellulaire transparente, par exemple en nid d'abeilles, utilisée comme piège empêchant les pertes de chaleur par réirradiation. L'article précité de Hollands décrit l'utilisation d'un nid d'abeilles de verre ou de matière plastique, mais ces pièges transparents sont utilisés essentiellement pour la réduction des pertes de chaleur par convection dans les collecteurs solaires à plaque plane. L'invention concerne un dispositif de chauffage solaire ayant une plaque collectrice poreuse dont le rendement thermique est excellent. L'invention concerne aussi un dispositif de chauffage solaire d'air ayant une plaque collectrice poreuse et un piège transparent pour les radiations. Elle concerne aussi un dispositif de chauffage so laire d'air du type décrit dont le montagne est facile et la réalisation peu coûteuse. Plus précisément, on a deconvert selon l'invention qu'on pouvait beaucoup améliorer les rendements thermiques des dispositifs de chauffage solaire d'air a plaque collectrice poreuse destinée à transfoner les radiations solaires incidentes en chaleur et à transmettre la chaleur à un csu- rant continu de gaz tel que d'air à chauffer, lcrqu'un piège de radiations, en matière qa est transparente aux radiations solaires mais opaque ou noire vis-à-vis des radiations infrarouges est placé entre la plaque collectrice et la paroi transparente. L'importance de ce perfectionnement est tout à fait imprevueetant donné l'état actuel de la technique.L'amélioration obtenue atteint 15 % environ ou plus, par rapport aux collecteurs solaires ne comprenant pas un tel piège transparent. On peut maintenant réaliser des dispositifs de chauffage solaire d'air pour des applications telles que le chauffage de divers espaces avec des-rendements thermiques compris entre environ 60 et 70 %.Ces rendements thermiques incorporent évidemment les pertes normales de chaleur dues à la transmission des radiations solaires par la paroi transparente Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de chauffage solaire d'air qui comprend un boitier ayant une paroi transparente et une entrée et une sortie qui forment un trajet de circulation d'un gaz tel que l'air, qui doit être chauffé, une plaque collectrice poreuse ou perméable aux gaz étant placée transversalement au trajet de circulation dans le boîtier et étant destinée à recevoir les radiations solaires incidentes qui ont traversélaparol transparente, la chaleur absorbée par la plaque étant alors transférée au gaz ou à l'air qui circule le long de son trajet et à travers la plaque collectrice, un piège transparent aux radiations, formé d'une matière transparente aux radiations solaires mais opaque ou sombre vis-à-vis des radiations infrarouges, étant placé entre la plaque collectSrice et paroi transparente. 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 longitudinale d'un dispositif de chauffage solaire d'air selon l'invention - les figures 2 et 3 sont analogues a la figure 1 mais représentent différents modes de réalisation de l'invention - la figure 4 est une perspective représentant une parti d'un dispositif de chauffage solaire d'air ayant un piège transparent de radiations en nid d'abeilles placé entre une paroi transparente et une plaque poreuse; et - - la figure 5 est analogue à la figure 4 mais elle représente un dispositif de chauffage solaire d'air ayant un piège à radiations comprenant des ailettes transparentes, placé entre une paroi transparente et une plaque poreuse. La figure 1 représente un dispositif de chauffage solaire d'air selon l'invention. Ce dispositif comprend un boitiez 10 ayant une paroi avant transparente 12 qui transmet les radiations solaires incidentes et une paroi arrière 14. Le boltier comprend en outre une entrée 16 dans une paroi latérale et une sortie 18 dans la paroi latérale opposée. L'entrée 16 etla sortie 18 sont destinées à délimiter un trajet de circulation d'un gaz'tel que l'air à chauffe comme indiqué par les flèches. Une plaque collectrice poreuse 20 est montee dans le boîtier 10, parallèlement à la paroi avant 12 et à la paroi arrière 14 et à une certaine distance de celle-ci transversalement au trajet de circulation formé entre l'entrée 16 etla sortie 18. La'plaque collectrice poreuse 20 est formee par exemple d'un feutre fibreux, de toile ou d'une mousse réticulée, sous forme poreuse et noire ou assombrie. Un piège transparent 22 à radiations est placé sur les faces supérieures de la plaque collectrice poreuse 20 tournée vers la paroi avant 12. Le piège 22 a une structure ouverte, par exemple en nid d'abeilles ou formée par un arrangement d'ailettes qui permet la circulation du gaz ou de l'air à la fois dans le piège 22 et dans le collecteur 20. Le boîtier 10 peut être formé d'un mal tel que l'acier qui présente une bonne résistance mécanique ou il peut être formé d'une matière isolante telle qu'une mousse polymère ou une matière armée de fibres de verre le cas échéant. La figure 2 représente un collecteur solaire du type décrit précédemment, mais dans lequel le piege transparent 22a des radiations est placé à une certaine distance de la plaque collectrice poreuse 20 et de la paroi transparente 12, entre celles-ci Le piège 22a peut être avantarsement porté par ure structureouverte telle qu'une toile métallique 24. Le gaz ou l'air passe à travers la structure ouverte du piège, par exemple en nid d'abeilles, comme décrit précédemment. La figure 3 représente un collecteur solaire du type décrit mais dans lequel le piège transparent 22b est monté près de la face inférieure de la paroi transparente 12. Cependant, le gaz ou l'air à chauffer dans ce cas ne passe pas dans le piège 22b mais s'écoule au contraire directement à travers la plaque collectrice poreuse 20. La figure 4 est une perspective d'un mode de re- alisation de piège transparent 22 à radiations placé sur la plaque collectrice poreuse 20 tournée vers la paroi transparente 12, à une certaine distance. Dans ce mode de réalisation, le piège 22 a une structure cellulaire et il est formé d'une matière transparente à la lumière visible et absorbant les radiations infrarouges, par exemple un polycarbonate ou une autre matière polymère transparente ou du verre. Le rapport de la longueur au diamètre des cellules est compris entre environ 2 et 10. La figure 5 est une perspective d'un autre mode de réalisation de piège transparent 22 à radiations, ayant une configuration analogue à celle qu'on a décrite. Dans ce mode de réalisation, le piège 22 comprend des ailettes et il est formé d'une matière ayant des propriétés déjà indiquées. Le rapport de la hauteur à l'espacement des ailettes est compris entre environ 4 et 20. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage solaire d'air, caractérisé en ce qu'S comprend un boîtier ayant une paroi transparente destiné à transmettre les radiations solaires incidentes et comprenant une entrée et une sortie destinées à délimiter un trajet de circulation d'un gaz à chauffer, un élément collecteur perméable aux gaz et absorbant les radiations, placé transversalement au trajet de circulation du gaz dans le boîtier et destiné à recevoir les radiations solaires incidentes traversant la paroi transparente et à transférer la chaleur absorbée au gaz circulant le long de son trajet et à travers ledit élément collecteur, et un piège transparent à radiations placé entre ledit élément collecteur et la paroi transparente, ce piege étant opaque aux radiations infrarouges émises par l'élément collecteur, vers la paroi transparente. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément collecteur comprend un feutre opaque poreux formé d'une matière choisie dans le groupe qui comprend les mousses réticulées, les toiles et les fibres comprimées. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piege transparent à radiations est justapoxé à la surface de l'élément collecteur tournée vers la paroi transparente. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piège transparent est placé entre l'élément collecteur et la paroi transparente et est distant de l'élément collecteur et de cette paroi. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que le piège transparent à radiations est juxtaposé à la surface de la paroi transparente tournée vers l'élément collecteur. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piège transparent comprend une structure transparente en nid d'abeilles. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en r ce que la structure transparente en nid d'abeilles est formée de verre ou d'une matière polymère transparente. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport de la longueur au diamètre de chaque orifice de la structure en nid d'abeilles est èompris entre 2 et 10 environ. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piège transparent à radiations comprend un arrangement d'ailettes rapprochées, transparentes et parallèles. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les ailettes transparentes sont formées de verre ou d'une matière polymère transparente. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport de la largeur à l'espacement des ailettes transparentes est compris entre environ 4 et 20.