Brevet FR2363066A1 — publié le 19780324

La présente invention a pour objet un capteur d'énergie solaire plus particulièrement conçu de façon à être d'une réalisation à la fois aisée et de faible coût dans un terrain naturel. On rappelle qu'un capteur d'énergie solaire comporte habituellement un élément pouvant absorber de façon satisfaisante le rayonnement calorifique émis par le soleil et un système de récupération des calories ainsi acquises par ltélément. Plus précisément, la présente invention concerne un capteur solaire du type comportant un élément absorbant constitué par une couche de matériau contenant du bitume. Les capteurs du type précité conçus antérieurement à la présente invention comportent généralement un système de récupération des calories constitué par un ensemble de canalisations qui, véhiculant un fluide caloporteur de capacité calorifique élevée telle que l'eau, sont disséminées le long de la couche absorbante de matériau contenant du bitume dans un lit de matière ou de particules thermiquement conducteur. De tels capteurs présentent 1 l'inconvénient de ne pas permettre la récupération de fractions importantes du flux solaire frappant la couche absorbante de matériau bitumineux car la conduction des calories de cette couche vers le fluide caloporteur n'est pas suffisante pour minimiser de façon satisfaisante le pouv3i rayonnant de ladite couche absorbante. On rappelle, en effet, que la couche absorbante abandonne d'autant plus de chaleur par rayonnement dans l'atmosphère que sa température est élevée. La présente invention a précisément pour objet un capteur solaire palliant les inconvénients précités tout en étant d'une grande résistance et d'une réalisation à la fois aisée et peu coûteuse. Le capteur, objet de l'invention, se caractérise en ce qu'il comporte une couche de matériau contenant du bitume et des conduites en matière thermiquement conductrice véhiculant un fluide caloporteur et contenant des lits de cailloux, l'une des faces de ladite couche étant exposée au rayonnement solaire et lesdites conduites étant juxtaposées sous la face de ladite couche non exposée audit rayonnement, La capteur de l'invention tel que caractérisé ci-dessus a notamment l'avantage d'assurer un transfert satisfaisant des calories de la couche absorbante de matériau contenant du bitume vers le fluide caloporteur constitué de préférence par de l'eau, En effet, la juxtaposition desdites conduites sous la totalité de la face inférieure de ladite couche permet la récupération des calories absorbées par cette dernière par un simple transfert des calories par conduction verticale.Par ailleurs, la présence desdits lits de cailloux dans lesdites conduites autorise le stockage d'une partie des calories absorbées en vue de leur restitution aisée au fluide caloporteur par convection thermique. Selon l'invention lesdites conduites peuvent être, soit placées au contact de ladite couche absorbante de matériau contenant du bitume, soit séparées de cette dernière par une nappe de matériau conducteur. D'autre part, selon l'invention ces conduites sont de préférence en polyéthylène de façon à être à la fois conductrices, imperméables, résistantes au poinçonnement et soudables. Par ailleurs, afin d'autoriser une répartition homogène du débit de fluide caloporteur dans lesdites conduites et d'éviter l'entralnement de particules par le fluide, les lits de cailloux sont réalisés en disposant manuellement de façon appropriée des cailloux calibrés d'un calibre de préférence de 40/63. Selon des dispositions préférentelles , le capteur de l'invention comporte, en outre, une structure de protection mntre e vent de la couche de matériau contenant du bitume, cette structure étant de façon avantageuse en une matière plastique transparente au rayonnement solaire et compatible avec le bitume, telle que par exemple le tedlar ou le polyéthylène. On rappelle, en effet, que la couche de bitume abandonne par convection une part des calories absorbées d'autant plus importante que les courants de convection dans l'air, s'établissant à son contact sont importants. Ainsi, selon un premier mode préférentiel de réalisation, le capteur de l'invention comporte en outre une structure de protection constituée par un ensemble de tubes souples en matière plastique juxtaposés horizontalement sur la face exposée au rayonnement solaire de ladite couche de matériau contenant du bitume et collés sur cette dernière. Selon l'invention lesdits tubes sont mis en forme soit par un gaz sous pression, soit par des arceaux. Selon un autre mode préférentiel de réalisation, le capteur de l'invention comporte une structure de protection consti tuée par une feuille mince disposée en "toit" au moyen d'organes mécaniques au-dessus de la face exposée au rayonnement solaire de ladite couche de matériau contenant du bitume, les bords libres de ladite feuille étant de préférence fixés sur des lattes d'épaulement prévues dans ladite couche de matériau contenant du bitume. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront plus clairement à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation du capteur de l'invention donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. Cette description sera faite au regard des figures 1 à 3 annexées, sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, une vue partielle, en coupe verticale d'un premier mode de réalisation du capteur selon l'invention, - sur la figure 2, des courbes donnant les performances thermiques du capteur de la figure I pour certaines conditions météorologiques caractérisées par le vent et le rayonnement, ces courbes représentant en fonction de la température du fluide caloporteur du capteur et pour une température de source froide donnée la puissance fournie par une machine thermodynamique ayant le rendement de Carnot pour laquelle la source chaude est précisément constituée par ce fluide caloporteur, - sur les figures 3a, 3b et 3c, des modes de réalisation d'un ceotellr de l'invention munis d'ensembles de protection de la couche absorbante du capteur vis-à-vis des courants de convection dans l'air. Au vu de la figuré 1, on rappelle que le capteur de l'invention, désigné dans son ensemble par la référence 2, peut Être réalisé en un endroit quelconque d'un terrain naturel sur un sol 3 préalablement nivelé selon les techniques routières classiques. On voit sur cette figure que le capteur 2 se compose essentiellement d'une couche superficielle 5 de matériau "noir" à base de bitume présentant un pouvoir d'absorption du rayonnement solaire satisfaisant, la face 7 de ladite couche 5 étant directement exposée au rayonnement solaire , et de conduites Il à travers lesquelles un liquide tel que l'eau ou tout autre liquide de forte capacité calorifique est mise en circulation, ces conduites li étant disposées les unes à côté des autres sous la face 9 de ladite couche de matériau absorbant 5. Plus précisément, ladite couche de matériau absorbant est constituée par un dépôt d'enduit bitumineux avec des graviers, ce dépôt de 1 à 2 cm d'épaisseur étant réalisé selon les techniques classiques routières. Par ailleurs, lesdites conduites 11 en une matière imperméable et thermiquement conductrice renferment des cailloux bien calibrés 15 disposés en lits réguliers à l'intérieur de ces dernières. Ainsi, grâce aux caractéristiques précitées des lits de cailloux- 1 5, on assure une bonne répartition du débit du liquide établi à travers lesdites conduites 11 ce qui permet d'éviter qu'une partie des calories captées soient dissipées dans des zones ou le liquide stagnerait.De plus, on évite grâce au calibrage des cailloux l'entralnement de particules par le liquide qui entrainerait un mauvais fonctionnement des moyens (non représentés) de mise en circulatiqn du liquide dans les conduites 11. Selon l'invention, lesdites conduites 11 destinées à envelopper lesdits-lits de cailloux 15 sont de préférence constituées par un film de polyéthylène tel que celui qui est désigné commercialement polyane de façon à etre imperméables et thermique -ment conductrices tout en présentant en outre une bonne résistance au poinçonnement et une souplesse satisfaisante. Les paramètres préférentiels de réalisation du capteur de l'invention décria ci-dessus sont les suivants épaisseur de la couche 5 : 1 cm largeur des conduites I : 90 cm épaisseur d-es conduites e : 10 cm cålibre des cailloux : 40/63- Bien que sur la figure 1 la couche de matériau absorbant 5 surmonte directement lesdits conduites 11, on précise qu'il est possible d'interposer entre ladite couche 5 et lesdites conduites 11 une nappe 13 de matériau conducteur. Le capteur de l'invention est réalisé en agençant sur le sol 3 lesdites conduites 11 puis en déposant la couche de matériau absorbant 5 soit directement sur lesdites conduites 11, soit au-dessus d'une nappe 13 de matériau conducteur déposée préalablement sur lesdites conduites 1.1 On peut noter que lesdites. conduites 11 autorisent une tel-le réalisation car leur constitution leur permet de supporter la charge d'une personne. La figure 2 est destinée à présenter les perfor mances thermiques du capteur de l'invention décrit précédemment lorsque la couche5 de matériau absorbant reçoit un flux solaire W/m2 de 1000 W/m2 par ciel clair, c'est-à-dire pour un flux infrarouge de 200 i'/m2. Sur cette figure 2, on a représenté 4 cour-bes I à IV correspondant à différents courants de convection susceptibles de s'établir dans l'air au contact de ladite couche 5, les courbes I à IV correspondant respectivement à un vent nul, faible, moyen et fort.Chacune de ces courbes I à IV donne en fonction de la température du fluide caloporteur du capteur la puissance fournie par une machine thermodynamique ayant le rendement de Carnot dans laquelle le fluide caloporteur sert à l'échauffement d'un fluide froid de température égale à 2900 K. Pour expliciter l'allure des courbes I à IV, on rappelle que le rendement de la machine est proportionnel à la température du fluide caloporteur tandis que la fraction du flux solaire abandonné par le capteur est proportionnelle à la puissance quatrième de la température de sa couche absorbante voisine de la température du fluide caloporteur. Ainsi, la figure 2 montre que la puissance maximum fournie par la machine thermique est égale - par vent nul pour une température du fluide caloporteur de l'ordre de 500C à environ 32 W/m2, - par vent faible pour une température du fluide caloporteur de l'ordre de 40aC à environ 24 W/m2, - par vent moyen pour une température du fluide caloporteur de 2 l'ordre de 400C à environ 18 W/m2, - par vent fort pour une température du fluide caloporteur de 11 ordre de 350C à environ 12 W/m2. On constate au regard des courbes de la figure 2, que le capteur de l'invention conforme à la réalisation de la figure 1 est particulièrement sensible au vent. De ce fait, le capteur de l'invention conforme aux réalisations préférentielles représentées sur les figures 3a, 3b et 3c comporte façon avantageuse une structure de protection destinée à limiter l'échauffement par convection de la masse d'air proche de sa couche de matériau absorbant 5. Sur chacune des réalisations des figures 3a- à 3c, lesdites structures de protection sont réalisées en une matière plastique transparente au rayonnement solaire et compatible avec le bitume, laquelle peu-t de façon avantageuse etre constituée par du tedlar ou du polyéthylène. Sur la figure 3a, on voit que le capteur comporte une structure de protection constituée par un ensemble de tubes souples 15 en tedlar ou polyéthylène dont la paroi mince a une épaisseur de quelques microns, ces tubes 15 étant disposés horizontalement les uns à coté des autres sur la totalité de la face 7 de ladite couche de matériau absorbant 5 et collés sur cette dernière. Plus précisément, lesdits tubes 15 peuvent être obtenus en gonflant par un gaz des "boudins" de polyéthylène ou de tedlar ou bien en plaçant dans de tels "boudins", comme sur la figure 3a, des arceaux haubanés 17. Sur les figures 3b et 3c, on voit que le capteur comporte une structure de protection constituée par une feuille mince 19 en matière plastique disposée en "toit" à une certaine distance au-dessus de la couche 5 ducapteur. Comme pour la réalisa tion de la figure 3b ladite feuille 19 peut être disposée en "toit" en étant maintenue par des tendeurs 21 associés à des pieux 23, les bords libres de ladite feuille 19 étant fixés à des lattes d'épaulement 25 prévues dans ladite couche 5. Comme pour la réalisation de la figure 3c, ladite feuille 19 en matière plastique peut être disposée en "toit" en étant tendue au moyen d'arceaux rectangulaires 27 reliés et maintenus par des tendeurs 19, les bords libres de ladite feuille 19 étant, comme précédemment, fixés sur des lattes d'épaulement 25. REVENDICATIONS 1. Capteur d'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comporte une couche de matériau contenant du bitume et des conduites en matière thermiquement conductrice véhiculant un fluide caloporteur et contenant des lits de cailloux, l'une des faces de ladite couche étant exposée au rayonnement solaire et lesdites conduites étant juxtaposées sous la-face de ladite couche non exposée audit rayonnement. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites conduites sont en contact avec ladite couche de matériau contenant du bitume. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites conduites sont séparées de ladite couche de matériau contenant du bitume par une nappe de matériau conducteur. 4. Capteur d'énergie solaire selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que ledit matériau contenant du bitume est constitué de graviers enrobés d'enduit bitumineux. 5.Capteur selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que lesdites conduites sont en polyéthylène. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites conduites ont une largeur d'environ 90 cm et une épaisseur d'environ 10 cm. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits lits de cailloux sont réalisés avec des cailloux calibrés 40/63. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une structure de protection contre le vent en matière plastique. 9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite structure est en tedlar ou en polyéthylène-. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ladite structure est constituée par un ensemble de tubes souples en matière plastique remplis par un gaz sous pression, ces tubes étant juxtaposés horizontalement sur la face exposée au rayonnement solaire de ladite couche de matériau contenant du bitume et collés sur cette dernière. 11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ladite structure est constituée par un ensemble de tubes souples mis en forme par des arceaux, ces tubes étant juxtaposés horizontalement sur la face exposée au rayonnement solaire de ladite couche de matériau contenant du bitume et collés sur cette dernière. 12. Capteur selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ladite structure est constituée par une feuille mince disposée en "toit" au moyen d'organes mécaniques au-dessus de la face exposée au rayonnement solaire de ladite couche de matériau.contenant du bitume. 13. Capteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les bords libres de ladite feuille sont fixés sur des lattes d'épaulement prévues dans ladite couche de matériau contenant du bitume.