Brevet FR2389078A1 — publié le 19781124

La présente invention a pour but de réaliser un absorbeur pour capteur solaire plan utilisant un fluide gazeux ou liquide ou les deux comme fluide calo-porteur dans un ensemble de captation d'énergie solaire équipé ou pas de dispositif annexe de concentration comportant un absorbeur proprement dit exposé au rayonnement solaire à faible ou forte inertie thermique, une paroi e térieure transparente, une enceinte thermique située entre l'absorbeur et la paroi extérieure de façon à créer un effet de serre, et des moyens d'isolation. Les problémes liés actuellement à la crise de l'énergie et au prix de plus en plue élevé du pétrole ont amené à chercher à développer sur une échelle de plus en plus grande des formes d'énergie nouvelles. Parmi ces nouvelles formes d'énergie, l'utilisation de l'énergie solaire est particulièrement tentante, tant au point de vue des possibilités offertes que du prix de revient et de la protection de l'environnement. En conséquence, de nombreux types de capteurs utilisant l'é- nergie solaire ont déjà été proposés. Le principe de tels capteurs repose sur la mise au point de surfaces d'absorption dont les propriétés physiques se rapprochent le plus possible de celles d'un corps noir idéal. Le rôle de ces surfaces est, d'une part de capter le rayonnement solaire et, d'autre part d'émettre en réponse un rayonnement infra-rouge pour transmettre de l'énergie à un fluide caloporteur chargé ensuite de transmettre cette énergie à es dispositifs approprié8. le principal problème posé par la mise au point de tels capteurs tient surtout à la nécessité d1 une utilisation maximale de l'énergie transmise par le soleil et donc d'une réduction maximale des pertes de chaleur. Les capteurs qui ont été récemment proposés se composent en général d'un absorbeur devant agir comme un corps noir et d'une paroi extérieure transparente délimitant entre eux une enceinte thermique destinée à créer un effet de serre permettant de transmet tre une énergie rnaxirnaiê au fluide calo-porteur. Ces capteurs com portént, en outre, en arrière de l'absorbeur une isolation qui présente une certaine inertie thermique. Les absorbeurs existant à ce jour sont réalisés soit en béton, soit avec des tôles planes ou rainurées, à une face ou avec deux faces formant une réserve de fluide liquide ou gazeux thermiquement inerte. Or, il a été prouvé que le rendement thermique de tels capteurs est très insuffisant. La présente invention a pour but d'améliorer le rendement de tels capteurs par la mise au point dtun dispositif favorisant l'absorption dont la forme géométrique améliore les échanges thermiques avec le fluide calo-porteur, liquide ou gazeux, où les deux, tout en minimisant les déperditions de calories en dehors de-ce ce fluide Â cet effet, la présente demande concerne un absorbeur pour capteur solaire plan(avec ou sans dispositif annexe de concentration) utilisant un fluide gazeux ou liquide, ou les deux fluides caloporteurs.Cet absorbeur est utilisé dans un ensemble de captation de l'énergie solaire constitué par un absorbeur exposé au rayonnement solaire présentant une certaine masse d'inertie thermique, une paroi extérieure transparente, une enceinte thermique située entre 1' in- solateur et la paroi extérieure de façon à créer un effet de serre, des moyens d'isolation, capteur caractérisé en ce que l'absorbeur est constitué par des tôles métallique comportant des déformations. Ces tôles servant de fond de coffrage en cas d'absorbeur à masse thermique béton. Un tel absorbeur peut etre utilisé soit d'un coté, soit de l'autre soit des deux pour l'écoulement du fluide calo-porteur. La présence des déformations sur la surface d'absorption améliore les échanges thermiques avec le ou les fluides calo-porteur par la création de microturbulences en surfaceaussi bien qu'-à l'intérieur de ltabsorbeur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les déformations présentent une sectiontrapézoidale sur au moins l'une des faces des tôles. Ces déformations trapézoldales peuvent être très facilement réalisées par emboutissage. Leurs dimensions sont ajustées en fonction desdébits de fluide souhaités pour obtenir le meilleur rendement de l'échange thermique par rapport aux déperditions globales du capteur et ce, en fonction de l'épaisseur de la lame de gaz comprise entre l'absorbeur et la paroi transparente de façon à ajuster le vortex de la micro-turbulence dans le cas d 'un fluide gazeux ou le brassage dans le cas d'un fluide liquide provoqué par les déformations sans toutefois modifier l'é- coulement laminaire qui s'établit au contact de la paroi transparente chargée de créer l'effet de serre. En effet, un écoulement laminaire le long de cette paroi est favorable à l'obtention d'un minimum de déperdition. Selon une autre caractéristique de l'invention les déformations sont des cavités. rour obtenir un rendement maximal, il est particulièrement important de s'assurer que la quasi totalité de la surface de l'absorbeur soit parcourue par le fluide caloporteur. Cette nécessité implique que le relief des déformations sera en creux dans le das où le fluide calo-porteur est un liquide et en relief dans le cas où il sera un gaz. En effet, un liquide ne monterait pas les parois de déformations en relief, mais les ccntournerait tandis qu'un gaz moins dépendant de la-gravité risquerait de ne pas pénétrer dans des creux. Dans le cas d'un fluide calo-porteur liquide, les angles des cotés des trapèzes sont calculés pour éviter de former des cuvettes de rétention compte tenu de l'angle d'inclinaison de l'absorbeur. I1 est à signaler que dans le cas de capteurs solaires à lame gazeuse et mur d'inertie, la t81e sert de coffrage et est réutilisable. Dans le cas d'utilisation de deux fluides calo-porteurs on a deux tôles qui créent une lame liquide et le fluide gazeux qui circule à l'arrière de cette lame d'eau dans l'enceinte ainsi créée entre la lame d'eau et l'isolation. Selon une autre caractéristique de l'invention la surface de l'absorbeur est revêtue d'une couche d'absorption. Ce revêtement peut entre une peinture foncée et mate ou un revêtement genre Rilsan ou un revêtement polymère de tétrafluoroéthylène qui apportent une amélioration importante par suite de leur bonne tenue aux températures et de la protection anti-corrosion qu'ils apportent à l'absorbeur. --La surface de l'absorbeur peut aussi être soumise à un traitement électrolytique (oxydation anodique sur aluminium, chrome noir) ou à un traitement de protection (galvanisation, nickelage) ou tout traitement améliorant le rapport énergie reçue - énergie utile et apportant une amélioration à la tenue dans le temps et à la corrosion. Selon une autre caractéristique de l'invention, le capteur comporte deux joues qui permettent de maintenir le panneau en place dans la structure du capteur. Ces joues sont adaptées suivant la nature et la forme du support et peuvent ou non être parties intégrantes de l'absorbeur. Le panneau qui -fait l'objet de l'invention sera décrit plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la figure I est une vue schématique du capteur, - les figures 2a et 2b sont des coupes Au capteur selon II It - les figures 3a et 3b montrent des détails de l'absorbeur - les figures 4 5 et 6 représentent en coupe d'autres modes de réalisation de l'absorbeur de l'invention. Selon la figure t, le capteur se compose essentiellement d'un absorbeur 1 qui sera décrit plus en détail ci-dessous, de deux joues 2 qui permettent de maintenir l'åbsorbeur 1 en place dans la structure du capteur et qui peuvent faire partie ou non de l'absorbeur, ainsi que d'une paroi extérieure transparente 4 laissant passer le rayonnement solaire et déterminant, entre elle-meme et l'absorbeur 1, une enceinte 7 destinée à créer un effet de serre afin d'améliorer les échanges thermiques. Selon la figure 2a et 2b, l'absorbeur 1 est associé à un dispositif d'isolation thermique quelco nque 5 qui peut entre combiné à une masse d' inertie thermique afin de limiter les déperditions arrière. L'absorbeur 1 est constitué de plaques de tôle munies de déformations 6 qui peuvent être utilisées soit d'un c8té, soit del'autre, soit des deux pour assurer ltécoulement du fluide caloporteur. Selon la figure 2a, les déformations 6 sont constituées par des bossages 60 formant des protubérances au-dessus de la surface 61 de l'insolateur 1. Cette disposition est plus particulièrement adaptée au cas où le fluide caloporteur est un fluide gazeux. En effet, pour avoir un rendement maximal de l'échange-de chaleur-entre l'énergie transmise par le soleil et le fluide calo-porteur, il faut que ce fluide puisse s'écouler sur la plFs grande surface possible de l'absorbeur 1. Or, dans le cas d'un gaz, on aura intérêt à augmenter la turbulence, et donc à créer des effets de relief. Selon la figure 2b, au contraire, les déformations 6 sont des cavités 6 Ol qui apparaissent en creux sur la surface de l'absorbeur 1. Cette disposition est plus particulièrement adaptée au cas où le fluide calo-porteur est un liquide. En effet, un liquide s'écoulerait autour des protubérances telles que celles représentées sur la figure 2a et donc une partie de la surface de l'absorbeur 1 deviendrait inefficace. Selon les figures 3a et 3b, les déformations 6 de la surface 61 de l'absorbeur 1 sont des cavités ou des bossages à section tra pézoldales. Les dimensions de ces déformations 6 sont ajustées en fonction des débits de fluide calo-porteur souhaités dans le but d'obtenir un meilleur rendement de l'échange thermique par rapport aux déperditions totales dans le capteur, et sont fonction de l'é- paisseur de- la lame de gaz comprise entre l'absorbeur 1 et la paroi transparente 4 de façon à ajuster le vortex de la micro-turbulence dans le cas d'un fluide gazeux ou le brassage dans le cas d'un fluide liquide provoqués par les bossages ou les cavités sans toutefois modifier l'écoulement laminaire qui s'établit au contact de la paroi transparente 4 chargée de créer l'effet de serre. Les angles des côtés des trapèzes formés sur les surfaces des déformations -6 sont calculés pour éviter de former des cuvettes de rétention. Selon la figure 3a, le fluide calo-porteur est un fluide gazeux et les déformations 6 sont-des bossages 60 dont les parois latérales contribuent-à créer des micro-turbulénces pour le fluide caloporteur comme indiqué par les flèches améliorant ainsi les réactions d'échange de chaleur. Selon la figure 3b au contraire, le fluide calo-porteur est un fluide liquide s'écoulant selon les flèches et les déformations 6 sont des cavités 60' où le liquide calo-porteur s'engouffre pour créer un effet de brassage qui améliore la réaction d'échauge de chaleur. I1 convient de noter que, si lton utilisait le dispositif représenté sur la figure 3a avec un fluide calo-porteur liquide, celuici s'écoulerait entre les bossages 60 en les contournant, ce qui fait que la surface de ces bossages ne participerait pas aux réactions d'échange de chaleur et deviendrait alors totalement inutile. Au contraire, si l'on utilisant le dispositif représenté sur la figure 3b avec du fluidecalo-porteur gazeux, celui-ci, peu soumis à l'effet de la pesanteur n'utiliserait pas les cavités 60'. Selon la figure 4, la tôle pourvue des déformations 6 constituant l'insolateur forme un espace libre 8 avec les moyens d'isolation 5, cet espace libre étant destiné à améliorer les échanges thermiques entre le fluide calo-porteur et la tôle insolée. également, la face de la tôle 1 dirigée vers les moyens d'isolation sera pourvue d'ailettes constituées par une tôle pleine ou ajourée pliée 9 et solidarieér à la tôle i par soudure ou tout autre moyen. Dans l'exemple de la figure 5, le fluide calo-porteur utilisé est de prd ence un fluide liquide et dans ce cas, il est prévu un treillis 10, tissé, tricoté ou déployé, fixd sur la face de la tôle I de manibre à délimiter avec les déformations 6 des cavités limitant au maximum les déperditions calori! ues. On peut associer deux modes de réalisation de transfert de chaleur par le fluide calo-porteur liquide et le fluide calo porteur gazeux (voir figure 2 Le premier est contenu dans l'enceinte délimitée par deux tôles identiques 1 présentées face à face et face et solidarisées par des points de soudure. Le second est contenu comme dans le cas de la figure 4 entre la tôle absorbeur 1 et la face de l'isolation 5. il est évident que peuvent être associés également les modes de réalisation fig. 5 et fig 4 ou fig. 2b et fig.4 le fluide liquide ruisselant sur la tôle 1 ou sur la tôle 1 et le treillis 10. Il est à noter l'intérêt d'associer ces deux modes de réalisation de transfert de chaleur par fluide calo-porteur liquide et le fluide calo-porteur gazeux. Lorsque l'on veut à la fois une production d'eau chaude et une production d'air chaud ou l'hiver une production d'air chaud pour climatiser en direct les locaux et une production d'eau chaude sanitaire, et l'été une production d'eau chaude soit pour le sanitaire, soit pour le fonctionnement de climatisateurs à partir d'un fluide chaud (réfrigérateur à ab- sorbtion). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre due l'invention. --REVEEDICATIONS 10) Absorbeur pour capteur solaire utilisant un fluide gazeux ou liquide ou les deux comme fluide calocporteur et utilité dans un système de captation d'énergie solaire (aveo ou sans dispositif annexe de concentration) caractérisé en ce qu'il est constitué d'un absorbeur proprement dit (avec ou sans masse d'inertie thermique) composé de tales métalliques comportant des déformations exposé au rayonnementsolaire, une paroi extérieure transparente, une enceinte thermique située entre l'ab- sorbeur et la paroi extérieure de façon à créer un effet de serre, et de moyens d'isolation. 20) absorbeur solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déformations présentent une section trapé zoSdale sur au moins l'une des faces des tôles. 30) Absorbeur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les déformations sont réalisées par emboutissage. 4 ) Absorbeur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les dimensions longitudinales et transversales du trapèze sont fonction de l'épaisseur de la lame de fluide calo-porteur pour améliorer au maxinmm les échanges thermiques tout en ayant des déperditions minimales. 50) Absorbeur solaire selonl'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant un fluide calo-porteur liquide, caractérisé en ce que le fluide calo-porteur liquide s'écoule sur la face de la tale dont les déformations forment des cavités. 60) Absorbeur solaire selonl'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface de l'absorbeur est revêtue d'une-couche d'absorption et de protection. 70) Bbsorbeur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de revêtement est une couche de polymère de tétrafluoréthylène. 80) Absorbeur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de revêtement est une couche de rilsan. 90) Absorbeur solaire selon tune quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux joues en tale qui permettent de maintenir le panneau en place dans la structure. 100) Absorbeur solaire selon l'une quelconque des reven dications précédentes, caractérisé en ce que les tôles métalliques comportant des déformations délimitent avec les moyens d'isolation un ou plusieurs canaux d'écoulement d'un fluide calo-porteur Liquide ou gazeux ou les deux. 110) Absorbeur solaire selon la revendication 10, caractérisd en ce que les ailettes sont fixées sur la face des tôles dirigée vers les moyens d'isolation. 120) Absorbeur solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qutun treillis est fixé sur au moins l'une des faces des tôles comportant des déformations. 130) Absorbeur solaire selon l'une-ou plusieurs des revendications précédentes caractérisées par l'utilisation de au moins deux des trois techniques de transferts de calories par fluide calo-porteur : - par circulation de fluide liquide - par ruissellement de fluide liquide - par circulation de fluide gazeux.