Brevet FR2360839A1 — publié le 19780303

La présente invention concerne de façon générale un ensemble collecteur d'énergie solaire et plus précise- ment, un ensemble perfectionné comrjortant un récepteurso- laire ou cellule recevant un fluide de transfert d'énerge destiné à absorber très efficacement l'énergie des rayons solaires. En conséquence, l'ensemble selon l'invention rend optimale l'extraction d'énergie thermique des rayons dispo- nibles du soleil en accroissant le rendement. Aux latitudes normales, notamment inférieures 8. 509, l'énergie solaire est normalement en quantité suffisante pour qu'elle puisse aider le chauffage des locaux d'habitations ainsi que la fourniture d'énergie à des opérations industrielles, par exemple pour la création de vapeur ou analogue. Plus précisément, l'énergie solaire qui est disponible de façon universelle, peut entre rassemblee de manière que la consommation des combustibles fossiles ou autres soit réduite, ces combustibles étant normalement utilisés en quantité importante dans les opérations de fourniture d'énergie. Etant donné les restrictions à la fourniture de combustible de plus en plus sévères, il est souhaitable que l'énergie puisse provenir d'autres sources, et l'énergie solaire qui est disponible de façon universelle peut wetre utilisée en vue d'une utilisation convenable. Jusqu'à présent, on a proposé des ensembles col- lecteurs d'énergie -solaire comportant une cellule ouun récepteur ayant une surface noircie ou assombrie de marnière que la surface du récepteur soit efficacement chauffée, un fluide de transfert d'énergie circulant ou se déplaçant d'une autre manière à la surface chaufféeÉde la cellule. A cet égard, il faut donc noter que l'énergie est trans-ferée de la surface chauffée de la cellule à la matière de transfert essentiellement par transfert par conduction. Ensuite, ce fluide chauffé de transfert d'énergie parvient à une seconde zone de conversion dans laquelle la chaleur est extraite et la matière est soit etee,.soit recyclée en vue d'un nouveau chauffage. Jusqu'à présent, on a utilisé comme fluide de transfèrt d'énergie, diverses hulules, des glycols ou- de 1'eau. Bien que toutes ces matières soient normalement disponibles et utiles, l'eau est préférable car elle est disponible et de faible prix. Cependant, comme l'eau est transparente ou translucide, l'énergie qu'elle doit recevoir ou transmettre doit autre transférée essentiellement par conduction. Lors de l'utilisation d'huiles, de glycols ou analogues, les considérations pratiquement analogues s 'appliquent. Selon l'invention, le fluide de transfert d'énergie est traité de manière qu'il comprenne une matière ab sortante in situ, par exemple du noir de carbone ou analogue. La matière absorbante est de préférence dispersée dans l'ensemble, à laide d'un agent dispersant convenable, lorsque la miscibilité totale n'est pas obtenue facilement de façon courante. Le récepteur ou la cellule selon l'invention comporte aussi une surface d'observation ou de réception d'énergie interne qui reçoit les radiations incidentes solaires et qui est très réfléchissante ou très absorbante, sa disposition étant telle qu'elle reçoit les radiations solaires de préférence en direction normale, la surface ré oeptrice étant polie ou noircie de manière que le rendement de l'ensemble soit accru ou amélioré d'une autre manière. Dans un ensemble avantageux, l'eau estle fluide de transfert d'énergie, car elle possède une capacité calorifique relativement élevée et, lorsqu'on l'utilise, du noir de darbone et un agent dispersant sont aussi présents. Normalement, un ensemble contient une charge d'eau, -par exemple d'environ 6 m3 pour une résidence classique, l'eau étant destinée à transmettre de la chaleur à une substance de transfert placée à l'intérieur de l'appareillage. Des échangeurs classiques de chaleur comprenant des chambres contenant des roches ou cailloux peuvent autre utilisés, 6 à 12 m3 d'eau facilitant le chauffage d'une résidense classique. La surface que doit avoir le collecteur d'énergie solaire est une fonction de l'utilisation prévue ainsi que la surface qui doit autre utilisée pourl'extrac- tion de l'énergie du fluide de transfert. Evidemment, les débits et le temps de séJour sont des paramètres à considé rer parmi d'autres.De plus, des variations d'état sont possibles, par exemple lors de la création de vapeurs. L'énergie du soleil provient de cette étoile avec un large spectre dtondes.Les longueurs d'onde vont de valeurs inférieures à celle de l'ultraviolet åusqu'à des valeurs supérieures à celle de l'infrarouge et comprennent des radiations visibles intermédiaires. Par temps nuageux, moins de 50 % environ de l'énergie solaire atteignent la surface de la terre, à peu près en totalité sous forme de lumière visible. Les autres ondes, c'està-dire de courtes et de grandes longueurs d'onde, sont soit réfléchies par les nuages vers l'espace, soit absorbées par l'atmosphère. On sait cependant que la quantité moyenne d'énergie qui parvient finalement sur la terre dépasse de beaucoup celle qui est nécessaire à une consommation journalière. Dans une habitation classique, la partie supérieure du toit est la zone la plus souhaitable ou la plus accessible pour le montage de collecteurs d'énergie. Un dispositif permet la réception de cette énergie par un fluide de transfert, puis le transport du fluide à un emplacement auquel l'énergie thermique peut entre extraite. L'invention concerne essentiellement un collecteur d'énergie solaire de type perfectionné, comprenant une cellule solaire ayant un excellent rendement de collection de l'énergie solaire des rayons disponibles. Elle concerne aussi un collecteur perfectionné d'énergie solaire qui comporte un récepteur solaire ayant un dispositif de transfert dlénergie à une matière absorbante placée directement dans un fluide de transfert d'énergie. L'invention concerne aussi un tel collecteur d'énergie solaire qui comprend un récepteur dans lequel un fluide de transfert d'énergie circule au niveau de la surface exposée, ce fluide contenant une matière d'absorption de chaleur qui est dispersée de façon pratiquement uniforme. D'autres caractéristiques et avantages de llin- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure I est un schéma d'un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention, comportant une pompe de circulation ; - la figure 3 représente plus en détail un coll-ecteur d'énergie solaire selon l'invention - la figure 4 est une coupe verticale suivant la ligne 4-4 de la figure 3 ; et - la figure 5 est une perspective schématique d'un mode de réalisation de l'invention, comprenant un ensemble de circulation. On considère d'abord la figure I qui représente schématiquement un dispositif permettant la mise en oeuvre de l'invention. Le collecteur d'énergie solaire portant la référence 10 comprend un récepteur Il destiné à transmettre un fluide de transfert d'énergie qui circule, un réservoir 12 d'entrée étant destiné à recevoir et à conserver une charge de fluide de transfert d'énergie 13, un réservoir récepteur portant la référence 15. Le fluide de transfert d'énergie circule dans le récepteur comme représenté par les flèches, et la surface 16 du récepteur porte un rev- tement superficiel noir absorbant la chaleur et accroissant la quantité d'énergie reçue et conservée par la surface. Le fluide de transfert d'énergie 13 est normalement translucide et il est aussi normalement à l'état liquide dans les conditions ambiantes habituelles. Ces conditions sont celles que subit habituellement un appareil de ce type, et, lorsque le fluide de transfert est de.l'eau, un antigel peut être ajouté dans le cas où une partie de l'ensemble peut descendre au-dessous de 0 C. Le fluide de transfert d'énergie contient une matière absorbant l'énergie solaire de manière que le rendement du dispositif soit amélioré. La matière d'absorption d'énergie solaire est présente dans le fluide en quantité suffisante pour que le fluide soit pratiquement opaque. C condition permet à une partie importante sinon à la totalité des radiations incidentes d'être absorbées par le fluide si bien que la chaleur est transférée efficacement à la masse de la solution. Dans un exemple dans lequel le fluide de transfert est 11 eau, le noir de carbone forme un absorbant et un agent dispersant tel que par exemple ltagarose, la gomme arabique, l'agi nate de sodium et ses analogues ou un détergent tel que l'octylphénoxyéthanol ou le nonylphénoxyéthanol jouant le rtle d'un agent dispersant, est ajouté.Des pectines, de la gélatine, de la polyvinylpyrrolidone ou une argile colloSdale conviennent aussi. Un bâtonnet agitateur ou un autre dispositif est placé dans le récipient 12, comme indiqué par la ré férence 19, de manière que le maintien de la miscibilité totale du noir de carbone par l'agent dispersant soit facilité. De cette manière, le maintien de la matière d'absorption d'énergie en suspension convenable est facilité dans l'ensemble. Un dispositif fait circuler le flui-de de transfert d'énergie dans l'ensemble, par exemple par l'intermédiaire d'un conduit 20 qui transmet le fluide de transfert au récepteur solaire 11, un conduit 21 étant représenté s6hématiquement et transmettant le fluide chauffé du récepteur 11- au réservoir 15. L'énergie solaire incidente 22 est reçue par la surface 16 du récepteur 11. Dans certaines applications,il peut être souhaitable que le récepteur Il comprenne une chambre isolée et, dans ce cas, un écran Eransparent à la lumière infrarouge est disposé comme représenté en 24. Evidemment, l'appareil comprend des surfaces latérales mais ces surfaces dtisole- ment ne sont pas représentées par raison de clarté. On considère maintenant la figure 2 qui repré sente une variante du mode de réalisation dejà décrit, l'ensemble collecteur portant la référence 30. Les éléments identiques à ceux du premier mode de réalisation portent les mêmes références. Dans le second mode de réalisation, la zone d'extraction de chaleur porte la référence i et elle est destinée à recevoir le fluide chauffé de transfert de chaleur du récepteur 11, par un conduit repéré par la référence 32.Un conduit 33 assure le transfert du fluide de la chambre 31 à une pompe 34 de circula- tion puis à un conduit 35 et à la chambre 12. Dans ce mo de de réalisation, un courant de matière peut donc circuler en permanence sur l'ensemble, et l'énergie est extraite selon le cas par un échangeur de chaleur ou un autre dispositif 31. Lorsque l'ensemble alimenté par les conduits 37 et 38 ne demande aucune énergie supplémentaire, la dérivation 39 comportant une vanne convenable 40 peut être utilisée. On considère maintenant la figure 3 qui représente les détails du récepteur solaire 11. Sur la figure 3, liteau chargée de noir de carbone est dirigée à la surface du récepteur Il, comme indiqué en 42, et le recep-- teur comprend un réseau de cloisons tel que 44 à 48 formant des portes aux extrémités alternées du récepteur, par exemple en 49 et 50, de manière que l'eau chargée de noir de carbone décrive un trajet sinueux et soit finalement évacuée par la porte finale 51 d'extrémite. On considère maintenant la figure 4 qui indique que, dans certains cas, le dispositif peut comporter des volets destinés à transmettre le fluide de transfert d'énergie et à exposer une quantité a-ccrue de matière aux radiations incidentes. Dans-cet ensemble, des cloisons alternées 53 délimitent des réservoirs intermédiaires 54 destinés à recevoir et à conserver des quantités du fluide de transfert drenergie lorsque celui-ci descend en cascade le long de la surface. Une telle exposition facilite le maintien en dispersion convenable du noir de carbone tout au long de l'ensemble, le cas échéant. On considère maintenant la figure 5 qui représente un autre ensemble qui correspond sensiblement au schéma de la figure 2. Les caractéristiques de l'habita- tion qui peut autre chauffée par cet appareil ou de l'installation de chauffage qui peut autre alimentée par cet ensemble, notamment les volumes, les températures et analogues, sont tirées des données de l'exemple qui suit. On réalise un récepteur solaire ouvert à l'atmosphère, dont les dimensions internes sont égales à98-et 29 cm. La base est sous forme de-ltolets peints à l'aide d'une peinture noire mate "Rustoleuml' les volets individuels ayant leur axe parallèle à la grande dimension du récepteur.Les volets sont disposés sur 26,5 cm et laissent un orifice à leur extrémité de manière que le fluide puisse s'écouler. Les volets ont une distance de crête à crête de 3,2 cm, la profondeur des creux étant de 6,5 mm. L'ensemble est placé de manière que les rayons du soleil lui parviennent par l'intermédiaire d'un vitrage classique "Thermopane" correspondant à la protection approximative d'une fenêtre, de tels vitrages étant évidemment disponibles dans le commerce. Le récepteur reçoit une matière dont la composition est la suivante - eau 0,92 l - noir de carbone ("Airflow" de Royal Charcoal Company, dimension particulaire com prise entre 19 et 37 microns) 2 cuillères à café pour 0,92 1 - détergent (détergent do mestique "Ajax1,) 1 cm3 Le débit est de 3,8 l/h dans le récepteur et celuici présente un gain thermique pour la matière qui circule de 17,50C pendant les 20 premières minutes, et le gain thermique se poursuit pendant 2 h supplémentaires, la température atteinte étant alors de 560C. il faut noter que le collecteur d'énergie solaire selon l'invention convient à de nombreuses installations, notamment au chauffage des résidences, au chauffage des établissements commerciaux et industriels, à la collection de l'énergie destinée à des opérations industrielles et à d'autres applications. Bien que le noir de carbone soit une matière absorbante avantageuse de l'énergie solaire qui doit être utiliséeen combinaison avec de l'eau, une huile ou d'autres liquides couramment disponibles, il faut noter que d'autres matières absorbantes conviennent. Par exemple, on constate que des matières telles que le noir de carbone sous ses diverses formes, notamment le noir de lampe, le noir de platine, le sulfure de cuivre, le sulfure de nickel, le sulfure de cuivre et de nier, l'asphalte dans les solvants à base d'huile et analogues conviennent. Les matières qui absorvent la lumière sont exposées, lors de leur passage dans le récepteur solaire, sous forme de particules en suspension, aux radiations solaires incidentes.Ces matières sont alors chauffées par exposition aux radiations et elles dissipent leur propre énergie thermique dans le véhicule fluide ou d'une autre manière. Dans un mode de réalisation, la matière d'absorption lumineuse peut oestre maintenue à l'état sec, exposée aux radiations solaires, et, lorsqu'elle est à l'état fluidisé, traitée de manière qu'elle dissipe l'énergie thermique absorbée. Un dispositif peut déplacer le récepteur de manière qu'il suive le soleil, le récepteur Il étant maintenu toujours pratiquement normal aux radiations solaires. On constate que le transfert d'énergie au fluide de transfert d'énergie peut être amélioré lorsque les volets placés à la surface du récepteur comportent des perles "Mammut" qui sont destinées à dévier le courant et qui améliorent ainsi l'exposition du fluide aux radiations incidentes. Dans la plupart des applications, une quantité de noir de carbone de l'ordre de 2 cuillères à café par litre d'eau est suffisante. De plus, la quantité d'agent dispersant utilisé est avantageusement de l'ordre du cm3/l, l'agent dispersant étant de l'octylphénoxyéthanol ou du nonylphénoxyéthanol. Dans une variante de l'invention, et comme représenté sur la figure 1, la surface i6 est rendue ré fléchissan-te, par exemple par polissage ou analogue, de manière qu'elle réfléchisse les radiations incidentes vers le fluide qui s'écoule. De cette manière, les radiations passent deux-fois dans la matière, si bien que la quantité de matière de charge qui pourrait entre nécessaire est ainsi réduite. Par exemple, comme indiqué précédemment, le noir de carbone peut être en quantité divisée par deux, -alors que la base est polie de manière qu'elle forme une surface métallique réfléchissante brillante. La base est dans ce cas sous forme d'une surface polie d'aluminium ayant un mince film transparent de protection du métal appliqué sur celui-ci, de manière que l'aluminium ne s' oxyde pas et réduise en conséquence son pouvoir réflec- teur. A l'exception de la teneur en noir de carbone et du traitement de la surface matallique, les autres caractéristiques sont conservées. Dans un essai, on constate un gain thermique de 21 à 38,50C en 10 mn. il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à totale d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Ensemble collecteur d'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un récepteur ayant une entrée et une sortie d'un fluide de transfert d'énergie, une surface placée dans le recepteur et destinée à exposer le fluide de transfert d'énergie aux radiations solaires incidentes, un fluide de transfert d'énergie destiné à circuler dans le récepteur, qui est normalement sous forme d1un fluide à l'état liquide dans les conditions ambiantes normales et qui est normalement translucide, une matière d'absorption d'énergie solaire mélangée au fluide de transfert d'énergie et présente en quantité suffisante pour que le fluide de transfert d'énergie soit pratiquement opaque aux radiations solaires incidentes, un dispositif de circulation du fluide de transfert d'énergie dans l'ensemble, un récipient d'extraction de chaleur destiné à recevoir le fluide de transfert d'énergie du récepteur et ayant au moins une surface d'échange de chaleur destinée à extraire 11 énergie thermique du fluide de transfert d'énergie, et un dispositif de transfert du fluide usé de transfert d'énergie du récipient d'extraction de chaleur vers 11 entrée du récepteur. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de transfert de chaleur est 11 eau et la matière absorbant l'énergie solaire est du noir de lampe, du noir de platine, du sulfure de cuivre, du sulfure de nickel et du sulfure de fer et de cuivre. 3. Ensemble selon la revendication 2,caractérisé en ce qu'un agent dispersant est mélange au fluide de transfert d'énergie. 4. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le recepteur solaire, le récipient d'extraction de chaleur, le dispositif de transfert du fluide de transfert d'énergie sont placés dans un ensemble isolé par rapport aux conditions ambiantes. 5. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière d'absorption d'énergie solaire est séparée du fluide de transfert d'énergie après évacuation du récepteur. 6. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface placée dans le récepteur est destinée a recevoir 11 énergie solaire incidente, et reçoit plus précisément les radiations -solaires incidentes de manière qu'elle les réfléchisse ou les absorbe pratiquement en totalité. 7. Ensemble selon la revendication 1-, caractérisé en ce que la surface placée dans le récepteur est destinée à recevoir l'énergie solaire incidente, et est revêtue dtun film absorbant la chaleur. 8. Ensemble-selon la revendication 7, caractérisé an ce que le fluide de transfert d'énergie est l'eau et la matière absorbant énergie solaire est du noir de lampe, du noir de platine, du sulfure de cuivre, du sulfure de nickel ou du sulfure de cuivre et de fer. 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il contient un agent dispersant mélangé au fluide de transfert d'énergie. 10. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface placée dans le récepteur est destinéeà recevoir l'énergie solaire,et ést très réfléchissante visà-vis de l'énergie solaire incidente.