Brevet FR2395468A1 — publié le 19790119

L'invention a pour objet un capteur de chaleur solaire destine à alimenter en fluide chauffé a' une tempéra ture plutôt faible, de l'ordre de 20 à 500C, un réseau de chauffage de locaux habités. Dans une demande de brevet français n 77~16301 aux noms des mêmes co-dêposants, il est décrit une installa tion de chauffage mixte, par eau chaude et par air chaud, qui rend avantageuse l'exploitation des sources de chaleur à température modérée. Grâce à une telle installation, on peut envisager l'emploi de capteurs solaires à basse température, contrairement à la tendance actuelle qui est orientés vers la mise au point de capteurs solaires à température élevée. L'invention a donc pour but principal d'apporter un capteur solaire d'un type nouveau, réalisable de façon économique, capable de fournir au moins un fluide chauffé à une température de 20 Q 500C pour le chauffage de locaux habités. Sous son aspect le plus simple, le capteur solaire de l'invention fournit seulement de l'air chaud; il comprend donc un canal allongé de circulation d'air limité du eôt du rayonnement solaire par une paroi transparente à ce rayonnement et du c8té opposé par une paroi pochant être isolante; de plus toute la longueur du canal allongé, ou au moins une fraction substantielle de cette longueur, est garnie d'un renforçateur d'échan- ge thermique présentant une bonne capacité d'absorption de la chaleur rayonnée et une grande surface de contact avec l'air å réchauffer. Sous son aspect le plus évolué, le capteur solaire de l'invention fournit à la fois de l'air chaud et de l'eau chaude; il comprend donc un passage de circulation d'eau limité du côté du rayonnement solaire par une pouvant être de la chaleur et du côté opposé par une paroi/isolante, et il comprend aussi un canal allongé de circulation d'air limité du coté du rayonnement solaire par une paroi transparente à ce rayonnement; le canal de circulation d'air est disposé entre le rayonnement et le passage de circulation d'eau de sorte que la séparation entre le canal et le passage est assurée par la paroi limitant ce dernier. L'invention n'impose pas le profil géométrique en section droite que l'on peut donner au capteur solaire. En pratique, celui-ci peut appartenir a l'un quelconque de deux types principaux; le type plan å section droite rectangulaire qui ne s' accompagne pas d'un miroir réflecteur, le type cy drique à section droite circulaire auquel est associé un miroir réflecteur. Dans un capteur plan conforme a l'invention, le passage de circulation d'eau est limité du côté- opposé au soleil par une paroi isolante, du c8té du soleil par une paroi conductrice de la chaleur; celle-ci limite aussi le canal allongé de circulation d'air qui est limité du c8té du soleil par une paroi transparente au rayonnement solaire. Dans un capteur cylindrique conforme à l'invention, comme le rayonnement chauffant provient directement du soleil et, aussi, du miroir réflecteur, le passage de circulation d'eau est un tube central disposé dans l'sxe d'un cylindre en verre qui limite le canal allongé de circulation d'air. Pour mieux faire apprécier l'invention, on donnera maintenant une description de plusieurs exemples de réalisation d'un capteur solaire. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue de dessus d'un groupe dexploitation de la chaleur solaire comprenant trois capteurs de type plan conformes à l'invention, - les figures 2 et 3 sont respectivement des vues en coupe selon Il-Il et III-III de la figure 1, - la figure 4 est une vue en coupe montrant une variante de réalisation d'un capteur solaire selon l'invention, - la figure 5 est une vue de dessus d'un groupe de récupération de la chaleur solaire comprenant trois capteurs de type cylindrique conformes à l'invention, - la figure 6 est une vue de dessus d'un capteur solaire cylindrique selon l'aspect le plus évolué de l'lnven- tion. Un capteur solaire ide type plan conforme à l'invention a une section droite rectangulaire avec deux grands côtés et deux petits côés. L'un des grands côtés est tourné vers le soleil et constitue une paroi 2 transparente au rayonnement solaire. Cette paroi 2 limite du côté du soleil un canal allongé 3 de circulation d'air à réchauffer. Sur le c8té opposé, ce canal 3 est limité par une paroi 4 en matière conductrice de la chaleur qui sert à limiter en mtme temps un passage 5 de circulation d'eau. Du côté opposé au soleil, le passage 5 est limité par une cloison isolante 6. Bien entendu, dans un groupe d'exploitation de la chaleur solaire il est préférable de réunir plusieurs capteurs plans 1, comme on le volt sur la figure 1. A partir d'une arrivée d'air commune 7, sont montés en parallèle trois capteurs plans 1 dont les canaux 3 de circulation d'air sont réunis à un collecteur d'air chaud 8 auquel est raccordé un ventilateur 9. Celui-ci envoie l'air chaud dans une gaine 10 de chauffage par air pulsé. Les passages 5 de circulation d'eau des capteurs plans I sont alimentés en eau à partir d'une canalisation d'arrivée commune Il et ils sont raccordés A un collecteur d'eau chaude 12. L'eau chauffée circule, par exemple, en circuit fermé dans des réseaux de chauffage noyés dans les planchers du local à chauffer. Dans les capteurs 1, l'air et l'eau circulent dans le ntme sens indiqué par une flèche r. Selon une caractéris tique de l'inve atiob une fraction au moins de la longueur de chaque canal 3 est garnie d'un renforçateur d'échange thermique schêiatisé par de petits cercles sur les figures et désigné par la référence 13. De préférence, le renforçateur 13 d'échange thermique se trouve dans une fraction terminale dans le sens F de la circulation d'air. Cependant, il est possible de prévoir sur une grarroe pRie de la longueur de chaque canal 3 un renforçateur d'échange thermique 13.Celui-ci doit avoir deux qualités essentielles : une bonne capacitd d'absorption de la chaleur rayonnée, ctest-à-dire un effet de corps noir, et une grande surface de contact avec l'air A réchauffer dont il ne doit pas entraver la circulation. De nombreuses matières sont susceptibles d'entre utilises sous de nombreuses formes diverses. À titre d'exemple, on peut citer les anneaux connus en chinie sous le nom d'anneaux de Raschig, réalisés en matiare plastique noire avec une surface à fortes aspérités favorisant le brassage de l'air. Le capteur plan 1 des figures 1 à 3 correspond A l'aspect le plus évolué de l'inveation pour le réchauffage simultané d'air et d'eau, le canal d'air étant interposé entre le passage de l'eau et le soleil. Sous l'aspect le plus simple de l'invention1 un capteur plan 1 n'assure que le réchauffage de l'air. Il comprend donc (figure 4) uniquement un canal 3 de circulation d'air limité par une paroi 2 transparente au rayonnement et par une partie isolante 6; ce canal 3 peut titre garni au moins dans une fraction terminale de sa longueur d'un renforçateur d'échange thermique 13. fin capteur solaire selon l'invention est réalisable aussi avec une section droite circulaire (figure 5). Dans ce cas, le capteur 1 est de type cylindrique et il est classique de lui associer un miroir réflecteur 14 en raison de la faible surface extérieure exposée directement au soleil. Le miroir 14 peut titre parabolique ou de forme approchante.En outre, il est monté avec une possibilité d'orientation de façon à suivre le soleil pendant le mouvement apparent de celui-ci. Le réglage de 11 orientation peut titre manuel ou sutomatique. Il ne parait pas utile de décrire le miroir 14 et ses moyens de rdglage en orientation étant donné qu'il s'agit de dispositions connues en soi et qui, de plus, ne sont pas directement concernées par l'invention. En raison de l'existence d'un miroir réflecteur 14, un capteur solaire 1 de type cylindrique conforme A 1 'in- Invention est exposé au rayonnement solaire à la fois sur deux côtés opposés. Sous 11aspect le plus simple de l'invention, le capteur solaire 1 est constitué par un canal 3 de circulation d'air limité uniquement par la paroi cylindrique 2 d'un tube en matière transparente au rayonnement solaire, par exemple en verre. La paroi isolante 6 du capteur plan n'existe plus. D'une manière analogue A celle de l'exemple de la figure 1, plusieurs capteurs solaires cylindriques 1 peuvent Titre disposés en parallèle, avec leurs miroirs 14. I une extrémité, ils sont raccordés à une arrivée d'air commune 7 et à l'extrémité opposée, ils sont raccordés à un collecteur d'air chaud 8, la circulation se faisant comme indiqué par des flèches. Dans cet exemple de la figure 5, il est possible de prévoir A l'intérieur de la paroi cylindrique 2, au moins dans un tronçon final de la longueur de chaque canal 3 dans le sens de la circulation, un remplissage en renforçateur 13 d'échange thermique. Un capteur solaire à section droite circulaire est réalisable aussi sous l'aspect le plus élaboré de l'invention, comme le montre la figure 6 où le miroir 14 a été omis. Toutefois, comme on l'a déjà dit, le rayonnement solaire étant possible sur des c8tés opposés, afin que le canal 3 de circulation d'air se trouve toujours interposé entre l'arrivée du rayonnement et le passage 5 de circulation d'eau à réchauffer, ce passage 5 est limité par la paroi 4 d'un tube disposé de préférence coaxialement A la paroi cylindrique 2 du canal 3. Autrement dit, sous cet aspect de l'invention, le capteur solaire i comprend un tube extérieur 2, limitant un canal 3 de circulation d'air, dans leauel est placé un tube intérieur 4 limitant un passage 5 de circulation d'eau. Chacun d'eux est raccordé à ses extrémités, respectivement, à une arrivée d'air 7 et à un collecteur d'air chaud, à une canalisation d'arrivée d'eau 11 et à un collecteur d'eau chaude 12. Dans ce cas aussi on peut prévoir dans l'espace annulaire du-canal 3 limité par les deux tubes 2, 4, sur une partie de la longueur du capteur 1, un remplissage d'un ren forçateur 13 d'échange thermique. Pour réchauffer de l'air à partir du rayonnement solaire, on est conduit à donner à un capteur solaire cylindrique conforme à l'invention des dimensions d'une certaine importance: par exemple, il est recommandé d' adopter un tube extérieur 2 ayant un diamètre de 150 mm environ, avec des anneaux Raschig ayant chacun un diamètre de 1,5 cm et une longueur égale à ce diamètre.Ceci permet d'utiliser comme tube intérieur 4, limitant le passage 5 de circulation d'eau, un tube qui a lui-mEme une certaine grosseur pouvant aller de 20 mm environ à 80 mm environ. I1 découle de ces dimensions relativement importantes, en comparaison de celles des capteurs cylindriques classiques associés à un miroir, que le capteur de l'invention intercepte toujours une fraction notable du rayonnement réfléchi par le miroir 14 mme quand l'orientation de celui-ci n'est pas faite avec précision. On peut donc se dispenser d'un mécanisme automatioue de réglage de l'orientation du miroir. Des moyens manuels de réglage suffisent pour l'exécution d'une correction mensuelle, seulement, pendant le cours de l'hiver.Le capteur de l'invention permet donc une diminution appréciable du cout d'installation et des dépenses d'entretien. L'emploi d'un renforçateur d'échange thermique dans un capteur de l'invention est gouverné par les considérations suivantes. Quand il s'agit de l'aspect le plus simple de ce capteur, illustré par la figure 4, et servant uniquement à obtenir de l'air chaud, étant donné que le rayonnement solaire traverse l'air sans l'échauffer, il est recommandable de garnir la totalité du canal allongé 3 en renforçateur 13 d'échange thermique. En effet, ce renforçateur s'échauffe en interceptant le rayonnement solaire et il chauffe l'air. En l'absence du renforçateur 13 d'échange thermique, l'air n'est échauffé que par l'intermédiaire des parois 2 et 6.Au contraire, dans l'aspect le plus evolué du capteur de l'invention, pour le chauffage d'eau et d'air, le remplissage complet du canal allongé 3 en renforçateur 13 d'échange thermique aurait pour effet que le passage 5 de circulation d'eau ne recevrait pratiquement plus de chaleur. On ne garnit donc qu'une fraction de la longueur du canal allongé 3 ou, dans un groupe de plusieurs capteurs, on ne garnit en totalité que certains des canaux allongés 3, dans la mesure voulue pour obtenir le réchauffage désiré de l'eau et de l'air Dans un capteur dont le canal allongé 3 est dépourvu de renforçateur 13 d'énergie thermique ou dans la partie dlun tel canal dépourvue de ce renforçateur, le passage 5 de circulation d'eau reçoit directement le rayonnement solaire et l'eau s'échauffe. L'air du canal allongé 3 joue alors le rôle d'un calorifuge en ce sens qu'il recueille la chaleur que le passage 5 aurait perdue par convection. Ce chauffage de l'air, qui a lieu aussi par l'intermédiaire de la paroi 2, n'est généralement pas suffisant; pour cette raison on prévoit un garnissage sur une fraction terminale de la longueur du canal allongé 3. REVENDICATIONS 1. Capteur solaire ayant une face au moins exposée au rayonnement solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un canal allongé de circulation d'air à réchauffeur limité du c8té du rayonnement solaire par une paroi transparente à ce rayonnement et garni d'un renforçateur d'échange thermique ayant une bonne capacité d'absorption de la chaleur rayonnée et une grande surface de contact avec l'air à réchauffer. 2. Capteur solaire ayant une face au moins exposée au rayonnement solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un canal allongé de circulation d'air à réchauffer limité du côté du rayonnement solaire par une paroi transparente à ce rayonnement et un passage de circulation d'eau à réchauffer disposé de telle sorte que le canal de circulation d'ait est interposé entre ce passage de circulation d'eau et le rayonnement solaire. 3. Capteur solaire selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'une fraction de la longueur du canal de circulation d'air est garnie d'un renforçateur d'échange thermique ayant une bonne capacité d'absorption de la chaleur rayonnée et une grande surface de contact avec l'air à réchauffer. 4. Capteur solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que la fraction de la longueur du canal de circulation d'air garnie d'un renforçateur d'échange thermique est la fraction terminale de cette longueur dans le sens de la circulation de l'air. 5. Capteur solaire de type plan à section droite rectangulaire selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il présente, à partir du côté du rayonnement solaire, une paroi transparente à ce rayonnement, un canal allongé de circulation d'air, une paroi conductrice de la chaleur, un passage de circulation d'eau, une paroi isolante. 6. Capteur solaire de type tubulaire à section droite circulaire associé à un miroir réfléchissant le rayonnement solaire, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un cylindre extérieur à paroi transparente au rayonnement solaire limitant le canal de circulation d'air, un cylindre intérieur à surface absorbantede la chaleur disposé coaxialement au cylindre extérieur et limitant le passage de circulation d'eau. 7. Capteur solaire selon la revendication 6 caractérisé en ce que le miroir réfléchissant qui lui est associé comprend uniquement des moyens manuels de réglage d'orientation vers le soleil. 3. Capteur solaire selon la revendication 4 caractérisé en ce que le renforçateur d'échange thermique est composé d'anneaux de Raschig réalisés en matière appropriée. 9. Groupe d'exploitation de la chaleur solaire caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs capteurs solaires selon l'une quelconque des revendications 2 à-8, disposés parallelement entre eux, les canaux de circulation dlair et les passages de circulation d'eau-étant raccordés respectivement a une arrivée commune d'air et d'eau, et à un collecteur d'air et d'eau, par leurs extrémités opposees. 10. Groupe d'exploitation de la chaleur solaire selon la revendication 9 caractérisé en ce que certains capteurs ont un canal allongé de circulation d 'air dépourvu de renforçateur d'echange thermique tandis que l'un au moins des capteurs a un canal de circulation d'air garni de renforçateur d'échange thermique.