Brevet FR2420085A1 — publié le 19791012

La présente invention a pour objet une entre à transparence variable et un capteur solaire muni d'une telle fenetre. Elle trouve une application notamment dans les installations d'utilisation de l'énergie scolaire. Le problème du réglage de la transparence dlune fenetre se pose aussi bien pour l'habitat que pour les installations solaires Dans le premier cas, il s'agit de rendre opaque une fenetre lorsque l'ensoleillement est jugé excessif, par exemple en période estivale. T > Dans le second, il s'agit d'éviter qu'un récepteur solaire soit endommagé, par suite d'un échauffement excessif, lors d'un fonctionnement défectueux. La plupart des moyens qui ont été proposés pour résoudre ce problème sont de nature mécanique T1 s'agit en général de rideaux, de stores ou de volets; commandés manuellement ou automatiquement. Ces moyens sont mal adaptes aux installations d'utilisation de l'énergie solaire car ils ne présentent aucune des deux qualités essentielles que l'on exige dans cette application,a savoir la modicité du cout et la sécurité de fonctionnement. La présente invention a Justement pour objet un dispositif qui évite ces inconvénients, en ce qu'elle apporte une solution simple et peu onéreuse au probleme du réglage de la transmission de la lumière a travers une fenêtre. Ce but est atteint par l'utilisation d'une surface catadioptrique utilisant le principede réflexion totale,qui est rise en contact ou non avec un liquide, de telle sorte qu'elle soit réfringente ou réfléchissante, la fenêtre étant alors respectivement transparente ou réfléchissante L'utilisation d'une surface catadisptrique pour constituer une surface réfléchissante est naturellement connue, y compris dans le domaine des réflecteurs solaires. L'article de Ari P9BL intitulé "Prisms with total tintez Reflection as Solar Reflectors, publié dans larevue "Solar Energy" vol. 19, PP 555 565, Pergamon Fress 1977, décrit de telles surfaces. Mais dans cet art antérieur, ces surfaces offrent toujours une réflexivité maximale et ne sont jamais mises en oontact avec un liquide tel que cette réflexivité soit momentanément supprimée. De façon plus précise, l'invention a pour objet une fenêtre à transparence réglable, qui est caractérisée en ce qu'elle comprend deux lames en regard Itune de l'autre, l'une d'elles au moins étant transparente et constituant une vitre avant, exposée à une lumière incidente, les lames délimitant entre elles un volume intercalaire pouvant etre rempli par un liquide transparent, ladite vitre avant présentant sur sa face interne une surface catadioptrique, la lumière incidente subissant soit une réflexion totale sur cette surface en l'absence de liquide entre les lames, la fenêtre ayant alors une transparence minimale, soit une réfraction à travers cette surface lorsque le liquide est présent et en contact avec la surface, la fenêtre ayant alors une transparence maximale. Dans cette définition, l'expression "surface catadioptrique" est prise dans son acception générale, à savoir une surface qui permet de renvoyer dans le demiespace d'incidence la majorité des rayons lumineux qui lui parviennent. Une telle surface peut être formée à partir de prismes, de trièdres, de dièdres ou encore de pyramides ou de toute autre surface appropriée. L'invention a également pour objet un capteur solaire muni d'une telle fenêtre à transparence réglable. Ce capteur est du genre de ceux qui comprennent une vitre avant transparente et une plaque arrière absorbant le rayonnement solaire, un liquide caloporteur circulant, en fonctionnement normal, entre la vitre et la plaque ; et il est caractérisé en ce que la vitre avant présente sur sa face interne une surface catadioptrique, le rayonnement solaire subissant soit une réflexion totale sur la surface catadioptrique en l'absence de liquide caloporteur dans le capteur, soit une réfraction à travers cette surface lorsque le liquide caloporteur est présent dans le capteur et en contact avec ladite surface. De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaltront mieux après la des cription qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente, en vue éclatee, une fenêtre à transmission réglable selon la présente invention - la figure-2 représente la meme fenêtre mais en coupe - la figure 3 illustre un mode particulier de réalisation dans lequel on utilise des trièdres pour former la surface catadioptrique , - la figure 4 illustre une application de la fenêtre de l'invention à la réalisation d'une couverture pour serre - la figure 5 illustre une autre application de la fenêtre de l'invention à la réalisat::on d'une lentille de Fresnel - la figure 6 représente une coupe schématique d'un capteur solaire selon l'invention - la figure 7 représente schématiquement une installation d'utilisation de l'énergie solaire fonctionnant en dépression et utilisant le capteur ae l'invention. La fenêtre représentée sur la figure 1 comprend deux lames 2 et 4 transparentes, disposées en regard 1' une de l'autre et délimitant entre elles un volume intercalaire 6 dans lequel un liquide transparent peut être introduit grace à un conduit d'entrée 8 ou retiré grace à un conduit de sortie 10. La lame 2 est disposée à l'avant de la fenêtre et constitue une vitre exposée au rayonnement solaire. Cette vitre présente, sur sa face interne, une surface catadioptrique 12 qui est composée, dans l'exemple illustré par des prismes, de préférence droits, juxtaposés ou accolés par une arête, les grandes bases de ces prismes étant en appui sur la lame 2. Un joint torique 14 complète l'ensemble et assure 'l'étanchéité du dispositif. Le même dispositif est représenté sur la figure 2, mais en coupe, où les éléments déjà représentés sur la figure 1 portent les mêmes références. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. En l'absence de liquide-dans le volume intercalaire 6, la surface 12 se comporte comme une surface réfléchissante pour les rayons lumineux, quelle que soit leur incidence, à condition toutefois qu'ils ne soient pas trop inclinés sur la normale a' la face d'entrée, La fenetre présente donc dans ces conditions, une transparence quasi-nulle. Si un liquide est introduit dans le volume intercalaire et si son indice de réfraction est proche de celui du matériau qui forme la surface catadioptrique, la réflexion totale interne est supprimée et la fenêtre devient transparente. De préférence, le liquide utilisé présente un indice supérieur à I'lndice du matériau constituant la surface catadioptrique afin que le phénomène de réflexion totale soit impossible quelle que soit l'incidence du rayonnement. Mais, dans la pratique, on peut utiliser d'autres liquides, si l'on accepte qu'une certaine réflexion totale puisse se produire pour certains rayons lumineux très inclinés qui, de toute manière, sont assez rares si la fenetre est convenablement orientée. Le matériau transparent utilisé pour constituer la surface catadioptrique peut être de tout type connu. On peut utiliser par exemple un verre, dont l'indice varie entre environ 1,5 et 1,7 (sauf si l'on utilise des verres très lourds, au plomb, pour lesquels l'indice peut monteur jusqu'à 2). On peut utiliser également des matières plastiques dont l'indice est de l'ordre de 1,5 à 1,6. Ces matières présentent l'avantage d'un prix de revient faible et d'une grande facilité de fabrication. Les prismes représentés sur les figures 1 et 2 ne sont pas les seules surfaces possibles permettant de constituer une surface catadioptrique. La figure 3 représente, à titre illustratif, un ensemble de pyramides 16 dont les bases sont accolées les unes aux autres et appliquées sur la lame transparente avant 2. Comme il a été indiqué plus haut, la fenêtre à transparence réglable de l'invention est de préférence utilisée dans les applications d'utilisation de l'énergie solaire. Une telle application est illustrée sur la figure 4 où la fenêtre de llinvention constitue la couverture d'une serre. LXinstallation représentée comprend une serre 20 dQnt la couverture 22 est constituée par une fenêtre selon l'in vention, cette fenêtre étant orientée en fonction de la latitude du lieu. LtXnstallation fonctionne de préférence en dépression et à cette-fin un ballon de mise en dépression 24 est prévu, qui communique avec un résrwoir de stockage-de liquide 26.Des moyens de mise en circulation du liquide sont prévus mais ne sont pas représentés. Certains des moyens employés dans cette installation seront décrits plus en détail à propos de la figure 7. En cas d'incident conduisant à une vidange de la couverture, celle-ci devient réfléchis sante, ce qui protège la serre d'un excès d'insolation. On observera, sur cette figure, que les prismes utilisés pour constituer la surface catadioptrique de la fenêtre forment simultanément des cannelures favorisant le guidage du liquide à travers la couverture. La figure 5 illustre une autre application de la fenêtre à transparence réglable de l'invention, à la reali- sation d'une lentille ne resnelpour four solaire. On sait que de telles len tii les sont un moyen de focaliser le rayonnement solaire sur une tres petite zone ou est disposé un récepteur solaire. Dans l'installation représentée sur la figure 5, une lentille de Fresnel 26 focalise les rayons solaires sur un récepteur 2S, lequel est parcouru par un liquide caloporteur mis en circulation par une pompe 30 dans un circuit qui comprend un échangeur 40, une fenêtre 42 conforme à l'invention et des moyens 44 de vidange automatique du circuit en cas d'incident. Lorsque l'installation est en fonctionnement normal le liquide circule dans le volume intercalaire offert par la fenêtre ; le rayonnement solaire est alors transmis par la fenetre puis focalisé par lentille de Fresnelsux le récepteur 28. En cas d'incident se traduisant par l'arrêt de circulation du liquide, les moyens de vidange automatique 44 sont mis en oeuare pour vider une partie du circuit et notamment la fenêtre 42. La surface catadioptrique devient alors réfléchissante et le récepteur 28 ne reçoit plus le rayonnement focalisé, ce qui évite sa détérioration. Naturellement, on pourrait utiliser la fenetre de l'invention avec d'autres dispositifs focalisants et notamment avec des miroirs, l'essentiel étant qu'elle présente une transparence maximale lorsque le fonctionnement de l'installation dans laquelle elle s'insère est normal et une transparence minimale lorsque ce fonctionnement devient défectueux. La fenêtre de l'invention trouve une application privilégiée dans la réalisation de capteurs solaires. Celui qui est représenté sur la figure 6 comprend une vitre avant 50, dont la face interne est munie d'une surface catadioptrique 52, une plaque arrière 54, revêtue d'un matériau 56 absorbant le rayonnement solaire, un joint d'étanchéité 58 disposé le long du bord latéral 60 de la plaque arrière, un conduit d'arrivée de liquide caloporteur 62 et un conduit de sortie 64 dudit liquide. Le fonctionnement d'un tel capteur est identique à celui de la fenêtre décrite plus haut. En cours de fonctionnement normal, le liquide caloporteur est présent dans le capteur et la vitre avant est transparente : l'absorbeur 56 reçoit le rayonnement solaire et le convertit en chaleur. En cas de défectuosité de l'installation conduisant à une vidange du circuit, l'absence du liquide caloporteur rend la surface 52 réfléchissante ; et 1'absorbeur 56 ne reçoit plus le rayonnement solaire. Dans cette application à la réalisation de capteurs solaires la surface catadioptrique 52 est de préférence formée de prismes droits à bases accolées. De cette manière, comme il a été indiqué plus haut, ces prismes forment des cannelures qui facilitent le ruissellement du liquide caloporteur dans le capteur. Eventuellement, le liquide caloporteur peut etre coloré pour obtenir un effet sélectif d'absorption, Le capteur decrit est utilise' de préférence dans une installation munie de moyens pour mettre en dépression le circuit de circulation du liquide par rapport a I 'atmosphè- re. Une telle installation est représentée schématiquement sur la figure 7. Elle comprend un capteur 70 selon la présente inventiOn, inséré dans un circuit comprenant une pompe de circulation 72, un réservoir de stockage -?4 a la pression atmosphérique, un récipient 76 relié au réservoir 74 par un conduit d'asplration 78, une pompe à aspiration d'air 80 communiquant avec la partie supérieure du récipient 76 et provoquant la mise en dépression du circuit. Le récipient 76 est muni d-'un système 77 à flotteur permettant d'inter rompre 1' aspiration d'air. Le réservoir de stockage est alimenté en eau par un conduit d'arrivée 82 et il est pourvu d'un conduit de puisage 84. Un dispositif à flotteur 86 est prévu pour assurer un niveau d'eau constant dans le réservoir de stockage. Pour plus de détails sur une telle installation, on pourra se reporter à la demande de brevet nO EN 7714752 intitulée "Système de collection de l'énergie solaire fonctionnant en répression, L'un des avantages d'une telle installation est que la vidange du capteur est automatique en cas d'arrêt de la pompe de circulation ou en cas de surchauffe du liquide. Dans ce cas la vitre avant du capteur devient réfléchissante de sorte que l'on évite au matériau absorbant le rayonnement solaire un échauffement excessif qui pourrait le détériorer. Cette particularité permet d'accroître la durée de vie des capteurs solaires, en particulier ceux qui sont construits avec des matières plastiques courantes qui se dégradent rapidement dès que la température dépasse 900 C. En outre, le systeme å dépression permet de réaliser des capteurs dont les deux faces sont maintenues assemblées l'une centre l'autre par le simple jeu de la dépression. Il va de soi naturellement que le capteur de l'invention pourralt être utilisé également dans une installa tion qui fonctionnerait en surpression par rapport å l'at mosphère. Il serait alors nécessaire de prévoir un moyen pour commander la vidange du capteur. REYENDI CATIONS 1. Fenetre à transparence variable , caractérisée en ce qu'elle comprend deux lames en regard l'une de l'autre, l'une d'elles au moins étant transparente et constituant une vitre avant exposée a' une lumière incidente, les lames délimitant entre elles un volume intercalaire pouvant être rempli par un liquide transparent, ladite vitre présentant sur sa face interne une surface catadioptrique, la lumière incidente subissant soit une réflexion totale sur cette surface en l'absence de liquide entre les lames, la fenêtre ayant alors une transparence minimale, soit une réfraction à travers cette surface lorsque le liquide est présent et en contact avec la surface, la fenêtre ayant alors une transparence maximale. 2. Fenêtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface catadioptrique est formée de surfaces prismatiques ou pyramidales ou en forme de trièdres ou de dièdres. 3, Capteur solaire muni d'une fenêtre à transparence réglable selon la revendicatìon 1, du genre de ceux qui comprennent une vitre avant transparente et une plaque arrière absorbant le rayonnement solaire, un liquide caloporteur circulant, en fonctionnement normal, entre la vitre et la plaque, caractérisé en ce que la vitre avant présente sur sa face interne une surface catadioptrique, le rayonnement solaire subissant soit une réflexion totale sur cette surface en l'absence de liquide caloporteur dans le capteur, soit une réfraction à travers cette surface lorsque le liquide caloporteur est présent dans le capteur et en contact avec ladite surface. 4. Capteur solaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le liquide caloporteur présente un indice de réfraction voisin de celui du matériau constituant la surface catadioptrique. 5. Capteur solaire selon 1'une quelconque des revenu dications 3 et 4, caractérisé en ce que la surface catadioptrique est formée de prismes juxtaposés 6. Capteur solaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que les prismes sont rectangulaires et ont leurs bases disposées dans un mseme plan qui est celui de la vitre avant. 7. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les prismes juxta- posés forment des cannelures canalisant la circuîation du liquide dans le capteur. 8. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le liquide caloporteur est coloré. 9. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il est disposé dans une installation fonctionnant en dépression par rapport à l'at mosphère.