Brevet FR2426220A1 — publié le 19791214

L'invention est relative à un dispositif de production d'eau chaude par l'énergie solaire. L'invention concerne plus spécialement des perfectionnements apportés sl s chauffe-eau solaires, d'une part au niveau du rendement de tels appareils, d'autre part au niveau de la fabrication industrielle, d'autre part encore, au niveau de l'accumulation de l'eau chaude produite. Il convient, avant d'aborder les dispositions principales de l'invention, de rappeler les difficultés rencontrées à ltoccasion du chauffage de 1' eau par l'énergie solaire. Il a déjà été réalisé de très nombreux types de capteurs d'énergie solaire à effet de serre, dans lesquels, un réseau tubulaire parcouru par l'eau à chauffer, recoit son énergie calorifique dune surface absorbante des rayons solaires, tel un corps noir, par exemple une tôle insolatrice dont le rayonnement infrarouge doit être transmis à l'eau à chauffer. On n'évoquera pas ici les capteurs dans lesquels on cherche à chanffer un film d'eau étalé sur un plan, en raison des difficultés de construction que l'on rencontre pour réaliser de tels chauffe-eau, tant au niveau technique qu'au niveau du coti. Dans les chauffe-eau solaires, du type à réseau tubulaire, on se trouve devant deux problèmes principaux qui, jusqu'à ce jour, n1 ont pas trouvé de solution technique satisfaisante. Il s'agit d'une part, du taux d'énergie calorifique transmis à l'eau de circulation et à sa conservation pour avoir à disposition un volant thermique important et, d'autre part, des moyens à mettre en oeuvre pour obtenir un appareil simple, apte à être industrialisé à l'aide de méthodes de fabrication courante. Dans l'état de la technique le plus proche, seulement au niveau du capteur solaire, on peut citer le brevet rance 1 225 76D demandé le 17.02.1969 dans lequel l'insolateur est constitué d'un circuit dit intégré formé par - exemple de tôles d'aluminium dans lesquelles sont imprimés par emboutissage les profils d'un circuit à circulation d'eau. Ces tôles sont réunies pour former ledit circuit, et la face extérieure de ce circuit qui est exposée à l'insolation, est revêtue d'un oxyde de cuivre. Ce type de fabrication a l'inconvénient de ne pas satisfaire aux normes de fourniture d'une eau sanitaire alimentaire, et son coût de réalisation en fait un appareil difficile à intégrer dans un marché où le prix de revient a une importance capitale, étant donné que les appareils du genre en question sont essentiellement des appareils se substituant en périodes diurnes momentanément aux appareils à énergie marchande. Pour la conservation d'un volant thermique fourni par un capteur solaire, on fait généralement appel à un autre secteur de la technique, celui des accusulateurs formés d'une réserve d'eau, laquelle est chauffée à l'aide d'un échangeur tubulaire, par exemple un serpentin noyé dans cette réserve, et raccordé au réseau tubulaire du capteur. En plus du colt de construction d'un accumulateur à échangeur, on se trouve confronté à des problkmes de maintenance de la température du fluide oui doit être véhicuié du capteur à l'accumulnteur et ce, sur une distance parfois importante, ce qui nuit au rendement d'une telle installation où l'eau, au lieti de l'utilisation, a perdu une partie des calories initialement produites dans le circuit du capteur. La présente invention a pour but surtout de donner aux insolateurs une meilleure tranmmission, au fluide, de la chaleur solaire, à diminuer les effets de réémission, et de fournir une réserve d'eau chaude dont la maintenance en température est assurée directement sans l'intermédiaire d'un échangeur noyé. L'invention a également pour but de-simplifier la fabrication de 1' insolateur, avec des matériaux présentant à la fois une haute conduction thermique, non corrodableg et permettant de chauffer en direct une eau de qualité alimentaire. L'invention concerne à cet effet un dispositif de production d'eau chaude par l'énergie solaire1 du type comprenant une cellule de production d'eau chaude à effet de serre, dispositif caractérise en ce que d'une part, la cellule solaire est constituéed'un insolateur se présentant sous forme d'une plaque métallique mince, ayant une face absorbante exposée au rayonnement solaire, et une face émettrice de rayonnement nnfrarouge, en contact avec les méandres d'un circuit tubtilaire continu entépingles à cheveuru stétendant sur un plan, les sections droites de ce circuit étant faiblement inclinées sur l'horizonta1, de manière à présenter une pente continue, de l'entrée du circuit situées point le plus bas de la cellule, à la sortie du circuit, situéesa point le plus haut de la cellule, et en ce que d'autre part, un accumulateur d'eau chaude est intégré au dispositif, immédiatement au-dessus de l'épingle la plus haute du circuit tubulaire, et de préférence dans une position parallèle à cette épingle, cet accumulateur étant alimenté en eau chaude par la sortie du circuit tubulaire, raccordé au voisinage d'une extrémité de l'accumulateur, 11 autre extrémité de cet accumulateur étant raccordée à une conduite bi-fonctionnelle, reliant directement l'accumulateur à l'entrée d'eau du circuit à méandres, ce grâce à quoi, en l'absence de demande d'eau chaude, il s'établit entre le circuit tubulaire à méandres et ltaccumulateur, une circulation continue en thermo-siphon, sans court-circuitage et montée en température dans l'accumulateur, sans pratiquement de dispersion thermique due notamment au transport. - Suivant une eutre disposition de l'invention, la plaque métallique mince de l'insolateur est de préférence une plaque de cuivre, et en ce que le circuit tubulaire en contact avec la face émettrice de cette plaque est réalisé de préférence à partir d'un tube de cuivre, présentant au moins une face générant un plan, venant au contact de ladite face émettrice de 1' insolateur. De cette mPnère on accroît le taux d'échange entre la face émettrice de l'insolateur et le circuit tubulaire à méandres. Suivant un mode d'exécution préféré, le circuit tubulaire en contact 'avec la face émettrice de l'insolateur est constitué d'un tube de cuivre circulaire, partiellement aplati à la presse, de manière à présenter deux plans allèlss. Ce mode de réalisation se prête particulièrement bien à une fabrication industrialisée à partir d'outillages et de produits conventionnels. Suivant une particularité d'exécution de l'invention, le contact entre la face émettrice de l'insolateur et le circuit tubulaire est obtenu par collage. De cette manière, on obtient une jonction simple, rapide, à l'aide de colle de contact déposée en film très mince. Suivant un mode d'exécution, la couche absorbante, mate, sombre, de l'insolateur, est obtenue par oxydation. Suivant une disposition, la conduite bi-fonctionnelle entre l'accumulateur d'eau chaude et l'entrée du circuit tubulaire de l'insolateur, stétend principalement selon une diagonale entre ces deux extrémités de raccordement, et en ce que, son trajet passe en dessous du plan formé par les méandres du circuit tubulaire. Suivant une solution constructive, l'insolateur et I'accumulateur sont logés dans un bac commun, au moins la partie de fond de ce bac, située à l'aplomb de l'insolateur recevant une couche de matière thermiquement isolante* telle qu'ante mousse de polyuréthane, avec interposition d'un film anti-réémission entre le circuit de l'insolateur et la couche de matièe isolante, ledit bac étant recouvert de façon étanche par un capot formant à la fois protection pour l'accumulateur et châssis porte-vitre pour l'insolateurO D'autres caractéristiques et- avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-apres, d'un mode d'exécution préféré, donné ici à titre d'indication, et illustré dans les dessins joints dans lesquels s La figure 1, est une vue en perspective partiellement en coupe, avec parties arrachées montrant les éléments constitutifs d'un chauffe-eau solaire selon l'invention. La figure 2,est une vue schématique montrant le circuit combiné cellule solaire/accumulateur d'eau chaude. La figure 3, est une vue en coupe selon III-III de la figure 2, montrant la canne d'entrée d'eau chaude dans l'accumulateur d'eau chaude. La figure 4, est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 2, montrant le raccordement du retour d'eau de l'zecumulateur à la cellule. Suivant l'invention, ainsi que représenté aux figures annexées, le dispositif pour la production d'eau chaude comprend tout d'abord un insolateur désigné par la- référence générale 10 Cet insolateur est formé d'ure plaque métallioue mince 11, ayant une face absorbante 12, exposée au rayonnement soleire, et une face émettrice 13, de rayonnement infrarouge. La face émettrice 13 est en contact avec les méandres d'non circuit tubulaire continu 14, - en"épingles à cheveux", s'étendant sur un plan. Les sections droites 14a-du circuit sont faiblement inclinées sur lthorizontale de manière à présenter une pente continue, de l'entrée 15 de ce circuit, située au point le plus bas de la cellule, à la sortie 16, située au point le plus haut de la cellule. Un accumulateur d'eau chaude 17, est intégré au dispositif immédiatement au-dessus de l'épingle 14b la plus haute du circuit tubulaire. L'accumateur est situé, de préférence, dans une position en parallèle à l'épingle 14b. L'accumulateur est alimenté en eau chaude par la sortie 16 du circuit tubulaire à méandres, ladite sortie étant raccordée au voisinage de I'e8tremité 17a de l'accumulateure L'accumulateur est raccordé par son autre extrémité-17b à une conduite bi-fonctionnelle 18, reliant directement l'accumulateur à l'entrée d'eau 15 du circuit à méandres de l'insolateur. La double fonction de la conduite 18 sera décrite plus loin, en relation avec le mode de fonctionnement du dispositif. La plaque métallique 11 de l'insolateur est, de préférence, une plaque de cuivre, dont l'épaisseur peut être comprise entre 4 et 6/10 mm, de préférence 5/10. Le circuit tubulaire à méandres, en contact avec la face émettrice 13 de la plaque, est réalisé à partir d'un tube de cuivre dont au moins une face génère un plan de contact pour son application sur la plus grande surface possible, contre la face émettrice 17 de la plaque 11. Avantageusement, le circuit tubulaire pourra être réalisé à partir d'un tube de cuivre circulaire du commerce, ayant par exemple un diamètre extérieur de 18 mm et un diamètre intérieur de 16 mm, ce tube, après avoir été mis en forme pour constituer les épingles du circuit, est soumis à un aplatissement à la presse, de manière à présenter deux plans parallèles comme montré en figure 1. Le contact entre la face émettrice 13 de l'insolateur, et le circuit tubulaire, est réalisé de préférence par collage ; toutefois, on~pourra prévoir d'autres moyens de contact tels qu'une application par bridesmécaniques, ou encore une application provoquée par la pression engendrée par l'injection d1un produit isolant moussant, tel qu'une mousse de poiyuréthane, entre le fond de l'appareilvit le circuit tubulaire à méandres. La face 12 de insolateur, exposée au rayonnement -solaire, est revStue d'une couche absorbante, mate, sombre. Cette couche absorbante étant,de préférence, obtenue par oxydation. Grace à cette disposition, la plaque 11 sera inerte et insensible à la corrosion, ce qui constitue un progrès important vis-8-vis des capteurs connus. En effet, dans tous les capteurs, il-y a une atmosphère hnmide et chaude à l'nntérieur du volume compris entre l'insolateur et le vitrage de la cellule, ce qui provoque toujours des condensats très corrosifs qui attaquent, dans les cellules connues, la plaque insolatrice généralement constituée en acier, et la peinture absorbante qui revêt la face de cette plaque exposée au rayonnement solaire. Ainsi qutil est représenté Figure 1, on notera que l'accumulateur se présente sous la forme d'un réservoir cylindrique, isolé thermiquement d'un revement anti-émissif 19b0 Ainsi qutil est représenté Figure 3, la sortie du circuit tubulaire est raccordée à l'extrémité 17a de l'accumulateur, pratiquement à l'aplomb de l'entrée 15 de ce même circuit tubulaire. Le raccord entre ladite sortie 16 et l'accumulateur se fait par l'intermédiaire d'une canne19, plongeant à l'intérieur du réservoir 17.Cette carme possède une extrémité courbée 1 9a disposée concentriquement à la paroi du réservoir, de préférence sur un rayon matérialisé par la ligne 20 à une distance située de préférence dans son premier tiers, à partir de l'axe central du réservoir désigné par la référence 21. Le réservoir comporte, ainsi qu'il est montré Figure 4, à l'opposé du raccord 16 d'entrée d'eau chaude, un autre raccord de jonction 18a, avec la conduite directe bi-fonctionnelle 18. le raccord 18a est constitué également d'une cane plongeant dans le réservoir 17 dans une position voisine et tangentielle à la paroi de ce réservoir. On notera, sur les Figures 1 et 2, que la conduite bi-fonctionnelle 18 entre l'accumulateur d'eau chaude et l'entrée 15 du circuit tubulaire à méandres, s'étend principalement selon une diagonale entre ces deux extrémités de raccordement. Le trajet de la conduite 18 passe en-dessous du plan formé par les méandres du circuit tubulaire 14. Comme il est montré Figure 2, l'alimentation en eau de l'ensemble du dispositif se fait par l'intermédiaire d'un raccord 22 qui possède une entrée d'eau froide 23 et une sortie bi-directionnelle à branches communiquantes, dont l'une 24 est reliée à la conduite bi-fonctionnelle 18, l'autre 25 reliée à l'entrée 15 du circuit tubulaire à méandres. Le réservoir 17 possède une sortie d'eau chaude de consommation 26. Le fonctionnement du dispositif s'établit de la manière suivante : en l'absence de demande d'eau chaude, c'est-à-dire de soutirage à la sortie d'eau chaude 26, il s1 établit entre le circuit tubulaire à méandres 14 et l'accumulateur 17, une circulation continue en thermo-siphon. Dans ce cas, l'eau parcourt de bas en haut tous les méandres du circuit tubulaire 14, sus court-circuitage, et pénètre dans le réservoir 17 par l'intermédiaire de la sortie d'eau- chzude 16 et de la cannez9. L'eau chaude se répartit dans le réservoir en repoussant l'eau tiède ou l'eau froide en direction de la partie de fond 17b du réservoir.L'eau emprunte alors lacanne de sortie 18appuis le conduis-8, passe au travers du raccord 22 pour être recyclée dans le circuit tubulaire à méandres. Lorsqu'il y a fourniture d'eau chaude, soutirée à partir de la conduite de sortie 26, du réservoir 17, le remplacement de la quantité d'eau chaude prélevée se fait par l'intermédiaire de la conduite directe 58 bi-fonctionnelle, par court-circuitage du parcours du circuit tubulaire à méandres 14.Dans ce cas, lteau remonte la conduite 18 et pénètre à l'extrémité du réservoir 17b par l'intermédiaire de la cannel8a. L'eau froide agit alors en piston en repoussant l'eau chaude vers l'extrémité 17a du réservoir d'où elle s'échappe à travers la conduite de sortie 26. Dès que le soutirage est interrompu, la circulation entre le circuit tubulaire à méandres et le réservoir, est réétablie en thermo-siphon ainsi qu'il a été décrit plus haut. L'insolateur et l'accumulateur sont logés ensemble dans un bac 27 qui constitue également la partie de fond du dispositif. Au moins la partie du fond du bac qui est située à l'aplomb de l'insolateur, reçoit une couche de matière thermiquement isolante 28 ; cette couche peut être par exemple une mousse de polyuréthane expansée Avantageusement, la couche de matière isolante est ellesmetme revêtue d'un film anti-réémission 29. Un tel film peut être par exemple un fil de polyéthylène aluminisé. La surface aluminisée du film est face au circuit à méandres et fait ainsi barrière au rayonnement infra-rouge. Le bac 27 est recouvert de façon étanche par un capot 30. Ce capot comporte une partie de protection 31 pour l'accumulateur, et une partie 32 formant châssis pour le vitrage 33 situé immédiatement au-dessus de la face absorbante de l'insolateur. Le dispositif de production d'eau chaude selon l'invention, présente de nombreux avantages. il permet notamment une irrigation parfaite du circuit à méandres de l'insolateur, étant donné que ce circuit est du type continu. L'ensemble du dispositif peut fonctionner selon une pente faible ou importante en fonction de la latitude sous laquelle il est utilisé. Le circuit insolateur étant réalisé en continu, sans soudure, il présente une excellente tenue à la pression, contrairement aux cellules dites à film d'eau, ou aux cellules comportant un réseau de circulation imprimée. La qualité 'talimentaire" du réseau à méandres en cuivre permet un chauffage direct de lteal de consommation. En plus de ces qualités thermo-conductrices, ce circuit est d'une totale inertie à la corrosion, en particulier lorsqu'il véhicule des eaux agressives. Le circuit à méandres étant sans soudure, tout au long de son parcours, il est possible d'en garantir la longévité. hien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples d'exécution cl-dessus décrits et représentés, pour lesquels on pourra prévoir d'autres variantes, sans pour cela sortir du cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS 1) Dispositif de production d'eau chaude par l'énergie solaire1 du type comprenant une cellule de production d'eau chaude à effet de serre, dispositif caractérisé en ce que, d'une part, la cellule solaire est constituée d'un insolateur se présentant sous la forme d'une plaque métallique mince, de préférence en cuivre, ayant une face absorbante, exposée au rayonnement solaire, et une face émettrice de rayonnement infrarouge en contact avec les méandres d'un circuit tubulaire continu en "épingles à cheveux", s'étendant sur un plan, les sections droites de ce circuit étant faiblement inclinées sur l'horizontale de manière à présenter une pente continue, de entrée du circuit à méandres, située au point le plus bas de la cellule, à la sortie du circuit, située au point le plus haut de la cellule, ce circuit étant réalisé de préférence à partir d'un tube de cuivre générant un plan en contact avec la face émettrice de l'insolateur, en ce que, d'autre part, un accumulateur d'eau chaude est intégré au dispositif, immédiatement au-dessus de l'épingle la plus haute du circuit tubulaire à méandres, et de préférence dans une position parallèle à cette épingle,cet accumulateur étant alimenté en eau chaude par la sortie du circuit tubulaire, raccordée au voisinage d'une extrémité de l'accumulateur, l'autre extrémité de cet accumulateur etant raccordée à une conduite bi-fonctionnelle reliant directement l'accumulateur à l'entrée d'eau du circuit à méandres, ladite conduite s'étendant principalement, selon une diagonale entre ces deux extrémités de raccordement, et en ce que,~son trajet passe en-dessous du plan formé par les méandres du circuit tubulaire. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit tubulaire à méandres, en contact avec la face émettrice de l'insolateur, est constitué d'un tube de cuivre circulaire, partiellement aplati à la presse, de manière à présenter deux plans parallèles. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que, le contact entre la face émettrice de l'insolateur et le circuit tubulaire, -est obtenu par collage. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que la face de l'insolateur exposée au rayonnement solaire, est revêtue d'une couche absorbante, mate, sombre. 5) Dispositif selon la revendication 4 , caractérisé en ce que la couche absorbante, mate, sombre, de l'insolateur, est obtenue par oxydation. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'accumulateur à eau chaude se présente sous la forme d'un réservoir cylindrique, isolé thermiquement d'un revêtement anti-émissif, la sortie du circuit tubulaire se raccordant à l'extrémité de l'accumulateur qui se trouve à l'aplomb de l'entrée du circuit tubulaire à méandres, ce raccord se faisant par l'intermédiaire d'une canne plongeant à l'intérieur du réservoir, cette canne ayant une extrémité courbée disposée concentriquement à la paroi du réservoir, de préférence sur un rayon, à une distance située de préférence dans son premier tiers à partir de l'axe central du réservoir. 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réservoir comporte, à l'extrémité opposée du raccord d'entrée d'eau chaude, un autre raccord de jonction avec la conduite directe bi-fonctionnelle, ce dernier raccord étant constitué également d'une canne plongeant dans le réservoir, dans une position voisine et tangentielle de la paroi de ce réservoir. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 7, caractérisé en ce que, l'alimentation en eau froide du dispositif, pour remplacer une quantité d'eau chaude prélevée, se fait par l'intermédiaire de la conduite directe bi-fonctionnelle, par court-circuitage du parcours du circuit tubulaire à méandres, grâce à un raccord possédant une entrée d'eau froide et une sortie bi-directionnelle, à branches communiquantes, l'une reliée à la conduite bi-fonctionnelle, l'autre reliée à l'entrée du circuit tubulaire à méandres. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce que l'insolateur et l'accumulateur sont logés dans un bac commun, au moins la partie de fonc de ce bac, - située à l'aplomb de l'insolateur, recevant une couche de matière thermiquement isolante, telle qu'une mousse de polyuréthane, avec interposition d'un film anti-réémission, entre le circuit de l'insolateur et la couche de matière isolante, ledit bac étant recouvert de façon étanche par un capot formant à la fois protection pour l'accumulateur et châssis porte-vitre pour l'insolateur.