Brevet FR2408099A1 — publié le 19790601

La présente invention concerne un capteur d'énergie solaire de configuration plate comprenant un dispositif d'absorption muni de canaux pour l'écoulement d'un fluide caloporteur et constitué par une feuille de cuivre à laquelle au moins Url tuyau en cuivre est relié étallury-iquement, ledit dispositif d'absorption étant fixé dans un châssis et son arrière étant recouvert par une matière calorifuge tandis que son avant est recouvert par une matière transmettant-les radiations solaires. L'invention concerne également un procédé de fabrication de ce capteur d'énergie solaire. Les capteurs d'énergie solaire plats sont généralement réalisés de manière à correspondre à la description ci-dessus. La différence qui peut survenir concerne la construction du dispositif d'absorption ainsi que le choix de la matière calorifuge et de la matière transmettant les radiations solaires. Le dispositif d'absorption peut être réalisé en cuivre, en aluminium ou en acier, mais c'est généralement ces deux derniers matériaux que l'on a utilisé jusqu'a' maintenant dans l'industrie pour fabriquer des panneaux absorbeurs. Bien que le cuivre soit très bon conducteur de la chaleur, il n'était utilisé que dans une mesure limitée.Il en est ainsi en raison du fait que ce matériau est coûteux et que certaines opérations de la fabrication des absorbeurs en cuivre ne se sont pas prêtées jusqu'à présent à une mécanisation, ce qui en trame la nécessité d'un travail manuel important. Un type d'agencement absorbeur qui est utilisé couramment dans les capteurs d'énergie solaire fabriqués maintenant est ce que l'on peut appeler le panneau "collé par laminage". Ce panneau consiste en deux tôles d'aluminium pressées l'une contre l'autre de manière à former des canaux raccordés entre eux en parallèle. La fabrication est exécutée en général de manière que les tôles soient traitées préalablement sur les surfaces qui doivent former les canaux de manière que ces zones traitées préalablement ne se soudent pas l'une à l'autre pendant la compression. Après le lami- nage, on envoie un fluide sous pression entre les tôles qui s'é- cartent alors de manière à former des canaux à l'endroit des zones traitées préalablement. L'inconvénient-d'un tel absorbeur réalisé de cette façon est que les tôles ne peuvent pas être très minces, ce qui se traduit par une consommation relativement importante de métal. En outre, les canaux obtenus selon ce procédé sont raccordés en parallèle les uns aux autres étant donné que chaque canal communique avec une sortie et une entrée commune. Ceci se traduit inévitablement par un écoulement irrégulier de liquide à travers les différents canaux, ce qui est dû principalement au fait que les canaux présentent une résistance différente à l'écoulement entre l'entrée et la sortie. Il n'est donc pas possible d'obtenir une utilisation maximale d'un absorbeur comportant des canaux pour liquide raccordés en parallèle. Si l'absorbeur est fabriqué en tôle d'acier, on peut assembler l'une à l'autre des tôles ondulées ou profilées de toute autre manière, les canaux étant formés par les parties profilées. I1 existe également des structures d'absorbeur dans lesquelles on utilise deux tôles de cuivre. Des barres de formage sont placées entre les tôles qui sont associées l'une à l'autre par pressEfou de toute autre manière, et les canaux sont formés par les rainures formées par les barres de formage. Dans un autre mode de réalisa- tion, les tôles de cuivre sont appliquées sous pression autour de plus de la moitié de la surface circonférencielle d'un tuyau de sorte que celui-ci se trouve fixé dans une rainure ayant une "ouverture" ou dimension d 'évidement inférieure à son diamètre. En plus du fait que le procédé de fabrication est en soi compliqué, le contact entre la tôle et le tuyau n'est pas suffisamment intime pour que la conductibilité thermique depuis l'absorbeur vers le fluide qui s'y écoule ait lieu avec le plus grand échange thermique possible. L'objet principal de la présente invention est de réaliser une structure de capteur d'énergie solaire dans laquelle les inconvénients mentionnés ci-dessus des capteurs connus ont été éliminés, ce capteur d'énergie solaire répondant d'une façon optimale aux exigences concernant à la fois son fonctionnement et sa production, étant donné que l'on peut utiliser une tôle de cuivre dans sa fabrication industrielle. Un autre objet du capteur d'énergie solaire selon la présente invention est de réaliser une structure simple et bon marché qui est stabilisée par la matière calorifuge. On atteint ces objets avec un capteur d'énergie solaire qui est essentiellement caractérisé par le fait qu'une matière stratifiée constitue une mince feuille de cuivre n'assurant pas par ellemême son propre support et que le joint métallurgique est sensiblement continu le long d'au moins une partie notable de l'interface tuyau-feuille, et que le tuyau de cuivre avec la feuille de cuivre fixée à ce dernier sont noyés dans une matière plastique cellulaire qui est moulée sur place et sert d'isolant thermique en donnant de la stabilité mécanique à la feuille de cuivre. La feuille de cuivre doit être renforcée, étant donné qu'elle est maintenue aussi mince que possible pour des raisons d'économie, et on obtient ce résultat de la façon la plus simple en remplissant complètement l'arrière de l'absorbeur jusqu'au bord du chassies avec une matière plastique cellulaire, de façon appropriée une mousse de polyuréthane, qui gonfle pendant la solidification et, finalement, forme une matière solide douée d'une bonne résistance mécanique et de bonnes propriétés isolantes, Cette matière adhère à la fois au tuyau et à la feuille, en renforçant ainsi le capteur d'énergie solaire de manière qu'il ne soit pas endommagé pendant son transport et son installation. Le procédé de fabrication du capteur solaire selon la prd- sente invention est essentiellement caractérisé par le fait que l'on place la feuille de cuivre sur une structure secondaire de support, après quoi on place au moins un tuyau de cuivre sur la feuille de cuivre avec de la soudure le long ou à l'endroit de l'interface tuyau/feuille, on dispose ensuite un gabarit sur le tuyau pour limiter son déplacement, le tuyau étant ensuite chauffé jusqu'à une température dépassant le point de fusion de la soudure, ce qui entrain une fusion de la soudure et assure la formation d'un joint métallurgique entre le tuyau et la feuille de cuivre, puis on place la matière plastique du capteur contre le dos de l'absorbeur pour qu'il assure son propre support tandis que- -l'on recouvre sa face avant avec une matière transmettant les radiations solaires. On peut chauffer le tuyau en y laissant s'écouler de l'huile très chaude. Après que la surface de la feuille de cuivre a été traitée, on fixe cette feuille dans un châssis ou contre un moule et on la place contre la surface qui, conjointement avec l'arrière de l'absorbeur et des éléments du châssis, ou bien le moule, forme un espace dans lequel on injecte la matière plastique cellulaire. On va maintenant décrire ci-après un mode de réalisation de l'invention ainsi qu'un procédé pour le fabriquer en se référant aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est une coupe transversale d'un capteur d'énergie solaire selon la présente invention - la figure 2 est une vue en perspective du capteur d'énergie solaire suivant la figure 1 - la figure 3 montre un procédé pour la fabrication de l'absorbeur du capteur d'énergie solaire selon la présente invention - la figure 4 représente un détail de la figure 3 avant le soudage - la figure 5 montre le même détail après le soudage - la figure 6 montre le traitement de surface de l'absorbeur; et - la figure 7 montre le procédé d'isolation de l'arrière du capteur d'énergie solaire. On voit, d'après la coupe transversale de la figure 1, qu'un capteur d'énergie solaire selon la présente invention comprend un absorbeur constitué par une mince feuille de cuivre 2, de préférence d'une épaisseur de 0,25 - 0,5 m, qui est fixée par voie métallurgique à un tuyau de cuivre 3 se présentant sous la forme d'un serpentin, comme on peut le voir sur la figure 3. Le joint métallurgique 4 entre le tuyau et la feuille est obtenu par soudage dans ce cas, mais peut être obtenu de toute autre manière. L'absorbeur est fixé à l'intérieur d'un ch & sis 5 qui, de la fa çon la plus simple, est constitué par des tôles galvanisées avec lesquelles on a formé des profilés en U. L'arrière de l'absorbeur, c'est-d-dire le côté sur lequel est fixée serpentin, est recouvert d'une matière isolante qui, selon la présente invention, est constituée d'une façon appropriée par de la mousse de polyuréthane, en vue de maintenir l'absorbeur en place entre les éléments du châssis. L'avant du capteur 1 d'énergie solaire est recouvert, de façon classique, d'une matière en feuille 7 qui transmet les radiations solaires et qui est disposée à une certaine distance de la surface de l'absorbeur 2 de manière qu'un intervalle d'air isolant 8 soit formé entre la feuille 7 et l'absorbeur 2.Les pro priétés de la feuille de transmission doivent naturellement être telles que ladite feuille transmette facilement les radiations so- laires de la gamme visible tandis que les radiations thermiques d'une longueur d'onde plus longue, émises par l'absorbeur chauffé, ne sont pas capables de pénétrer la feuille aussi facilement. Cet effet dit "effet de serre est essentiel pour obtenir un bon rendement du capteur d'énergie solaire. Les vitres ordinaires posse- dent cette propriété mais présentent l'inconvénient de se briser facilement et on a tenté jusqu'à présent de trouver un matériau qui possèderait les propriétés de transmission et le caractère bon marché du verre tout en présentant de bonnes propriétés de résistance mécanique.La fibre de verre constitue un tel matériau et on a mis au point des qualités spéciales de fibres de verre qui possèdent des propriétés de transmission encore meilleures que le verre à vitre en plus d'être résistantes mécaniquement et de pouvoir être manipulés et découpées facilement aux dimensions voulues. La feuille 7 selon les figures 1 et 2 est collée, à l'aide d'un ciment, au bord avant 9 du bti 5 et elle porte contre les entretoises 10 situées entre la feuille 7 et l'absorbeur 2. On peut aussi, de façon avantageuse, réaliser les espaces sous forme de plia dans la feuille de cuivre elle-m8me. On traite de façon appropriée l'absorbeur 2 de manière qu'il comporte un revêtement de surface sélectif. Ceci signifie que la matière présente une absorption élevée pour les longueurs d'onde correspondant aux radiations solaires incidentes, c'est-à-dire en dessous de 2 000 Mm. D'autre part, sa capacité d'émission est faible pour les radiations de longueurs d'onde plus grandes, ce qui signifie que les radiations thermiques émises seront relativement plus faibles que les radiations solaires absorbées. I1 n'existe pas de matériaux appropriés pour absorbeurs qui, par eux-mêmes, possèdent ces propriétés optiques et il est, par conséquent, nécessaire de traiter la surface de l'absorbeur de manière qu'il présente les propriétés sélectives voulues.Les revê- tements de surface de ce que l'on appelle le nickel noir" et le "chrome noir"-conviennent de ce point de vue et on les utilise généralement comme matières de revêtement de surface quand l'ab- sorbeur est constitué par de l'aluminium ou de l'acier. L'oxyde de cuivre présente aussi d'excellentes propriétés sélectives et, dans un capteur d'énergie solaire selon la présente invention, constitué par une feuille de cuivre, on traite la surface du cuivre de la façon la plus simple en lui appliquant un revêtement d'oxyde approprié. On peut soit revêtir la surface avec un agent oxydant ou bien on peut chauffer le cuivre de manière que sa surface s'oxyde. On peut aussi ajouter des substances stabilisantes spéciales qui donnent un oxyde de cuivre plus efficace et plus durable. Dans le procédé de fabrication de capteur solaire selon la présente invention, la fabrication de l'absorbeur est une opération essentielle, comme il apparatt sur la figure 3, cette opéra- tion est exécutée de manière que la feuille de cuivre 2 soit placée sur une structure pleine et sensiblement horizontale, par exemple une plaque avec des barres marginales 11, ces dernières ayant une épaisseur qui, d'une façon générale, correspond au diamètre du serpentin 3 en cuivre que l'on place ensuite sur la feuille de cuivre. La distance entre les barres marginales correspond sensiblement à la largeur de la feuille de cuivre et à la distance séparant les coudes situés sur les cotés du serpentin. On fixe ce dernier à la feuille de cuivre au moyen de quelques points de soudure, après quoi on place une matière de soudage, par exemple sous la forme d'un fil 12, au voisinage immédiat de la surface de contact entre le tuyau et la feuille. On peut couder facilement le fil de soudage de manière qu'il épouse la forme du serpentin et on peut abouter les tronçons de fil de soudage de manière que, lorsque le fil fond, le serpentin se trouve soudé à la feuille par voie métallurgique, sensiblement sur la totalité de sa longueur. De cette façon, le transfert de chaleur depuis l'absorbeur vers le fluide s'écoulant dans le serpentin est le transfert le plus efficace possible.Selon le type de matière de soudage que l'on utilise, il est nécessaire, dans certains cas, de traiter préalablement la feuille et le serpentin de manière que le contact avec la matière de soudage fondue soit aussi parfait que possible. Quand on met en place les fils de soudage, on maintient le serpentin contre la feuille de cuivre à l'aide de plaques 13 que l'on place sur les barres marginales et que l'on bloque sur ces dernières, ces plaques pouvant être poussées contre le serpentin de toute autre manière. On empêche ainsi le serpentin de se déplacer pendant l'opération de soudage, ce qui perturberait l'écoulement intime de la soudure 12 contre le tuyau et la feuille. Les plaques sont en outre calorifuges, ce qui donne une température uniforme à l'absorbeur chauffé et réduit la consoxmation d'énergie. Quand les plaques ont été mises en place, on raccorde alors les extrémités 14 du serpentin à une citerne 15 contenant un fluide chauffé, dans ce cas de l'huile, et on peut raccorder la citerne à une source d'air comprimé par l'intermédiaire d'un conduit de pression extérieur 16. L'huile dans la citerne est chauffée de la façon la plus simple à l'aide d'un dispositif 17 de chauffage par immersion. L'huile de retour refroidierqui a traversé la boucleest acheminée par l'intermédiaire d'un tuyau 18 jusqu'à la partie supérieure de la citerne 15.La température de l'huile dépasse le point de fusion de la matière de soudage et, quand la soudure fond,eUeest aspiri entre les surfaces du joint par suite de la tension superficielle. Dans le procédé selon la présente invention, on a choisi une matière de soudage ayant un point de soudage d'environ 200-C et il faut alors chauffer l'huile jusqu'à environ 25Q-C. On peut voir sur la figure 5 l'aspect du joint soudé. Pour obtenir sur l'absorbeur un revêtement de surface sElec- tif on le traite, au cours d'une phase ultérieure, par immersion dans un bain chimique, comme représenté sur la figure 6. Le bain chimique peut consister en un mélange d'hydroxyde de sodium (NaOH) et de chlorite de sodium (na102) que l'on chauffe. La cuve 19 contenant le bain chimique doit aussi pouvoir être chauffée de quelle façon que ce soit, soit directement par l'électricité soit par le passage d'un fluide chauffé. Dans ce cas, on peut aussi utiliser de l'huile chauffée pour chauffer la cuve 19. Quand l'absorbeur a seché après le traitement de surface, il est prêt à être fixé dans le châssis 5. La façon de procéder consiste ici à placer l'absorbeur de manière que sa surface absorbante repose sur plusieurs pièces de support 20 dont la hauteur correspond à l'espace d'air compris entre la surface de l'absorbeur 2 et la feuille 7 de fibre de verre. Les barres du chtssis sont ensuite fixées autour de l'absorbeur et sont reliées l'une à l'autre au bord. On recouvre ensuite le châssis avec une plaque de moulage 21 qui, dans le sens de sa longueur et dans le sens de sa largeur, comporte des trous pour des buses 22 destinées à injecter de la mousse de polyuréthane dans l'espace fermé 23 formé par l'absorbeur, les barres du châssis et la plaque de moulage. Cette dernière comporte également des trous d'aération à travers lesquels sort la mousse de polyuréthane quand l'espace 23 est plein. La plaque de moulage est pourvue d'une surface non adhésive appropriée 24 sur son côté orienté vers l'espace 23, grâce à quoi on peut facilement l'enlever quand la mousse est solidifiée. La mousse solidifiée fixe l'absorbeur entre les barres 5 du châssis sans aucune fixation mécanique. Elle forme alors un moulage stable vis-à-vis du capteur d'énergie solaire complet tout en donnant à ce dernier un très faible poids par unité de surface d'absorption de radiations. Au cours de la dernière phase de fabrication; on fixe les éléments d'espacement ou entretoises 10 à l'avant de l'absorbeur, après quoi on fixe, à l'aide d'un ciment, les feuilles 7 en fibre de verre au bord avant 9 des barres 5 du chassies. Le procédé selon la présente invention n'est naturellement pas limité au chauffage à l'aide d'huile très chaude et on peut très bien utiliser un chauffage électrique, par exemple un chauffage par induction. Dans le mode de réalisation décrit, le tuyau en cuivre a la forme d'un serpentin, mais le point essentlel est naturellement que le tuyau soit uniformément réparti sur la feuille. Par exemple, le tuyau peut être disposé sous la forme d'une spirale ou sous la forme d'une multiplicité de tuyaux sensiblement rectilignes et parallèles raccordés les uns aux autres à leurs extrémités par des coudes. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention, laqueeest définie par les revendications ci-annexpes. REVENDICATIONS 1.- Capteur d'énergie solaire de configuration plate comprenant un absorbeur muni de canaux servant à l'écoulement d'un fluide caloporteur et consistant en un matériau stratifié à base de cuivre auquel au moins un tuyau en cuivre est assujetti par un joint métallurgique, l'absorbeur étant fixé dans un châssis et son côté arrière étant recouvert d'une matière calorifuge tandis que son côté avant est recouvert par un matériau transmettant les radiations solaires, caractérisé par le fait que : le matériau stratifié constitue une mince feuille de cuivre n'assurant pas par elle-même son support; le joint métallurgique est sensiblement continu le long d'au moins une partie notable de l'interface tuyau/feuille; et le tuyau en cuivre avec la feuille qui y est fixée sont noyés dans une matière plastique cellulaire qui est moulée in situ et sert d'isolant thermique tout en donnant à la feuille de cuivre de la stabilité mécanique. 2.- Capteur d'énergie solaire suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins la surface absorbante des radiations de la feuille de cuivre est traitée en vue d'une absorption sélective des radiations solaires. 3.- Capteur d'énergie solaire suivant la revendication l, caractérisé par le fait que la matière transmettant les radiations solaires consiste en une matière plastique transparente. 4.- Capteur d'énergie solaire suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le tuyau en cuivre est disposé sous la forme d'un serpentin plat ou d'une spirale. 5.- Capteur d'énergie solaire suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'une multiplicité de tuyaux en cuivre sensiblement rectilignes et parallèles est fixée à la feuille de cuivre et que ces tuyaux sont raccordés mutuellement à leurs extrémités au moyen de coudes tubulaires. 6.- Procédé de fabrication de capteur d'énergie solaire plat comprenant un absorbeur muni de canaux pour ltécoulement d'un fluide caloporteur et consistant en une feuille de cuivre à laquelle au moins un tuyau en cuivre est fixé par voie métallurgique, caractérisé par le fait que l'on place la feuille de cuivre sur une structure secondaire de support, après quoi on place au moins un tuyau de cuivre sur la feuille de cuivre avec de la soudure le long ou à l'endroit de l'interface tuyau/feuille, puis on dispose un gabarit sur le tuyau pour en limiter le déplacement, on chauffe alors le tuyau jusqu'à une température dépassant celle du point de fusion de la soudure, on fait fondre la soudure et on obtient un joint métallurgique entre le tuyau et la feuille de cuivre et on place une matière plastique cellulaire contre le côté arrière de l'absorbeur pour que celui-ci assure son propre support tandis que l'on recouvre son côté avant avec une matière transmettant les radiations solaires. 7.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on chauffe le tuyau en faisant passer à travers ce dernier de l'huile très chaude. 8.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on fixe l'absorbeur dans un châssis ou contre un mou- le et qu'on le place contre une surface qui, conjointement avec l'arrière de l'absorbeur et les éléments de chassis, ou le moule, forme un espace dans lequel on injecte une matière plastique cellulaire. 9.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on traite à chaud au moins la surface de la feuille de cuivre et/ou qu'on la traite avec une préparation chimique permettant d'obtenir un revêtement de surface qui absorbe sélec- tivement les radiations solaires