Brevet FR2394036A1 — publié le 19790105

La présente invention concerne les centrales héliothermiques destinées au captage et au stockage dPénergie pour de multiples ntilisations. Dans les dispositifs connus de ce genre9 on fait appel à des téchnologies complexes dont les différents éléments éparpillés, occupent un espace considérables ne permettant pas de réaliser en un seul point ùn cycle complet. Cet éparpillement cause des pertes de charge d'énergie considérables, augmente le prix et rend difficile une solution esthétique à leéchelle humaine De nos jours, seuls, les capteurs plans sont pratiquement sérieusement intégrés à une construction0 Mais ils ont plusieurs inconvénients: I ) Leur difficulté relative de monter en température en hiver, 2 ) Leur prix de revient élevé au m2 de captage, 30) Leurs surfaces transparentes fixées selon sangle le plus favorable à leur meilleur rendement Cet angle est le même pour tous les capteurs plans d'une région donnée. La multiplication de ces surfaces planes risquent dans certains cas de présenter une une d'éblouissement par réflexion sur des zones habitées situées face aux capteurs plans ainsi que pour l'aéronautique0 40) Sur le plan esthétique les capteurs plans assombrissent la construction0 Le dispositif suivant l'invention vise à obtenir l'intégration esthétique, à l'échelle humaine, de la totalité des eomposants d'une centrale héliothermique par leur participation à la structure de lsédi- fiche lui-mtme, Le dispositif suivant 19invention permet dtobtenir du prix de revient total par le fait que la plupart des éléments constituant la centrale héliothermique participe à la structure de la construction elle-memeO Le dispositif suivant 11 invention permet le regroupement maximun des différentes phases: réflexion, captage, échange et stockage afin d'améliorer le rendement de la centrale. Le dispositif suivant l'invention par une téchnologie rustique permet une grande fiabilité et une simplicité d'installation0 Le dispositif, objet de l'invention est une construction dont le volume du dessin remplit simultanément le rôle d'un local et celui de constituant des divers éléments d'une centrale solaire. FL. I, une coupe verticale schématique représente une habitation dont la partie 1 sert à la fois de paroi et de supportde forme à la ma- tière réfléchissante constituant le réflecteur parabolique. En 2, un petit réflecteur secondaire plan ou légèrement divergent renvoie les rayons 3 sur le capteur 4 incorporé à l'intérieur de l'accumulateur 20 à travers une fenêtre 6. Ce petit réflecteur secondaire 2 est mobile pour pouvoir suivre la course du soleil suivant les heures et les saisons. I1 pivote sur son axe pour orienter la convergence du spot sur le capteur et il s'éloigne ou se rapproche du réflecteur 1 pour augmenter ou diminuer la convergence du faisceau. Une pompe 7 fait circuler le fluide caloporteur dans l'échangeur 8 situé au coeur de l'accumulateur qui repart dans le capteur 4 pour recyclage, par l'intermédiaire du conduit 9. La structure 5 de lssacoumulateur remplit les fonctions de fondation, d'isolation thermique et de vide sanitaire pour l'habitation 10. Le réflecteur parabolique I est formé par la paroi de la villa 10. On constate ainsi que l'enveloppe de la maison est formée en grande partie par les différents éléments de la centrale solaire. En 11, à l'intérieur de l'accumulateur, une canalisation périphé- rique prélève la chaleur pour les diverses utilisations nécessaires à 1 'habitation0 En 12 pompe de circulation du conduit de prélèvement. En 13 échangeur alimenté par différentes sources de chaleur: incinérateurs domestiques (ordures ménagères, broussailles jardins), cheminées, brûleur et foyer complémentaire (fuel, gaz, charbon ou bois). En 14 conduit d'alimentation de l'échangeur 13. En 15 résistance électrique. Les éléments 13, 14 et 15 complètent et pallient s2il y a lieu les défaillances du rayonnement solaire en période hivernale pour des années exceptionnement défavorables et dans des régions peu ensoleillées. On peut aisément imaginer différents matériaux accumulateurs de chaleur tels que: béton, brique ou parpaings, sable, etc... Dans le cas de la présente invention, liaceumulateur est rempli de sable. Ce matériau présentant de nombreux avantages: son faible colt, sa manipulation et son transport facile; sa stabilité: il ne s'évapore ni ne fuit et ne nécessite donc aucune étanchéité spéciale. I1 supporte sans transformation dix fois la température de l'eau. I1 ntest pas corrosif. I1 épouse la forme du récipient qui le contient. I1 ne gèle pas. I1 est inoxydable et imputrescible. Le déchargement du. sable dans l'accumulateur ne fait courir aucun risque de déformation et de rupture aux diverses canalisations mises en place. Placé sous la construction il contribue à la répartition des charges de portance du plancher. FL. II, fig. 1, dans un cas de réalisation possible, lVaccumuw lateur 20 est placé sous la construction 10 et le capteur 4 à l'intérieur de la construction, d'où il reçoit le faisceau concentré 19 par l'intermédiaire du réflecteur secondaire 2 En 1, le réflecteur primaire parabolique. En 8, l'échangeur. En 7, la pompe du fluide caloporteur. En 11, canalisation périphérique de prélèvement de chaleur. En 12, pompe de circulation du circuit 11. PL. II, fig. 2, représentation d'une minicentrale héliothermique. Dans ce cas, le corps du btiment forme l'élément stoekeur on mtme temps que le réflecteur parabolique. Le capteur 4, l'échangeur 8 et la pompe de circulation 7 sont situés à l'intérieur de l'accumulateur. En 11, le conduit de prélèvement périphérique et sa pompe en 12. En 20, matériau accumulateur: par exemple sable. En 2 réflecteur secondaire. En 6, fen8- tre isolante permettant aux rayons solaires de pénétrer à l'intérieur de lSaceumulateur pour chauffer le capteur 4. FL III, fig.3, dans un cas de réalisation possible laccumula- teur 5 est placé sous la construction 10 et le capteur 4 à l'extérieur. La flèche 21 indique le sens du déplacement du capteur 4, rapprochement éloignement du réflecteur afin de faire varier la concentation des rayons 3 sur le capteur pour en doser la température d'impact. PL, III, fig. 4, centrale héliothermique, dans un cas de réalisation possible, à capteur extérieur. En 5 parois d'accumulateur. En 20, matériau accumulateur. En 4, capteur. En 3, rayons solaires. En 8, échangeur. En 7, pompe de circulatiçn du fluide caloporteur. En 11 conduit périphérique de prélèvement et en 12 sa pompe. PL. IV, détail du capteur et de la fenêtre d'entrée du faisceau à l'intérieur de l'accumulateur. La distance B entre le capteur 4 et la fenêtre 6 permet une plus forte concentration sur le capteur 4 par rapport à l'entrée du faisceau par la entre 6. La dimension de l'impact à cet endroit est représentée par la lettre A. Le rayonnement traverse la partie transparenteavant Sa concentration finale C. Ce dispositif permet de réduire la température sur la partie transparente de la fenêtre, évitant a' celle-ci de trop grands écarts de température qui nuiraient a' la bonne liaison: partie transparente - structure. D'autre part, la température relativement réduite de la fenêtre d'entrée du faisceau évite le risque d'éclatement en cas de projection de liquide. Pour augmenter la concentration, dans certains cas de réalisa tiens la fenêtre 6 peut être constituée par une lentille de FRESNEL Q èche- lons circulaires ou à échelons linéaires donnant un spot linéaire. En 3 rayon solaire. En 1 surface réflechissante du réflecteur parabolique En 24 matériau isothermique. En 11 canalisation périphérique de prélèvement de chaleur. En 23 manchon reliant la fenttre 6 et le capteur 4 noyé dans le matériau stocker. En 9, canalisation du fluide caloporteur reliant l'échangeur 8 k la pompe de circulation 7. PL. V, diverses realisations possibles du procédé: aéroport on usine fig. 5; innieuble ou hôtel fig. 6t bassin fig. 7. Dans tous les cas de figure ces réflecteurs peuvent être cylindro-paraboliques eu sphériques. Le faisceau renvoyé par le réflecteur 1 peut converger soit sur un réflecteur secondaire 2 fig. 5, soit sur un capteur 4 fig 6 et 7. Dans ce cas le fluide caloporteur est transmis à l'accumulateur 20 fig. 6 et 7, par le bras orientable 25 portant le capteur 4 fig. 6 et 7. Tous les jeux de combinaisons sont possibles sans sortir du ca- dre de l'invention. La PL. VI, représente la vue en élévation d'une construction habitation possible utilisant le dispositif centrale héliotherxique. Une pièce d'eau 26 est aménagée au pied du réflecteur 1 avélio- rant sous une forte incidence la réflexion globale par l'effet de miroir de la surface de l'eau. Le fond du bassin 27 est réfléchissant et suit la courbe de la parabole augmentant ainsi la surface totale du réflecteur. La planche VII représente la vue en perspective d'une construc- tion habitation simplifiée utilisant le dispositif centrale héliothermique. En 1, réflecteur parabolique. En 4, capteur En 25, support du capteur intégrant les canalisations du fluide caloporteur à l'accumulateur. Le dispositif, objet de l'invention, peut titre utilisé dans tous les cas où l'on a besoin de chaleur, soit pour la climatisation, soit pour la production d'eau ehaude, soit pour la production de froid ou d'électricité. On peut citer de nombrenx exemples: les habitations individuelles ou collectives, tous les types de commerces et d'industries, les bâtiments publics, gares, ports, aérogares et les jardins publics On peut utiliser le dispositif, objet de l'invention, comme centrale électrique de différentes puissanees pour l'alimentation de hameau, village ou ville On peut envisager le branchement de plusieurs centrales entre elles pour additionner leur capacité. - LEGENDE En 1.- Réflecteur primaire En 2.- Réflecteur secondaire En 3. - Rayons lumineux En 4.- Capteur En 5.- Structure de l'accumulateur En 6.- Entre permettant le passage du faisceau à l'intérieur de l'accumulateur En 7. - Pompe de circulation du circuit solaire En 8.- Echangeur du circuit solaire En 9.- Circuit échangeur solaire En 10.- Construction En 11.- Circuit périphérique de prélèvement de chaleur En 12.- Pompe de circulation du circuit périphérique En 13.- Echangeur des sources de chaleur autres que le rayonnement solaire En 14.- Conduit d'alimentation de l'échangeur 13 En 15.- Résistance électrique En 16.- Départ du circuit électrique En 17.- Sol En 18 - Pompe du circuit 14 En 19.- Faisceau concentré En 20.- Matériau accumulateur En 21.- Flèche indiquant le sens de déplacement du capteur par rapport au réflecteur En 22.- Flèche indiquant le déplacement du réflecteur secondaire 2 pour suivre la course du soleil En 93.- Manchon permettant le passage du faisceau de la fenêtre 6 au capteur 4, à l'intérieur de l'accumulateur En 24.- Matériau isothermique de paroi support du réflecteur pri maire En 25.- Support du capteur En 26.- Pièce d'eau En 27.- Fond du bassin réfléchissant En 28.-- Pointillé indiquant le placard technique intégré a' l'intérieur de ltaccumulateur contenant les pompes. En 29,- Flèche indiquant le pivotement du réflecteur secondaire 2 sur son axe. En 30.- Flèche indiquant ie déplacement du réflecteur secondaire 2 par rapport au réflecteur primaire I. - REVENDIC & IONS Dispositif permettant de capter l'énergie solaire, de l'acôumu- ler et de la restituer sous forme de chaleur pour de multiples et diverses utilisations. Pour parvenir à ces trois buts complémentaires le dispositif comprend une partie réflecteur coneentreur, une partie capteur une partie échangeur, une partie accumulateur et une partie restitution de chaleur0 10) Le dispositif est caractérisé par le fait que, dans le cas donne habitationS un mur de la construction est réalisé en forme de parabole et sert de réflecteur concentreur0 La partie réfléchissante remplit les fonctions d'étanchéité et de protection aux intempéries0 En été, elle isole la maison de la chaleur solaire Le mur parabolique peut aussi servir de support à un réflecteur concentreur rapporté0 20) Le dispositif est caractérisé par le fait que, dans le cas d'une habitation la paroi parabolique servant de réflecteur concentreuz peut comporter des portes et des fenPtres. 3 ) Le dispositif est caractérisé par le fait que les portes et les fenttres ainsi placées dans la surface du réflecteur peuvent avoir le même galbe que ce derniers Leur ouverture se fait, soit en glissant latéralement, soit en pivotant verticalement ou horizontalement.La surface des vitres de ces fenttres est légèrement argentée pour permettre la réflexion et la transparence. I1 en va de même pour les portes 4 ) Le dispositif est caractérisé par le fait queà la base du réflecteur principal on peut prévoir au sol un bassin ou toute autre sur- face réfléchissante telle que terrasse en mosaTque de verre, miroirs, ou un bassin dont la surface de l'eau joue le r8le de miroir sous une cer- taine incidence; le fond du bassin pouvant titre lui-même en mosaïque de verre prolongeant la courbe du miroir parabolique et ajoutant ainsi à la réflexion totale. 50) Le dispositif est caractérisé par le fait que le réflecteur coneentreur peut se prolonger au-dessous du niveau du sol de telle sorte que sa surface soit agrandie sans que la hauteur de la construction soit augmentée. 60) Dans certains cas de réalisations, le dispositif est caracté- risé par un réflecteur secondaire placé face au réflecteur parabolique primaire qui renvoie la faisceau lumineux au coeur de l'accumulateur sur le capteur. 7.) Le dispositif est caractérisé par le fait que le réflecteur secondaire ou son support est doté d'un serve-mécanisme permettant de ré gler la distance entre lui et le capteur de fa2en à concentrer plus ou soins le spét à l'ixpact. Ceci pour palier aux écarts de température de réception. Le servo-mécanisme sert également à suivre le soleil dans sa cour se et à incliner le réflecteur pour diriger les rayons du soleil sur le capteur à travers la fenttre bansparente de l'accumulateur. 80) La partie restitution de chaleur est caractérisée par la dis position de diverses canalisations de gaz ou de liquides destinées à pai ser des calories à l'intérieur de l'accumulateur, pour de multiples et diverses utilisations. Ces canalisations placées à l'intérieur de l'accumu- lateur sont disposées à sa périphérie pour abaisser la température au voi sinage des parois isolantes. De cette façon en prenant la chaleur avant qu'elle ne puisse traverser les systèmes d'isolation, on ralentit la dé perdition par conductibilité et par conséquent on soulage le travail des matières isothermiques des parois isolantes. Ainsi, on active et régula rise la répartition de la chaleur dans le volume de l'accumulateur. 90) Le dispositif est caractérisé par le fait que l'accumulateur peut contenir le capteur à l'intérieur de son propre volume, donc à l'in térieur de sa propre enceinte isothermique. Toutes les pertes de charge par conductibilité sont ainsi récupérées directement par l'accumulateur, ce qui contribue à son meilleur chargement, donc à son rendement. îo0) Le dispositif est caractérisé par le fait que le capteur, si tué à l'intérieur de l'accumulateur, est placé derrière une paroi trans parente, à une certaine distance, de façon que le faisceau des rayons so- laires concentrés au passage do la paroi transparente soit suffisamment large pour ne pas provoquer a échaufferent nuisible à la liaison : partie transparente - paroi d'accumulateur. 110) Dans certains cas de réalisations possibles, le dispositif est caractérisé par la variation de la surface de concentration sur le capteur obtenue en faisant reculer ou avancer ce dernier. 12 ) Dans certains cas de réalisations possibles, le dispositif est caractérisé par le fait que la partie transparente permettant aux rayons solaires de pénétrer à l'intérieur de l'accumulateur sur le cap tour peut être une lentille de FRESNEL. Dans les autres cas, on peut uti liser des verres plan ou de simples lentilles. 13e) Le dispositif est caractérisé par le fait que l'échangeur thermique est toujours placé à l'intérieur de llaccumulateur, enon son mi- lieu géométrique, de façon à ce que la partie la plus chaude de l'aecu- mulateur soit la plus éloignée des parois. 140) Le dispositif est caractérisé par le fait qu'une pompe de circulation du fluide caloporteur et le moteur de cette pompe sont placés à l'intérieur de l'accumulateur de telle sorte que les pertes de charge par conductibilité soient récupérées par lSaccumulateur ainsi que les calories dégagées par le moteur lui-mtmeo La pompe est placée dans un compartiment étanche à proximité de la paroi, dans la zone de plus faible température. 150) Le dispositif est caractérisé par le fait que les conduite caloporteurs vont du capteur à 124ehangenr en passant par la pompe et reviennent au capteur sans sortir de loacewsuiLenrO 160) Le dispositif est caractérisé par le fait qu'une trappe est aménagée dans la paroi de l'accumulateur pour permettre lsentretien éventuel de la pompe et du moteur, ainsi que des diverses canalisations. Cette trappe sert au chargement et au déchargement éventuels du matériau accumulateur. Le couvercle de cette trappe constitue une paroi isolante. Cette trappe permet le passage d'un homme pour d'éventuels travaux; 170) Dans certains cas de réalisation le capteur est placé en face du réflecteur concentreur primaire à son point de convergence Ce dispositif permet une plus grande polyvalence du bâtiment dans le sens où il ne fixe pas la position de l'accumulateur. Dans ce cas onstilise pas de réflecteur secondaire. 180) Le dispositif se caractérise par le fait qu'en appliquant le mime principe et seulement en changeant la grandeur, donc la capacité et les performances des différents éléments, on change les performances de lVensembleO On peut ainsi employer le dispositif pour fournir en énergie divers ensembles comme des immeubles, des aérogares, des hôtels, des h8pitaux. Dans le cas d'aérogare, le réflecteur a une forme de parabole sphé- rique ou cylindrique et constitue le toit et une partie des parois de la construction. Une tour mobile portant le capteur est située au centre de la pa racole Cette mobilité sert à suivre le soleil dans sa course et permet de régler la convergence du spot Dans d'autres cas de réalisation un réflecteur secondaire renvoie le faisceau au coeur de l'accumulateur. Dans certains cas de réalisation lSensemble peut se présenter sous forme de bassin décoratif de diverses formes. Cette forme de centrale thermique permet de doter des maisons déjà construites d'un dispositif solaire. Ce bassin peut titre seulement décoratif et ne pas contenir d'eau. I1 peut aussi contenir de l'eau et, dans ce cas la forme de la parabole se modifie pour panier au changement de direction des rayons solaires pénétrant dans l'eau. 190) Le dispositif est caractérisé par le fait que l'accumulateur peut recevoir de la chaleur de multiples et différentes sources0 Par exemple, les différentes sources de récupération de déchets thermiques propres à ltensemble que sert le dispositif. 200) Le dispositif est caractérisé par le fait que l'accumulateur peut fournir le chauffage, la climatisation par une réfrigération à source de chaleur et l'électrieité par l'intermédiaire d'un moteur thermique fonctionnant à basse température. 210) L'accumulateur est caractérisé par le fait qu'il comporte une sortie haute permettant d'évacuer l'évaporation due à l'humidité, à travers un isolant thermique filtrant (tel que laine de verre). Dans le fond de l'accumulateur se trouve un orifice d'évacuation destiné à la condensation, cette évacuation se fait à travers un siphon rempli d'eau, mm- ni à sa sortie d'un clapet flotteur soulevé par le trop plein d'eau de condensation.Après évaporation totale de lthumidité contenue dans l'aecuru- lateur et dans le cas où l'eau contenue dans le siphon faisant clapet s'é vaporerait, -le clapet flotteur obturerait cette évacuation et emptcherait la circulation d'air dans l'accumulateur. Le fond de l'accumulateur est en plan incliné vers le siphon d'évacuation de condensation. Le plafond de l'accumulateur est en plan i-ncli- vers la sortie évaporation. La sortie évaporation rejoint la sortie condensation dans le siphon, par un circuit fermé direct. Pour des raisons de rapport volume de stockage, surface de déperdition, l'accumulateur peut être de forme sphérique ou cylindrique ou de toute autre forme géométrique. Dans le cas où l'accumulateur est de forme sphérique ou cylindrique l'isolement thermique peut & re mixte entre la paroi externe et la masse constituant l'accumulateur. La paroi constituant l'accumulateur est revêtue dé matériau isolant et la surface de la masse constituant l'accumulateur est également recouverte de matériau isolant. Le vide est fait dans l'espace réservé entre ces deux parois. Ce type d'accumulateur a la particularité de pouvoir monter en température La masse de l'accumulateur sphérique peut titre constituée soit par du béton armé maintenu au centre de la nasse isolante par des supports métallique ou plastique centreurs isothermiques, soit un container sphérique placé au eentre de l'enveloppe isothermique dans les mêmes conditions que la boule de béton. Ce container peut titre rempli de divers matériaux steckeurs de chaleur. 220) Le dispositif est caractérisé par le fait qne l'accumulateur peut se placer à différents endroits Il peut occuper le dessous de la construction. Son emplacement peut titre mixte, c'est-à-dire, occuper ledessous ou une partie du dessous et faire saillie à lgintérieur de la construction à un emplacement choisi en fonction de la distribution de la construction. I1 peut occuper également à l'intérieur de la maison un volume accollé au mur périphérique. Il peint aussi se trouver à lgesté- rieur contre la maison. I1 peut aussi se trouver dans une tour verticale à effet décoratif. Il peut également se trouver à l'intérieur, plus ou moins au centre de la construction.Dans certains cas l'accumulateur peut être enterré à l'extérieur de la maison ou bien rapporté à cgté de la maison. 23 ) Le dispositif est caractérisé par le fait que l'accumulateur peut avoir une forme pyramidale contribuant à améliorer la résistance transversale aux secousses sismiques. 240) Le dispositif est caractérisé par le fait que dans certains cas de réalisation les pompes de circulation des fluides caloporteurs sont situées à l'intérieur -de l'accumulateur derrière la paroi isothermique. Ces pompes sont entrainées par des moteurs électriques situés à l'extérieur de l'accumulateur, hors de l'enceinte isothermique, dans un placard technique La liaison moteur - pompe à travers la cloison iso- thermique se fait par une transmission homocinétique dotée d'un joint isothermique. Ainsi, il sera possible d'utiliser des moteurs communs facilement refroidissables alors que les pompes garderont les calories du fluide caloporteur à l'intérieur de l'enceinte tsothormiquo 250) Le dispositif est caractérisé par l'adjonction d'une chau- diète polyvalente. Cette chaudière peut fonctionner avec différents combustibles: ordures ménagères, broussailles de jardin, fuel, charbon, bois gaz, etc... Cette ehaudière alimente un échangeur commun pouvant aussi récupérer les calories provenant d'une- cheminée 260) Le dispositif est caractérisé par le fait qu'un thermostat de contr8le déclenche automatiquement le démarrage de la chaudière lorsque la température au coeur de l'accumulateur baisse au-dessons d'un certain niveau.