Brevet FR2397605A1 — publié le 19790209

La présente invention concerne la surface d'échange des capteurs d'énergie thermique solaire du type plan, sans concentrateur, destinés à chauffer un liquide, et utilisés en particulier pour le chauffage des locaux d'habitation. Dans des dispositifs de captage connus de ce genre, o remarque que les améliorations portent principalement sur le rapport rendement/cout, au détriment de l'esthétique. Les revêtements sélectifs sont en effet de couleur sombre, et, de ce fait, difficile à intégrer dans l'environnement. Par ailleurs, un meilleur rendement thermique s'obtient, entre autres, par I'emploi de matériaux à coefficient de conductivité élevé, tel que le cuivre ou l'aluminium. Pour garantir la longivité des structures, l'acier inox est parfois adopté, malgré ces faibles qualites de transmission thermique. Tous ces matériaux sont d'un coût d'achat élevé ou sont difficiles à mettre en oeuvre. La La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients. est Elle/caracterisee principalement par le fait que la structure absorbante est constituée par un faisceau de lames parallèles, non jointives et horizontales. De ce fait, l'aspect général de ces structures rappelle des "lames de persienne". Ces dispositions font aussi que les surfaces inférieures sont seules visibles pour un observateur regardant la toiture sous réserve cependant que ladite toiture soit au-dessus de l'horizon de Itobservateur. Dans des variantes de réalisation, les deux arêtes longitAdinales de chaque lame peuvent se situer dans des plans horizontaux différents. Pour réduire l'inertie des capteurs , et améliorer le rendement, une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait que les lames métalliques sont creuses et constituent des tubulures de section plate. Le drainage thermique est assure par circulation directe du fluide caloporteur dans les lames. Dans le cas d'utilisations de lames massives, le fluide capot porteur circule dans des collecteurs thermiques soudes derrière les lames. Les lames tubulaires sont préférentiellement réalisées en materiaux bons conducteurs thermiques. L'expérimentation permet cependant de constater que des structures absorbantes de même géométrie, réalisées en tôle métallique de faible épaisseur, ont, pour des résistances mécaniques voisines, des performances thermiques sensiblement identiques, quelque soit la nature du métal. Une autre caracteristique de l'invention réside donc dans l'uti- lisation du fer blanc comme métaîcùnstitutif des lames tubulaires, sont faible coût compensant avantageusement 1 'augmentation du prix de revient de construction dù à la multiplicité des lames et à l'accroissement des surfaces d'échange. Les surfaces planes des lames tubulaires ne permettent pas une bonne tenue aux pressions de fluide auxquelles les capteurs sont généralement I soumis (pressions engendres par la pompe due circulation, circuit de charge du vase d'expansion, colonne de fluide consécutive à la hauteur du pan de t captage). Aussi, une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait que le fluide caloporteur n'est soumis, au plus, qu'à la pression atmospherique augmentée du poids d'une colonne de liquide d'une hauteur telle que la tenue mécanique des parois des lames et/ou des collecteurs thermiques soit assurée, à ltexclusion de toute autre contrainte. Pour cela, le pan de captage est fractionné en éléments de hauteur compatible avec la hauteur de colonne de liquide souhaitée. Le liquide circule de la ou des lames tubulaires infé rieurs à la ou aux lames tubulaires supérieures d 'un élément, l'évacuation d'un élément s'écoulant librement dans l'admission d'un élément placé à un niveau inférieur.Il en est de même pour les collecteurs thermiques des lames massives. D'une maniere plus imagée, la circulation du liquide se fait "par débordement" dans chaque élément > et en "cascade" entre éléments. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront dans la description qui va suivre; faites en regard du dessin annexé, et donnant à titre explicatif et nullement limitatif des formes de realisation conformes à 1 'invention. Sur ce dessin : La figure I représente le mode de tracé des lames en fonction de la pente du pan de captage et de la latitude du lieu. La-figure 2 représente la disposition des lames sur un pan à faible pente. La figure 3 represente la disposition des lames sur un pan à forte pente. Les figures 4 et 5 représentent d'autres dispositions lorsque l'observateur a peu de recul devant le pan de captage. Ces quatre dernières figures representent des dispositions à lames tubulaires, la figure 6 en donne le détail d'une section droite. Les figures 7, 8 et 9 représentent différentes formes de lames massives sur pan à 450. La figure 10 représente une vue perspective de trois quarts arrière d'une structure à lames pleines assemblées sur un collecteur thermique. La figure 11 représente le mode de raccordement hydraulique. La figure 12 représente les principaux éléments composant un capteur à lames tubulaires constituées detubes oblongs. La figure 13 represente les principaux éléments composant un capteur à absorbeur plan. Un pan de captage P, ayant une pente sur lthorizontale, I = 450, est situé en un lieu de latitude L = 500. Aux équinoxes, les rayons solaires frappent la terre sous un angle au-dessus de l'horizon égal à la latitude, =L Aux solstices, les hauteurs solaires sont de plus ou moins 230 environ. L'angle au-dessus de l'horizon est donc en hiver Sh = 27 et en été Se = 73 . On dispose des lames horizontales 10 de telle sorte que l'arête avant II de l'une IO.I et l'arête arrière 12 d'une autre 10.2, située immédia temant dessous coTncident avec les lignes MN parallèles, inclinées sur l'hou zontale de 270 et situées dans le plan de déclinaison solaire du solstice d'hiver. Les arêtes arrière 12 se confondent avec le plan P. Dans ces conditions de tracé, la totalité des surfaces supérieures 13 des lames est insolee en hiver. La totalité des projections des surfaces 13 sur le plan P, selon l'angle d'incidence des rayons solaires au solstice d'hiver est égale à la surface dudit plan P. En été, seules tes parties avant 14 de chaque lame sont insolées, mais la totalité des projections des surfaces 14 sur le plan P, selon l'angle d'incidence des rayons solaires au solstice d'été est lui aussi egal à la surface dudit plan P. Les parties inférieures des lames 10 ne sont jamais insolées. Un observateur V, restant sous l'horizon du capteur, ne distingue que ces faces inférieures. Elles peuvent donc être peintes en harmonie avec l'environnement. Les surfaces supérieures quant à elles reçoivent le traitement adéquate pour une absorption optimale des rayons solaires. Les essais ont montre, que contrairement à ce que l'on aurait pu craindre, le rendement de ces capteurs est au moins identique à des capteurs plans classiques. Dès que l'observateur s'élève au-dessus du plan Q, passant par la face supérieure des lames, il aperçoit la surface absorbante. Selon le relief environnant, l'inclinaison du plan Q peut donc être différente de l'horizon- tale, et en particulier se situer au-dessus de l'horizontale H d'une valeur e. Cette inclinaison ne peut cependant que rester faible, maximum 100 sous peine d'un trop grand rapprochement des laines. L'exemple donne concerne un pan de captage incline de I = 45 sur l'horizontale, cas -le plus fréquent des capteurs en toiture. Si cette pente I = 300 (figure 2), pour une mme largeur 13 de lame, la distance D1 est plus grande que D pour I = 450, afin de respecter l'insolation totale des lames. Pour une pente I = 600 (figure 3), la distance D2 est plus petite. La disposition des lames telle que décrite ci-dessus n'est JUsti- fiée que pour des capteurs en toiture -cas de la figure 2- ou en terrasse -cas de la figure 3-. t Si le capteur est placé au sol, selon une pente généralement conseillée en France de I = 600, un observateur ne peut pratiquement pas voir le dessous des lames. Il en est de même pour les capteurs muraux ou I = 900. Dans ces cas, l'inclinaison des lames peut tendre vers la normale aux rayons solaires M'N' à une periode privilégiée, telle que, par exemple, le plan de déclinaison moyenne Equinox-Soîstice d'hiver (figure 4). La face frontale 15 sera avantageusement peinte en clair pour que l'aspect général du pan de captage apparaisse moins sombre. Fréquemment, le recul devant une toiture n'est pas suffisant pour justifier une structure à lames horizontales. On peut se contenter alors de structures dont les lames sont inclinées selon un plan Q' (figure 5) passant par le point d'observation V' de plus grand recul possible. Dans la moyenne des cas, un angle de 300 sur l'horizontale convient. Les parties frontales 16 sont alors peintes dans une teinte differente de celles des surfaces absorbantes. Il est à noter que le coOt de construction de ces capteurs est plus faible que ceux à lames horizontales, le nombre de lames étant nettement réduit Les calories produits par le rayonnement solaire au contact de la surface supérieure des lames sont évacuées de deux manières. I. en faisant circuler le liquide caloporteur directement sous la surface des lames. Ces lames sont, soit des tubes de section oblongue tres allongée (figure 12) soit des volumes creux dont la section transversale est assimilable à un polygone applati dont au moins deux faces sont sensiblement parallèles (figure 6). Elles sont constituées d'une bande de tole 17 repliée sur elle-même en 18 ; une tombée commune des bords 19 et une soudure 20 de ces deux bords assurent lWetanchelte et la rigidité des lames. Le premier pli 18 peut être remplacé par une autre tombee commune des bords 19' tels que representes figure 4.Ces modes de réal i sati on permettent d'obtenir des lames rigides malgre des épaisseurs intérieures pouvant descendre à I mm pour des largeurs courantes de 100 mm, le métal employé ayant une epaisseur de 0,2 mm. Etant donne que le rapprochement des lames et leur quantite déterminent le cout de fabrication, leur largeur ne peut guere être inférieure a 30 mm. Par ailleurs, le film de liquide caloporteur devant être le plus fin possible, une épaisseur intérieure de 3 mm est un maximum. 2. en fixant les lames à des tubulures parcourues par le liquide caloporteur, les calories sont alors transmises à ces tubulures collectrices par conduction. Une disposition préférentielle est représentée figure 1Q, où ces collecteurs 21 sont disposes perpendiculairement aux lames 10 et derriere celles-ci. La liaison thermique est obtenue par soudure des surfaces 22 sur la paroi 21.1 des collecteurs. Les faces internes 21.2 sont soudées après assemblage et fixation de toutes les lames 10. La peinture des lames en deux teintes présente quelques diffi- t cultes pratiques. Pour pallier à cet inconvénient, les lames sont réalisées de telle maniere que chaque côté ne reçoive qu'un seul depôt. La figure 9 montre un mode de réalisation ou les surfaces 23 et 24 sont couvertes en une seule passe de pistolage tandis que la face 25 peut être pistolée sans que la surface 22 ne-soit atteinte. Les lames représentées figure 8 possèdent un repli 27 qui reçoit une couche de peinture, tandis que les surfaces 26 et 28 reçoivent les revêtements absorbants. Apres montage, les replis 27 cachent à la vue les surfaces 28.Le repli 27 peut être avantageusement remplacé par de une bande 29 (figure 6 Y ou 30 (figure 5) Jmateriau bon marche tel que fer blanc peint, papier fort, ou carton de couleur. Grâce aux bords tombes 31, ou au mode de fixation par coincement (figure 5), ces bandes peuvent être montées en dernier lieu en fonction de la couleur desirée. Pour réduire le coût matière, diminuer l'inertie thermique et augmenter le rendement, les matériaux des parois d'echange doivent être bons conducteurs thermiques et être utilises en epaisseur la plus fine possible. La configuration des lames tubulaires necessite par contre une resistance mecanique maximum. Des essais ont montré que des structures dont les lames sont fabriquees à partir de feuilles de cuivre de 0,3 mm ont un rendement thermique identique à des structures de même géométrie mais réa- lisée à partir de fer blanc de 0,2 mm (tôle d'acier doux étamé). De plus, les lames en fer blanc se déforment moins sous l'effet de la pression du liquide caloporteur que les lames en cuivre. Le fer blanc, matériau tres bon marché, est mis en oeuvre selon les mêmes techniques que le cuivre. Il présente cependant une mauvaise tenue à la corrosion, en particulier en présence de liquide caloporteur à base d'eau ; mais certaines méthodes permettent de s'affranchir de cet inconvénient: Le circuit hydraulique est agencé de telle manière qu'il ne concerne qutun petit nombre de lames (ou une faible hauteur de collecteurs). Ce fractionnement est défini par le mode de réalisation des structures. La figure Il donne une idée de ce concept ou plusieurs éléments ABCD... sont superposés et juxtaposes à d'autres éléments A'B'C'D'... pour former un pan de captage. Chaque élément est limité à une hauteur R. Le liquide caloporteur pénetre dans l'élément A au point bas 32 et en ressort en 33 au point haut. I1 alimente ensuite l'élément B à son point bas 34 pour sortir à son point haut 35 puis rentrer dans C en 36, en sortir en 37, rentrer dans D en 38 et sortir définitivement en 39 La hauteur de colonne de liquide est, dans chaque élément, de Rt, compte-tenu d'une perte de charge qui nécessite une surpression d'une valeur t pendant la circulation du liquide caloporteur. La pression maximum, dans la lame inférieure de chaque élément est donc Rt. Afin d'éviter tout siphonnage d'un élément à l'autre, les entrées de liquide sont mises à l'air par un tube en matiere plastique 40 assujetti en 41 sur les coudes d'entrée 42.Les liaisons sortie-entrée entre éléments sont faites par des tubes de matiere plastique 43 tels que polyamide. Pour éviter une perte de charge trop élevée, plusieurs lames peuvent évidemment être.aiimentées en parallèle. Dans le cas des collecteurs verticaux, tels que 21 figure 10, une alimentation en parallèle est préférable, les admissions se faisant par le bas en 44 et les évacuations par le haut en 45. Le circuit entre éléments est du même type que celui décrit ci-dessus. Un autre mode d'alimentation consiste à alimenter en série ou en parallèle les éléments placés à un meme niveau tel que D - D' - D'. Il va de soi que des obturations sont pratiquées dans les collecteurs 46 pour obliger le liquide à passer successivement dans toutes les lames ou groupe de lames. Dans ces conditions d'alimentation par écoulement libre, les epais- seurs de métal sont réduites considérablement, ce qui a d'ailleurs pour consé- quence, outre un coût matière réduit, une tres faible inertie à ltensoleille- ment et un rendement accru. Des lames réalisées en fer blanc de 0,2 mm d'épaisseur et d'une largeur de 60 mm ne subissent aucune déformation appréciable sous une colonne d'eau de 1 metre. Pour les lames massives, les épaisseurs sont limitées par la résistance à la flexion du métal. Avec un profil tel que celui représenté figure 8 et une largeur de 60 mm (espacement des lames = 20 mm pour I = 45"), une feuille d'aluminium écroui de O,I mm est suffisamment rigide. Ces différentes structures sont utilisables en lieu et place de la plupart des surfaces absorbantes classiques pour capteur plan. Elles présentent sur celles-ci un taux de réémissivité très nettement diminué, ce qui leur confère un bon rendement thermique. Les surfaces absorbantes rayonnent en effet en infra-rouge vers l'espace. Or, on sait que ce rayonnement ne suit pas les lois de l'optique, et que l'émission est proportionnelle au cosinus de l'angle d'incidence. L'émission est donc maximum lorsque l'angle d'incidence est normal à la surface. Dans une disposition telle que représentée figure 12 pour un flux lumineux F, normal à la surface de la couverture 47, la lame 48 reçoit une partie de ce flux sur une surface de largeur a. La chaleur produite au contact de la portion de paroi a est immédiatement évacuée par le liquide caloporteur 49 circulant dans la lame. De par son ilébit, le fluide caloporteur s'échauffe à une certaine température portant l'ensemble de la lame à cette même température. Elle rayonne alors à son tour dans l'infra-rouge en fonction de cette température, et sur toute sa surface. Or, la majeure partie de cette rémission est piégee par les lames voisines 50 et 51, et par la paroi de fond 52, derriere laquelle est disposée un isolant thermique 53 (cette plaque de fond 52 est peinte de la même couleur que le dessous des lames). Seule la portion de lame r rayonne vers la couverture 47. I1 n'est tenu compte, dans ce raisonnement que des rayonnements normaux aux surfaces. Pour un capteur classique (figure 13), le flux F echauffe dans les mêmes conditions l'absorbeur 54, qui, drainé par le liquide caloporteur 55, rayonne selon la température à laquelle ledit liquide est porté. Mais ici, la réémission Infra-Rouge se produit sur toute la surface avant de l'absorbeur On comprend aisément que, dans des structures å lames tubulaires ou à lames pleines, selon la présente invention, la réémission est d'autant plus faible que l'angle e (figure 1) est plus grand. Le taux de rémission est minimum lorsque le plan Q se confond avec MN et que MN se trouve être le plan de déclinaison solaire du moment. Il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents sans sortir pour cela du cadre dé l'invention. REVENDICATIONS J 1. Structure absorbante pour capteur solaire plan, pour le chauffage de liquide caloporteur, caractérise en ce qu'elle est constituée d'un faisceau de lames dont ltune ou les deux arêtes longitudinales sont situées dans des plans horizontaux et parallèles. 2. Structure absorbante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les lames sont disposées de telle manière que les plans passant par l'arête avant de chacune desdites lames et l'arête arrière de chacune des lames situées immédiatement dessous se confondent sensiblement avec le plan de déclinaison solaire du solstice hiver. 3. Structure absorbante selon la revendication I, caractérisée en ce que la face supérieure des lames est traitée sélectivement pour absorber les rayons solaires et les faces inférieures et/ou frontales sont teintees selon des critères d'harmonie. 4. Structure absorbante selon la revendication 1 caractérisée en ce que les lames sont des tubes de section oblongue tres allongée. 5. Structure absorbante selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section des lames est un polygone creux et ferme, présentant au moins deux grands côtes sensiblement parallèles et rapprochés. 6. Structure absorbante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les lames sont en materiau massif. 7. Structure absorbante selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le rapport longueur/largeur de la section des lames tubulaires est au moins égale à IO/I. 8. Structure absorbante selon la revendication 3, caractérisée en ce que des bandes de matériaux teintés selon des critères d'harmonie cachent les parties inférieures des lames. 9. Structure absorbante selon la revendication 8 caractérisee en ce que le matériau constitutif des bandes est un carton ou un papier fort. 10. Structure absorbante selon la revendication 8, caractérisée en ce que le matériau constitutif des bandes est du Fer Blanc 11. Structure absorbante selon la revendication 6, caractérisée en ce que les lames massives sont liées thermiquement à des lames tubulaires. 12. Structure absorbante selon la revendication 4 > 5 ou IIs carac trisse en ce que les lames sont en tôle de Fer Blanc (acier étamé). 13. Structure absorbante selon la revendication 4, 5 ou 1I, carac térisée en ce que les lames tubulaires sont raccordées hydrauliquement à chacune de leurs extrêmites de telle manière que le liquide caloporteur circule sous pression atmosphérique d'une ou de plusieurs lames situes en partie basse du pan de captage à une ou plusieurs lames situées en partie plus haute. 14. Structure absorbante selon la revendication 1, 4, 5 ou 11, caracterisée en ce que, étant réalisée en éléments superposables, et/ou selon un fractionnement hydraulique, lesdits éléments ou fractionnements sont raccordes hydrauliquement de telle maniere que le fluide évacué par un élément ou un fractionnement s'écoule librement, sous pression atmosphérique dans l'admission d'un élément ou un fractionnement situé dessous lesdits sus nommés. 15. Structure absorbante, selon la revendication 13 ou 14, carac térisée en ce que plusieurs lames sont groupées hydrauliquement en paralleles. 16 Structure absorbante selon la revendication 13 ou 14, caractérisee en ce que les lames sont raccordées en série dans chaque élément ou fractionnement hydraulique, ou entre éléments ou fractionnements hydrauliques situes à un même niveau dans le pan de captage. 17. Structure absorbante selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que les raccordements hydrauliques comportent une prise d'air à la partie superieure de chaque lame ou chaque groupe de lames. 18. Structure absorbante selon la revendication 6, caractérisée en ce que les lames se-Jouxtent par leurs surfaces de fixation. 19. Structure absorbante selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les lames se jouxtent par leurs faces etroites ou leurs aretes.