Brevet FR2426222A1 — publié le 19791214

La présente invention concerne un collecteur solaire à écoulement laminaire. Le collecteur de forme plate ou à écoulement laminaire selon l'invention délimite un mince film d'eau dont l'épaisseur est de Tordre de 1 inin et dont la surface S est égale à la surface totaledu collecteur qui doit être réalisé, cette surface étant aussi proportionnelle a la quantité d'énergie solaire qui doit être collectée. En pratique, ce mince film d'eau est obtenu par réalisation d'un réservoir ou boitier de forme prismatique dont les deux faces de grande surface sont séparées par une très faible distance. Le confinement de ce film d'eau nécessite que les deux feuilles qui forment les faces du réservoir soient fermées hermétiquement sur les côtés libres. Une face du réservoir de forme plate est exposée aux radiations solaires et, pour des raisons bien connues, elle doit etre formée drune matière ayant de bonnes propriétés de transmission de chaleur, de préférence métallique. En outre, cette face doit être revêtue d'une matière quelconque (telle qu'une peinture) qui accroît le coefficient d'absorption de l'énergie solaire. Le réservoir de forme plate, comporte en outre une entrée et une sortie d'eau dans lesquelles est disposée la commande thermostatique de la circulation laminaire. Des séparateurs sont placés entre les deux faces métalliques du réservoir, afin que ces faces soient séparées par une distance de l'ordre de 1 mm, ces séparateurs dépendant dans une certaine mesure de la dimension du collecteur et de la nature des matières utilisées. Le collecteur comprend un réservoir de forme plate ou à ecoulement laminaire du type décrit et des éléments connus tels que la chaleur collectée n'est pas transmise a l'atmosphère ambiante (perte de chaleur). Pour cette raison, le réservoir comporte une isolation thermique sur sa face arrière et ses côtés et, au-dessus de lui, un espace contenant de l'air est délimité par une feuille de verre ou d'une matière plastique. L'ensemble est placé a l'intérieur d'une structure externe ou maintenu en position dans une telle structure, formée de matières diverses. Le collecteur doit être mis en position afin que la plus grande partie de l'énergie solaire puisse parvenir sur la face assombrie. Normalement, le collecteur est placé d'un premier côté et la face absorbante est inclinée suivant la lattitude, le moment de l'année, etc., de manière connue. L'entrée d'eau froide se trouve au fond et la sortie d'eau chaude pres de la partie supérieure et comporte une commande thermostatique. On considère maintenant le fonctionnement du collecteur à commande thermostatique. La théorie du fonctionnement de ce collecteur, sous sa forme la plus simplifiée, est la suivante.L'énergie solaire qui parvient sur le collecteur chauffe la face absorbante et, comme cette face est métallique et assure une bonne transmission de la chaleur, notamment du fait de sa tres faible épaisseur, la chaleur est transmise à toute la surface du film d'eau qui est au contact de la surface interne de la face absorbante et baigne la to talité de cette surface. Pour cette raison, lteau s'échauffe. Comme la masse d'eau par unité de surface absorbante est très faible, la température de l'eau augmente rapidement et forme un courant laminaire d'eau chaude vers le haut du collecteur étant donné la faible masse volumique de cette eau. On peut noter que l'eau chaude s'accumule d'elle-même d la partie supérieure du réservoir, dans sa position normale inclinée de fonctionnement, alors que liteau froide descend d'elle-même vers le fond. L'eau chaude ouvre la commande thermostatique qui permet le passage de cette eau chaude. Cette commande thermostatique peut être régulée afin que la température et le débit aient la valeur voulue. Lorsque l'eau chaude obtenue est retirée du collecteur et lorsqu'une proportion égale d'eau froide pénètre, on constate- que, comme de l'énergie solaire est absorbée de façon continue et comme l'eau s'échauffe, il se forme un écoulement laminaire d'eau dans le réservoir, du bas en haut de celui-ci, assurant en réalité la collecte d'énergie solaire. On considère maintenant les avantages du collecteur à écoulement laminaire ayant une commande thermostatique. D'abord, le collecteur est de construction simple et il est le moins coûteux de tous ceux qu'on puisse connaître. Ensuite, les matériaux de construction peuvent entre choisis, et la feuille métallique du réservoir peut être formée de cuivre, d'aluminium, d'acier galvanisé, d'acier inoxydable, etc., suivant la qualité finale voulue et le coût relatif. Le rendement total obtenu pour la collecte de 1'anergie solaire est maximal compte tenu de la surface du collecteur de forme plate. Le réservoir est hermétique et il n'existe pas de perte-par vaporisation ou autre, affectant la qualité absorbante de la surface ou provoquant la formation d'un voile sur du verre. La quantité d'eau introduite et la quantité d'eau extraite peuvent facilement être réglées de même que la température, suivant les quantités d'énergie qui peuvent être collectées. L'opération est réalisée par réglage du thermostat et réglage de la différence de hauteurs de l'eau dans des ré- servoirs de niveau constant, transmettant de l'eau froide à l'installation. Le collecteur présente des avantages économiques par rapport aux collecteurs à plaques planes et comprenant des tubes Butant donné le coût réduit de construction, le faible coût de la matiere et le rendement élevé de collecte d'énergie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en plan d'un exemple de collecteur solaire à écoulement laminaire selon l'invention - la figure 2 est une coupe suivant la ligne A-A' de la figure 1 - la figure 3 est une coupe agrandie suturant la ligne B-B' de la figure 2 - la figure 4 est une perspective du collecteur de la figure 1 - la figure 5 est une élévation schématique d'une installation comprenant un collecteur selon l'invention - la figure 6 est une élévation latérale de l'installation de la figure 5 - la figure 7 est une vue en plan de I'lnstallation de la figure 5 , - la figure 8 est une perspective de l'installation des figures 5 à 7 - la figure 9 est une élévation schématique d'une installation comprenant un collecteur et un réservoir placés tous deux sur un toit ; - la figure 10 représente une installation comprenant un collecteur selon l'invention, placé sur un toit, alors que le réservoir n'est pas placé sur le toit ; et - la figure Il représente une variante de réservoir de siphonnage de l'installation de la figure 10. Sous sa forme la plus simple, le réservoir à écoulement laminaire ou de forme plate selon ltinvention est réalisé avec une feuille métallique de dimension normalisée utilisée dans de nombreuses applications courantes. Cette feuille uniqtie est repliée en deux et elle est fermée de façon étanche sur les trois côtés libres. Cette fermeture étanche dépend de la nature de la-matière en feuille qui est choisie pour des raisons de prix et de qualité. L'opération de fermeture étanche est très simple car la feuille mince ne présente pas de différence d'épaisseurs ni de configurations sur les bords libres. Cette fermeture étanche peut être réalisée par soudage, formation de-brides simples ou à l'aide de matières d'étanchéité. La figure 1 représente un tel réservoir, portant la référence 10. Ce réservoir qui a une face assombrie 11, par exemple peinte, a ses deux feuilles maintenues à distance par des organes séparateurs 16, et les deux feuilles sont maintenues par des rivets 12 dans le mode de réalisation représenté. Le réservoir comporte une entrée 14 et une sortie 15, cette der nière étant munie d'une commande thermostatique 13. La fixation des deux demi-feuilles du réservoir, å une distance de ltordr: du millimètre, peut être réalisée de différentes manières, non seulement.a l'aide des organes ou pinces d'entretoise ou séparations 16 représentés sous forme de rivets, mais aussi par soudage ou boulonnage, accroissant aussi la rigidité mécanique du réservoir. On peut aussi le cas échéant utiliser deux feuilles métalliques, associées de façon etanche sur leurs quatre ctés, par mise en oeuvre de procédés analogues. Des nervures peuvent aussi être utilises afin qu'elles accroissent la rigidité des feuilles dans le cas de feuilles très minces ou de très grande dimension. La commande thermostatique 13 est disposée près de la sortie du collecteur et elle est solidaire de ce dernier. D'autres types de feuilles métalliques non plates (par exemple ondulées, courbées, à rainures, etc.) peuvent être utilisés, mais les feuilles doivent toujours être mises à une distance de l'ordre de 1 mm et les côtés libres doivent être fermés afin que le réservoir formé ait une fonction toujours analogue. Pour des raisons de construction, la dimension normale d'un tel réservoir est d'environ 1 m2, et plusieurs éléments peuvent être associés afin qu'ils permettent une collecte d'une plus grande quantité d'énergie. La commande thermostatique se trouve toujours à la sortie du collecteur final. Le collecteur à écoulement laminaire qui est représenté peut être utilisé dans diverses applications telles que le chauffage de l'eau pour les applications domestiques et industrilles, etc., le chauffage des habitations et des bâtiments industriels, et le chauffage dans des applications spéciales (séchoirs etc.). De telles installations peuvent aussi être associées à d'autres dispositifs de chauffage de type électrique ou brûlant un combustible, permettant la compensation des variations de l'énergie solaire. On considère maintenant la mise en oeuvre d'un tel collecteur de forme plate, à écoulement laminaire et à commande thermostatique, destiné à donner de l'eau chaude pour des applications domestiques, le chauffage industriel, etc. Les figures 5 à 8 représentent une installation qui comprend un collecteur 2 de forme plate, à écoulement laminaire du type déjà décrit, et un réservoir I a niveau constant qui alimente en permanence le collecteur par l'entrée inférieure. Une commande thermostatique 4 (du type à soufflet) est montée à la sortie du collecteur, dans la tuyauterie de sortie qui transmet l'eau chaude à un réservoir de stockage 3 qui est totalement isolé thermiquement et qui comporte aussi des tuyauteries isolées destinées à rejoindre la zone d'utilisation. On considère maintenant la mise en oeuvre du collecteur, en référence aux figures 9 à 11. L'eau froide d'un réservoir 1 à niveau constant pénètre dans le collecteur 2 et, lorsque celui-ci absorbe de l'énergie solaire, l'eau s'échauffe et remonte vers la sortie. L'eau chaude assure la dilatation du soufflet thermostatique 4 qui laisse alors sortir l'eau chaude vers le réservoir 3 qui est isolé thermiquement. Lorsque l'énergie solaire cesse de parvenir, l'eau du collecteur se refroidit et le soufflet thermostatique se ferme, le réservoir à niveau constant empêchant l'entrée d'eau par commande à l'aide d'un dispositif à flotteur. Le rendement du collecteur de forme plate selon l'invention (commue celui de tous les collecteurs à plaques planes) dépend de la température de l'eau introduite. Lorsque cette température augmente, le rendement énerghtique diminue très nettement. Les figures 9 à 11 indiquent que l'eau entrante se trouve toujours à la température de l'eau de la canalisation ou du réseau, c'est-à-dire que le rendement du collecteur reste constant. Ensuite, dans le réservoir 3, seule l'eau chaude, dont le débit et la température dépendent de la régulation thermostatique et de la différence de hauteurs avec le réservoir à niveau constant, peut pénétrer. Enfin,la canalisation d'eau froide n'introduit pas d'eau en permanence dans le collecteur et ne refroidit donc pas l'eau chaude du réservoir comme dans de nombreuses autres installations (à circulation par thermosiphon). On considère maintenant des variantes utilisées dans des applications particulières, notamment lorsque le réservoir se trouve sous le toit, en référence aux figures 10 et 11. Le rendement de l'installation peut être accru lorsque les pertes par irradiation doivent être réduites ou lorsque l'eau chaude doit être collectée à un autre emplacement éloigné du collecteur (sous un toit, etc.). Comme l'indique la figure 10, la différence que doit présenter l'installation et que, à la sortie du collecteur, après la commande thermostatique, l'eau chaude est collectée dans un petit réservoir 5 qui est isolé thermiquement et qui comprend un boiter ou un vase muni d'un dispositif de siphonnage. Lorsque le vase est plein, le siphon est rempli d'une certaine quantité et finalement toute l'eau recueillie descend dans le réservoir principal isolé thermiquement, Cette tuyauterie de sortie peut avoir un petit diamètre de 1 cm et une isolation thermique simple lorsqu'elle se trouve dans une autre tuyauterie plus grosse (qui peut être formée de ma tière plastique). Cette installation présente des avantages car elle est très simple étant donné que seul le collecteur, le petit réservoir de niveau constant et le petit réservoir isolé thermiquement comprenant le siphon sont placés sur le toit. Le réservoir principal est placé sous le toit et peut être proche de la zone d'utilisation. Les zones mortes de stagnation d'eau chaude pouvant présenter des pertes de chaleur sont très faibles. La tuyauterie de descente peut avoir une petite dimension, peut être formée d'une matière plastique peu coûteuse et, après siphonnage de l'eau, elle reste vide. Les pertes de chaleur des tuyauteries descendantes sont minimales étant donné la grande vitesse de circulation et la faible durée de l'opération de siphonnage. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Collecteur solaire à écoulement laminaire et a commande thermostatique, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir ou b'oltier de forme prismatique délimitant un film d'eau, le réservoir ayant deux faces de grande surface qui sont séparées par une faible distance, le collecteur comprenant une commande thermostatique solidaire placée à la sortie du collecteur. 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est formé par une feuille métallique unique repliée ou par deux feuilles, les bords libres étant fermés de manière etanche afin que le réservoir soit hermétique. 3. Collecteur selon l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce que les feuilles qui forment le réservoir sont maintenues en position 4. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un -réservoir à niveau constant relié-d l'entrée et un thermostat placé à la sortie et réglant l'ensemble du collecteur, la coopération du réservoir à niveau constant et du thermostat assurant le maintien du rendement du collecteur à une valeur constante, l'eau introduite étant toujours froide. 5. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il ne conserve que de l'eau chaude à la température réglée par le thermostat et avec un débit réglé par le thermostat et la hauteurs du niveau du réservoir à niveau constant. 6. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il empêche l'entrée d'eau froide dans un réservoir de stockage relié à la sortie du collecteur. 7. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'eau chaude est stockée à proximité du collecteur ou à distance sans perte importante de chaleur dans la canalisation de sortie du fait d'une circulation par siphonnage.