Brevet FR2398995A1 — publié le 19790223

Les nombreux prototypes de maisons solaires montrent aujourd'hui l'apport incontestable du soleil dans le chauffage domestique. Les performances du chauffage solaire paraissent toutefois encore insuffisantes et la rentabilité d'une installation exige un apport le calories par un chauffage auxï- liaire environ égal à 50 % de la consommation totale sous nos latitudes. En fait, tous les prototypes connus actuellement montrent un défaut de stockage d'énergie efficace, et c'est la cause première de la faiblesse relative des performances des installations proposées. A ce sujet, on notera qu'aux U.S.@. ce sont les maisons solaires du Dr. THOMASON qui ont connu le plus de succès, et il se trouve que ce procédé (1) comporte une unité de stockage importante. Le stockage d1 énergie par utilisation de la chaleur latente de change- ment de phase d1un sel apparaît prometteur. Ce mode de stockage a éte propo- sé dès les aunes 1950 par le Dr. M. TELKES (2) oui a utilisé le sel de Glau- ber (Na2 SO4) pour ses premières expériences. Le changement de phase (réversible) du sel anhydre on sel hydraté à 10H2 O se fait à 330C et s'accompagne d'un dégagement de chaleur (latente) de 57 calories par gramme de produit. D'antres sels ont été proposés (3), mais peu de prototypes utilisant cette forme de stockage d'énergie ont été construits (4) car le procédé présente deux difficultés majeures : a) une nécessité de nucléation par un germe cristallin, pour amorcer le pas sage de l'état anhydre à l'état hydraté, et éviter ainsi le phénomène de surfusion présenté par tous les sels ou mélanges salins (eutectiques) pro poses. b) une non réversibilité de la transformation de phase, due à l'absence d'une agitation mécanique quelconque du produit. Pour le sel de Glauber, l'ex périence montre qu'au cours d'échauffements et refroidissements successifs de part et d'autre de la température de 33 C, le sel pord progressivement la propriété de changer de phase pour ne plus former qu'un conglomérat polycristallin très dur et inutilisable (peut-être la forme heptahydratée). Certains auteurs ont même suggéré que le sel "vieillissait" au cours des transformations successives et qu'il changeait de nature. Ceci est physi quement impossible. Ce. deux difficultés ont amené la firme Westinghouse, dans son etude de chauffage solaire à court terme (5), à écarter l'idée d'un stockage d'énergie par chaleur latente d'un changement de phase d'un sel pour storienter vers un procédé classique de stockage de chaleur ou forte sensible, dans des pierres ou de l'eau. En résuné, si tous les auteurs (1 à 10) s'accordent à noter l'intérêt d'un stockage d'énergie à busse température dans un sel hydratable, tous notent aussi les difficultés rencontrées et non resolues encore à ce jour. Notre invention montre un dispositif efficace et peu coûteux propre à surmonter les difficultés cites plus haut. Il repose sur les deux observations suivantes I - Une agitation mécanique du sel accumulateur de chaleur est le seul moyen efficace d'éviter la surfusion. 2 - Pour assurer la cristallisation, il est nécessaire, en plus de la remar que 1, de disposer dans le sel accumulateur de ger@es de nucléation. Le phénomène bien connu de l'épitaxie guide le choi- du composé Qui fournit les germes de nucléation. Ce choix est uniquement fondé sur les caractéristiques physiques du composé : a) Les dimensions de la maille cristalline doivent se rapprocher le plu pos sible des dimensions de la maille cristalline du sel accumulateur. De plus, germe de nucléation et sel accumulateur doivent cristalliser dans le même système cristallographique. b) Le germe de nucléation doit avoir une température de fusion nettement plus élevée que celle du sel accuaulateur. c) Le composé fournissant les germes de nucléation doit se trouver en solu tion saturée, de façon à éviter toute dissolution. Par exemple, si l'on est dans le cas du sulfate de soude comme sel accumulateur, les tables oristallographiques montrent que le borate de sodium satisfait remarquablement aux propriétés a) et b) et constituera un excellent catalyseur pour l'hydratation du sulfate de soude. L'agitation mécanique du milieu accumulateur de chaleur doit être réalisée avec une dépense d'énergie aussi reduite que possible. Un dispositif d'entraînement par rotation lente a donc été construit, réunissant les propriétés suivantes : - faible dépense d'énergie ; - surface d'échange variable entre le milieu accumulateur et l'extérieur. La figure 1 donne un schej au dispositif expérimental. Le milieu accumulateur placé dans des cylindres herméti ues en @yrex on en varre est du sulfate de soude contemant du borate de sodium en solution saturée. Les cylindres 1, dont le diamètre est foncti@n de la surface d'échange que l'on désire (environ 10 cm), sont fixés sur deux flasques identiques, entraînées par un mouvement de rotation lente autour de l'axe 2. @ous avons trouvé qu'unevitesse d'environ 1 tout @r 3/4 d'@eure pouvait suffire ; la consommation du moteur d'entraînement est alors minime. Le bra sage du sel est assuré par des baguettes métalligues 6 (# c.viron 1 @@) collées sur la paroi intérieure des cylindres 1. L'ensemble a @te installé dans une exceinte adiabatique, dont on pouvait faire varier à volonté la tem@érature. La transformation de phase Na2@O4 anhydre en Na2SO4 hydraté, a été répétée un très grand nombre de fois sans aucun accident de cristallisation et sans retard à la température du changement de phase (environ 33 C). Au cours de leur rotation, les cylindres 1 échangent de la chaleur avec un fluide caloporteur 3. Si ce fluide est un liquide, les cylindres 1 stin- mergent dans 3 ; le fluide oaloporteur 3 circule dans le bac de transfert (entrée 4, sortie 5). Selon sa température, on notera que le fluide 3 peut, soit apporter de l'énergie à l'accumulateur soit en prélever. On peut imaginer également un système où le fluide caloporteur est l'air. L'accumulateur est alors placé dans une enceinte adiabatique munie d'entrées et de sorties permettant une circulation de l'air. Notre invention permet en résumé d'obtenir la transformation de phase complète d'une grande quantité d'un produit accumulateur de chaleur par un système mécanique très simple et consommant peu d'énergie. Ce procédé, fondé sur l'entraînement de plusieurs cylindres de petit diamètre, évite l'emploi d'échangeurs de chaleur compliqués et onereux, necessaires dans le cas de la rotation d'un cylindre unique de gros diamètre. L"application de notre procédé d'accumulation de chaleur au chauffage solaire apparaît immédiate, mais n'est pas uniquement limitée à ce type d'e- nergie. Notre dispositif peut aussi être utilisé dans toute installation né cessitaait un thermostat t - Dispositif où le fluide liquide ou gazeux puisant les calories s1échauffe dans un échangeur en contact avec le liquide où plongent les réservoirs contenant le produit accumulateur de chaleur. - Dispositif où le fluide porteur de calories à-stocker cède son énergie par le passage dans un échangeur traversant chaque réservoir. - Dispositif où le fluide liquide on gazeux puisant les calories stockées s'échauffe par le passage dans un échangeur traversant le réservoir. - Procédé de chauffage où le dispositif constitue le réservoir de calories où est placé l'évaporateur. d1une pompe à chaleur. - Dispositif utilisant l'ensemble de stockage comme réservoir de frigories pour la climatisation. Références bibliographique : 1 - H. E. THOMASON and J.L. THOMASON Jr. Solar flouse Models and Homes - Third Edition EDmund Soientific Co - 1976 2 - li. TELKES Perfectionnement aux accumulateurs de chaleur. Brevet d'invention Gr. 15 - Cl.2 - N 1.050.933 - 1952 3 - R. DUMON Anergie solaire et stockage d'énergie - pp. 84 - 86 Masson - 1977 4 - Voir par ex. a.R. PATTON Solar Energy for Heating and Cooling of Buildings - pp. 36 - 41. Energy Technology n 7. Noyes Data Corporation - 1975 5 - Idem p. 110. 6 - J.R. WILLIANS Solar Energy, Technology and Applications. Wiley Interscience - 1976 7 - H. NESSEL and S.T. BUTLER Solar Energy Pergamon Press - 1974 8 - F. BRENIERE Energie solaire et climatisation des locaux - Publication de l'A.F.E.D.E.S. Editions Européennes Thermique et Industrie - Paris - 1976 9 - C. CHAULIAGUET L'énergie solaire dans le bâtiment. Editions Eyrolles - 1977 10- J.C. Mc VEIGH Sun Power. Pergamon Press - 1977 R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif permettant de stocker et de restituer une grande quantité dtanergie en utilisant la chaleur d'hydratation du sulfate de soude Na2 SO4 ou la chaleur de cristallisation d'un autre sel (per ex.Na2 CO3, 1a HPO4, Na2S2O3, etc...) ou encore la chaleur latente de solidifica- tion de tout autre composé. Le procédé est caractérisé par le fait que l'agitation mécanique nécessaire pour obtenir une cristallisation com- plète du produit est réalisée par un mouvement circulaire de plusieurs réservoirs cylindriques d'axes parallèles.Le mouvement de chacun des réservoirs contenant le produit peut être décomposé en un mouvement de rotation propre autour de son axe, plus un mouvement circulaire d'entrat nement d'axe parallèle au précédent. 2 - Dispositif permettant de stocker et de restituer une grande quantité d1é- nergie en utilisant la chaleur d'hydratation du sulfate de soude ou la chaleur de cristallisation d'un antre composé. L'agitation mécanique né cessaire pour obtenir une cristallisation complète du sel est réalisée en fixant plusieurs réservoirs cylindriques ou de toute autre forme sur un support animé d'un mouvement circulaire lent autour d'un axe fixe. L'état de surface interne des ré@ervoirs, ou la forme de ceux-ci, est de nature r engendrer un brassage du sel. 3 - Dispositif selon revendication 1 ou selon revendication 2, comprenant une ou plusieurs unités de stockage, où le fluide norteur des calories à stocker est un liruide dans lequel chaque réservoir contenant le sel est immergé au cours de son mouvement. 4 - Dispositif selon revendication 1 ou selon revendication, 2, où le fluide puisant les calories stockées est un liquide dans lequel chaque réservoir contenant le sel est immergé au cours de son mouvement 5 - Dispositif selon revendications 1 et 3 ou selon revendications 2 et 3, où le fluide li@uide ou gazeux puisant les calories s'échauffe dans un é changeur en contact avec le liquide où plongent les réservoire contenant le produit accumulateur de chaleur. 6 - Dispositif selon revendication 1 ou selon revendication 2, où le fluide @orteur des calories à stocker cède son énergie par passage dans un é changeur traversant chaque réservoir. 7 - Dispostif selon revendication 1 ou selon revendication 2, où le fluide liquide ou gazeux puisant les calories stockées s'échauffe par passage sans un échangeur traversant chaque réservoir. 8 - Dispositif selon revendication 1 ou selon revendication 2, où le nombre et la taille des réservoirs permettent des échenges thermiques avec l'air comme fluide caloporteur. Une ou plusieurs unités de stockage se trouvent dans une enceinte thermiquement isolée ; l'apport de calories à stocker se fait par une circulation d'air chaud dan cette enceint et la récupération des calories se fait égale ent par une circulation d'air à réchauffer dans cette enceinte. 9 - Procédé de chauffage où le dispositif selon l'une quelconque des reven dications de 1 à 8 constitue le réservoir de calories où est placé l'éva porateur d'une pompe à chaleur. 10- Dispositif suivant l'une quelconque des revendicationsde 1 à 8 citées ci-dessus, utilisant l'ensemble de stockage comme réservoire de frigories pour la climatisation.