Brevet FR2395473A1 — publié le 19790119

La présente invention est relative à des capteurs d'énergie solaire et plus particulièrement des dispositifs tubulaires contenant un liquide absorbant la chaleur et qui sont utilises en combinaison avec des systèmes réflecteurs. Dans un dispositif utilisant lrénergie solaire, les radiations du soleil sont concentrées sur un capteur tubulaire dans lequel passe un fluide susceptible d'absorber la chaleur et de se maintenir å l'état liquide à haute température, tel que l'eau, le glycol ou un mélange de ces deux produits. Les radiations solaires sont normalement concentrées en utilisant des réflecteurs pouvant atteindre plusieurs mètres de longueur et qui présentent en section transversale une forme parabolique ou composée de paraboles de façon à agir sur le maximum possible de rayonnement.Les rayons frappant le reflecteur sont réfléchis vers le foyer de la parabole ou analogue et par conssquent le capteur tubulaire est disposé le long de ce foyer pour absorber le maximum d'énergie, I1 est réalisé en verre, par exemple de boro-silicate, ou en métal, et habituellement il comporte un revêtement sélectif noir destiné à absorber le maximum de chaleur. Afin que le système fonctionne aussi efficacement que possible le taux d'absorption de chaleur d'un capteur tubulaire doit étire maximal, tandis que ses pertes thermiques doivent entre réduites au minimum. La présente invention vise a permettre la réalisation de ce principe. Le capteur solaire suivant l'invention comprend une conduite permettant le passage du liquide absorbant la chaleur et qui est isolée par le vide sur une partie substantielle de sa longueur de manière telle que le passage des rayons infrarouges vers cette conduite ne soit pas gené. Un procédé avantageux pour isoler par le vide un capteur tubulaire consiste a insérer la conduite dans un manchon de plus grand diamètre, puis a sceller les extrémités de ce manchon a la pBriphé- rie de ladite conduite et enfin å créer le vide dans l'espace annulaire situé entre ces deux éléments. Par conséquent un mode dsexécution de l'invention consiste a réaliser un capteur d'énergie solaire comprenant une conduite destinée au passage du liquide absorbant la chaleur et dont le diamètre extérieur est plus petit que celui intérieur d'un tube extérieur ou manchon renfermant cette conduite et qui est prévu transparent aux infrarouges, ledit manchon étant scellé au niveau de ses extré mités a la face extérieure de la conduite, tandis qu'on fait le vide dans l'espace annulaire compris entre les deux éléments précites. La conduite ou tube intérieur peut entre plus long, plus court ou substantiellement de meme longueur que le manchon. Le vide créé entre les deux éléments permet de réduire autant dans toute la mesure du possible la perte de chaleur par conduction en direction de l'air ambiant à partir de la conduite. On fait le vide entre les deux éléments tubulaires de meme ma nière que pour une bouteille isolante, c'est- -dire qu'on prévoit dans le manchon un petit orifice auquel est associée une pompe a vide et qui est ensuite scellé lorsque le vide est créé. Un agent ou- "getter11 peut entre introduit dans l'espace évacué pour absorber tout gaz résiduel qui pourrait degrader le vide. Le tube formant la conduite peut entre réalisée en verre, par exemple de boro-silicate, ou en un métal tel que le cuivré ou l'acier inoxydable et on peut éventuellement le recouvrir d'un rev & e- ment sélectif noir destiné a absorber les radiations. Le revêtement est mince de manière que la chaleur absorbée soit immédiatement transférée au liquide situé dans la conduite. Dans le cas d'un tube de verre il n'est pas nécessaire de prévoir le revêtement noir lorsque les capteurs doivent être utilisés à basse température et que l'eau est employée comme liquide absorbant la chaleur.On a ob servé que lorsqu'on utilisait l'eau et que la température atteinte n'était pas suffisante pour la transformer en vapeur, le revêtement noir du tube n'était pas nécessaire car l'eau a l1état liquide absorbe très bien les rayons infrarouges. Toutefois lorsqu'on prévoit de chauffer le tube a haute température, par exemple a 3000C ou plus, on doit utiliser un liquide qui bout a température très élevée tel que ceux vendus sous les marques de fabrique GILOTHERM ou THERMEX, tandis qu'alors l'utilisation d'un revêtement noir est particulièrement avantageuse.Lorsqu'on emploie des tubes de verre ils sont normalement recuits a une température d'environ 550 0c pour éli- miner les tensions si bien que si l'on utilise alors un revêtement sélectif noir, il doit être stable à cette température. Lorsque les capteurs doivent ainsi entre utilisés a haute température, les tubes de métal ou de verre comportent préférablement un mince revêtement sélectif noir, par exemple une couche de noir de chrome déposée sous vide- (sur une sous-couche d'aluminium elle-même déposée sous vide sur le verre) ou une couche de céramique. Pour la production de puissance la température de la conduite du capteur et celle du liquide absorbant la chaleur doivent entre élevées et il est par conséquent nécessaire de prévoir des systèmes de dilatation différentielle entre cette conduite et le manchon qui ne se trouvent pas à la même température. En conséquence suivant un autre mode d'exécution selon l'invention, la conduite est pourvue de moyens destinés à absorber les dilatations différentielles entre elle-mrne et le manchon lorsqu'ils sont ainsi à des températures différentes. Ce mode d'exécution permet d'absorber toute dilatation relative entre les deux éléments précités de manière a réduire les tensions dans le capteur lorsqu'il y a une grande différence de température entre le manchon et la conduite. A cet effet l'on peut réaliser cette dernière en plusieurs tron çons réunis entre eux par un soufflet de manière que leur dilatation ou leur contraction soit absorbée par l'ensemble de ceux-ci. Afin d'éviter qu'ils ne touchent le manchon, ce qui conduirait a une perte de chaleur par conduction, ils peuvent entre retenus à chaque extrémité par des entretoises réalisées en matière très isolante. Les soufflets sont préférablement établis en métal par exemple en acier inoxydable. Pour l'utilisation a température élevée il est avantageux de réaliser la conduite sous la forme de plusieurs tronçons métalliques, par exemple en acier inoxydable, pourvus de soufflets. Ceux-ci et les tronçons de conduite peuvent entre traités de manière à comporter un revêtement sélectif noir, par exemple du noir de nickel, du noir de chrome ou tout autre revêtement qui peut Autre déposé sous vide de manière à améliorer -l'absorption des radiations. Afin de mettre en oeuvre un procédé avantageux de fermeture d'un manchon extérieur en verre sur une conduite métallique, on prévoit un élément tubulaire métallique soudé au verre a chacune des extrémités du manchon et la conduite métallique est alors soudée auxdits éléments. La technique de soudure d'un tube métallique par rapport a un tube en verre est bien connue. Le bord du tube métal lique est biseauté pour former une arête et le verre est fondu autour de celle-ci pour constituer un joint étanche. L'espace situé entre la conduite et le manchon est ensuite mis sous vide de manié- re analogue à celle utilisée pour les bouteilles isolantes. La conduite métallique comporte préférablement près de ses extrémités et sur sa face extérieure une protubérance ou disque orienté vers l'extérieur auquel la pièce de liaison métallique peut entre soudée pour faciliter -l'opération d'obturation. La pièce métallique de liaison est avantageusement pourvue d'un soufflet comportant une ou plusieurs ondulations destinées à absorber toute dilatation radiale de la zone de soudure et longitudinale de ladite pièce de liaison. Les extrémités de la conduite peuvent entre de maniere avantageuse munies de colliers métalliques de façon qu'elle puisse entre facilement raccordée a une autre conduite en engageant les deux colliers l'un dans autre en vue de les braser ou de les souder. Suivant un autre mode d'exécution conforme de l'invention de l'invention le manchon extérieur comporte une surface tournée vers l'intérieur propre constituer réflecteur, qui s'étend sur toute la longueur de la conduite et sur un arc de celle-ci correspondant à un angle au centre maximal de 1800, mais généralement compris entre 30 et 600. La conduite est disposée de maniere que la face constituant réflecteur soit tournée vers les rayons incidents en vue de réfléchir dans ladite conduite les radiations qui la traversent. Suivant une autre forme d'eXécution selon -l'invention, le capteur comprend une conduite destinée au passage d'un fluide susceptible d'absorber la chaleur, cette conduite présentant une forme telle que ses extrémités sont substantiellement adjacentes l'une a l'autre, tandis quelle est placée dans une chambre hors de laquelle lesdites extrémités dépassent. La chambre est soudée par-rapport à la conduite et elle est évacuée de manier que substantiellement toute cette dernière soit isolée par lé vide. On affecte préférablement a la conduite une forme en -U.Ce mode d'exécution diminue la dilatation différentielle entre le manchon et la conduite du fait que celle-ci est libre de se dilater radialement et longitudinalement dans la chambre. Cette dernière peut être simplement réalisée sous la forme d'un manchon de verre dont -l'une des extrémités est bouchée tandis que autre est scellee a la conduite au voisinage des deux bouts de celle-ci. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer : Fig. 1 est une coupe longitudinale partielle d'un capteur suivant l'invention comportant une isolation sous vide. Fig. 2 en est une coupe transversale. Fig. 3 et 4 sont des coupes longitudinales de capteurs dont la conduite comporte des soufflets destinés à absorber les di latations différentielles. Fig. 5 et 6 illustrent différentes façons de fermer le manchon extérieur par rapport à la conduite. Fig. 7 à 10 montrent plusieurs systèmes de réflecteurs propres à concentrer les radiations solaires sur le capteur. Fig. il montre un autre capteur établi conformément à l'invention. Le capteur solaire représenté en fig. 1 et 2 comprend une conduite 2 dans laquelle passe un liquide 14-en vue de transférer l'é- nergie thermique, et un tube extérieur ou manchon 4 qui est fermé par rapport à la conduite 2 au niveau de ses extrémités 6o L'espace 8 compris entre la conduite 2 et le manchon 4 est placé sous vide. On prévoit de munir la conduite d'un revetement sélectif noir 10. Les extrémités de la conduite précitée 2 sont pourvues de colliers métalliques 12 afin qu'on puisse reunir directement entre eux plusieurs capteurs de manière directe ou par l'intermédiaire d'un tube de liaison. Le capteur illustré en fig. 3 comprend aussi une conduite 2 et un manchon 4, ltespace 8 entre ces deux pièces étant placé sous vide. La conduite 2 est composée d'éléments tubulaires en verre réunis par des soufflets 16. Ces-derniers, prévus métalliques, sont maintenus en place par des entretoises 7 réalisées en une matière très isolante si nécessaire. Les extrémités de la conduite comportent aussi des colliers métalliques 12 facilitant son assemblage avec d'autres conduites ou tubes. Les soufflets 16 compensent toute dilatation différentielle lorsque la conduite 2 est chauffé a une température par exemple de 3000C ou plus par concentration de l'énergie solaire, tandis que le tube extérieur ou manchon demeure à la température ambiante ou presque. Le capteur illustré en fig. 4 comporte une conduite 2 réalisée au moyen de tronçons de tubes métalliques 13, de tubes en verre 15 et de soufflets 16. Les tubes en verre et en métal sont réunis par fusion en 18. Les extrémités du manchon 4 sont assemblées par fusion à la face extérieure des tubes de verre 15. Les tronçons métalliques 13 sont pourvus d'un revêtement sélectif noir pour augmenter l'absorption des radiations. Fig. 5 et 6 montrent des variantes permettant la jonction du manchon de verre par rapport à un tronçon métallique tubulaire. L'ex trémité du manchon extérieur en verre référencé 4 comporte une manchette intermédiaire 52 réalisée en un métal spécial. La manchette intermédiaire est reliée au manchon 4 par une soudure particulière métal-verre 50. On a ménagé sur le tronçon tubulaire une partie qui s'détend vers l'extérieur, telle qu'un disque métallique ou bride 56, auquel la manchette 52 est reliée par une soudure 54. La manchette représentée en fig. 6 comporte un soufflet 58 destiné à absorber toute dilatation radiale au niveau de la zone de soudure, et toute dilatation longitudinale de cette manchette.Ces modes d'exécution permettent la mise en oeuvre d'un capteur comportant une conduite entièrement en acier inoxydable pourvue d'un revêtement sélectif noir et qui est isolée par le vide régnant dans l'espace 8 entre elle-mtme et le manchon en verre 4. Les conduites réalisées suivant l'invention peuvent entre utilisées dans des systèmes de captage paraboliques conventionnels orientables comme celui illustré en fig. 7. La conduite peut entre maintenue au niveau du foyer d'un miroir parabolique 78 par des supports 76 espacés les uns des autres suivant la longueur de la conduite. Dans ce cas cette dernière tourne avec les miroirs et elie est réu- nie à un collecteur de liquide par l'intermédiaire de joints tournants. Suivant une variante la conduite peut sistre maintenue et réunie au fond et à la partie haute du collecteur par l'intermédiaire de joints étanches rigides, les miroirs paraboliques tournant alors autour d'elle, Le miroir et les conduites sont orientés de manière que ltaxe longitudinal de celles-ci se trouve dans la direction Nord-Sud et ils sont mécaniquement assujettis de façon qu'ils puissent tourner de-ltEst vers l'Ouest (dans l'hémisphère Nord) en vue de suivre le soleil. Les capteurs suivant lfinvention peuvent aussi entre utilisés avec des systèmes de réflecteurs adaptés pour une orientation Est Ouest et qui ne suivent pas le soleil. Un tel système est illustré en fig. 8. La conduite est placée au foyer du réflecteur qui est normalement prévu à trois dimensions. La partie inférieure du manchon sous vide 4 peut titre pourvue d'un miroir tourné vers l'inté- rieur et dont la face recouvre cette partie sur environ 15 à 300 de chaque cté de l'axe géométrique. Le but de la combinaison de ce miroir et du réflecteur est de concentrer l'énergie solaire sur une conduite intérieure noircie. Le réflecteur est avantageusement pourvu d'un couvercle en verre 84 qui est soudé aux cotés et aux extrémites du réflecteur pour fermer complètement le système de sorte que la surface du miroir reste exempte de poussière. Les zones par lesquelles la conduite pénètre dans les extrémités du réflecteur sont fermées hermétiquement, tandis que le vide est réalisé dans l'enceinte fermée 85 de manière à prévenir toute perte subséquente de chaleur à partir de la conduite, tout en protégeant de la chaleur la surface du miroir. Fig. 9 illustre un système dans lequel un miroir parabolique de verre ou de métal 32 est disposé de manière à renvoyer les radiations sur un capteur 34. En variante on pourrait utiliser deux miroirs plans disposés de manière à déterminer entre eux un angle aigu de préférablement 16 à 200. Le manchon de la conduite peut comprendre un miroir 36 tourné vers l'intérieur et destiné a renvoyer les radiations la traversant. Le système réfléchissant est protégé par une isolation 38. Ce système et la conduite représentés en fig. 9 peuvent entre utilisés avec plusieurs miroirs concentrateurs 30. Comme montré en fig. 10 les capteurs peuvent entre placés dans un bottier tandis que les miroirs plans sont orientés en direction du soleil sur une ligne Est-Ouest et suivant un angle à peu près égal a celui de la latitude. Le boîtier de capteurs est placé dos au soleil parallèlement à la ligne Est-Ouest de manière que ses rayons soient renvoyés par le miroir plan 30 dans les ouvertures des miroirs 32. -lavanta- ge de ce système est qu'il y a plus de lumière diffusée et dispersée qui se trouve réfléchie dans les dispositifs de concentration que lorsque le bottier est simplement tourné vers le soleil.En outre lorsque la chaleur s'élève les radiations diffusées s'ajoutent la chaleur de la conduite du capteur au sommet des réflecteurs. I1 peut entre nécessaire de modifier légèrement l'angle des miroirs plans 30 entre l'été et l'hiver mais ceci présente moins de problèmes que de modifier la position d'un boitier de capteurs. La distance entre le miroir 30 et le bottier dépend des dimensions relatives de ce miroir et de l'auverture du bottier. De manière générale les miroirs présentent une surface deux fois plus importante que celle des ouvertures précitées, l'extension de cette surface étant destinée à refléter la lumière à partir d'angles plus aigus tat le matin et tard le soir. Fig. 10 illustre une autre forme d'exécution d'un systeme réflecteur. Un bottier 40 de capteurs 42 comporte une série de miroirs paraboliques 44 réalisés de manière semblable à celle du miroir 32 représenté en fig. 9, Le devant du bottier peut entre fermé par un couvercle 48 en verre plat ou en plastique, ltespace intérieur pouvant titre placé sous vide pour éviter les pertes de chaleur.Les capteurs 42 peuvent comprendre un miroir tourné vers l'intérieur et situé sur la face extérieure du manchon comme on l'a décrit en référence à fig. 9. Le but de ce système- est de capter les radiations solaires diffuses aussi bien que celles directes Le bottier peut être orienté suivant un certain angle par rapport à la ligne Nord Sud (ou Sud-Nord) et il peut entre disposé suivant une direction Est-Ouest. Des dispositifs similaires peuvent entre réalisés en utilisant les systèmes capteurs-réflecteurs indiqués en fig. 7 à 9. On a illustré en fig. Il un autre mode d'exécution d'un capteur dans lequel la conduite 2 est réalisée sous la forme d'un -U, ses bouts 3 étant substantiellement adjacents. Le manchon 4 est bouché a l'une 5 de ses extrémités, tandis qu'à. son extrémité opposée 9 il est scellé par rapport à la conduite, puis -l'espace 8 est placé sous vide. La conduite peut entre supportée si nécessaire, par exemple auniveau de sa boucle, par une entretoise 17 réalisée en métal ou en ceramique. Les conduites et les capteurs suivant les modes d'exécution décrits ci-dessus peuvent entre disposes en ligne ou parallèlement les uns par rapport au autres. Les capteurs peuvent entre assemblés au moyen de tubes de manière que le liquide absorbant la chaleur traverse une surie de conduites. La chaleur absorbée par le liquide peut entre utilisée en envoyant celui-ci dans une chaudière où il peut entre stocké pour l'usage domestique, pour le chauffage central ou le refroidissement (conditionnement d'air à absorption) ou pour produire de l'électri- cité au moyen d'une turbine a vapeur. I1 doit d'ailleurs entre entendu que la description qui précède n'a été donnéeà titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. REVEND ICAT IONS 1. Capteur d'énergie solaire à conduite pour la circulation d'un liquide absorbant la chaleur, caractérisé en ce que celle-ci est isolée par le vide sur une partie substantielle de sa longueur de manière telle que le passage des rayons infrarouges ne soit pas gêné. 2. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre extérieur de la conduite est plus petit que celui intérieur d'un tube extérieur ou manchon renfermant cette conduite et qui est prévu transparent aux infrarouges, ledit manchon étant scellé au niveau de ses extrémités à la face extérieure de la conduite, tandis qu'on fait le vide dans l'espace annulaire compris entre les deux éléments. 3. Capteur suivant la revendication l, caractérisé en ce que la conduite présente une forme telle que ses extrémités sont substantiellement adjacéntes l'une de l'autre tandis qu'elle est placée dans une chambre hors de laquelle lesdites extrémités dépassent, cette chambre étant soudée par rapport à ladite conduite et évacuée de manière que substantiellement toute la conduite soit isolée par le vide. 4. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la conduite est pourvue d'un mince revêtement sélectif noir sur sa face extérieure. 5. Capteur suivant la revendication -4, caractérisé en ce que la couche mince de revêtement sélectif noir est réalisée en noir de nickel, en noir de chrome ou en une céramique. 6. Capteur suivant l'une quelconque des revendications précé -dentes, caractérisé en ce que la conduite est réalisée en verre. 7. Capteur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le verre utilisé est à base de boro-silicate. 8. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la conduite est métallique. 9. Capteur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la conduite est réalisée en cuivre ou en acier inoxydable. 10. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le manchon est pourvu d'un miroir tourné vers l'intérieur qui s'étend sur substantiellement toute sa longueur et sur un arc correspondant a un angle au centre de 30 à 600. 11. Capteur suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le manchon est réalise en verre. 12. Capteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa conduite comporte des moyens pour compenser la dilatation différentielle entre elle-mtme et le manchon lorsque ces deux éléments sont à des températures différentes. 13. Capteur suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens destinés à la compensation de la dilatation différentiel- le sont réalisés sous la forme d'un soufflet et reliant deux tron çons de la conduite et susceptible d'absorber la dilatation et la contraction desdits tronçons. 14. Capteur suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le soufflet est réalisé en acier inoxydable. 15. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 7 à 13, caractérisé en ce que la conduite et le manchon sont res pectivement réalisés en métal et en verre, ledit manchon étant relié a la conduite par une ou plusieurs manchettes métalliques de jonction. 16. Capteur suivant la revendication 15, caractérisé en ce que la manchette comporte un-soufflet destiné a absorber toute dilatation radiale. 17. Capteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la conduite présente substantiellement une forme en U. 18. Système pour capter l'énergie solaire caractérisé en ce qu'il comprend un capteur suivant ltune quelconque des revendications précédentes en combinaison avec un réflecteur disposé de ma nière a concentrer l'énergie solaire sur la conduite dudit capteur.