Brevet FR2434344A1 — publié le 19800321

L'invention se rapporte à un chauffe-eau fonctionnant à l'énergie solaire, comportant un capteur exposé au rayonnement solaire, un ballon d'accumulation d'eau chaude et un circuit fermé de liquide caloporteur comprenant une chemise dans le capteur od le liquide caloporteur absorbe l'énergie radiante captée, et un échangeur dans le ballon ou le liquide caloporteur cède l'énergie absorbée à l'eau à chauffer. En raison des variations diurnes de l'énergie rayonnée par le soleil, il est pratiquement indispensable de disposer d'un ballon d'accumulation d'eau chaude, pour pouvoir utiliser cette eau chaude, pour des usages sanitaires notamment, à des époques de la journée où le flux d'énergie solaire est insuffisant. Par ailleurs, le capteur étant normalement à l'extérieur des bâtiments, le chauffage direct de l'eau dans le capteur présente des risques de gel notamment durant les nuits d'hiver. C'est pourquoi on utilise fréquemment un circuit fermé de liquide caloporteur non congelable pour transférer l'énergie radiante ab sorbe à l'eau à chauffer. Ces dispositions sont classiques. Les capteurs d'énergie solaire de l'état de la technique sont généralement étendus suivant des plans ; ces capteurs plans captent l'énergie rayonnée de façon privilégiée lorsque celle-ci tombe normalement sur le plan de capteur. Pour des rayonnements à incidence oblique l'efficacité des capteurs décroît avec l'obliquité. Généralement l'orientation en azimuth et en site des capteurs plans est fixée pour optimiser la récupération d'énergie en dépit de leur directivité. Toutefois l'efficacité des capteurs plans à orientation fixe est inférieure de 30 à 50 % par rapport à l'efficacité d'un capteur orienté en poursuite du soleil. Les capteurs orientables sont par contre, sauf pour certaines applications très particulières, trop complexes et onéreux pour être utilisables pratiquement. L'invention a pour objet un chauffe-eau à énergie solaire, dont le capteur n'est pas directif et présente sensiblement la même efficacité quelle que soit l'orientation du flux d'énergie radiante. A cet effet l'invention propose un chauffe-eau fonctionnant à l'énergie solaire, comportant un capteur exposé au rayonnement solaire, un ballon d'accumulation d'eau chaude et un circuit fermé de liquide caloporteur comprenant une chemise dans le capteur où le liquide caloporteur absorbe l'énergie radiante captée, et un échangeur dans le ballon où le liquide caloporteur cède l'énergie absorbée à l'eau à chauffer, caractérisé en ce que le capteur, non directif, est de forme générale sphérique avec une coquille transparente formant serre autour d'une sphère absorbante dont l'hémisphère supérieur est doublé intérieurement par ladite chemise, des moyens de circulation étant adaptés à refouler dans l'échangeur en partie haute du ballon le liquide caloporteur aspiré dans la chemise par un ajutage sommital, le retour dans la chemise se faisant vers l'équateur du capteur, moyens de circulation mis en action par un thermostat sensible à l'excès de température du liquide caloporteur en sommet de chemise par rapport à celle de l'eau à chauffer. On comprendra que le capteur étant sphérique, la surface de Sphère absorbante éclairée par le rayonnement énergétique est constante pratiquement du lever du soleil à son coucher. L'exposition au rayonnement diffus est également constante. I1 en résulte que l'efficacité du capteur est optimale. La circulation dans la chemise épousant l'hémisphère supérieur, de l'équateur au sommet permet de prélever le liquide caloporteur à sa température maximale pour chauffer l'eau. On appelle ici équateur le grand cercle horizontal de la sphère. Comme l'échangeur est situé en partie haute du ballon, l'eau se trouve chauffée à partir des couches supérieures qui ne se mélangent pas avec les couches inférieures plus froides ; ceci permet d'obtenir plus rapidement de l'eau à température convenable.Par ailleurs, les moyens de circulation mis en action par thermostat différentiel assurent que le transfert d'énergie ne se produit que du liquide caloporteur vers l'eau à chauffer, de sorte que l'énergie est accumulée de façon irréversible. On peut munir le ballon d'accumulation d'une résistance de chauffage électrique d'appoint, en prévision des périodes où le rayonnement solaire est insuffisant. Dans une forme d'exécution, le ballon d'accumulation comprend des éléments semblables à ceux du capteur, une substance calorifuge étant injectée entre coquille et sphère intérieure, dont le volume interne forme capacité d'accumulation pour l'eau chaude ; la chemise forme échangeur. La forme sphérique du ballon minimise les pertes thermiques à travers le calorifuge. De plus la construction du chauffe-eau est simplifiée. En variante, l'ensemble du capteur et du ballon d'accumu lation est réalisé sous forme compacte en un seul volume. L'échangeur est avantageusement constitué par un serpentin ayant une entrée sommitale et une sortie équatoriale. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, de formes d'exécution données à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique d'un chauffe-eau solaire suivant l'invention, dans lequel le capteur et le ballon d'accumulation sont constitués par deux éléments similaires distincts l'un de l'autre la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 mais concerne une variante dans laquelle le capteur et le ballon d'accumulation forment dans leur ensemble un seul volume compact. Selon la forme de réalisation choisie et représentée à la figure 1, le chauffe-eau comporte un capteur 1 dans son ensemble ble, avec une coquille transparente formée de deux hémisphères supérieur 10 et inférieur 11, accolés par des rebords équatoriaux A l'intérieur de la coquille une sphère métallique concentrique formée également-de deux hemisphères, supérieur 12 et inférieur 13, accolés par des rebords équatoriaux serrés entre les rebords de coquille. L'hémisphère supérieur 12 est doublé vers l'intérieur d'une paroi hémisphérique 14, l'espace délimité par les hémisphères 12 et 14 constituant une chemise pour un liquide caloporteur. La chemise est munie d'un ajutage sommital 15 de sortie, et d'un ajutage d'entrée 16 au voisinage de l'équateur. Les hémisphères 12 et 13 sont revetus extérieurement d'une peinture noire pour les rendre absorbants pour le rayonnement solaire (schématise en 17). Le chauffe-eau comporte également un ballon d'accumulation 2 dans son ensemble, composé d'éléments semblables à ceux du capteur 1, à savoir coquille extérieure en deux hémisphères 20 et 21, sphère intérieure en deux hémisphères 22 et 23. L'hémis phère supérieur formant avec une paroi hémisphérique de doublage 24 une chemise échangeur pour le liquide caloporteur. L'échangeur entre les hémisphères 22 et 24 comporte un ajutage sommital 25 et un ajutage équatorial 26. L'espace entre coquille 20, 21 et sphère intérieure 22, 23 est rempli d'une substance -calorifu- ge 27, mousse de polyuréthanne. Le volume interne 28 limité par les hémisphères 23 et 24 forme volume d'accumulation pour l'eau chaude.Le volume 28 est muni d'une tubulure de sortie 40 verticale et traversant diamétralement cet espace 28 en partant du voisinage du point haut, et d'une tubulure d'entrée 42 débouchant au voisinage du point bas de cet espace 28. La tubulure 42 est reliée au réseau de distribution d'eau 44 à travers un groupe de sécurite classique 43. La tubulure de sortie 40 est munie de moyens de puisage schématisés par la vanne 41. La chemise du capteur 1, entre les hémisphères 12 et 14, et l'échangeur du ballon 2, entre les hémisphères 22 et 24, font partie du circuit fermé de circulation de liquide caloporteur, qui comprend un circulateur 30 aspirant dans l'ajutage sommital 15 pour refouler vers l'ajutage sommital 25, tandis que le retour du ballon 2 vers le capteur 1 se fait de l'ajutage équatorial 26 à l'ajutage équatorial 16, à travers un clapet anti-retour 38. Le circulateur 30 comporte un moteur 31 avec un relais d'alimentation 32. Le relais32 est excité par un dispositif de thermostat différentiel, qui comprend un amplificateur différentiel 33 attaqué sur une entrée par une sonde thermostatique 34 placée dans l'ajutage sommital 15 du capteur 1, et sur sa seconde entrée par une sonde thermostatique 35 située dans le volume d'accumulation 28 en partie supérieure. Le circuit de liquide caloporteur comporte en outre un vase d'expansion 36 et un purgeur 37 en point haut. Lorsque le rayonnement solaire 17 porte le liquide caloporteur à une température, mesurée par la sonde 34, supérieure à la température de l'eau dans les couches supérieures du volume 28, au contact de la sonde 35, l'amplificateur 33 excite le relais 32, et le circulateur 30, 31 fonctionne ; l'énergie radiante absorbée par le capteur 1 est transmise à l'eau dans le volume 28. Par contre, si la température au contact de la sonde 34 est inférieure à celle au contact de la sonde 35, le circulateur 30 est arrêté. Le clapet anti-retour 38 s'oppose à ce que le liquide caloporteur dans le capteur 1, plus froid donc plus dense que dans l'échangeur du ballon 2, ne revienne dans l'échangeur pour refroidir l'eau dans le volume interne 28. Par ailleurs l'échangeur de ballon 2, entre les hémisphères -22 et 24, étant situé dans l'hémisphère supérieur, l'échauffement de l'eau dans le volume interne 28 se produit à partir des couches supérieures, avec le minimum de mouvements de convexion. L'eau que l'on prélève par la tubulure 40 est rapidement à température convenable, même si au début de l'activité du capteur le volume d'eau chaude disponible est réduit. Ceci est préférable au fait de disposer vers le début de l'activité du capteur, d'un grand volume d'eau à température homogène mais à peine tempérée. Pour éviter que, lors de périodes prolongées où l'ensoleillement est médiocre, la fourniture d'eau chaude soit interrompue, on peut disposer dans le volume interne 28 du ballon 2 une résistance électrique 45, reliée au réseau électrique par un relais 47 commandé par une sonde thermostatique 46. La mise en service de la résistance 45 peut être réalisée manuellement, ou encore automatiquement en conjonction avec les sondes 34 et 35, en sorte que la resistance 45 ne soit alimentée que lorsque la temperature au contact de la sonde 34 est inférieure à la température de l'eau au contact de la sonde 35 et, bien entendu, lorsque la température décelée par la sonde thermostatique 46 est inférieure à une valeur assignée.On comprendra qu'il est également possible de programmer la mise en action de la résistance 45 de façon à réaliser des compromis entre le confort et les économies d'énergie. Le relais 47 est alimenté par un branchement 48 à la sortie de l'amplificateur différentiel 33, ce qui permet de synchroniser la chauffe de la résistance 45 avec la marche du circulateur 30. Cette résistance 45 est ainsi admise à chauffer seulement lorsque la température au contact de la sonde 34 est supérieure à la température du contact de la sonde 35. On voit en 49 un interrupteur manuel qui peut etre commuté en cas de nécessité d'accélérer la chauffe du stock 28. En variante (figure 2) la disposition est analogue à celle qui vient d'être décrite en référence à la figure 1 et les mêmes chiffres de référence ont été adoptés pour désigner des éléments similaires. Mais alors qu'à la figure 1 le capteur 1 et le ballon d'accumulation 2 sont constitués par deux organes distincts ayant une construction semblable, le chauffe-eau suivant la figure 2 comporte dans un même volume compact à la fois le capteur 1 et le ballon d'accumulation 2. On reconnaît à la figure 2, en 10, 11, la coquille transparente du capteur 1 et en 12, 14 la chemise pour le liquide caloporteur de ce capteur 1. Le ballon d'accumulation est défini à l'intérieur du capteur 1 et on reconnaît en 27 le calorifugeage à l'intérieur duquel se trouve le volume d'accumulation ou stock d'eau chaude 28. L'échangeur du ballon d'accumulation 2 n'est plus constitué par la chemise 22, 24 mais par un serpentin 22A. Comme précédemment l'entrée de l'échangeur 22A est sommitale en 25, tandis que sa sortie 26 est équatoriale et coïncide ici avec l'entrée 16 dans la chemise 12, 14 du capteur 1. Deux clapets anti-retour 38 sont avantageusement prévus à l'amont eta' l'aval du serpentin 22A. Le fonctionnement du chauffe-éau suivant la figure 2 est analogue à celui qui a été décrit en référence à la figure 1. On appréciera la forme compacte du chauffe-eau suivant la figure 2. I1 est clair que l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution. REVENDICATIONS 1. Chauffe-eau fonctionnant à l'énergie solaire, comportant un capteur exposé au rayonnement solaire, un ballon d'accumulation d'eau chaude et un circuit fermé de liquide caloporteur comprenant une chemise dans le capteur où le liquide caloporteur absorbe l'énergie radiante captée, et un échangeur dans le ballon où le liquide caloporteur ède l'énergie absorbée à l'eau à chauffer, caractérisé en ce que le capteur, non directif, est de forme générale sphérique avec une coquille transparente formant serre autour d'une sphère absorbante dont l'hémisphère supérieur est doublé intérieurement par ladite chemise, des moyens de circulation etant adaptés à refouler dans l'échangeur en partie haute du ballon le liquide caloporteur aspiré dans la chemise par un ajutage sommital, le retour dans la chemise se faisant vers l'équateur du capteur, moyens de circulation mis en action par un thermostat sensible à l'excès de température du liquide caloporteur en sommet de chemise par rapport à celle de l'eau à chauffer. 2. Chauffe-eau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ballon d'accumulation comporte une résistance de chauffage électrique d'appoint. 3. Chauffe-eau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le ballon d'accumulation comprend des éléments semblables à ceux du capteur, une substance calorifuge étant injectée entre coquille et sphère intérieure, le volume interne de cette sphère constituant capacité d'accumulation pour l'eau chaude, et la circulation de liquide caloporteur dans la chemise hémisphérique d'échangeur se faisant du sommet à l'équateur. 4. Chauffe-eau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le ballon d'accumulation est défini à l'intérieur du capteur dans un même volume compact. 5. Chauffe-eau selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur est constitué par un serpentin.