Brevet FR2448180A1 — publié le 19800829

L'invention est relative aux installations de production ovaire d'eau chaude destinées notamment au chauffage central de locaux et/ou à la distribution d'eau chaude par puisage. Elle vise plus particulièrement, parmi ces installations, celles comprenant - d'une part un circuit d'eau comportant les éléments suivants montés en série : une pompe électrique d'entrainement de l'eau, un capteur d'énergie solaire et une unité d'exploitation calorifique constituée de préférence par un accumulateur de calories tel qu'un ballon d'eau chaude, - et d'autre part, un circuit électrique de commande de la pompe comportant lui-même deux éléments sensibles respectivement aux températures chaude t1 et froide t2 qui règnent respectivement à la sortie du capteur et à celle de l'unité d'exploitation, et des moyens de commande asservis à la différence D entre ces deux températures t1 et t2. Dans les installations connues de ce type, la commande de la pompe est assurée en tout ou'rien en fonction de franchissement.' de seuil. par la différence D, la pompe étant mise en marche dès que cette différence dépasse un premier seuil prédéterminé et étant ensuite arretée dès que ladite différence devient inférieure à- un second seuil prédéterminé qui est inférieur au premier et peut être nul. Ces installations ne sont pas dénuées d'intéret, mais elles sont mal adaptées aux exigences de l'exploitation de l'énergie solaire, en particulier du fait que les quantités de chaleur susceptibles d'être recueillies instantanément au niveau des capteurs varient dans de grandes proportions d'un moment à l'autre, e ce d'une manière imprévisible. Comme en effet le débit de l'eau entrainée dans le circui par la pompe lors de sa mise en marche est déterminé une fois pour toutes et donc fixé à une valeur moyenne,ce débit est fréquemment, ou bien surabondant lorsque l'énergie solaire à recueillir est fai ble, ce qui se traduit par une succession à rythme élevé de cycles marche-arret de la pompe, et donc à des transferts inopportuns de trains de calories ou de frigories dans le circuit, ou bien insuffisant lorsque l'énergie solaire à recueillir est importante, ce qui est préjudiciable au rendement de l'installation L'invention a pour but, surtout, de remédier à cet inconvénient en modulant automatiquement le débit d'eau entraîné dans 1 circuit, et donc dans le capteur, de l'installation solaire consi dérée en fonction de l'importance de la quantité de chaleur à recueillir instantanément dans ce capteur, le débit en question étant d'autant plus élevé que cette quantité de chaleur est elle-même plus élevée et inversement. En ce point de la description, il convient de rappeler par ailleurs que la demanderesse a déjà proposé dans le brevet France EN 74 33591 du 4 octobre 1974 et dans son premier certificat d'addition EN 76 00844 du 14 janvier 1976, un ensemble de régulation électronique pour transformer les variations progressives d'une température en variations progressives d'une tension électrique et d'exploiter ces variations de tension électrique pour faire varier la vitesse de rotation du moteur électrique d'une pompe. Cet ensemble travaille par découpage variable des alternances d'une tension alternative à fréquence constante, généralemerE fournie par le réseau, de sorte qu'il exige une synchronisation rigoureuse de fonctionnement de ses divers composants avec cette fré- quence constante. Une telle exigence est facilement respectée pour la régulation de l'alimentation en gaz d'une chaudière à gaz en fonction de la température ambiante, vu que, dans ce cas, la totalité des composants électroniques de l'ensemble, y compris l'élément sensible à la température ambiante, peuvent être rassemblés dans un même boîtier, généralement à proximité de la pompe à commander. Mais ce n'est plus le cas lorsque certains de ces composants sont disposés à des distances relativement grandes les uns des autres, comme dans les installations solaires du genre de celles ici concernées. Dans ces installations en effet, la distance entre les deux éléments thermosensibles, et le plus souvent la distance entre l'ensemble de régulation électronique et l'un au moins des éléments thermosensibles, savoir celui disposé à la sortie du capteur solaire, peut atteindre plusieurs dizaines de mètres, ce qui exige le recours à des conducteurs de liaison de grande longueur. Ces conducteurs de liaison sont le siège de capacités parasites qui introduisent des déphasages incompatibles avec la synchronisation rigoureuse nécessaire. L'invention propose une solution qui permet d'adopter dans les installations solaires du genre ci-dessus une régulation progressive du débit d'eau en fonction des besoins thermiques instantanés, régulation mettant en oeuvre, comme l'ensemble ci-dessus évoqué, le découpage variable des alternances d'une tension à fréquence constante. Elle est caractérisée en ce que les installations solaires du genre en question comprennent, en plus d'un premier ensemble électronique, d'un type connu en lui-même, propre à transformer les variations progressives d'une résistance R en variations progressives de la vitesse de rotation du moteur électrique de la pompe, d'une part un second ensemble électronique propre à élaborer un courant électrique I fonction de la différence D définie cidessus entre les températures t1 et t2 et d'autre part des moyens optoélectroniques pour transformer les variations du courant I en variations de la résistance R sans contact électrique entre les deux ensembles, lesdits moyens comprenant une source lumineuse alimentée par ledit courant I et une photorésistance agencée de façon à être éclairée par cette source et constituant la résistance R. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou-à l'autre des dispositions suivantes - des moyens sont prévus pour régler l'étendue de la plage de régulation du débit d' eau, c' est-à-dire l'écart de température E qui doit être progressivement balayé par la différence de température D détectée pour faire passer progressivement la vitesse de la pompe de sa valeur minimum en service (correspondant au point bas dudit écart E) à sa valeur maximum (correspondant au point haut de cet écart E), - dans une installation selon l'alinéa précédent, l'écart E est réglable entre une valeur minimum de l'ordre de 20C et une valeur maximum de l'ordre de 200C, - le réglage de l'étendue de la plage de régulation est lui-même asservi automatiquement à une température t3 telle que celle régnart au sommet d'un ballon d'eau chaude constituant 1'unité d'exploitation calorifique de l'installation, - le second ensemble électronique de l'installation comprend : une source de tension continue réalisée de préférence par abaissement, redressement, filtrage, et écrêtage de la tension du réseau, deux thermistances disposées respectivement à la sortie du capteur so- laire et à celle de l'unité d'exploitation, propres à détecter respectivement les températures t1 et t2 et montées en diviseur de tension aux bornes de la source de tension et un élément propre a alimenter la source lumineuse et monté de façon telle que l'importance de sa conduction dépende de la différence entre les résis tances des deux thermistances, - dans le second ensemble selon l'alinéa précédent, l'élément est un transistor dont la base est connectée à la zone de raccordement des deux thermistances, dont l'émetteur est connecté à l'une des bornes dé la source de tension à travers une diode Zener réglée sur une tension inférieure et montée en série avec une résistance réglable r permettant de régler l'étendue de la place de régulation, et dont le collecteur est connecté à l'autre borne de la source de tension à travers une diode électroluminescente constituant la source lumineuse ci-dessus, - dans une installation selon les deux alinéas précédents, la ré- sistance r est un élément sensible à la température t3, propre à régler automatiquement l'étendue de la plage de régulation. L'invention comprend,- mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préféren- ce en même temps et dont il sera plus explicitement question ciaprès. Dans ce qui suit, l'on va décrire un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ce dessin, est une vue schématique de l'installation de production solaire d'eau chaude perfeCtionnée selon l'invention. La figure 2 est un schéma plus détaillé des circuits électroniques compris par cette installation. De façon connue en soi, cette installation comprend - un circuit d'eau ou liquide analogue (par exemple eau additionnée d'antigel) comportant lui-même les éléments suivants montés en série les uns à la suite des autres à l'aide de canalisations 1 (figure 1) : une pompe 2 d'entraînement de l'eau, elle-même entraînée par un moteur électrique (qui sera désigné lui-même par la référence 2 dans la suite et sur la figure 2 pour simplifier), un capteur 3 d'énergie solaire exposé aux rayons du soleil symbolisés par les flèches S, et une unité d'exploitation calorifique qui peut être un échangeur ou accumulateur thermique et qui sera supposé ici constitué par un ballon d'eau chaude 4, - et un circuit électrique de commande du moteur 2, circuit comportant lui-même deux éléments 5 et 6 sensibles respectivement aux températures chaude t1 et froide t2 qui règnent respectivement à la sortie du capteur 3 et à celle du ballon 4. Ces éléments 5 et 6 sont reliés au reste du circuit électrique, par exemple contenu dans un boîtier 7, par des fils conducteurs 8 dont la longueur est relativement grande, dépassant fréquemment la dizaine de mètres. Le moteur électrique 2 est choisi de façon telle que sa vitesse de rotation croisse de sa valeur nulle à sa valeur nominale maximum lorsqu'on applique à ses bornes une tension alternative de valeur efficace croissante, par exemple de 50 à 220 V. On voit encore sur la figure 1 - un circuit 9 de puisage d'eau chaude dont un tronçon en serpentin 10 traverse le-ballon 4 en vue du chauffage de l'eau qui y circule, - et une vanne anti-retour 11 interdisant une circulation d'eau en sens indésirable dans le circuit 1, 2, 3, 4. Ceci dit, le circuit électrique de commande selon l'invention diffère de ceux antérieurement connus en ce qu'il assure non plus une commande en tout ou rien du moteur 2 - ce qui présente les inconvénients signalés ci-dessus - mais une commande de ce moteur modulée progressivement en fonction de la différence D entre les températures tl et t2. A cet effet la portion, dudit circuit électrique de commande, rassemblée dans le boîtier 7 ou analogue, comprend - un premier ensemble électronique 12 propre à transformer les variations progressives d'une résistance R en variations progressives de vitesse du moteur 2, - un second ensemble électronique 13 propre à élaborer un courant électrique I fonction de la différence de température D, clest-à- dire variable en même temps et dans le même sens que cette différence, - et des moyens optoélectroniques 14 pour transformer les variations de ce courant I en variations de la résistance R sans aucun contact électrique entre les deux ensembles 12 et 13. Le-premier ensemble 12 travaille par découpage partiel des alternances d'une tension alternative de fréquence constante qui est celle du réseau, ou plus précisément d'une telle tension légèrement ondulée, c'est-à-dire redressée mais non filtrée. Tous les composants de cet ensemble 12, qui sont disposés à une distance relativement petite les uns des autres, travaillent en synchronisme mutuel rigoureux. Le mode de réalisation dudit ensemble 12 qui est schématisé sur la figure 2 est du genre de celui décrit dans le brevet France mentionné ci-dessus. Cet ensemble comprend - un pont de diodes 15 alimenté par la tension alternative provenart d'une source 16 de tension alternative à fréquence f constante telle que le réseau, - une diode Zener 17 propre à écrêter la tension redressée et légèrement ondulée de fréquence 2f recueillie à la sortie du pont 15, - une résistance R montée en diviseur de tension avec un potentiomètre-18 de tarage aux bornes de la diode Zener 17, - un condensateur 19 chargé par la résistance R, - un transistor unijonction programmable 20 monté de façon à etre attaqué par le condensateur 19 et donc à émettre des impulsions à--la fréquence 2f en des instants qui dépendent de la charge de ce condensateur 19, - et un thyristor 21 déclenché par ces impulsions sortant du transistor unijonction 20 et branché en parallèle sur la sortie du pont de diodes 15. Ce thyristor 21 est parcouru par des signaux de tension hachés de fréquence 2f, signaux dont la largeur individuelle dépend des instants relatifs d'émission desdites impulsions, lesquels dépendent eux-mêmes de la vitesse de chargement du condensateur 19. La tension alternative V désirée pour commander le moteur 2, tension qui est une fonction de celle traversant le thyristor 21, est recueillie entre deux bornes 22 et 23 montées en série avec la source 16 à l'entrée du pont de diodes 15. On voit encore sur la figure 2 - une capacité 24 montée aux bornes de la résistance R à des fins de stabilisation, - un transistor 25 interposé entre la résistance R et le condensateur 19 aux fins d'adaptation d'impédance, - une résistance 26 de polarisation de ce transistor, -une diode 27 évitant que le condensateur 19 se décharge vers le transistor 25, - une résistance 28 constituant avec le condensateur 19 un mcntage oscillant résistance-capacité, - deux résistances 29 et 30 montées en pont définissant la tension de référence du transistor unijonction 20, - une résistance 31 de protection définissant le courant de la diode Zener 17, - un self 32 d'antiparasitage du thyristor 21, - une résistance 33 de polarisation de ce dernier, - et une résistance 34 éventuellement montée en parallèle sur l'entrée du pont de diodes 15 dans le but de supprimer certaines vibrations audibles ainsi qu'il a été exposé dans le certificat d'addition mentionné ci-dessus. L'ensemble 12 ainsi décrit présente l'avantage important d'être entièrement synchronisé avec la fréquence X ou 2f, de telle sorte que la tension V finalement développée aux bornes du moteur 2 peut être contrôlée avec une grande exactitude et une grande fiabilité en fonction des variations de -la résistance R. Le second ensemble 13 comprend - des moyens 35-39 pour engendrer une tension continue V1 à partir du réseau, - deux thermistances 5 et 6 constituant respectivement les deux éléments affectés des mêmes références 5 et 6 sur 1a figure 1 et donc disposées respectivement à la sortie du capteur 3 et à celle du ballon 4 et sensibles respectivement aux deux températures chaude t et froide t2, ces deux thermistances étant branchées en diviseur de tension, à l'aide de longs fils conducteurs 8,aux bornes 40et 41 de la source 35-39, - et un transistor 42 dont la conduction est liée à la-différence entre les résistances des deux thermistances Set 6,c'est-à-dire en définitive à la différence D entre les deux températures t1 et t2. - Les moyensgénérateurs de la tension continue V1 à partir de la même source de tension alternative 16 à fréquence f que précédemment, c'est-à-dire de préférence le réseau, comprennent les éléments suivants : un transformateur abaisseur de tension35, un pont de diodes36, une capacité de filtrage 37 et une diode Zener 38 définissant ladite tension V1 et dont le courant est lui-même défini par une résistance 39. Les thermistances 5 et 6 sont avantageusement deux résistances identiques à coefficient de température négatif et de valeur relativement élevée atteignant par exemple plusieurs dizaines de kilohms. Le transistor 42 a - sa base connectée à la zone de raccordement des deux thermistances 5 et 6 et à une capacité 43 propre à filtrer les parasites à la fréquence f, - son émetteur connecté à l'une des bornes 40 de la source 35-39 à travers une diode Zener 44 réglée sur une tension V2 inférieure à V1 et montée elle-même en série avec une résistance réglable r, - et son collecteur connecté à l'autre borne 41 à travers une diode électroluminescente 45. La résistance r peut être constituée par un potentiomètre réglable à la main ou par un capteur de température (schématisé par le rectangle r')lui-meme sensible à une température t3 sur laquelle on reviendra plus loin La diode 45 est montée de façon à éclairer la résistance R, laquelle est choisie sensible aux radiations lumineuses qu'elle reçoit, ce qui permet d'établir entre les deux circuits 12 et 13 une liaison optique sans aucun contact électrique. Cette liaison présente l'important avantage de pouvoir adopter l'ensemble 12,soumis à des conditions rigoureuses de synchronisation,malgré la grande distance des thermistances 5 et 6, qui exige le recours à des fils 8 de grande longueur conduisant à la création de capacités parasites propres à créer des déphasages indésirables. La liaison optique en question peut être très courte dans l'espace , les deux composants 45 et R étant avantageusement enfermés à petite distance l'un de l'autre dans une meme capsule opaque telle que celle symbolisée par les traits interrompus 46. Le fonctionnement de l'installation ci-dessus est le suivant. Au repos, tant quelles températures t1 et t2 détectées par les deux thermistances 5 et 6 sont identiques ou très voisines, le transistor 42 conduit au maximum et un courant I de valeur maximum circule dans la diode 45, laquelle éclaire la photorésistance R en lui conférant sa valeur minimum; la conduction du transistor 25 est minimum et même éventuellement nulle et la tension V disponible aux bornes du moteur 2 est quasiment nulle ou tout au moins insuffisante pour actionner ce moteur1 lequel est arrêté. A partir de cette situation, si la température "chaude" t1 à la sortie du capteur solaire 3 augmente,la résistance de la thermistance 5 diminue, la tension entre la base et ltémetteur du transistor 42 diminue également, la conduction de ce transistor diminue aussiainsi que le courant I traversant la diode 45 ; cette dernière éclaire donc la résistance R avec moins d'intensité et la valeur de cette résistance augmente, ce qui augmente la conduction du transistor 25 : la tension V alors engendrée aux bornes du moteur 2 croit progressivement. Cette tension V est propre à entrainer en rotation ce moteur 2 dès que sa valeur efficace dépasse un seuil prédéterminé, qui est par exemple de 50 V si celle du réseau est de 220 V, et cet entrainement est assuré à une vitesse de rotation croissant elle-même avec cette valeur efficace. En définitive, plus la température tl à la sortie du capteur 3 s'élève, plus la valeur efficace de la tension V croît, plus le moteur 2 tourne vite et plus le débit d'eau circulant dans ledit capteur est élevé. Comme l'énergie calorifique ainsi récupérée par unité de temps est également d'autant plus importante que ce débit est plus élevé, l'augmentation de ce débit-se traduit généralement par une diminution de la température tl et par une augmentation de la température t2, ainsi donc que par une réduction de la différence D, ce qui a pour effet à son tour de réduire le débit d'eau considéré: cette réduction du débit d'eau tend elle-meme à augmenter à nouveau la différence D ... En définitive, il s'établit dans chaque cas un régime d'équilibre, c'est-à-dire un débit d'eau donné pour une différence D donnée. Si les besoins en calories de l'installation sont inférieurs à l'énergie solaire captée, la température du ballon peut devenir suffisante, c'est-à-dire supérieure d'une valeur d très faible (par exemple égale à 0,5 ou à 1 degré) à la température tl la différence D est alors inférieure à cette valeur d, la valeur efficace de la tension V devient elle-même inférieure au minimum compatible avec l'entraînement de la pompe (par exemple à 50 V) et cette dernière s'arrête. La gamme totale des valeurs efficaces de la tension V (par exemple comprise entre 50 et 220 V) correspondant à la gamme totale des vitesses de service de la pompe, est balayée progressivement lorsque la différence D balaye elle-même progressivement un écart prédéterminé E, c'est-à-dire croit progressivement de la valeur très faible d ci-dessus à la valeur d + E. On choisit avantageusement les différents paramètres de l'installation, et en particulier les valeurs des tensions définies par les diodes Zener 17, 38 et 44 et les valeurs des thermistances 5 et 6, des résistances de réglage r et 18 et de la résistance R de façon telle que la valeur dudit écart E soit comprise entre 2 et 200. De préférence en outre, on rend ce choix très facilement réglable sur l'installation entre les deux valeurs limites indiquées en agissant sur la valeur de la résistance r. C'est ainsi que, par exemple, on peut choisir pour l'écart E une valeur élevée (telle que 200), dans le cas où l'on désire surtout utiliser l'installation pour assurer un chauffage, et au contraire une valeur faible (par exemple 20) pour les applications sanitaires de cette installation : l'adoption d'un petit écart revient en effet, pour des conditions données d'ensoleillement, à faire fonctionner l'installation à plus haute température, mais au prix d'une demande supérieure d'énergie d'entrainement pour la pompe et au détriment de la rentabilité de l'installation, le rendement thermique d'un capteur variant en sens inverse de la température, contrairement à celui d'un radiateur ou convecteur. La modification en question de la valeur r peut être commandée manuellement, comme schématisé par le potentiomètre désigné par la référence r sur la figure 2. Elle peut être également automatique et par exemple asservie à une température t3 telle que celle régnant au sommet du bal- lon 4 : on peut en effet estimer avantageux que l'écart E soit relativement grand lorsque la température de ce ballon est relativement élevée et ne requiert donc que peu d'apport thermique et inversement, La régulation continue du débit d'eau obtenue selon l'invention en fonction de la température est très sensible et fiable l'expérience montre que, au cours d'une journée ensoleillée, le simple passage d'un gros nuage entre le capteur et le soleil a pour effet de réduire automatiquement le débit de l'eau circulant dans ce capteur par suite de la réduction de la température tl découlant de ce passage. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement d'une installation de production so- laire d'eau chaude dont la constitution, le fonctionnement et les avantages (en particulier celui d'assurer une circulation d'eau dont le débit est fonction de l'énergie calorifique réelle disponible dans le capteur, ce qui assure un rendement optimum quel que soit le degré d'ensoleillement de ce capteur) résultent suffisamment de ce qui précède. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Installation de production solaire d'eau chaude comprenant , d'une part un circuit d'eau comportant les éléments suivants montés en série : une pompe électrique d'entraînement de l'eau, un capteur d'énergie solaire et une unité d'exploitation calorifique constituée de préférence par un accumulateur de calories tel qu'un ballon d'eau chaude, et d'autre part, un circuit électrique d6 com- mande de la pompe comportant lui-même deux éléments sensibles respectivement aux températures chaude t1 et froide t2 qui règnent respectivement à la sortie du capteur et à celle de l'unité d'exploitation, et des moyens de commande asservis à la différence D entre ces deux températures t1 et t2, caractérisée en ce qu'elle comprend, en plus d'un premier ensemble électronique (12),d'un type connu en lui-meme, propre à transformer les variations progressives d'une résistance R en variations progressives de la vitesse de rotation du moteur électrique de la pompe (2), d'une part un second ensemble électronique (13) propre à élaborer un courant électrique I fonction de la différence D définie ci-dessus entre les températures t1 et t2 et d'autre part des moyens optoélectroniques (14) pour transformer les variations du courant I en variations de la résistance R sans contact électrique entre les deux ensembles, lesdits moyens comprenant une source lumineuse (45) alimentée par ledit courant I et une photorésistance agencée de façon à être éclairée par cette source et constituant la résistance R. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que des moyens (r) sont prévus pour régler l'étendue de la plage de régulation du débit d'eau, c'est-à-dire l'écart de température E qui doit être progressivement balayé par la différence de température D détectée pour faire passer progressivement la vitesse de la pompe de sa valeur minimum en service (correspondant au point bas dudit écart E), à sa valeur maximum (correspondant au point haut de cet écart E) 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'écart E est réglable entre une valeur minimum de l'ordre de 20C et une valeur maximum de l'ordre de 20 C. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le réglage de l'étendue de la plage de régulation est lui-meme asservi automatiquement à une température t3 telle que celle régnant au sommet d'un ballon d'eau chaude (4) constituant l'unité d'exploitation calorifique de l'installation. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le second ensemble électronique comprend : une source de tension continue (35-39) réalisée de préférence par abaissement, redressement, filtrage et écrêtage de la tension du réseau (16), deux thermistances (5,6) disposées respectivement à la sortie du capteur solaire (3) et à celle de l'unité d'exploitation (4),propres à détecter respectivement les températures t1 et t2 et montées en diviseur de tension aux bornes de la source de tension et un élément propre à alimenter la source lumineuse et monté de façon telle que l'importance de sa conduction dépende de la différence entre les résistances des deux thermistances. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'élément est un transistor (42) dont la base est connectée à la zone de raccordement des deux thermistances (5,6), dont l'émetteur est connecté à l'une des bornes de la source de tension à travers une diode Zener (44) réglée sur une tension inférieure et montée en série avec une résistance réglable r permettant de régler l'étendue de la plage de régulation, et dont le collecteur est connecté à l'autre borne de la -source de tension à travers une diode électroluminescente (45) constituant la source lumineuse cidessus. 7. Installation selon les revendications 4, 5 et 6, caractérisée en ce que la résistance r est un élément (r') sensible à la température t3, propre à régler automatiquement l'étendue de la plage de régulation.