Brevet FR2440525A1 — publié le 19800530

Ce dispositif permet de capter et de récupérer, de façon très efficace, l'énergie thermique, contenu dans le rayonnement solaire. Dans les dispositifs, actuellement utilisés (capteurs plans), la circulation de l'eau d'utilisation ou du fluide liquide calóporteur primaire, s'effectue directement dans le corps de l'absorbeur ou ruisselle sur celuici. Comme ces absorbeurs sont placés dans des coffres, donc insolés sur une seule face, cela réduit de moitié leur surface active et augmente leurs déperditions par conduction sur leur face inerte. De plus, les capteurs plans ont, de par leur constitution, des déperditions importantes, dues au phénomène qui fait que les corps chauds émettent des rayonnements calorifiques infSarouges -, que le vitrage de recouvrement - effet de serre -, n'évite qu'en partie. Le principe du dispositif mis en oeuvre par l'invention permet d'éviter, en majeure partie, ces inconvénients. Ce principe consiste à mettre en circulation une certaine masse d'air en créant un thermo-siphon; ce thermosiphon d'air circule dans un conduit en circuit fermé parfaitement étanche. À part la face avant, dans la partie où sont disposés les absorbeurs pièges à calories, qui, elle, reçoit un vitrage, le reste du conduit est isolé thermiquement de façon parfaite et placé à l'intérieur d'une carrosserie. C'est ce thermo-siphon d'air, qui se crée et s'entretient de lui-même, dès que le soleil apparait, qui assure le transfert des calories captées dans les absorbeurs - sources chaudes du thermo-siphon, jusqu'au fluide cs- loporteur qui circule dans l'échangeur thermique air/fluide caloporteur source froide du thermo-siphon. a L'utilisation de l'air comme fluide transfert selon le principe de l'invention a permis la réalisation d'absorbeurs n'ayant pas les inconvénients des absorbeurs utilisés dans les capteurs plans. Les caractéristiques de l'invention apparaitront i la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et avec référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une coupe verticale schématique qui montre l'ensemble du dispositif. la figure 2 est une élévation de la face avant partiellement éclatée. La face avant est la face exposée au rayonnement solaire. la figure 3 est une élévation de la face arrière, partiellement éclatée. la figure 4 est une coupe horizontale schématique de la figure 1, par I.I' pour une moitié et par II.II' pour l'autre moitié. la figure 5 est une coupe partielle à grande échelle, représentant la position d'un absorbeur sur ses profilés supports dans la partie avant du conduit. la figure 6 est une coupe partielle à grande échelle d'un absorbeur piège à calories - échangeur thermique. La figure 7 est une vue perspective cavalière d'un absorbeur dont les composants ne sont représentés que partiellement. Le dispositif, objet de l'invention, est constitué par un coffre carrosserie - parallélépipédique 1, dont une face que nous appellerons face avant, est orientée dans la direction des rayons solaires sous une inclinaison convenable. 'Cette inclinaison sera fonction du lieu géographique (latitude) et de la saison - solstice d'hiver et solstice d'été - sachant que le rayonnement solaire, représenté schématiquement par la flèche S sur la figure 1, doit frapper les absorbeurs 20 avec un angle de 90 . Cette face avant est ouverte; cette ouverture du coffre reçoit un double vitrage 5 et 6, maintenu par des pièces de fixation 7; entre ces deux vitres 5 et 6 se trouve un matelas d'air isolant 4 en contact avec l'atmosphère ambiante seulement par la partie basse. La vitre 6 formant l'une des faces du conduit est fixée en sa périphérie, sur les bords du coffre 1 de façon à ce que le conduit qu'elle délimite soit étanche, pour cela des joints d'étanchéité 8 sont disposés entre toutes les surfaces des parties du coffre et des parties de la vitre en contact. A une certaine distance derrière ce vitrage 6, une feuille de métal 9 constitue l'autre face, que nous appellerons fond du conduit dans sa partie avant. Cette feuille de métal 9 se retourne de chaque cati, jusqu'au vitrage 6, formant ainsi les deux côtés du conduit dans sa partie avant. Transversalement au conduit ainsi formé, sous le vitrage 6, des profilés métalliques 10 sont disposés entre les petits côtés du conduit. Un joint d'étanchéité 8 est placé entre ces profilés 10 et la vitre 6. Ces profilés servent de support et de pièces de fixation pour l'un des côtés des absorbeurs 20. D'autres profilés nétalliques 12 qui servent de support et de pièces de fixation à l'autre côté des absorbeurs 20, sont fixés sur la feuille métallique 9 formant le fond du conduit, transversalement à celui-ci. Entre ces profilés 10 et 12, situds de part et d'autre du conduit, sont fixés les absorbeurs - pièges à calories - échangeurs thermiques 20. Chacun de ces absorbeurs - pièges à calories - échangeurs thermiques, selon l'invention, tels qu'ils sont représentés sur la figure 6 annexée, qui est une coupe partielle à grande échelle d'un absorbeur, et sur la figure 7 annexée, qui est une vue perspective cavalière d'un absorbeur, est constitué par un cadre métallique rectangulaire 21, dont les dimensions sont définies par celles du conduit dans lequel ils sont placés, dans une position oblique, leur inclinaison doit être perpendiculaire au rayonnement solaire, et fixés sur les profilés 10 et 12 prévus à cet effet. L'étanchéité entre ce cadre 21 et les profilés supports 10 et 12 est assurée par des joints 24 et doit être suffisante pour que la section du conduit soit entièrement obturée obligeant ainsi la veine d'air en circulation - thermo-siphon - à traverser les parties actives 23 des absorbeurs 20. Sur chaque face de ce cadre métallique 21 est fixé et tendu par des moyens adequats un grillage 22. Ces grillages 22 sont en métal inoxydable peint en noir mat ou en aluminium anodisé noit mat. La dimension des mailles de ces grillages 22 ne doit pas exeder 3 fois la largeur du ruban métallique qui constitue la partie active de ces absorbeurs 20. Entre ces deux grillages 22 et maintenus par eux se trouvent les pièces formant la partie active des absorbeurs 20. Ces pièces formant la partie active des absorbeurs 20 sont constituées par des rubans métalliques 23, l'alllminium anodisé noir mat est parfaitement adapté à cet usage, mais n'importe quel métal peint en noir mat à l'aide d'une peinture résistant aux hautes températures peut être utilisé, l'épaisseur de ce ruban est environ le 1/20ème de sa largeur. Ce ruban ou ces longueurs de ruban sont légèrement froissés et légèrement tassés, en une sorte de matelas de paille métallique grossière dont ltépaisseur ne doit pas dépasser 4 fois la largeur du ruban constitutif, de façon telle que, d'une part, en plaçant un absorbeur entre l'oeil et le soleil, cet absorbeur doit se comporter en écran et ne laisser passer aucun rayon lumineux, que, d'autre part, la perméabilité à l'air de ce même absorbeur doit rester importante, la plus importante possible, on restant repartie le plus régulièrement possible dans l'ensemble du volume, pour que la veine d'air qui le traverse puisse baigner et entrer en contact parfait avec toutes les surfaces du ruban métallique 23. C'est, selon l'invention, cette constitution de la partie active des absorbeurs qui fait leur efficacité. Cette efficacité, en ce qui concerne l'absorption et le piégeage des calories, est due aux très importantes surfaces d'absorption développées par le ruban métallique 23, ainsi qu'aux incidences variables que présentent ces mêmes surfaces de ruban froissé, d'une part, au rayonnement solaire qu' elles recoivent et absorbent, d'autre part, aux rayonnements calorifiques infra-rouges secondaires réémis qu'elles empêchent de ressortir de l'absorbeur, car le rayonnement calorifique émis par une de ces surfaces est piégé et réabsorbé par une autre. De plus, en ce qui concerne les échanges thermiques, du fait de l'importance de leurs surfaces rayonnantes, ces rubans métalliques sont également très efficaces. Sur la figure 1 qui représente une coupe verticale schématique de l'ensemble du dispositif, on a représenté cinq absorbeurs 20, mais il est possible d'en disposer davantage dans un conduit plus long, le nombre de ces absorbeurs 20 et les dimensions du dispositif étant fonction des quantités d'énergie thermique dont on voudra disposer. Derrière le conduit dans lequel sont placés les absorbeurs 20 que l'on peut appeler la "chaudière solaire" et plus particulièrement derrière la feuille de métal 9 qui constitue le fond de ce conduit, se trouve une séparation 13 qui sert de bâti support. Cette séparation 13 est garnie sur ses deux faces de matériaux à haut pouvoir d'isolation thermique 17 : laine de verre, polystyrène expansé, vermiculite, etc... Dans la partie basse de cette séparation 13 est réservé un passage 14 de section appropriée qui met en communication le conduit avant "chaudière solaire" et le conduit inférieur arrière 15. Dans la partie haute de cette séparation 13 est réservé un passage de section approprié qui met en communication le conduit avant "chaudière solaire" avec le conduit supérieur arrière 16. C'est dans cette partie du conduit,dont la section est appropriée, qu' est fixé l'échangeur thermique 25 à deux étages 26 et 27, de façon à ce que la totalité de la veine d'air à haute température soit canalisée entre les tubes à ailettes de cet échangeur 25. Cet échangeur thermique air/fluide caloporteur 25 est de type classique et de dimensions correspondant à l'utilisation désirée. Au-dessus de la partie 27 de cet échangeur thermique, le conduit arrière 16 se continue, avec des variations de sections jusqu'à son raccordement sur l'entrée d'un accélérateur centrifuge à débit variable 30, entraîné par un moteur électrique à vitesse variable 31, dont la vitesse de rotation est fonction des différences de température mesurées et enregistrées par deux sondes thermostatiques, l'une, la sonde 32, est placée dans la partie haute de la "chaudière solaire" donc dans la partie la plus chaude du thermo-siphon, avant la première partie 26 de I'échangeur thermique 25, l'autre la sonde 33, est placée dans le conduit arrière 16, après la deuxième partie 27, de l'échangeur thermique 25, donc dans la partie froide du thermosiphon. Cet accélérateur centrifuge 30 est d'un modèle courant et est destiné à la régulation de la vitesse d'écoulement de la veine d'air formant le thermosiphon. La sortie de cet accélérateur 30 est raccordée sur le conduit ar rière inférieur 15 qui assure le retour de la veine d'air refroidie vers la chaudière solaire à travers le passage de section approprié 14. A l'exclusion de la partie avant du conduit exposée au rayonnement solaire, fermée et couverte par un double vitrage 5 et 6, toutes les autres parties de ce conduit : partie haute 16, parties arrières 16 et 15, parties inférieures arrières 15 et 14, l'ensemble des côtés de ce même conduit, ainsi que tous les autres éléments : échangeur de température 25, sondes thermostatiques (base et support) 32 et 33, accélérateur centrifuge 30, canalisations du fluide caloporteur et pompe de circulation 34, situés tout au long du conduit, au-dessus et derrière la séparation médiane isolante 13, entre cette dernière et les parois du dessus, du fond, du dessous et des c8tés du coffre 1, sont entièrement englobés dans des matériaux à haut pouvoir d'isolation thermique 17 : laine de verre, polystyrène expansé, vermiculite, liège aggloméré ou tout autre ayant les mêmes propriétés d'isolation. Le fluide caloporteur sur l'arrière duquel se trouve une pompe de circulation 34, d'un modèle courant, pénètre froid en partie basse 27 de l'é- changeur thermique 25, circule dans les deux parties, qui sont couplées 27 et 26 de cet échangeur où il se charge des calories cédées par la veine d'air à haute température et sort en partie haute de la partie 26 de ce même échangeur d'où il s'achemine soit vers un échangeur thermique secondaire, soit vers un ballon d'hydroaccumulation, soit vers tout autre système d'utilisation de l'énergie thermique ainsi disponible. Ces appareillages classiques ne sont pas figurés sur les dessins annexés. Les canalisations d'amenée et de retour du fluide caloporteur seront calorifugées dans leurs parcours entre le dispositif de production d'énergie thermique selon l'invention et les appareillages utilisateurs. On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif dont on vient de faire la description. L'air, contenu dans la partie du conduit dont la paroi exposée au soleil est constituée d'un double vitrage 5 et 6, et où sont échelonnés les absorbeurs - pièges à calories - échangeurs thermiques 20, qui sont les sources chaudes du thermo-siphon, s'échauffe au contact des surfaces rayonnantes actives 23 de ces absorbeurs 20, qu'il baigne : sa densité diminue, il acquiert un mouvement ascendant qui le fait s'élever jusqu'à la partie haute du conduit où sa température atteint une valeur maximale. A cet endroit est placé dans le conduit l'échangeur thermique 25 à deux étages 26 et 27, dans lequel circule le fluide caloporteur à rechauffer, cet échangeur est la source froide du thermo-siphon; en traversant les tubes à ailettes de cet échangeur thermique 25, l'air cède les calories dont il est chargé au fluide caloporteur, il se refroidi, sa densité augmente, il acquiert un mouvement descendant et il retourne à travers l'accélérateur centrifuge à débit vari De 30 par la partie inférieure 15 du conduit jusqu'aux absorbeurs 20 le cycle du thermo-siphon est ainsi bouclé. RSVENDICATI0NS 1. Dispositif permettant de capter de façon très efficace l'énergie thermique contenue dans le rayonnement solaire, caractérisé par le fait qu'il utilise un thermo-siphon d'air, circulant dans un conduit, en circuit fermé, étanche, parfaitement isolé du point de vue thermique, conduit dans lequel sont placés tous les éléments constitutifs du dispositif absorbeurs - pièges à calories - échangeurs thermiques 20, échangeur thermique air/fluide caloporteur 25, accélérateur centrifuge à débit variable 30, sondes thermostatiques 32 et 33, pour assurer le transfert des calories piégées dans le rayonnement thermique solaire par les parties actives (23) des absorbeurs - pièges à calories - échangeurs thermiques 20, jusqu' au fluide caloporteur qui circule dans l'échangeur thermique air/fluide caloporteur 25 à double étage 26 et 27; thermo-siphon d'air dont la circulation : vitesse d'écoulement - débit - est régularisé par l'accélérateur centrifuge à débit variable 30, piloté pat les sondes thermostatiques 32 et 33, ce qui permet d'obtenir le rendement optimum du dispositif suivant les conditions atmosphériques : variations de la quantité d'énergie thermique dispenée par les rayons solaires selon l'état de pureté de l'atmosphère ou selon les variations d'incidence du rayonnement au cours de la journée. 2. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen utilisé pour transférer les calories captées par les absorbeurs - pièges à calories (20) au fluide caloporteur qui circule dans l'échangeur thermique (25) est un thermo-siphon utilisant l'air comme fluide. 3. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le thermo-siphon transfert de calories se crée et s'entretient de lui-même entre les sources chaudes : absorbeurs - pièges à calories échangeurs thermiques (20) et la source froide : échangeur thermique air/ fluide caloporteur (25). 4. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les parties actives (23) des absorbeurs (20) qui, constituées par des rubans métalliques froissés et tassés de telle façon qu'ils forment un écran pour les rayons lumineux mais restent perméables au courant d'air du thermo-siphon, pourront etre constituées de matériaux métalliques peints ou anodisés noir mat, disposés de façons différentes: fibres métalliques formant un genre de paille métallique disposées en couches superposées, pièces de métal en forme de nids d'abeilles sans fond, fins grillages métalliques également en couches superposées, etc..., du moment que les caractéristiques mécaniques : perméabilité à l'air de ces éléments seront conservées. 5. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la régulation du thermo-siphon par un accélérateur centrifuge (30) permet d'obtenir une température constante du fluide caloporteur b la sortie de l'échangeur thermique (25) malgré les variations quantitatives de l'énergie thermique parvenant aux absorbeurs - pièges à calories (20). 6. Dispositif, suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ensemble de l'appareillage se trouvant à l'intérieur d'une carrosserie monocoque peut être constamment réglé en direction et en inclinaison suivant la course du soleil par un système d'asservissement classique.