Brevet FR2439956A1 — publié le 19800523

La présente invention a pour objet des capteurs solaires plans comportant une couverture transparente multicellulaire. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des capteurs solaires. Les capteurs solaires plans comportent, de façon connue, un absorbeur ou radiateur dans lequel circule un fluide caloporteur qui est chauffé par le rayonnement solaire et cet absorbeur est placé sous une couverture transparente qui crée un effet de serre. Généralement, la couverture transparente est une simple plaque plane et le capteur est orienté vers le Sud. Dans ce cas, lorsque le soleil est a l'Est ou à l'Ouest, les rayons frappent obliquement la couverture plane et une grande partie de l'énergie solaire est réfléchie ce qui réduit de façon très importante l'efficacité du capteur et la puissance calorifique captée par unité de surface. Par ailleurs, il est intéressant d'incliner les capteurs plans par rapport au plan horizontal pour qu'ils se rapprochent le plus possible d'une position perpendiculaire aux rayons solaires, On sait que cette in- clinaison varie avec la latitude du lieu et avec les saisons et l'angle idéal formé par le plan du capteur avec le plan horizontal augmente lorsque la hauteur du soleil diminue et il atteint sa valeur maxima au solstice d'hiver, où l'inclinaison idéale est par exemple de 600 environ sous une latitude de 40". Cette inclinaison a pour conséquence que les capteurs offrent une grande surface de prise au vent, qu'ils projettent de l'ombreles uns sur les autres s'ils sont juxtaposés dans le sens Nord-Sud et qu'ils sont inesthétiques s'ils sont placés sur un toit en terrasse. Si les mêmes capteurs plans sont posés contre un mur vertical ou incorporés dans un mur de façade il ntest plus.possible de les disposer perpendiculairement aux rayons solaires et le rendement de la captation n'est pas optimum. Un autre problème réside dans la matière utilisée pour confectionner les couvertures transparentes de capteurs plans. L'emploi du ve-rre ordinaire est déconseillé car c'est un matériau trop fragile. Le verre trempé est onéreux et ne permet pas la mise en forme de la couverture. L'emploi de plaques planes de matières plastiques transparentes présente des difficultés à cause du coefficient de dilatation élevé des matieres plastiques. L'objectif de la présente invention est de procurer des capteurs plans qui remédient à ces inconvénients. On connaît déjà des capteurs plans dont la couverture transparente est multicellulaire, c'est-à-dire composée d'une pluralité. de cellules identiques juxtaposées. Par exemple, on connaît des capteurs dont la couverture est composée d'une série de nervures arrondies parallèles formant loupe, disposées dans le sens Nord-Sud, ou bien de mamelons sphériques juxtaposés. On connaît également des capteurs dont la couverture transpatente est ondulée ou présente une section en dents de scie dont les arêtes sont disposées dans le sens Est-Ouest. La présente invention a pour objet de nouveaux capteurs ayant une couverture transparente multicellulaire dont la structure est différente de celle des couvertures multicellulaires connues et conduit à de meilleurs résultats. Chaque cellule composant la couverture transparente multicellulaire d'un capteur selon l'invention s inscrit dans un cadre de base polygonal, par exemple dans un cadre rectangulaire. Elle comporte, d'une part, une face plane ou sensiblement plane qui est délimitée par un premier côté dudit cadre de base et par une courbe en forme d'arc passant par les deux extrémités dudit premier coté et, d'autre part, une surface dont la convexité est dirigée vers l'extérieur du capteur, laquelle surface relie les autres côtés dudit cadre de base à ladite ligne courbe. De préférence, le plan de la face plane forme un angle d'environ 600 avec le plan du cadre de base de chaque cellule. De préférence, la ligne courbe qui délimite la face plane a la forme d'un arc de cercle. La section de la surface convexe de chaque cellule par le plan médian du premier côté du cadre de base est une ligne droite ou sensiblement droite faisant un angle de l'ordre de 900 avec ladite face plane. De préférence, la couverture transparente d'un capteur selon l'invention est composée d'une ou plusieurs plaques en une matière transparente thermoplastique qui sont mises en forme par thermoformage. Selon un mode de réalisation particulier, l'absorbeur d'un capteur selon l'invention est également composé d'une pluralité de cellules dont la face avant épouse sensiblement la forme de la couverture. Un capteur selon l'invention peut être posé sur une surface horizontale ou sensiblement horizontale, par exemple sur la courverture en terrasse d'un bâtiment. Dans ce cas, le plan du capteur, qui est parallèle au plan des cadres de base des cellules, forme avec le plan de la surface horizontale, un angle qui peut varier entre 00 et environ 300 selon les saisons, de sorte que l'angle d'incidence des rayons solaires sur la couverture est voisin de 600. Dans cette application, les faces planes des cellules sont orientées vers le Nord. Un capteur selon l'invention peut également être placé verticalement, par exemple contre un mur de façade ou une paroi verticale et dans ce cas, les faces planes des cellules sont dirigées vers le sol. L'invention a pour résultat de nouveaux capteurs solaires plans comportant une couverture transparente multicellulaire ayant une forme asymétrique. Un premier avantage de la forme particulière des cellules de la couverture d'un capteur selon 1 invention réside dans le fait que l'on peut placer ce capteur aussi bien sur une surface horizontale ou légèrement inclinée par rapport au plan horizontal qu'en bardage contre un mur vertical. Dans les deux cas, la face plane des cellules qui est tournée soit vers le Nord, soit vers le sol, reste dans l'ombre. Ces faces planes peuvent être isolées thermiquement. Dans les deux cas également, les rayons solaires tombent sur les surfaces transparentes convexes des cellules avec un angle d'incidence qui reste sensiblement constant du matin au soir, ce qui permet d'éviter les pertes par réflexion en cours de matinée et de soirée. Les capteurs selon l'invention peuvent être posés sur un support horizontal et, dans ce cas, les surfaces transparentes convexes forment un angle de 11 ordre de 30 avec le plan horizontal qui convient bien pour l'été sous une latitude moyenne de l'ordre de 40". En hiver, lorsque la hauteur du soleil baisse, il suffit d'incliner le support du capteur d'un angle qui varie entre 0 et 300 pour que la surface transparente fasse avec le plan horizontal un angle qui varie entre 300 et 600 et qu'elle reste sensiblement perpendiculaire aux rayons solaires. La surface exposée au vent est pratiquement nulle en été où elle se réduit à la hauteur des cellules. Pendant l'hiver, elle est réduite de plus de la moitié par rapport à celle d'un capteur à couverture plane, ce qui a pour effet de diminuer les pertes de calories et les risques de détérioration par le vent. De plus, il est facile de masquer les capteurs placés sur une terrasse par un mur d'acrotère de hauteur réduite. Lorsque les capteurs selon l'invention sont posés verticalement, par exemple contre un mur de façade, la surface transparente convexe des cellules est inclinée d'environ 60 sur le plan horizontal et cette inclinaison conduit à un bon rendement pendant l'hiver sous une latitude de l'ordre de 400. Dans ce cas, l'aspect architectural des façades n'est pas dégradé du fait que le relief des capteurs par rapport à la façade est faible. Vus de profil, les capteurs restent sensiblement confondus avec la façade. De plus, on peut teinter de différentes couleurs les faces planes visibles du sol afin d'obtenir des effets de surface variés. Un avantage particulièrement intéressant des couvertures selon l'invention réside dans le fait qu'elles peuvent être réalisées par thermoformage de plaques de matière thermoplastique transparente,par exemple du polycarbonate, des polyesters etc.... On peut ainsi confectionner pour un prix relativement réduit des surfaces de forme complexe dans un matériau peu onéreux. De plus, étant donné que les couvertures multicellulaires des capteurs selon l'invention sont à trois dimensions, les dilatations importantes dues aux différences de température sont absorbées en grande partie par la déformation des surfaces convexes et les dilatations latérales dans le plan du cadre de base sont très faibles, ce qui évite les risques de boursouflure et de déformation permanente des couvertures transparentes et évite également la détérioration des joints d'étanchéité. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent sans aucun caractère limitatif des exemples de réalisation de capteurs selon l'invention. La figure 1 est une vue en perspective d'un panneau capteur multicellulaire selon l'invention. La figure 2 est une coupe transversale dudit panneau selon le plan II-II. La figure 3 est une vue de dessus dudit panneau. La figure 4 représente cinq sections de la surface transparente d'une cellule par cinq plans successifs parallèles à la face plane. La figure 5 est une vue de dessus d'une variante de réalisation. La figure 6 représente cinq sections transversales de la surface transparente de la variante selon la figure 4. La figure 7 est une vue en élévation d'une application d'un capteur selon l'invention. La figure 8 est une vue en élévation d'une deuxième application d'un capteur selon l'invention posé verticalement. Les figures 1, 2 et 3 représentent un panneau de capteur solaire plan qui comporte un boîtier ou cadre d'assemblage 1 dans lequel est disposé un absorbeur 2. Un fluide caloporteur, par exemple un liquide,circule dans l'absorbeur où il est chauffé par les rayons solaires qui tombent sur la face avant de l'absorbeur. La face arrière de l'absorbeur 2 est isolée thermiquement par un matelas isolant 3. La face avant du boîtier est fermée par une couverture transparente 4, qui produit un effet de serre. Cette structure est commune à tous les capteurs plans traditionnels.Onareprésenté sur les figures un panneau de dimensions réduites. Bien entendu, on peut construire des capteurs de n'importe quelle surface en juxtaposant plusieurs panneaux. La couverture4 d'un capteur selon l'invention est multicellulaire, c'est-à-dire qu'elle est composée d'une pluralité de cellules identiques juxtaposées, par exemple de neuf cellules dans le cas des figures 1 à 3. Elle a une épaisseur constante. Chaque cellule s'inscrit à l'intérieur d'un cadre de base qui est rectangulaire dans le cas de la figure. Il est précisé que ce cadre de base peut avoir une autre forme polygonale, par exemple carrée, hexagonale ou touteautre forme polygonale qui peut être juxtaposée à des polygones identiques pour recouvrir un plan. Le cadre de base comporte plusieurs côtés,par exemple les côtés 5a, 5b, 5c et 5d dans le cas d'un cadre rectangulaire. Chaque cellule comporte une première face plane,ou sensiblement plane, 6 dont le plan est incliné par rapport au plan du cadre de base et forme avec celui-ci un angle a qui est de tordre de 600. Dans le cas d'une surface 6 légèrement cintrée c'est le plan tangent à cette surface le long du premier côté 5a qui forme un angle a avec le plan du cadre de base. Le plan de la face 6 passe par un premier côté 5a du cadre de base et la face plane est délimitée par ce premier côté et par une ligne courbe en forme d'arc 7 qui passe par les extrémités du c3té 5a. La ligne courbe 7 est par exemple un arc de cercle, mais elle pourrait également être un arc d'ellipse, de parabole, d'ovale etc.... C'est une ligne arquée dont la concavité est dirigée vers le cadre de base et qui est symétrique par rapport au plan médian du côté 5a. Cette face plane 6 est destinée à être orientée vers le Nord ou vers le bas et à rester dans l'ombre. Il n'est pas nécessaire qu' elle soit transparente. Elle comporte,de préférence, un revêtement isolant thermique 8. Chaque cellule comporte, d'autre part, une surface transparente 9 dont la convexité est dirigée vers l'extérieur du capteur . Cette surface peut avoir des formes quelque peu différentes. Dans tous les cas, elle relie la ligne courbe 7 qui délimite la face plane aux autres côtés 5b, 5c et 5d du cadre de base. La section de cette surface par un plan tel que le plan II-II qui est perpendiculaire au cadre de base et qui passe par le milieu du côté 5a et par le sommet de la ligne courbe 7, c'est-à-dire par le plan médian du côté 5a, est une ligne droite 9a qui est sensiblement perpendiculaire à la face plane 6 et qui forme donc avec le plan du cadre de base un angle ss voisin de 30 , puisque l'angle ss est complémentaire de l'angle a. En variante, la ligne de crête 9a peut être légèrement cintrée et présenter par exemple une légère concavité vers l'intérieur, mais elle forme toujours un angle de 900 avec le plan de la face 6 ou avec le plan tangent au sommet de la face 6 si la face 6 est légèrement cintrée. La figure 3 représente une surface convexe 9 qui est une surface gauche n'ayant pas une forme géométrique définissable avec précision. Les sections de cette surface par des plans successifs perpendiculaires à la ligne de crête 9a sont des arcs de plus en plus aplatis. La figure 4 représente cinq sections successives. La première section, qui est la section par la face plane 6, est la ligne courbe 7 en forme d'arc de cercle. Les autres lignes 10a, 10b, 10c, 5c sont des sections par quatre plans équidistants P2, P3, P4, P5 représentés sur la figure 2. Ce sont des arcs de plus en plus aplatis dont la longueur de corde reste constante. La figure 5 représente une variante de réalisation dans laquelle la surface transparente 9b de chaque cellule est composée de portions d'une surface cylindrique dont les génératrices sont perpendiculaires à la face plane 6b. Ces surfaces cylindriques recoupent le plan du cadre de base suivant une ellipse 9c et les espaces situés entre les côtés 5b, 5c, 5d et l'ellipse 9c sont obturés par des surfaces transparentes planes 12. La figure 6 représente cinq sections successives par cinq plans P1, P2, P3, P4, P5 de la variante de la figure 5. Les lignes lita, 11b, 11c sont des arcs de cercle. On a représenté en pointillés la trace de l'ellipse 9c. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couverture transparente 4 est composée d'une ou plusieurs plaques en une matière transparente thermoplastique,par exemple en polycarbonate ou en polyester, lesquelles plaques sont mises en forme par thermoformage sur un moule chauffé ce qui permet de réaliser pour un coût peu élevé des surfaces de forme complexe. Bien entendu, la couverture transparente 4 peut également être fabriquée par d'autres moyens par exemple par injection de matière plastique transparente dans un moule ou en plaques de verre mises en forme. La figure 2 représente un capteur selon 1 invention posé sur un support horizontal, les faces planes 6 étant orientées vers le Nordet les surfaces transparentes 9 vers le Sud. Les surfaces transparentes font avec le plan horizontal un angle ss de l'ordre de 30 et les rayons solaires sont donc perpendiculaires à la surface 9 lorsque la hauteur du soleil est de 600 ce qui correspond à la position du soleil pendant l'été sous une latitude de l'ordre de 40". Afin d'améliorer l'angle d'incidence des rayons solaires sur la surface transparente pendant l'hiver, on peut placer le capteur sur un support pivotant 13 articulé autour d'un axe horizontal 14 comme le représente la figure 7, qui permet d'incliner le capteur par rapport au plan horizontal d'un angle y. Grâce à l'inclinaison des surfaces transparentes 9, il suffit que l'angle y varie entre 00 et 300 pour que les surfacestransparentes 9 restent sensiblement perpendiculaires aux rayons solaires en toutes saisons sous une latitude inférieure à 400. Il en résulte que la hauteur totale du capteur lorsqu'il est incliné au maximum, c' est-à-dire lorsque l'angle y est de l'ordre de 30 , est nettement inférieure à la hauteur d'un capteur plan traditionnel qui devrait être incliné de 600 pour obtenir le même angle d'incidence des rayons solaires. Il suffit d'un mur d'acrotère 15, de hauteur réduite, pour masquer complètement des capteurs selon l'invention placés sur un toit en terrasse. La prise au vent des capteurs est réduite et le mur d'acrotère suffit à les abriter du vent. La figure 7 représente une variante de réalisation dans laquelle l'absorbeur 2a n'est pas un absorbeur plan comme dans le cas de la figure 2 mais présente une face avant 2b qui épouse sensiblement la forme de la couverture de telle sorte que les rayons solaires tombent perpendiculairement sur cette face avant, ce qui améliore le coefficient d'absorption. Dans ce cas, la face arrière 2c de l'absorbeur peut être plane comme cela est représenté sur la figure 7, ou peut également être parallele à la face avant de sorte que l'épaisseur de la lame de fluide caloporteur reste constante. Un tel absorbeur multicellulaire peut être fabriqué par emboutissage à la presse de tôles métalliques, par exemple de tôles de cuivre, d'alliage d'aluminium ou d'acier inoxydable. Les cellules de l'absorbeur peuvent être fabriquées séparément et réunies entre elles par des tubes. On peut également emboutir simultanément plusieurs cellules d'absorbeur qui communiquent entre elles comme le représente la figure 7. La figure 8 représente une autre application d'un capteur selon l'invention placé verticalement,par exemple contre un mur de façade 16. Dans cette application, les faces planes 6 des cellules sont dirigées vers le sol. Les surfaces transparentes 9 forment avec le plan horizontal un angle 6 qui est de l'ordre de 600 et ces surfaces sont donc sensiblement perpendiculaires aux rayons solaires lorsque la hauteur du soleil est de 30 , c'est-à-dire en hiver sous des latitudes de l'ordre de 40 à 500. Le rendement est donc maximum en hiver lorsque c'est le plus nécessaire. La figure 8 représente à titre d'exemple un capteur équipé d'un absorbeur plan 2. Il pourrait être également équipé d'un absorbeur multicellulaire comme celui de la figure 7. A titre d'exemple, les dimensions d'une cellule sont de 400 mm pour les côtés 5b et 5d, de 600 mm pour les côtés 5a et 5c et de 200 mm pour la flèche de l'arc 7, mais évidemmentles dimensions des cellules peuvent varier. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers élé- ments constitutifs des exemples de réalisation qui viennent d'être décrits pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. REVENDICATIONS 1 - Capteur solaire plan comportant un absorbeur de calories dans lequel cir cule un fluide caloporteur et une couverture transparente multicellulai re d'épaisseur constante, comportant une pluralité de cellules identiques juxtaposées qui s'inscrivent chacune dans un cadre de base polygonal, caractérisé en ce que chaque cellule comporte, d'une part, une face sen siblement plane qui est délimitée par un premier côté dudit cadre de base et par une ligne courbe en forme d'arc passant par deux extrémités dudit -premier côté et, d'autre part, une surface transparente convexe dont la convexité est dirigée vers l'extérieur dudit capteur, laquelle surface relie les autres côtés dudit cadre de base à ladite ligne courbe. 2 - Capteur solaire selon la revendication I, caractérisé en ce que le plan tangent à ladite face sensiblement plane le long dudit premier côté forme un angle d'environ 60 avec le plan dudit cadre de base. 3 - Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, carac térisé en ce que ladite ligne courbe est un arc de cercle. 4 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section de ladite surface convexe de chaque cellule par le plan médian dudit premier côté du cadre de base est sensiblement droite et forme un angle de l'ordre de 900 avec ladite face sensiblement plane. 5 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite couverture transparente est composée d'une ou plusieurs pla ques d'épaisseur constante en une matière transparente thermoplastique, qui ont été mises en forme par thermoformage. 6 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit absorbeur est également composé d'une pluralité de cellules dont la face avant épouse sensiblement la forme de la couverture. 7 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les faces planes desdites cellules sont isolées thermiquement. 8 - Application d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle ledit capteur est placé verticalement, par exemple con tre une paroi verticale, caractérisée en ce que lesdites faces sensible ment planes des cellules sont dirigées vers le sol. 9 - Application d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le plan du capteur qui est parallèle au plan desdits cadres de base forme avec le plan horizontal un angle fixe ou variable compris entre 00 et environ 300, caractérisée en ce que les faces sensiblement planes des cellules sont orientées vers le Nord.