Brevet FR2432691A1 — publié le 19800229

L'invention se rapporte à un capteur d'énergie solaire non directif, comportant une paroi antérieure transparente au rayonnement solaire et une surface postérieure absorbante pour ce rayonnement, en contact avec un circuit de fluide caloporteur, paroi transparente et surface absorbante sensiblement parallèles délimitent conjointement un espace de serre. On connait de nombreux capteurs d'énergie solaire qui sont constitués d'une surface plane avec une face noircie pour absorber le rayonnement solaire, et en contact thermique avec un circuit de fluide caloporteur ou échangeur, en sorte que le rayonnement asor- bé chauffe le fluide. En avant de la face noircie et parallèlement est disposée une paroi transparente pour le rayonnement solaire, mais relativement opaque pour l'inEra-rouge lointain rayonné en retour par le capteur, et empêchant le refroidissement par convection de la surface absorbante ; ceci réalise l'effet de serre bien connu. L'efficacité de tels capteurs plans décroit sensiblement lorsque l'incidence du rayonnement s'écarte de la normale, en raison du déplacement relatif à périodicité diurne ou annuelle du soleil. La perte d'efficacité est particulièrement sensible pour le rayonnement direct et reste notable pour le rayonnement diffus. On a cherché à pallier la directivité intrinsèque des capteurs plans en les orientant en permanence face au soleil (montage équatorial), ou encore en réfléchissant le rayonnement solaire à l'aide de miroirs mobiles orientés pour obtenir une incidence normale du rayonnement réfléchi sur le capteur. On aboutit à des installations encombrantes et mécaniquement complexes, dont les coûts d'installation et d'exploitation sont loin d'entre compensés par le gain d'énergie captée. Un autre inconvénient des capteurs plans classiques résulte de ce que les dilatations, sous l'action du rayonnement capté, provoquent des déformations et des contraintes de structure, préjudi-. ciables à la tenue des capteurs. L'invention a pour objet un capteur d'énergie solaire qui présente une incidence constante vis-à-vis du rayonnement solaire, sans orientation. L'invention a également pour objet un capteur d'énergie solaire dont les dilatations ne provoquent pas de contraintes de structure importantes. A cet effet l'invention propose un capteur d'énergie solaire non directif, comprenant une paroi antérieure transparente au rayonnement solaire, et une surface postérieure absorbante pour ce rayonnement, en contact avec un circuit de fluide caloporteur, paroi transparente et surface absorbante sensiblement parallèles délimitant conjointement un espace de serre, caractérisé en ce que paroi transparente et surface absorbante sont de forme générale sphérique et disposées concentriquement. La forme sphérique du capteur a pour résultat qu'il n'existe aucune direction privilégiée d'incidence pour le rayonnement solaire, tant direct que diffus, et partant, aucune direction défavorable. Le capteur est toujours orienté au mieux, quelle que soit l'orientation du soleil par rapport au lieu d'implantation du capteur. De préférence la paroi transparente et la surface absorbante sont constituées chacune par deux demi-sphères avec des rebords saillants dans un plan diamétral, et accolées par ces rebords disposés sensiblement horizontalement. La mise en forme et l'assemblage des éléments de capteurs sont aisés. On peut constituer au moins la demi-sphère supérieure de la paroi absorbante avec une double paroi formant chemise en série avec le circuit de circulation du fluide caloporteur. De préférence la chemise est munie d'ajutages d'entrée au voisinage du plan diamétral du rebord, et d'un ajutage de sortie au zénith du capteur. La chemise peut etre ainsi intégralement remplie de fluide caloporteur, qui pourra circuler en thermosiphon. En variante, l'espace de serre comporte un ajutage d'entrée de fluide caloporteur au zénith et un ajutage de sortie au nadir, en sorte que le liquide caloporteur puisse ruisseler par gravité sur la face noircie de la paroi sphérique absorbante. Dans cette variante les rebords des demi-sphères de la paroi absorbante sont échancrés pour laisser passer le fluide ruisselant. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente en coupe verticale un capteur selon l'invention la figure 2 représente en coupe une variante de capteur la figure 3 est une coupe partielle suivant le plan III-III de la figure 2. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, le capteur comporte deux demi-sphères 1 et 2 en matière transparente acrylique, accolées par des rebords lb et 2b respectivement, collés l'un sur l'autre. Les rebords lb et 2b se rattachent aux demi-sphères respectives 1 et 2 par des évasements circulaires la et 2a qui définissent conjointement une gorge circulaire suivant un grand cercle horizontal de la sphère 1,2, et débouchant à l'intérieur de cette sphère. A l'intérieur de la paroi transparente formée par les deux demi-sphères 1 et 2, sont disposées deux demi-sphères 3 et 4, accolées par des rebords 3a et 4a respectivement, soudés en bout. Ces demi-sphères, en acier inoxydable mince sont revêtues extérieurement d'une peinture noire, à-fort coefficient d'absorption pour le rayonnement solaire, y compris l'infra-rouge court. La demi-sphère supérieure 3 forme avec une demi-sphère concentrique 5 double paroi, les demi-sphères 3 et 5 délimitant ainsi entre elles une chemise 6 pour la circulation d'un fluide caloporteur tel que de l'eau, qui pénètre dans cette chemise par un ajutage d'entrée 7, au voisinage du rebord 3a, et en ressort par un ajutage de sortie 8, situé au sommet ou zénith de la sphère. Les rebords 3a et 4a sont serrés entre des cales circulaires 9 et 9', engagées dans la gorge formée par les évasements la et 2a. Des boulons, schématisés, traversent l'ensemble des évasements la et 2a, des cales 9 et 9' et des rebords 3a et 4a. Les sphères transparente 1,2 et absorbante 3,4 sont ainsi fixées l'une à l'autre. On remarquera que les boulons de serrage encaissent les efforts qui pourraient entraider un déplacement relatif des rebords lb et 2b, dont le collage n'est pas sollicité. Il est évident que le capteur étant symétrique par rapport à un axe vertical passant par le centre (ligne zénith nadir) aucune orientation azimuthale du capteur n'est requise ; par ailleurs le rayonnement direct du soleil viendra, traversant la paroi sphérique transparente 1,2, frapper la sphère intérieure absorbante 3,4 sur une demi-sphère (demi-sphère éclairée). Suivant la hauteur du soleil sur l'horizon la demi-sphère éclairée recouvrira une portion plus ou moins grande de la demi-sphère supérieure 3, et une portion complémentaire de la demi-sphère inférieure 4, cette dernière portion toujours de surface inférieure à la portion de demi-sphère supérieure. Vis-à-vis du rayonnement diffus, le capteur intercepte toujours un flux dans une surface de grand cercle de la sphère, quelle que soit la direction de ce rayonnement. Le rayonnement total intercepté est dans l'ensemble plus dense sur la demi-sphère supérieure 3 où se fait l'échange d'énergie avec le fluide caloporteur ; mais le flux intercepté par la demi-sphère inferieure 4 contribue également au chauffage du fluide caloporteur, par l'intermédiaire de l'air présent à l'intérieur du capteur, qui subit des mouvements de convection du fait des inégalités de température des surfaces, l'air échauffé tendant à monter vers la paroi de doublage 5, et l'air refroidit au contact de cette paroi redescendant. On remarquera que I'arrière de la surface absorbante du capteur sphérique ne donne pas lieu à déperdition d'énergie, ce qui n'est pas le cas des capteurs plans. Par ailleurs on comprendra que les dilatations différentielles de surfaces sphériques n'induisent pas de contraintes excessives dans la structure, les tensions tangentielles pouvant etre absorbées par des déformations radiales. On a conduit des essais comparatifs entre un capteur spherique selon l'invention, de 0,80 m de diamètre, et un capteur plan classique présentant une surface de 6,25 m2. On remarquera qu'une sphère de 0,80 m de diamètre présente une surface de 2 m2, dont la moitié n'est pas éclairée et peut etre assimilée à l'arrière d'un panneau plan, en sorte que la sphère équivaut à un capteur plan de 1 m2. Llencombrement en plan de la sphère de 0,80 m de diamètre est 2 du meme ordre de grandeur que celui d'un capteur plan de 1 m incliné sur l'horizontale. La comparaison doit donc etre faite entre le capteur sphérique et 1 m2 de capteur plan. On peut par ailleurs disposer en arrière du capteur sphérique un plan réflecteur en sorte d'éclairer la partie nord du capteur. Le tableau présente des résultats obtenus en juin 1978, les heures indiquées étant les heures locales-prises en référence au méridien du lieu. Les puissances absorbées ont été déterminées par les différences de température entre sortie et entrée d'eau de circulation à débit mesuré. VOIR TABLEAU PAGE SUIVANTE TABLEAU Heure locale Puissance absorbée Capteur plan Capteur sphérique 5 O 150 6 20 1 500 7 300 1250 8 450 1400 9 600 1200 10 680 860 1 730 630 12 750 500 13 720 850 14 670 1350 15 580 1810 16 460 1700 17 280 1180 18 20 540 19 O 150 On remarquera que le capteur plan ne peut capter d'énergie avant six heures ou après 18 heures, lorsque le soleil éclaire le dos du capteur.Entre ces heures, la puissance captée passe par un maximum peu marqué vers midi. En contraste le capteur selon l'invention muni d'un réflecteur plan arrière capte de l'énergie du lever au coucher du soleil, la puissance captée présentant deux maximums accusés vers 8 H et 17 H 30 (heures locales), séparés par un minimum vers midi (qui correspond à l'occultation du faisceau qui se réfléchit sur le plan réflecteur par le capteur lui-même). Finalement l'énergie captée par le mètre carré de capteur plan s'établit vers 6,5 kWh, tandis que l'énergie captée par le capteur sphérique s'élève à plus de 14 kWh. La variante de capteur représentée figures 2 et 3 se compose de deux demi-sphères transparentes 11 et 12, et deux demi-sphères absorbantes (noircies) 13 et 14. Les demi-sphères 11 et 12 sont accolées par des rebords llb et 12b précédés d'évasements lla et 12a formant conjointement gorge, de façon identique aux demisphères 1 et 2 de la figure 1. Les demi-sphères absorbantes 13 et 14 sont également accolées par leurs rebords 13a et l4a, pris dans la gorge formée par les évasements lla et 12a. Cependant, comme on le voit mieux sur la figure 3, les rebords 13a et 14a sont dentelés pour ménager des échancrures de communication entre les espaces de serre formés par les demi-sphères 11 et 13 d'une part et 12 et 14 d'autre part.Un ajutage d'entrée 17 est situé au sommet ou zénith du capteur, débouchant dans l'espace de serre supérieur, tandis qu'un ajutage d'évacuation 18 est situé à la partie inférieure ou nadir du capteur, débouchant de l'espace de serre inférieur. Le fluide caloporteur est injecté par l'ajutage 17, ruisselle sur la surface de la demi-sphère 13, passe dans l'espace de sphère inférieur par les échancrures de rebords 13a, 14a, et se rassemble à la partie inférieure de la demi-sphère 12 pour s'évacuer par l'ajutage 18. On remarquera que le fluide caloporteur, après avoir franchi les rebords 13a, l4a, ruisselle au moins en partie sur la surface de la demi-sphère absorbante 14, jusqu'a ce que la pesanteur excède les forces de capillarité. La demi-sphère 14 cède donc l'énergie qu'elle a captée au fluide caloporteur par contact direct, et surtout dans les zones où le rayonnement solaire est tombé. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes dtexécution. REVEiDICATIONS 1. Capteur d'énergie solaire non directif, comprenant une paroi antérieure transparente au rayonnement solaire, et une surface postérieure absorbante pour ce rayonnement, en contact avec un circuit de fluide caloporteur, paroi transparente et surface absorbante sensiblement parallèles délimitant -conjointement un espace de serre, caractérisé en ce que paroi transparente et surface absorbante sont de forme générale sphérique et disposées concentriquement. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi transparente et la surface absorbante sont constituées chacune de deux demi-sphères avec des rebords saillants suivant un plan diamétral, et accolées par lesdits rebords, les plans de rebords étant sensiblement horizontaux. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une des demi-sphères constituant la surface absorbante comporte une double paroi délimitant une chemise en série, dans le circuit de chauffage de fluide caloporteur, cette demi-sphère étant disposée vers le zénith. 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite chemise est munie d'ajutages d'entrée au voisinage du plan diamétral de rebord, et d'ajutage de sortie au zénith de la demisphère. 5. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de fluide caloporteur comporte un ajutage d'introduction de fluide caloporteur dans l'espace de serre au zénith du capteur, et un ajutage d'évacuation de l'espace de serre au nadir du capteur. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les rebords des demi-sphères de surface absorbante sont échancrés pour ménager un passage de fluide caloporteur.