Brevet FR2443651A1 — publié le 19800704

L'invention a pour objet un capteur solaire. Les capteurs solaires dans lesquels le fluide caloporteur est un liquide, notamment liteau, peuvent être divisés en deux catégories principales : ceux à concentration et ceux plans. Dans les premiers, on cherche à dévier le rayonnement solaire incident par réflexion ou réfraction pour le concentrer sur l'absorbeur. Dans les seconds, l'absorbeur intercepte directement le rayonnement solaire incident non dévié; en raison de leur plus grande simplicité, ces capteurs plans sont les plus répandus; et l'invention a précisément pour objet un capteur de ce type. Un capteur plan est généralement constitué, comme le montre la figure i du dessin annexé - par une surface transparente plane 1, généralement un vitrage; - par un absorbeur 2, généralement métallique, de constitution analogue à celle de radiateurs plats pour chauffage central, dont la face extérieure est absorbante (généralement peinte en noir); - par un isolant thermique 2 destiné à eviter les pertes de chaleur par la face arrière du capteur; - par un caisson de protection 4 destiné à la fixation du vitrage par des joints 2, à la protection de la face arrière et des bords contre les intempéries et destiné également à être fixé sur un support par des pattes 6; - et par des tubulures d'amenée 7 et de sortie 8 du fluide caloporteur à l'absorbeur. Les dimensions de ces capteurs sont généralement standardisées pour chaque fabricant qui dispose au mieuxde deux ou trois modèles de dimensions de l'ordre de 1 à 3 m2; ces dimensions, qui dépendent elles-mêmes du type d'absorbeur standardisé utilisé par ce fabricant, sont de toute façon grandes et elles le sont en considération de l'importance des bordures périphériques du capteur - importance sur le plan thermique, les bords étant généralement facteurs de pertes thermiques et également facteurs d'ombres portées sur l'absorbeur, donc de perte de rendement thermique; - et importance sur le plan des coûts, car la périphérie du capteur constitue une partie complexe et couteuse (complexité géométrique, isolation thermique, disposition de fixation du vitrage) par rapport à la partie courante du capteur. I1 y a donc intérêt généralement à augmenter les dimensions de chaque capteur de façon à en minimiser le périmètre par rapport à la surface. En outre, contrairement aux capteurs à concentration qui doivent obligatoirement suivre le soleil et être donc orientables, les capteurs plans sont, pour des raisins d'économie, pratiquement toujours fixes Pourtant ils gagneraient en efficacité thermique à être orientables pour présenter leur surface perpendiculairement au rayonnement solaire. On donne donc généralement aux capteurs plans une position fixe déterminée selon une orientation et une inclinaison optimale moyennes, tenant compte de la situation géographique du lieu et du but à atteindre (production d'eau chaude sanitaire, chauffage de piscine ou chauffage des locaux...). Cette position fixe du capteur présente trois types d'inconvénients - le capteur n'étant qu' exceptionnellement perpendiculaire au soleil nta pas son rendement de captage maximal; - en été, ou période de non utilisation de l'installation et de forte insolation simultanée, la température des capteurs peut s'élever à ioo. C ou plus, ce qui donne lieu, dans le cas d'utilisation d'eau comme fluide caloporteur, à une ébullition néfaste dont il n'est pas facile de se protéger;; - l'inclinaison et l'orientation moyennes optimales des capteurs est souvent différente de la surface-d'adossement dont on dispose pour installer les capteurs, soit parce que le bâtiment est déjà construit (adaption du chauffage solaire aux constructions existantes), soit parce que, pour un bâtiment neuf à construire, la disposition architecturale et fonctionnelle idéale des locaux ne permet pas la création de parois qui pourraient constituer une surface d'adossement optimale. La plupart des installations de captage solaire sont donc finalement constituées de grands panneaux noirs apparents disposés sur des ossatures différentes de celles des parois du bâtiment aux besoins thermiques duquel ces capteurs sont destinés. Il s'ensuit un surcoût d'installation non négligeable et un résultat architectural très discutable, tous deux peu propices au développement de l'utilisation de l'énergie solaire. De plus, le mode actuel de fabrication industrielle des capteurs comme des absorbeurs ne permet d'utiliser dans un capteur donné qu'un type d'absorbeur bien défini, non seulement en dimensions, mais aussi en matière. Chaque modèle de capteur solaire comporte donc un absorbeur en cuivre, en acier, en acier inoxydable, en acier galvanisé, en aluminium, ou en matière plastique.... Or, le matériau constituant l'absorbeur doit être choisi en fonction - de la nature du fluide à chauffer : eau d'un circuit fermé (type chauffage central), eau glycolée, eau sanitaire, eau de piscine, eau agressive ou entartrante, fluides caloporteurs divers, .... - et des conditions d'utilisation de cet absorbeur : risques de températures élevées, risques de gel, nécessité de vidange de l'installation, circulation par thermosiphon La nécessité d'une compatibilité physique et chimique entre l'absorbeur et le fluide détermine donc la matière de l'absorbeur et de ce fait limite le choix des capteurs aux modèles contenant le type d'absorbeur adéquat. Cette limitation constitue un handicap, car elle aggrave les difficultés d'intégration architecturale des capteurs solaires. Leurs dimensions et leur agencement rendent les capteurs actuels difficiles à installer et encore plus à réparer. Or une installation de chauffage solaire, coûteuse et ne s'amortissant que sur une longue période, doit durer longtemps et donc être entretenue en état de fonctionnement pendant de très nombreuses années. Par exemple, un défaut sur l'absorbeur , tel qu'une fuite provoquée par de la corrosion,nécessite traditionnellement au minimum la dépose du vitrage et le remplacement complet de l'absorbeur. Du fait des dimensions du capteur et des positions précises des tubulures de raccordement, la solution ne peut d'ailleurs guère consister qu'a remplacer l'absorbeur défectueux par un autre absorbeur identique, ce qui - ntest pas toujours possible, car la fabrication industrielle des absorbeurs d'origine a pu être modifiée ou interrompue entre temps, - ou n'est pas toujours une bonne solution, car si le premier absorbeur s 'est corrodé, le second se corrodera et il pourrait être préférable de tirer profit de l'expérience précédente pour changer la matière de l'absorbeur. L'invention remédie à tous ces inconvénients; en proposant un capteur solaire plan, c'est-à-dire du type à absorption directe, dont l'originalité essentielle réside dans le fait qu'il consiste en une enveloppe tubulaire qui, transparente sur au moins sa surface dirigée vers le soleil, est associée à un tube intérieur contenant le liquide caloporteur et comportant des ailettes d'absorption des calories. L'invention sera bien comprise et ses avantages, ainsi que d'autres caractéristiques ressortiront de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé dans lequel Figure 1 est une vue en coupe verticale d'un capteur solaire plan d'agencement habituel; Figure 2 est une vue en coupe verticale transversale d'une forme d'exécution d'un capteur solaire plan conforme à l'invention; Figure 3 en est une vue partielle en coupe verticale longitudinale; Figures 4 et 5 sont des vues identiques aux figures 2 et 3, dans le cas d'une variante d'exécution d'un capteur conforme à l'invention; Figure 6 est une vue en coupe verticale transversale d'une autre variante d'exécution; Figures 7, 8 et 9 sont, à plus grande échelle, des vues en coupe verticale transversale de trois formes d'exécution de l'absorbeur utilisable dans les capteurs précédents;; Figure 10 est une vue en coupe d'un profilé utilisable pour la construction des ailettes de l'absorbeur; Figures ii, 12 et 13 sont à plus petite échelle des vues en plan par dessus de ce profilé et illustrent trois façons selon lesquelles il peut être découpé; Figures lia, 12a, 12b, 12c, 13a et 13b montrent, vus en plan par dessus, les divers supports susceptibles d'être obtenus au moyen de profilés conformes à la figure 10, découpés suivant l'un des modes montrés aux figures il, 12 et 13; Figures 14 et 15 illustrent le montage de capteurs solaires conformes à l'invention sur et à proximité d'une construction d'habitation; Figures 16 et 17 montrent deux variantes d'exécution d'un capteur conforme à l'invention. Considérant les figures 2 et 3, un capteur selon l'invention est constitué par une enveloppe 10 à l'intérieur de laquelle est logé l'absorbeur de calories. Cette enveloppe consiste en un tube qui, ayant une section rectangulaire, est constitué en matière plastique transparente et est avantageusement réalisé par extrusion. Dans l'enveloppe que constitue ce tube 10 sont placés - l'absorbeur qui est constitué par des ailettes il fixées sur le tube 12 dans lequel circule le liquide caloporteur, - et l'isolant thermique li constitué par exemple par une plaque de matière plastique expansée. Les deux extrémités du tube 10 sont bien entendu fermées par des bouchons 14 percés d'un trou axial permettant le passage soit du tube 12, soit d'un tube prolongeant celui 12 à l'extérieur du capteur. Dans le cas de la variante d'exécution représentée aux figures 4 et 5, l'enveloppe li est constituée , non pas par un tube rigide, mais par une feuille de matière plastique transparente et souple qui épouse le volume délimité par la plaque isolante 12 et par un support 16. Cette enveloppe sert, comme dans le cas précédent, de logement à l'absorbeur constitué par le tube 12 et les ailettes 11. Aux deux extrémités du capteur, la feuille de matière plastique constituant l'enveloppe 15 est resserrée sur elle-meme autour du tube 12, par exemple par un lien 17,comme le montre la figure 12. Dans le cas de la variante d'exécution représentée à la figure 6, l'enveloppe du capteur est constituée par un manchon 18 en film souple transparent tendu ou rétracté autour d'un ensemble formé par une plaque d'isolation thermique 13, par un absorbeur (ailettes il et tube 12) et par un profilé rigide 19 en matière plastique transparente. Les extrémités du capteur sont obturées par exemple par un simple resserrement de ltenveloppe souple autour du prolongement du tube d'absorbeur 12. Dans cette variante, l'enveloppe 18 assure une triple fonction - elle maintient solidaires les trois composants de base du capteur; - elle assure l'étanchéité totale du capteur; - et elle protège le profilé transparent 19 contre les effets des rayonnements ultra-violets. Cette troisième fonction filtre de l'enveloppe souple autorise l'emploi pour la fabrication du profilé 19 de matières plastiques peu nobles et économiques, qui ne seraient normalement pas aptes à la fonction de couverture de capteur du fait de leur' vieillissement rapide par l'exposition au rayonnement solaire, mais dont la protection par un film anti ultra-violet augmente considérablement la durée de vie et le maintien des qualités optiques d'origine. Quant à l'absorbeur, il est un autre constituant essentiel et original du capteur conforme à l'invention. Comme il a été indiqué ci-dessus, il est constitué d'ailettes métalliques il assemblées autour d'un tube cylindrique 12. Les figures 7, 8 et 9 représentent d'ailleurs des coupes transversales de trois variantes d'exécution d'un absorbeur selon l'invention. Selon la figure 7, l'absorbeur est constitué d'un seul profilé métallique lia dont le profil permet son montage et sa fixation sur le tube 12 par autoclîpsage. Selon les figures 8 et 9, l'absorbeur est constitué de deux ailettes iib et lic disposées symétriquement par rapport au tube 12 et maintenues autour de ce tube par des clips 21 (figure 8) et 22 (figure 9). Chaque ailette iib, lic comporte une partie de forme générale plane1 jouant le rôle d'absorbeur et une partie courbe, dont le profil intérieur, de forme générale demi-cylindrique, épouse la forme du tube 12 auquel doit être transmise la chaleur absorbée. Ces ailettes peuvent être réalisées en n'importe quel métal ou alliage métallique et par tout procédé, par exemple en aluminium et par extrusion. I1 est ainsi possible d'obtenir - soit un profil simple correspondant à un demi-absorbeur; - soit un profil double qui devra être ensuite refendu longitudinalement. L'intérêt de cette dernière solution réside dans ltétendue des possibilités dimensionnelles et fonctionnelles de l'absorbeur réalisé suivant cette technique pour un minimum d'investissement tant en outillage (une seule filière) qu'en stockage (un seul modèle de profil). La figure 10 représente un tel profil double et les figures il, 12 et 13 illustrent schématiquement trois manières selon lesquelles ce profil double peut être découpé, les lignes de découpage étant montrées en pointillés; et les figures lla à 13b représentent six configurations d'absorbeur pouvant être obtenues à partir de ces trois modes de découpes.C'est ainsi que - si le profilé double 23 de figure 10 est découpé suivant son axe longitudinal médian, c'est-à-dire suivant la ligne de pointillés visible à la figure 11, on obtient, après assemblage des ailettes sur le tube 12, un absorbeur ayant de part et d'autre de son tube 12 des ailettes de largeurs identiques; - si le profilé double 23 de figure 10 est découpé suivant une ligne parallèle à son axe longitudinal médian, mais décalée par rapport à cet axe, comme le montre la ligne de pointillés visible à la figure 12, il est possible d'obtenir - soit un absorbeur ayant de part et d'autre de son tube 12 des ailettes de largeurs inégales, comme le montre la figure 12a; - soit un absorbeur ayant de part et d'autre de son tube 12 des ailettes égales et larges, comme le montre la figure 12b; il faut pour cela utiliser les zones les plus larges découpées dans les profilés doubles - soit un absorbeur ayant de part et d'autre de son tube 12 des ailettes étroites; il faut pour cela utiliser les zones les plus étroites découpées dans les profilés doubles 23, - si enfin le profilé double 23 de figure 10 est découpé en biais par rapport à son axe longitudinal médian, comme le montre la ligne de pointillés de figure 13, il est possible d'obtenir - soit un absorbeur rectangulaire conforme à la figure 13a; cet absorbeur est rectangulaire, mais son tube 12 se trouve situé en biais par rapport à la direction générale de l'absorbeur; - soit un absorbeur ayant une forme trapézoidale, comme le montre la figure 13b. Quelles que soient les formes d'exécution respectivement de leur enveloppe et de leur absorbeur, des capteurs solaires conformes à l'invention sont montés en batterie sur les différentes parties d'une construction, par exemple d'une maison. C'est ainsi que la figure 14 représente une maison, dont 24 désigne l'un des murs, son toit, 26 une terrasse et ç une flèche indiquant l'orienta- tion optimale des capteurs, à savoir le sud dans l'hémisphère nord. Des batteries de capteurs sont installées respectivement sur le mur 24, sur le toit 25 et sur la terrasse 26. Ces batteries sont constituées par des éléments linéaires de capteurs 28 reliés entre eux hydrauliquement par des collecteurs 29. Quelle que soit leur position, ces capteurs sont orientés au sud et peuvent être inclinés, en pivotant autour de leurs axes, suivant un angle optimal en-fonction de la hauteur du soleil. C'est ainsi que pendant l'hiver les capteurs peuvent être inclinés en se rapprochant de la verticale, car le soleil est bas sur l'horizon, tandis que pendant l'été ils peuvent être inclinés en se rapprochant de l'horizontale, car le soleil est haut, sauf si l'on veut limiter leur température maximale. Dans le cas de la figure 15, la même maison est orientée différemment; l'orientation optimale (sud) des capteurs étant définie par la flèche 27, aucune des parois d'adossement ne correspond précisément à cette orientation. Cependant, tous les capteurs 28 peuvent être orientés et inclinés de façon-- optimale. Toute utilisation secondaire des capteurs selon l'invention peut bien entendu être imaginée; c'est ainsi qu'ils peuvent être utilisés comme élément de garde-corps de balcon, de pare-soleil, de claustra décorative (paroi de tonnelle) ou utilitaire (protection visuelle de sèchoir) etc...... La mise en oeuvre de l'invention permet donc finalement - d'installer économiquement un captage solaire d'aspect discret, d'inclinaison et d'orientation optimales, sur toute surface ensoleillée de bâtiment (toit, mur, terrasse, etc....) quelles que soient l'orientation et l'inclinaison de cette surface support de captage; - d'utiliser tous liquides dans l'absorbeur; - de combiner tel ou tel absorbeur avec telle outelle enveloppe pour réaliser un capteur convenant à l'utilisation envisagée; - de procéder facilement au premier montage des capteurs et ultérieurement de les remplacer de façon économique sans être obligé de modifier une grande partie de l'installation de captage et en ayant la possibilité de remplacer un capteur constitué en un matériau déterminé par un capteur constitué en un autre matériau. L'un des avantages essentiels d'un capteur conforme à l'invention réside donc dans sa constitution sous forme d'un module de faibles dimensions, facile à mettre en place, facilement remplaçable et dont l'orientation peut être modifiée au cours de l'année. I1 y a cependant des cas particuliers où l'on dispose d'une paroi d'adossement pour un capteur dont les dimensions, l'inclinaison et l'orientation doivent être immuables. Dans de tels cas, le capteur peut avoir l'un des agencements montrés aux figures 16 et 17 - dans le cas de la figure 16, les éléments d'enveloppe tubulaire transparente 30 sont munis de languettes de recouv-ement 31 et 32 assurant l'étanchéité de la surface couverte par les capteurs; - dans le cas de la figure 17, les éléments d'enveloppe tubulaire transparente 33 sont munis d'un joint 34 assurant l'étanchéité de la surface captrice. REVENDICATIONS 1.- Capteur solaire du type à absorption directe, c'est-àdire du type de ceux dans lesquels les calories solaires sont récupérées par un absorbeur placé sous lm matériau isolant et recouvert par une surface transparente, caractérisé en ce qu'il qui consiste en une enveloppe tubulaire/transparente sur au moins sa surface dirigée vers le soleil,est associée à un tube intérieur contenant le liquide caloporteur et comportant les ailettes d'absorption des calories. 2.- Capteur solaire selon la revendication li caractérisé en ce que son absorbeur est constitué d'ailettes métalliques assemblées par clipsage autour d'un tube de matière quelconque, les ailettes demeurant démontables par rapport au tube. 3.- Capteur solaire selon les revendications i et 2, caractérisé en ce que son absorbeur est constitué d'ailettes métalliques assemblées deux à deux de part et d'autre d'un tube par au moins un clips. 4.- Capteur solaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ailettes de son absorbeur viennent de découpage dans un même profilé comportant une âme plane terminée par deux bords longitudinaux en forme de portion de cylindre. 5.- Capteur solaire selon la revendication 4, caractérisé en ce que le profilé destiné à constituer les ailettes de l'absorbeur est découpé longitudinalement pour permettre la formation de deux profilés simples qui, en fonction de la ligne suivant laquelle ils ont été découpés dans un profilé double, permettent d'obtenir différentes configurations d'absorbeur. 6.- Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que son enveloppe tubulaire est constituée par un tube extrudé en matière plastique rigide. 7. - Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que son enveloppe tubulaire est constituée par un manchon en film plastique souple, jouant également le rale de filtre et assurant la protection contre les rayonnements ultraviolets des autres composants du capteur. 8.- Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est monté mobile en rotation autour d'un axe coaxial aux tubulures de raccordement de l'absorbeur. 9.- Capteur solaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que sa rotation en vue du règlage de sa position par rapport aux rayons solaires est obtenue en faisant pivoter l'ensemble du capteur, y compris les ailettes de l'absorbeur, autour du tube de l'absorbeur qui reste fixe. 10.- Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que son enveloppe tubulaire comporte des éléments de raccordement longitudinal grâce auxquels plusieurs capteurs peuvent être alignés avec étanchéité entre eux.