Brevet FR2451552A1 — publié le 19801010

La présente invention se rapporté à un dispositif collecteur d'énergie solaire et au procédé de fabrication d'un tel dispositif. Un des modes de récupération de énergie solaire consiste à élever la température d'une masse liquide. I1 existe essentiellement deux structures de base une structure plane et une structure tubulaire. Les collecteurs de structure plane se présentent en général sous la forme d'un caisson, au fond duouel circule un liquide à réchauffer dans des serpentins recouverts d'un matériau absorbant ; le collecteur étant muni sur sa face supérieure exposée au rayonnement solaire, d'une glace transparente séparée des serpentins par une lame d'air. Ces collecteurs fonctionnent selon le principe de l'effet de serre. Ils ont un rendement acceptable avec une faible élévation de température. Lorsque cette élévation de température augmente le rendement baisse de façon importante. Ceci est dû en partie aux pertes par convexion. thermique dans l'air compris entre la glace supérieure et les serpentins. Il est donc souhaitable de réaliser le vide entre la glace supérieure et les éléments absorbants. La structure plane n'est pas adaptée à cette exigence. Aussi, on a proposé des collecteurs d'énergie solaire tubulaires. L'invention se rapporte plus particulièrement à de tels collecteurs. On peut utiliser le principe du caloduc. Celui-ci est constitué par une enveloppe divisée en deux parties : la première partie, exposée aux rayonnements solaires, étant recouverte d'un matériau absorbant et placée sous vide, et la seconde partie étant placée au contact de l'élément à chauffer. L'enveloppe contient un liquide qui se vaporise dans la première partie, absorbant de la chaleur, et se condense dans la seconde partie, libérant ainsi la chaleur précédemment emmagasinée. Le dispositif comporté en outre des moyens pour ramener le fluide en phase liquide vers la première partie du tube. D'autres types de caloduc sont également utilisables. Le matériau absorbant est en général un oxyde de métal ou un matériau plastique absorbant. Dans l'art antérieur, plusieurs structures ont été proposées. Dans une première approche, on réalise l'absorbant par dépôt d'une mince couche de métal oxydé sur 11 enveloppe intérieure en verre. Le contact thermique absorbant - caloduc est de bonne qualité. Cependant le métal et le verre ont des coefficients de dilatation très différents et la tenue mécanique en est affectée. Le revête- ment a tendance à se décoller. Dans une seconde approche, le caloduc est réalisé en métal. Il se pose alors le problème du joint verre-métal entre l'enveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure. Ce joint devant assurer l'étanchéité entre un milieu à la pression atmosphérlque et l'enceinte entre les deux enveloppes dans lequel on a effectue un vide pousse. D'autres solutions ont été également proposées, et en particulier tout en gardant les deux enveloppes, intérieure et extérieure, en verre, on a proposé l'adjonction d'éléments métalliques supplémentaires comme absorbant. Dans toutes ces solutions, le contact thermique n'est pas optimum et se fait essentiellement par contact tangentiel suivant une génératrice de l'enveloppe intérieure et éventuellement par rerayonnement. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose l'utilisation d'un composé verre-métal réalisant un contact thermique de très bonne qualité tout en conservant une bonne tenue mécanique sur lequel on peut déposer l'absorbant solaire. L'invention a donc pour objet un collecteur d'énergie solaire comprenant une première enveloppe fermée, associée à des moyens absorbant le rayonnement solaire constitué par un revêtement déposé sur une des faces de la première enveloppe, et une seconde enveloppe fermée, placée autour de la première enveloppe de façon à créer une enceinte entre ces deux enveloppes : collecteur caractérisé en ce que le revêtement comprend une première couche constituée par un composé verre-métal. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif collecteur d'énergie solaire, dans lequel les principes de l'invention peuvent être mis en oeuvre ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale du dispositif représenté sur la figure 1 ; - les figures 3 et 4 sont des exemples de dispositifs de l'art anterieur - les figures 5 et 6 sont des vues partielles, en coupe transversale, de deux variantes selon l'invention ; - les figures 7 à 10 sont relatives à deux exemples de ré-alisations particulières selon l'invention. Dans la description qui va suivre, les éléments communs à une ou plusieurs figures portent la même référence et ne seront décrits qu'une seule fois. La figure 1 illustre la structure d'un collecteur d'énergie solaire utilisable dans le cadre de l'invention. Dans la description qui va suivre, à titre d'illustration, une structure particulière de collecteur d'énergie solaire va être décrite, sans que la portée de l'invention en soit limitée. D'autres structures sont utilisables dans le cadre de l'invention et en particulier d'autres types de caloducs. Sur la figure 1 est représentée une enveloppe 2 fermée transparente en verre et de forme cylindrique, par exemple, comportant deux parties 21 et 22, dont la séparation est illustrée par un axe XX. La première partie (21) de l'enveloppe 2, est appelée évapo- rateur, et placée sous vide dans une seconde enveloppe 1 et exposée au rayonnement solaire. Elle est représentée en coupe transversale, selon l'axe AA, sur la figure 2. L'enveloppe 1 est de préférence constituée par un matériau transparent, du verre par exemple. Le vide est réalisé à l'intérieur 5 de l'enveloppe 1 par tout moyen approprié bien connu de l'homme de métier. En pratique, la pression dans cette enveloppe est de l'ordre de 10 5 Pascal. Cette pression est maintenue à l'aide de dispositifs connus dans le domaine des tubes électroniques, notamment sous le nom de getters, ayant pour fonction d'absorber les molécules présentes dans l'enveloppe 1 et réalisés à l'aide dlun métal alcalin par exemple. L'enveloppe 1 est soudée sur l'enveloppe 2 par fusion intime des verres de l'enveloppe 1 et de l'enveloppe 2 ou par scellement à l'aide d'une colle verre-verre ou tout autre matériau utilisé dans la technique du vide. On crée ainsi une enceinte 4-dans laquelle le vide est réalisé. Le tube 2 dans sa partie 21, appelée évaporateur, est recou vert d'une couche absorbante 3, constituée d'un matériau pri;sen- tant un faible coefficient d'émittivité (C) et un coefficient a d'absorptivité (a) élevé, afin que le rapport - soit le plus élevé possible. On définit ainsi le coefficient de qualité de l'nbsorbant. L'enveloppe 2 contient un liquide imprégnant un système capillaire 6 en forme de doigt de gant placé contre la paroi interne de l'enveloppe, constitué par exemple, par une toile ou des fils, en fibres naturelles ou artificielles. Le liquide choisi doit avoir une chaleur latente de vaporisation élevée, afin d'emmagasiner une grande quantite de chaleur. Les liquides qui conviennent sont, par exemple, l'eau, le glycol, l'alcool, l'amoniaque, ou un mélange de ces corps. Le fonctionnement du dispositif est le suivant : le flux solaire incident capté par le dispositif dans la zone 21 Vaporise le liquide. La vapeur ainsi produite se déplace vers le point froid qui est dans la zone 22, ou condenseur, où elle se condense en perdant de la chaleur au profit du milieu a échauffer. Le liquide condensé revient alors vers la partie 21, ou évaporateur, grâce au système capillaire 6. La zone 22 est en général en contact sur sa face extérieure avec un liquide dans lequel est transferée l'énergie solaire captée. Plusieurs collecteurs d'énergie solaire tel que celui de la figure 1 peuvent être assemblés dans un même bâti pour additionner leur effet. Le collecteur d'énergie solaire de la figure 1 est décrit avec plus de détails dans la demande de brevet français NO 76.13 002 déposée conjointement par la requêrante et la Compagnie des Lampes le 30 Avril 1976 et publiée sous le NO 2.349.802. D'autres collecteurs de l'art antérieur ont une structure analogue à celle de la figure 1. Dans tous ces collecteurs, l'absorbant est constitué par un métal déposé sur l'enveloppe intérieure. Le revêtement métallique a un coefficient de dilatation différent de celui du verre de l'enveloppe intérieure. L'enveloppe intérieure et le revêtement étant soumis à des contraintes thermiques importantes, il s'en suit que la tenue métallique de ce revêtement n'est pas satisfaisante. Les figures 3 et 4 illustrent deux autres réalisations de l'art antérieur. Sur la figure 3, l'enveloppe intérieure est en métal. La jonction entre l'enveloppe extérieure 1 et l'enveloppe intérieure 2 se fait à l'aide d'une soudure métal-verre 7. Cette jonction doit assurer l'étanchéité entre le compartiment 4 et le compartiment 9. Le compartiment 9 est à la pression atmosphérique, il s'en suit que la différence ce pression entre les deux compartiments 4 et 9 est de l'ordre de 105 Pascal, ce qui entraine de sérieuses difficultés de réalisation. Sur la figure 4, l'absorbant est constitué par deux feuilles de cuivre 8, oxydées ; les enveloppes intérieures 2 et extérieures 1 étant en verre. On voit que le contact thermique est assuré essentiellement suivant les deux génératrices 81 et 82. Cette structure n'est donc pas optimisée. L'invention tout en conservant les avantages de la structure de la figure 1 : un bon contact thermique entre l'absorbant et l'enveloppe intérieure et réalisation aisée par les techniques connues dans la réalisation des tubes à vide, va pallier les inconvénients de l'art antérieur. L'absorbant selon l'invention va être constitué par un matériau à base d'un composé verre-métal, à pourcentage variable, c'est-à-dire un mélange analogue aux composés céramique-métal, dits "cermets". Le verre peut être du même type que celui utilisé pour l'enveloppe intérieure. La présence du verre supprime toute difficulté d'adhérence.D'autre part, le métal deuxième élément du composé verre-métal, assure d'une part une bonne conductivité thermique et d'autre part permet une oxydation directe ou une soudure sur ce métal, ou encore un dépôt de métal sur le composé verre-métal par électrolyse. Le composé verre-métal peut être déposée par sérigraphie ou peinture sur l'enveloppe intérieure servant de caloduc. Ce compose est ensuite chauffé à haute température pour qu1il se forme un eutectique"verre du composé-verre de 1' enveloppe' On obtient alors un revêtement de haute conductivité thermique. L'efficacité de l'absorption après oxydation dépend du rapport métal/verre. Le rapport a qui définit le coefficient de qualité de l'absorbant, ainsi que le coefficient d'absorption a, dépendent de la granulométrie du composé verre-métal. a et a croissent pour des grains de plus en plus petits. Il faut cependant remarquer que la qualité de l'adhérence du composé sur le support en verre croit dans un rapport inverse A partir de ces constatations, l'invention propose plusieurs variantes La figure 5 est une première variante. La couche d'absorbant 3 est constituée par une couche de compos verre-métal 31 déposée sur le support en verre 2 et d'une couche d'oxyde du métal contenu dans le composé. Cet oxyde est obtenu par oxydation directe du métal du composé. Cette structure est particulièrement adaptée à un grain fin. La'figure 6 est une seconde variante selon l'invention. Le matériau absorbant est constitué par trois couches successives une couche de composé verre-métal 31, une couche métallique 33 et une couche d'oxyde de métal 32. La couche métallique 33 est obtenue par électrolyse du composé 31, suivie d'une oxydation formant la couche 32. Cette structure est particulièrement adaptée à un composé à gros grain. La qualité de l'absorbant est améliorée de deux façons : d'une part la couche composite métal 33oxyde de métal 32 a un bon coefficient d'absorption, d'autre part la surface obtenue par électrolyse a un aspect rugueux du type surface dendritique qui améliore le coefficient a. L'adhérence de la couche métallique ne se fait plus directement comme dans l'art antérieur sur le verre du caloduc mais sur le composé verre-métal.On évite de ce fait les inconvénients de l'art antérieur. On peut combiner des avantages des structures de la figure 5, c'est-à-dire une bonne adhérence, et ceux de la figure 6, c'est-àdire une meilleure absorption. Pour ce faire, on rend le composé verre-métal hétérogène dans une direction normale à la surface du caloduc 2. Après dépôt, on fait varier le rapport métal-verre par centrifugation à chaud de telle sorte que ce rapport varie de manière à ce que la concentration en métal augmente en surface. La couche profonde de composé garde une bonne adhérence alors que la couche superficielle devient plus riche en métal. La surface d'absorption peut être encore améliorée en soudant des aillettes métalliques sur l'absorbant. Ensuite le composé verre-métal et le métal de ces aillettes sont oxydés. Les figures 7 à 10 décrivent deux exemples d'une telle réalisation. Sur la figure 7, une aillette 8 par exemple en cuivre épou sant la forme du caloduc 2 est soudée sur l'absorbant 3. La figure 8 est une vue transversale suivant l'axe AA de la figure 7. Le collecteur d'énergie solaire de la figure 9 comporte par exemple, deux aillettes 8 situées de part et d'autre du caloduc, et soudées directement sur l'absorbant 3. A titre illustratif, il est décrit une structure de caloduc 2 traversant de part en part l'enceinte 1. Comme précédement la figure 10 est une vue en coupe transversale suivant l'axe AA de la figure 9. D'autres configurations sont possibles, sans sortir du cadre de l'invention. Un exemple intéressant de métal est le cuivre. L'oxyde de cuivre Cu0 est un excellent absorbant solaire. Pour une couche d'épaisseur 1 vm on obtient un coefficient d'absorption a de 90 à 95 j du spectre solaire. Si cette couche d'oxyde pouvait être générée par oxydation d'une plaque de cuivre massive, on obtiendrait des facteurs de qualité a d'environ 20 à une température de l'absorbant d'environ 1500 C. Dans le cas de la structure de la figure 5, on peut se rapprocher de ce rapport, mais a diminue en proportion de la densité du composé verre-métal. Dans le cas de la structure de la figure 6, on se rapproche du cas idéal "oxydation sur cuivre massif". D'autre part, comme il a été signalé, on améliore le coefficient a par l'aspect rugueux donné à la surface métallique par électrolyse. Le rendement d'un collecteur d'énergie solaire réalisé selon les principes de l'invention atteint 80 % Dans ce qui suit on va décrire le procédé de fabrication du collecteur d'énergie solaire, de façon détaillée et en particulier le procédé d'obtention de l'absorbant et son application sur l'enveloppe interne. Le matériau de base constituant l'absorbant est obtenu en mélangeant de la poudre de cuivre très fine (ou de l'oxyde de cuivre en poudre réduit) avec de la poudre de verre. Les grains de cuivre doivent avoir une grosseur maximum de l'ordre de quelques centièmes de microns ; les grains de verre une grosseur de l'ordre de quelques centièmes de microns à quelques microns. Le mélange se fait dans un pourcentage de 70 à 95 % pour le métal et de 30 à 5 % pour le verre. Le verre est choisi parmi ceux ayant un point de ramollissement compris entre 550 et 700 C. La température atteinte par le collecteur solaire en fonctionnênt reste en dessous de ces valeurs. Elle est de l'ordre de 3500 C. Le mélange ainsi obtenu est mis en suspension dans un liant organique. Ce peut être par exemple du latex dissout dans du dichloroéthane. Le mélange est ensuite appliqué sur l'enveloppe interne en verre ou caloduc. L'application peut se faire au pistolet, au pinceau ou par mouillage (utilisation de l'effet de capillarité). Si on désire obtenir une structure hétérogène du composé verre-métal, on fait suivre cette étape d'une étape de centrifugation. La couche supérieure du mélange va s'enrichir en métal. Le liant doit être ensuite éliminé. Cette élimination se fait par cuisson à l'air libre à une température de 300 à 5000 C. Cette cuisson occasionne l'oxydation du métal et doit être suivie d'un traitement thermique en atomosphère réductrice, par exemple dans de l'hydrogène. La température est augmentée de façon à atteindre le point de ramollissement du verre contenu dans l'absorbant ainsi que celui du verre du caloduc. Ces deux verres sont de préférence du même type et lorsque la température suffisante est atteinte, il se forme un eutectique, assurant ainsi une adhérence parfaite du mélange verre-métal sur le caloduc.L'épaisseur de la couche ainsi formée, est, comme indiquée précédemment de l'ordre de 1 p. Pour obtenir la structure de la figure 6, on peut déposer a ce stade une couche supplémentaire de métal par électrolyse et/ou éventuellement effectuer la soudure des ailettes de métal (figures 7 à 10). La dernière étape consiste à oxyder soit la couche superficielle du composé verre-métal (figure 5), soit la couche de métal déposée par électrolyse (figure 6). Les ailettes éventuelles en métal (figures 7 à 10) sont également oxydées. Pour ce faire le caloduc, recouvert par le composé verre-métal est trempé dans un bain oxydant. Les enveloppes internes et externes en verre sont obtenues par les procédés classiques utilisés dans l'industrie des tubes à vide. Il en est de même pour la soudure verre-verre à la jonc-tion des deux enveloppes. Ces procédés sont bien connus de l'homme de métier. L'invention n'est pas limitée aux structures qui viennent d'être décrites. De plus d'autres métaux que le cuivre sont utilisables pour la réalisation de l'absorbant selon l'invention, en particulier le chrome et les oxydes de chrome : CrO, Cr203, ou le manganèse et l'oxyde de manganèse : Nn0. On peut encore utiliser un alliage de ces métaux. Si la réflectivité dans l'infra rouge du support de l'absorbant est inférieure à 90 %, on peut améliorer les performances du collecteur en déposant sur la face intérieure de l'enveloppe externe une couche semi-réfléchissante d'oxyde d'indium (In203), déposé à l'étain. Cette couche laisse passer le spectre solaire et réfléchit l'infra-rouge. Son épaisseur doit être de l'ordre de 7 000 à 0,01 mm. Enfin, on peut encore améliorer le rendement du collecteur en disposant des miroirs réfléchissants, soit à l'intérieur du collecteur, c'est-à-dire entre les premières et secondes enveloppes, soit à l'extérieur. La forme de ces miroirs sera déterminée de telle façon que les rayons réfléchis se concentrent sur l'absorbant. Ces dispositions particulières sont bien connues de l'homme de métier et sortent du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'énergie solaire comprenant une première enveloppe fermée, associée à des moyens absorbants le rayonnement solaire constitués par un revêtement déposé sur une des faces de la première enveloppe, et une seconde enveloppe fermée, placée autour de la première enveloppe de façon à créer une enceinte entre ces deux enveloppes ; collecteur caractérisé en ce que le revêtement comprend une première couche constituée par un composé verre-métal. 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement comprend une seconde couche, superficielle, consti tuéa par un oxyde de métal absorbant l'énergie solaire. 3. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement comprend en outre une troisième couche, constituée par du métal déposé par électrolyse sur la première couche. 4. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le composé verre-métal est homogène en tout point du revêtement. 5. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les concentrations relatives verre-métal du composé varient selon une loi prédéterminée, de telle sorte que le composé s'enrichisse en métal dans la partie superficielle de la première couche. 6. Collecteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les première et seconde enveloppes sont constituées par du verre, de même nature que le verre du composé verre-métal. 7. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le métal du composé verre-métal est choisi parmi les métaux suivants : cuivre, manganèse ou chrome ; ou un alliage de ces métaux. 8. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des ailettes sont soudées sur la première couche. 9. Collecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les ailettes sont constituées par une feuille du métal du composé verre-métal ; les plans formés par chacune des feuilles de métal étant normales à la surface de la première couche. 10. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la face interne de la première enveloppe est recouverte par un dépôt de matériau semi-réfléchissant, ce matériau étant de l'oxyde d'indium In203, dopé à l'étain. 11. Procédé de fabrication d'un collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que pour la phase d'obtention du matériau constituant l'absorbant et de son application sur la première enveloppe, il est procédé aux étapes suivantes - mélange d'une poudre de verre avec de la poudre de métal ; la proportion volumique de métal étant comprise dans la game de 70 à 95 % ; - suspension du mélange dans un liant organique et application sur la première enveloppe d'une couche de matériau ainsi obtenu - élimination du liant organique par cuisson à l'air libre sous une température comprise dans la game de 300 à 5000 C, suivie d'ln traitement thermique en atmosphère réductrice à la température de ramollissement du verre constituant la première enveloppe et du verre du composé verre-métal ; la température de ramollissement étant choisie dans la gamme de 550 à 7000 C ; - et oxydation directe du matériau appliqué sur la première enveloppe pour constituer l'absorbant, par trempé de la première enveloppe recouverte du matériau dans un bain oxydant. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'application sur la première enveloppe du mélange de poudre de verre avec de la poudre de métal en suspension dans un liant organique se fait par peinture au pistolet, peinture au pinceau ou par mouillage. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications Il ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape supplémentaire de centrifugation après application sur la première enveloppe du mélange de poudre de verre avec la poudre de métal en suspension dans un liant organique, de façon à obtenir une plus grande proportion de métal dans les couches supérieures du matériau appliqué sur la première enveloppe. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde étape supplémen taire pendant laquelle une couche de métal est dcposlLe par électrolyse sur le matériau appliqué sur la première enveloppe. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape pendant laquelle une ailette constituée par une feuille de métal est soudée sur le matériau appliqué sur l'enveloppe.