Brevet FR2444241A1 — publié le 19800711

La présente invention a pour objet un dispositif pour chauffer de l'eau par l'énergie solaire. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des dispositifs destinés à chauffer I'eau en utilisant l'énergie solaire. On connaît des installations de production d'eau chaude, notamment d'eau chaude sanitaire, comportant un capteur solaire plan ou insolateur, un réservoir d'accumulation d'eau chaude séparé et distant dudit insolateur et une pompe de circulation qui fait circuler un liquide caloporteur, généralement de l'eau, en circuit fermé entre le capteur et le réservoir. On connaît des dispositifs comportant une cuve d'eau et un capteur solaire plan accolé à ladite cuve et dans lesquels l'eau circule par effet de thermosyphon entre le capteur et le réservoir. Le brevet français 1.345.849 décrit de tels dispositifs dans lesquels le capteur solaire est incorporé àIa cuve ou juxtaposé à celle-ci et, dans ce dernier cas, l'eau circule par effet de thermosyphon entre le capteur solaire et un échangeur noyé dans la cuve. La présence d'un échangeur introduit un écart de température entre le liquide qui circule dans le capteur et le liquide destiné à l'utilisation. Un objectif de la présente invention est de procurer des dispositifs pour chauffer de l'eau,en utilisant l'énergie solaire,tres simples à installer, sans faire appel à aucun spécialiste, à partir d'un petit nombre de pièces détachées, livrées séparées. Un autre objectif de la présente invention est de procurer des dispositifs pour chauffer de l'eau qui fonctionnent par effet de thermosyphon, de telle sorte qu'ils sont autonomes et qu'ils peuvent être utilisés dans des lieux dépourvus d'énergie électrique. Un dispositif selon l'invention comporte,de façon connuelune cuve à eau ayant une entrée d'eau froide à une extrémité et une sortie d'eau chaude à l'extrémité opposée et des capteurs plans qui sont connectés aux deux extrémités de cette cuve à eau par des canalisations avec lesquelles ils forment un circuit fermé dans lequel 11 eau circule par effet de ther mo syphon. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un dispositif Qui comporte une cuve et des capteurs plans qui sont juxtaposés paral làlement les uns aux autres, leurs axes longitudinaux étant horizontaux, les capteurs étant placés à proximité immédiate de la cuve, au Sud de celle-ci,et l'eau de la cuve circule dans les capteurs. Selon un mode de réalisation préférentiel, les capteurs comportent des ailettes planes en alliage d'aluminium,entourant un alésage axial, et un tube en cuivre qui est emmanché dans chaque alésage axial. De préférence, un dispositif selon l'invention comporte quatre ailettes identiques et les deux ailettes les plus éloignées de la cuve sont connectées en série entre elles et avec les deux autres ailettes qui sont connectees en parallèle entre elles. Selon un mode de réalisation préférentiel, un dispositif selon l'invention comporte deux capteurs plans identiques qui comportent chacun deux ailettes identiques juxtaposées à l'intérieur d'un boîtier rectangulaire dont la face avant est fermée et une cuve à eau placée à l'intérieur d'un caisson de section carrée dont le côté est égal à la largeur des boîtiers des capteurs. Selon une application avantageuse, un dispositif selon l'invention est intercalé sur une canalisation qui alimente en eau un appareil traditionnel de production d'eau chaude sanitaire et il sert à préchauffer l'eau avant qu'elle ne passe dans cet appareil. Lorsqu'il est utilisé dans des régions où la température nocturne descend au-dessous de zéro degré centigrade, un dispositif selon l'invention comporte une résistance électrique de faible puissance, par exemple de l'ordre de 80 watts, qui est engagée dans le point le plus bas d'une des canalisations qui relient les capteurs à la cuve à eau et cette résistance est connectée à une source de courant > a travers un contact mobile d'un thermostat d'ambiance qui ferme automatiquement ledit contact lorsque la température externe est de l'ordre de quelques degrés, afin de produire un effet de thermosyphon qui fait circuler l'eau chaude de la cuve à eau à travers le circuit des capteurs et évite le gel de l'eau dans ledit circuit. L'invention a pour résultat un nouveau dispositif pour produire de l'eau chaude en utilisant l'énergie solaire. Un avantage d'un dispositif selon l'invention réside dans le fait qu'il est tres simple et ne comporte aucune pièce en mouvement. Il est facile à fabriquer pour un coût réduit et facile à installer et à entretenir. Il peut notamment être livré en quelques pièces détachées, c' est-à- dire la cuve à eau dans son carter, les deux capteurs et les tuyauteries de liaison préfabriquées et munies de leurs raccords, de telle sorte que n'importe quel utilisateur peut l'installer lui-même sans faire appel à aucun spécialiste. Les dimensions des pièces détachées, notamment le fait que la cuve soit placée à l'intérieur d'un boîtier carré, dont le côté est égal à la largeur des capteurs, permettent de gerber l'ensemble du dispositif et de l'expédier sous la forme d'un volume compact, ce qui réduit les frais de transport. Un autre avantage d'un dispositif selon l'invention tient au fait qu'il peut être intercalé sur la canalisation d'alimentation en eau froide d'un appareil existant de production dteau chaude sanitaire, par exemple d'un chauffe-eau ou d'un ballon d'eau chaude indépendant ou incorporé dans une chaudière mixte. Dans ce cas, le dispositif selon l'invention peut remplacer entièrement l'appareil de production d'eau chaude sanitaire pendant la saison chaude s'il est installé sous un climat très ensoleillé. Sinon, il permet de préchauffer l'eau qui entre dans l'appareil de production d'eau chaude et d'économiser une partie de l'énergie qui aurait dû être consommée par cet appareil, ce qui permet d'amortir très rapidement le coût d'installation d'un dispositif selon l'invention. Un autre avantage d'un dispositif selon l'invention provient de ce que l'eau de la cuve à eau circule dans les capteurs de sorte que l'on peut chauffer cette eau à une température supérieure de plusieurs degrés à celle que l'on obtient avec les dispositifs dans lesquels l'eau qui circule dans les capteurs chauffe l'eau de la cuve à eau àtravers un échangeur de chaleur qui entraîne nécessairement un écart de température de plusieurs degrés. Du fait que l'eau sanitaire circule directement dans les capteurs, il n'est pas possible d'ajouter de l'anti-gel dans cette eau, ce qui pose le problème de la protection contre le gel. Si, pour résoudre ce problème, on utilise des résistances électriques ayant une puissance suffisante pour maintenir toute l'eau contenue dans le circuit des capteurs à une température supérieure à 0o pendant toute la nuit, l'énergie électrique dépensée risque d'être du même ordre que l'énergie solaire captée dans la journée et-le bilan en économie d'énergie est alors sans intérêt. Pour résoudre ce problème, un dispositif selon l'invention comporte, lorsqu'il est utilisé dans des régions où la température nocturne descend au-dessous de zéro degrés, une résistance électrique de très faible puissance, par exemple de l'ordre de 80 watts, qui suffit à produire un effet de thermosyphon dans le circuit des capteurs, de telle sorte que l'eau chaude contenue dans la cuve à eau est entraînée dans ce circuit, ce qui suffit à éviter le gel dans les régions et pendant les périodes où la température nocturne descent seulement à quelques degrés au-dessous de zéro pendant quelques heures. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation et d'utilisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 est une vue d'ensemble d'un dispositif selon l'invention, intercalé sur l'alimentation en eau d'un ou plusieurs appareils de production d'eau chaude sanitaire. La figure 2 est une yue éclatée, en perspective d'un dispositif selon l'invention. La figure 3 est une coupe transversale des parties essentielles d'un dispositif selon l'invention groupées pour le transport. La figure 1 représente un dispositif 1 selon l'invention placé par exemple sur un toit en terrasse 2 d'une maison qui comporte des appareils de production d'eau chaude sanitaire, par exemple, un chauffeeau 3 ou un ballon de production d'eau chaude 4 ou une chaudieremixte comportant un ballon 5 pour produire de l'eau sanitaire. Ces appareils sont normalement alimentés en eau froide par une canalisation 6 et le dispositif est intercalé su cette canalisation, de sorte qu'il peut, soit remplacer l'un des appareils 3, 4, 5 si la température de l'eau qu'il produit est suffisante, soit servir à préchauffer l'eau avant qu'elle n'entre dans l'appareil 3, 4 ou 5 qui la chauffe à la température désirée en consommant moins d'énergie. Le dispositif 1 comporte une cuve à eau disposée horizontalement dans un caisson 7 de section carrée. La tuyauterie 6 entre dans la cuve par une extrémité et en ressort par l'extrémité opposée. Le dispositif 1 comporte, en outre, des capteurs plans 8a, 8b, de tout modèle connu. La cuve à eau et les capteurs plans sont juxtaposés parallèlement les uns aux autres, leurs axes longitudinaux étant horizontaux. Les capteurs sont placés immédiatement au Sud de la cuve, de sorte que l'ombre de la cuve ne recouvre jamais les capteurs. L'eau contenue dans la cuve à eau circule directement dans les capteurs par effet de thermosyphon. Dans le cas où le toit en terrasse 2 est horizontal, on peut surélever l'arrière du dispositif au moyen de pieds 9, cette inclinaison dépendant de la latitude de lieu et éventuellement de la saison. La figure 2 représente, en vue éclatée, un mode de réalisation préférentiel d'un dispositif selon l'invention. On voit sur cette figure la cuve à eau 10, qui est par exemple une cuve cylindrique ayant un diamètre intérieur de 280 mm, une longueur de 2 mètres et une capacité de l'ordre de 100 litres. Cette cuve est disposée horizontalement à l'intérieur d'un caisson 7, par exemple un caisson en tôle galvanisée et laquée et l'espace entre le caisson et la cuve est rempli d'un matériau isolant thermique 11, par exemple de la mousse de polyuréthane. La cuve 10 comporte à une extrémité une entrée d'eau froide 6a qui débouche dans le fond de la cuve. A l'extrémité opposée, elle comporte un départ dreau chaude 6b qui part du haut de la cuve. Le dispositif 1 comporte deux capteurs plans ou insolateurs 8a, 8b identiques. Chaque capteur comporte par exemple un boîtier rectangulaire 12a, 12b, dont la face supérieure ou face avant est fermée par une plaque transparente 13. Chaque boîtier continent deux surfaces absorbantes ayant la forme d'ailettes planes,respectivement 14a, 15a et 14b, 15b. Ces ailettes sont, de préférence, des profilés en alliage d'aluminium extrudés. Chaque ailette comporte un alésage axial dans lequel est emmanché un tubearespectivement 16a, I7a et 16b, 17b, dont les deux extrémités sont munies d'un raccord 18. Les tubes I6a, 17a, 16b et 17b, dans lesquels circule l'eau sanitaire, sont de préférence en cuivre. Les axes longitudinaux des ailettes 14a, 15a, 14b, 15b et l'axe de la cuve 10 sont disposés horizontalement et orientés sensiblement Est-Ouest. Sur la figure 2 on a représenté le capteur 8a en vue éclatée, sans la couverture transparente 13. Les tubes 16a, 17a, 16b et 17b sont connectés entre eux et avec la cuve à eau par des canalisation de façon à former un circuit fermé dans lequel liteau de la cuve circule directement par effet de thermosyphon. Les canalisation de liaison entre la cuve et les capteurs sont préfabriquées et munies de raccords 19 qui sont connectés sur les raccords 18. Le circuit fermé des capteurs part de la cuve 10 par un départ 20b qui est situé du même côté que la sortie 6b, dans le fond de la cuve, et il revient dans la cuve par un retour 20a, qui est situé du même côté que l'entrée 6a et dans la partie supérieure de la cuve. Cette disposition respective des entrées et sorties 6a, 6b, 20a et 20b favorise l'effet de thermosyphon et évite les court-circuits et cheminements préférentiels dans la cuve. La circulation dans les tubes axiaux des ailettes 14a, 15a, 14b et 15b se fait suivant un circuit particulier qui permet d'obtenir une efficacité maxima des capteurs. Comme on le voit sur la figure 2, le départ 20b est connecté par une canalisation 21 sur une extrémité du tube 17b qui est-le plus éloigné de la cuve. L'extrémité opposée du tube 17b est connectée par un bout de tube 22 sur l'extrémité voisine du tube 16b. L'autre extrémité du tube 16b est connectée par une canalisation 23 à la fois sur les tubes 16a et 17a les plus rapprochés de la cuve. Les deux extrémités opposées des tubes 16a et 17a sont connectées ensemble sur le retour 20 par une canalisation 14. Ainsi, l'eau sortant de la cuve 10 par le départ 20b parcourt d'abord l'ailette 15b puis l'ailette 14b qui sont connectées en série et elle parcourt ensuite les deux ailettes 14a et 15a qui Sont connectées en parallèle entre elles et en série avec les ailettes 16b et 17b. Les expériences réalisées ont montré qu'un dispositif selon l'invention comportant une cuve de 100 litres environ et deux capteurs 8a, 8b ayant chacun une surface d'ailette d'environ 0,6 m2, soit au total 1,2 m2, pourrait produire toutes les trois heures sous un climat ensoleillé, 100 litres d'eau chaude sanitaire ayant une température de l'ordre de 50tu. Lorsqu'il est installé dans une région présentant des risques de gel nocturne, un dispositif selon l'invention est équipé d'une résistance électrique 25, de très faible puissance, par exemple de 80 watts, qui est placée dans une sonde 26 qui est engagée dans l'extrémité inférieure du tube 21 ou du tube 22 et qui est fixée sur un bouchon 26a qui sert en même temps de bouchon de vidange.Cette résistance électrique est connectée sur une source de courant 29 à travers le contact mobile 27 d'un thermostat d'ambiance 28 qui est réglé pour produire la fermeture du contact 27 lorsque la température externe atteint quelques degrés audessus de zéro degré centigrade. La résistance 25 chauffe suffisamment l'eau située au point le plus bas du circuit pour rétablir l'effet de thermosyphon et pour faire circuler à travers les capteurs l'eau chaude contenue dans la cuve 10, ce qui évite le gel dans les capteurs et dans les canalisations de liaison entre ceux-ci. La figure 3 représente les parties essentielles d'un dispositif selon l'invention en cours de transport entre l'usine de préfabrication et le lieu d'installation. On a représenté sur cette figure le caisson 7 contenant la cuve 10 et garni d'un isolant 11 ainsi que les deux capteurs 8a et 8b. On voit que le caisson 7 a une section carrée dont le côté est égal à la largeur des boîtiers 12a et 12b. De plus, la figure 2 montre que la longueur du caisson 7 est sensiblement égale ou très légèrement supérieure à la longueur des boîtiers 12a et 12b, ce qui permet de transporter les pièces séparées composant un dispositif selon l'invention sous la forme d'un colis compact de faible volume. On a représenté sur la figure 2 deux profilés 30a et 30b en forme de U sur lesquels sont fixés par tous moyens le caisson 7 et les boîtiers 12a et 12b. Le dispositif comporte, en outre, de chaque côté, des capots latéraux, en tôle, qui sont alignés sur les extrémités du caisson 7 et-qui enveloppent les canalisations de liaison entre capteurs, de sorte que le dispositif monté présente une forme compacte. Ces capots ne sont pas représentée sur la figure 2- pour ne pas encombrer le dessin. La figure 4 représente un autre dispositif de protection contre les effets du gel des capteurs et des tubes de liaison entre capteurs et entre la cuve à eau et les capteurs. Dans chacun des tubes tels que le tube 14a, un petit tube 31 en matière plastique souple, par exemple un tubes en polypropylène ayant un diamètre de 4 mm,est enfilé. Ce tube est ferme de façon étanche à ses deux extrémités par une soudure. En cas de gel, ce tube s'écrase. Il compense donc l'augmentation de volume due à la transformation de l'eau en glace et évite l'éclatement des tubes. De préférence, les tubes souples 31 se prolongent dans les canalisations 21, 22, 23 et 24 pour les protéger également contre le gel. Des essais ont été faits jusqu'à une température de - 450 et ont montré que les tubes et les capteurs résistent bien jusqu'à cette température sans éclatement des tubes ce qui démontre l'efficacité de cette protection qui a l'avantage d'être autonome. La section des tubes souples 31 est relativement faible par rapport à celle des tubes de capteurs 16a, 17a, 16b, 17b et par rapport à celle des conduites 21, 22, 23 et 24 et ces tubes souples ne gênent pas beaucoup la circulation de liteau par effet de thermosyphon. On peut évidemment combiner sur un même appareil une protection antigel par des tubes souples 31 et une protection par des petites résistances 25. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs du dispositif qui vient d'être décrit à titre d'exemple non limitatif, pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. REVENDICATIONS 1 - Dispositif-pour chauffer de l'eau au moyen de l'énergie solaire compor tant une cuve à eau ayant une entrée d'eau froide à une extrémité et une sortie d'eau chaude à l'extrémité opposée et des capteurs plans qui sont connectés aux deux extrémités de ladite cuve par des canalisations avec lesquelles ils forment un circuit fermé dans lequel l'eau. circule par effet de thermosyphon, caractérisé en ce que ladite cuve et-lesdits capteurs sont juxtaposés parallèlement les uns aux autres, leurs axes longitudinaux étant horizontaux, que les capteurs sont placés à proximi té immédiate de la cuve, au Sud de celle-ci et que l'eau de la cuve circule dans les capteurs. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits capteurs comportent des ailettes planes en alliage d'aluminium entou rant un alésage axial et un tube en cuivre qui est emmanché dans chaque. alésage axial. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractéri sé en ce qu'il comporte quatre ailettes identiques et que les deux ailettes les plus éloignées de la cuve sont connectées en série entre elles et avec les deux autres ailettes qui sont connectées en parallèle entre elles. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux capteurs plans identiques comportant chacun deux ailettes identi ques juxtaposées à l'intérieur d'un boîtier rectangulaire dont la face avant est fermée par une plaque transparente et ladite cuve à eau-est placée à l'intérieur d'un caisson de section carrée dont le côté est égal à la largeur desdits boîtiers et dont la longueur est sensiblement égale à celle desdits boîtiers. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est intercalé sur une canalisation qui alimente en eau un appareil traditionnel de production d'eau chaude sanitaire et qu'il sert à préchauffer l'eau avant qu'elle ne passe dans ledit appareil. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance électrique de très faible puissance qui est engagée dans le point le plus bas d'une des canalisations qui relient les capteurs à la cuve à eau, laquelle résistance est connectée à une source de courant à travers un contact mobile d'un thermostat d'ambiance qui ferme automatiquement ledit contact lorsque la température externe est de l'ordre de quelques degrés afin de. produire un thermosy phon qui fait circuler l'eau chaude de la cuve à eau à travers le circuit des capteurs et évite le gel de l'eau dans ledit circuit. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite résistance électrique est placée dans une sonde qui est fixée sur un bouchon qui sert de bouchon de vidange. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite cuve à eau comporte, à une extrémité, une entrée d'eau froide dans le fond de la cuve et un retour d'eau chaude des capteurs dans le haut de la cuve et à l'extrémité opposée une sortie d'eau chaude à la partie haute de la cuve et un départ du circuit vers les capteurs à la partie inférieure. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'un petit tube déformable en une matière plastique souple qui est obturé à ses deux extrémités est inséré dans chacun desdits tubes à ailette des capteurs. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits tubes déformables se prolongent à l'intérieur des canalisations qui relient les capteurs entre eux et à la cuve à eau.