Brevet FR2432690A1 — publié le 19800229

La présente invention a pour objet de nouveaux absorbeurs des radiations solaires pour capteurs de l'énergie solaire. Il existe de nombreux modèles de capteurs de l'énergie solaire, basés sur l'effet de serre et l'effet de corps noir. Ils comportent généralement des tubes absorbant les radiations solaires et des enceintes transparentes assurant l'effet de serre ; à l'intérieur des tubes circulent des fluides caloporteurs dont le rôle est de fournir de la chaleur à des zones plus froides. Les différences entre ces modèles portent, par exemple, sur la nature des écrans transparents et des pigments absorbants et sur les modes d'agencements utilisés pour le raccordement de plusieurs modèles entre eux ou pour la délimitation de l'emplacement des absorbeurs (demandes françaises 2 319 859, 2 340 516, brevet américain 4 026 268). Par ailleurs, la majorité des modèles présentent des améliorations relatives au prix de revient, à l'assemblage et à la pose (demandes françaises 2 325 886, 2 339 819). Toutefois, du fait de l'épuisement progressif des sources d'hydrocarbures fossiles, un intérêt très vif existe pour des capteurs (ou des éléments de capteurs) au moins aussi efficaces mais encore moins coûteux et plus faciles à installer. La présente invention a pour objet des éléments de capteurs de ce type, elle se rapporte plus précisément à des absorbeurs, prets à l'emploi, caractérisés en ce qu'ils comportent chacun - un tube, servant à la circulation de fluides caloporteurs, formé d'un matériau choisi parmi les caoutchoucs organiques et organo siliciques et les produits thermoplastiques organiques. - 2 bandes métalliques, flexibles, sensiblement de même longueur que le tube. En général ces deux bandes métalliques sont de dimensions pratiquement identiques entre elles. Le tube est intercalé entre les 2 bandes, dans le sens de leur longueur et dans leur zone médiane ; il est maintenu en place par la fixation face contre face des 2 bandes. La face extérieure de lune quelconque des bandes est de couleur foncée et mate et le rapport de la largeur des bandes au diamètre du tube s'étale de 2,5 à 10. La compréhension de l'invention sera facilitée par les figures 1 et 2, ci-jointes, qui illustrent, à titre d'exemples, schémati tiquement et sans échelle déterminée, divers modes de réalisations. La figure 1 est une section droite d'un absorbeur conforme k l'invention. La figure 2 est une vue de dessus d'un arrangement particulier de cet absorbeur, arrangement formé par la juxtaposi- tion et le raccordement en série de 6 fractions identiques de l'absorbeur. Le tube (1), représenté sur la figure 1, est inséré entre 2 bandes métalliques (2) et (3) qui sont fixées, face contre face, de part et d'autre du tube. Cette insertion du tube entre les 2 bandes est réalisée préférentiellement par des moyens mécaniques. Ainsi, dans le cas le plus général, le tube, fabriqué par extrusion, est dirigé, dès la sortie de l'extrudeuse, entre les 2 bandes métalliques qui se déroulent à la même vitesse que celle de l'avancement du tube. Un dispositif guideur à galets permet d'appliquer correctement les 2 bandes l'une sur l'autre, l'une étant placée au-dessus du tube et l'autre au-dessous. La fixation des bandes peut être ensuite assurée par collage à chaud. Cette technique implique l'utilisation de bandes préalablement revêtues, sur une face, d'un vernis thermocollant à base de composés organiques usuels tels que du polyéthylène, des résines epoxy, acryliques. Les faces enduites des bandes sont placées l'une contre l'autre et le collage a lieu par application, de part et d'autre de la zone médiane où se trouve logé le tube, par exemple d'une roulette portée à la température de thermocollage du vernis. Généralement cette température se situe dans l'intervalle 100-220 C. La fixation des 2 bandes peut être assurée par d'autres procédés de même efficacité que le thermocollage. On peut mentionner, à ce sujet, le rivetage ou encore la sou- dure par points exécutée à l'aide d'une soudeuse électrique portative. Les bandes métalliques sont formées d'un métal conducteur de la chaleur tel que le cuivre, l'acier, l'aluminium. On utilise, de préférence, l'aluminium qui est bon marché. La face de l'absorbeur qui sera exposée aux rayons solaires (c'est la face externe de l'une quelconque des 2 bandes) est enduite d'une peinture de couleur foncée et mate (en noir, vert, rouge ou bleu) qui absorbe la quasi-totalité des rayons solaires. L'autre face de l'absorbeur (c'est la face externe de la bande opposée à la bande dont la face externe est peinte de couleur foncée) peut être recouverte d'une couche d'un matériau cellulaire. Cette couche a pour rôle d'assurer un bon isolement thermique vis-à-vis de la surface sur laquelle cette face sera en contact après l'installation de l'absorbeur. L'épaisseur du matériau cellulaire peut être quelconque ; il est cependant judicieux pour éviter d'augmenter sensiblement le coût de l'absorbeur d'utiliser une épaisseur s'échelonnant de 0,3 mm à 4Q mm. A titre indicatif le matériau cellulaire peut être choisi dans le groupe constitué des mousses phénoliques, en polychlorure de vinyle ou en polyuréthanne. Quant au tube il est formé d'un matériau accessible sur le marché industriel. I1 doit toutefois posséder certaines qualités telles qu'une bonne résistance au vieillissement thermique et une bonne conductibilité thermique. Parmi les matériaux utilisables peuvent être mentionnés (1) les matériaux thermoplastiques organiques comme le polyéthylène basse densité, le polychlorure de vinyle, les polyamides, les polyesters. (2) les matériaux en élastomères comme les caoutchoucs organiques naturels et synthétiques, les caoutchoucs organosiliciques. Les caoutchoucs organiques sont, de préférence, choisis dans le groupe de ceux résistant à la chaleur tels que, les caoutchoucs butyles, éthylènes-propylènes, polyuréthannes. Les caoutchoucs organosiliciques ont tous une bonne résistance à la chaleur ; ils peuvent donc être choisis dans le groupe de ceux facilement extrudables et durcissables qui sont disponibles sur le marché des silicones. Préférentiellement on utilise les élastomères obtenus par durcissement à chaud, au-dessus de 100" C, de compositions renfermant principalement des gommes diorganopolysiloxaniques, des charges minérales et des peroxydes organiques. De telles compositions figurent dans les brevets français 1 142 443, 1 382 285, 1 486 530, 2 017 663. On peut également utiliser les élastomères obtenus par durcissement à chaud, au-dessus de 600 C, de compositions renfermant principalement des polymères diorganopolysiloxaniques portant une faible quantité de radicaux vinyles ou allyles (environ 0,1 à 1 %) par rapport à l'ensemble des radicaux liés aux atanes de silicium), éventuellement des charges minérales, des hydrogénoorganopolysilo xanes et un catalyseur au platine. De telles compositions figurent dans les brevets français 1 314 679, 1 360 908, 1 511 598, 2 016 914, 2 202 915. Le diamètre des tubes (le terme "diamètre" utilisé ici s' appli- que au diamètre externe) peut varier dans un grand intervalle de valeurs. Si l'on veut toutefois fabriquer des absorbeurs manipulables et faciles à installer il est avantageux de choisir des tubes dont le diamètre s'étale de 5 à 50 mm, de préférence de 7 à 40 mm ; l'épaisseur de la paroi des tubes, liée à ce diamètre, varie habituellement de 0,2 à 4mm, de préférence de 0,3 à 3 mu. La largeur des bandes métalliques est conditionnée par la valeur de son rapport avec le diamètre des tubes ; en effet le rapport largeur des bandes/diamètre des tubes n'est pas quelconque, il s'étale de 2,5 à 10, de préférence de 3,5 à 8. Ainsi des tubes de 20 mm de diamètre seront insérés entre des bandes de 50 mm à 200 mm de large. L'épaisseur des bandes dsit être suffisante pour absorber et transmettre des flux importants de chaleur ainsi que pour résister aux tensions exercées sur les absorbeurs lors de leur fabrication et pendant leur conditionnement et pose. Des épaisseurs allant de 0,02 à 0,3 mm sont satisfaisantes. Les aillettes de l'absorbeur c'est-à-dire les surfaces couplées et des 2 bandes s'étalant de part / d'autre de la zone médiane de l'absorbeur où se trouve logé le tube caloporteur, sont généralement étalées à plat sur le plancher des enceintes transparentes assurant l'effet de serre. Eles peuvent cependant prendre aisément une forme différente (par exemple parabolique, semi-cylindrique) afin d'assurer une meilleure concentration du flux de chaleur dans la direction du tube caloporteur. Divers fluides peuvent circuler dans les tubes, en particulier des gaz tels que l'air et des liquides tels que I'eau. Si ces fluides circulent sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, ces tubes seront préférentiellement renforcés par un gainage externe formé d'une tresse en fibres synthétiques (polyamides, polyesters) ou en fibres de verre. Ce gainage peut être simultanément fabriqué et déposé, à l'aide de bobineuses multifils, à la sortie des extrudeuses ayant servi à fabriquer les tubes. I1 assure aux tubes une résistance à des pressions de circulation des fluides supérieures à 10 bars. Des arrangements particuliers formés de 2 ou plusieurs frac tions de chaque absorbeur entrent également dans le cadre de la présente invention. Ces fractions sont juxtaposées et reliées entre elles en série, par des parties dénudées du tube caloporteur. Le procédé de préparation de ces arrangements est exécuté en 2 étapes Dans la première étape on dégage, à des intervalles choisis, identiques ou différents, le long de chaque absorbeur, des parties du tube caloporteur. Ce dégagement a lieu par élimination (par exemple par découpage) de toute la zone transverse des 2 bandes recouvrant les parties du tube à dénuder . La longueur de chaque partie dénudée du tube a pour valeur au moins la largeur des bandes métalliques. La limite supérieure de la longueur de chaque partie dénudée du tube est fonction de la structure et de la forme recherchées des arrangements ; il est toutefois préférable, pour réduire les surfaces à éliminer des bandes métalliques, de ne pas dépasser cinq fois la largeur de ces bandes. Les parties dénudées sont ensuite enduites d'une peinture de couleur foncée et mate. On obtient donc dans cette première étape un absorbeur formé de plusieurs fractions reliées les unes aux autres par les parties dénudées du tube caloporteur. La longueur de chaqùe fraction dépend également de la structure et de la firme recherchées des arrangements. Dans la deuxième étape, on plie chaque absorbeur aux endroits des parties dénudées du tube caloporteur tout en disposant les fractions côte à côte dans l'ordre de leur emplacement sur l'absorbeur. Ce type d'arrangement est représenté sur la figure 2 dans laquelle sont combinées en série 6 fractions égales d'un absorbeur. Le fluide entre et sort par les tubulures (4) et (5) et circule d'une fraction de l'absorbeur à l'autre par l'intermédiaire des parties tubulaires dénudées (6) qui sont une continuation du tube caloporteur (1) Les tubulures (4) et (5) peuvent être des morceaux de tes rapportés, branchés sur le tube (1), ou bien des parties dénudées du tube (1). Ces arrangements, qui peuvent avoir des dimensions quelconques, sont adaptés à la géométrie des enceintes dans lesquelles ils seront installés. L'installation des absorbeurs conformes à l'invention est aisée du fait qu'il suffit de dérouler les absorbeurs (ils sont conditionnés avantageusement en rouleaux) et de les couper aux longueurs désirées. L'installation des arrangements, constitués de fractions des absorbeurs, nécessite,en plus, seulement la mise à nu de parties appropriées des tubes caloporteurs. Les absorbeurs et leurs arrangements peuvent donc être déposés dans n importe quelle sorte d'enceintes assurant l'effet de serre il faut néanmoins que ces enceintes aient des surfaces transparentes aux rayons solaires. Ces surfaces peuvent être en verre, en matière plastique (polyméthacrylate, polycarbonate), en caoutchouc silicone. La facilité de fabrication des absorbeurs et de leurs arrange ments, le faible prix des matières premières (dans 1 optique de la mise en oeuvre de bandes en aluminium) et la facilité de pose (il n'est plus nécessaire de fixer les tubes ni de peindre les substrats supportant les tubes) procurent de grands avantages aux utilisateurs de ces articles dans le domaine des capteurs de l'énergie solaire. L'exemple suivant illustre l'invention EXEMPLE a) fabrication d'un-absorbeur à ailettes : Un tube en élastomère silicone cru de diamètre interne 10 mm et de diamètre externe 12 mm , est fabriqué par extrusion à la vitesse de 8 m/minute. A la sortit de l'extrudeuse, il circule pendant 30 s dans un four chauffé à 2800C , ce qui a pour effet de réticuler l'éjas- tomère, puis il passe dans une bobineuse multifils mettant en oeuvre des fibres de verre formées chacune de 32 brins élémentaires Le tube ressort de la bobineuse muni d'une tresse en fibres de verre ; il est alors dirigé entre 2 bandes d'aluminium recuit chaque bande a 6 cm de largeur, 0,012 cm d'épaisseur et présente une face enduite d'un vernis acrylique, thermocollant, fondant vers 1500C Les deux bandes sont ensuite appliquées, à l'aide d'un dispositif guideur à galets, face contre face, tout en enserrant le tube gainé, les faces en contact étant celles qui sont enduites du vernis acrylique. Le collage des bandes est réalisé par passage de l'absorbeur préformé sous 2 roulettes métalliques chauffées à 1800C espacées de 1,6 cm , qui s'appuyant sur la zone des bandes située de part et d'autre du logement du tube gainé Finalement l'une des 2 faces de l'absorbeur est enduite dMne peinture noire, mate, résistant aux radiations solaires. b) fabrication d'un absorbeur à tubulures en série et son emploi à la captation de 11 énergie solaire Tout le long de l'absorbeur, et à intervalles réguliers, on met le tube gainé à nu sur une longueur de 14 cm par un découpage approprié des bandes en aluminium. On fabrique de cette façon un absorbeur comportant 12 éléments absorbants , d'une longueur de 150 cm chacun , reliés les uns aux autres par les parties dénudées du tube gainé. Ces parties sontpeintes avec la peinture pré cédenment utilisée. L'absorbeur est plié selon la configuration représentée par la figure 2 , puis installé dans le fond d'un caisson parallélépipédique en polychlorure de vinyle de longueur 170 cm , de largeur 70 cm et de hauteur 3 cm ; ce caisson est recouvert d'une plaque de verre de 5 mm d'épaisseur On place le caisson sous une inclinaison de 45 ,sur une terrasse exposée plein Sud; et fait circuler dans l'absorbeur un courant d'eau sous une pression de 1 bar Ce courant d'eau traverse et chauffe un réservoir de 70 1 d'eau. On mesure l'énergie solaire reçue à l'aide d'un solarimètre et l'énergie captée à l'aide d'un compteur de calories. Les essais ont lieu chaque jour de 10 h à 18 h Les résultats des mesures indiquent que, pour un ensoleillement fournissant au capteur (formé de l'absorbeur et du caisson) une puissance moyenne journalière située dans l'intervalle 300 à 600 W/m , le rendement du capteur varie de 40 à 60%. L'élastomère silicone cru, utilisé à la fabrication du tube, est préparé par mélange des constituants ci-après - 100 parties d'une gomme &alpha;-# bis(triméthylsiloxy)diméthylpolysilo xanique, de viscosité 45 millions de cPo à 250C , contenant 0,3 % de motifs méthylvinylsiloxy - 60 parties d'une silice de combustion, de surface spécifique 200 m2/g , traitée par de l'octaméthylcyclotétrasiloxane, - 3 parties d'une huile &alpha;-# # dihydroxydiméthylpolysiloxanique de viscosité 50 cPo à 250C - 2 parties d'un empâtage à 50 % en poids, dans une huile si licone, du peroxyde de dichloro-1,4 benzoyle. R E V E N D I C A T I O N S bR absorbeurs des radiations solaires caractérisés en ce que - ils comportent (i) un tube, servant à la circulation de fluides caloporteurs, formé d'un matériau choisi parm@ ses caoutchoucs organiques et organosiliciques et Tes prodiots thermoplastiques organiques (ii) 2 bandes métalliques flexibles, sensi- "lementde même longueur que le tube. - le tune est intercalé entre les 2 bandes dans le sens de ongueur et dans leur zone médiane ; il est maintenu en place par la fixation face contre face des 2 bandes - la face extérieure de l'une quelconque des 2 bandes est de couleur foncée et mate. - le rapport de la largeur des bandes au diamètre des tubes s'étale de 2,5 à 10. 2) Absorbeurs selon la revendication 1, caractérisés en ce- que le tube caloporteur a un diamètre qui s'étale de 5 à 50 mm, de préférence de 7 à 40 mm. 3) Absorbeurs selon l'une quelconque des revendications 1 et en caractérises en ce que les bandes métalliques ont une épaisseur vUi s'étale de 0,02 à 0,3 mm. 4) Absorbeurs selon l'une quélconquedes revendications 1 à 3, aractérisés en ce que les bandes sont fixées face congre face par thermocolage, soudure ou rivetage. 5) Absorbeurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisés en ce que le tube caloporteur est forme d'un matériau thermoplastiqeu organique choisi parmi le polyéthylène basse densité, le polychlorure de vynile, les polyamides, les polyesters. 8) Absorbeurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisés en ce que le tube caloporteur est formé d'un caout @@@@@ organique choisi parmi les caoutchoucs butyles, éthylènespropylènes, polyuréthannes. 9) Absorbeurs selon lune quelconque des -evendieations 1 à 4, caractérisés en ce que le tube caloporteur est formé d'un caoutchouc organosilicique obtenu par durcissement à chaud de canposi- tions comportant principalement des gommes diorganopolysiloxaniques, des charges minérales, des peroxydes organiques. 8) Absorbeurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisés en ce que les bandes métalliques sont en aluminium. 9) Absorbeurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisés en ce que l'une de leurs deux faces, (celle non exposée aux radiations solaires) est revetue d'une couche d'un matériau cellulaire organique. 10) Absorbeurs selon lvune quelconque des revendications 1 à 9, caractérisés en ce que le tube caloporteur est renforcé par un gainage extérieur formé d'une tresse en fibres synthétiques ou en fibres de verre. 11) Arrangement particulier d'un absorbeur, selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une juxtaposition de fractions de l'absorbeur, reliées entre elles, en série, par des parties dénudées du tube caloporteur. 12) Procédé de préparation de l'arrangement selon la revendication 11 caractérisé en ce qu t il comprend 1) le dégagement7'des intervalles identiques ou différents, le long de l'absorbeur, de parties du tube caloporteur dont la longueur de chaque partie, mise à nu, a pour valeur au moins la largeur des bandes métalliques. 2) le pliage de l'absorbeur, aux endroits des parties dénudées du tube caloporteur- tout en disposant les fractions (dont chacune est située entre 2 parties dénudées, successives, du tube) côte à côte, dans l'ordre de leur emplacement sur l'absorbeur. 13) Utilisation des absorbeurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 à la captation de l'énergie solaire.