Brevet FR2469674A1 — publié le 19810522

La présente invention concerne le captage de l'énergie solaire. Elle concerne plus particulièrement un système permettant de capter et même de stocker énergie solaire, ainsi que d'écrêter les variations que énergie solaire captée subit fréquemment sur de courtes périodes. Pour recueillir énergie rayonnée par le soleil qui parvient sur la terre, il faut disposer des capteurs au sol ou sur les constructions dans lesquelles cette énergie doit être utilisée. Le captage de énergie solaire sous forme thermique peut être réalisé soit par effet de serre ou piégeage entre deux surfaces, soit par concentration au moyen de miroirs convergents. LT invention décrite ci-après se rattache au premier de ces deux types de captage. On connaît déjà des capteurs d'énergie solaire qui se présentent sous forme de modules plans de dimension défi- nie, qusil est possible d'intégrer dans une toiture ou un bardage, et dont plusieurs modules unitaires peuvent être juxtaposés et raccordés entre eux. De tels systèmes constituent cependant un surcoût par rapport au coût de la toiture ou du bardage; ils obligent en outre à prévoir sur leur pourtour des éléments d'étanchéité additionnels, dont le coût et les imperfections constituent également des inconvénients; ils obligent également à des raccordements en soustoiture, soit entre modules juxtaposés placés en série, soit en tout état de cause pour permettre la circulation dans et hors de ces modules, du fluide caloporteur. On connatt aussi déjà quelques réalisations de toitures solaires ventilées, dans lesquelles le système de captage est constitué par la toiture elle-mme, complétée de manière à ce qu'elle comporte les éléments nécessaires à ce type de capteurs, à savoir, de l'intérieur vers ltextérieur, une isolation thermique,un absorbeureteventuelle rnentunvifrage.Untel système permetrait,en théorie, d'utiliser de grandes surfaces pour le captage de l'énergie solaire avec un cot de réalisation réduit, puisque les matériaux normalement mis en oeuvre dans la construction (matériau de couverture et isolant) tiennent à la fois leur rôle traditionnel et un rôle dans le système de captage de énergie solaire. De tels systèmes sont généralement conçus avec des feuilles ou des plaques métalliques noircies, posées sur un isolant et surmontées, ou non, dlun vitrage protecteur, assurant un effet de serre. Mais de tels systèmes, bien qutils permettent effectivement de capter une partie de l'énergie solaire rayonnée sur leur surface, ne peuvent par contre pratiquement pas assurer un stockage de énergie solaire captée, ni a fortiori une distribution de celle-ci avec écrêtement des variations brusques quelle subit sous l'influence des variations dTensoleillement > du fait de la faible capacité calorifique de l'absorbeur noirci et de son très bon pouvoir de conducteur de la chaleur.Dans ces conditions, l'air délivré par ces capteurs à air connus est soumis à de brusques variations de température, dues à la succession de périodes ensoleillées et de périodes nuageuses qui ponctuent souvent une journée; il en résulte un inconfort certain pour les occupants des bgtiments utilisant de tels capteurs pour leur chauffage, ou un risque de séchage irrégulier des produits si le système de captage considéré est couplé avec un système de séchage de produits dans une installation industrielle ou agricole. Aussi ces systèmes capteurs à air nécessitent-ils un système intermédiaire de stockage d'énergie, interposé entre le captage lui-meme et la distribution. Un autre inconvénient des systèmes connus rappelés ci-dessus est la forte perte d' énergie,et la diminution considérable des rendements journaliers du système, qutil faut déplorer dans le cas où énergie solaire incidente est importante et supérieure aux besoins du bâtiment concerné en énergie calorifique: afin quTil ne se produise pas alors de surchauffe à l'intérieur du estiment, on doit recou rir à une régularisation qui, imposant l'arrêt de la circulation d'air dans le capteur, fait monter rapidement la température de celui-ci.La majorité de l'énergie captée se trouve alors purement et simplement dissipée par perte calo rifique, les matériaux des capteurs considérés se révélant incapables de stocker énergie reçue,et celle-ci n'est plus disponible dans le capteur pour Etre distribuée lors de la remise en marche de la circulation d'air dès que des nuages réduisent l'ensoleillement. Là encore on ne peut remédier à cet inconvénient, dans les systèmes connus, que par interposition, entre le captage d'énergie solaire et sa distribution, d'un système complexe de stockage. On a maintenant trouvé de façon inattendue qu'on peut réaliser un système extrement simple et peu coûteux de captage, stockage et distribution de énergie solaire avec écrêtement des variations brusques que celle-ci subit sous l'influence des variations de lTensoleillement, grâce à ltutilisation comme matériau absorbeur de matériaux cellulosiques bituminés profilés. La présente invention a pour premier objet un système de captage, stockage et distribution de énergie solaire avec écrêtement des variations brusques que celle-ci subit sous l'influence des variations de l'ensoleillement, comprenant fondamentalement, de l'intérieur vers ltextérieur, un matériau d'isolation thermiqueJdisposé verticalement ou selon un angle quelconque sur l'horizontale, et un matériau absorbeur constitué d'éléments cellulosiques bitumlnés profilés fixés sur ce matériau dtisolation de façon à définir une surface de captage continue et à ménager des entrées d'air sur une arête du système, tandis que les autres arêtes sont occultées, ainsi qu'un dispositif approprié pour extraire, en continu ou en discontinu, l'air situé entre le matériau d'isolation et le matériau absorbeur et l'entraîner vers l'intérieur d'un bâtiment où cet air chaud doit entrer dans un cycle de chauffage ou de séchage de produits humides. L'invention a également pour objet un système tel que décrit ci-dessus et dans lequel un vitrage est fixé sur au moins une partie de la surface externe du matériau cellulosique bituminé profilé, avec occultation des espaces com prs entre le matériau cellulosique bituminé profilé et ce vitrage, excepté sur une arête de celui-ci. On réalise ainsi une variante tout particulièremelt avantageuse du système conforme à invention, mais il est remarquable que celui-ci peut parfaitement être mis en oeuvre sans ce survitrage. On a en effet pu établir fortuitement que, contrairement aux opinions généralement admises, la circulation d'air canalisé entre un matériau cellulosique bituminé profilé et le matériau isolant sur lequel celui-ci est fixé réalise un captage très convenable de l'énergie solaire, de meme qu'un stockage de celle-ci, et même un écretement très avantageux des variations brusques que l'énergie solaire captée subit sous l'influence des variations de l'ensoleillement > du fait du caractère semi-isolant du matériau absorbeur considéré. Dans la suite, l'invention est décrite, pour simplifier, en référence a des panneaux cellulosiques bituminés ondulés, mais il est clair qu'un matériau cellulosique bituminé comportant des profils d'un type quelconque conviendrait tout autant. On notera que théoriquement ce système peut aussi fonctionner horizontalement, mais que, pour des raisons pratiques (parmi lesquelles les problèmes d'étanchéité que pose tout système comportant des joints placé horizontalement en extérieur), on préfère préconiser sa mise en place selon une pente P sur l'horizontale, avec 0 D'autre part, bien qu'il soit possible d'intégrer des capteurs d'énergie solaire selon l'invention dans seulement une partie des toitures et/ou des parois externes de bâtiments existants ou en cours de construction; il est tout à fait remarquable que les capteurs selon l'invention peuvent avantageusement se confondre avec ces toitures et/ ou ces parois externes, et en constituer la totalité, hormis les éléments de soutien et les accessoires assurant la bonne étanchéité de l'ensemble. Le système selon l'invention présente donc l'avantage non négligeable de n'être pas soumis à des contraintes dimensionnelles; n'étant pas modulaire, il ne nécessite pas de raccordements multiples et il peut Etre simplement monté, à la demande, aux dimensions et dans les spécifications (indépendantes pour cnacun des éléments constitutifs du système) adaptées à chaque cas d'espèce, en fonction des désirs des utilisateurs, des firlalités, et des contraintes locales, notamment en ce qui concerne l'ensoleillement. L'élément assurant la fonction d'isolant thermique dans le système selon l'invention peut être constitué par tout matériau isolant connu de l'homme de l'art et approprié pour cet usage. En pratique, mais cela ne représente qu'un exemple illustratif, on peut utiliser à cette fin des panneaux rigides en mousse phénolique, dont les ca ractéristiques d'isolation thermique sont tout à fait convenables, et qui peuvent eux-mmes avantageusement comporter des membrures, par exemple en bois, qui améliorent leur tenue mecanique et facilite leur pose sur la ferme, la fermette ou les chevrons, ou sur les montants de structure de parois verticales. Le matériau cellulosique bituminé profilé peut Etre un carton bituminé profilé quelconque, et de préférence des plaques de carton bituminé ondulé, commercialisées sous la marque déposéelssOnduline et plus avantageusement encore des plaques de carton bituminé ondulé (telles que des plaques d'Onduline) recouvertes, au moins sur leur face située vers l'extérieur du système selon l'invention, d'un enduit procurant des rugosités aptes à enfermer un matelas d'air, d'épaisseur certes faible mais propre à réduire l'incidence des courants de convection et donc les déperditions de chaleur. Cet enduit comporte avantageusement des granulés sombres, notamment des granulés d'une couleur absorbant bien les rayonnements. On a en effet pu établir que cette variante du système selon l'invention a pour avantage supplémentaire de retenir une coque protectrice d'air chaud en surface de l'absorbeur, diminuant ainsi les pertes de chaleur entre le capteur et l'air ambiant et améliorant donc encore le pouvoir de stockage d'energie calorifique du capteur Le matériau cellulosique bituminé profilé peut être fixé par tout moyen sur le matériau isolant, et notamment par clouage, vissage ou collage. Dans la variante du système conforme à l'inven~ tion qui comprend un vitrage, ce vitrage peut être fixé par tout moyen connu de l'homme de l'art sur le matériau cellulosique bituminé profilé. Ce peut bien sûr être un verre, mais de préférence plutôt un verre synthétique ou toute autre matière plastique transparente appropriée, telle qu'un polycarbonate et avantageusement un polycarbonate alvéolaire à double peau. On sait en effet que les plaques transparentes de polycarbonate alvéolaire à double peau actuellement disponibles sur le marché ont d'excellentes propriétés mécaniques et ont un excellent comportement au vieillissement du point de vue de leurs caractéristiques optiques et mécaniques. De telles plaques de polycarbonate peuvent être clouées, collées ou vissées sur le matériau cellulosique bituminé profilé. On notera que ce vitrage peut lui-m8me cotre profilé, par exemple-ondulé. En pratique, on préfère cependant un vitrage plan. Pour compléter le système selon l'invention, dans l'une ou l'autre de ses variantes susdites, il convient d'y adjoindre encore un dispositif pour l'extraction de l'air compris entre le matériau d'isolation et le matériau absorbeur. Ce dispositif d'extraction de l'air peut revêtir toute forme et toute constitution appropriées et peut se situer en un endroit pratiquement quelconque du système de captage d'énergie solaire. Cependant, pour des raisons pratiques, on préféra souvent le disposer dans la partie supérieure (c'est-à-dire en faîtage pour les toitures); selon un mode de réalisation avantageux, ce dispositif revêt la forme d'une goulotte de section droite quelconque, par exemple rectangulaire ouverte, carrée ouverte, semi-circulaire > en U ou en V, et prend appui d'une part sur l'un des bords ondulés du matériau absorbeur,et d'autre part sur le bord correspondant, ménagé en retrait du précédent, du matériau d'isolation, de façon à occulter vis-à-vis de l'extérieur les espaces compris entre le matériau absorbeur et le matériau d'isolation, mais à faire déboucher ces espaces, en pratique maintenus ouverts à l'air libre à leur autre extré- mité, dals la goulotte ainsi définie.Je fond de cette goulotte, qui peut être plan ou revêtir toute autre forme, peut s'étendre au-delà du plan de la face interne du matériau d'isolation vers l'intérieur du bâtiment, mais il peut également n'aller qu'en deçà ou au mieux être confondu avec ce plansen particulier dans le cas de charpentes déjà existan- tes, qu'il est souhaitable de ne pas avoir à retoucher. Un système d'aspiration-s-oufflage de l'air de cette goulotte doit autre adjoint à celle-ci pour en prélever l'air et le souffler, par intermittence ou en continu, directement dans le bâtiment ou dans tout système de chauffage ou de séchage auquel le système selon l'invention peut ainsi hêtre assujetti.En pratique, la goulotte est munie, à une extrémité ou dans une ouverture qui y a été ménagée, d'une gaine d'un diamètre approprié pour éviter les pertes de charge, débouchant elle-meme à son autre extrémité dans un appareil aspirant-soufflant tel qu'un ventilateur, une turbinessetc. On a d'autre part trouvé selon l'invention que le système susdit donne, tant dans l'une que dans l'autre de ses variantes, les meilleurs résultats du point de vue du rendement lorsque les débits d'air aspiré-soufflé par ce dispositif sont d'environ 5 à 20 m3/h.m2 de surface de capteur pour un chauffage de bâtiment, et d'environ 20 à 50 m3/h.m2 de surface de capteur pour une utilisation en séchoir industriel ou agricole. Le système ainsi décrit dans ses organes essentiels peut évidemment être complété par d'autres éléments ou accessoires, tels que ceux qui sont classiquement utilisés dans les toitures et les bardages, en particulier pour améliorer l'étanchéité, comme par exemple une pièce de fartage. L'invention est décrite ci-après plus en détail en référence aux planches de dessins annexées qui illustrent deux modes de réalisation correspondant à la description ci-dessus et dans lesquelles -l ig. 1 est une ve en perspective partiellement arrachée d'un système conforme à la variante la plus simple e l'invention; -Fig. 2 est une vue en perspective partiellement arraché d'un système selon l'invention, comprenant un vitrage en matière synthétique alvéolaire à double peau;; figes 3 et 4 sont des graphiques montrant, sur des exemples concrets, décrits plus loin, l'efficacité des systèmes selon l'invention, avec,en abscisses, une échelle des temps graduée d'heure en heure et représentant les moments de la journée où les mesures ont été faites, et,en ordonnées, la puuissance solaire incidente en watts/m de capteur, et les températures en C. Les systèmes selon l'invention présentent notam- ment l'avantage d'être une réalisation extrêmement aisée et moins contraignante que les systèmes connus, d'un coût très faible et d'une efficacité remarquable et inattendue. I1 est bien sûr possible d'apporter des .modifica- tions ou d'autres variantes à ces systèmes sans pour autant sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi qu'on peut, si on l'estime plus avantageux, prélever l'air alimentant le capteur, au moins pour une partie, à l'intérieur du bâtiment lul-meme, si le recyclage d'air que cela implique n'apparaît pas gênant.On peut d'autre part prévoir aussi divers asser pissements de ce systèmes, par exemple pour leur faire vouer un rôle plutôt de stockage en fin de tournée et leur faire restituer l'énergie ainsi stockée, à la place ou en appoint d'un autre chauffage, en début de nuits dans le cas de locaux d'habitation, ou encore pour assurer ainsi une protection contre le gel des résidences secondaires. Sur un toit d'essai à 450 de 13 m2 réalisé conformément à l'invention avec vitrage protecteur en polycarbonate alvéolaire à double peau, on a ainsi obtenu des rendements journaliers de 53%, soit 530 watts utilisables par mètre carré de surface de capteur pour 1000 watts d'énergie inci- dente, et l'air chaud était alors délivré à une température moyenne de plus de 40 C. L'invention est maintenant décrite plus en détail en référence à des exemples de réalisation concrets, qui ne la limitent aucunement et servent uniquement d'illustra- tion. EXEMPLE 1. Le système élaboré et mis en oeuvre dans cet exemple correspond à la Fig. 1 annexée. Sur la charpente d'une toiture à double pente, on a monté des panneaux isolants (1) en mousse phénolique et, en faîtage, on a disposé un collecteur d'air chaud (2), tel que représenté en perspective partielle sur la figure 1, prenant convenablement appui sur le bord supérieur des panneaux isolants comme représenté, et auquel on a adjoint un ventilateur d'aspiration (non représenté), dont la sortie débouchait sur l'intérieur du bStlment situé sous cette toiture. On a cloué sur les panneaux 1 susdits des plaques de matériau cellulosique bituminé ondulé (3), disponible dans le commerce sous la dénomination Onduline, de 2 m x 0,90 m, recouvertes sur une face (qui était celle qu'on tournait vers l'extérieur) d'un enduit granulé bleu sombre. On a posé et fixé ces plaques avec les recouvrements classiques, sans chercher à assurer une étanchéité absolue de plaque à plaque. On a ainsi réalise un capteur plan de 13 m2 On a ajouté à ce système des plaques faîtières classiques,~non représentées. En fonctionnement, le ventilateur aspirait l'air qui circulait sous les plaques ondulées et s'échauffait lentement en montant déjà de lui-même le long du toit. La circulation d'air chaud se faisait donc dans le sens indiqué par les flèches sur la figure 1. On a obtenu avec ce système en fonctionnement > pour un débit d'air de 20 m)/m2 de capteur et par heure, un rendement de 24%. On a en outre constaté qu'on obtenait ainsi un écrêtement des pics de température dus aux brusques varia tions de l'ensoleillement, et un certain effet de stockage. Les rendements variaient d'environ 5 à 30 (ce qui correspond à 50 à 300 watts utilisables par mètre carré de couverture pour 1000 watts d'énergie incidente), tandis que l'air chaud était délivré par le dispositif aspirantsoufflant à une température supérieure de 30 à 50C à la température ambiante, avec un débit d'air compris entre environ 5 et 40 m3/m2 de capteur et par heure. Ce système est très économique, car le seul surcoût qu'il entraîne est celui de la collecte et la distribution de l'air chauffé dans le capteur. En contrepartie, le rendement n'est que relativement peu élevé et l'air est délivré à une température modérée. Un tel système est notamment utile pour réaliser un apport de chaleur à des bâtiments d'élevage agricole, pour le séchage de produits tels que par exemple du foin, des grains, du tabac, etc., pour la protection contre le gel, notamment dans le cas de résidences secondaires inoccupées, ou encore pour la protection des locaux contre l'humidité. EXEMPLE 2. Le système réalisé selon cet exemple est illustré sur la Fig. 2 annexée. On a réalisé ce système en opérant comme indiqué dans l'exemple 1, à ceci près que > avant de placer les plaques faîtières, on a encore fixé, par clouage sur les plaques de matériau cellulosique bituminé ondulé, des plaques planes transparentes (4) en matière plastique, en pratique en polycarbonate alvéolaire à double peau. Par rapport à une toiture ondulée classique, le surcoût qu'il entraîne n'est que celui du vitrage, de la collecte et de la distribution de l'air chaud. Pourtant,on on a atteint avec; ce système des rende- ments variant de 30 à plus de 50% (e qui correspond à 300 à 500 watts utilisables par mètre carré de couverture pour 1000 watts d'énergie incidente), le débit d'air étant compris entre environ 5 et 40 m3/rn2 de capteur et par heure. On a obtenu avec ce système en fonctionnement les résultats enregistrés sur le graphique de la figure 3 pour un débit d'air de 16 m3/m2 de capteur et par heure. Cette figure 3 comprend trois courbes représentant respec tivement, en fonction de l'heure ce la Journée à laquelie les mesures ont été faites (1) la température ambiante, prise à l'extérieur et sous abri, en C, (2) la puissance solaire incidente, en W/m, sur le capteur, et (3) la température de distribution de l'air issv du capteur à la sortie de celui-ci,en C. On a d'autre part obtenu avec ce système, tout d'abord arrêté puis is en marche au temps T (avec un débit d'air de S m /m de capteur et par heure), les résultats enregistrés sur le graphique de la figure 4. Cette figure 4 comprend trois courbes homologues des courbes (1) à (3) de la figure 3. Le système ainsi réalisé s'est donc avéré avoir un net pouvoir d'écrêtement des pics de température dus à de brusques variations de l'ensoleillement, et il avait une efficacité très grande pour piéger l'énergie reçue et la stocker dans le matériau cellulosique bituminé. REVENDICATIONS 1. système de captage stockage et Istribution de l'énergie solaire avec écrêtement des variations brusques que celle-ci subit sous l'influence des variations de l'ensoleillement, caractérisé en ce qu'il comprend fon- damentalement, de l'intérieur vers l'extérieur, un matériau d'isolation thermique disposé verticalement ou selon un angle quelconque sur l'horizontale et un matériau absorbeur constitué d'éléments cellulosiques bituminés profilés fixés ur ce matériau d'isolation de façon à définir ale surface e captage continue et à ménager des entrées d'air sur l'une des aretes au système, tandis que les autres arêtes ont occultées, ainsi qu'un dispositif approprié pour extraire, en continu ou en discont nu, l'air situé entre le matériau d'isolation et le matériau absorbeur et l'entraîner vers l'intérieur d'un bâtiment Où cet air chaud doit entrer dans un cycle de chauffage ou de séchage de produits humides. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un vitrage fixé sur au moins une partie de la surface externe du matériau cellulosique bituminé profilé, avec occultation des espaces compris entre le matériau cellulosique bituminé profilé et ce vitrage, excepté sur une arête de celui-ci. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'axe principal des profils du maté- riau cellulosique bit-uminé profilé est sensiblement parallèle à la ligne de pente du système sur l'horizontale. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau cellulosique bituminé profilé est essentiellement constitué par un carton cellulosique bituminé ondulé. 5. Système selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé -en ce que le matériau cellulosique bituminé profilé est recouvert, au moins sur sa face située vers l'extérieur, d'un enduit procurant des rugosités aptes enfermer un matelas d'air. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enduit comprend des granulés d'une couleur absorbant bien les rayonnements,notamment des granulés bleu foncé. 7. Système selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau d'isolation thermique est essentiellement constitué par des panneaux rigides en mousse phénolique. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le vitrage est constitué de plaques transparentes de polycarbonate alvéolaire à double peau. 9. système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif pour l'extraction de l'air compris entre le matériau d'isolation et le matériau absorbeur comprend une goulotte de section droite quelconque, prenant appui,d'une part,sur l'un des bords ondulés du matériau absorbeur,et d'autre part sur le bord correspondant, ménagé en retrait du précédent, du matériau d'isolation, de façon à occulter vis-à-vis de l'exté- rieur les espaces compris entre le matériau absorbeur et le matériau d'isolation, mais à faire déboucher ces espaces, en pratique maintenus ouverts à l'air libre à leur autre extrémité, dans la goulotte ainsi définie, ainsi qu'un appareil d'aspiration-soufflage raccordé à cette goulotte de manière à en extraire l'air. 10. système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un vitrage, et la goulotte susdite réalise également l'occultation complète, du côté où elle se trouve, des espaces compris entre le vitrage et le matériau cellulosique bituminé profilé. 11. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'appareil dvaspiration-soufflage extrait l'air de la goulotte à un débit d'environ 5 à 20 m3/h.m2 de surface de capteur pour un chauffage de bSkiment, et d'environ 20 à 50 m3/h.m2 de surface de capteur pour une utilisation en séchoir industriel ou agricole.