Brevet FR2478282A2 — publié le 19810918

FR 2478282 A2 19810918 FR 8005721 A 19800314 La demande de brevet principal numéro 7916850 concerne un système automatique de protection contre le gel de capteur d'énergie solaire. Le dispositif de protection contre le gel suivant l'invention est extérieur au capteur d'énergie solaire, il comporte un échangeur de chaleur avec l'atmosphère constitué par la surface d'un corps bon conducteur de la chaleur, généralement métallique, qui est solidaire d'un petit récipient plein d'eau; et un dispositif sensible a l'une des différences entre les propriétés physiques de l'eau et de la glace, qui sont en particulier la variation de la densité donc la variation du volume et la variation de la résistivité électrique. Quand la température extérieure s'abaisse en franchissant le point de congélation de l'eau, dans ce dispositif appelé détecteur de gel, l'eau contenue dans le petit récipient se transforme en glace, et cette transformation de l'eau en glace est à l'origine d'un signal électrique qui provoque la vidange automatique du capteur d'énergie solaire. L'élévation de la température extérieure en franchissant le point de fusion de la glace, fond la glace contenue dans le détecteur de gel, et cette transformation de la glace en eau est à l'origine d'un signal électrique nouveau et différent du précédent qui provoque le remplissage automatique du capteur d'énergie solaire. L'addition a pour but d'apporter des perfectionnements à l'échangeur de chaleur avec l'atmosphàre, en favorisant ltéchange de chaleur par rayonnement. L'échange de chaleur, entre une surface capable d'émettre et d'absorber des rayonnements infra-rouges et l'extérieur, s'effectue par convection et par rayonnement. Il en résulte que surtout pendant la nuit et par temps clair et sec, le refroidissement par rayonnement devient prépondérent, du fait que le ciel qui est à une température inférieure à celle de l'air se comporte comme un corps noir. Par temps clair et sec, l'effet de serre causé par les nuages tend à disparaitre et pendant la nuit, à la surface du sol, les corps capables d'émettre et d'absorber des rayonnements infra-rouges, peuvent atteindre des températures inférieures à celle de l'air ambiant. Pour les raisons qui viennent d'être exposées, les perfectionnements apportés par la présente addition à l'échangeur de chaleur du détecteur de gel pour protection de capteur d'énergie solaire, consistent essentiellement à utiliser à cet effet une feuille plane d'un corps bon conducteur de la chaleur, généralement une tôle de métal, sensiblement horizontale, possédant sa face inférieure isolée thermiauement, et ayant sa face supérieure d'une couleur capable d'absorber et d'émettre des rayons infra-rouges. La face supérieure de l'échangeur de chaleur qui est face au ciel, peut être d'une couleur noire capable d'émettre et d'absorber tous les rayonnements. La trés faible inclinaison sur l'horizontale de l'échangeur de chaleur, a seulement pour but de favoriser l'écoule- ment de l'eau. La face inférieure de l'échangeur de chaleur, est fixée sur un support fait d'une matière mauvaise conductrice de la chaleur. Ce support possède dans sa partie centrale un évidement, qui augmente l'isolation thermique par la présence d'un volume d'air qui est prisonnier entre le fond de ce support et l'échangeur de chaleur. Fixés seulement sous l'échangeur de chaleur du détecteur de gel et dans ce volume d'air, sont situés le petit récipient plein d'eau, et le dispositif sensible à l'une des différences entre les propriétés physiques de l'eau et de la glace. L'échangeur de chaleur peut & re une tôle de métal, dont la face inférieure est polie dans sa partie en contact avec l'air, dans le but de réduire l'émission de rayonnements infra-rouges. Dans le but de réfléchir les rayonnements infra-rouges, les parois de l'évidement du support qui emprisonnent le volume d'air, sont tapissées intérieurement d'une très fine feuille d'aluminium poli qui n'est pas en contact avec l'échangeur de chaleur. La fonte de la neige qui peut s'accumuler sur l'échangeur de chaleur, est augmentée en utilisant un échauffement par effet de serre. Â cet effet,estfizée sous l'un des côtés de l'échangeur de chaleur, une petite feuille verticale d'une matière bonne conductrice de la chaleur, dont la face située du côté du détecteur de gel est isolée thermiquement, et dont l'autre face est destinée à être ensoleillée. La neige ne peut pas s'accumuler sur cette feuille verticale dont la face destinée à être ensoleillée est d'une couleur noire, et qui est en contact avec une matière transparente à la lumière du soleil et opaque aux rayonnements situés dans le lointain infra-rouge. Pendant la journée, l'échauffement par effet de serre de cette petite feuille verticale, transmet par conductibilité, de la chaleur à l'échangeur de chaleur dans le but d'activer la fonte de la neige qui aurait pu s'accumuler. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortent de la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs. Au cours de cette description, il est souvent fait référence aux dessins. Le détecteur de gel, selon la première caractéristique de cette invention, est représenté en élévation et en coupe par la figure 1, et en vue de dessus par la figure 2. La figure 1 montre le détecteur de gel selon la première caractéristique de cette invention, et à une température inférieure au point de congélation de l'eau. A l'intérieur du petit récipient 22, l'augmentation du volume de l'eau 2Q consécutive à sa transformation en glace, déforme la membrane en matière élastique 26 qui ferme le petit récipient 22, et déplace le bouton de contact 28 fixé sur la lame de ressort d'acier 30 en ouvrant le circuit électrique entre le bouton de contact 29 fixé sur la lame de ressort d'acier 30 et le bouton de contact 31 fixé sur la lame de ressort d'acier 32. Selon la deuxième caractéristique de cette invention, le signal électrique qui provoque la vidange du capteur d'énergie solaire, quand la température extérieure devient négative, a pour origine l'augmentation du volume de la petite quantité d'eau contenue dans le détecteur de gel pendant sa transformation en glace. En augmentant de volume, cette eau pousse à l'intérieur d'un tube courbé en forme de V, une colonne de mercure par l'une de ses extrémités, ce qui a pour conséquence de déplacer l'autre extrémité de la colonne de mercure vers une tige de métal, en fermant ainsi un circuit électrique uand le mercure atteint cette tige de métal. Le détecteur de gel selon la troisième caractéristique de cette invention, est représenté en élévation et en coupe par la figure 3, et en vue de dessus par la figure 4. Une différence de potentiel électrique est créée entre une petite plaque de cuivre 58 et une seconde plaque de cuivre 60 qui est fixée à l'échangeur de chaleur. Ces plaques sont séparées par une entretoise en matière isolante 62. Le centre de l'entretoise isolante 62 est percé pour loger dans l'évidement ainsi créé, une petite quantité d'eau 64, et un petit volume de gaz 66. Dans le but de rendre l'échauffement de l'eau par effet Joule négligeable, cette eau est parcourue par un courant électrique d'une intensité extrèmement faible. Le fait que la résistivité électrique de l'eau distillée qui est de 4 mégohms-centimètre est moindre que la résistivité électrique de la glace qui à la température de -0,2 degrés Celsius est de 284 mégohms-centimètre, est à l'origine d'une différence de potentiel électrique variable entre la plaque de cuivre 60 et la plaque de cuivre 58, suivant que la petite quantité d'eau 64 est à l'état liquide ou sous forme de glace. Le dispositif d'échange de chaleur avec l'extérieur est identique pour chacune des trois caractéristiques de l'invention, et il est représenté sur les figures de I à 4 par la feuille de métal 104 fixée sur le support isolant 106. Le volume d'air fermé 108 contient le petit récipient d'eau du détecteur de gel, et le dispositif sensible à l'une des différences entre les propriétés physiques de l'eau et de la glace. La fonte de la neige éventuellement accumulée sur l'échangeur de chaleur 104, est activée pendant le jour par l'apport de chaleur en provenance de la petite feuille verticale 110 faite en une matière bonne conductrice de la chaleur, et qui estfixéesous l'un des côtés de la feuille de métal 104. Cette petite feuille 110 de préférence en métal, fixée par l'une de ses faces sur le support isolant 106, est noire sur son autre face qui est chauffée pendant le jour par effet de serre. Cet effet de serre est obtenu en collant contre la face noire de la petite feuille de métal 110, une lame 112 qui est d'une matière transparente à la lumière solaire et opaque aux rayonnements situés dans le lointain infra-rouge. Un autre aspect de l'invention concerne les moyens mis en oeuvre pour effectuer la vidange ou le remplissage d'eau du capteur d'énergie solaire, selon que la température extérieure est devenue inférieure ou supérieure au point de congélation de l'eau. Le diagramme que représente la figure 5, montre les moyens mis en oeuvre pour protéger contre le gel le capteur d'énergie solaire 68, en disposant d'une source de courant électrique 70, du détecteur de gel selon la première caractéristique de l'invention que montre l'ensemble des figures 1 et 2 et qui est représenté ici par son support 106. Quand la température extérieure demeure au-dessus du point de congélation de l'eau; l'électro-vanne à trois- voies 82 est sous tension et en position de travail en laissant pénétrer l'eau dans le capteur d'énergie solaire par la conduite 84, et l'électro-vane à trois voies 86 est également sous tension et en position de travail en laissant sortir l'eau du capteur d'énergie solaire par la conduite 88. Dans ces conditions le capteur d'énergie solaire peut fonctionner, par exemple en stockant de l'eau chaude dans le réservoir 92 par l'intermédiaire des conduites 94 et 96 Un abaissement de la température extérieure aprés avoir franchi le point de congélation de l'eaux provoque louveri-ure du circuit électrique du détecteur de gel tO6 Dès cet instant les électro-vannes 82 et 86, dont les circuits électriques sont branchés en série avec celui du détecteur de gel 106 sur le réseau de courant électrique 70, sont mises en position de repos.La position de repos de l'électro-vanne à trois voies 82 et de l'électro-vanne à trois voies 86 est telle, que les conduites d'arrivée d'eau 94 et d'évacuation d'eau 96 sont fermées, et que l'eau contenue dans le capteur d'énergie solaire et les conduites qui y sont raccordées s'évacue par l'tinter médiaire des conduites a4 et 88 dans les conduites de vidan be 98 puis 100. Le capteur d'énergie salaire demeure vidangé, même au cas où surviendrait une ouverture du circuit d'alimentation en courant électrique 70. Le capteur d'énergie solaire ainsi vidangé ne peut entre endommagé par le gel. Pendant que la température extérieure est au-dessous du point de congélation de l'eau, un ensoleillement suffisant peut élever la température de la surface absorbante du capteur d'énergie solaire au-dessus du seuil sui motive le fonctionnement de la pompe électrique 120. La pompe électrique 120 est mise sous tension par le dispositif électrique de commande solaire 118, quand la température mesurée par la sonde de température 114 située dans le capteur d'énergie solaire dépasse une valeur fixée, ou quand la différence entre la température mesurée par la sonde de température 114 de la surface absorbante du capteur d'énergie solaire et la température mesurée par la sonde de température 116 de l'eau dans le réservoir 92 dépasse une valeur prédéterminée. Dans ces conditions, un relais à contacts de travail 122 qui a son circuit d'excitation branché en parallèle avec le circuit électrique de la pompe 120, ferme le circuit électrique des électro-vannes 82 et 86. Ce qui a pour résultat de remplir le capteur d'énergie solaire 68 avec de liteau qui se chauffe et qui est maintenue en circulation par la pompe électrique 120. Pendant le jour, quand la température extérieure est inférieure au point de congélation de l'eau, il devient impossible dans ces conditions d'obstruer les canalisations par des bouchons de glace. En effet, le capteur d'énergie solaire et les tuyauteries qui y sont raccordées sont vides, ou sont pleins d'une eau qui se chauffe tout en étant maintenue en circulation par la pompe électrique 120. Quand la température extérieure demeure inférieure au point de congélation de l'eau, et qu'un abaissement de la température de l'eau dans le capteur d'énergie solaire entrane l'arrêt de la pompe électrique 120; le circuit d'excitation du relais électrique 122 n'est plus sous tension, ce qui ramène les électro-vannes 82 et 86 dans leur position de repos et provoque la vidange du capteur d'énergie solaire 68. Un conducteur lectrique 124 relie le dispositif de commande solaire 118 au conducteur électrique qui relie les électro-vannes 82 et 86 au détecteur de gel 106 et au relais 122. Ce qui donne au dispositif de commande solaire 118 un signal électrique qui est différent selon la position des électrovannes 82 et 86, en permettant de fixer automatiquement des seuils de température différents pour mettre sous tension la pompe électrique 120, selon que le capteur d'énergie solaire est vidangé ou plein d'eau. Une élévation de la température extérieure au-dessus du point de congélation de l'eau, en fondant la glace contenue dans le détecteur de gel ferme son circuit électrique. Les électro-vannes 82 et 86 se mettent en position de travail, et le capteur d'énergie solaire 68 se remplit d'eau pendant que l'air qu'il contient s'évacue par le dispositif de dégazageî26. Selon l'invention, le circuit électrique des électrovannes 82 et 86 peut être mis sous tension par un contaeteur et/ou par un relais dont le circuit d'excitation est branché en série avec le circuit électrique du détecteur de gel. il serait possible de remplacer l'électro-vanne 86 par un clapet anti-retour. Il serait également possible d'utiliser dans l'installation, selon l'invention: d'autres types de détecteurs de gel et de vannes; des détecteurs de gel où l'abaissement de la température extérieure en devenant inférieure au point de congélation de l'eau soit à l'origine de la fermeture d'un circuit électrique. Bien entendu, cette invention ntest pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés, mais elle en englobe toutes les variantes. REVENDiCATIONS 1 - Dispositif suivant la revendication 1 du brevet principal permettant, quand la température extérieure initialement supérieure au point de congélation de l'eau descend au-dessous du point de congélation de l'eau, de vidanger automatiqueuent un capteur d'énergie solaire avant que la transformation en glace de l'eau qu'il contient gene l'opération de vidange; caractérisé par le fait qu'il comporte,en plus des doyens destinés à vidanger le capteur d'énergie solaire, un détecteur de gel installé à l'extérieur, qui comprend d'une part une surface destinée à assurer l'échange de chaleur entre l'atmosphère et l'eau contenue dans un petit récipient, et d'autre part un dispositif qui est à l'origine d'un signal électrique qui provoque la vidange du capteur d'énergie solaire, ce dernier dispositif étant sensible à l'une des différences entre les propriétés physiques de l'eau contenue dans le petit récipient du détecteur de gel et de la glace, qui sont en particulier la variation de la densité donc la variation du volume et la variation de la résistivité électrique; et l'addition a pour but d'apporter des perfectionnements à l'échangeur de chaleur avec l'atsosphère, en favorisant l'échange de chaleur par rayonnement. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen destiné à assurer l'échange de chaleur entre l'atmosphère et l'eau contenue dans le petit récipient du détecteur de gel consiste en une feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur, de préférence en nétal, dont les grandes faces sont situées- dans des plans sensiblement horizontaux, et dont la face inférieure est en contact avec un isolant thermique. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que cette feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur, de préférence on. métal, a sa face supérieure d'une couleur capable d'émettre et d'absorber les rayonnements dans le spectre des infra-rouges. 4 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que cette feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur, de préférence en métal, a sa face supérieure d'une couleur noire capable d'émettre et d'absorber tous les rayonnements. 5 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que cette feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur, de préférence en métal, est fixée par sa face inférieure sur un support construit avec une matière mauvaise conductrice de la chaleur; ce support possède dans sa partie centrale un évidement, qui augmente l'isolation thermique par la présence d'un volume d'air qui est prisonnier entre le fond de ce support et la feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur. 6 - Dispositif selon les revendications 1, 2, et 5, caractérisé par le fait que le dispositif qui est à l'origine d'un signal électrique qui provoque la vidange automatrgue du capteur d'énergie solaire est seulement fixé sous la feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur, de préférence en métal, et est situé dans l'évidement du support isolant et sans contact avec ce support. 7 - Dispositif selon les revendications 2 et 5, caractérisé par le fait que la face inférieure de la feuille dune matière bonne conductrice de la chaleur est la face d'une tole de métal poli dans sa partie en contact avec l'air, dans le but de réduire l'émission de rayonnements infra-rouges. 8 - Dispositif selon les revendications 2 et 5, caractérisé par le fait que l'évidement de la partie centrale du support est tapissé avec une feuille mince d'aluminium poli, sans contact avec la face inférieure de la feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur. 9 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la fonte de la neige qui peut s'accuuler sur la feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur, de pré- férence en métal, est augmentée en utilisant un échauffement par effet de serre, obtenu enfxantsaw l'un des cachée de la feuille d'une matière bonne conductrice de la chaleur,unepetite feuille verticale d'une matière semblable, dont la face inté- rieure est en contact avec un isolant thermique, et dont la face extérieure est noire et située sous une petite épaisseur d'une matière opaque seulement aux rayonnements situés dans le lointain infra rouge (dune longueur d'onde supérieure à cinq microns). 10 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen qui est à lSorigine du signal électrique qui provoque la vidange automatique du capteur d'énergie solai- re est une membrane en matière élastique que déforme pendant sa transformation en glace l'augmentation du volume de l'eau que contient le petit récipient du détecteur de gel, quand la température extérieure est devenue inférieure a point de congélation de l'eau; la déformation de cette membrane en matière élastique déplace un bouton de contact qui ouvre un circuit électrique. 11 - Dispositif selon les revendications 1 et 10, caractérisé par le fait que le moyen destiné à vidanger automatiquement le capteur d'énergie solaire, consiste en une ou des électro-vannes qui ont leur circuit électrique branché en série avec celui du détecteur de gel sur le générateur d'électricité; qui sont soit sous tension électrique et en position de travail quand le capteur d'énergie solaire est plein d'eau, ou qui ne sont pas sous tension électrique et en position de repos quand le capteur d'énergie solaire est vidangé. 12 - Dispositif selon les revendications 1, 10, et 11, caraciséParr le Lait-que pendant t temps où la température extérieure demeure inférieure au point de congélation de l'eau, un ensoleillement capable de chauffer suffisamment la surface absorbante du capteur d'énergie solaire pour provoquer le fonctionnement de la pompe de circulation d'eau dans ce capteur d'énergie solaire, cause en mbme temps la fermeture d'un contact électrique branché en parallèle sur le circuit électrique du détecteur de gel; ce qui dans ces conditions a pour résultat de maintenir le capteur d'énergie solaire plein d'eau, seulement quand la pompe qui assure la circulation d'eau dans ce capteur d'énergie solaire fonctionne. 13 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que l'ensoleillement capable de chauffer suffisamment la surface absorbante du capteur d'énergie solaire pour provoquer le fonctionnement de la pompe de circulation d'eau dans ce capteur d'énergie solaire est différent selon que ce capteur d'énergie solaire est plein d'eau ou est vidangé. 14 - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la ou les électro-vannes destinées à vidanger le capteur d'énergie solaire ont leur circuit électrique qui est mis sous tension par un contacteur et/ou par un relais dont le circuit d'excitation est branché en série avec le circuit élec trique du détecteur de gel sur le générateur d'électricité.