Brevet FR2482708A1 — publié le 19811120

La présente invention concerne une installation à capteur solaire destinée, notamment, à la fourniture d'eau chaude pour les usages sanitaires, de chauffage ou de clima- tisation. Il existe de multiples installations solaires utilisant un fluide caloporteur soit pour chauffer un liquide à usage sanitaire, soit pour servir au chauffage de locaux Le problème des installations à capteur solaire est relativement complexe et les solutions apportées à de tels problèmes dépendent essentiellement des sites d'utilisation. En effet, une installation à capteur solaire doit tenir compte d1un grand nombre de paramètres tels que la latitude, l'ensoleillement, les températures extrmes, les variations de température en cours d'années les variations de température entre le jour et la nuit, etc. La plupart des installations solaires connues actuellement comportent des capteurs solaires utilisant principalement l'effet de serre. Très schématiquement, de tels capteurs sont constitués par des boftiers relativement plats, a' parois de préférence isolantes, à ltexception de la face avant qui est constituée par une surface transparente en verre ou en matière synthétique. A l'intérieur de la boîte, il est prévu un circuit pour le fluide caloporteur qui s'échauffe sous l'effet du rayonnement solaire auquel est exposé le panneau. Le principal inconvénient de telles installations est leur coflt actuel qui est relativement élevé. Cela résulte du fait que, d'une part, de telles installations ne sont pas encore fabriquées en séries suffisamment importantes et, d'autre part, des matériaux utilisés et du type de construction. A c8té des-capteurs, de telles installations notam- ment à effet de serre, dans lesquelles la température du fluide caloporteur peut dépasser très largement 1000 et atteindre des températures voisines de 1400, il faut prévoir des circuits dlentraSnement du fluide caloporteur, des moyens de sécurité pour éviter les pressions excessives, ainsi que suivant les conditions climatiques, des moyens de réchauffage pour éviter que le fluide caloporteur qui est dans le cas général de l'eau9 ne gèle après le coucher du soleil. Les frais de mise en place de telles installations à capteur solaire ne sont pas négligeables à cause de la main-d'oeuvre spécialisée nécessaire pour effectuer l1installa- tion, les travaux de branchement sur des circuits d'eau sanitaires ou de chauffage, existants, etc. L'examen des diverses solutions connues dans le domaine des installations à capteur solaire a montré que contrairement à toute apparence, ces installations ntétaient pas particulièrement utilisables dans les pays chauds, voire désertiques, là où précisément de telles installations devraient avoir le meilleur rendement. En effet, parmi les difficultés rencontréess il y a paradoxalement celles qui découlent de ltenvironnement climatique. Dans les pays désertiques, les vents de sable sont relativement fréquents. Or, ces vents ont une action très corrosive et l'expérience a montré que de tels vents de sable qui ont un effet analogue à un sablage industriel, détériorent très rapidement la transparence des vitres de capteurs solaires classiques, et en réduisent considérablement le rendement. Il n'est pas non plus possible d'utiliser des matières synthétiques quelconques en remplacement du verre car l'effet des ultra-violets provoque un vieillissement très rapide des matières synthétiques et réduit la durée de vie de l'ensemble. Dans certains pays, on peut également rencontrer des problèmes d'entretien ou de réparation, qui ne sont pas à négliger. Or la priorité absolue à laquelle doit satisfaire une installation à capteur solaire, destinée à etre montée dans les endroits les plus divers, est son extrême fiabilité ou surtout un entretien réduit, voire négligeable, permettant le cas échéant des réparations de fortune. Enfin, l'installation doit pouvoir se transporter facilement, sans risque de détérioration et permettre un montage sur place par une main-dloeuvre non spécialisée dans ce domaine particulier. La présente invention se propose de créer une installation à capteur solaire destinée, notamment, à être montée dans les endroits les plus différents, qui soit d1un montage extremement facile, ne demande pratiquement pas d'entretiens permet des réparations de fortune, soit légère et surtout peu fragile au transport. A cet effet, l'invention concerne une installation à capteur solaire, caractérisée en ce que le capteur est constitué par un tube comportant une paroi intérieure et une paroi extérieure, délimitant une enceinte intérieure et une enceinte extérieure, chacune Ces enceintes formant un chemin de circulation d'un fluide caloporteur, l'enceinte intérieure forme le chemin pour le fluide caloporteur principal et l'enceinte extérieure le chemin pour le fluide caloporteur auxiliaire, ces deux parois intérieure et extérieure du tube étant reliées entre elles pour former un ensemble mécaniquement solidaire, respectant l'écartement entre les deux parties. Lorsque le fluide caloporteur auxiliaire de l'enceinte extérieure ne circule pas forme un tampon augmentant l'efficacité du capteur et le rendant moins sensible aux variaions rapides de rayonnement solaire s pa exemple e lors du passage de nuages. Dans tous les casS comme la surface appas rente du tube est égale au diamètre de la paroi extérieure multipliés par la longueur du tube, cette surface est nettement plus grande que si le tube n'était constitué que par la paroi intérieure seule. La température que le fluide caloporteur circulant dans un tel tube permet d'atteindre est beaucoup plus élevée que celle d'un tube seul car, en plus de l'amplification de la surface exposés au rayonnement, il y a également un effet de loupe et ou de concentration de rayonnement sur la paroi intérieure, dans le cas d'une enveloppe extérieure transparente. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une installation à capteur. Ce procédé est caractérisé en ce qu'on réalise des tubes à double paroi, au diamètre des tubes du capteur proprement dit et des collecteurs, on réalise des trous coaxiaux dans la paroi intérieure et la paroi extérieure des tubes destinés à constituer les collecteurs, on coupe de paroi extérieure suivant une génératrice passant par des trous, on met en place les tubes, en fixant d'abord l'extrémité ayant des parois intérieures dans les trous puis, après mise en place et fixation, on fixe cette paroi extérieure dans le tro@ correspondant et on referme la découpe. Gràce à ce procédé, l'ensemble du montage de capteur se fait en usine, à l'emplacement de destination de l'installation il suffira de mettre en place le capteur et de faire les quelques branchements simples. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide de divers exemples de réalisation représentés schéma- tiquement dans les dessins annexés, dans lesquels - - la figure î est une vue en coupe axiale d'un tube de capteur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en plan schématique d'un capteur réalisé l'aide de tubes selon la figure 1 - la figure 3A est une vue en coupe de détail selon III-III,de la figure 2 et la figure 3B est une vue en perspective. - la figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 2 - la figure 5 est un schéma d'un dispositif de support selon l'invention - la figure 6 est une vue en coupe schématique de la mise en place d'un capteur sur un toit en terrasse d'un immeuble. L'installation selon l'invention, à capteur solaire est destinée à permettre indifféremment la fourniture d'eau chaude sanitaire, la fourniture d'eau chaude de chauffage, ou la fourniture de chaleur, ou encore d'entre utilisée comme circuit réfrigérant, alimentant une installation de climatisation. En effet suivant les périodes-de tannée ou de la journée, il peut être intéressant d'utiliser cette installation à capteur solaire, soit comme installation constituant réellement un capteur d'énergie solaire, véhiculée par un fluide caloporteur quiwalimente un dispositif de stockage de chaleur ou d'eau chaude sanitaire, ou encore un échangeur de chaleur à fonctionnement inverse, qui par exemple de nuit, rayonne et échange de la chaleur avec ltextérieur pour refroidir le fluide caloporteur et fournir des frigories qui sont stockées afin d'être utilisées en cours de journée par une installation de climatisation fournissant du froid. Selon la figure I, le capteur est constitué par un tube à deux parois 2, 3 reliées par des entretoises 4. La paroi intérieure 2 délimite un volume intérieur 21 dans lequel se trouve le fluide caloporteur principal. La paroi extérieure 3 délimite, avec la paroi intérieure 2 un volume auxiliaire 31 dans lequel se trouve un fluide caloporteur auxiliaire. Les fluides des volumes 21, 31 peuvent être identiques et circuler de la même manière. Il est également possible, suivant l'utilisation, de bloquer la circulation de l'un des fluides et de ne faire circuler que ltautre fluide. De façon preférentielle selon l'invention, lorsque le capteur formé de tubes I selon 17 inventions fonctionne comme capteur solaire, il est préférable, pour avoir une moindre sensibilité de l'installation aux variations très rapides de rayonnement solaire (passage de nuages, etc.), de faire circuler le fluide caloporteur dans le volume intérieur 21 et de laisser le fluide caloporteur auxiliaire sans circulation autre que ses mouvements de convection , etc. dans le volume intermédiaire 31. Suivant la surface de capteur nécessaire, le tube peut être simplement disposé en serpentin ou de toute autre façon entre une arrivée de fluide caloporteur et une sortie de fluide caloporteur. Toutefois dans la plupart des cas, lorsqu'il faut une surface de captage, importante, de l'ordre de 50 à 100 m, une telle solution n'est pas envisageable à cause des pertes de charge dans le tube entre l'entrée et la sortie. Dans ce cas > un montage avec des branchements en parallèle de plusieurs tubes entre un collecteur d'arrivée et un collecteur de départ, constitue la solution la plus intéressante. Un tel montage est représenté schématiquement à la figure 2 qui montre un composé d'un collecteur d'arrivée 10 et d'un collecteur de sortie 11. Le collecteur d'arrivée 10 est relié au collecteur de sortie 11 par des segments de tubes 1, parallèles, situés à une certaine distance d les uns des autres. La distance d est choisie suivant un compromis dont les deux termes sont les suivants - deux tubes adjacents I, I ne doivent pas projeter d'ombre l'un sur l'autre, lorsque le soleil est relativement incliné. - la densité de tubes I doit être suffisante en fonction de la surface de captage à réaliser et de la surface disponible pour l'installation du capteur. De façon idéale, pour éviter que les tubes I, I ne projettent de l'ombre l'un sur l'autre, il serait souhaitable de les eloigner très fortement, pour pouvoir profiter au maximum du rayonnement solaire, mme lorsque le soleil est très incline' à l'horizon, par exemple en début ou en fin de journée. Toutefois, comme à ce moment le rayonnement est faiblement énergétique puisqu'il traverse une couche plus importante de l'atmosphère et que cette couche est souvent chargée d'humidité, de telles pertes ne sont pas déterminantes et il est possible d'accepter pendant cette période une certaine projection d'ombre, au profit d'un plus grand rapprochement des tubes 1. Les figures 3A, B et 4 montrent en coupe la réalisation des collecteurs d'entrée ou de sortie 10, 11. Ces collecteurs ont de préférence la même forme et les mêmes sections puisqu'il n'y a lieu ni d'accélérer, ni de ralentir la circulation du fluide dans l'un des collecteurs au profit de l'autre. Selon les figures SA, B, le collecteur 10 se compose d'une paroi extérieure 101 et d'une paroi intérieure 102. La paroi intérieure 102 délimite un volume. intérieur 103 et la paroi exterieure 101 délimite par rapport à la paroi intérieure 102 un volume extérieur 104. Le volume intérieur 103 est destiné au fluide caloporteur principal et le volume extérieur 104 au fluide caloporteur auxiliaire. Les deux parois 101, 102 sont reliées par une entretoise ou un voile 105 qui les maintiennent écartées à la distance prévue, quelles que soient les déformations auxquelles les tubes sont soumis. A l'endroit prévu pour le raccordement de chaque tube 1, la paroi intérieure 102 comporte un orifice 106 et la paroi extérieure 101 un orifice 107. Ces deux orifices sont de préférence coaxiaux. Selon l'inventionv un procédé simple de fabrication du collecteur 10 (ou 11) consiste à réaliser un tube à deux parois continues 101, 102 puis à percer latéralement te tube 10 à deux parois de façon coaxiale, et chaque fois de deux trous 106, 107, suivant la répartition prévue des tubes 1 du capteur. Pour faciliter la mise en place et le montages il est intéressant de couper la paroi extérieure 101 suivant une génératrice 108, entre les trous 107, de façon à pouvoir éventrer légèrement la paroi extérieure 101 pour le passage des outils servant à la soudure de ltextrémité avant de la paroi intérieure 2 du tube 1, dans l'orifice 106. Suivant les matériaux utilisés pour la fabrication des tubes 1 et 10 (matériaux qui sont de préférence identiques), on peut envisager différents types de soudure tels que le collage la polymérisation, la vulcanisation, etc. Une fois que la soudure est réalisée entre les parois 102 et 2, on peut effectuer de la même manière la soudure entre les parois 101 et 3 au niveau de l'orifice 107 et de la coupure suivant 1a generatrice ioa. Il est particulièrement interessant que les tubes I et 10 soient réalisés en un matériau synthétique, charge de particules de carbone pour en renforcer la stabilité aux ultra~ violets et en ameliorer la réceptivité du rayonnement solaire. Suivant le cas > il peut titre intéressant de réaliser la paroi extérieure 3 ou 101, transparente aux rayonnements solaires. La figure 4 montre un détail du-branchement de sortie du collecteur 10, par une tête de branchement 110 avec un ajutage intérieur 111 pour le branchement sur le circuit 112 du fluide caloporteur principal et une toute 113 pour le branchement sur le circuit du fluide caloporteur-auxiliaire 114. Cette texte 110 est, de préférenceS réalisée en matière synthétiques par l'assemblage des deux pièces 111, 113 et avec des entretoises, etc., et l'ensemble peut se coller en tête du collecteur 10. Lorsque l'assemblage du capteur est réalise sous la disposition prévue à la figure 2, on obtient un ensemble souple en forme d'échelle de corde. Cette réalisation faite en usine est particulièrement intéressante car comme les matériaux sont relativement souples le capteur peut s'enrouler, ce qui faci- lite considérablement la manutention et le transport. Pour le montage du capteurs il suffit de dérouler le capteur et de ltétaler à l'emplacement prévu; Le mode de regroupement du capteur n'est pas le seul qui soit possible. On peut également prévoir de regrouper plusieurs capteurs ou parties de capteur selon la figure 2, à plat et de les empiler. Dans le capteur selon la figure 2, il est particulièrement important que les tubes 1 qui sont mis en place en parallèle, restent effectivement parallèles, et ne soient pas déplacés par le vent ou par toute autre action mécanique. Pour cela, il est intéressant de prévoir un organe d'écartement 12 tel que celui représenté à la figure 5. Cet organe comporte des logements 121 qui reçoivent chaque fois les tubes 1. La figure 6 montre la mise en place d'un capteur selon la figure 2, sur un toit en terrasse 13 d'un immeuble, equipé de l'installation selon l'invention. Le capteur formé des collecteurs 102 11 et des tubes I parallèles, est placé de préférence sur une plaque métallique 14 qui repose elle-même sur une nappe de matériau isolant 15. Cette nappe de matériau isolant 15 peut être prévue non seulement sur la surface horizontale de la terrasse mais elle peut également remonter le long des côtés. Enfin, la plaque 14 peut comporter des supports 141 servant à maintenir les tubes 1 dans une position correcte. L'installation selon l'invention, est de préférence destinée à fournir de l'eau chaude sanitaire et de l'eau chaude de chauffage. Cette eau chaude de chauffage est stockée dans des réservoirs de stockage, de grande capacité, dans lesquels le circuit de chauffage puise de la chaleur. Dans les mêmes conditions, pendant les périodes chaudes, notamment dans les pays chauds, l'installation selon l'invention peut s'utiliser en alternance pour la fourniture de frigories pour la climatisation et de calories pour le chauffage, notamment de liteau sanitaire. Pour fournir des frigories, on fait fonctionner l'installation pendant la nuit en faisant circuler le fluide caloporteur à travers le capteur. Comme ensemble de la surface périphérique des tubes 1 (et éventuellement des collecteurs 10, 11) rayonne, on a un échange de chaleur relativement important qui permet de récupérer une quantité importante de frigories, pendant la nuit. Les frigories ainsi prises par le capteur sont stockées par le fluide caloporteur dans un réservoir de stockage, dans lequel l'installation de climatisation puise pendant la journée. Le capteur selon l'invention est particulièrement intéressant pour ce fonctionnement alterné pour le chauffage et la climatisation. En effet, contrairement à un capteur travaillant avec un effet de serre, le fonctionnement est différent suivant que le capteur travaille en récepteur ou en émetteur de chaleur. Lorsque le capteur fonctionne en récepteur, la surface apparente des tubes I, ctest-à-dire la surface correspondant au diamètre du tube multiplié par la longueur, est la surface importante. Par contre, lorsque le capteur fonctionne en émetteur, il s'agit de l'ensemble de la surface périphériques c'est-à-dire une surface égale à T fois la surface précédente. Cette différence est particulièrement intéressante dans les conditions d'utilisation mentionnées ci-dessus car les nuits sont plus courtes que les journées. De plus, les gradient de température est egalement moindre. D'ailleurs dans certains cas, pour augmenter le rendement de l'installation en frigories il peut titre intéressant de faire circuler le fluide caloporteur avec un débit plus important pour le fonctionnement en émetteur de calories (récupération de frigories) que pour le fonctionnement en capteur de calories. I1 est également possible d'utiliser le fluide caloporteur auxiliaire seul ou en combinaison avec le fluide caloporteur principal pour favoriser ltémission de chaleur vers ltextérieur en faisant circuler ces deux fluides. Les figures 3A, 3B montrent un collecteur 10 dont les deux parois 101, 102 sont reliées par une seule entretoise 105. En effet comme les tubes 1 sont fixés sur les orifices 106, 107, ces liaisons maintiennent de leur c8té l'écartement des parois 101, 102, une seule entretoise peut suffire. D'autres solutions sont possibles avec des entretoises suivant des génératrices, en forme d'hélice, continues ou discontinues etc. Suivant un mode de réalisation particulièrement intéressant on réalise les tubes 1, 10 en éthylène propylène diène monomère EPDM qui est particulièrement résistant aux ultra-violets et qui peut se charger avantageusement en particules de carbone. REVENDICATIONS 10) Installation à capteur solaire et à circulation de fluide calloporteur entre le capteur et Ces moyens de stockage, installation caractérisée en ce que le capteur est constitué par un tube (1), comportant une paroi intérieure (2) et une paroi extérieure (3), la paroi intérieure délimitant une enceinte intérieure (21) et la paroi extérieure (3) délimitant avec la paroi intérieure (2) une enceinte extérieure (31), l'enceinte intérieure (21) formant un chemin pour le fluide caloporteur principal et Enceinte extérieure (31) un chemin pour le fluide caloporteur auxiliaire, les deux parois (2, 3) du tube étant reliées entr7elles (4) pour former un ensemble mecaniquement solidaire respectant l'écartement des deux parois (2, 3). 20) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi extérieure (3) est transparente. 30) Installationselon la revendication 1, caractérisée en ce que les parois (2, 3) du tube sont en éthylène-propylènediène-monomère chargées de particules de carbone. 40) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur est constitué par un ensemble de tubes (1) branchés en parallèle entre un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie (10, 11) également à double paroi. 50) Procédé de fabricationd'une installation à capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à4, caractérisé en ce qu'on réalise des tubes à double paroi, au diamètre Ces tubes du capteur proprement dit (1) et des collecteurs (10, 11), on réalise Ces trous (106, 107) coaxiaux dans la paroi intérieure (102) et la paroi extérieure (101) Ces tubes destinés à constituer les collecteurs, on coupe la paroi extérieure (101) suivant une génératrice (108) passant par les trous (107), on met en place les tubes (1), en fixant d'abord l'ex- trémité avant des parois intérieures (2) dans les trous (106) puis, après mise en-place et fixation, on fixe cette paroi extérieure (3) dans le trou correspondant (107) et on referme la découpe (108). 60) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fixation se fait par collage ou vulcanisation.