Brevet FR2493484A1 — publié le 19820507

La presente invention concerne les capteurs solaires du type à circulation de fluide caloporteur et, plus particulièrement, une structure perfectionnée de capteur solaire a châssis intégré modulaire. Les capteurs solaires du type circulation de fluide caloporteur comprennent généralement un châssis formant caisson, assurant essentiellement des fonctions de structure porteuse, dans lequel sont disposés les éléments collecteurs et de circulation de fluide. Les capteurs de type plan connus, outre qu'ils présentent encore des caractéristiques esthétiques discutables, ne sont guère conçus en vue de leur assemblage pour former des surfaces de recouvrement, ces assemblages posant en outre de sérieux problèmes de siphon au niveau des jonctions de raccordement entre les sortie et entrée de fluide caloporteur de deux capteurs adjacents. La présente invention a précisément pour objet de proposer une structure de capteur solaire à chassis intégré modulaire de conception inédite, permettant un assemblage aisé de plusieurs capteurs pour former une surface de recouvrement en supprimant les risques d'effet de siphon au niveau des raccordements de fluide caloporteur, de construction légè- re et bon marché, présentant un rendement améliore et autorisant, autour d'un châssis de base, diverses adaptations selon les utilisations combinées envisagées pour le capteur. Pour ce faire, selon une caractéristique de la présente invention, la structure de capteur solaire a châssis intégré du type comprenant une surface externe transparente et un sous-ensemble interne de circulation de fluide caloporteur entre une entrée et une sortie d fluide, oemprend un châssis intégré en résine synthétique transparente formant une surface de voile sensiblement plane et des reboerds--péri- sphériques, une paroi de fond montee sur les rebords périphé- riques pour s'étendre a proximité de la surface de voile du châssis, deux des rebords périphériques opposés du châssis comprenant chacun au moins une ouverture de passage de fluide débouchant dans l'espace entre la surface de voile du châssis et la paroi de fond, la surface externe transparente tmt unitaire et montée sur le châssis pour s'e-tendre a distance de la surface de voile de celui-ci. Avec un tel agencement, selon une caractéristique importante de l'invention le châssis intégré auto-porteur forme, aui-meme, par sa surface de voile transparenteo une partie du système optique transmissif du capteur -en-dEfinissant l'une des parois de guidage d'un film du fluide caloporteur, les orifices de passage de fluide débouchant directement dans 1'espace intermédiaire définissant le volume de circulation du fluide, deux capteurs adjacents pouvant être associés avec les passages de fluide a interconnecter disposés immédiate- ment en regard l'un de l'autre sans former de trappe a air au niveau de la zone de sortie de fluide du capteur. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la surface externe transparente est constituée d'un corps auto-porteur en résine synthétique a surface onduleuse. Ce corps extérieur, outre qu'il participe efficace- ment à la tenue mécanique du capteur, facilite l'écoulement des eaux de pluie et permet, grâce aux effets de reflexion et de refraction de la lumière qu'il procure, un captage largement amélioré des rayons solaires incidents s'écartant de la normale idéale au zénith, concourrant à une amélioration notable du rendement du capteur. Selon une autre caractéristique de la présente in vention ce corps extérieur à surface onduleuse est moulé en un seul bloc à la façon de tuiles méditerranéennes imbriquées pour s'intégrer harmonieusement en lieu et place des toitures traditionnelles, l'adaptation aux architectures diverses se faisant par simple changement de ce corps extérieur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue schematique en plan d'un assemblage de deux capteurs selon la présente invention; La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur suivant la ligne A-A de la figure 1; La figure 3 est une vue en coupe transversale d'un corps de recouvrement extérieur à surface onduleuse selon un premier mode de réalisation; La figure 4 est une vue de côté du corps extérieur de la figure 3; et La figure 5 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation du corps extérieur monobloc conformé à la façon de tuiles méditerranéennes. Comme représenté sur les dessins, chaque capteur 1 comprend un châssis intégré en résine synthétique transparente 2, par exemple acrylique, de contour rectangulaire, de préférence carré, comme représenté sur la figure 1, formant, d'une seule pièce, une surface de voile sensiblement plane 3, s'étendant entre des rebords périphériques formant cadre 4, perpendiculaires au plan de la surface de voile 3 et s'éten- dant de part et d'autre de celui-ci pour former des parties de cadre extérieure et intérieure de montage. Les bords péri phériques formant cadre 4 ont leurs parties extérieures prolongées par des ailes coplanaires 5, 5' au moins les ailes opposée s dans la direction longitudinale du châssis comprenant des moyens d'engagement mutuel 6, 6'.La forme étudiée de ce châssis 2 permet son adaptation sur les fermes de n'importe quelle toiture, le châssis ayant typiquement une dimen sion de 1 m x 1 m. Dans le demi-espace défini par la partie de cadre intérieure du châssis 2, est montée de façon étanche, par exemple collée, une paroi de fond plane 7 en résine synthétique, par exemple acrylique, s'étendant a proximité de la surface de voile 3 de façon à définir entre elle et cette surface de voile 3 du châssis un espace lamellaire d'une épaisseur minimum de 4 mm pour la circulation du fluide caloporteur. Selon la présente invention, le châssis 2 est moulé pour former,au voisinage des extrémités latérales de chacun des deux bords périphériques longitudinalement opposés 4, deux passages de fluide 9 débouchant directement dans l'espace interne 8 au droit d'évasements locaux 10 de cet espace interne La surface de fond 7 peut être traitée pour autre rendue absorbante de sorte que la lame d'eau ou de tout autre fluide caloporteur formée entre cette paroi de fond 7 et la surface de voile 3 du châssis subit directement un effet de chauffage préalable par les rayons infrarouges du rayonnement avant que celui-ci n'atteigne la surface absorbante 7.Les capteurs traditionnels, qui ont en général 2 m de hauteur et une epais- seur de lame de fluide de 2mm, ont une capacité de fluide de l'ordre de 3 litres alors que le capteur selon la présente invention, pour 1 m de côté, et une épaisseur correspondante de lame de fluide de 2 mm, offre une capacité de 1,26 litre ce qui permet un rythme d'échauffement du fluide caloporteur deux fois plus rapide. Toutefois, pour s'affranchir des effets de capillarité rendant la circulation du fluide plus difficile, l'épaisseur minima de l'espace intercalaire 8 est choisie de l'ordre de 4 mm, cette épaisseur pouvant, selon les besoins,atteindre 20 mm. Pour une épaisseur de 4 mm, le volume de fluide dans le capteur est ainsi de 3,24 litres. Les passages de fluide 9 étant symétriques, lors de l'assemblage de deux panneaux adjacents, comme figuré sur la figure 1, on mettra en communication deux passages immédiatement en regard, en l'occurrence les passages 9A2 de sortie du premier capteur et 9B1 d'entrée du second capteur, l'autre paire de passage 9' étant obturée. Selon l'invention, on intègre les cap teurs dans un circuit de fluide pour effectuer une circulation du fluide dans les capteurs en diagonale, comme représenté sur la figure 1, entre l'entrée 9A1 et la sortie 9A2 ainsi qu'entre l'entrée 9B1 et la sortie 9B2 On prévoit avantageusement des balises cylindriques 11 réparties en carré de part et d'autre de chaque diagonale pour canaliser le fluide en circulation dans le capteur.Les balises cylindriques 11 sont avantageusement moulées avec le voile 3 du châssis et sont coupées pour correspondre a l'épaisseur de l'espace intermédiaire 8 requis, en faisant ainsi en outre off i- ce d'entretoises entre le voile 3 et la paroi de fond 7. Le fluide en circulation se déplaçant selon la diagonale, le restant de la lame de fluide dans l'espace intermédiaire 8 est en état semi-stationnaire, jouant le rôle d'accumulateur de chaleur. La partie centrale du fluide en circulation transporte à l'échangeur aval les calories qu'elle recueille, son temps de traversée dans le capteur étant relativement court et la température de ce fluide en circulation étant en conséquence inférieure à celle du fluide en attente dans les zones semi-stationnaires.Ce dernier reçoit toutefois continuellement des calories du rayonnement qu'il absorbe et sa température augmente progressivement. La différence de températures entre le fluide en attente de celui en circulation provoque un mouvement d'entrainement graduel des parties de fluide chaud vers le fluide en circulation froid, ce qui a pour effet, d'une part d'enrichir en calories le fluide en circulation, et d'autre part, de ne pas maintenir le fluide en attente à une température trop élevée. Plus l'épaisseur de la lame de fluide est importante, plus la quantité de chaleur emmagasinée sera importante. Dans le demi-espace défini par la partie de cadre extérieure du châssis 2, est monté de façon étanche, par exemple par collage, un corps transparent extérieur 12 réalisé en matériau plastique moulé et représenté en détail sur les figures 3 à 5, ce corps extérieur 12 comprenant une paroi principale 120 de forme onduleuse et des bords périphériques 121 formant cadre, s'étendant vers le bas par rapport au plan principal médian 122 sensiblement tangent aux parties inférieures des ondulations de la surface principale 120 et destiné à etre fixé contre les bords périphériques extérieurs formant cadre 4, du châssis 2.En coupe longitudinale, comme représenté sur les figures 9 et 41e corps extérieur 12 a un profil externe en forme de trapèze et, en coupe transversale, une forme sensiblement sinusoïdale, comme représenté sur la figure 3, ou moulée esthétiquement a la façon de tuiles méditerranéennes imbriquées, comme représente sur la figure 5.Dans le mode de réalisation standard représenté sur la fi çure 3, le pas entre deux ondulations est d environ 46 mm,la hauteur des ondulations étant de 25 mm, l'épaisseur du maté- riau constitutif du corps 12 étant de 2 it8Lmr et l'angle a es flancs des ondulations de 300.Pour éviter que le corps exté- rieur 12 ne s'empoussière, il est a---san~ageusment réalisé en résine acrylique qui montre, par ailleurs, une grande fiabili té dans le temps, cette résine pouvant inclure des matériaux anti-U.V. tel que celui commercialisé sous l'appellation TINUVIN par la société dite Ciba-Geigyu Selon une caractéristique de la présente invention, pour éviter les pertes thermiques par convexion ou conduction vers l'extérieur, une cloison intermédiaire en matériau plastique transparent 13 est montée dans le demi-espace extérieur du châssis 2 entre la surface de voile 3 et le corps extérieur 12. La cloison intermédiaire 13 comporte avantageusement des rebords périphériques formant cadre 14, servant au montage sur le châssis et d'appui pour le corps extérieur 12. Cette cloison intermédiaire 13 définit donc ainsi, entre la surface principale 120 du corps extérieur 12 et la surface de voile 3 du châssis, deux chambres hermétiques 131 et 132, dans au moins une desquelles sera fait avantageusement le vide. La présence d'au moins une telle chambre à vide, augmentant con sidérablement l'isolation naturelle du capteur, permet de supprimer l'appareillage nécessaire au stockage extérieur des calories, à savoir notamment le système de régulation et les sondes thermodynamiques. D'autre part, le vide protège le fonctionnement du capteur par temps de gels nocturnes et matinaux rencontrés même dans les climats tempérés.Dans le cas où l'une au moins des chambres renferme de l'air, on prendra soin de placer des cristaux absorbant l'humidité pour conserver le caractère de sécheresse de l'air. L'humidité dans la chambre peut être également drainée à l'extérieur par électro-osmose. Selon une caractéristique de la présente invention, dans le demi-espace défini par la partie de cadre intérieure du châssis 2 est également monté un corps intérieur 15 similaire dans sa structure au corps extérieur 12, à l'exception de la surface principale qui est généralement plane, et réalisé avantageusement en résine synthétique transparente. Des cales d'entretoisement 16 sont prévues au niveau du pourtour de la paroi de fond 7 entre celle-ci et le corps intérieur pour définir l'épaisseur de l'espace intérieur entre le corps intérieur 15 et la paroi de fond 7, et ajuster, ce faisant, l'épaisseur désirée de la lame de fluide 8. Les cales d'entretoisement 16 sont avantageusement réalisées d'une seule pièce avec le corps intérieur 15. Comme mentionné ci-dessus, la paroi de fond 7, n'est pas nécessairement rendue absorbante, par exemple pour la réalisation de serres, l'ensemble du capteur étant alors transparent et le corps intérieur assurant l'isolation thermique vers l'intérieur du bâtiment. Toutefois, dans la majeure partie des utilisations, la paroi de fond 7 est traitée pour constituer une paroi absorbante,ie matériau absorbant les rayons lumineux, et plus particulièrement ceux dans la gamme du proche infra-rouge, pouvant être intégré au matériau même de la paroi de fond 7, ou prévu sous forme d'un dépôt métallique d'un colorant métallisable cuivré ou chromé sur la surface intérieure ou extérieure, respectivement, de la paroi de fond 7. Au-dessous de la paroi de fond 7, comme pour le corps extérieur 12, on prévoit avantageusement une cloison intermédiaire transparente 16, analogue à la cloison 13 et montée de fa çon similaire dans le corps intérieur 15, pour définir deux chambres intermédiaires avec le corps intérieur 15 et la paroi de fond 7. Ces chambres peuvent être remplies de tout matériau isolant adéquat selon les utilisations envisagées, ou mises sous vide pour assurer, selon la demande, le non-dépassement d'une température maximum en aval du capteur. Alors que les capteurs traditionnels ne dépassent pas, en général, un rendement de l'ordre de 50 à 60 %, le capteur selon la présente invention, du fait de la combinaison d'un effet de serre et d'un échange calorifique du rayonnement directement à l'intérieur de la lame de fluide, des étant chéifications amont et aval contre les pertes caloriques, et de la suppression des problèmes de siphon et de piégeage des gaz au niveau des sorties de fluide, permet d'atteindre des rendements de l'ordre de 75 % pour un prix de fabrication unitaire extrêmement bas en grande série, tout en offrant une grande souplesse d'adaptation et des facilités de montage inédites sur des bâtiments pré-existants. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne sien trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Structure de capteur solaire à châssis intégré modulaire, comprenant une surface externe transparente et un sous-ensemble interne de circulation de fluide caloporteur entre une entrée et une sortie de fluide, caractérisée en ce qu'elle comprend un châssis intégré (2) en résine synthétique transparente formant une surface de voile (3) sensiblement plane et des rebords périphériques formant cadre (4), une paroi de fond (7) montée sur les rebords périphériques (4) pour s'étendre à proximité de la surface de voile (3) du châssis, deux rebords périphériques opposés (4) comprenant chacun au moins une ouverture de passage de fluide (9) débouchant dans l'espace (8) entre la surface de voile (3) et la paroi de fond (7); la surface externe (12) étant unitaire et montée sur le chassis (2) pour s'étendre à distance de la surface de voile (3) de celui-ci. 2 - Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface externe (12) est constituée d'un corps autoporteur en résine acrylique à surface onduleuse (120). 3 - Structure selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée-en ce qu'elle comporte, dans l'espace (8) entre la paroi de voile (3) et la paroi de fond (7), des éléments (11) de canalisation de fluide. 4 - Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le châssis (2) est de configuration rectangulaire, les rebords périphériques formant cadre (4) s'étendant de part et d'autre du plan de la surface de voile (3) pour former une partie de cadre extérieure de montage de la surface extérieure (12) et une partie de cadre intérieure de montage du châssis (2) sur une charpente. 5 - Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une cloison intermédiaire en matériau transparent (13) montée dans la partie de cadre extérieure entre la surface de voile (3) du châssis et la surface extérieure (12) pour définir entre celle-ci deux chambres séparées étanches (131, 132). 6 - Structure selon la revendication 4 ou la revendi cation 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps intérieur autoporteur (15) monté sur la partie de cadre intérieure du chassis (2) pour s'etendre à distance de la paroi de ond (7). 7 - Structure selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce quBau moins lesdits rebords périphériques opposés (h) du châssis (2) comportant les passages de fluide (9) sont prolongés par des ailes (3, 5') s'étendant vers l'extérieur et conformées (6, 6') pour s'im- briquer mutuellement lors d'un assemblage de structures de capteur deux à deux. 8 - Structure selon la revendication 7, caractérisee en ce que lesdits rebords périphériques opposés (4) comportent chacun deux passages de rluide (9 an vcisinage de leurs extrémités opposées, ces passages étant destinés à être reliés à un circuit de lulde caloporteur, deux passages en regard (9A2 9B1) de deux capteurs adjacents (1A, 1B) étant reliés directement, la circulation du fluide au travers de chaque capteur s'effecLuant suivant une diagonale de celui-ci. 9 - Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'épaisseur de l'espace (8) entre la surface de voile (3) du châssis v2) et la paroi de fond (7) est choisie entre 4 et 20 mm. 10 - Structure selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que la paroi de fond (7) est traitée pour absorber le rayonnement solaire.