Brevet FR2495747A1 — publié le 19820611

La présente invention se situe àans le domaine technique des appareils de chauffage faisant intervenir l'énergie solaire, avec ou sans possibilité de stocker la chaleur ainsi produite en vue de son utilisation ultérieure. Les découvertes et réalisations antérieures dans ce domaine tendent généralement à l'utilisation des rayons du soleil par action soit directe soit indirecte sur un échangeur de chaleur comportant la circulation d'un liquide. Certains types antérieurs de capteurs sont constitués simplement par un système de réflexion concentrant les rayons solaires sur un absorbeur unique ou sur une seule face de chaudiere mais leur conception ne permet de capter les rayons que dans les limites d'un angle relativement étroit ou de les concentrer sur une surface d'absorption limitée, inconvénients qui ne pourraient être corrigés que par un dispositif supplémentaire tendant a orienter l'appareil en fonction du mouvement du soleil. Les caractéristiques de l'invention faisant l'objet de la description qui suit consistent en ce que l'appareil comporte deux réflecteurs fixes et permet, par une double action (directe et réfléchie) des rayons solaires à travers des parois transparentes multiples constituant des couloirs conduisant a des absorbeurs adéquats, de réchauffer Droqres- sivement, avec un rendement élevé, un fluide gazeux en circulation injecté dans le circuit en vue d'utiliser la chaleur ainsi acquise, soit immédiatement, soit, par un dispositif annexe d'accumulation de chaleur en brique ou autre matériau, dans un temps décalé. Ces caractéristiaues sont brièvement exposées ci-apres par référence aux dessins annexes représentant les divers aspects et éléments constitutifs de l'appareil et feront ensuite l'objet d'une description détaillée de l'appareil et de son fonctionnement ainsi que de ses applications industrielles. Présentation des dessins. Figure 1. Vue perspective isométrique de l'aspect extérieur de l'appareil de chauffage solaire, objet de l'invention. Figure 2. Coupe verticale suivant AA de l'appareil présenté en figure 1 montrant le profil de la surface du réflecteur principal courbe fol), la structure de son support (2), le parcourt des rayons directs ou réfléchis (b,c,d,e), la position du réflecteur secondaire (4), la chaudiere (3) avec vue en coupe des éléments horizontaux de son chassis (16) et de ses panneaux calorifuges (12 et 13) et les entrée (21) et sortie (20) de l'air ainsi que les éléments d'étanchéité (14 et 15). Figure 3. Coupe longitudinale suivant BB de la chaudière vue en perspective dans la figure 1 et en coupe verticale dans la figure 2, montrant la coupe des éléments verticaux de son chassis (16 et 24) et de ses panneaux calorifuges (22 et 23), ses doubles parois latérales transparentes (5-6 et 10-11), les absorbeurs (7 et 9), le panneau de réparation central (8), la direction suivie par l'air à travers les six couloirs de la chaudière à partir des ouvertures d'entrée (25) et de sortie (26) ainsi que la sonde thermostatique (27) placée à la fin du circuit de chauffage. Figure 4. Vue perspective partielle détaillée d'un des absorbeurs de la chaudière montrant ses divers éléments métalliques absorbants tôle centrale (9) entourée de grillages multiples (31). Figure 5. Schéma d'installation de l'appareil de chauffage solaire a air, objet de l'invention, dans le cas d'une utilisation aux fins de chauffage d'un immeuble (32) et montrant notamment le mécanisme d'injection (33) et de filtrage (34) de l'air pulsé vers la chaudière dans une canalisation (35) ainsi que la canalisation de retour (36) de l'air chauffé et l'accumulateur de chaleur susceptible d'utilisation en radiateur (37 à 40). L'appareil de chauffage solaire objet de la présente invention représentée extérieurement par la figure 1, comprend dans sa partie arrière un réflecteur principal (1) support par une armature rigide (2). Le profil du réflecteur principal est calculé de façon à obtenir une convergence optimale compte tenu de la position moyenne du soleil à la latitude du lieu d'exploitation. L'appareil comprend dans sa partie centrale une chaudière (3) à double face de captation des rayons solaires directs et réfléchis (miroirs 1 et 4). Cette chaudière comporte des couloirs de circulation dans lesquels l'air subit un chauffage progessif et constant jusqu'à son évacuation en vue de son utilisation. L'armature générale de l'appareil est constituée d'un matériau solide et rigide tel que bois, métal, plastique, etc et peut également être incorporée au mur d'un immeuble, par exemple par moulage du béton, mortier ou plâtre. Cette armature générale constitue le support des quatre éléments essentiels de l'appareil: le réflecteur principal courbe, la chaudière, le reflecteur secondaire et le dispositif de tuvauteries d'entrée et de sortie d'air. La surface réfléchissante du réflecteur (1)est constituée d'une peli- cule souple de métal poli, de plastique ou de tout autre matière possédant les mêmes propriétés, fixée par vissage, cloutage ou collage sur l'arma ture générale (2) de l'anpareil. La chaudière est disposée dans sd longueur suivant un axe parallèle à celui du réflecteur principal. Eile est fixée à la partie inférieure du socle du réflecteur principal Dar tout système annronrié de fixation (par exemple, vissage du chassis de la chaudière sur une armature ad hoc du socle). Le réflecteur secondaire, constitué par un miroir an ou légèrement incurvé, est fixé, nar tout procédé annroorié, à la partie inférieure de la chaudière. Le système de fixation neut comnorter des charnières permet- tant éventuellement de rabattre le réflecteur sur la face antérieure de la chaudière dans un souci de protection matérielle ou en vue de réduire l'intensité du chauffage. Le dispositif d'entrée et de sortie de l'air pulsé (20 et 21) est constitué par deux tuyaux ou caissons calorifumés aboutissant aux couloirs correspondants du circuit interne de la chaudière dans la nartie inférieure de cette dernière. Le principe d'action du réflecteur principal se définit Dar l'effet réfléchissant de sa surface courbe dévelonpable disposée de facon à faire convereer les rayons solaires sur la face costérieure de l'appareil calorifère (chaudière), la courbure du réflecteur (1) comprenant deux parties distinctes. La partie supérieure est de forme paraboliaue. Les coordonnées x et y retenues pour le tracé de la parabole sont disposées suivant une inclinaison déterminée de telle sorte aue l'angle (a) de la fieure 2 formé par l'abscisse x et l'horizontale (le sol) ait une valeur correspondant à une moyenne des hauteurs du soleil calculée nour une période donnée et dans ses phases les plus actives.La valeur angulaire de fonctionnement obtimal du réflecteur (1), compte tenu de la variabilité des ravons salaires incidents, est d'environ 40 degrés. La valeur angulaire de 30 degrés de (a), dans l'illustrationde la figure 2 a été calculée et retenue pour un fonctionnement hivernal à des latitudes comprises entre 42 et 43 degfés. Dans cette confiauration, le ceint o- dintersec-tion des coordonnées Lt y correspond au sommet de la parabole oli d'équation canonique y2 = 2nx dont le foyer f sur l'abscisse x est situé de telle sorte eue fo égale c'eux tiers de ni. Dans l'exemple de la figure 2, le point h se trouve a une distence de o sur la parabole tel que hj soit perpendiculaire à jk, l'angle hjk étant éaal à 900. Ce point h n'est pas limitatif : en augmentant la lonaueur de la parabole on augmente la surface réfléchissante et par voie de conséquence la puissance fournie. sur l'abscisse x, le noient i situé sur l'angle postérieur du haut de la chaudière selon oi = ai, est le centre d'une circonférence dont un arc og égale à un quart de circon férence constitue la partie inférieure de la courbe du réflecteur.Ce cuart de circonference (oq) cui est tel aue oig = 90 , prolonge la courbe de la parabole oh en se racordant à un point o, leur tangente respective étant confondue en ce point. La chaudière représentée en figure 3 montée sur un chassis (16) ccmprend six couloirs de circulation guidés par sent cloisonnements (5 à 11), couloirs dans lesquels l'air (ou autre gaz) introduit rar l'ouverture (25j subit un chauffage progressif dans les deux couloirs extérieurs nar effet de serre et est ensuite conduit par les cloisons 5,fi,28,1Q,11 et 30 dans les quatre couloirs intermédiaires et centraux (cloisons 6,7,28,8,30,10,9 et 29) pour ressortir par l'ouverture (26) en direction du lieu de son utilisation. Les cloisons 5,6,10 et 11 sont en matériau isolant et transparent à l'énergie solaire (vitrage).Les absorbeurs sont indinués sur la figure 3 en 7 et 9. Les cloisons de guidage 28, 29,n0 et 8 sont en maté- riau isolant et insensible aux effets de la chaleur. Des cornières ou tout autre système (24) sont prévus pour la fixation des vitrages en vue de leur démontage éventuel. Des isolants ou calorifuges (22 et 23 finure 3 et 12 et 13 figure 2) sont disposés autour du chassis (16) et à l'intérieur de celui-ci afin d'éviter toute déperdition d'énergie. Une sonde de thermostat située au point le plus chaud (sortie) commande la mise en marche, l'arrêt ou la modulation d'un ventilateur ou turbine (33). Cette chaudière subit une double action du fait eu'elleest soumise sur sa face antérieure aux rayons directs du soleil et aux rayons réfléchis du miroir (4),(l'absorbeur correspondant à cette face subit un échauffement moyen) et sur sa face postérieure aux rayons réfléchis du réflecteur principal (1),(1'absorbeur correspondant à cette face subit un échauffement très supérieur). Des éléments d'étanchéité sont prévus (14 et 15). Les deux absorbeurs (7 et 9) de la chaudière sont constitués de tôles pétalliques recouvertes chimiquement d'une couche noir mat absorbante ou par un traitement de surface oxydant arpreprié augmentant le pouvoir d'absorption . Ces tôles sont recouvertes d'un matériau tel aue lames métalliques fines, grillage, etc (31 figure 4) à forte dissipation thermique, eux mêmes noircis par le même procédé en vue de les rendre également absorbantes. Ils peuvent être fixés en couches multiples sur les tôles (9) et elus spécialement sur leur face insolée. Le réflecteur secondaire (4) comnerte une face plane ou légèrement concave dont la surface réfléchissante est constitué de même matériau que le réflecteur principal. Ses dimensions corresnondent à la hauteur et à la longueur de la chaudière . I1 est fixé, par tout procédé annro- prié, à la partie inférieure de la chaudière, le systole de fixation mouvant comporter des charnières permettant de rabattre le réflecteur sur la face antérieure de la chaudière afin de protège celle-ci matériellement et thermiquement, étant rappelé que le rôle du réflecteur est d'accroître l'énergie reçue par la face antérieure de la chaudière. Le dispositif d'entrée et de sortie d'air (20 et 21, figure 2), consiste soit en tuyauteries calorifugées de calibre approprié permettant l'introduction de l'air dans la chaudière, soit en tout autre dispositif tel que cloisons d'écoulement convenablement calorifugées et permettant le guidage de l'air. Un schéma d'installation pour le chauffage d'un local (32) est proposé (figure 5) comme constituant l'une des applications possibles de l'appareil faisant l'objet de l'invention. L'air introduit par une tuyauté rie calorifugée prenant sa source dans la partie haute du local est propulsé par un ventilateur électrique (33) ou tout autre mécanisme produisant le même effet et comportant un filtre (34) évitant le passage de poussières ou autre corps étranger. L'air ainsi propulsé est réchauffé dans la chaudière (3) puis évacué de celle-ci, par une tuyauterie (36) également calorifugée, en direction d'un accumulateur en briques réfractaires par exemple (40) permettant de stocker la chaleur en vue de son utilisation dans un temps décalé. Ce stockeurpeut comporter un dispositif (38 et 39) de restitution de la chaleur (37) par l'effet naturel de convection rendu possible par l'ouverture de panneaux. Cette installation de chauffage solaire, très simple du fait du nombre réduit des pièces oui la composent, peut apporter une économie très appréciable d'énergie et par conséquent des frais de chauffage en raison de son haut rendement. Outre son application au chauffage de locaux d'habitation ou professionnels, l'appareil de chauffage solaire à air objet de la présente invention peut être utilisé dans tous les cas d'activité professionnelle nécessitant l'emploi de chaleur à température moyenne (four de cuisson, séchage, dssiccation, évaporation etc). REVENDICATIONS 1. Appareil faisant intervenir l'énergie solaire pour le chauffage à des fins diverses, avec utilisation immédiate ou apres conservation dans un accumulateur adéquat, caractérisé par l'action simultanée de l'effet direct des rayons solaires et de deux dispositifs de réflection de rayons sur les parois latérales d'une chaudière comportant un circuit long et complexe permettant d'accroRtre l'efficacité du rechauffement progressif de l'air (ou autre élément gazeux) introduit dans le circuit. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réflecteur principal comportant une surface polie réfléchissante (aluminium ou autre metal, plastique, miroir de verre, etc) présente une courbe parabolique d'équation canonique y2 = 2px convenablement oriente et racordée à un arc de circonference, étant précisé que les tangentes de ces deux courbes se confondent en leur point de raccordement. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par l'existence d'un reflecteur secondaire constitué par un miroir plan (ou légèrement concave) et fixe (ou règlable par charnière) réfléchissant un supplément de rayons solaires sur la face antérieure de la chaudière également soumise aux rayons directes du soleil 4.Dispositif selon la revendication 1, caracterise par le fait que la chaudière,située suivant une inclinaison optimale par rapport à la position moyenne du soleil dans sa phase la plus active, se trouve exposée aux rayons solaires sur ses deux faces, la face antérieure étant insolée à la fois par l'action directe du rayonnement solaire et par les rayons réfléchis du réflecteur secondaire, la face posterieure étant soumise aux 'rayons réfléchis par le reflecteur principal courbe. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le fonctionnement de l'appareil (chaudière) a pour effet de réchauffer progressivement l'air introduit et cheminant dans un circuit de six couloirs communicants disposés à raison de trois couloirs de chaque côte de la chaudiere, le premier couloir de chaaue face ayant ses deux parois en matériau isolant thermiquement et transparent au rayonnement solaire, de telle sorte que les rayons solaires directs et réfléchis traversent en les chauffant les deux premiers couloirs et atteignent l'absorbeur aui agit à la fois sur la temperature de l'air circulant dans les deuxième et troi 'sième couloirs.