Brevet FR2500919A1 — publié le 19820903

L'invention concerne une conformation particulière des ailetages des éléments captant l'énergie solaire et utilisés dans des types particuliers de collecteurs solaires, qui permet d'augmenter le rendement global de ceux-ci. Ainsi qu'il est connu, l'utilisation pratique de l'énergie solaire se répand de plus en plus avec des réalisations pratiques spécialement dans le domaine des basses températures, avec des installations qui ont le plus souvent des dimensions et une puissance limitées. En particulier, des installations très répandues actuellement sont celles qui servent à la production d'eau chaude utilisable pour divers services, installations qui vont d'une dimension très limitée pour l'usage familial à des dimensions et à des puissances notables où l'eau chaude produite sert aussi à chauffer au moins partiellement des locaux, y compris de dimensions notables, tels que des asiles, écoles, piscines, etc. Pour le captage de l'énergie solaire pour ces usages, on utilise surtout des dispositifs particuliers, bien connus de tous, constitués par des éléments plans appelés communément collecteurs plans. La constitution et les principes de fonctionnement de ces collecteurs plans sont connus aussi ; ils sont normalement constitués essentiellement par une plaque canalisée ou similaire dans laquelle on fait s'écouler un fluide caloporteur et qui est convenablement traitée en sa surface exposée au rayonnement solaire, normalement noircie par des vernis appropriés ou des traitements divers, de manière à permettre la transformation maximale de l'énergie de rayonnement incidente en énergie thermique, la plaque étant isolée thermiquement en sa partie postérieure et périmétrale par des moyens calorifuges appropriés et en sa partie antérieure par une ou plusieurs plaques de matière transparente au rayonnement solaire pour l'obtention de effet de serre" connu. A la place de la plaque canalisée, on utilise souvent des tubes ailetés de divers types et de diverses formes et une exécution particulière est celle où l'élément de captage est constitué par plusieurs tubes situés dans un même plan, parallèles entre eux, reliés solidairement à plusieurs lames minces disposées transversalement aux tubes, parallèles entre elles et convenablement espacées, constituant les ailetages des tubes. Dans ce dernier type d'exécution, on a des avantages particuliers, en effet cette structure réalise pratiquement l'effet bien connu à réflexions multiples mais par contre, son inconvénient est que, quand le rayonnement incident est pratiquement parallèle au plan des ailetages, il n'atteint leur surface que de façon limitée de sorte que le rendement de captage est notablement réduit. Dans certains cas, afin d'éviter cet inconvénient, on dispose une surface réfléchissante dans la partie postérieure des ailettes, c'est-à-dire derrière celles-ci relativement à l'irradiation.Toutefois, en pareil cas, quand le rayonnement incident est pratiquement parallèle au plan des ailetages, il peut être réfléchi notablement ou au moins en partie, donc sans atteindre la surface de captage constituée par les ailetages et, en outre, l'effet de la réflexion cause une différence sensible de distribution énergétique qui est principalement concentrée dans la partie antérieure des ailetages où il règne, par conséquent, une température plus élevée. I1 en résulte une diminution de rendement du collecteur solaire, d'une part, parce qu'une partie de l'énergie est réfléchie totalement vers l'arrière, d'autre part, parce que la partie antérieure du panneau est plus chaude, ce qui entraîne une augmentation des mouvements internes de convexion et donc des pertes par conduction à travers la plaque transparente. Une autre conformation connue, visant à éviter l'inconvénient susdit, consiste à plier le coin des extrémités postérieures (relativement à l'irradiation) des ailetages de façon qu'il soit pratiquement orthogonal à ceux-ci et que le bord de chaque coin soit adjacent au pli de l'ailette contigue. On forme ainsi pratiquement, dans ladite partie postérieure du groupe d'ailetages, une surface continue de sorte que, relativement au système précédent, l'avantage est que tout le rayonnement incident, même s'il est parallèle aux ailetages, est intercepté par la surface constituée par les coins postérieurs pliés susdits et plus ou moins absorbés et transformée en énergie thermique selon le degré d'absorption présenté par la surface, comme dans les plaques de captage normales de type plan.Par ailleurs, relativement aux plaques de captage planes, cette deuxième conformation présente l'avantage de réaliser en pratique l'effet à réflexions multiples, étant donné que les ailetages forment de multiples cavités d'absorption qui, de façon connue, améliorent le rendement de captage. En outre, à la différence de la solution précédente, elle évite l'application de la surface réfléchissante. On peut toutefois noter que même avec cette conformation, il se produit une réémission notable parce que la surface constituée par les coins pliés émet, en s'échauffant, des rayons qui sortent en partie des sections libres antérieures obtenues entre les ailettes, en sens opposé au rayonnement incident et que donc, ce rayonnement se perd à l'extérieur, au moins en partie, malgré la présence des plaques transparentes normalement appliquées pour produire l'effet de serre, de diverses façons, par rayonnement mais principalement par convexion et conduction. Le but de l'invention est d'éviter les inconvénients ci-dessus et on y parvient grâce à une conformation particulière des ailetages qui sont courbés en leur partie située à l'arrière relativement à l'irradiation, de manière à engendrer des cavités convergentes propres à constituer un piège d'énergie. Tout cela sera décrit plus en détail ci-après, à titre d'exemple non limitatif, à propos des dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 montrent schématiquement un tronçon d'un collecteur solaire plan du type où l'élément de captage est constitué par des tubes ailetés, en coupe suivant un plan transversal aux ailetages des tubes ailetés, illustrant deux conformations possibles des ailetages exécutés selon l'invention. Sur les figures, les éléments communs sont désignés par les mêmes références, à savoir : le tube 1 dans lequel s'écoule le fluide caloporteur, les ailetages 2 (indiqués simplement par un trait plein) fixés solidairement sur le tube 1, de manière en elle-même connue, la plaque transparente 3 et le revêtement calorifuge postérieur 4 disposés de façon usuelle pour former le capteur solaire complet. Pour plus de clarté dans la description ci-après, les ailetages 2 sont divisés en une partie antérieure 2' et une partie postérieure 2". Enfin, le tronçon courbé 5 est représenté sur la figure 1 par une ligne courbe, tandis que sur la figure 2, il présente la forme d'une ligne brisée. Le principe fondamental de l'invention réside essentiellement d-ans la courbure donnée aux ailetages comme représenté. Pour faire mieux comprendre le fonctionnement, on a indiqué par des flèches sur les figures diverses inclinaisons du rayonnement solaire relativement au capteur et pour plus de clarté, elles sont réparties entre les différents groupes d'ailetages. On voit donc par les dessins que le rayonnement solaire incident représenté par les flèches, en rencontrant les surfaces antérieures des ailetages dans les tronçons courbés 5, est réfléchi contre les surfaces postérieures des tronçons 5 contigus, puis à nouveau contre les surfaces antérieures et ainsi de suite, étant amené progressivement vers le fond des cavités convergentes engendrées par les divers tronçons courbés 5.Il s'ensuit que l'énergie incidente est emprisonnée et concentrée dans ces cavités convergentes, qui réalisent en pratique de véritables pièges d'énergie rayonnante, de sorte que la température des ailetages 2 est plus élevée dans les parties constituées par les tronçons courbés 5 qu'aux extrémités opposées. Par suite, la chaleur est transmise directement par conduction, de ces zones des ailetages, aux tubes 1 où s'écoule le liquide caloporteur. La plus basse température qui en résulte dans les parties antérieures 2' des ailetages 2 permet de réduire sensiblement les mouvements de convexion engendrés, ainsi qu'il est connu, dans l'espacement formé entre l'élément de captage et la plaque transparente 4, mouvements déjà réduits sensiblement par la conformation à ailetages qui freine notablement ces mouvements, de sorte que globalement, on obtient une réduction notable des dispersions thermiques dues à ces mouvements. Pour récapituler, les pincipaux avantages que l'on obtient avec la conformation des ailetages de l'élément de captage de l'énergie solaire selon l'invention sont les suivants - maximisation de l'absorption de l'énergie rayonnante inci dente, - minimisation des pertes par réémission, aussi bien de l'énergie rayonnante incidente que de l'énergie rayonnante résultant de la conversion de l'énergie limineuse en énergie thermique, - réduction des mouvements de convexion entre l'élément de captage et la plaque transparente et par conséquent, réduction des dispersions thermiques qui en résultent. - augmentation de la différence de température entre la partie postérieure (relativement à l'irradiation) de l'élément de captage (partie postérieure de l'ailetage) et les conduits (tubes) parcourus par le fluide caloporteur, entrainant une optimisation de l'échange thermique relatif, - élimination des surfaces réfléchissantes additionnelles placées dans la partie postérieure (relativement à l'irradiation) des ailetages. - R E V E N D I C A T I O N S - 1. Capteur solaire plan à tubes ailetés, particulièrement du type où l'élément captant l'énergie solaire, disposé de façon usuelle à l'intérieur du panneau entre au moins une plaque transparente antérieure et un panneau calorifuge postérieur, et constitué par plusieurs tubes (1) parallèles entre eux et convenablement espacés, de préférence dans un même plan, en au moins une rangée, qui sont insérés et reliés solidairement à plusieurs lames (2) de forme pratiquement rectangulaire, disposées transversalement aux tubes et convenablement espacées elles aussi, formant les ailetages des tubes, le tout étant exécuté par la même technique et les mêmes procédés que les "batteries ailetées" connues utilisées communément, particulièrement comme éléments d'échange thermique, les tubes (1) étant reliés par leurs extrémités à des collecteurs appropriés pour la liaison avec l'installation d'utilisation et donc parcourus par le fluide caloporteur, les ailetages (2) étant divisés par les tubes en deux parties, une partie tournée vers l'irradiation et dite antérieure (2') et une partie opposée dite postérieure (2"), capteur caractérisé en ce que les parties postérieures (2") des ailetages sont incurvées sur au moins un tronçon (5), toutes dans le même sens, de façon que les extrémités (6) des tronçons incurvés (5) soient disposées à proximité de la surface postérieure du tronçon incurvé contigu vers laquelle elles sont tournées, les tronçons incurvés (5) formant des cavités à section décroissante conçues pour transporter et concentrer vers le fond de celles-ci l'énergie rayonnante captée en minimisant la réémission, cette concentration ayant, en outre, pour effet d'élever la température aux extrémités postérieures des ailetages, entraînant une réduction des mouvements de convexion dans la partie antérieure comprise entre l'élément de captage et la plaque transparente et donc des pertes thermiques qui en résultent. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons incurvés (5) des ailetages (2) sont conformés suivant une ligne de préférence courbe, propre à engendrer des réflexions réciproques entre les surfaces antérieures et postérieures de ces tronçons de manière à transporter progressivement l'énergie rayonnante vers le fond des cavités convergentes engendrées par ceux-ci. 3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les tronçons incurvés (5) des ailetages (2) sont conformés suivant une ligne brisée assimilable à ladite ligne courbe.