Brevet FR2520851A1 — publié le 19830805

APpareil de chauffage de fluide à partir de l'énergie solaire L'invention concerne un appareil de chauffage de fluide à partir de l'énergie solaire. Un capteur solaire à effet de serre est traditionnellement composé d'une face supérieure transparente, ou face vitrée, d'une face inférieure isolante et, entre les deux faces, de récipients métalliques contenant un fluide caloporteur et dont les surfaces extérieures sont recouvertes d'une substance absorbante. L'énergie captée est proportionnelle à la surface absorbante des récipients frappés par l'ensoleillement. Ces récipients sont le plus souvent composés d'une série de tubes généralement exposés à l'action directe des rayons solaires. le fluide caloporteur qui les traverse, dont la température reste modeste, alimente en général un échangeur pour transférer les calories à un fluide contenu dans un ballon de stockage annexe. Selon l'invention, la face inférieure isolante présente une surface interne réfléchissante dont la coupe est une développante de la section de la paroi du récipient absorbant, de manière que la plus grande surface possible de cette paroi soit ensoleillée et qu'à égalité de surface de la face vitrée on aboutisse à un transfert accru de calories, L'invention prévoit également que le récipient peut, au surplus, avoir la fonction de récipient de stockage définitif et éviter l'intervention d'un autre récipient et d'un échangeur. Selon une forme de réalisation, la surface réfléchissante constitue un cylindre dont la section est symétrique par rapport au plan vertical axial du tube récipient et dont la section transversale est formée sensiblement de deux développantes du cercle que constitue la coupe transversale de la surface extérieure du tube. Dans ces conditions, quelle que soit l'incidence des rayons solaires par rapport au plan médian, une très large partie de la surface extérieure du tube est frappée par les rayons solaires, soit directement, soit par réflexion. Pour simplifier la construction de la face réfléchissante, on peut d'ailleurs lui donner la forme d'une développante de cercle seulement sur sa majeure partie, sa partie inférieure étant sensiblement horizontale. Pour faciliter dans certains cas la construction, la face réfléchissante a une section polygonale formée de côtés tangents b une développante de cercle. D'autre part, la face transparente, dite face vitrée, peut astre constituée par un plan parallèle à l'axe du tube, ou par un cylindre circulaire à axe parallèle à l'axe du tube, ou par un polygone formé de plans parallèles à l'axe du tube. Suivant les cas, la surface réfléchissante est plus ou moins étendue ; son plan de raccordement avec la surface vitrée parallèle à l'axe du tube est perpendiculaire au plan médian, et coupe le cylindre représenté par le tube dans sa partie supérieure. L'appareil selon l'invention peut réaliser la fonction de capteur et simultanément, la fonction de stockeur. Si le fluide à chauffer est de l'eau sanitaire, l'appareil est complété par un dispositif à thermistance, permettant d'abaisser le cas échéant la température de l'eau, par mélange d'eau froide, à la valeur admissible pour l'usage sanitaire. Le tube stocker est dans une enceinte close et ainsi peu sensible aux conditions extérieures. Cependant, pour diminuer encore les pertes en l'absence d'ensoleillement, l'invention prévoit, dans une forme de réalisation, de disposer à l'intérieur du tube un second tube en matériau isolant' dans lequel la circulation a lieu par thermosiphon et qui est doté à sa partie supérieure d'un clapet anti-retour pouvant être avantageusement réalisé sous la forme d'une sphère légère, du type "balle de ping-pong". L'alimentation en fluide froid et l'extraction du fluide chaud ne posent aucun- problème particulier. Les deux faces frontales sont constituées d'un ensemble de matériaux à fonction isolante. Seule l'une d'elles est amovible pour permettre l'introduction ou l'extraction du tube ou cylindre de captage. La fabrication, le transport et l'entretien d'un tel appareil sont particulièrement simples. Les dimensions de l'appareil varient avec l'utilisation envisagée. En tous les cas, la largeur de la serre est en relation avec le diamètre du tube de captage pour tenir compte de l'envergure des développantes de cercle. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un appareil selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne Il-Il de la figure 1. L'appareil comprend un cylindre métallique il fermé à une extrémité par un fond 12 comportant un orifice 13 prévu pour la vidange. le cylindre Il est ouvert à l'autre extrémité, laquelle est bordée d'une bride plane 14, s'étendant vers l'extérieur. Ce cylindre a par exemple un diamètre intérieur régal à 40 cm. Â l'intérieur du cylindre métallique il est logé un autre cylindre 15, également fermé à une extrémité par un fond 16 comportant un orifice de vidange 17 contre la génératrice inférieure du cylindre. Le cylindre 15 estNpourvu d'un tube d'entrée de fluide 18 à l'extrémité de la génératrice supérieure du c8té où le cylindre est ouvert avant son montage. Le tube d'entrée 18 est muni d'un clapet à bille 21. Ce cylindre a, dans l'exemple, un diamètre intérieur de 32 cm. Ses parois ont une épaisseur de 3 cm. I1 est réalisé dans un matériau rigide doté d'un coefficient d'isolation thermique élevé. L'appareil comprend un dispositif de fermeture 22 destiné à obturer les faces ouvertes des deux cylindres. le dispositif de fermeture est composé d'un plateau métallique 23 d'un diamètre égal à celui de la bride du premier cylindre, sur une face duquel est collé un plateau en matériau isolant 20 d'un diamètre égal au diamètre intérieur du second cylindre. Le dispositif 22 est percé de trois orifices 24, 25, 26 disposés sur un meme diamètre destinés à recevoir respectivement une tuyauterie de purge 27, le tube de sortie d'eau chaude 28, et le tube d'arrivée d'eau froide 29. On obture le cylindre 15 par emmanchement du plateau isolant 20 dans ledit cylindre. Le corps cylindrique ainsi constitué est introduit dans le cylindre Il, les génératrices inférieures des deux cylindres étant confondues, et le plateau métallique 23 est fixé de façon étanche sur le bride d'attente 14 du cylindre 11. La purge 27 et les tubes d'entrée 29 et de sortie 28 sont alors installés. Le réservoir ainsi préparé est posé dans une coquille réfléchissante 31 sur laquelle vient s'adapter un toit transparent 32. La serre ainsi constituée a, dans l'exemple choisi, une largeur de 1 m,qui permet d'affecter une surface de captage solaire d'un dm2 par litre de fluide à chauffer. La section transversale de la coquille 31 comporte une partie centralé linéaire 33 et deux parties latérales symétriques 34, 35, incurvées, proches du contour d'une partie de la développante du cercle constituant la section transversale du cylindre il. La-coquille 31 est rigide, construite en matériau robuste, sa surface intérieure étant dotée d'un pouvoir réfléchissant aussi élevé que possible. Le toit 32 peut avantageusement être constitué d'une feuille cylindrique en matériau plastique à haut coefficient de transparence et suffisamment rigide et robuste. Enfin, le plan de raccordement 36 de la coquille et du toit se situé aux 5/8 de la hauteur de la serre environ. La longueur des cylindres 11 et 15, et donc de l'ensemble, est fonction de la capacité souhaitée du réservoir, qui dépend également du diamètre du cylindre 11, Le fluide à chauffer, par exemple de l'eau, ou du propane, parvient par le conduit 29. Il emplit la chambre intérieure au cylindre 15 et l'intervalle compris entre ledit cylindre et le cylindre externe 11. Le chauffage a lieu par contact dudit fluide avec la surface interne de la paroi latérale 10 du cylindre métallique il dont lasurface externe 9 est soumise à l'action solaire. Ladite surface externe reçoit non seulement le flux solaire tombant directement sur elle mais aussi le flux parvenant sur la surface réfléchissante 34, 35 de la coquiile 31. En raison de la forme en développante de cercle de cette surface réfléchissante, lteffet de concentration sur le cylindre 11 est maximal. Le liquide contenu dans le cylindre 15 conserve sa température même en dehors des périodes d'ensoleillement. C'est en disposant l'appareil, non pas horizontalement, mais incliné par rapport à lthorizontale, que se produit un effet de thermosiphon : le robinet d'arrivée et le robinet de départ du liquide étant fermés, la circulation du liquide est permise dans le sens allant de l'intervalle compris entre les deux cylindres vers l'intérieur du cylindre 15, mais est interdite en sena inverse par la bille ou clapet, par exemple du type "balle de ping-pQng". Selon une variante, le couvercle au lieu de former une surface incurvée est constitué par des parties planes transparentes inscrites dans ladite surface incurvée. Selon une autre variante, la surface réfléchissante a une section polygonale formée de côtés tangents à une développante de cercle. Selon une forme de réalisation, les surfaces réfléchissantes 34, 35 se prolongent par des parois verticales 41, 42. Si, par exemple, le soleil se trouve bas sur l'horizon, à la partie gauche de la figure 2, les rayons qui tombent sur la paroi verticale 42 sont réfléchis sur le cylindre métallique il Dans cette forme de réalisation, le couvercle transparent est plan comme schématisé en 43. Selon une autre forme de réalisation, la serre est un volume de révolution obtenu en faisant tourner la coupe représentée en figure 2 autour d'un axe joignant le centre de la face vitrée au centre de la face réfléchissante. Le volume à chauffer devient un volume de révolution de même axe, qui peut être une sphère dont le grand cercle a pour développante la coupe de la surface réfléchissante, ou tout autre volume s'inscrivant dans ladite sphère. L'appareil peut avoir la fonction de chauffer un fluide pour en élever la pression et engendrer un potentiel d'énergie, aussi bien que la fonction de chauffer le contenu d'une marmite ou d'une casserole, auquel cas la surface vitrée est amovible,comme un couvercle reposant sur les bords de la coquille inférieure réfléchissante. Revendications I. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un réceptacle de fluide (11) à paroi métallique dont la surface externe est absorbante du rayonnement solaire, à l'intérieur dudit réceptacle un second réceptacle (15), isolant thermiquement, le fluide pouvant circuler en thermosiphon entre les deux réceptacles et des moyens (18, 21) étant prévus pour que cette circulation soit unidirectionnelle entre le second réceptacle et le premier réceptacle. 2. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un et l'autre des réceptacles (11, 15) sont cylindriques. 3. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que les axes des réceptacles cylindriques sont parallèles. 4. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que les axes des réceptacles cylindriques sont inclinés par rapport à l'horizontale. 5. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de circulation unidirectionnelle comprennent un clapet (18). 6. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que le clapet (18) est prévu à la partie supérieure du second réceptacle (15). 7. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la communication entre le second réceptacle (15) et le premier réceptacle (11) s'effectue par une lumière(l7) prévue à la partie inférieure du second réceptacle. 8. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée du fluide à chauffer (26) débouche dans le second réceptacle à proximité de l'extrémité inférieure de celui-ci. 9. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le soutirage de fluide chauffé se fait à la partie supérieure du second réceptacle (15). 10. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les fonds inférieurs (12, 16) des réceptacles cylindriques (il, 15) sont distants l'un de l'autre. 11. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les fonds supérieurs (23, 20) des réceptacles cylindriques sont accolés l'un à l'autre. 12. Appareil de chauffage de fluide par l'énergie solaire selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'une conduite de purge (27) est abouchée au fond supérieur (23) du premier réceptacle (ll). 13. Appareil de chauffage de fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble des deux tubes (réceptacles) (11, 15) est enfermé dans une chambre pour bénéficier de l'effet de serre. 14. Appareil de chauffage de fluide selon la revendication 13, caractérisé en ce que la paroi supérieure (32 ; 41, 42, 43) de la chambre est transparente et la paroi inférieure (31) réfléchissante. 15. Appareil de chauffage de fluide selon la revendication 14, caractérisé en ce que la paroi inférieure (31) comprend des parties (34, 35) dont la section transversale a la configuration de la développante du cercle représentatif du premier réceptacle. 16. Appareil de chauffage de fluide selon la revendication 15, caractérisé en ce que la paroi inférieure (31) comprend, au centre, une partie plane (33) perpendiculaire au plan de symétrie de l'appareil et latéralement, de chaque côté de là partie plane1 des parties (34, 35) en développante de cercle. 17. Appareil de chauffage de fluide selon la revendication 15, caractérisé en ce que la paroi inférieure (31) comprend, au centre, une partie plane (33) perpendiculaire au plan de symétrie de l'appareil et latéralement, de chaque côté de la partie plane,des plans dont la section est formée de côtés tangents à une développante de cercle. 18. Appareil de chauffage de fluide selon la revendication 14, caractérisé en ce que la paroi supérieure (35) de la chambre est incurvée. 19. Appareil de chauffage de fluide selon la revendication 14, caractérisé en ce que la paroi transparente de la chambre comprend des parties latérales verticales (41, 42 > raccordées à leur bord supérieur par une partie plane (43).