Brevet FR2520093A1 — publié le 19830722

La présente invention est relative à des perfectionnements apportés aux installations de captage et de stockage d'énergie solaire, en vue de la production d'eau chaude pour usages domestiques ou industriels. On sait que les dispositifs à rendement élevé actuellement connus, pour le captage de l'énergie solaire, comprennent essentiellement deux parties distinctes a - un capteur, ou élément récepteur de lténergie calorifique solaire, dans lequel circule le fluide caloporteur, ce capteur pouvant etre du type plan ou du type linéaire ; b - un réflecteur, de forme généralement parabolique, cylindrique ou cylindro parabolique, dont le rôle est de concentrer ou de focaliser le rayonnement solaire sur le capteur. Ces dispositifs comportent en outre des moyens assurant une orientation automatique du réflecteur et du capteur, en fonction de la position du soleil. La présente invention se propose d'apporter des perfectionnements à ce type d'installation, en vue, notamment, d'en améliorer le rendement. A cet effet, l'invention concerne une installation de captage et de stockage d'énergie solaire du type qui comprend un capteur dans lequel circule le fluide caloporteur, un réflecteur pour concentrer ou focaliser le rayonnement solaire sur le capteur, et des moyens pour assurer une orientation automatique du réflecteur en fonction de la position du soleil, cette installation étant caractérisée en ce qu'on place devant le capteur un système optique, par exemple du type loupe, lentille, optique de Fresnel ou autre, afin de concentrer le rayonnement solaire. Selon l'invention, ce système optique peut être placé devant le réflecteur et/ou directement devant la capteur, de manière à augmenter la puissance du rayonnement solaire concentré par le réflecteur sur les éléments du capteur dans lequel circule le fluide caloporteur. Selon une caractéristique de l'invention, on fait le vide dans le capteur jusqu'à un niveau élevé, des joints spéciaux étant alors prévus pour assurer l'étanchéité, en tenant compte des différences de coéfficients de dilatation des divers matériaux utilisés. Selon encore une autre caractéristique de cette invention, la surface du réflecteur est constituée par une feuille d'aluminium traité au nitrate d'ar- gent et protSgdcpar une pellicule transparente anti-ultraviolet. Selon l'invention, l'installation est complétée par un moyen d'accumulation des calories récupérées, qui consiste en un caisson isolé contenant des matériaux stockant lténergie calorifique, dans lequel est positionné un serpentin alimenté par le fluide caloporteur venant du capteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, on prévoit un système d'asservissement pour assurer la sécurité, soit pendant les périodes de grande chaleur, soit lorsque l'eau chaude produite n'est pas utilisée, ce système consistant en une dérivation du liquide provenant du capteur vers le moyen de stockage, pour abaisser la température de l'eau dans le circuit où elle circule. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexes, qui en illustrent divers exemples de rkalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins - les Figures 1 et 2 sont des vues sch8matiques, en ewlévation latérale et en coupe, de deux exemples de réalisation de capteur selon l'invention ; - la Figure 3 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, d'un dispositif de stockage des calories selon cette invention - les Figures 4 et 5 sont des schémas de principe pour illustrer le mode d'asservissement d'une installation selon l'invention. On se réfère en premier lieu à la Figure 1. Cette Figure représente, de façon très schématique, un collecteur solaire qui comprend un érecteur parabolique 10 et un capteur plan 12, dans lequel circule le fluide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire concentré par le réflecteur 10. Pour assurer une orientation automatique du réflecteur 10 en fonction de la position du soleil, l'ensemble capteur-reflecteur est à inclinaison variable, par l'intermédiaire de vérins asservis tels que 16, tonte l'installation étant par ailleurs montée sur une embase rotative 18 à positionnement contrôlé, afin d'obtenir toujours une orientation convenable du réflecteur lui permettant de capter le rayonnement solaire quelle que soit l'heure. Selon l'invention, on place devant le capteur 12 un système optique formant loupe evw lentille, afin d'augmenter considérablement la puissance du rayonnemaxt solaire. Dans l'exemple représenté sur la Figure 1, ce système optique est réalisé sous la forme d'une lentille 20, bombée sur ses deux faces, exécutée en un verre traité ou en une matière plastique, par exemple de la fibre de verre, un verre acrylique ou similaire, résistants aux hautes températures. Bien entendu, des joints, tels que 22, assurent ltétanchéité. On peut également, toujours selon l'invention, placer un système optique augmentant la puissance des rayons solaires, devant le réflecteur 10. Dans l'exemple représenté, ce système optique est une lentille 24, bombée sur ses deux côtés, encastrée dans la paroi frontale du boitier 28 recevant le capteur et le réflecteur. Bien entendu, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, utiliser une optique de Fresnel à la place de la lentille 24. Toujours pour augmenter la puissance des rayons solaires, on fait le vide dans le capteur. Afin de maintenir la valeur de ce vide au niveau élevé maximum, on prévoit des joints 26 conçus de façon à assurer une étanchéité parfaite, tenant compte des dilatations différentes des divers matériaux constituant l'installation. Selon l'invention, la surface du réflecteur 10 est constituée d'une feuille d'aluminium traité au nitrate d'argent et protégéspar une pellicule spé- ciale transparente anti-ultraviolet. On obtient ainsi un rendement de l'ordre de 96 %, résultat impossible à obtenir avec les capteurs solaires connus actuellement, qui assurent, dans les meilleurs cas, un rendement de l'ordre de 60 à 70 %. Le traitement au nitrate d'argent permet d'obtenir une tenue du brillant de la surface du réflecteur de l'ordre de plusieurs années, ce qui permet de maintenir un pouvoir réfléchissant élevé. La variante représentée sur la Figure 2 est une installation de captage qui comporte un réflecteur cylindrique 10' qui focalise l'énergie solaire sur un capteur linaire 30, de type connu. La puissance du rayonnement solaireest, ici encore, améliorée par la présence d'une lentille 24', analogue à la lentille 24 du dispositif représenté sur la Figure 1. Pour améliorer le rendement de ce collecteur, on peut y faire le vide, la valeur élevée de ce vide étant maintenue par la présence des joints 26', de conception analogue aux joints 26 du système décrit ci-dessus en regard de la Figure 1. Les perfectionnements décrits ci-dessus permettent d'augmenter considérablement la puissance thermique, et donc le rendement de l'installa tion. il en résulte que la température de fonctionnement peut s'enlever à plus de 300"C, selon les dispositions et les lieux d'implantation, et, pour cette raison, on fait circuler dans les circuits un fluide caloporteur à haute tempé rature. Tant dans un but d'économie que de sécurité, l'invention prévoit des moyens pour accumuler les calories, pendant les périodes les plus avantageuses à ltélévation de la température du fluide caloporteur. A cet effet (Fig. 3), l'installation comporte en outre un caisson 32, contenant des matériaux aptes au stockage des calories, et dans lequel est positionné un serpentin 34, dans lequel circule le fluide caloporteur venant du capteur et chargé d'apporter les calories à l'accumulateur. Dans l'exemple de réalisation représenté sur le dessin, cet accumulateur 32 est de conception et de réalisation particulièrement simples et écognomiques. n est en effet réalisé en ciment armé, isolé à l'inténeur, sa capacité interne étant remplie de matériaux pouvant accumuler l'énergie calorifique, par exemple des galets 36. L'accumulateur 32 peut être enterré, ou simplement posé sur terre, à l'intérieur ou à l'extérieur d'un local. Les calories ainsi stockées sont destinées à être utilisées en période d'hiver, ou durant les jours sans ensoleillement. L'invention prévoit en outre des moyens d'asservissement pour assurer la sécurité de l'installation pendant les périodes de grande chaleur ou de non utilisation de l'eau chaude, par dérivation du liquide réchuffé à haute tempé rature provenant du capteur vers le serpentin 34 de l'accumulateur 32, afin de réaliser un abaissement de la température dans le circuit de circulation du fluide caloporteur. On se réfère aux Figures 4 et 5, qui illustrent deux exemples de réali sation non limitatifs de raccordement hydraulique et de régulation d'une installation selon l'invention. Sur la Figure 4, l'installation comporte un premier échangeur 38 pour réchauffer de l'eau R pour une installation de chauffage central, un second échangeur 40, pour chauffer de l'eau E à usage sanitaire, et un accumulateur de calories 32, du type décrit ci-dessus en regard de la Figure 3. Cette Fi gure montre clairement les différentes conduites dans lesquelles circule le fluide caloporteur dérivant du capteur en S et repartant vers ce capteur en E, après épuisement de ses calories. L'installation comporte un système de vannes V1 à V4, et une pompe P pour assurer la distribution sélective du fluide caloporteur en fonction des besoins, ces vannes et la pompe P étant sous le contrôle et la commande de régulateurs R1 - R4 et de sondes s1 ... sn, comme on le décrira plus loin. L'installation représentée sur la Figure 5 est identique à celle de la Figure 4, sauf qu'elle ne comporte pas d'échangeur 38 pour le réchauffage d'eau de chauffage central. Dans les deux installations R1 est un régulateur différentiel pour la commande de la pompe P et de la sélection du circuit - circuit capteur - circuit stockage. R2, R et R4 sont respectivement des régulateurs différentiels pour la 3 commande de sélection de circuit de l'échangeur T. désigne la température maximale du ballon de l'échangeur d'eau sani taire 40; T. désigne la température maximale du ballon de l'échangeur d'eau de chauffage 38 T désigne la température d'une sonde s . n On remarquera que les régulateurs peuvent être regroupés en un seul et même appareil (par exemple, du type micro-ordinateur), suivant la technologie utilisée. La régulation s'effectue de la façon suivante 1 - Sélection des circuits échangeurs : T1 > T2 avec T2 T1 > T2, avec T2 # Ti, V2 : sur circuit 1-3. T1 4 T2, V2 : sur circuit 1-3. T4 > T5, avec T C Tj, V3 : sur circuit 1-2. T4 > T5, avec T5 > Tj, V3 : sur circuit 1-3. T4 # T5 V3 : sur circuit 1-3. T7 > T8, V4: sur circuit 1-2. T7 # T8 V4 : sur circuit 1-3. 20 - Sélection du circuit capteur V1 : sur circuit 1-2. lorsque T > T3, ou à T ou à T 10 6 9 mise en fonctionnement de la pompe P. 3 - Sélection du circuit stockage V1 : sur circuit 1-3 lorsque T > T ou à T 9 6 mise en fonctionnement de la pompe P, le régulateur R4 ne fonctionne plus, et la voie passante de la vanne V4 est toujours 1-2. On notera que, lorsque les divers échangeurs 38, 40 sont mis hors service par l'utilisateur, le circuit de la vanne est : 1-3. L'installation de régulation décrite ci-dessus en référence aux Figures 4 et 5 permet d'obtenir une excellente sécurité pendant les périodes de grande chaleur, et, en cas de non utilisation de l'eau chaude. Toutefois, dans le cas d'absences très prolongées de l'utilisateur, entraidant l'arrêt de l'installation, pour obtenir une sécurité totale, on prévoit un capuchon métallique ou en tout autre matériau, qui vient se placer sur l'avant du capteur, afin d'arrêter toute transmission du rayonnement solaire vers le capteur. Il en résulte que celuici ne fonctionne plus. Il ressort de la description ci-dessus que l'invention apporte une installation de captage d'énergie solaire et de stockage d'énergie calorifique fonc tonnant avec un rendement exceptionnel et en toute sécurité. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Installation de captage et de stockage d'énergie solai re, du type qui comprend un capteur dans lequel circule le fluide caloporteur, un réflecteur pour concentrer ou focaliser le rayonnement solaire sur le capteur, et des moyens pour assurer une orientation automatique du réflecteur en fonction de la position du soleil, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte, devant le capteur (12-30), un dispositif optique (20, 24, 24') pour concentrer le rayonnement solaire sur ledit capteur. 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif optique est du type loupe, lentille, optique de Fresnel. 3 - Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le système optique est place devant le réflecteur 10, et/ou directement devant le capteur. 4 - Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on fait le vide dans le capteur jusqu'à un niveau élevé, des joints spéciaux (26, 26') étant prévus pour assurer l'étanchéité en tenant compte des différences de coëfficients ded dilatation des divers matériaux utilisés. 5 - Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface du réflecteur (10, 10') est constituée par une feuille d'aluminium traité au nitrate d'argent et protégée par une pellicule transparente anti-ultraviolet. 6 - Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen d'accumulation des calories récupérées qui consiste uen un caisson isolé (32) contenant des matériaux pouvant emmagasiner les calories, et dans lequel est positionné un serpentin (34) alimenté par le fluide caloporteur venant du capteur. 7 - Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit caisson est réalisé en ciment armé, et en ce que sa capacité interne est garnie d'un matériau divisé constitué, notamment, de galets (36) au sein de la masse desquels est noyé ledit serpentin (34). 8 - Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un système d'asservissement et de régulation pour assurer la sécurité, soit pendant les périodes de grande chaleur, soit lorsque l'eau chaude produite n'est pas utilisée, ce système consistant en une dérivation du liquide provenant du capteur, vers les moyens de stockage (32), pour abaisser la température de l'eau dans le circuit où elle circule. 9 - Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on place un capuchon sur l'avant du coapteur, afin d'arreter toute transmission des rayons solaires vers le capteur lorsque l'installation est mise hors service.