Brevet FR2522396A1 — publié le 19830902

TITRE DE L'INVESTION Dispositif optique permettant d'améliorer le rendement des capteurs solaires à absorption et accumulation actuellement utilisés pour les besoins domestiques et industriels. ETAT DE LA TECHNIQUE ÇOZNUE LA PLUS PROCHE DE-L'INVENTION Des informations parues récemment dans la presse font état de l'accueil timide et mitigé que les français ont réservé à l'utilisation de l'énergie solaire à des fins domestiques. La raison en serait la faiblesse relative de l'ensoleil- lement à la surface de l'hexagone. Outre les régions les plus favorisées dans ce domaine tels les déserts africains ou amécains notamment qui recevraient un rayonnement 2,5 fois supérieur, certains pays nordiques mime, entre autres, seraient nettement plus avantagés. Des renseignements épars que j'ai pu recueillir, il semble ressortir que le captage direct de l'énergie solaire se soit traduit techniquement par a) La concentration du flux solaire par un moyen optique (miroir parabolique, champ de miroirs, plans etc....) b) L'absorption directe du rayonnement par une surface à caractéristiques les plus proches du "corps noir" ou radiateur intégral, combinée au "piègeage" des calories collectées, par "effet de serre". c) L'effet photovolta;que développé par certains sels de sélénium, le silicium, etc...., qui sort de mon propos. Si les moyens mis en oeuvre dans le type (a) d'exploitation permettent d'obtenir de fortes puissances à des températures élevées, ils exigent par contre des installations importantes voire monumentales et une mécanisation poussée nécessité par le suivi précis du déplacement du soleil. Ceux utilisés dans le type (b) n'autorisendent dans le meilleur des cas qu'une temérature maximale de 135 dans le capteur, avec une température utilisable au puisage de 750 environ après déduction des pertes par rayonnement et du rendement thermique de l'échangeur.(En effet l'accumulateur de calories que constitue ce dispositif devrait se saturer et s'auto-réguler à 1350 environ, Comnte-tenu dtune part, de la températ;;. e maximum par unité de surr ce qu'il est possible d'obtenir par exposition directe sans concentration, et d'autre part, des pertes par rayonnement issues du capteur luimême vis à vis de lair ambiant, proportionnelles, à l'écart entre les deux températures). Le débit correspondant étant directement proportionnel à la surface de captage utilisée, c'est cette température maximale de 750 qui limite les possibilités du système. En revanche ces capteurs sont peu encombrants, de faible épaisseur et relativement légers. BUESde L 'INVENTION Je propose donc sans affecter d'une manière prohibitive le prix de revient des capteurs à usage domes tique commercialisés améliorer 1 l1efficacité et le rendement, en associant le captage optique, au captage par absorption et accumulation. Il s'agit en l'occurence de concentrer sur les conduits de fluide, le maximum de rayonnement lumineux au moindre court. Cette étude ne prétend pas à une performance optique très fine, mas vise à obtenir une concentration même approximative du flux lumineux sur les conduits du fluide caloporteur. L'élément optique qui reçoit directement et statiquement le rayonnement solaire, à l'aspect d'une vitre ondulée. dont les ondes diposées verticalement constituent autant de dioptres amenant une concentration linélforme du flux solaire intercepté sur les conduits du fluide récepteur qu'elle recouvre. (planche 1/3). NOTA ; Rn fonction de l'état actuel de la technique en matiè- re de moulage du verre, cette ment devrait être obtenu par ce moyen à partir d'une pâte de bonne transparence avec un indice de réfraction moyen. Les tuiles de verre sont un exemple de réalisation comparable. Coi me chaque fois dans ce type d'approche, il convient de concilier certains paramètres divergents et de s'accomoder de demi-mesures. Ainsi une focale trop courte du système optique n'amènerait pas une concentration suffisante du flux lumineux pour obtenir ane valeur calorifique intéressante au point de convergence. Par contre une focale trop longue augmentrait sensiblement et sans gain appréciable l'épaisseur des capteurs et de plus risquerait d'amener les contraintes thermiques à un niveau préoccupant. A titre expérimental la focale provisoirement retenue est de 80 mm. NOTA : fl est pensable d'utiliser une gravure dite "de Fresnel" adaptée â la focalisation linéaire. Le plus grand intérêt en serait un important gain de poids. Toutefois, outre les difficultés techniques de l'entreprise qui risquent de retentir sur le prix de revient final, la forme ondée semble optiquement plus propice au captage et à la focalisation du flux solaire aux heures de plus grande incidence, t8t le matin et tard l'après-midi. Pour quelelinéament obtenu soit focalisé d'une manière satisfaisante sur le conduit, il convient de donner à ce dernier la section représentée planche 1/3. En effet, le déplacement du soleil au plan zénithal entrain le déplacement image du linéament en sens inverse. Les deux bords dotés d'une courbure plus accentuée (profil en "anse de panier") ont pour rôle de contenir la manifestation de l'aberration de coma inhérente à l'utilisation de ce système optique rudimentaire. Corrélativement, ce type de profil du conduit est très favorable du point de vue rigidité mécanique. Une estimation tout à fait personnelle m'a conduit à tracer les courbes comparatives de la planche 2/3, la courbe B correspondant à l'amélioration revendiquée, montre que la montée en température du capteur est plus rapide, et, qu'à la condition de réduire le débit (évidemment puisque la quantité d'énergie reçue est la même que pour le type A) la température obtenue peut être notablement plus élevée. Dans l'hypothèse où ce résultat serait expérimentalement atteint, les conséquences espérées pourraient en être par exemple, la répartition différentielles, à l' aide de vannes commandées par sondes thermostatiques, des calories obtenues -soit dans le circuit d'alimeatation en eau chaude pour les températures 4 75 générées pendant les périodes de fai- bles ensoleillement, (matin, soleil voilé etc...) - soit,pour les températures > 75 , dans une cuve de stockage parfaitement calorifugée enterrée sous les constructions. En effet, si une température maxi. de 750 rend le stockage peu rentable, le déplafonnement de ce maxi. devrait permettre de reconsidérer la question dans ce sens. En outre, en raison du fait qu'un capteur solaire absorbe et emmagasine la chaleur rayonnée par la lumière ambiante même en l'absence de soleil, il faut considérer un autre aspect de cette perspective; en effet, des essais de rendement de capteurs classiques indiquent que dans la région parisienne (une des plus désavantagées de France), des moyennes de 15 à 25 de température d'eau domestique ont été obtenues avec des températures d'air ambiant de 3 à 50 durant l'hiver 58/59. Avec la modification proposée il parait possible d'augmenter sensiblement les moyennes ci-d?ssus ce qui serait un argument important en faveur du solaire. Par ailleurs, lwamélioration préconisée permet de proposer une application originale illustrée par la planche 3/3. Cette version de capteurs sans corps noir présente la caractéristique particulière dtêtre traversée par les réflexions parasite du rayonnement solaire, ce qui permettrait d'en envisager l'emploi à deux fins dans l'équipement de locaux industriels : l'éclairement diurne et le captage de calories. Pour l'éclairement diurne, l'utilisation de ces cap teurs semble mieux adaptée que les surfaces vitrées. En effet, pendant les heures les plus chaudes de la journée, outre les phénomènes d'éblouissement et de réverbération qui l'accompagne, l'effet direct f des verrières se traduit par une forte élèvation de la temp rature au ras du sol, associée au risque d'insolation pour le personnel. Dans l'Etablissement qui m'emploie, ces inconvénients des verrières ont été palliés par l'application de peinture anti-solaire qui, s'opacifiant en vieillissant a nécessité le remplacement des vitrages après bien des essais infructueux de décapage. De toute manière le problème subsiste. L'éclairement diffus Obtenu au moyen de ces capteurs doit présenter une courbe de répartition lumineuse journalière plus plate que celui dispensé par les verrières et plus stable dans le temps. De plus, les calories collectées de cette manière pourraient être utilisées pour le chauffage d'installations de lavage, dégraissage, décalaminage, bains-marie, etc.... REWENDICATlONS 1 - Capteur solaire à usage domestique et industriel caractèrisé en ce qu'il utilise le phénomène de concentration optique du rayonnement solaire, en sus de l'exploitation classique du captage par absorption et du piègeage par "effet de serre". 2 - Capteur solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que la concentration optique est obtenue par la présence sur le dessus du capteur d'un concentrateur en verre revêtant l'aspect d'une vitre ondulée dont les ondes disposées dans le sens des tuiles d'une toiture avec lesquelles elles doivent normalement s'harmoniser, constituent des dioptres parallèles qui, si ils sont convenablement exposés perpendiculairement au plan zénithal moyen, concentrent le flux solaire en lignes/foyers continues sur le réseau de conduits du fluide caloporteur qui lui est associé. 3 - Capteur solaire selon la revendication 1 ou 2 carac térisé par l'fltilisation pour le réseau de circulation de fluide caloporteur de tubes métalliques parallèles, diposés aQ foyer de chaque diopte de l'élément optique et présentant une section en "anse de panier" dont la largeur est fonction du balayage effectué par le linéament image du soleil dans sa course journaliOre. 4 - Capteur solaire selon l'une des revendications qui précèdent caractérisé en ce que présenté dans une version simplifiée dont le fond isolé thermiquement est remplacé par une vitre et dont les éléments du "corps noir", reliant les tubes entre eux sont exclus, est destiné à assurer tout à la fois l'éclairement des locaux industriels en lumière "froide" et la fourniture d'un apport calorifique au moins égal à celui collecté par les capteurs ordinaires.