Brevet FR2514874A1 — publié le 19830422

L'invention est relative à un appareil capteur de l'énergie solaire Les appareils capteurs de l'énergie solaire peuvent être rangés essentiellement dans les caté- gories suivantes: système usuel de conversion indirecte, utilisant une membrane d'absorption sélective de la chaleur système de conversion directe dans lequel une substance ayant d'excellentes caractéristiques d'absorption de la chaleur est utilisée comme fluide d'absorption de la chaleur fondé sur un nouveau concept,fluide sur lequel les rayons du soleil sont dirigés directement pour recueillir la chaleur de ceux-ci; système à tube de chaleur; etc Le système de conversion indirecte est fondé sur le principe que la chaleur recueillie par la membrane d'absorption sélective de la chaleur est transmise au fluide par conduction thermique; il n'a pas un rendement excellent et il est peu avantageux en matière de coûts car il exige des investissements élevés pour fabriquer la mem- brane d'absorption sélective de la chaleur. De son côté, le système à tube de chaleur est plus coûteux que le système de conversion indirecte et il est difficile de dire que ce système soit rentable au point de vue commercial. En revanche, dans le cas du système de conversion directe, la chaleur solaire est absorbée directement par le fluide d'absorption de la chaleur et il n'y a donc aucun motif pour occasionner les pertes de chaleur, dues à la transmission de la chaleur etc, qui se produisent dans le système de conversion indirecte. L'efficacité de la captation de l'énergie solaire de ce système de conversion directe dépend largement des caractéristiques du fluide d'absorption de la chaleur. Des exemples préférés du fluide d'absorption de la chaleur sont décrits dans la demande de brevet japonais n' 56-108854, ainsi que dans la demande de brevet correspondante des Etats- Unis déposée le 14 juillet 1982 et cédée à la déposante de la présente demande. Le fluide d'absorption de la chaleur décrit dans les susdites demandes de brevet japonais et des Etats-Unis comprend: (a) un fluide de dispersion choisi dans le groupe consti- tué par le propylène glycol, un mélange de propylène glycol et d'eau, un mélange de propylène glycol, d'eau et de gly- cérine,et un mélange de glycérineet d'eau, (b) un dispersant choisi dans le groupe constitué par le polyvinylpyrrolidone, le caramelet un mélange de polyvinylpyrrolidone etde caramel, et (c) du charbon actif en poudre, en tant que matière colorante noire. L'invention a donc pour but de fournir un appareil capteur de l'énergie solaire qui soit de cons- truction simple mais qui donne un rendement amélioré à la conversion de l'énergie solaire. L'invention a également pour but de fournir un appareilcapteur de l'énergie solaire, du type à conversion -directe, qui puisse éliminer les pertes de chaleur qui se produisent dans le cas des appareils du type à conversion indirecte. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu un appareil cajteur de l'énergie solaire comprenant: une boîte plusieurs groupes de tubes capteurs de l'énergie solaire, disposés en parallèle l'un par rapport à l'autre dans la boite, chaque groupe de tubes comprenant un tube extérieur transparent et un tube intérieur monté dans le tube extérieur de façon que le bas de sa face extérieure soit en contact avec la face intérieure du tube extérieur, les deux extrémités du tube intérieur étant fermées tandis que les deux extrémités du tube extérieur sont ouvertes, un passage de fluide étant ainsi fcmé entre les tubes intérieur et extérieur; et deux collecteurs montés dans la boite, l'un des collecteurs étant relié à l'une des extrémités de chacun des tubes extérieurs tandis que l'autre collec- teur est relié à l'autre extrémité de chacun des tubes extérieurs, ce grâce à quoi un fluide capteur de l'éner- gie solaire, de couleur noire ou sombre, est capable de circuler dans lesdits passages de fluide. De préférence, une plaque transparente, de préférence en verre, est montée sur la boite de façon à enfermer dans celle-ci les groupes de tubes capteurs de l'énergie solaire De préférence encore, les groupes de tubes capteurs de l'énergie solaire sont disposés à l'écart l'un de l'autre dans la boîte qui les enferme. Ces buts, caractéristiques et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, apparaîtront encore mieux à la lecture du complément de description qui suit et qui est illustré par les dessins annexés. La figure 1 représente, en perspective, un appareil capteur de l'énergie solaire établi conformément à la présente invention. La figure 2 A représente, en coupeschématique, un agencement de groupes de tubes capteurs de l'énergie solaire, dans lequel les groupes de tubes sont écartés les uns des autres. La figure 2 B est analogue à la figure 2 A mais montre un autre agencement de groupes de tubes dans lequel les groupes de tubes sont successivement au contact les uns des autres. La figure 3 est un graphe montrant le rendement de la captation de l'énergie solaire dans deux modes de réalisation différents de la présente invention, en comparaison avec un dispositif connu. Les figures 4 et 5 montrent, respectivement en coupe longitudinale et en perspective avec parties coupées, une partie d'un groupe de tubes capteur de l'énergie solaire conforme à la présente invention. Les figures 6 et 7 montrent, respectivement en coupe longitudinale et en plan, un groupe de tubes capteur de l'énergie solaire, selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 8 est une coupe transversale selon la ligne VIII-VIII de la figure 7. Oe La figure 9 montre, en coupe longitudinale, un groupe de tubes capteur de l'énergie solaire, selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, et un collecteur fait d'un matériau souple. La figure 10 représente, en coupe, un autre mode de réalisation de la présente invention, utilisant des tubes intérieurs et extérieurs dont la section droite est de forme elliptique. La présente invention va être maintenant décrite plus en détail à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés. Si l'on se reporte tout d'abord à la figure 1, il y est montré, par une vue d'ensemble en perspective, un appareil capteur de l'énergie solaire conforme à la présente invention Plusieurs groupes 1 de tubes capteurs de la chaleur sont disposés côte à côte dans une boîte 10, les deux extrémi- tés des groupes 1 étant reliées respectivement à deux collecteurs 7 La face supérieure de la boîte 10 est fermée par une plaque transparente Il en verre ou en matière plastique et les surfaces latérales et inférieure de cette boîte 10 sont de préférence revêtues de pellicules d'étain en vue d'améliorer le rendement de leur réflexion. La figure 2 A montre, en coupe transversale, les groupes 1 de tubes capteurs de la chaleur de la figure 1, qui sont écartés les uns des autres et dont chacun comprend un tube extérieur 2 et un tube intérieur 3 La figure 2 B montre un autre exemple d'agencement dans lequel les groupes de tubes capteurs de la chaleur sont placés au contact les uns des autres. L'appareil capteur de l'énergie solaire conforme à l'invention et ainsi construit a prouvé qu'il était capable de capter l'énergie solaire dans le domaine de fonctionnement normal avec un excellent rendement qui n'avait pu être atteint jusqu'ici Si l'on se reporte à la figure 3, il y est montré une comparaison entre l'appareil capteur de l'énergie solaire conforme à la présente invention et l'appareil capteur de l'énergie usuel du type à plaque plate et à membrane d'absorption sélective A la figure 3, on a porté en abscisse la valeur de (Te Tamb)/I, O Te représente la température (OC) à l'entrée del'appareil capteur de l'énergie solaire; Tamb: la température ( O C) de l'atmosphère am- biante; et I: l'insolation totale (kcal/m heure). On a porté en ordonnée le rendement r j c'est-à-dire Q/I o Q est la quantité de chaleur (kcal/heure) absor- bée par le fluide d'absorption de la chaleur passant dans la surface de captation de la chaleur et I est tel que défini ci-dessus. Les courbes A et B de la figure 3 indiquent le rendement de la captation d'énergie respectivement dans l'appareil de la figure 2 A, dont les groupes de tubes capteurs de chaleur 1 sont écartés les uns des autres, et dans l'appareil de la figure 2 B dont les groupes de tubes capteurs de chaleur sont disposés aucontact les uns des autres. Ainsi qu'il ressort des courbes de la figure 3, le rendement de l'appareil capteur de l'énergie solaire conforme à la présente invention, dans le domaine de fonctionnement normal indiqué par une double flèche horizontale à la partie inférieure de la figure 3, est supérieur à celui (courbe C) del'appareil capteur d'énergie usuel du type à plaque plate et à membrane d'absorption sélective de la chaleur De plus, il ressort clairement de la figure 3 que le rendement énergétique de l'appareil capteur du type à groupes de tubes capteurs écartés les uns des autres (figure 2 A)est supérieur à celui du type à groupes de tubes capteurs disposés au contact les uns des autres (figure 2 B) Ceci est dû au fait que, même lorsque les rayons du soleil tombent obliquement sur les groupes de tubes capteurs, l'appareil peut être utilisé avec efficacité si les groupes de tubes sont écartés les uns des autres Dans le cas de la courbe*"A", le-rendement de la captation d'énergie est supérieur à 1 Ceci est dû' au fait que, lorsque les groupes de tubes capteurs de l'énergie sont disposés à l'écart les uns des autres, même la lumière réfléchie par la surface de fond de la boîte 10 peut être exploitée. Si l'on se reporte maintenant aux figures 4 et 5, il y est montré,respectivement en coupe longitudi- nale et en perspective, l'un des groupes de tubes capteurs de l'énergie Sur cette figure, la référence extérieur 1 désigne un tel groupe formé d'un tube/transparent 2 et d'un tube intérieur 3 Les tubes extérieur 2 et intérieur 3 ont chacun une section droite circulaire, le tube intérieur 3 étant logé dans le tube extérieur 2 avec uncertain jeu 4 par rapport à la surface intérieure de ce tube 2 Le tube intérieur 3 est fermé à ses deux extrémités Le tube intérieur 3 possède plusieurs saillies 5 qui sont formées longitudinalement, à intervalles l'une de l'autre, sur la face supérieure du tube intérieur 3, et dont chacune a une hauteur légèrement plus petite que la dimension du susdit jeu 4 En outre, le tube intérieur 3 possède, en saillie, une butée 6 à chacune de ses extrémités. On a désigné par 7 un collecteur destiné à réunir plusieurs groupes de tubes capteurs 1 Le collecteur 7 possède plusieurs raccords 7 a qui sont reliés respectivement aux tubes 2 à l'aide d'un manchon 8 fait d'une matière flexible telle que caoutchouc et analogue Le tube intérieur 3 est plus long que le tube extérieur 2 et les butées 6, formées aux deux extrémités des tubes intérieurs 3, sont placées à l'intérieur des manchons 8 Chaque butée 6 s'engage dans un cran 9 en saillie sur la face intérieure du manchon 8 Le tube intérieur 3 est ainsi pratiquement empêché de tourner sur lui-même ainsi que de se déplacer dans le sens de sa longueur Il est à noter toutefois que l'engagement de la butée 6 dans le cran 9 est suffisamment lâche pour tolérer de légers mouvements rotatifs et longitu- dinaux du tube intérieur 3. Le mode de réalisation des figures 4 et 5 illustre le cas o le tube extérieur 2 a le même diamètre que le raccord 7 a du collecteur 7 mais, au cas o le diamètre du raccord 7 a serait plus petit que celui du tube extérieur 2, il suffirait de donner au manchon 8 une forme en entonnoir pour que le tube extérieur 2 puisse être adapté directement au raccord 7 a du collec- teur 7. En outre, le tube extérieur 2 peut être fait de verre ou de matière plastique, si celle-ci est trans- parente Toutefois, l'utilisation de verre en tant que matière première est préférable, compte tenu de la durabilité du verre et de sa résistance prolongée aux conditions telles que sa surface extérieure soit exposée à l'air ambiant et que sa surface intérieure soit toujours maintenue en contact avec un fluide calopor- teur Il n'est pas toujours nécessaire de constituer le tube intérieur 3 en matériau transparent, ce tube pouvant en effet être fait de polyéthylène noir et blanc De plus, il n'est pas toujours nécessaire de rendre creux le tube intérieur 3, celui-ci pouvant en effet être plein C'est pour simplifier la description qu'on continuera à le désigner par "tube" dans ce dernier cas. Si l'on se reporte aux figures 6,7 et 8, il y est montré un autre mode de réalisation du groupe de tubes capteur d'énergie l et des raccords de collecteur conformes à la présente invention Dans ce mode de réalisation, en plus de saillies supérieures désignées ici par 5 ', il est prévu des saillies latérales 15 formées longitudinalement sur le tube intérieur 3 de façon à assurer que ce dernier soit maintenu en position fixe dans le tube extérieur 2 Il y a lieu toutefois de noter qu'il n'est pas toujoursnécessaire de prévoir les saillies latérales 15 en vue d'assurer au tube intérieur 3 la stabilité nécessaire De plus, selon ce mode de réalisation, la butée désignée ici par 6 ', n'est prévue qulà l'une des extrémités du tube intérieur 3, l'agencement étant tel que cette butée 6 ' soit engagée dans une encoche 16 formée dans le raccord 7 'a du collecteur 7 ' de gauche Le fait de prévoir la butée 6 ' sur l'une des extrémités seulement du tube intérieur 3 et de rendre libre son autre extrémité a pour but d'absorber la dilatation thermique du tube intérieur. Cependant, il est possible ou même recommandé de disposer des butées 6 ' aux deux extrémités du tube intérieur 3 s'il est prévu suffisamment de jeu pour autoriser la dilatation thermique du tube intérieur 3 entre les endroits o les deux butées 6 ' sont engagées dans les encoches correspondantes 16. On peut modifier le mode de réalisation des figures 6 à 8 en formant les encoches 16 aux deux extrémi- tés du tube intérieur 3 et les butées 6 ' sur le raccord 7 'a de chacun des collecteurs 7 ' De plus si le collecteur est fait de matière souple, il n'est pas nécessaire de prévoir des manchons tels que 8 En effet, les raccords du collecteur souple 7 " peuvent alors s'adapter directement aux deux extrémités du tube extérieur 2 comme montré à la figure 9 La butée 6 ' formée à l'intérieur du raccord du collecteur 7 " s'engage dans l'encoche 16 formée dans le tube intérieur 3 au voisinage de son extrémité, en vue de fixer ce tube intérieur 3 dans le tube extérieur 2. En outre, en vue d'améliorer l'efficacité de la captationde l'énergie solaire, le tube extérieur 2 ' et le tube intérieur 3 ' du groupe capteur 1 ' pourraient comprendre, en section droite, des côtés supérieur et inférieur rectilignes, reliés à leurs deux extrémités par des demicercles comme montré à la figure 10, cette section droite ayant ainsi une allure plus ou moins elliptique Cependant, la fabrication de tubes ainsi conformés exigerait beaucoup de temps et serait donc inévitablement plus coûteuse. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des modes de réalisation particuliers, il est clair que les spécialistes en la matière pourraient apporter à ceux-ci de nombreuses modifications et variante tout en restant dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Appareil capteur de l'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte( 10); plusieurs groupes de tubes capteurs de l'énergie solaire ( 1), disposés en parallèle l'un par rapport à l'autre dans la boite ( 10) , chaque groupe de tubes ( 1) comprenant un tube extérieur transparent ( 2) et un tube intérieur ( 3) monté dans le tube extérieur ( 2) de façon que le bas de la face extérieure du tube intérieur ( 3) soit encontact avec la face intérieure du tube extérieur ( 2), les deux extrémités du tube intérieur ( 3) étant fermées tandis que les deux extrémités de tube extérieur ( 2) sont ouvertes, un passage de fluide étant ainsi formé entre les tubes intérieur ( 3) et extérieur ( 2); et deux collecteurs ( 7) montés dans la boite ( 10), l'un des collecteurs ( 7) étant relié à l'une des extrémités de chacun des tubes extérieurs ( 2) tandis que l'autre collecteur ( 7) est relié à l'autre extrémité de chacun des tubes extérieurs ( 2), ce grâce à quoi un fluide capteur de l'énergie solaire est capable de circuler dans lesdits passages de fluide. 2 Appareil capteur de l'énergie solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes extérieurs ( 2) et intérieurs ( 3) ont chacun une forme circulaire ou elliptique en section droite. 3 Appareil capteur de l'énergie solaire selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun des tubes intérieurs ( 3) porte longitudinalement des saillies ( 5) telles que la hauteur hors tout du tube intérieur ( 3) au niveau de ses saillies ( 5) soit légèrement inférieure au diamètre intérieur du tube extérieur ( 2). 4 Appareil capteur de l'énergie solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce qu'une plaque transparente ( 11), de préférence en verre, est montée sur la boite ( 10) de façon à enfermer dans celle-ci les groupes de tubes capteurs de l'énergie solaire ( 1). Appareil capteur de l'énergie solaire selon la revendication 4, caractérisé en ce que les groupes de tubes capteurs de l'énergie solaire ( 1) sont disposés à l'écart l'un de l'autre dans la boîte ( 10) qui les enferme. 6 Appareil capteur de l'énergie solaire selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des manchons flexibles ( 8) entre l'une des extrémités de chaque tube extérieur ( 2) et un raccord ( 7 a) correspon- dant du collecteur voisin ( 7). 7 Appareil capteur de l'énergie solaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun des tubes intérieurs ( 3) possède une butée ( 6) à chacune de ses extrémités fermées et en ce que chacun des manchons ( 8) porte, en saillie vers l'intérieur, un cran ( 9) propre à recevoir ladite butée ( 6), ce qui empêche chaque tube intérieur ( 3) de tourner et de se déplacer longitudinalement par rapport au tube extérieur ( 2). 8 Appareil capteur de l'énergie solaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun des tubes intérieurs ( 3) possède une butée ( 6 ') au voisinage de l'une de ses extrémités et en ce que chacun des collecteurs ( 7 ') possède des encoches ( 16) propres à recevoir respectivement les butées ( 6 '), ce qui empêche chaque tube intérieur ( 3) de tourner par rapport au tube extérieur ( 2). 9 Appareil capteur de l'énergie solaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun des tubes intérieurs ( 3) possède une encoche ( 16) au voisinage de l'une de ses extrémités et en ce que l'un des collecteurs ( 7 ") comporte des butées ( 6 ') propres à s'engager respec- tivement dans lesdites encoches ( 16), ce qui empêche chaque tube intérieur ( 3) de tourner par rapport au tube extérieur ( 2). Appareil capteur de l'énergie solaire selon la revendication 3, caractérisé ence que chacun des collecteurs( 7 ") est en matière souple et comporte des raccords ( 7 a) faits d'une seule pièce avec cecolleeteur ( 7 "), chaque raccord ( 7 a) -possédant une butée ( 6 ') en saillie vers l'intérieur, et en ce que les tubes intérieurs ( 3) possèdent, à chacune de leurs extrémités, une encoche ( 16) destinée à recevoir une telle butée ( 6 ').