Brevet FR2522397A1 — publié le 19830902

Le capteur solaire faisant l'objet de l'invention est conçu afin que l'air,vecteur de la chaleur captée,circule essentiellement à l'intérieur du corps du capteur après avoir été puisé de préférence à l'extérieur,Le corps du capteur est constitué par des matériaux transparents, translucides et/ou opaques perméables à l'air, et ces matériaux qui captent le rayonnement le transmettent directement ou indirectement à l'air vecteur de chaleur par convection,qui est recueilli à l'arrière du capteur. L'avantage de ce dispositif est de réduire la température du vitrage à travers lequel le rayonnent est reçu.Cette température sera, suivant la perfection Cet avantage d@vient primordial au coeur de l'hiver,les capteurs classiques ayant alors des rendements très faibles,liés aux basses températures extérieures et aux conditions atmosphériques (vent,notamment) qui favorisent les pertes par convection. La chaleur ainsi captée pourra être utilisée en vue d'assurer le chauffage des locaux,notamment en employant l'air chaud afin d'assurer la ventilation des locaux. Si la température de l'air sortant des capteurs est suffisante,il pourra assurer le chauffage seul.Il sera également possible d'utiliser cette température élevée dans des batteries ou par d'autres moyens en vue de réchauffer l'e@u d'un chauffage ou l'eau chaude sanitaire. Les figures 1 , 2 , et 3 représentent un mode de réalisation de l'invention.Les figures 1 et 2 montrent un capteur isolé, vu en coupe transversale et en plan.La figure 3 montre un ensemble de capteurs en place. Le corps du capteur est constitué par un cadre rectangulaire (1) calorifugé extérieurement (2).Les faces (3) et (4) du corps du capteur sont constituées par un grillage dont les maill@s sont dimensionnées afin de maintenir en place les matériaux placés à l'intérieur du capteur, tout en permettant le passage facile de l'air.Ce grillage peut être en métal, en matière plastique,ou autre.Il peut consister en un grillage classique, en un métal déployé, ou an une tôle trés largement perforés. A l'intérieur du cadrs,entre les faces grillagées sont entasées les matériaux/destinés à intercapter le rayonnement et transmettre la chaleur ainsi obtenu à l'air.Ces matériaux peuvent être de nature uniforme,ou au contraire différenciés suivant,par exemple,qu'ils sont plus OU Joins proches de la face avant du capteur. La figure 1 montre une réalisation dans laquelle deux couches de matériaux se succédent,l'une (5) constituée par des matériaux transparents qui laisseront passer une partimportante du reyonnaient (par exemple 70 à 80 % de celui-ci),cependant que le couche (6) sera constituée par des matériaux opaques dont les caractéristiques de surface seront très proches du corps noir,et pourrant,en outre être irrégulières (rainures,saillies etc..) favorisent ainsi l'absorption du rayonnement et l'échange par convection. Les deux couches (5) et (6) pourront séparées par un grillage ou simplement soig eusement mis s en place à la fabrication et bloquées entre les faces (3) et (4).Il peut également être prévu trois couches ou plus. Le matériau employé doit être convenablement perméable au passage de l'air.Il doit être fabriqué et mis en place afin que l'air soit contraint à de fréquents changements de direction afin d'améliorer le coefficient de convection.A titre d'exemple,les anneaux dits de Raschig sont susceptibles de constituer un excellent matériau de remplissage,qu'ils soient complets,c'est-à-dire fermés,ou ouverts. Dans le @a cas de deux couches,les anneaux pourront être en verre (ou en une ma- tiere plastique sensiblement équivalente quant à le transparence),pour la couche (5),le couche (6) étant an anneaux noirs nervurés,on matiére plastique en général. La face (3? exposé' au rayon@ement solaire est protéSé- par un vitrage (7) qui délimite avec elle un volue de section trapèzoïdale, l'extrêmité fermée (8) étent très étroite et l'autre extrêmité (9) plus largement ouverte.Ce vitrage peut dépasser le cadre du capteur,au dessus de l'ouverture (9) la dimension de la partie qui dépense (10) étant fonction de la pente du capteur et des conditions métórologiques du site,l'objectif étant d'éviter au mieux les entrées d'eau de pluie ou de produits végetaux ou autres. L'ouverture (9) pourra être équipée également d'un dispositif @@, (grillage,aubes directrices, filtres etc..) destiné à i te@dire les entrées @accidentelles d'eau ou de corps étrangers.Dans certains cas,il ser@ prévu une alimentation d'air centralisée à partir d'un distributeur éventuellement précidé d'un système de filtrage et d'un ventilateur.L'extrémité (9) sera alors formée. L'air réchauffé dans le corps du capteur sort par la fase (4) et est recueilli dans un coffrage (11) bien calorifugé (12).Il est ensuite évacué par les gaines (13).La circulation de l'air peut être assurée par un ventilateur situé en aval (non fi Jure ui rassemble l'air venu des différentes unités de capteurs en vue de son utilisa- tion.Le filtrage dc l'alr,s'il est nécessaire,est assuré,sont en amont grace aux éléments filtrants placés dans l'ouverture (9) et mentionées ci-dessus,soit en aval,de façon classique. L'ensemble des éléments constitutifs du réseau sera calculé,sauf dans des cas particuliers,afin de maintenir les corps des capteurs eh légère dépression. Les figures 1 , 5 et 6 représentent un autre mode de réalisation de l'invention.Le flux d'air traverse toujours le corps du capteur transversalement,mais pour une fraction suelement,les autres fractions -du flux passant par des ouvertures ménagées aux deux extrèmités du capteur. La figure4,coupe transversale du capteur,montre que le grillage (4) du cas précédent disparait et se confond avec le coffrage (11). L'air pénètre toujours par l'ouverture (9).Celle-ci comporte un aubage (15) destiné à doser de façon permanente (lors du montage ou lors d'une mise au point) le quantité d'air qui s'engage dans le distributeur (16) et traverse ensuite longitudinalement le corps du capteur pour aboutir au collecteur (17).Le reste de l'air s'engage dans l'espace compris entre le vitrage (7) et le grilage (3).Il est partiellement aspiré vers le corps du capteur à travers le grillage (3), la fraction restante aboutissant au collecteur (17) à travers un dis~ positif de réglage (18) aui en limite le débit permanent.L'air est ensuite collecté comme précédemment par les tubes (13) et collecteurs (14). La figure 5 représente le même capteur en vue horizontale avant pose.La figure 6 montre un ensemble de capteurs en place. Dans une variante de ce dernier mode de réalisation,le grillage (3) est remplacé par un vitra3e (verre ou ulastique équi.valent) la fraction de l'air aspirée par (3) s'annulant,et la totalité du flux pansant par les ouvertures (i6) et (17). Le fonctionnement d'une batterie de capteurs solaires ne permet pas d'assurer,à elle s@ule,le chauffage d'un batiment,même dans les conditions les plus favorables, sauf au prix d'investissements totalement inco@@atibles avec l'économie annuelle réalisée.La rentabilité de l'installation exige que les capteurs soient asscciés à une autre source d'énergie.Celle-ci sera choisie de préférence parmi les énergies stockables ou renouvelables.Une pompe à chaleur utilisant,à l'évaporateur,la chaleur obtenue pa@ refroidissement de l'air extérieur,ou, mieux, refroidissement de l'air extrait du batiment, ou encore la chaleur extraite d'un stockage saisonnier, constituent des exemples de solutions ne faisant appel qu'à un minimum d'énergie traditionnelle. Cette combinaison ne peut être étudiée que sur un cas pratique. Soit une villa de 100 m2 habitables, volume 250 m3, avec G=1 W/h.m3 sise dans la région de Perpignan, équipée avec les capte@rs décrits ci-dessus, pente 33 % (pente peu favorable, mais qui correspond aux pentes de toitures de la région) : avec 14 m2 de surface de captage. Le renouvellement d'air normalement admis sera dq 250 m3/h, soit environ 18 m3/h par m2 de capteur.Le rayonnement incident varie de 66 kWh/m2.mois (Décembre) à 217 kWh/m2.mois (Juillet) pour la pente définie, soit en moyenne, pour les périodes diurnes, au m2, 230 W en Décembre et 480 W en Juillet.En fait l@ flux variera d? 100 à 350 W en Décembre et de 100 à 900 W en Juillet. Si le rendement des captures était de 100 %, l'air s'échaufferait de 16 à 57 C en Décembre, et de 16 à 147 C en Juillet. Dans la pratique et avec le volume d'tir admis,le rendement moyen sera de 0,8 en hiver et de 0,5 à 0,6 en été.Une augmentation du débit estival,ramenant l'élévation de température à 70 ou 75 C permettra d'obtenir un rendement d'été de 0,70 en moyenne. Dans ces conditions,l'air sera réchauffé de 13 à 46 C en Décembre et da 13 à 52 C en Juillet.Il sera toujours utilisable en hiver en vue d'assurer la ventilation des locaux chauffés, au prix, parfois d'un léger réchauffage.Il permettra même, très fréquemment, d'assurer la totalité des besoins thermiques. En été,les cepteurs permettront d'assurer le remplissage d'une installation de stockage saisonnier,ainsi que la satisfaction partielle des besoins d'cau chaude sanitaire. La pompe à chaleur d'appoint récupèrera les calories correspondant au refroidissement de l'air extrait du batiment de 20 à 8 C.Avec un coefficient de performance de 4 ,une surpuissance installée de 10 %, et la récuperation de 75 % de l'énergie du compresseur,l'apport de la pompe à chaleur sera de 0,75 x 1,1 250 x 0,34 x 12 x ( 1 + ) = 1 230 W 4 soit 836 kWh pour 30 jours. Le bilan mensuel de la ville pour les mois d'hiver (durée ramenée uniformément à 30 jours) s'établit comme suit,en kWh / mois,d'abord en négligeant la préparation d'eau chaude sanitairs,puis en incluant celle-ci (évaluée à 200 kWh/mois) Mois Octob Novem Décem Janvi Févri Mars Avril Besoins 208 1 040 1 588 1 795 1 625 1 077 586 sens EC Capteurs 1 364 993 739 809 1 145 1 569 1 781 P A C 0 47 849 885 480 o 0 Déficit 100 Besoins 408 1 240 1 788 1 995 1 825 1 277 786 avec EC P A c 0 O 247 886 886 680 Q o Déficit 163 300 Ces tableaux montrent quc la pop à chaleur est utilisés théoriquement 1840 ou 2195 heures (à pleine marche) suivant le cas.En réalité le temps de @arche est nettement plus élévé, par suite du gaspillage de l'énergie solaire notamment lorsque la température est modérée et l'ensoleillement @diocre,et,par exemple 2 500 ou 3000 heures. Le déficit est de 100 ou 463 kWh théoriquement, et en fait de 500 ou 1000 kWh environ par hiver. Ce calcul doit être complété par l'examen des chiffres pendant une période de froids excepticnnels,soit (après controle statisque) cinq jours consécutifs dont la température moyenne serait de +2 C, avec ensoleillement faible (1 000 watts/jour). Les besoins sont alors, pour les 5 jours, de 530 kWH env, et les ressources de 56 + 148 = 204 kWh, avec un déficit de 326 kWh. Ce déficit,dans la pratique se confond avec le déficit de 1 000 kWh,mais sous réserve d'un niveau de température suffusant (préparation de l'eau chaude et chauffage par grands froids). Sous ce rserves,le déficit sera facilement comblé par recours@à un stockage saisonnier. La quantité de chaleur r@çue par les capteurs au cours des cinq mois d'été par rayonnement est de 12 908 kWh.Après réchauffage de l'eau chaude, et avec un rendement de 0,7 plus de â 000 kWh sont disponibles pour le stockage, et quelles que soient les portes même en l'absence de tout calorifuge, la quantité de chaleur nécessaire en vue d@ compenser le déficit hivernal existera au moment voulu. L'intéret de catts analyse (qui pourrait être refaite pour la plupart des sites en France) est de démontrer les avantages im@édiats d'un rendement élevé des capteurs en hiver,mais surtout de faire reasortir le problème posé par la température de l'air à la sortie des ca# teurs,problème lié au rendement, d'abord,mais aussi au débit de l'air. Or,dans l'exemple décrit,il est facile de faire varier ce débit.Par réduction,ce qui va sens dire,mais aussi par augmentation, celle-ci n'entrainant aucun gaspillage,puisque tout@ l@ chaleur de l'air est récupérés, pratiquement jusqu'au niveau (+8 C) de la température moyenne journalière du mois le plus froid (7,5 C). Il existe d'autres moyens d@ relever l@ temperature de l'air à la sortie des capteurs en réduisant la surface de ceux-ci par utilisation de miroirsmais ces procédés, déja connus,ne sont pes analysés ici. La variation du débit d'air entraine une autre conséquence im@ portante liée à la vitesse de l'air et par conséquent au coefficient de transmission de la chaleur pas convection. Dans la prèmiere forme de réalisation (figure 1) la vitesse de l'air est faibel dans la traversée du corps du capteur et la température des matériaux s'élèvera,favorisant les pertes par rayonnement vers le vitrage.Le flux d'air léchant celui-ci, qui récupère (en partie) non seulement la chaleur reçue par rayonnement,mais celle qui a été ah sorbée à l'entrée du rayonnement (perte@ optiques) joue donc un rôle capital et son débit doit être réglé,notamment oar diminution des pertes de charge dans le corps du capteur q l'extrèmit@ (8). Dans le deuxième forme de réalisations (figure 4) la vitesse de l'air, dans le corps du capteur, tout en restant faible, sera de 5 à 10 fois plus élevée, et le balayage du vitrage pourra être effectué avec une quantité d'air moins importante. Les capteurs solaires décrits sont donc caractérisés par les dé- tails de conception déja énumérés,mais aussi par l'intéret que représente leur association avec un dispositif de récupération de chaleur sur l'air extrait qui peut, en combinaison avec les systèmes-de réglage des débits, en re@mettre l'utilisation optimale. REVENDICATIONS 1.- Capteur solaire à air,caractèrisé par ce au te flux d'air vecteur de chaleur,traverse le corps du capteur longitudinalement ou transversalement,le corps du capteur étant constitué à l'aide de m@té- riaux perméables au flux d'air,transparents,translucides et/ou opa ques,ce matériaux étant bloqués à l'intérieur d'un cadre (1),entre deux parois dont l'une (3)orientée vers le rayonnement,est protégée par un vitrage (7) et dont l'autre (4) opposée à (3) est au reins par tiellement perméable au flux d'air,ce flux pénétrant dans le capteur par une ouverture (9),entre vitrage et proi (3),traversant ersuite a paroi (3) peur parcourir le corps du capteur (5) et (6),y absob- bant,par convection la chaleur caprée par les matériaux du corps grace au rayonnement,et ressortant du corps du capteur pour être re@@@ cueillie dans un coffrage(11)en vue de l'utilisation de sa chaleur. 2.- Capteur selon la revendication 1 caractérisé ,dans un premier mode de réalisation,par ce que le vitrage crée,avec la face (3) du capteur,un volume d'air de section transversale décroissante de l'en trée (9) vers l'autre extrémité (8) entrainant une pénétration de l'air aussi régulière qua possible dans le corps (5) par la face (3),entuè rement perméable à l'air.La face arrière (4),également perméable à l'air permet à l'air de parvenir au coffrage (11),étanche,dont la section transversale est progressivement croissante,favorisant une ré partition régulière du flux d'air dans le capteur. 3.- Capteur selon la reve-dication i caractérisé,dans un autre mode de réalisation,par l'existence,aux deux extrèmités du corps du capteur,d'un distributeur et d'un collecteur d'air dans lesquels la résistance à l'air est pratiquement nulle.Une part du flux d'air entré par l'orifice (9) passe dans le distributeur et parcourt longitudina- lement le corps du capteur pour aboutir au collecteur (18),le reste du flJx passant au sus de la paroi (3).Une fraction de l'air est aspi rée à travers la paroi (3),plus ou moins perméable à l#air,et une autre ftaction aboutit directement au collecteur après avoirléché le vitra ge sur toute sa surface.Les trois fractions,rassemblées dans le col lecteur,sont ensuiteecploitée comme précédemment. 4.- Capteur selon les revendications i 2 et 3 dans lequel un dis positif de protection contre les entrées d'eau ou de matières étran gères est disposé devant l'ouverture (9) dispositif constitué par une prolongation du vitrage au dela du corps du capteur (10) complété,ou non par un système d'aubages,de filtrage et/ou de rég age. 5.- Capteur selon les revendications 1 2 et 3 dans lequel l'a- limentation de l'air est obtenue grace à un reseau de canalisation associé à un ventilateur (éventuellement à un filtre) et/ou dans leouel le départ e l'air est réalisé à l'aide d'un ensemble similaire l'ensemble tant coq afin que le corps des capteurs soit toujours en légère dépression 6.- Capteur selon les revendications 1 2 et 3 caractérisé par le choix,pour le corps du capteur de matériaux transparents et/ou translucides et/ou opaques présentant,par unité de volume,une surface d'échange maximale 7.- Capteur selon les revendications 1 2.et 6 caractérisé par le fait que le rayonnement frappe d'abord,les matériaux transparents éventuellement ensuite des matériaux translucides,avand d'être complètement absorbé par les matériaux opaques. 8.- Capteur selon les revendications I 2 3 et 6 caractérisé par le choix de matériaux de dimensions différentes permettant, par la résistance graduée qu'ils opposent au passage de l'air,d'optimiser la répartition du flux dans les corps du capteur. 9.- Capteur selon des revendications précédentes dans lequel lo matériau employé,transparent ou non,est constitué en tout ou partie par des anneaux dits de Raschig fermis ou ouverts, 10.- Capteur selon les revendications 1 2 et 3 dans lequel l'ou- verture 9 est munie d'une aube directrice réglable en vue de limiter et/ou d'orienter le débit de l'air. 11.- Capteur selon les revendications 1 et3 dans lequel des dispositifs d: réglag par aubage ou autres,permettent d'agir sur la répartition du flux d'air dans les différents parcours. 12.- Capteur selon les revendications 1 et 3 dans lequel la paroi 3 est remplacée par une paroi transparente (verre ou matériau ayant la m3me transparerce).,de telle sorte qur le flux d'air ne dispose que de deux parcours possibles aboutissant aux orifices (16) et (17). 13.- Association d'un ensemble de caters réalisés suivant üne ou plusieurs des revendications précédentes et d'un système de pompes à chaleur alimenté, évaporateurs par l'air extrait des locau@ chauffés par les capteurs, le chauffage étant du type "à air chaud",et les caractéristiques de débit et de température étant coordonnées entre les deux dispositifs afin d'assurer le meilleur rendement global,et d'éviter tour gaspillage d'énergie thermique.