Brevet FR2533019A1 — publié le 19840316

COLLECTEUR SOLAIRE ELEMENTAIRE SOUS VIDE La présente invention concerne un élément absorbant l'énergie solaire. Llle-intéresse également les capteurs, plans ou à concentration, équipés de tels éléments. Les collecteurs sous vide actuels, de for me tubulaire, sont essentiellement constitués par un ou plusieurs tubes concentriques de verre transparent, délimitant entre eux un espace cylindrique ou annulaire, dans lequel on établit un vide poussé. A l'intérieur de cet espace, se trouvent généralement placés les moyens d'absorption et de transfert de l'énergie solaire, qui sont, le plus souvent, constitués par une plaque et des revêtements sélectifs, associ-és à une circulation de fluide caloporteur. Ce type de collecteur solaire sous vide apparaît certainement comme l'un des meilleurs que l'on puisse concevoir. En effet, la température d'équilibre d'un corps, en l'occurence la plaqueradiateur d'un type quelconque de capteur, résulte, à chaque instant, de l'action des trois modes habituels connus de transmission de la chaleur conduction, convection et rayonnement. Or dans ce type de collecteur, l'état de vide élimine pratiquement l'action des deux premières, qui n'est simplement que réduite dans les capteurs normaux à air. De sorte qu'au total, la puissance solaire incidente absorbée par la plaque - radiateur, ne s'équilibre pratiquement qu'avec la puissance infra-rouge rayonnée par celle-ci et avec la puissance utile recueillie par le courant de fluide caloporteur. Si l'on interrompt ce dernier, on se rend alors mieux compte de l'intérêt considérable présenté par l'état de vide, en comparant les températures limites qui s'établissent dans un capteur sous vide (environ 250 C et dans un capteur plan à air (environ 1500 C), en supposant un traitement sélectif de surface identique dans l'un et l'autre cas. Par contre,~si ltétat de vide vient à cesser, le capteur n'étant pratiquement plus isolé, ses performances deviennent naturellement inférieures à celles de l'autre. C'est pourquoi, pour ce type de collecteur solaire, il est primordial de conserver à l'usage la qualité du vide existant à l'intérieur.De même, le revêtement sélectif doit garder durablement ses qualités, qui sont liêes à un bon pouvoir absorbant des radiations lumineuses du spectre visible, et å un bon pouvoir réflecteur des radiations du domaine infra-rouge, afin de limiter au mieux les pertes par rayonnement. Le problème technique majeur actuel, auquel ce type de collecteur solaire est confronté en service, est celui de la dété rioration par choc thermique. Les écarts de température, entre les différentes parties du collecteur, peuvent en effet être importantes et atteindre, on l'a vu précédemment, 2500 C en configuration plane, et même au-delà, lorsque l'élément est placé. au foyer d'un ensemble concentrateur d'énergie solaire. Pour le résoudre, on a recours actuellement, soit, au stade de la fabrication, à des verres spéciaux et à des soudures verre-métal, soit, au stade de l'utilisation, à une régulation climatique. Les inconvénients de ces techniques sont les suivants -- L'usage des verres spéciaux est onéreux, et ne permet pas de résoudre le problème en entier. - Les soudures verre-métal sont de techniques délicates et complexes, car il est nécessaire, d'une part, d'éliminer par chauffage les contraintes résiduelles, et d'autre part, d'éviter de détériorer le revêtement absorbant. En outre, pour conserver durablement le vide à l'intérieur du tube, les matériaux utilisés doivent être non poreux et résister à la corrosion. - Enfin ,la régulation climatique limite le débit et l'écart thermique utilisables du fluide caloporteur.Elle constitue de surcroît, une sérieuse sujétion à la mise en oeuvre. Au total, aucune des techniques précédentes, utilisées conjointement ou isolément, n'apparaît simple et. ne permet de résoudre le problème de façon satisfaisante. Elles interdisent d'autre part l'usage des grands écarts de température à l'intérieur du collecteur, lorsqu'il est placé en position focale. Compte tenu de ce qui précède, le but principal de l'invention est, précisément, de réaliser un modèle de collecteur solaire tubulaire sous vide qui soit affranchi théoriquement des risques de détérioration par choc thermique, quelles que soient les conditions d'utilisation, et notamment sans qu'il soit nécessaire de réguler le débit et l'écart thermique du fluide caloporteur, en configuration de capteur plan ou à moyenne concentration. Un autre but de l'invention est également de réaliser un collecteur solaire-de conception et de fabrication simplifiées, en éliminant notamment le recours aux verres spéciaux et aux techniques de soudure verre-métal, en accroissant par là même sa fiabilité et sa longévité notamment par ce qui concerne la conservation du vide. A cet effet, l'invention concerne un collecteur solaire qui est composé d'une part, au moyen d'une plaquette métallique normale de couleur sombre, absorbant l'énergie solaire, associée à un circuit caloporteur soudé ou serré, et d'autre part, au moyen d'une enveloppe isolante disposée autour de ltensçmble précédent, et elle-même ónst tuée a l'aide de deux tubes de verre borgnes concentriques, soudés à. leur extrémité, et entre lesquels est établi le vide.Ces deux ensembles sont sê- parés par un espace d'air le long du tube intérieur et par un bouchon-manchon isolant et souple à l'extrémité, de sorte qu'il n'existe précisément plus aucun point de contact direct entre le verre de l'enveloppe et le métal de l'absorbeur ou du tube caloporteur, L'espace d'air intérieur, la longueur et l'épaisseur du bouchon d'extrémité, sont calculés pour ménager entre les deux matériaux une zone de transition, thermique et mécanique suffisante, en fonction de l'écart maximum de température que l'on désire supporter sans risques. Celui-ci n'est donc théoriquement plus limité que par la température de ramollissement des matériaux utilisés Ainsi qu'on le voit, dans cette conception, non seulement aucune soudure verre-métal n'apparaît nécessaire, mais encore l'enveloppe isolante constituée par les tubes de verre concentriques ne contient elle-même aucun élément métallique susceptible d'altérer par dégazage ultérieur la valeur du vide. Sa longévité s'en trouve fortement accrue, son prix de revient diminué, et son remplacement facilité. La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un tel collecteur solaire. La figure 2 expose le schéma de fonctionnement général d'une dilatation du tube intérieur de verre, et fait apparaître le rôle répartiteur des tensions et des températures du bouchonmanchon isolant. La figure 3 montre une variante de la forme de ce dernier ainsi qu'une variante de la forme de l'ensemble absorbeur-caloporteur, étant précisé que celles-ci sont indépendantes l'une de l'autre, et que par exemple le bouchon-manchon représenté sur les figures 1 et 2 peut fort bien être utilisé avec le type d'absorbeur-calopGrteur représenté sur la figure 3 et vice-versa. Comme le montre la figure 1 , llInven- tion a pour objet un collecteur solaire comprenant un tube de verre 1 ordinaire, sodocalcique ou de borosilicate, ou encore de composition spéciale pour résister à de très hautes températures, formant enveloppe extérieure, d'un diamètre et d'une longueur quelqonques, fermé en cloche à une extré mité 2 ' , et soudé par l'autre 3 à un second tube de verre 4 concentrique et intérieur au premier, de même nature que lui, terminé également en cloche et d'un diamètre inférieur, ménageant un espace annulaire 5 dans lequel un vide de 5 10 - 3 Torr, ou plus poussé, est établi.Un support 6 intérieur, constitué d'un fil souple calibré d'acier inoxydable peut, facultativement, être disposé entre les deux tubes de verre 1 et 4 précédents, près de l'extrémité 2 - Le collecteur solaire est, en tout premier lieu, caractérisé par le fait qu'à l'intérieur 7 du second tube de verre 4 précédent, prend place l'ensemble consti-tué de l'absorbeur plan sélectif 8 et du dispositif caloporteur 9 .La forme de cet ensemble 8 - 9 est d'ailleurs quelconque, et ne constitue pas en elle-même une revendication, exception faite de la forme particulière représentée par la figure 3 .Par contre, et en second lieu, le collecteur solaire est caractérisé par la présence du volume d'air 10 entourant complètement l'ensemble absorbeur - caloporteur 8 - 9 en étant destiné à jouer le rôle d'amortisseur thermique entre, d'une part, cet ensemble 8 - 9 et d'autre part le tube de verre intérieur 4 qui n'ont, de ce fait, aucun point de contact direct en ligne. - - Le collecteur solaire est également caractérisé par le bou- chon-manchon 11 , souple, isolant, diviseur de températures, qui obture l'espace d'air 10 à l'extrémité 3 . Ce bouchon est réalisé en caoutchouc aux silicones, ou, de préférence, en fibres minérales souples et compressées, résistant à de plus hautes températures et-possédant un meilleur pouvoir isolant ; pu enfin en verre cellulaire ajoutant aux qualités précédentes celle de non hygroscopicité. Il est traversé par le tube caloporteur 9 qu'il isole du tube de verre intérieur 4 de tout contact direct.Son rôle est, d'autre part, de ménager à I'.extrémfté 3 du collecteur solaire une variation continue et régulière de température entre les points a intérieur et b extérieur, repérés respectivement sur la face interne du tube de verre 4 intérieur, et la face externe du tube de verre extérieur 1 La longueur X1 et l'épaisseur X2 du bouchon 11 sont également calculées pour que l'écart critique de température du culot à l'extrémité 3 soit convenable, entre les points b et c ; le point c étant repéré sur la face interne du culot. Cet écart de température n'est lui-même qu'une fraction de l'écart de température qui existe entre les points a et b précédents. Enfin l'élasticité du bouchon 11 permet, à l'extrémité 3 , au tube intérieur de verre 4 de répartir sa dilatation radiale, d'une façon linéaire suivant la zone console a, b, dont la longueur X1 est également établie en fonction des contraintes maximales correspondantes, admises en service, augmentées des contraintes mé- caniques dues au vide 5 et au poids propre du tube 4 et de l'ensemble 8 - 9 On trouvera avec la figure 2 un schéma exposant le fonctionnement général en didatation de ce disposotif, lorsqu'un écart de température Ti - Te existe entre le tube intérieur 4 et le tube extérieur 1 0 Le même raisonnement s'applique au cas de la contraction. A titre d'exemple, un collecteur solaire, constitué par des tubes de verre de longueur 1,5 m et de diamètres respectifs 60 mm et 50 mm, nécessite une longueur de bouchon théorique X1 (a, b) de 10 cm environ et une epaisseur X2 = 1-cm environ, dans le cas où le bouchon est réalisé en fibres minérales de conductivité thermique utile = 0,1 W / m2 / m / C, pour absorber un écart thermique total entre les points a et b de 300 0 C environ, et entre les points b et c de 30 OC environ, avec un coefficient général de sécurité égal à 2. A noter que pour supporter un écart plus important dans les mêmes conditions, il suffit d'augmenter les dimensions X1 et X2 du bouchon.Enfin le montage de ce dernier est facilité par sa constitution en deux moitiés hémicylindriques, symétriques par rapport à un plan diamétral passant par 9 . Un anneau élastique 18 peut également être utilisé provisoirement au cours de ce montage. La figure 3 montre une variante du même système de protection du culot auchoc thermique par bouchon-manchon souple, isolant 11 , dont la forme enveloppe complètement le culot 3 par l'extérieur, au-delà du point b jusqu'au point d . Dans cette forme, la longueur X1 13 et 19 - Le collecteur solaire est aussi caractérisé par un support 12 , souple, réalisé dans la même matière que le bouchon 11 , et situé à l'extrémité 2 du collecteur, entre le tube de verre intérieur 4 et l'ensemble absorbeur-caloporteur 8 - 9 , qu'il guide et isole de tout contact direct avec le tube. Un orifice 13 , de forme ov-ale, est ménagé dans le support 12 pour le passage de l'air lors de la mise en place du tube 1 - 4 .Cotte dernière opération est d'autre part facilitée par un jeu suffisant, qui est ménagé entre le tube de verre 4 et les éléments isolants 11 et 12 précédemment définis. Pour mémoire, notons que la face supérieure de l'absorbeur est normalement sélective, absorbante, pour le domaine visible, et réfléchissante, pour le domaine infra-rouge. De même, la face inférieure de l'absorbeur non exposée au rayonnement solaire est réfléchissante au rayonnement infra-rouge et constituée de métal poli (par exemple du cuivre), de façon a limiter les pertes arrière par rayonnement infrarouge. - Dans le même but le collecteur solaire est, d'autre part, caractérisé par la présence d'une seconde surface réfléchissante aux infra-rouges, disposée en regard de la face inférieure de l'absorbeur, et constituée par un dépôt métallique a haut pouvoir réflecteur, placé, soit sur la face dorsale externe 14 du tube enveloppe 1 , où ce revêtement est lui-même protégé des intempéries par un vernis spécial, soit sur la face interne 15 du tube de verre 4 ; soit même sur les deux faces 14 et 15 simultanément. De même, il est possible de revêtir la face supérieure externe 16 du tube 1 , ou la face interne 17 du tube 4 , d'un dépôt sélectif transparent, renforçant l'effet de celui déjà déposé sur la face supérieure de l'absorbeur 8 . La figure 1 rEcapi- tule ces dispositions. Outre un gain thermique -important, celles-ci permettent d'éviter la présence à l'intérieur de l'enceinte sous vide 5 , d'aucun élément, ou dépôt métallique, dont le dégazage latent pourrait compromettre à long terme, la qualité du vide. Enfin, ces dispositions ont l'avantage de simplifier considérablement la fabrication de l'ensemble sous vide 1 4 5 , et d'en faciliter la mise en oeuvre et le remplacement, comme pour tous les autres éléments du collecteur solaire ainsi constitué - Le collecteur solaire est également caractérisé par un ensemble absorbeur-caloporteur de forme très simple, représenté sur la figure 3 .Il comprend un tube en U 9 , réalisé en tube métallique coudé, incorrodable, de cuivre, d'aluminium, d'acier traité, ou d'acier inoxydable, provenant des séries normalisées courantes de la fabrication industrielle, ou des séries spéciales à forte épaisseur de celle-ci, lorsqu'il s'agit de transporter de la vapeur sous forte pression. Les diamètres retenus pour ce tube 9 sont aussi petits que possible afin de limiter son inertie thermique. Tout le- long du tube en U est fixé, par simple pression et emboîtement manuel, sans soudure ni rivetage aucun, l'absorbeur plan 8 , pré form8, clui est lui-même constitué de plaquettes embouties, matricées ou forgées, de longueur X3 adaptée aux capacités de production industrielle. Ces plaquettes sont découpées dans des tôles de faible épaisseur, en métal poli, incorrodable, de même nature que celui du tube 9 , ou en association électrolytiquement neutre comme acier-cuivre, et provenant également des séries courantes normalisées de la production industrielle métallique, choisies cependant dans les nuances "poli très brillant" afin de constituer en sous-face un bon réflecteur infra-rouge, sans nécessiter d'autres revêtements ou traitements particuliers. La face supérieure des plaquettes reçoit un revêtement sélectif, par exemple au chrome noir. L'épaisseur de la tôle est choisie aussi fine que possible, pour diminuer, au mieux, -l'inertie thermique de la plaquette et permettre a l'ensemble absorbeur-caloporteur 8 - 9 de réagir au premier rayon solaire incident, par une montée très rapide 'en température.Cette épaisseur est toutefois suffisante pour conserver aux plaquettes, un effet de ressort souple, assurant une pression constante sur une partie hémicylindrique du tube caloporteur 9 , quelle que soit la température, en garantissa0inr lan bon contact mécanique, une excellente conduction calorifique de l'énergie solaire absorbée. L'ensemble de ces dispositions est destiné faciliter la fabrication et le montage de l'ensemble absorbeur-caloporteur 8 - 9 . De même, le bouchon 11 est, dans ce type de collecteur, réalisé en deux parties symétriques et distinctes de part et d'autre d'un plan diamétral commun aux tubes 9 , de façon à permettre l'assemblage du collecteur solaire sans'il soit nécessaire d'enfiler préalablement le bouchon 11 sur le tube 9 . L'orifice 13 , très petit, permet d'éviter les condensations, sans nuire à -la stabilité convective du volume d'air intérieur 10 L'agencement de capteurs équipés de tels collecteurs est possible en panneaux à claire-voie. La mise en oeuvre peut également se faire au foyer d'ensembles réflecteurs, tels que des miroirs cylindro-paraboliques par exemple. Dans l'un et l'autre cas, de hautes températures peuvent être atteintes en service continu, avec un rendement excel lent, ce qui ouvre la voie à toutes les applications thermiques modernes. L'utilisation de l'invention est parties culièrement adaptée au chauffage hivernal d'habitations et à leur fourniture en eau chaude sanitaire dans les régions septentrionales relativement moins ensoleillées du globe ; à l'irrigation par distillation des eaux saumâtres en bordure océane de zones désertiques ; à la climatisation d'habitations dans ces mames régions ; à la stérilisation d'eaux contaminées ; au traitement insecticide de terres agricoles par choc thermique ; à l'épuration bactériologique des eaux usées ; d'une façon générale à la production de froid, de vapeur, et de force motrices pour toutes les industries actuelles. REVENDICATIONS 1") Collecteur solaire, constitué de deux tubes en verre ordinaire ou spécial, concentriques, 1 et 4 , formant enveloppes intérieure et extérieure d'une enceinte annulaire 5 mise sous vide et scellée, l'enveloppe intérieure 4 délimitant un espace interne 7 , empli d'un volume d'air 10 et contenant. un ensemble absorbeur-caloporteur 8 - 9 , rectiligne et continu ; cet ensemble étant lui-même caractérisé par sa positipn à l'intérieur de l'espace 7 et étant également caractérisé en ce qu'il ne comporte aucun point de contact direct et intime , avec l'enveloppe de verre 4 , mais qu'il en est séparé, d'une part au moyen du volume d'air 40 , jouant le rôle d'amortisseur de choc thermique en ligne, et d'autre part au moyen des manchons souples, isolants, 11 et 12 , placés aux extrémités respectives 3 et 2 du collecteur solaire. 20) Collecteur solaire suivant la revendication 1 caractérisé en ce que son extrémité 3 est équipée d'un manchonbouchon. souple, isolant, il apte d'une part à suivre les dilatations et contractionsfradiales du tube intérieur de verre 4 , tout en maintenant clos l'espace d'air 10 et calculé d'autre part, en longueur X1 et épaisseur X2 autour du ou des tubes caloporteurs 9 , pour protéger des chocs thermiques l'extrémité 3 du collecteur solaire, en ménageant entre les divers tubes de métal 9 et de verre intérieur 4 et extérieur 1 une zone de transition continue à la fois thermique et mécanique. 3 ) Manchon-bouchon 11 suivant la revendication 2 , caractérisé par le matériau qui le compose. Ce matériau isolant, souple, résistant à la chaleur, étant constitué, soit de caoutchouc aux silicones, soit de fibres minérales comprimées, en laine de roche ou de verre, d'usage courant, ou encore de verre cellulaire. 40) Manchon-bouchon 11 suivant la revendication 2 caractérisé en ce qu'il est constitué de manière à pouvoir être traversé par une forme quelconque de collecteur 9 mono ou multitubes, respectant les dimensions calculées X1 et X2 et représentées, à titre d'exemple non exhaustif sur les figures 1 , 2 et 3 5 ) Manchon-bouchon 11 suivant la revendication 2 caractérisé en ce qu'il s'insère à l'intérieur du tube 4 en recouvrant ou non l'extérieur 1 du culot et suivant une forme poli sible représentée en exemple non exhaustif sur les figures 1 , 2 et 3 indépendante du type de collecteur 9 la traversant. 60) Manchon-bouchon 11 suivant la revendication 2 caractérisé en ce qu'il se compose de deux parties hémicylindriques distinctes, symétriques par rapport à un plan diamétral commun aux tubes, composant le collecteur 9 et suivant-une forme possible représentée sur les figures 1*, 2 et 3 . Un anneau élastique 18 réunissant les deux parties au moment dJ montage. 70) Manchon-bouchon 11 suivant la revandication 2 , caractérisé en ce qu'il comporte des orifices 13 et 19 de décompression. 8 ) Support isolant 12 suivant la revendication 1 , caractérisé par le matériau qui le compose, celui-ci étant de même nature que le manchon-bouchon 11 9 ) Support isolant 12 suivant la revendication 1 , caractérisé par l'orifice 13 de décompression suivant une-forme possible représentée sur les figures 1 et 3 100) Collecteur solaire, suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il reçoit un dépôt métallique réflecteur infra-rouge d'une part sur la face hémicylindrique inférieure externe 14 de L'enveloppe de verre 1 , ce dépôt étant lui-même protégé des intempéries par un vernis spécial résistant à la chaleur, ou d'autre part, sur la face hémicylindrique inférieure interne 15 de l'enveloppe 4 ou simultanément sur les deux faces 14 et 15 11") Collecteur solaire suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il peut recevoir un dépôt sélectif transparent sur la face hémicylindrique supérieure externe 16 du tube intérieur 1 ou sur la face hémicylindrique supérieure interne 17 du tube extérieur 4 ou sur les deux faces 16 et 17 simultanément. 120) Collecteur solaire, suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble absorbeurcaloporteur 8 - 9 constitués de pièces assemblées par simple emboi- tement manuel ou mécanique, sans soudures ni rivets ou autres fixations, selon la forme possible représenté sur la figure 3 130) Collecteur solaire, suivant la revendication 12 caractérisé en ce que l'absorbeur est constitué de plaquettes métalliques amovibles, de dimension X3 adaptée aux moyens de production industrielle concernés. 140) Absorbeur solaire suivant la revendication 13 caractérisé en ce qu'il est formé par emboutissage, matriçage ou forgeage à partir-de tôles fines de séries courantes, incorrodables par nature à l'air, ou rendues telles par traitement de surface ; de nuance "poli très brillant" en sous-face et traitées sélectivement en surface. 150) Absorbeur solaire suivant la revendication 14 caractérisé en ce que l'épaisseur et les traitements de la tôle ménagent une élasticité durable et une pressipn constante au contact du tube en U caloporteur 9 16 ) Collecteur solaire suivant la revendication 12 caractErisé en ce qu'il comporte comme moyen caloporteur un tube métallique en eU , 9 17 ) Moyen caloporteur suivant la revendication 16 caractérisé en ce que le tube métallique est incorrodable par nature à l'air et à l'eau de ville, ou rendu tel par un traitement approprié.