Brevet FR2524973A1 — publié le 19831014

installation selaire ou électro-solaire. La présente invention concerne une installation solaire ou électro-selaire conçue pour accumuler les calories collectées par au moins un capteur d'énergie solaire pendant les heures d'ensoleillement, et pour les restituer ensuit. à la demande à au moins un circuit d'utilisation. La plupart des installations solaires on électro- solaires actuellement utilisées comprennent un ou plusieurs capteurs destinés à transformer l'énergie du rayonnement solaire en chaleur, un circuit @apteur contenant un liquide caloporteur qui est mis e@ circulation par une pompe, entre le on @e@ capteurs et un échangeur thermique legé à @@@@@ér@@ur d'un réservoir de stochage 'e chaleur, et @ @@@nit @@ @outirage coompre@ant @@ arrivé@ @eau @roide à l@ partie inférieure da @éservoir et @n départ d'oa@ chaude à la partie @upé@deure, vers l'@tilisation. La pompe de ci@cul@tion est gé@é@@@ement c@@@andée par une unité @@ régulation à de@ @@@des, dont l'une est montée à la @ortie des capteur@@ @@@laires et l'autre dans la partie basse du ré@@@@@@r de stockage. Un tel système @@@o@@@t@ des connectione élect@iqu@@ entre l'unité de régul@@io@ d'un@ par@ @@ ca@t@@@ la réservoir d'autre p@rt. Catte uni@@@ @@ régul@@@@ est conçue pour que, lorsque la temp@@@ture @@ @@rée à la sortie des capteurs dépasse vel@e @@ourée @@@@ la partie basse du réservo@r de stockage de plus d'une valeur de consigne, elle donne un ordre de @arche à la pompe, laquelle amène les calories du capteur des le réservoir. Si, par contre, l'écart de température précédent descend en dessous d'une seconde valeur de consigne, l'unit de régulation interrompt la mache de la pompe. Une telle installation fonctionne de façon satisfaisante, mais elle a tendance & se dérégler et son prix reste relativement élevé, principalement en raison du co@t de l'uuité le régalation qui est généralement un appareil sophistiqué, et en raison des frais liés aux difficultés d'exécution des connexions électriques lors du montage de l'installation. C'est pourquoi, malgré les grands progrès qui ont été effectués dans le domaine du cha@ffage solaire, la diffustion de ces installations solaires ne s'est faite jusqu'à présent qu'à très faible échelle. On connaît d'autro part, @ne i@stailution solaire qui ne comporte ni @@mp@@ @@@@@@@@@@@ni unité de régulation et dans laqu@le l@ @@ir@@@@@@@@ion @u fluide calop@@tenr @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ effet tne@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ d'une grande @@@lic@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ que @i @@@ c@@tour s@@@@@@@@@@ pr@@@@@@@@@ réser@@air du stockage @@ à @@@@@eau @@@@@@@@@@@ oel@ de ce d@r@ier. L@ ni@@, @er@ @@@@@st @s@reint à dounor a@ ca@@@@@ti@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@teur. aur tout@@@@@@@@@@@@@@@@@ une @@@@@@@@@@@@@@@@ de ne pu@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @ir@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ du liq@@@@@@@@@@@@@@@@p@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@ve@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @ou@en@@@@@@@@@@@@@@ als @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @'t@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ tenditi @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @u o@@t@o pl@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ po@sib@@@, par @x@@p @@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ terr@sser, afi@ de l@@@@@g@ge @@@@@@@@@@@@@@@@@@@rion d'ombr@. De pius,les p@rf@@@@@@@@@@@ inférisures à o@lles à therm@siphon sont généralem @@ i@férisures à @elles d'une installstion de @pe @@@@@@@@@@@@@@@@@@@ r@@@en ce l'abs@nce de pompe. C'@@t pou@@@oi l'i@@@ialiation en termosiphon est peu utilisée. La présente invention propos@ un@ i@@@allation solaire ou électro-solaire @ff@@nchi de tous les inconventients signalée po@r les installations avec rég@lation @@ @@ur les dnsta@lations à thermosiphon naturel. e@@@@@@@@@@@r@e @ @@@@@@ une @n@@@@ ation @olair ou électro-solaire, du type comprenant un ou plusieurs capteurs destinés b transformer l'énergie du rayonnement solaire en chaleur, un circuit capteur contenant un liquide caloporteur qui est mis en circulation par une pompe entre les capteurs et un réservoir d'eau dans lequel la chaleur recueillie par les capteurs. est stockée, et un circuit de soutirage de l'eau du réservoir vers une utilisation, ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, un déclencheur susceptible de commander le fonctionnement de la pompe à des moments prédéterminés et de l'arrêtre à d'autres moments, ledit déclencheur n1 étant pas dépendant à la fois du capteur et du réservoir de stockqe, ni de la différence de température régnant dans Ces derniers, et en ce que la zone d'échange de chaleur est située dans le fond du réservoir de stockage et occupe une faible hauteur par rapport à celle du réservoir0 Dans un premier iode de réalisation de l'invention, le déclencheur est constitué par une horloge réglée pour mettre en marche la pompe au début de la Journée et pour l'arrêtre en fin de journée. Pendant les heures d'ensoleillement, l'installa- tion solaire selon l'invention fonctionne de la même façon qu'une installation avec unité de régulation : la pompe fait circuler le liquide caloporteur qui se réchauffe au contact des éléments absorbants des capteurs et, en traversant la zone d'échange thermique, le liquide cède les calories dont il s'est chargé à l'eau dudit réservoir. Par contre, si pendant le Jour le ciel se couvre, la pompe continue à fonctionner puisqu'elle n'est pas asservie aux températures des capteurs et du réservoir et amène de ce fait au réservoir on liquide caloporteur de plus en plus froid. Cependant, l'expé- rience montre que même poir une période prolongée de non ensoleillement, le refroidissement du réservoir est négligeable. Ce résultat s'explique par la faible hauteur et par 12emplacement de la zone d'échange thermique dans le fond du réservoir de stockage seule une couche d'eau relativement mince située au fond du réservoir est refroidie.Cette couche ne peut naturellement pas refroidir par convection les couches d'eau supérieures du réservoir0 Elle ne peut non plus les refroidir par conduction étant donné que le coefficient de conductivité thermique de l'eau est trbs faible . La Demanderesse a ainsi remarqué qu'en faisant fonctionner pendant toute une nuit la pompe d'une installation solaire conforme à invention et dont l'eau du réservoir est initialement à une température uniforme de 50 C, seule une couche de 10 cm de hauteur est refroidie, lBeau-restante gardant pratiquement sa température initiale. L'installation solaire selon l'invention apporte donc un progrès technique tout à fait surprenant dans ce sens que les constructeurs d'installations solaires ont toujours considéré que l'utilisation dune unit de régulation est indispensable pour commander le fonctionnement de la pompe0 Ils ont ainsi écarté la solution simple et économique faisant l'objet de lin- vention, en pensant qu'elle est inefficace parce que l'eau du réservoir finit par se refroidir lorsque la pompe continue à fonctionner par temps couvert.Leur raisonnement est d'ailleurs exact dans le cas des installations solaires connus, qui utilisent toujours des échangeurs athermiques de grande hauteur, mais cela n'est pas le'cas pour les installations solaires selon l'in- vention dans lesquelles la zone d'échange thermique est étroite et est située dans la partie inférieure du réser- voir ou dans nn récipient situé à proximité du réservoir Les installations solaires selon l'invention ont donc une structure plus simple que celle des installations solaires classiques utilisant une unité de régulation.De plus, le montage de ces installations est plus facile à réaliser puisqu'elles ne comportent pas de connecxions électriques avec les capteurs et avec le réservoir. En outre, les capteurs peuvent être disposés aussi bien au-dessus qu'en dessous du niveau du réservoir, leur positionnement n'étant imposé que par des considérations d'ensoleillement et d'inté- gration dans l'environnement. Dans un second mode de réalisation de l'invention, le déclencheur est constitué par une pile photovoltaïque éventuellement intégrée aux capteurs et reliée électri quement à la pompe. Par temps ensoleillé, la pile photo-voltaïque produit un courant qui commande la mise en marche de la pompe et,dès que le soleil se cache, la pompe s'arrête. Pour éviter des arrêts et des démarrages fréquents de la pompe, on peut connecter la pile photo-voltaïque à la pompe par l'intermédiaire d'un accumulateur qui se charge pendant les longues périodes ensoleillées et restitue le courant par temps couvert pendant quelques minutes. Dans un troisième mode de réalisation de linven- tion, le déclencheur est constitué par la combinaison d'une résistance électrique de grande intertie calorifique, qui réchauffe un tronçon de la canalisation du circuit oapteur et d'un thermostat susceptible de détecter la température du liquide caloporteur dans ledit tronçon et de déclencher le fonctionnement de la pompe lorsque ladite température devient égale à une valeur prédéterminée On pourra choisir par exemple une résistance électrique ayant une inertie calorifique d'environ 20 à 30iC par heure.Ainsi, toutes les heures,la température du tronçon est portée par exemple à 300C, , ce qui a pour effet de déclencher la pompe et donc de faire circuler le liquide caloporteur. Si les capteurs sont plus chauds que le tronçon, la pompe continue à marcher et s'ils sont plus froids, la pompe s'arrête. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que le déclencheur et la pompe peuvent être groupés en un unique bottier pouvant être intégré soit au réservoir, soit aux capteurs. Un tel groupage sur un même bottier simplifie grandement le montage de lZinatallation et et permet en outre d'adapter ltensem- ble de commande selon l'invention sur une installation déjà existante, sans pratiquement auoune modification de cette dernière. Dans les pays chauds, où le risque de gel est inexistant, l'échangeur thermique est superflu. Dans ce cas, les canalisation d'aller et de retour du circuit capteur débouchent directement dans la partie lnfdrieure du réservoir.Une meilleure stratification thermique est obtenue en disposant un brise-jet à l'extrémité de la canalisation d'arrivée du circuit capteur, qui est située à l'intérieur du réservoir. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui Ta suivre de plusieurs modes de réalisation,faite en regard des dessins annexés,dans lesquels t - La figure 1 représente un schéma de principe de l'installation solaire selon l'invention ; - La figure 2 représente une installation selon un premier mode de réalisation utilisant une horloge 3 - La figure 3 représente une installation selon un second mode de réalisation comprenant une pile photo-voltaïque ; et - La figure 4 représente une installation selon un troisième mode de réalisation utilisant une résis- tance de grande inertie calorifique. Sur les figures, les éléments identiques portent les mêmes références numériques Avec référence à la figure 1, l'installation selon l'invention comprend, de façon générale, un ou plusieurs capteurs d'énergie solaire 10 de tout type connu, montés en série dans un circuit capteur fermé 12, contenant un liquide caloporteur incengelable. Le liquide caloporteur est mis en circulation par ne pompe 14, entre les capteurs et une zone d'échange thermique 16, située à la partie inférieure d'un réservoir 18 de stockage d'veau chaude. Ladite zone d'échange thermique est relativement étroite (de @'ordre du dixième de la hauteur du réservoir),de manière que le liquide caloporteur ne refroidisse qu'une faible couche d'eau du réservoir1 dans le cas où la pompe fonctionne pendant que les capteurs sont froids. La zone d'échange peut être constituée, de façon bien connue, par un échangeur thermique, comme dans le cas des figures 2 à 4. Dans le cas de pays chauds où il n'existe pas de risque de gel, l'échangeur thermique est éliminé et les tubulures 20 et 21 du circuit de capteur débouchent directement dans le réservoir. La zone d'échange thermique est constituée par la petite partie inférieure du réservoir, dans laquelle le liquide caloporteur se mélange à l'eau du réservoir. Pour mieux favoriser l'échange de chaleur entre ces deux liquides, la tubulure d'alimentation 20 est équipée,à son extrémité intérieure au réservoir, d'un brise-jet 22. L'installation comprend également un circuit de soutirage comprenant une tubulure d'arrivée d'ean froide 24,branchée sur la paroi inférieure 26 du réservoir, et une tubulure de départ d'eau chaude 28, branchée sur la paroi supérieure 30 du réservoir. Conformément à l'invention, le fonctionnement de la pompe 14 est commandé par un déclencheur 32 ne dépendant pas à la fois des capteurs et du réservoir, contrairement aux installations solaires classiques pourvues d'une unité de régulation. Le déclencheur est relié à la pompe par une liaison 34. La pompe 14, son déclencheur 32 et la zone d'échange thermique 16 peuvent, selon l'invention, être intégrés dans un ensemble compact protégé par un unique bottier 36 fixé à proximité du réservoir, par exemple sous la paroi de fond 26 du réservoir. Bien entendu, l'installation solaire pourra également être équipée d'une source d'énergie d'appoint constituée par une résistance électrique 38,qui intervient lorsque l'énergie solaire est insuffisante ou fait défaut. Dans le mode de réalisation de la figure 2, la zone dwéchange de chaleur est constituée par un échangeur thermique 40 relativement plat, ayant par exemple une hauteur environ dix fois plus petite que celle du réservoir. L'échangeur est logé dans tpn pot 42 fixé sous la paroi inférieure 26 du réservoir. La tubulure d'arrivée d'eau froide 24 débouche donc au-dessus de l'échangeur thermique et ne risque pas de le refroidir. Le déclencheur est constitué par une horloge 44 reliée à la pompe par une liaison mécanique ou électrique 34. Compte tenu de ces caractéristiques, la pompe fonctionne sans interruption pendant toute la journée. Si le temps est couvert, le liquide caloporteur se refroidit progressivement, mais,en raison de la faible hauteur de l'échangeur thermique et de son implantation à la partie inférieure du réservoir, seule la mince couche d'eau qui entoure l'échangeur se refroidit comme on la expliqué précédemment. Par contres si le temps est ensoleillé, le fluide caloporteur réchauffe par convection l'eau du réservoir. Avec référence à la figure 3, le déclencheur est constitué par une pile photo-voltaque 46 montée au voisinage ou sur les capteurs 10. La pile est reliée électriquement à la pompe 14 au me. yen d'un conducteur 48. Avantageusement, la pompe et la pile voltaïque sont groupées dans un bottier 50 intégré dans la structure des capteurs. La pile fournit un courant tant qu'elle reçoit un rayonnement solaire. Ce courant commande la marche du moteur. Afin d'éviter les démarrages et; arrêts fréquents de la pompe, qui peuvent se produire lors de passages nuageux, on peut prévoir un accumulateur qui se charge lorsque la pompe est en marche et qui restitue le courant accumulé pendant quelques minutes, lorsque la pile ne fournit pas de courant. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le déclencheur est constitué par la combinaison d'une résistance électrique de grande inertie calorifique 52, bobinée autour d'un tronçon de la tubulure de retour 21 aux capteurs, et d'un thermostat 56 relié électriquement à la pompe 14 par un conducteur 58. Le thermostat détecte la température régnant dans ledit tronçon et commande le fonctionnement de la pompe,lorsque la température détectée atteint une valeur prédéterminée. On pourra choisir par exemple une résistance 52 de puissance donnée ayant une inertie calorifique de 20 à 30 C par heure. Du fonctionnement, dès que la tenipérature du tronçon atteint par exemple 30 C, la pompe se met en marche et fait circuler le liquide calorifique. Si les capteurs sont à une température supérieure, la pompe continue à marcher. Par contre, s'ils sont à une température inférieure à 30 C, la pompe s'arrête et ne se remet en marche que lorsque la résistance aura atteint la température de 30 C, c'est-à-dire au bout d'une heure. Dans ce mode de réalisation également, la pompe 14, la résistance 52, le thermostat 56 et l'échangeur thermique 40 sont groupés dans un même bottier 36 fixé sons le réservoir. REVENDICATIONS 1.- Installation solaire ou electro-solaire, du type comprenant un ou plusieurs capteurs destinés à transformer énergie du rayonnement solaire en chaleur, un circuit capteur contenant un liquide caloporteur qui est mis en circulation par une pompe entre les capteurs et un réservoir d'eau dans lequel la chaleur recueillie par les capteurs est stockées et un circuit de soutirage de l'eau du réservoir vers une utilisation, ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un déclencheur (32) susceptible de commander le fonctionnement de la pompe (14) à des mements prédéterminés et à l'arrêter à d'autres moments, ledit déclencheur n'étant pas pendant à la fois du capteur (10) et du réservoir de stockage (leS ni de la différence de température régnant dans ces derniers, et en ce que la zone d'échange de chaleur (16) est située dans le fond du réservoir de stockage et occupe une faible hauteur par rapport à celle du réservoir. 2.- Installation selon la revendication 1 caractdrisde en ce que le ddelenchear est constitué par une horloge H réglée pour mettre en marche la pompe (14) au début de la journée et pour l'arrêter en fin de journée, 3.- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le déclencheur est constitue par une pile photo-voltaïque (46) intégrée aux capteurs (10) et reliée électriquement à la pompe. 4.- Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que la pile photo-voltaïque ddbite sur un accumulateur susceptible de restituer le courant pendant quelques minutes durant les périodes de non ensoleillement. 5.- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le déclencheur est constitué par la combinaison d'une résistance électrique (52) de grande inertie calorifique, qui réchauffe un tronçon de la canalisation du circuit capteur, et d'un thermostat (52) susceptible de détecter la température du liquide caloporteur dans ledit tronçon et de déclencher le fonctionnement de la pompe (14), lorsque ladite température devient égale à une valeur prédéterminée. 6.- Installation selon l'une des revendications précédentes* caractérisée en ce que la zone d'échange thermique est constituée par un échangeur thermique (40) relativement plat disposé à la partie inférieure du réservoir0 7.- Installation selon lune des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la tubulure dalimenta- tion (20) venant des capteurs et la tubulure de retour (21) vers les capteurs débouchent directement dans le réservoir 18 et en ce que la stratification dans le réservoir est favorisée par la présence dtun brise-jet (22) à la sortie de ladite tubulure d'alimentation. 8.- Installation selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que la zone d'échange thermique a une hauteur environ égale au dixième de celle du réservoir. 9.- Installation selon l'une des revendications 1, 2 4 et 7 caractérisée en ce que ltéchangeur thermique, la pompe, et le déclencheur sont réunis dans un même bottier (36) à proximité du réservoir. 10.- Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ltéchangeur ther mique est monté à l'intérieur d'un pot (42) s'adaptant sous la paroi inférieure du réservoir, les piquages pour l'arrivée et le départ du circuit capteur étant formés sur la paroi de fond du pot. 11.- Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tubulure dtarri- vée d'eau froide (24) du circuit de soutirage débouche au-dessus de l'échangeur thermique (40). 12.- Installation selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisée en ce que la pompe (i4) et la pile photo-voltaique 46 sont montées dans un même bottier (50) fixé dans la structure des capteurs (10). 13.- Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les capteurs (10) sont disposés à un niveau indépendant de celui du réservoir (18).