Brevet FR2536156A1 — publié le 19840518

La présente invention a pour objet un capteur d'énergie calorifique solaire à circulation de gaz comportant un échangeur au contact du dit gaz. Le capteur selon l'invention est du type constitué par un caisson calorifugé présentant une face ouverte recevant au moins une paroi perméable au rayonnement solaire par exemple en verre. Dans le caisson est disposé de manière connue une paroi constituant absorbeur calorifique et un échangeur de chaleur dans lequel circule un fluide caloporteur qui est chauffé par contact avec l'air ou tout autre gaz soumis au réchauffement solaire dans le dit caisson. Le Brevet Ui S N O 4 135 420 décrit un capteur de ce type mais plus comp- liqué. Il apparaît à l'examen que le rendement de ce capteur ne peut être satisfaisant car le circuit de l'air et le positionnement de l'échang- eur ne sont pas organisés de manière à obtenir un maximum d'efficacité Notamment, le circuit d'air est conçu en sorte que l'air chaud passe le long du vitrage, ce qui entraîne une perte calorifique importante. En outre, tel qu'est positionné l'échangeur, il n'est pas certain qu'il soit suffisamment en contact du flux d'air en circulation. La présente invention vise à réaliser un capteur du type tel que men- tionné qui obvie aux inconvénients ci-dessus et est de conception plus simple. A cet effet, le capteur selon l'invention du type constitué par un caisson présentant une face ouverte recevant au moins une paroi per- méable au rayonnement solaire, par une paroi interne constituant absorbeur et comportant un échangeur de chaleur se caractérise essen- tiellement en ce que à l'intérieur du caisson entre la paroi perméable au rayonnement solaire et la paroi constituant absorbeur est montée une paroi intermédiaire perméable au rayonnement solaire jointive avec deux des côtés du caisson et dont les bords supérieur et inférieur sont éloignés des deux autres côtés du caisson pour constituer des passages pour l'air en ce que l'échangeur est disposé entre la paroi de face et la paroi intermédiaire perméable au rayonnement solaire de -2 2536156 1 manière jointive avec les dites parois et avec les côtés du caisson, le dit échangeur étant positionné au niveau du passage supérieur de communication des conduits avant et arrière ainsi réalisés dans le caisson. De ce fait, l'air froid qui a abandonné sa chaleur à l'échangeur des- cend dans le conduit avant contre le vitrage et se chauffe lors de son mouvement ascentionnel dans le conduit arrière de l'absorbeur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après de formes de réalisation données à titre d'exemple non limitatif et illustrées par les dessins joints dans lesquels: la figure 1 représente une vue extérieure du capteur selon l'inven- tion monté en position inclinée, la figure 2 représente une vue extérieure d'un capteur selon l'in- vention monté en position verticale, la figure 3 représente une vue en coupe d'une forme simplifiée de réalisation de l'invention, la figure 4 représente une vue en coupe d'une autre forme de réali- sation du capteur selon l'invention, la figure 5 représente une vue en coupe partielle d'une variante de réalisation du capteur selon l'invention applicable aux formes de réalisation des figures 3 et 4, la figure 6 représente une vue partielle d'un perfectionnement du capteur selon l'invention, la figure 7 représente une vue partielle d'un autre perfectionnement d'un capteur selon l'invention. Tel que représenté aux figures 1 et 2, le capteur selon l'invention est constitué par un caisson 1 de préférence de forme parallèlépipèdi- que rectangle comprenant un fond 2 et quatre côtés, deux longitudi- 2536 1 56 1 naux 3 et deux transversaux 4. Le capteur présente une face avant ouverte à l'opposé du fond 2. Les parois du caisson tel que défini sont isolées de toute manière connue. Il va de soi que le dit caisson est conçu en un ou des matériaux adap- tés en sorte que les faces externes de ses parois résistent aux intem- péries et que les faces internes de ses parois résistent dans toutes circonstances aux températures maximales qui peuvent y être obtenues. La face ouverte du caisson est formée par une paroi 5 extérieure en un matériau perméable au rayonnement solaire qui peut être par exemple réalisée en verre ou en tout autre matériau adapté. A l'intérieur du caisson, sur la face avant ouverte t parallèlement à la paroi 5 peut être montée selon une forme de réalisation une deu- xième paroi 6 perméable au rayonnemnt solaire et qui peut être égale- ment réalisée par un vitrage en verre ou en matière synthétique ou en tout autre matériau adapté. Suivant cette forme de réalisation, les parois 5 et 6 sont séparées par un intervalle 7 ménageant un matelas d'air isolant. De préférence, le bord du caisson comme représenté aux vues en coupe est doté d'un épaulement périphérique de réception des vitrages 5 et 6 Dans le caisson est monté comme il sera décrit plus avant un échangeur 9 dont sont représentées en figures 1 et 2 les conduites 10 d'alimen- tation en fluide caloporteur, par exemple de l'eau et Il d'évacuation du dit fluide chauffé. Les conduites 10 et 11 sont en relation avec un réservoir de stockage non représenté. En figure 1, la capteur selon l'invention est représenté en position d'utilisation inclinée. En figure 2, le capteur est représenté en position d'utilisation ver- ticale, ce qui peut correspondre à son positionnement contre un mur par exemple. * 4 2536156 1 Dans cette forme d'utilisation de la figure 2, le capteur peut être doté d'une paroi déflectrice du rayonnement solaire 12 disposée per- pendiculairement à la base de sa paroi 5. A l'intérieur du caisson 1 constituant le capteur selon l'invention est montée une paroi 13 faisant fonction d'abs'orbeur et au moins une paroi intermédiaire 14 entre la paroi absorbeur et la paroi 5 ou la paroi 6 - L'absorbeur 13 sera de préférence sélectif, c'est à dire apte à absor- ber le rayonnement visible et à retenir une grande partie du rayonne- ment infra-rouge. Dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté à la figure 3, l'absorbeur 13 est disposé contre la face interne du fond 2 du cais- son. La paroi 14 est-une paroi perméable au rayonnement solaire par exemple en verre ou en tout autre matériau plastique ou synthétique adapté. La paroi 14 peut par exemple être constituée par un film plastique. La paroi 14 est disposée dans le caisson de manière jointive avec les côtés 3 de celui-ci en sorte de le diviser en deux compartiments. Le bord supérieur et le bord inférieur transversaux à l'axe longitudi- nal du caisson et aux côtés 3 de la paroi 14 sont éloignés des deux côtés 4 du caisson en sorte de constituer une communication inférieu- re et supérieure 15 entre les compartiments en définissant dans le dit caisson un conduit 16 et un conduit 17 de circulation de l'air ou de tout autre gaz qui y est contenu. De préférence, les passages 15 sont de dimension apte à favoriser une circulation suffisante du gaz. L'échangeur de chaleur 9 est disposé au montage du capteur selon l'in- vention dans le conduit avant 16 entre la paroi 6 (ou la paroi 5 dans le cas o la paroi 6 serait supprimée) et la paroi intermédiaire 14. 1 L'échangeur est monté de manière à occuper l'intégralité de la section du conduit 16 pour constituer un passage obligé du gaz caloporteur. A cet effet, l'échangeur 9 est monté de manière jointive par ses cô- tés transversaux avec les côtés 3 du caisson et de manière jointive avec les parois 14 et 6/ou 5. L'échangeur 9 est disposé au niveau du passage d'air 15 supérieur. De préférence, comme représenté aux figures 3 et 4, l'échangeur 9 est disposé au niveau supérieur de la paroi 14. L'échangeur 9 est constitué par exemple par un serpentin muni d'ail- lettes dans lequel circule un fluide caloporteur, par exemple de l'eau, Il est fixé entre deux parois transversales d'extrémité 3 et les parois 6 (ou 5) et 14 avec lesquelles il est monté jointif. Selon une caractéristique de l'invention, l'échangeur 9 occupe une portion réduite de la longueur du conduit 16 mais il est dimensionné de manière à obtenir une convection et un échange de chaleur optimum. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur selon l'invention peut présenter une entrée ou alimentation en fluide calo- porteur 10 à sa base et une sortie 11 en position haute. Les parois internes des côtés 4 du caisson présentent en regard des passages 15 des parois déflectrices 18 qui facilitent la circulation du gaz. Les parois déflectrices sont de préférence constituées par des corniè- res dont les parois en "L" qui appuient contre les parois 5/6, le bord 4 et le fond 2 sont réunies par une paroi arrondie. En figure 4 est représenté un capteur selon une autre forme de réalis- tion de l'invention. Selon cette forme de réalisation, la paroi constituant l'absorbeur 13 n'est pas fixée contre le fond 2 du caisson mais est écartée de celui-ci pour réaliser un conduit 19. L'absorbeur est fixé de manière jointive aux côtés 3 du caisson et est éloigné des parois internes des côtés 4 en sorte de ménager un passage 15 du gaz en haut et en bas du caisson, les dits passages pouvant être alignés avec ceux ménagés par la paroi 14. 6 2536156 1 Le capteur pouvant être selon la forme de réalisation de la figure 4 présente par ailleurs toutes les autres dispositions, options ou variantes telles que décrites dans l'exemple de réalisation de la figure 3. En figure 5 est représentée une variante de réalisation applicable aux formes de réalisation des figures précédentes. Suivant cette forme de réalisation, les parois déflectrices 18 sont supprimées au moins en partie haute du caisson et l'échangeur 9 est disposé de manière jointive entre les parois 6/5 et 14 et les côtés 3 du caisson mais au-dessus du bord supérieur de la paroi 14 et de pré- férence de manière jointive avec le côté supérieur 4 du caisson en sorte que la pénétration de l'air s'effectue par la partie arrière du dit échangeur et non plus par sa partie supérieure. Le fonctionnement du capteur tel que décrit dans ses formes de réali- sation préférentielle non limitatives est le suivant: Le gaz caloporteur en l'espèce de l'air par exemple subit comme repré- senté par les flèches un mouvement descendant dans le conduit avant 16 après libéré une partie de sa chaleur dans l'échangeur 9. L'air qui passe dans le conduit 16 au contact du vitrage 5/6 est donc un air froid, ce qui évite un transfert thermique excessif vers l'ex- térieur. Après ce passage, l'air pénètre dans le conduit 17. L'absorbeur 13 chauffé par l'action du rayonnement solaire chauffe l'air dans le dit conduit 17 en permettant son ascension. L'air est également réchauffé par la paroi intermédiaire 14 qui reçoit de la chaleur de l'absorbeur notamment sous forme de rayonnement inf- rarouge par exemple et la restitue. L'air chaud au sommet du conduit 17 pénètre dans l'échangeur 9. De préférence, dans la forme de réalisation telle que représentée, il chauffe en premier lieu, c'est à dire lorsqu'il est le plus chaud, le liquide caloporteur sortant par la conduite supérieure 11 puis au fur et à mesure de sa traversée descendante dans l'échangeur le serpentin de celui-ci jusqu'à la conduite d'entrée 10. Il va de soi que l'échangeur 9 peut ne pas être monté comme décrit précédemment (à contre courant). 2 536156 1 L'air froid subit alors un mouvement descendant dans le conduit 16 puis ascendant selon dans le conduit 17 selon le principe du thermo- siphon. Dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté à la figure 4, l'air lors de son mouvement ascendant subit un échauffement plus important que dans l'exemple précédent puisqu'il passe de part et d'autre de l'absorbeur dans les conduits 17 et 19. La fixation jointive latéralement de Il'absorbeur et de la paroi 14 et la fixation jointive de l'échangeur avec les parois 5/6 et 14 et les côtés 3 du caisson permettent d'obtenir que la masse d'air en circu- lation soit au contact de la totalité de l'absorbeur et de la paroi chaude intermédiaire et de la totalité du serpentin de l'échangeur, ce qui permet d'obtenir un excellent rendement. Le capteur tel que représenté et décrit présente un effet de diode thermique en ce que l'effet de thermosiphon du gaz caloporteur s'in- terrompt quand le fluide caloporteur dans l'échangeur 9 a une tempéra- ture plus élevée que le gaz caloporteur dans le capteur. Si, dans le cas d'un stockage extérieur plus-chaud que la température du fluide caloporteur dans le capteur, la circulation du fluide calo- porteur est mise en marche, la perte d'énergie correspondant au volume de caloporteur froid introduit dans le stockage est très réduite puis- que la volume du fluide caloporteur contenu -dans l'échangeur 9 est très réduit. Si la circulation du fluide caloporteur est maintenue dans ce cas, les pertes thermiques restent faibles par rapport à un capteur solaire de type classique puisque par l'effet de diode thermique décrit plus haut la partie du capteur non occupée par l'échangeur ne contribue pas aux pertes thermiques. Il est de ce fait possible de procéder, comme illustré en figure 6, à une régulation thermique de lrinstallation au moyen de cellules photo voltaïques 20 montées en façade du capteur sur la surface externe des parois déflectrices 18. e 8 2 536156 1 Cette disposition permet au moyen des dites cellules de commander la mise en marche d'une pompe non représentée de mise en circulation du fluide caloporteur dans le circuit stockage (ou réseau d'utilisation) et échangeur, la dite pompe étant alimentée par les dites cellules. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention telle que représentée en figure 7 à l'intérieur et à la base du caisson du capteur sont disposés un ou plusieurs ventilateurs 21 créant une circulation forcée représentés schématiquement, dont les moteurs sont alimentés par des cellules photo-voltalques Z 2 montées sur la paroi avant du capteur, de préférence sur la face externe de la paroi déflectrice 18 inférieure. Cette disposition est particulièrement avantageuse dans le cas o le capteur selon l'invention ne fonctionne pas ou ne peut pas fonctionner en thermosiphon par exemple lorsqu'il est placé dans une position très inclinée par rapport à la verticale. Le capteur du type tel que décrit permet d'obtenir des résultats très satisfaisants. La présente invention peut recevoir des aménagements et des variantes dans le domaine des équivalents techniques sans pour autant sortir du cadre du présent brevet. 9* 22536 156 REVENDICATIONS ______________ 1 R 1/ Capteur d'énergie calorifique solaire du type comprenant un cais- son ( 1) présentant une face ouverte recevant au moins une paroi ( 5 et/ou 6) perméable au rayonnement solaire, une paroi ( 13) inté- rieure au dit caisson constituant absorbeur et un échangeur de chaleur ( 9) inclus dans le dit caisson et dans lequel circule un fluide caloporteur qui est chauffé par l'air ou tout autre gaz soumis au réchauffement solaire dans le dit caisson, caractérisé en ce que à l'intérieur du caisson, entre la paroi perméable au réchauffement solaire ( 5 et/ou 6) et la paroi ( 13) constituant l'absorbeur est montée au moins une paroi ( 14) intermédiaire per- méable au rayonnement solaire jointive avec deux des côtés ( 3)du caisson et dont les bords inférieurs et supérieurs sont éloignés des deux autres côtés ( 4) du caisson en sorte de constituer à l'intérieur du caisson au moins deux conduits 16/17 reliés par des passages de circulation du gaz et en ce que l'échangeur est dispo- sé entre la paroi avant ( 5 et/ou 6) de la face ouverte du caisson et la paroi intermédiaire ( 14) de manière jointive avec les dites parois et avec les côtés du caisson et au niveau du passage supé- rieur de communication des deux conduits. R 2/ Capteur d'énergie calorifique selon la revendication 1 caractérisé en ce que à partir de l'échangeur ( 9) disposé dans le conduit avant ( 16) la circulation de l'air qui y a abandonné ses calories s'effectue de manière descendante en se réchauffant et en ce qu'elle s'effectue de manière ascendante dans le ou les conduits arrières 17/19 o l'air subit un échauffement. R 3/ Capteur d'énergie calorifique selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la paroi absorbeur 13 est disposée entre la paroi intermédiaire ( 14) perméable au rayonnement solaire et le fond ( 2) du caisson et que la dite paroi absorbeur est jointive avec deux des côtés ( 3) du caisson et que ses bords sont éloignés des deux autres côtés ( 4) du caisson. R 4/ Capteur d'énergie calorifique selon la revendication 1, la reven- 2536156 1 dication 2 et la revendication 3, en option, caractérisé en ce que au niveau des passages supérieurs et inférieurs entre les con- duits sont disposées des parois déflectrices ( 18) aptes à facili- ter le passage de l'air d'un conduit à l'autre. R 5/ Capteur calorifique selon la revendicatiorn i caractérisé en ce que l'alimentation de l'échangeur calorifique en fluide caloporteur froid s'effectue en partie basse de celui-ci et que l'évacuation du fluide caloporteur chaud s'effectue en partie haute de celui-ci R 6/ Capteur calorifique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur ( 9) est positionné au niveau de l'extrémité supérieure de la paroi ( 14). R 7/ Capteur calorifique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur ( 9) est positionné de manière jointive entre la paroi /6, la paroi ( 14), les parois latérales ( 3) du caisson et sa paroi supérieure ( 4). R 8/ Capteur calorifique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une pompe de mise en circulation du fluide calopor- teur de l'échangeur ( 9) et que la dite pompe est alimentée et/ou commandée par des cellules photovoltaïques disposées sur la face avant du capteur. R 9/ Capteur calorifique selon la revendication 1 caractérisé en ce que à l'intérieur du caisson et à sa base sont montés un ou plu- sieurs ventilateurs ( 21) alimentés en énergie par des cellules photovoltaïques disposées sur la face avant du capteur. R 10/ Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la circula- tion par thermosiphon du gaz caloporteur dans le caisson s'inter- rompt si le fluide caloporteur dans l'échangeur ( 9) a une tempéra- ture plus élevée que celle du gaz caloporteur dans le capteur. Rll/ Capteur selon la Ri caractérisé en ce que une seule paroi intermé- diaire ( 14) est chauffée par l'absorbeur ( 13) et restitue la cha- leur au gaz en circulation.