Brevet FR2536159A1 — publié le 19840518

L'invention concerne une installation et un procédé pour collecter l'énergie solaire. Plus particulièrement, cette invention concerne une installation et une méthode, qui inclut un dispositif collecteur d'énergie, dans lequel une grande proportion de l'énergie solaire, s'étendant sur la plupart des régions habitées de la terre, peut être collectée sous une forme facilement utilisable pour son emploi, en tant que chaleur. L'invention comprend egalement une installation et une méthode pour collecter et utiliser l'énergie solaire, qui inclut un dispositif collecteur d'énergie, qui peut être utilise en tant qu'elément de structure d'une construction. Des installations pour collecter l'énergie solaire, dans laquelle l'eau circule à travers un panneau métallique absorbant la chaleur, qui est exposée au soleil, sont bien connues. De telles installations sont souvent placées au sommet des toitures dans les climats tropicaux, et l'eau, de cette façon chauffée par le soleil, est ensuite utilisée pour des usages ménagers,. tels que le chauffage, le lavage, etc.... Toutefois, de tels collecteurs d'énergie sont très coûteux, et ne sont pas économiquement rentables dans les climats tempérés et froids. De plus, de tels collecteurs d'énergie sont lourds, et nécessitent des renforcements coûteux de la structure du toit, et de ce fait l'installation est compliquee et chère. Un but principal de la présente invention est de proposer une installation et un procédé pour collecter l'énergie solaire, par lequel une proportion la plus grande possible de l'énergie qui atteint la surface du dispositif collecteur d'énergie est retenue dans cette installation et convertie en une forme d'énergie selon les besoins. Un autre but important de la présente invention est de proposer une installation et un procédé pour collecter l'énergie solaire, où le collecteur lui-même n'absorbe pas une quantité substantielle d'é- nergie solaire, et où un liquide de circulation est utilisé, c'est ce liquide qui absorbe effectivement toute l'énergie solaire qui atteint le collecteur. Un autre but de la présente invention est de proposer une installation et trn Procédé pour collecter l'energie solaire, qui DeuX être utilisée effectivement et économiquement dans la plupart des ruions habitées. Un autre but important de la présente invention est encore de proposer une installation et un Drocéde pour collecter l'énergie solaire, où un dispositif collecteur d'énergie économique et simple est uti lisé Un autre but de la presente invention est de proposer une installation et un procédé pour collecter l'énergie solaire comportant l'utilisation d'un dispositif collecteur d'énergie qui peut être également utilisé en tant qu'élément de structure extérieur d'une habitation, tel que la surface imperméable d'un toit. Un autre but de la présente invention est également de proposer un disDositif collecteur d'énergie qui peut être installée facilement et économiquement, et avec un minimum de connaissances pratiques et qui est utilisée dans l'installation et la méthode de l'invention. Un autre but de la présente invention est de proposer une composition liquide, quiet capable d'absorber directement une grande proportion de l'énergie provenant des rayons incidents du soleil et, qui ensuite est capable de transférer une grande proportion d'une telle énergie à un échangeur de chaleur de manière à ce qu'elle soit utilisable selon les besoins. Ces buts, et d'autres buts vont être en partie évidents et vont en partie apparaître dans la suite. Avec les buts mentionnés ci-dessus et les autres buts, l'invention comprend une installation pour collecter l'énergie solaire qui comprend un panneau transparent composé d'une pluralité de canaux ouverts aux deux extrémités, un liquide dans les canaux contenant, en dispersion, un pigment foncé, ou une solution de colorant , le liquide étant capable d'absorbeur environ 85-100 % de l'énergie des rayons solaires incidents , des moyens pour introduire continuellement le liquide dans une des extrémités des canaux, et des moyens pour extraire continuellement le liquide de l'autre extrémité des canaux. Un autre aspect de l'invention comprend une installation pour collecter et utiliser l'énergie solaire, ou l'eau circule dans un panneau transparent qui est exposé au soleil, et l'eau qui a ete ainsi chauffée par exposition au soleil est utilisée en tant que source d'énergie, qui comprend la circulation d'un liquide qui est capable d'absorber environ 85-100 % de l'énergie des rayons incidents du soleil, le liquide étant choisi à partir d'une dispersion aqueuse de pigment foncé dans de l'eau désionisée et une solution aqueuse de colorant foncé Un autre aspect de l'invention est une composition utile pour collecter l'énergie solaire, qui consiste essentiellement en une dispersion de particules de carbone ayant une taille d'environ 1 micromètre à environ 0,1 mm dans de l'eau désionisée et représentant un poids supérieur à 80 %, rapporté au poids de l'eau d'une composition antigel non ionique, la dispersion contenant des particules de carbone dans une proportion telle que la dispersion est capable d'absorber environ 85-100 ,0 de l'énergie des rayons incidents du soleil. La figure 1 est une vue en plan d'un mode de mise en oeuvre d'un panneau transparent selon l'invention qui est utilisé dansa présent installation et méthode pour collecter l'énergie solaire à partir du soleil. La figure 2 est une vue en section du panneau illustre dans la figure 1, realisé selon la ligne 2-2. La figure 3 est un schéma de circulation qui illustre une installation et un procédé pour collecter et utiliser l'énergie solaire en accord avec la presente invention. Selon I'invention, un liquide qui absorbe d'environ 85 % à environ 100 %,e t de préférence d'environ 95 % à environ 100 % de l'ener- gie des rayons incidents du soleil est utilisé en tant que moyen pour collecter l'énergie. Le liquide est composé d'une dispersion de pigment foncé dans de l'eau desionisee où une solution aqueuse de colorant foncé absorbant l'énergie de rayonnement. Il est important que les particules du Digment soient dispersées dans l'eau désionisee, autrement, les particules qui auraient une dimension d'environ 1 micrometre à environ 0,1 mm tendraient à se précipiter . La dispersion des particules du pigment peut se présenter sous la forme d'une dispersion colloïdale ou d'une suspension. Le pigment preféré est du carbone. En tant que colorant , tout matériau soluble dans l'eau qui présente les caractéristiques d'absorption d'énergie désirées, lorsqu'une solution aqueuse de celui-ci est exposée au soleil, peut être utilisée, ce qui inclut par exemple des composants inorganiques, tels que le permanganate de potassium, des matériaux organiques incluant des complexes et des matières colorantes,tels quelle4, 4'-diaminodiphénylamine et une émulsion de noir de diphényl. Le liquide absorbant l'énergie peut aussi contenir une composition antigel conventionnelle, de manière à ce que le liquide ne gele pas sous les conditions de température les plus basses régnant dans l'es pace où l'installation pour collecter l'énergie solaire doit être uti lisee. Des compositions conventionnelles antigels non ioniques telles que des alcools, par exemple du méthanol, de l'éthanol et de l'isopropanol et des glycols, tels que de l'éthylène glycol et du propylène glycol , sont utilisées avec des dispersions de particules de carbone dans le liquide. Les deux compositions antigels nonioniques et ioniques, c'est -dire des sels, peuvent être utilisées avec des solutions de teinture noire, dans la mesure où la composition antigel n'exerce pas d'influence contraire sur les caractéristiques d'absorption de la lumière de la solution de colorant .La quantité de la composition d'antigel utilisée dépend du climat; ainsi, la dispersion de liquide des particules de carbone peut contenir plus de 80 % en poids d'une composition antigel liquide, rapportée au poids du liquide et une solution colorante peut être chargée de la même manière avec une composition antigel liquide, et à saturation avec une composition antigel de sel.. Selon la présente invention, le liquide absorbant l'énergie s 'é- coule au travers d'un panneau transparent ayant une construction alveolaire, qui est mieux décrite en référence aux dessins qui illustrent un mode de mise en oeuvre préférentiel de celui-ci. Dans les figures 1 et 2, le panneau 1 présente un pan frontal 3 et un pan postérieur 5 qui sont joints par des parois de côté longitudinales 7. Les parois de côté longitudinales forment des canaux 9. Les canaux 9 sont ouverts à l'une de leur extrémité dans le conduit 11 qui presente une sortie 13 et à leur autre extrémité dans le conduit 15 qui presente une entrée 17. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention illustré aux figure 1 et 2, la surface extérieure du panneau postérieur 5 pré- sente un revêtement noir 19, tel qu'un revêtement de peinture noire mate et une couche d'un matériau réflecteur métallique 21 sur la partie supé- rieure du revêtement noir. En remplacement, le revêtement noir peut manquer, et la couche réflectrice 21 peut être fixée directement sur l'exté- rieur du pan postérieur 5. Le matériau réflecteur 21 peut être, par exemple, une fine couche d'une feuille d'aluminium ou d'une feuille d'un autre métal fixée directement sur le panneau postérieur 5, ou sur la partie supérieure du revêtement noir 19, ou un fin revêtement d'un métal réflecteur qui a ete pulvérisé directement sur l'extérieur du panneau postérieur 5, ou sur la partie supérieure du revêtement noir 19. Un matériau isolé 23, tel que du polystyrÈne de la fibre de verre ou tout autre composition thermo-isolante peut etre fixée à l'extérieur du panneau postérieur 5, de préférence sur la partie supérieure de la couche réflectrice métallique. Le panneau également presenter une couverture 25 en plastique transparent qui est de préférence séparée du panneau 1 par un espace d'air 25, qui ainsi crée un "effet de serre". Le panneau transparent à travers lequel s'écoule le liquide absorbant l'énergie, est de préférence composé d'un plastique stabilisé DOU les ultraviolets, par exemple stabilisés pour la lumière ultraviolette, d'acryliques et de polycarbonates, mais peut être également composé de verre. Les parois de coté longitudinales ne sont pas nécessairement plates, et il n'est non plus pas essentiel qu'elles forment des angles ce 90 degrés avec les panneaux frontaux et postérieurs. L'objet des parcis de côte est de présenter un circuit pour le liquide de circulation ah- sorbant l'énergie.De préférence, les canaux ntont-pas des d-imensions su périeures a 2 cm environ en largeur, 2cm environ en hauteur, et de préférence, les canaux ont une largeur d'environ 0,5 cm à 1,5 cm, et une hau teur d'environ 0,5 à 1,5 cm. Un panneau qui a une dimensions d'environ 60 cm X 120 cm convient; toutefois, des panneaux de dimensions pus grandes, c'est-à-dire environ deux à trois fois la longueur et la largeur qui viennent d'être mentionnées peuvent être utilisés si on le désire. Les pans et les parois de côté formant le panneau peuvent être aussi fins que la rigidité de structure du verre ou du plastique le permet. Des compositions de plastique enduites ou laminées peuvent aussi être utilisées pour le panneau et la couverture de plastique peut être faite dans le même plastique ou dans un plastique différent que celui qui est utilise pou les panneaux. Tandis qu'une couverture plate pour les panneaux a été illustrée, la couverture peut bien sûr avoir toute forme telle que celle d'un dôme incurve, etc La couverture peut avoir également une forme ondulée telle que représentée en 22 dans la figure 2. Les ondulations coincident avec les parois de côté longitudinales. Leur forme est déterminée de manière - ré aliser un effet de loupe pour les rayons incidents du soleil quelque soit la position du soleil dans le ciel. Une installation pour collecter et utiliser l'énergie solaire selon la présente invention, dans lequel une dispersion liquide de ment foncé , de préférence du carbone, ou une solution liquide de colorant foncé , circule dans un panneau transparent est illustree en figure 3, et le procédé de l'invention va être décrit en reférence. Le liquide absorbant l'énergie est introduit dans le conduit 15 par le moyen d'une entree 17, de manière à ce qu'il circule au travers des canaux dans le panneau 1, où il est chauffé par exposition au soleil.A partir des canaux du panneau 1, le liquide absorbant l'énergie qui a éte chauffé s'écoule dans le conduit 11, à travers la sortie 13 et ensuite dans le conduit 43, qui présente des moyens 45 permettant de mesurer la température, tels qu'un thermostat et un vase d'expansion 47. Le liquide chauffé.absorbant l'énergie, s'écoule ensuite dans l'échangeur de chaleur 39, au moyen d'un serpentin 41, où la chaleur absorbée par le liquide absorbant l'énergie est transférée par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 39, de manière à ce qu'il soit disponible pour l'u tilisation: Le liquide absorbant l'énergie ensuite s'écoule au travers du conduit 31 qui présente des moyens 35 pour mesurer la température, tels qu'un thermostat et des moyens 33 pour réguler la circulation du liquide, tels qu'une vanne manuelle ou une vanne commandée par thermostat. Le conduit 31 présente également une vanne 37, qui peut être utilisée pour remplir l'installation avec du liquide ou pour vider le liquide de l'installation. A partir du conduit 31, le liquide absorbant l'énergie est recyclé à nouveau par l'entrée 17 et les canaux du panneau 1.Ainsi, le liquide absorbant l'énergie circule d'une maniere continue, ou si on préfère d'une manière non continue dans une boucle fermée, avec laide d'une pompe 49. La vitesse de circulation peut être contrôlée manuellement par la vanne 33 ou la vanne 33 peut être commandée par les thermostats 35 et 45. Lorsque la dispersion liquide d'un pigment foncé est utilisée comme agent collecteur d'énergie, il est préférable que liquide circule dans l'installation à une vitesse suffisante pour présenter quelques perturbations, de maniere à ce que réellement toutes les particules du pigment soient maintenues à l'état dispersé. Toutefois, si une petite proportion des particules de pigment se dépose du liquide le long du panneau pos térieurs, aucun tort n'est fait, puisque le pigment foncé, et de préférence noir, agit de la même manière en tant que couche noire sur le panneau postérieur pour absorber l'énergie solaire. Les exemples suivants illustrent le meilleur mode prévu de mise en oeuvre de l'invention, mais les exemples ne doivent pas être considé- rés comme limitant l'invention d'aucune manière ce soit. EXEPLE 1 Un liquide qui absorbe 98 , 0 de l'énergie des rayons incidents du soleil est obtenu en combinant un litre d'eau distillée, 10 grammes d'AQUADAG, qui est une composition d'un graphite colloïdal contenant 22 ' de matieres solides dans l'eau. Le pourcentage de l'énergie solaire absorbé par cette composition par centimètre d'épaisseur du liquide es déterniné par une mesure avec un pyromètre Environ 4 litres de cette dispersion liquide-carbone circulent ensuite au travers des canaux d'un panneau de 120 cm X 240 cm du type illustré dans les figures 1 et 2. Le panneau, qui est construit en TUF-AK- TWINWAL a une épaisseur de 0,56 cm , et contient environ80 canaux par largeur de 60 cm .Les canaux du panneau ont une épaisseur qui varie de environ 0,5 centimètre à 1,0 centimètre et ont une hauteur d'environ D,: centimetre. L'extérieur du panneau postérieur est couvert d'un revêtement d'une peinture noire mate, une couche d'une feuille fine d'aluminium est fixeeau panneau postérieur sur partie supérieure de la peinture noire et ensuite une couche de poiystyrèneest fixée au panneau postérieur sur la partie supérieure de la feuille d'aluminium. Le panneau est placé de telle manière qu'à midi, les canaux du panneau sont perpendiculaires aux rayons solaires. En Avril, dans le ew Jersey, par un jour d'une grande clarte,ce systèmeproduitde 780 wat-;s Dar mètre carre, à environ 1.045 Watts par mètre carré, selon l'heure du jour. EXET1PLE 2 Un liquide absorbant l'énergie est prépare en mélangeant de l'er cre de chine avec de l'eau désionisée, jusqu'à ce que le mélange absorbe 93 ' de l'énergie provenant du soleil par centimètre d'épaisseur, mesuré par un pyromètre. Ce liquide est introduit dans le même systeme que dans l'exemple 1, et sensiblement les mêmes résultats ont été obtenus. EXEMPLE 3 Du 4, 4'-Diamino-diphenylamine est dissout dans de l'eau us- qu'à ce qu'un centimètre en épaisseur du mélange absorbe 92 E de l'éner- gie du soleil, mesure par un pyrométrie. Ce liquide est introduit dans l'i tallation décrite dans l'exemple 1, avec sensiblement les mêmes résultats que dans l'exemple 1. EXEMPLE 4 Du permanganate potassium est dissout dans de l'eau jusqu'à ce que la solution résultante absorbe 90 de la lumière du soleil par centimètre d'epaisseur , mesuré par un pyromètre. Cette solution circule au travers d'un panneau de glace ayant un fond réflecteur métallisé, et une couche d'isolation en polystyrêneavec sensiblement les mêmes résultats que dans l'exemole 1. Lorsqu'un liquide absorbant l'énergie, qui absorbe environ 85-100 , de l'énergie provenant des rayons solaires est introduit dans un dispositif, tel que celui qui est décrit dans les figures 1 et 2, où le dessous du panneau est recouvert d'une couche diun matériau reflecteur, ou est enduit à la fois d'une peinture noire mate et d'une couche d'un materiau réflecteur métallique, et egalement a une couche d'un matériau d'isolation, substantiellement toute l'énergie atteignant le liquide est absorbée par celui-ci, du fait des couches de peinture noire et/ou de la couche métallique réflectrice et de la couche isolante. De plus, l'assemblage entier est très léger et facile à installer. Le panneau peut être utilisé comme partie de la structure de base d'un toit; c'est-à-dire, les présents panneaux peuvent être utilisés à la place de bardeaux ou tout autre- couverture extérieure de toit. Naturellement, l'installation et le procédé qui viennent d'être décrits sont donnés ici à titre indicatif, et tout autre mode de mise en oeuvre pourrait être adopté sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Installation pour collecter l'énergie solaire, caractérisée par le fait qu'elle comprend - un panneau transparent composé d'une pluralité de canaux ouverts des deux côtés, - un liquide dans les canaux contenant une dispersion de pigment foncé dans de l'eau désionisée, ou une solution de teinture-foncée, ledit liquide étant capable d'absorber environ 85 a100 S de l'énergie des rayons incidents du soleil, - des moyens pour introduire continuellement ledit liquide dans une des extrémités des canaux et, - des moyens pour extraire continuellement ledit liquide de l'autre extrémité des canaux, 2.Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend - un échangeur de chaleur dans lequel le liquide s'écoule après avoir été extrait des canaux, - des moyens pour transférer continuellement le liquide extrait des canaux audit échangeur de chaleur et, - des moyens pour extraire continuellement le liquide dudit échangeur de chaleur et pour continuellement transférer le liquide auxdits moyens pour introduire ledit liquide dans les canaux. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend - des moyens de raccordement connectés à l'une des extrémités des canaux pour introduire le liquide dans les canaux, - des moyens de raccordement connectés aux autres extrémités des canaux pour extraire le liquide des canaux, des moyens d'échange de chaleur connectés aux deux sortes de moyens de raccordement, de manière à ce que les canaux, lesdits moyens de raccordement, et ledit échangeur de chaleur forment une boucle fermée au travers de laquelle le liquide écoule, - des moyens pour mesurer la température du liquide dans lesdits conduits et, - des moyens pour ajuster la vitesse de circulation du liquide en fonction de la température du liquide dans lesdits conduits. 4. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le panneau contient des canaux qui ont des dimensions jus qu'à 2 cc environ en hauteur et jusqu'à 2 cm environ en largeur. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dit panneau est composé de pans frontaux et postérieurs, et d'une série de parois longitudinales qui joignent les dits panneaux frontaux et postérieurs et forment les canaux et dans lequel la surface extérieure du dit panneau posterieur présente un enduit noir et une couche métallique réflectrice sur la partie supérieure du dit enduit noir, le panneau est placé de manière à ce que le dit pan frontal soit face au soleil lorsqu'il est en service. 6. Procédé-pour collecter et utiliser l'énergie solaire, ca ractérisé par le fait qu'il comprend - une introduction continuelle d'un liquide contenant une dispersion de pigment foncé ou une solution de colorant foncé, le dit liquide étant capable d'absorber d'environ 85 à 100 , 0 de l'énergie provenant des rayons incidents du soleil, dans un panneau transparent composé d'une pluralite de- canaux longitudinaux ouverts à chacune de leurs extrémités, delmanière à ce que le dit liquide s'écoule continuellement à travers des canaux, le panneau étant placé de manière à ce que la surface transparente de celui-ci et le liquide s'écoulant à l'intérieur de ce-lui-ci soient exposes aux rayons du soleil, - une extraction continuelle du liquide du panneau, - une circulation continuelle du liquide extrait du panneau au-travers d'un échangeur de chaleur, - un recyclage continuel du liquide à partir de l'échangeur de chaleur au-travers du panneau, de manière à ce que le liquide circule dans une boucle fermée, - un pilotage de la température du liquide extrait du panneau et de la température du liquide qui a circulé au-travers de l'échangeur de chaleur et, - une régulation de la vitesse de circulation du liquide en fonction des dites tenpératures. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le liquide comprend une dispersion de particules de carbone dans de l'eau désionisée contenant une proportion supérieure à 80 9 en poids d'une composition antigel non inionique. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le liquide circule à une vitesse suffisante pour maintenir substantiellement toutes les particules de carbone dans un état dispersé gracie à une turbulence résultant de la circulation. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les canaux ont une largeur d'environ 0,5 cmA environ 2 cm et une hauteur d'environ 0,5 cm à environ 2 cm. 10. Composition utilisée pour collecter l'énergie solaire, caractérisée par le fait qu'elle consiste essentiellement en une dispersion des particules de carbone ayant une dimension d'environ 1 microme- tre à environ 0,1 millimètre dans de l'eau désionisée, et dans une proportion supérieure à 80 ció en poids rapportée au poids de l'eau d'une composition antigel non ionique, la dite dispersion contenant une quantité de particules de carbone telle que la dispersion soit capable d'absorber environ 85-100 de l'énergie des rayons incidents du soleil.