Brevet FR2553872A1 — publié le 19850426

Chauffe sau solaire en:peçrii concerne un chauffe-eau solaire qui a comme récepteur le corps de chauffe lui-même lequel est placé autour de l'axe focal d'un miroir paraboloide demi-cylindrique Le corps de chauffe est couvert d'une feuille de revêtement sélectionnée pour présenter un important coefficient d'absorption et un faible coefficient de rayonnement thermique ( 5-15 %) Le chauffe10 eau possède de préférence une couverture double à lames d'air sec Grâce à un chauffe-eau selon l'invention on obtient des rendements élevés ainsi qu'une température d'eau élevée, de l'ordre de 40 à 70 C ce qui procure de nouvelles solutions aux problèmes d'économie d'énergie dans 1 5 l'utilisation d'eau chaude pour le chauffage central de bâtiments, de groupes d'hôtels ou pour d'autres usages industriels. Les chauffe-eau solaires les plus connus jusqu'à present consistent essentiellement en des récepteurs plats qui trouvent leur application préférentielle à des bâtiments comportant au maximum un à deux étages Ces récepteurs plats permettent d'alimenter en eau chaude une maison ou un appartement, ou encore d'assurer le chauffage de l'eau d'une piscine, mais ils ne sont pas capables de fournir de l'eau 25 à une température supérieure à 25-300 C avec un rendement satisfaisant et ne sont guère avantageux sur le plan économique Dans des installations destinées à des immeubles importants on multiplie le nombre de récepteurs plats, en constituant ainsi de véritables "forêts" mais, ici 30 encore, avec un rendement médiocre. Le problème principal que l'on rencontre avec des récepteurs plats est que ceux-ci atteignent leur rendement maximum uniquement vers l'heure de midi, lorsque les rayons du soleil sont les plus proches de la verticale Et l'on constate fréquemment que les valeurs de rendement annoncées par les fabricants ne sont vraies que vers l'heure de midi. Un autre problème présenté par les récepteurs plats est le pourcentage de surface mouillée par un film d'eau de petite épaisseur sous la surface du récepteur qui aboutit parfois à des solutions non viables soit parce que le pourcentage de surface mouillée est insuffisant soit parce que le film d'eau a une épaisseur excessive ou encore parce 5 que la surface frontale ne présente pas les caractéristiques souhaitées ou encore transmet indirectement la chaleur à des tubes de chauffe. Un autre problème rencontré avec les récepteurs plats est qu'ils présentent une perte de rendement d'environ 10 20 % en raison de la nécessité de prévoir un double circuit fermé avec antigel puisqu'ils ne comportent pas de vitre double pour la protection contre les pertes d'induction ni une construction hermétique pour augmenter la durabilité de la surface de revêtement particulière. Un des objets de la présente invention est de fournir un chauffe-eau solaire dont le récepteur est constitué par le corps de chauffe lui-même, placé autour de l'axe focal d'un miroir paraboloide demi-cylindrique, qui est de préférence disposé verticalement afin d'obtenir de la surface active du miroir un rendement maximum de captation du rayonnement provenant du soleil durant son trajet d'est en ouest et que le rayonnement réfléchi se concentre massivement vers l'axe focal. Un autre objet de l'invention est le revêtement du 25 corps de chaufferécepteur avec une surface de revêtement particulière, par exemple du noir de chrome ou de nickel ce qui permet ainsi d'obtenir un haut degré d'absorption du rayonnement solaire ( 85-95 %) et un faible degré de réémission ( 5-15 %) pour diminuer les pertes de chaleur par 30 réflexion. Un autre objet de cette invention est l'adaptation hermétique d'un tableau transparent ou, en variante, d'un tube cylindrique transparent qui a le même axe que le corps de chauffe-récepteur, adaptation dans laquelle il est formé 35 une poche d'air sec ou encore un vide entre le corps de chauffe et le tableau transparent ou le tube cylindrique transparent. Un autre objet de l'invention consiste en l'utilisation d'un tableau double transparent, par exemple d'une vitre, pour la couverture du corps de chaufferécepteur ou, en variante, l'utilisation d'un tube cylindrique coaxial, de telle manière qu'il soit formé une poche d'air sec ou un vide dans le double tableau ou dans le tube cylindrique. Un autre objet de l'invention est un récepteur de construction telle qu'il puisse être utilisé avec un réseau à circuit unique pour l'amélioration du rendement d'environ 10 17 %. Un autre objet de la présente invention est de procurer un chauffe-eau qui permette une implantation facile et qui soit agréable d'aspect, même lorsqu'un grand nombre de récepteurs sont réunis pour la couverture des installations centrales, grâce au fait que le chauffe-eau selon l'invention présente un encombrement limité qui correspond à la moitié de l'encombrement que présente le meilleur récepteur plat pour le même résultat Enfin, l'un des objets de la présente invention est un chauffeeau 20 solaire qui présente une longue durée de vie et un prix compétitif. Les buts et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui va suivre de diverses formes de réalisation données à titre d'exemples non limitatifs, et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: La Figure 1 est une vue en perspective d'un chauffeeau solaire selon l'invention; La Figure 2 est une coupe horizontale du chauffe30 eau de la Figure 1; La Figure 3 est une coupe verticale du chauffe-eau de la Figure 1; La Figure 4 est une coupe horizontale d'une variante de chauffe-eau selon l'invention, dans laquelle le 35 corps de chauffe-récepteur est placé autour de l'axe focal d'un miroir paraboloide double; La Figure 5 est un diagramme illustrant l'énergie solaire incidente tout au long d'une journée, et les énergies absorbées a) par un récepteur plat et b) par un récepteur selon l'invention, o les énergies sont exprimées en KCAL/m 2 de surface; La Figure 6 est un diagramme comparatif des rendements d'un récepteur plat et d'un récepteur conforme à la Figure 1, en fonction de la température; La Figure 7 est une coupe verticale d'un chauffeeau solaire présentant un tube transparent coaxial autour du 10 corps de chauffe-récepteur selon une variante de l'invention; et La Figure 8 est une coupe horizontale du chauffeeau de la Figure 7. Le chauffe-eau solaire représenté aux Figures 1, 2, 15 3, est constitué d'un récepteur cylindrique 6 qui constitue en même temps un réservoir d'eau chaude intérieur 7 Le corps de chauffe-récepteur est fabriqué de préférence en matière inoxydable spéciale résistant à la corrosion, mais il peut être fabriqué en toute autre matière convenable (verre) ou 20 encore d'un métal ordinaire ou de lames d'acier qui sont protégées contre la rouille On peut également prévoir de monter un dispositif de protection (électrode de magnésium ) contre les phénomènes électrolytiques. Selon une application préférentielle de l'invention 25 le corps de chauffe-récepteur 6 a un diamètre intérieur de 300 mm et une longueur de 1600 mm Les bases cylindriques du récepteur qui ne constituent pas une surface réceptive peuvent être isolées de plaques de polyuréthane ou de toute autre matière isolante. Tout autour du récepteur cylindrique est prévue une couche de revêtement réceptive 8, qui peut par exemple être réalisée par immersion dans un bain de noir de chrome ou de noir de nickel Pour des raisons économiques on préférera de réaliser ce revêtement à l'aide d'une feuille de surface 35 réceptive On pourra utiliser à cet effet une feuille ordinaire dont la surface réceptive est constituée de noir de chrome ou de noir de nickel, ou d'une combinaison des deux, dont on dispose dans le commerce Elle présente un coefficient b 553872 - L_=a 4 s'aetï 1 tï' f/ d)tl:;X Li'_tl_ elles iron 5-ii *) r valu osât 1;: -as ?-nn ztumen ther Faique de 515 % Ainsi on peut augnenter la capacité d'absorption thermique d'une part et d'autre part diminuer la perte de chaleur à cause du rayonnement, grâce au revêtement du corps de chauffe-récepteur par une feuille de revêtement particulière 8 permettant un faible coefficient de réémission du rayonnement thermique Si l'on n'utilise pas une autre 10 isolation particulière pour les bases circulaires du récepteur cylindrique 6, celles-ci pourront être également revêtues d'une feuille de revêtement particulière. Le corps de chauffe 6 est placé autour de l'axe focal d'unmiroir demicylindrique disposé de préférence I 5 verticalement et de profil paraboloide 5 comme illustré à la Figure 2, ou selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le corps de chauffe est placé autour de l'axe focal d'un double miroir paraboloide 11 comme illustré à la Figure 4 Le miroir parabololde 5, 11 est fabriqué en matériaux 20 réfléchissants qui reflètent jusqu'à 85 % du rayonnement solaire du côté opposé du récepteur 6 Lors du montage du corps de chauffe 6 on prend soin de faire coincider une partie allongée de celui-ci avec la ligne focale ou les lignes focales (ou encore de l'approcher de ces lignes) du 25 miroir paraboloide simple ou double correspondant Ainsi toute la surface du corps de chauffe constitue une surface de réception du fait que le côté avant reçoit directement le rayonnement solaire (direct et diffus) et le côté arrière reçoit par réflexion le rayonnement solaire depuis le miroir 30 paraboloide 5, 11 Le côté arrière du miroir paraboloide peut être recouvert d'une matière isolante 4 comme du polyuréthane, du coton minéral, etc pour réduire les pertes thermiques. L'ensemble est enfermé dans une enveloppe métallique ou une enveloppe composite résine-fibre de verre 3 qui se termine à la partie avant par un profil spécial dans lequel peut être placée une vitre convenable ou une autre matière transparente ou des feuilles de plastique spéciales qu'on utilise pour les récepteurs solaires Selon une application préférentielle de l'invention, on prévoira une double vitre 2 entre lesquelles est définie une poche d'air, 5 ou encore entre lesquelles on fait le vide, pour assurer une meilleure isolation Le montage de la vitre 2 est étanche à l'eau et à l'air pour permettre une meilleure transmission du rayonnement solaire au travers de la vitre 2 et sa captation par le corps de chauffe 6 ou le miroir paraboloide Pour cette raison, les vitres pourront être réalisées en un verre spécial. Selon une autre forme préférentielle de l'invention, au lieu de prévoir une double vitre, on prévoit que le corps de chauffe-récepteur soit couvert d'un tube coaxial transparent 16 à simple ou double paroi qui peuvent selon les cas définir autour de la surface de revêtement une ou deux poches d'air sec ou encore une poche d'air sec et une poche vide d'air si la résistance de la matière le permet Ainsi le dispositif est protégé de manière satisfaisante contre les pertes d'induction et il n'est pas besoin de prévoir une isolation supplémentaire et l'on peut omettre la couverture en matière isolante La seule isolation à prévoir est celle qui correspond aux bases circulaires du tube constituant le corps de chauffe et de la couverture coaxiale qui seront 25 garnies de plaques de matière isolante 15. Dans le cas de la forme de réalisation préférée de l'invention illustrée aux Figures 7 et 8, le rendement sera le meilleur puisque la totalité du rayonnement qui tombe sur la surface active atteindra le miroir paraboloide Pour ce qui concerne la surface réfléchissante du miroir, celle-ci doit être protégée avec un film en matière plastique pour éviter des phénomènes de vieillissement et la formation de rouille Ce film assure également une protection contre la poussière et les gouttes d'eau On trouve des matériaux similaires dans le commerce qui sont utilisés principalement pour les récepteurs à tube creux Le cas de la présente invention diffère des systèmes connus de récepteur à tube creux en ce que le récepteur cylindrique utilisé constitue en 7 2553872 même temps le corps de chauffe, et le système peut fonctionner en totalité sur un circuit qui résiste à la pression du réseau d'eau urbain, tandis que les systèmes connus qui fonctionnent avec un circuit fermé indirect ne peuvent résister qu'à des pressions inférieures à 2 bars. Dans le cas de la Figure 3 le corps de chauffe 6 possède une résistance électrique 9 immergée et une anode positive de magnésium 10 La résistance électrique assure le 10 chauffage complémentaire de l'eau pendant les journées d'hiver. L'arrivée de l'eau depuis le réseau et la sortie d'eau chaude du chauffe-eau solaire peuvent être réalisées par les tuyaux 12 et 13, comme dans la technologie classique. 15 En fonctionnement, il n'y a pas de risque de gel de l'eau tant que la température ne descend pas au- dessous de C Dans le cas o on a prévu une double vitre sur la face avant, avec poche d'air sec intermédiaire, on obtient une protection améliorée pour des températures encore plus basses. 20 On obtient une protection identique lorsqu'on prévoit un tube cylindrique coaxial à la place de la vitre double En variante, et pour une protection maximale, on peut prévoir une petite résistance électrique (d'une puissance de l'ordre de 500 watts) qui se place dans le corps de chauffe25 récepteur 6 et fonctionne avec un thermostat différentiel, de telle sorte que la température d'eau restera toujours audessus de + 2 C et ne risque pas de geler dans le réservoir 7 Il faut signaler que pour les régions dans lesquelles on utilise la protection avec poche d'air sec et la construction 30 hermétique autour du corps de chauffe-récepteur, cette protection est suffisante et l'on n'a pas besoin de prévoir une résistance supplémentaire. A la Figure 1, le chauffe-eau solaire est fixé sur un cadre métallique 14 dont la pente peut être réglée Pour 35 tirer un meilleur parti du rayonnement solaire le chauffeeau est orienté vers le sud et la pente par rapport au sol est comprise entre 20 et 60 La pente préférable est calculée en fonction de la latitude du lieu Selon une réalisation préférée de l'invention, le chauffe-eau tourne à l'aide d'un servomoteur de l'est vers l'ouest en-suivant le trajet du soleil On assure ainsi le meilleur profit possible du rayonnement solaire. Le chauffe-eau peut avoir des dimensions variées pour toutes les exigences relatives à la production d'eau chaude On peut également prévoir de multiples éléments recouverts par une même couverture, ce qui constituera un 10 chauffe-eau solaire de meilleur rendement. Le chauffe-eau selon l'invention peut être associé à un chauffe-eau électrique existant et l'on prévoit dans le circuit des thermostats et des vannes électriques ou manuelles de facon à alimenter, les jours o l'insolation est insuffisante, le chauffe-eau électrique avec de l'eau tiède en provenance du chauffe-eau solaire, et tirer parti d'une insolation même limitée. Le chauffe-eau selon l'invention, principalement celui qui est illustré aux Figures 1 et 2 va faire l'objet 20 d'une comparaison avec des chauffe-eau solaires de la technologie précédente, à l'aide des diagrammes des Figures 5 et 6 Le diagramme de la Figure 5 présente trois courbes A, B et C La première A illustre l'énergie du rayonnement solaire pendant la journée de 7 heures à 17 heures en KCAL/m 2 La courbe B illustre l'absorption de l'énergie par un récepteur plat Et la courbe C illustre l'absorption de l'énergie par un récepteur selon l'invention Le résultat de ce diagramme est que la valeur moyenne totale de rendement des récepteurs plats est d'environ 22,5 % tandis que la valeur 30 moyenne totale des récepteurs selon l'invention est d'environ %. Dans le diagramme de la Figure 6 est illustrée la variation du rendement pour un récepteur selon l'invention (ligne 1), pour un récepteur plat pourvu d'une surface sélectionnée (ligne 2) et pour un récepteur simple (ligne 3) ainsi que la variation de la température de fonctionnement de chaque récepteur Le-diagramme concerne un rayonnement de ,67 k Wh/m 2 lorsque la température environnante est de 10 C. f g sa:- e úar N E ro J zones A { 10 -30 C'3 B -i _ tli _ Xigl La zone L est utilisée pour chauffer l'eau des piscines, la zone B pour chauffer des locaux et de l'eau chaude, et la zone C pour des applications industrielles et/ou la climatisation de locaux On constate que les récepteurs plats ont un faible rendement dans les zones A et B, et que ces appareils ne peuvent fonctionner dans la zone C. La description de la présente invention a été faite à l'aide de quelques exemples significatifs et ne saurait être limitée aux formes illustrées Toute modification de forme et de dimension reste dans les limites de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Chauffe-eau solaire caractérisé en ce qu'il comporte comme récepteur ( 6) son corps de chauffe lui-même, ledit corps de chauffe-récepteur ( 6) étant disposé autour de l'axe focal d'un miroir parabololde ( 5,11) et étant revêtu d'une couche de 5 revêtement ( 8) sélectionnée pour présenter un coefficient d'absorption important et un faible coefficient de réémission du rayonnement thermique solaire, et comportant une couverture transparente( 2) pour la diminution des pertes thermiques d'induction. 2 Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir paraboloîde ( 5,11) est demi-cylindrique et disposé sensiblement verticalement. 3. Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que le corps de chauffe-récepteur ( 6) est réalisé en matériau inoxydable, notamment en verre ou en acier, ayant subi un traitement contre la rouille. 4. Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé 20 en ce que la couche de revêtement ( 8) sélectionnée est obtenue à partir d'un matériau en forme de feuille. 5. Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de revêtement ( 8) sélectionnée est obtenue par immersion dans un bain. 6. Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de revêtement ( 8) sélectionnée couvre en totalité ledit corps de chauffe-récepteur ( 6). 7 Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que seule la surface cylindrique du corps de chaufferécepteur ( 6) est recouverte de la couche de revêtement ( 8) sélectionnée et que les bases circulaires du corps de chaufferécepteur sont recouvertes de plaques de matériau isolant, notamment de polyuréthane. 8 Chauffe-eau solaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le miroir paraboloide est un miroir parabololde simple ( 5) et que le corps de chauffe-récepteur ( 6) est disposé le long de l'axe focal du miroir paraboloîde simple, de telle sorte qu'une partie allongée de la surface cylindrique du corps 10 de chauffe soit située le long de cet axe focal ou à proximité de celui-ci. 9. Chauffe-eau solaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le miroir paraboloîde est un miroir paraboloîde 15 double ( 11) et que le corps de chauffe-récepteur ( 6) est disposé le long de l'axe focal du miroir parabololde double, de telle sorte que deux parties allongées de la surface cylindrique du récepteur soient situées le long des axes focaux correspondants du miroir paraboloîde, ou à proximité 20 de ceux-ci. 10. Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de chauffe récepteur ( 6) et le miroir paraboloîde ( 5,11) sont placés dans une enveloppe extérieure ( 3) 25 ayant une forme demicylindrique correspondant à celle du miroir narabololde et à l'extrémité ouverte de laquelle est appliqué unr moyen de couverture ( 2) transparente. 11. Chauffe-eau solaire selon la revendication 10, caractérisé 30 en ce qu'il est prévu un matériau d'isolation ( 4) entre l'enveloppe ( 3) et la surface extérieure du miroir paraboloîde ( 5,11). 12. Chauffe-eau solaire selon la revendication 10, caractérisé 35 en ce que le moyen de couverture ( 2) transparente est une vitre simple montée hermétiquement à l'extrémité ouverte de l'enveloppe ( 3), formant ainsi une poche d'air sec ou un vide entre le récepteur et la vitre. 13 Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications à 12, caractérisé en ce que le moyen de couverture transparente ( 2) est une double vitre et qu'il est formé une poche d'air sec ou de vide entre les deux feuilles de le vitre double. 14 Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications à 13, caractérisé en ce que le moyen de couverture ( 2) transparente est réalisé en une matière transparente au rayonnement solaire, autre que du verre. 15 Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir paraboloîde ( 5,11) est ouvert à l'atmosphère et que le corps de chauffe-récepteur ( 6) est disposé autour de l'axe focal du miroir paraboloîde ( 5,11), le moyen de couverture transparent consistant en un tube coaxial ( 16) transparent 20 au rayonnement solaire. 16. Chauffe-eau solaire selon la revendication 15, caractérisé en ce que les bases circulaires du corps de chauffe-récepteur ( 6) et du tube coaxial ( 16) cylindrique sont recouvertes de plaques en matériau isolant. 17. Chauffe-eau solaire selon la revendication 15, caractérisé en ce que le tube cylindrique ( 16) coaxial et transparent est réalisé en verre ordinaire ou spécial et est monté autour 30 du corps de chauffe ( 6) de manière hermétique pour constituer une poche d'air sec ou de vide entre le corps de chauffe et le tube cylindrique coaxial. 18. Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 35 15 à 17, caractérisé en ce que le tube cylindrique ( 16) coaxial et transparent est un double tube cylindrique de verre ordinaire ou spécial, une poche d'air ou de vide étant formée entre les deux parois du -double tube cylindrique. 19 Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications à 18, caractérisé en ce que le tube cylindrique ( 16) coaxial et transparent est réalisé en une matière transparente au rayonnement solaire autre que du verre. 20 Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce qu'il est prévu pour fonctionner à l'aide d'un seul circuit ouvert, du réseau d'adduction d'eau à la pression d'alimentation de ce dernier. 21 Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il est fixé sur un cadre métallique par rapport auquel il est orienté suivant un angle de 20 à , et qu'il est mobile à l'aide d'un servomoteur de l'est vers l'ouest suivant le trajet du soleil. 20 22. Chauffe-eau solaire selon la revendication 10, caractérisé en ce que deux ou plusieurs ensembles constitués d'un corps de chauffe-récepteur et d'un miroir parabololde simple ou double sont placés dans la même enveloppe métallique, constituant 25 un chauffeeau solaire de rendement amélioré. 23. Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance électrique ( 9) immergée dans le corps de chauffe-récepteur( 6), pour chauffer 30 l'eau pendant le jours d'hiver sans soleil. 24. Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance électrique ( 9) de faible puissance commandée par un thermostat différentiel 35 et immergé dans le corps de chauffe-récepteur, afin d'assurer une température d'eau minimale de + 2 C. 25. Chauffe-eau solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce qu'il comporte un thermostat électrique et une vanne à trois voies.