Brevet FR2567252A1 — publié le 19860110

GENERATEUR HELIO-THERMIQUE A FAIBLE CONCENTRATION ET RENDEMENT ELEVE La présente invention concerne un générateur hélio-thermique à faible concentration et rendement élevé. Ce générateur permet de satisfaire les besoins de chaleur à moyenne température comprise entre 80 et 120 OC, ces besoins étant très importants de nos jours. Les applications possibles concernent un grand nombre d'industries agro-alimentaires, textiles, etc., ainsi que le dessalement de l'eau et la production de froid par absorption. Les capteurs plans, de nos jours, ne permettent pas d'atteindre ces températures. Seuls les capteurs sous vide pourraient satisfaire ce type de besoin, mais avec une surface active de l'ordre de 60 % de la surface occupée, ce qui réduit le rendement et entraîne un prix relativement élevé. La concentration du rayonnement solaire s'avère donc indispensable pour produire de la chaleur, au niveau indiqué ci-dessus, avec un bon rendement. De tels systèmes à concentration sont déjà connus et comprennent un générateur solaire à lentilles de Fresnel assurant la concentration du rayonnement sur un collecteur associé avec un système de réflexion permettant de récupérer les rayonnements ne frappant pas directement le collecteur et notamment ces rayons sur la face du collecteur opposé à la face directement orientée vers la lentille. Ce genre de générateur présente l'inconvénient, s'il est étanche, de poser des problèmes liés à la dilatation de l'air entrainant des déformations du caisson support. Par ailleurs, lorsqu'il fait appel à des lentilles à haut pouvoir de concentration, il ne permet de récupérer que le rayonnement direct. L'invention a donc pour objet de pallier les in convénients mentionnés ci-dessus en réalisant un générateur hélio-thermique de prix de revient réduit fonctionnant avec un soufflet de dilatation, et ayant un rendement plus élevé puisque fonctionnant avec des lentilles à faible concentration celles-ci permettant la récupération du rayonnement diffus. Le premier but est atteint par le fait que le générateur hélio-thermique à faible concentration et rendement élevé comprend dans une enceinte, une lentille convergente, un collecteur formé d'un tube à surface absorbante sélective, une pluralité de dispositifs réflecteurs en forme de goulotte comprenant à l'intérieur de leur concavité le collecteur et en outre une poche souple déformable épousant approximativement le contour convexe des goulottes et reliée par au moins une communication avec l'espace clos délimité par la lentille et la partie concave des goulottes. Un deuxième but de l'invention est de réaliser un générateur solaire à haut rendement et permettant d'atteindre des températures de fonctionnement de 80 à 120 OC. Ce deuxième but est atteint par le fait que les mesures suivantes, prises individuellement ou en combinaison les unes avec les autres, sont appliquées - le collecteur est entouré sur sa face opposée à la face orientée vers la lentille par une matière isolante - le collecteur comporte des ailettes - le pouvoir de-concentration de la lentille de Fresnel est compris entre 4 et 5 - les dispositifs réflecteurs concentrent le rayonnement diffus réfléchi par ces réflecteurs sur la surface externe de l'isolant entourant partiellement le collecteur - la poche souple déformable épouse le contour convexe des goulottes et se trouve protégé de l'envi- ronnement par un demi-caisson comportant sur ses côtés latéraux au moins une ouverture pourvue dVun filtre antipoussière dessiccateur et bactéricide. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous faite en réfçrenee à la figure unique qui représente une coupe transversale du générateur hélio-thermique - la figure 1 représente un demi-caisson 4 dont ltouverture est obturée par un ensemble constituant la lentille de Fresnel.Cet ensemble compostant une plaque de verre de faible épaisseur et une plaque en matériau plastique constituant la partie focalisante7 les dieux plaques étant jointes sans contrainte par une couche interme- diaire 3 de matériau transparent à viscosité controlée et à pouvoir adhésif avec le verre et le matériau plas- tique, et comportant une substance anti-ultraviolet dispersée dans cette couche intermédiaire 30 Les deux pla- ques sont maintenues séparées par une entretoise 59 et l'ensemble des deux plaques est monté collé dans un encadrement 6 constitué par une cornière effectuant le pourtour des plaques. La plaque 2 comporte une indentation linéaire 20 permettant de constituer la lentille de Fresnel linéaire.Le demi-caisson 4 constitue en matériau appropriés, tels que par exemple de lvacier galvanisé9 du polypropylène ou de l'A.B.Sg comporte un épaulement lE2 permettant d'accrocher et de fixer de manière étanche un ensemble 9 constitué par un film réfléchissant semirigide conformé en forme de goulotte longitudinale Sur la figure on a représenté deux goulottes, mais il est bien évident que le nombre de goulottes peut etre augmenté à volonté. Le film réfléchissant peut être constitué par exemple par un polyester sur lequel on a déposé une couche d'aluminium par dépôt sous vide.Un collecteur 7, pourvu latéralement d'aillettes 70 et ayant la forme d'un serpentin ou d'un peigne à double voie de circulation du fluide, est placé à l'intérieur des goulottes linéaires dont les axes de symétrie sont parallèles aux dents des lentilles de Fresnel. Ce collecteur peut être constitué, de façon avantageuse, d'un tube de cuivre revêtu d'un chrome noir sélectif, constituant un revêtement absorbant sélectif. Ce revêtement à l'avantage de rayonner très peu à la température de fonctionnement déterminée.On choisira un revêtement dont le pouvoir émissif est de 0,10 pour les longueurs d'ondes de rayonnement infrarouge correspondant à la température de fonctionnement du collecteur qui est de 100 OC. Le collecteur est disposé à l'intérieur de l'espace clos délimité par le réflecteur 9 et la lentille de Fresnel à une distance D de cette lentille tel que le faisceau de rayon focalise ait juste la largeur correspondant au collecteur et à ses ailettes latérales. Dans le cas d'une lentille ayant une distance focale de 125 mm, on disposera le collecteur à 95 mm de la lentille. Le volume compris entre le fond du caisson 4 et la face convexe du réflecteur 9 est utilisé pour loger une poche ou sac réalisée en matériau souple et étanche tel que par exemple du PVC. Cette poche 10 est reliée par au moins un canal de communication 11 à l'espace A délimité par la partie concave du réflecteur et la lentille de Fresnel. Cette poche ou soufflet de dilatation 10 occupe, lorsqu'elle est totalement dilatée, un volume V qui est proportionnel au rapport des températures absolues maximales et minimales de fonctionnement.Si la température minimale de fonctionnement est à -30 OC et que l'on considère qu'à cette température le volume de la poche de dilatation est nul et que l'air occupe le volume constitué par l'espace clos A, ce volume étant V et si l'on considère le volume à la température de fonctionnement de 70 OC, ce volume V70 OC est lié au volume V par la relation suivante V7OoC = T70 = 343 = 1,41 V T30oC 243 Par conséquent pour une température maximale de fonctionnement de 70 OC, le volume total de l'espace clos + volume de la poche doit être égal à 1,41 fois le volume de l'espace clos à la température minimale de -30 OC. Ainsi il suffira de choisir comme volume de la poche 10, un volume égal à 0,41 fois V. Pour plus de sécurité on prendra V. Par ailleurs la poche 10 est disposée de façon 2 à ce qu'elle épouse la forme externe de la concavité du réflecteur 9 et constitue ainsi un matelas d'air entre le réflecteur 9 et la paroi du caisson 4. Ce matelas d'air, qui est à la même température que l'air de l'espace clos A, permet ainsi de diminuer les déperditions par échanges thermiques dus à la convection. Enfin cette poche 10 comprend à l'intérieur un sachet 12 contenant un gel de silice permettant de maintenir l'intérieur du générateur et de la poche en atmosphère sèche et exempte de poussière. Les faces du collecteur et des ailettes latérales opposées aux faces tournées vers les lentilles de Fresnel sont enveloppées par un isolant 8 dont le rôle est de limiter les déperditions thermiques sur cette face.L'ensemble lentille de Fresnel, cadre 6 est collé dans un épaulement 43 faisant le pourtour du caisson 4. Ce dernier comporte au moins une ouverture 40 permettant l'entrée de l'air externe. Cette ouverture 40 est protégée par un filtre 41 comportant une capsule insecticide et bactéricide et permettant de filtrer la poussière . Les lentilles de Fresnel utilisées sont du type des lentilles décrites dans la demande de brevet français 2.490.326 déposée le 12 septembre 1980 et intitulée "système optique transmissif focalisant hybride". Pour plus de détails concernant les lentilles de Fresnel, on pourra se référer à cette demande. Ces lentilles de Fresnel doivent avoir un pouvoir de concentration relativement faible, compris entre 4 et 5, pour utiliser le rayonnement direct et une partie importante du rayonnement diffus.En effet comme le matin et le soir le rayonnement diffus est plus important que le rayonnement direct, un système générateur de chaleur récupérant le rayonnement diffus est particulièrement intéressant. De plus un système utilisant une lentille à faible concentration permet d'avoir un système d'orientation unique qui est beaucoup plus simple que les autres systèmes. Le fait d'utiliser un pouvoir de concentration de 4 à 5 permet de réduire la surface de captation du collecteur et des ailettes et de la rendre 4 à 5 fois plus faible que la surface totale des lentilles de Fresnel. Cette diminution de surface de captation permet ainsi de diminuer les pertes de chaleur dues au rayonnement du collecteur. De même l'isolant 8 disposé sur la face du collecteur opposée à la face tournée vers la lentille permet également de diminuer les pertes par rayonnement. En fonctionnement, le rayonnement direct RD est focalisé vers la surface avant du collecteur et des ailettes, comme symbolisé par les flèches F de la figure. Le rayonnement diffus Rd qui lui diminue très rapidement en fonction de l'angle &commat; g puisqu puisque relié au rayonnement direct RD par la relation Rd = RD cos &commat; O . Ce rayonnement diffus Rd est réfléchi par le réflecteur 9 et une partie de ce rayonnement vient frapper la face avant 7 du collecteur et des ailettes 70, tandis qu'une autre partie de ce rayonnement diffus est réfléchie en direction de la surface externe de l'isolant 8. La proportion de rayonnement diffus frappant la surface externe de l'isolant 8 permet d'élever la température de la surface externe de cet isolant et ainsi de diminuer les pertes du collecteur en direction de l'isolant par rayonnement.La combinaison des mesures permettant d'utiliser le rayonnement direct et le rayonnement diffus ainsi que les mesures permettant de diminuer les pertes par rayonnement ou par convection permettent de chauffer le liquide qui circule dans les tubes collecteurs 7 à des températures de l'ordre de 80 à 120 OC et d'at teindre des rendements élevés de l'ordre de 80 % du rayonnement direct. L'ensemble étant spécialement conçu pour récupérer au moins 50 % de l'énergie solaire diffuse entrant dans le générateur. Le rayonnement diffus représente généraîement 20 % du rayonnement solaire total, mais dans bien des régions il atteint 50 % du rayonnement total. Le rayonnement diffus obéit à la loi de Lambert appelée également loi du cosinus. L'intensité du rayonnement diffus est égale à Iocos Q , # étant l'angle d'incidence. La composante perpendiculaire au générateur (plan des lentilles) est donc I cos2 g . A l'intérieur d'un dièdre d'un demi angle Q l'énergie reçue est donnée par E = + Io cos # d # = Io+# [ # + 1j4 sin 2 # ] )-# -# 2 g étant exprimé en radians. Il est évident qusune lentille de Fresnel clas- sique calculée pour une tache focale de largeur minimum, compte tenu du chromatisme du matériau, ne permet pas de concentrer le rayonnement diffus qui se trouve disperse largement au niveau de la zone focale L'utilisation particulière de lentilles à faible concentration 4 à 5 permet, compte tenu des caractérIs- tiques particulières de la lentille, de limiter la pente des dents extrêmes à 25 degrés environ Les lentilles utilisées ont une ouverture pouvant varier de 100 à 150 m. Leur focale peut varier de 125 à 190 mm. Elles sont assemblées sur un verre spécial à haute transmission, trempé chimiquement et de faible épaisseur, de 1,2 à 1,8 mm seulement. Ce verre présente toutes les qualités requises de tenue mécanique. Résistance au vent et aux intempéries (grêle). Dans une réalisation les lentilles de 100 mm d'ouverture sont assemblées côte à côte par 4 avec une longueur de 800 mm constituant un panneau de 400 mm x 800 mm, monté par collage sur l'alvéole correspondante du caisson. Le collecteur qui peut etre un tube à ailettes de 15 mm de diamètre - d'autres configurations sont possibles (tubes en épingle de sections diverses) - est placé au-dessus de la zone focale. Avec une lentille de 100 mm d'ouverture et de 125 mm de focale l'axe du tube est à 95 mm au-dessous de la lentille. La surface offerte au rayonnement par le collecteur a une largeur de 40 mm soit 2 fois la largeur de la tache focale qui est de 20 mm. La partie inférieure du collecteur est calorifugée. Cette disposition du collecteur a été choisie pour obtenir une concentration optimale du rayonnement avec un système d'orientation simple Est-Ouest par exemple. Il est connu en effet que sous des incidences élevées dans le plan de symétrie des lentilles, la distance focale ne varie pas sensiblement pour des angles d'incidences de t 30 degrés au moins. Par contre pour des incidences plus élevées, la distance focale diminue notablement. La position choisie pour le collecteur, distance égale à 76 % environ de la focale, permet donc de conserver une bonne concentration au-delà de 30 degrés d'incidence. La récupération de l'énergie diffuse est rendue possible 1) en raison des caractéristiques des lentilles faible concentration, pente faible des dents extrêmes 25,5 degrés environ. 2) par le système réflectif en film plastique aluminisé suivant la figure. 3) par la juxtaposition en parallèle des len- tilles et des réflecteurs permettant le passage du rayonnement diffus réfracté d'un compartiment au compartiment adjacent. 4) une partie importante (rayons Rd) de ce rayonnement diffus réfléchi est renvoyée sur la surface extérieure de l'isolant du collecteur. La perte par l'isolant du collecteur est ainsi bloquée par la réduction de la différence de température entre la paroi interne de l'isolant et la paroi exté- rieure. D'autre part, les pertes par rayonnement sont d'autant plus réduites que le facteur de réflexion augmente sensiblement avec la longueur d'onde du rayonnement. Le pouvoir réflectif dépasse 0,98 à partir de longueur d'ondes égale ou supérieure à 4 /u. Le calcul du pourcentage de rayonnement diffus récupéré a été établi à partir de l'équation E = (+# Io cos2 Q d # = Io+# [ # + 1/4 sin 2 # ] )-# -# 2 Il atteint environ 50 % du total de l'énergie diffuse grâce à l'ensemble des dispositifs envisagés et constitue ainsi un avantage important de cette conception de générateur qui s'avère ainsi utilisable dans des régions où les capteurs à concentration traditionnels ne peuvent être envisagés. Sur la figure annexée nous avons tracé pour les dents extrêmes de la lentille le cheminement de deux rayons d'incidences également extrêmes pour i = + 200 le rayon i'+20 subit 2 réflexions = Trajet du rayon : E - F' - G - H pour i = + 500 est I - S frappe directement le collecteur du compartiment adjacent. Entre ces rayons extrêmes et pour toute la largeur de la lentille, le rayonnement diffus réfracté parvient au collecteur ou à son isolant en une ou deux réflexions. D'autre part, le fait d'utiliser une poche de dilatation permet de réaliser, à bon marché, un générateur dont les parties internes essentielles lentilles, réflecteurs et collecteurs sont totalement protégés de l'environnement extérieur. Enfin il faut rappeler que la poche de dilatation joue également le rôle de bouteille thermique et permet ainsi par son rôle isolant de limiter les déperditions de chaleur en direction de l'enceinte du caisson 4. Par ailleurs le soufflet de dilatation en film plastique étanche est totalement abrité du rayonnement susceptible d'entratner son vieillissement. Ce dispositif de respiration est indispensable pour maintenir l'étanchéité de la partie active du générateur qui est en effet soumis à des variations journalières de températures importantes pouvant aller de - 20 OC à + 70 OC. De plus comme les parties internes du générateurs sont disposées dans une enceinte totalement fermée, celles-ci sont protégées des intempéries et de l'environnement extérieur, ce qui contribue à maintenir les performances dans le temps. Notamment le réflecteur 9 entièrement protégé de l'extérieur voit sa durée de vie croître considérablement ainsi que la lentille de Fresnel qui est protégée des intempéries par la plaque de verre.Cette plaque de verre d'épaisseur mince permet d'assurer son rôle de protection, tandis que la plaque en matériau plastique 2, jouant le rôle de lentille de Fresnel permet de diminuer le poids de cette lentille et le coût de fabrication de cette dernière. Le soufflet de dilatation peut, dans une- variante, être constitué par un film réflectif gaufré réalisant à peu de frais un isolant thermique extremement efficace pour le fond et les côtés du caisson du générateur. Dans ces conditions le coefficient global d'échange convectif du générateur avec l'air ambiant a pu être abaissé à une très faible valeur inférieure à 2 Watts/m2/0C. Cette isolation très efficace a une incidence notable sur le bilan thermique du générateur. C'est ainsi que le rendement thermique du générateur a été évalué à près de 70 % pour une température de sortie de 80 OC. Ce rendement étant calculé par rapport au flux solaire total 80 % de rayonnement direct et 20 % de rayonnement diffus. L'ensemble des mesures prises dans l'invention permet donc d'obtenir un générateur hélio-thermique dont le coût de production est relativement faible, dont le rendement est élevé, et dont la durée de vie est égaâe- ment prolongée. REVENDICATIONS 1. Générateur hélio-thermique à faible concen- tration et rendement élevé comprenant dans une enceinte, une lentille convergente 1,2,3, un collecteur 7 formé d'un tube à surface absorbante sélective en serpentin, une pluralité de dispositifs réflecteurs 9 en forme de goulotte, comprenant à l'intérieur de leur concavité le collecteur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une poche souple déformable 10 épousant approximativement le contour convexe des goulottes et reliée par au moins une communication 11 avec l'espace clos A délimité par la lentille et la partie concave des goulottes. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur 7 est entouré sur sa face opposée à la face orientée vers la lentille par une matière isolante 8. 3. Générateur selon la revendication 7 ou 2, caractérisé en ce que le collecteur 7 comporte des ailettes 70. 4. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume maximum de la poche 10 est égal à la moitié du volume de l'espace clos A. 5. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume, constitué par l'ensemble du volume de la poche 10 et du volume de l'espace clos A, est proportionnel au rapport entre la température absolue maximale de fonctionnement et la température absolue minimale de fonctionnement. 6. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte est constituée par un demi-caisson 4 fermé de façon étanche par la surface de lentille 1 et comportant sur ses côtés latéraux au moins une ouverture 40 pourvue d'un filtre 41 anti-poussières, dessicateur et bactéricide. 7. Générateur selon l'une des revendications precédentes, caractérisé en ce que la poche 10 contient un sachet dessicateur 12 en gel de silice. 8. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lentille convergente est une lentille de Fresnel linéaire, à faible pouvoir de concentration. 9. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pouvoir de concentration est compris entre 4 et 5. 10. Générateur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la lentille de Fresnel est constituée par une plaque de verre protectrice 1 et une plaque en matière plastique 2 constituant la lentille de Fresnelet jointe sans contrainte à la partie en verre par une couche intermédiaire 3 de matériau transparent à viscosité contrôlée, à pouvoir adhésif avec le verre et le matériau plastique et contenant une substance anti-ultraviolet dispersée dans cette couche. 11. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif réflecteur 9 concentre le rayonnement réfléchi sur la surface externe de l'isolant 8.