Brevet FR2591322A1 — publié le 19870612

Dispositif pour capter l'énergie solaire incorporé dans les éléments modulaires de constructions métalliques, intégré à transfert autcanatique thermovoltalque synchrone Indépendant. Il existe actuellement deux types de fonctionnement: 1) Chauffe eau solaire thermosiphon en KIT dont l'ensemble est fixé sur les toitures, 2) Chauffe eau solaire à circulation forcée. Le premier cas de figure implique une surcharge importante sur toiture une intégration architecturale difficile ; un rendement relativement faible une corrosion importante ; un traitement char ; une installation difficile (entretien) ; une fixation par percements entraînant des problèmes d'étanchéité sur les couvertures ; de nombreux accessoires pas très fiables et un investissement important pour la fabrication. En conséquence le surcroît à l'investissement est élevé, l'amortissement long. le deuxième cas de figure implique la dépendance du réseau de circulateur, régulation, appoint ; un système de régulation très complexe ; de dans breux accessoires indispensables ; des composants électroniques aléatoires ; l'obligation des systèmes de sécurité ; des fileries et canalisations ippor- tantes. Le système consiste à utiliser les propriétés thermiques des él le carter (4) contient le fluide (5) de contact d'échange thermique antifrictionanticorrosion, antigel, translucide composé d'une graisse au lithiurn point de goutte 1500C sans calcination. La stabilité, la transmission de la chaleur par capillarité sont assurés par des fibres: cuivre et feutre. le contact des interfaces (3) et (5) est obtenu par l'homogénéité et la cohésion du fluide fibreux (5). Chaque élément qui constitue le capteur (4) à absorption capillaire se compense individuellement des contraintes mécaniques et thermiques (frictions, dillatations, déformations) en un milieu non corrosif et étanche. L'absorbeur capillaire "occulté" par une surface insolée sans vitrage est un capteur de type basse température en climat tropical peu ventilé (450C à 500C) (10). Suivant le type d'utilisation, l'épaisseur du module externe (1) peut etre réduite à "40/100e" pour favoriser l'absorption thermique ; la résistance mécanique étant compensée par une couverture alvéolaire (8) double face en méthacrylate qui favorise sensiblement l'absorption en limitant l'effet de ventilation. senne température (45 C à 600C). Le vitrage double face alvéolaire méthacrylate est encastré directement entre le capteur à absorption capillaire et le module externe (1) ; ce dernier étant en partie "ouvert". L1 orifice est proportionnel à la surface du carter (4) pour permettre la réception et l'absorption directe du rayormrent global solaire (450C à 750C) suivant le site. La cohérence modulaire est autoportante et la couverture trsprente (8) étanChe à l'eau. L'échangeur (9) primaire est un conduit tubulaire (linéaire ou assymetrique suivant la configuration geaetrique) en cuivre, acier, avec ailettes (11) ou non (9) (le montage de ltéchangeur peut être en série ou en parallèle et serie/parallèle) suivant les températures et utilisations : eau chaude sanitaire (chauffage de l'habitat), préchauffage en général de qualité alimentaire pression 10 bars (réseau). On utilisera le PVCC, élastomère, polyetnylène par exemple pour le chauffage d'eau de piscine en basse pression, température moyenne jusqu'à 600C. le pré-asseniblage du module externe (1), du carter (4) en intercalaire et du module interne (6) est obtenu par encastrement et colle adhésive (système utilisé dans l'industrie automobile) ; la surface de contact mécanique représentant 30 % de la surface totale. L'ensemble capteur modulaire autoportant est obtenu par l'injection en carîblement du volume interne, délimité par le module externe (l), la juxtaposition du carter (4) et le module interne (6), d'une mousse de polyuréthanne en conformateur. les réactions chimiques des composants en expansion solidarisent les éléments par cohérence adhésive auto-comprxree agissant en raidisseur, isolant thermique, acoustique, imputrescible et ininflammable. Il n'y a pas de corrosion interne. le capteur modulaire incorporé autoportant est un élément de construction standard, façade, toiture, actif. De par sa conception il permet une réduction importante des charpentes et ossatures diverses dans le bâtiment en général (architectes, concepteurs, industries). Le capteur solaire modulaire intégré autoportant est générateur thermique pour le chauffage de l'habitat, la production d'eau chaude sanitaire, les divers chauffages industriels. En règle générale (figure 2), le dispositif peut être utilisé dans la construction. Sa fonction est réversible de capteur absorbeur à radiateur convecteur (chauffage ou refroidissement). Selon les besoins le système modulaire peut être positionne à l'horizontale ou à la verticale, avec transfert motorisé ou en thermosiphon à autoportant et régulation automatique indépendante. La pompe de circulation (21) (avec thermostat réglable, vanne de réglage incorporée ou non, ces accessoires pouvant être séparés) véhicule l'énergie absorbée par le capteur (22) intègre au travers de son échangeur (9) (circuit primaire) vers le ballon de stockage (23) (circuit secondaire). La partie hydraulique du circulateur est étanche, isolée du circuit électrique (inducteur stator). Le couple rotor stator est influencé par le flux électromagnétique généré par l'inducteur à courant continu, tension 12 V, puissance absorbée 18 W. Le rotor roue hydraulique, en alliage cobalt, nickel ou poudre ferrite est un aimant permanent. C'est m moteur à bille ou avec arbre de transmission étanche. le couple entraîné par le champ magnétique l'entourant est transmis directement sur le rotor. La puissance délívree (figure 3) (15) est proportionnelie au niveau d'eclairement (diffus) (14) donc directement influencee par énergie (rayon rament direct du spectre solaire "Photons" (16) dans la direction en site et azimut de la surface du module). Le produit courant tension est une fonction directe de la déclinaison solaire. C'est cette puissance variable de par les caractéristiques électroniques des cellules photovoltaïques qui commande 1'intensité du flux électromagnétique du stator, qui par couplet fait varier la vitesse et le débit de la pompe (17). Par analogie le module photovoltaîque se comporte en variateur de courant. A l'instant t' la surface thermique est soumise au marne spectre mais à une longueur d'onde différente. L'absorption instantannèe se traduit par une élévation de température de surface (18). Cette énergie est transmise par conduction au fluide thermique (5), puis au caloporteur au travers de l'éc3 geur (9) d'où élévation de temperature de l'eau à stocker (19). la réception, la transformation électrique et thermique sont simultanées, donc sync#rones, en considerant came constantes: a) la surface thermique, b) la surface photovoltaïque, c) l'inclinaison, d) l'orientation, e) le gisement solaire cornu. Elles diffèrent selon la vitesse angulaire du rayonnement direct sur les surfaces considèrees. Par analogie le dispositif est à régulation automatique piloté par le soleil.La vitesse de transfert dans le capteur thermique (cf. la vitesse du débit massique en fonction de la surface) est fixée par la puissance crête du module photo'#ltaîque. La régulation sera directement liée (angle, déclinaison solaire du jour donné et des paramètres météorologiques, coefficient de nébulosité). En résumé: :régulation linéaire "mouvement de la terre autour du soleil" dans le plan écliptique et météorologique. En général il y a cohérence des relations de phase constante au cours du temps. Le transfert entre capteur et stockage "utilisation" est motorisé par une pompe de circulation (21) electrovoltalque puissance 18 W en courant alternatif ou continu tension 6V / 12V / 24V / 48 V (la puissance de la pupe est fonction des caractéristiques techniques et du dimensionnement de l'installation : de la surface de captage, de la hauteur manctretrique, des besoins, de llautonctnie énergétique recherchée, de l'utilisation partielle ou totale de la toiture) dans tous les cas de figure en rapport direct avec la puissance crête du générateur à cellules photovoltaïques et du gisement solaire, d'où la simplicité du système et sa cohe'rence. les éléments de puissances ci-dessus cités font référence aux prototypes actuellement en observation scientifique. les données sont actuellement enregistrées pour irvestigations techniques et informatiques. les installations à considérer sont avec accumulateurs ou non, avec convertisseurs ou non, reliés au réseau au travers d'un transformateur de séparation et d'un pont redresseur ou non pour circulation forcée en dehors du cycle efficace solaire dans sa déclinaison journalière et saisonnière. Le circulateur (21) (stator inducteur) est relié directement ou indirectement aux bornes d'un module photovoltaique t24) puissance 11 W, tension 12 V. La puissance est fixée an fonction de la consaunation du circulateur (21) et du gisement solaire et relatif au point de réglage à midi solaire / puissance crete / surface de captage / vitesse du débit massique dans des conditions défavorables. le capteur d'énergie autoportant modulaire autonome thermvoltalque est à régulation autonatique synchrone par incorporation d'un module photovoltaïque individuel dans le rapport (2,5 WC / m2). L'échange entre primaire et secondaire (capteurs (22) et ballon de stockage (23)) est autonome. La pompe de circulation (21) est auto-alimentée par le ou les modules photovoltalques (24) intégrés dans le capteur ou les capteurs modulaires. Le dispositif ci-dessus décrit peut être utilisé pour des installations classiques solaires "capteurs et cuve" habituellement installés sur les toitures. Le présent dispositif permet de dissocier les capteurs de la cuve (surcharge, inaccessibilité, mauvaise intégration, corrosion), le système thermvoltaïque étant assimilable au thermosiphon avec un meilleur rendement et autonome (indépendant d'un réseau). Des mesures sont actuellement en cours sur deux installations. L'une chez l'inventeur, la seconde au Centre universitaire de la Réunion pour tracé des courbes et investigations en informatique. REV1BDICATIONS 1) Dispositif pour capter l'énergie solaire incorporé dans les éléments modulaires de constructions métalliques, intégré à transfert autatatique thermovoltalque synchrone indépendant caractérisé avec ce qu'il est canposé : a) d'un carter (4) ; b) d'un fluide thermique (5) ; c) d'un vitrage alvéolaire translucide (8) ; d) d'une isolation thermique (7) ; e) de cellules photovoltaïques (24) ; f) d'un échangeur (9) ; g) d'une pompe électrovoltalque (21) ; h) d'un stockage (23). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le carter (4) étanche est en acier, cuivre, aluminium, profilé ou embouti thermofonné (plastique), suivant la configuration architecturale, pour être encastré entre des modules juxtaposésW Il comprend 4 orifices avec joints d'étanchéité en élastomère type : presse-étoupe diamètre 26 mm, passage de 20 mn pour mise en place de l'echangeur (9), et du fluide (5). La surface interne du carter en acier est traitée par application d'oxyde de fer (noir), "absorption du spectre solaire". 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le carter (4) contient le fluide thermique (5) translucide canposé d'une graisse au lithium point de goutte 150 C sans calcination. La stabilité, la transmission de la chaleur par capillarité sont assurés par des fibres cuivre et feutre, le contact des interfaces (3) et (5) est obtenu par lthanogénéité et la cohésion du fluide fibreux (5). 4) Dispositif selon l'ensesrble des revendications 1 à 3, caractérisé par l'immersion de l'échangeur (9) thermique primaire de type tubulaire polyetylène, PVCC, cuivre ou acier avec ailettes (11) ou non (9), linéaire ou assymétrique dans le fluide de contact thermique (5) contenu dans le carter (4). 5) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4 caractérisé en ce que le carter (4) de surface interne noir contient le fluide (5) et l'éeweur (9) qui constituent le capteur d'énergie par absorption capillaire avec protection antigel. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chaque élément compense individuellement les contraintes: mécaniques et thermiques, frictions, dillatations, déformations en un milieu non corrosif et étanche. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le capteur à absorption capillaire est occulté par la surface interne (3) du module externe (1). Cet élément de construction "couverture insolée" sans vitrage est un capteur de type basse température en climat tropical peu ventilé (450C à 500C) (10). 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que le module externe (1) de moindre épaisseur "40/100e", renforcé par la superposition d'une couverture alvéolaire (8) double face en méthacrylate, favorise sensiblement l'absorption, en limitant l'effet de ventilation. Moyenne température (450C à 600C). 9) Dispositif selon l'ensemble des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le vitrage (8) double face alvéolaire méthacrylate est encastré directement entre le capteur à absorption capillaire et le module externe (1); ce dernier étant en partie "ouvert". L'orifice est proportionnel à la surface du carter (4) pour permettre 'la réception et l'absorption directe du rayonnement global solaire (450C à 75 C) suivant le site. 10) Dispositif selon l'ensemble des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le capteur à absorption capillaire est à fonction réversible "radiateur convecteur". 11) Dispositif selon 11 ensemble des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'échangeur (9) est en groupement : série ou parallèle et série/parallèle constituant le circuit primaire. 12) Dispositif selon les revendications 1, 5, 7, 8, 9 caractérisé en ce que le pr#assemblage des éléments est obtenu par encastrement et colle adhésive (système utilisé dans l'industrie automobile). La surface de contact mécanique représente 30 % de la surface totale. 13) Dispositif selon les revendications 1, 5, 7, 8, 9, 12 caractérisé en ce que l'ensemble capteur modulaire autoportant est auto-comprimé par l'injection en comblement du volume interne, délimité par le module externe (1), la juxtaposftion du carter (4) et le module interne (6), d1 une mousse de poluréthanne en conformateur ; les réactions criques des composants en expansion solidarisent les éléments par cohérence adhésive auto-comprimés agissant en raidisseur, isolant thermique et acoustique 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le capteur modulaire incorporé autoportant est un élément de construction standard, façade, toiture, actif. De par sa conception il permet une réduction importante des charpentes et ossatures diverses dans le bâtiment en général (architectes, concepteurs, industries). 15) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé an ce que le capteur solaire modulaire intégré autoportant est gE?érateur thermique pour le obauffage, la production d'eau chaude s#ritaire, ies divers chauffages industriels. 16) Dispositif selon l'une quelconque des revendic#dons précédantes caractérisé par l'établissement d'une circulation forcée du fluide thermique (5) dans le carter (4) qui favorise ainsi l'écllange thermique. 17) Dispositif selon les revendications 1, 11, 15, 16 caractérisé en ce qu'une pO# de circulation (21) (avec thermostat réglable, vanne de réglage incorporée ou non, ces accessoires pouvant être séparés) véhicule 1' énergie absorbée par le capteur (22) intégré au travers de son échangeur (9) (circuit primaire) vers le ballon de stockage (23) (circuit secondaire). La partie hydraulique du circulateur est étanche, isolée du circuit électrique (inducteur stator). le couple rotor stator est influencé par le flux électranagnétique généré par l'inducteur à courant continu, tension 12 V, puissance absorbée 18 W. le rotor roue hydraulique, en alliage cobalt, nickel ou poudre ferrite est un aimant permanent.C'est un moteur à bille ou avec arbre de transmission étanche. le couple entraîné par le champ magnétique l'entourant est transmis directement sur le rotor. 18) Dispositif selon la revendication 17 caractérisé en ce que le type de circulateur "tensions : 6V / 12V / 24V / 48V, alternatif ou continu (courant, tension, puissances)", est fonction des caractéristiques et dimensionnements des installations à considérer, avec accumulateurs ou non, avec convertisseurs ou non, relié au réseau au travers d'un transformateur de séparation et pont redresseur ou non pour circulation forcée en dehors du cycle efficace solaire dans sa déclinaison journalière et saisonnière. 19) Dispositif selon les revendications 1, 17, 18 caractérisé en ce que le circulateur (21) (stator inducteur) est relié directement ou indirectement aux bornes d'un module photovoltaique (24) puissance 11 W, tension 12 V. La puissance est fixée en fonction de la consannation du circulateur (21) et du gisement solaire et relatif au point de réglage à midi solaire / puissance crête / surface de captage / vitesse du débit massique dans des conditions défavorables. 20) Dispositif selon les revendications 1, 17, 18, 19 caractérisé en ce que le capteur (22) d'énergie autoportant modulaire thermovoltaique est à régulation synchrone par incorporation d'un module photovoltaîque (24) individuel dans le rapport (2,5 WC / m2). 21) Dispositif selon les revendications 1, 17, 18, L91 20 caractérisé en ce que l'échange primaire/secondaire (capteur (22), ballon (23)) de stockage est autonome. La panpe de circulation (21) est auto-alimentée par le ou les modules photovoltaiques (24). 22) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la régulation est synchrone et autamatique par la coordination thermique (réactions thermiques) et électronique des capteurs solaires (22) et (24). La cohérence du système est fonction directe de la vitesse angulaire "azimut et hauteur". La regulation linéaire dans le plan écliptique et variable est fonction des paramètres metéorologiques 23) Dispositif selon l'ensemble des revendications précédentes 1 et 17 à 20 caractérisé en ce que le système peut être associé aux capteurs thermiques solaires oecistants.