Brevet FR2615276A1 — publié le 19881118

CAPTEUR DU TYPE SOLAIRE La présente invention concerne les capteurs du type solaire, c'est-àdire les dispositifs qui permettent de transformer une énergie de rayonnement électromagnétique comme celle du rayonnement solaire, en une énergie calorifique apte à être véhiculée par un fluide du genre caloporteur. II existe de nombreux capteurs du type solaire comprenant essentiellement une portion de circuit de fluide réalisée dans un matériau absorbant l'énergie du rayonnement solaire, ou plus généralement d'un rayonnement électromagnétique. Ce matériau peut, en plus, être avantageusement disposé derrière une paroi transparente pouvant créer un "effet de serre", afin d'augmenter l'élévation de la température du circuit. La portion de circuit est parcourue par un fluide primaire caloporteur à qui sont transférées les calories du rayonnement solaire absorbées par le circuit.Le fluide primaire échauffé est ensuite envoyé dans un échangeur qui est alimenté en un second fluide, par exemple de l'eau, qui, une fois échauffé, est utilisé pour différentes fonctions bien connues en la matière, par exemple le chauffage, la fourniture d'eau chaude pour les besoins ménagers, etc. Ce capteur fonctionne correctement tant que la portion de circuit emmagasinant la chaleur reçoit de l'énergie rayonnante. Par contre, lorsque le rayonnement cesse, par exemple en période nocturne, le fluide secondaire se trouve a une température généralement supérieure à celle du fluide primaire. L'échangeur peut alors fonctionner en sens inverse et permet donc de transférer les calories du fluide secondaire au fluide primaire, qui les restitue au milieu ambiant. Pour éviter ces pertes, on a mis en oeuvre de nombreux dispositifs, essentiellement de deux types, dynamiques ou statiques. Les dispositifs dynamiques comportent un capteur apte à délivrer un signal électrique de commande en fonction de l'énergie de rayonnement reçue et une vanne disposée sur le circuit primaire commandée par le signal électrique, pouvant empêcher ainsi la circulation du fluide primaire quand le rayonnement n'est pas suffisamment énergétique pour amener le fluide primaire à une température supérieure à celle du fluide secondaire. Ce type de dispositif donne satisfaction mais il présente l'inconvénient de nécessiter au moins une source d'énergie auxiliaire, généralement électrique, et des moyens mécaniques en mouvement. Les dispositifs statiques peuvent prendre différentes formes, mais consistent essentiellement à utiliser une partie de l'énergie calorifique contenue dans le fluide secondaire pour obtenir une condensation partielle du fluide primaire et constituer un bouchon fluidique empêchant la circulation inverse du fluide primaire. Si, en théorie, cette solution évite les inconvénients des dispositifs dynamiques, elle ne donne pas toute satisfaction car la condensation ne s'effectue pas de façon sûre et la circulation du fluide primaire n'est donc pas toujours arrêtée. De plus, cette condensation demande une énergie relativement importante qui est reprise au fluide secondaire, diminuant en cela le rendement global d'un tel capteur solaire. La présente invention a pour but de réaliser un capteur solaire du type statique permettant d'éviter un fonctionnement en sens inverse, qui soit d'une réalisation simple et qui ne demande que très peu d'énergie pour l'empêcher de fonctionner en inverse. Plus précisément, la présente invention a pour objet un capteur solaire comprenant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur, des moyens pour convertir de l'énergie véhiculée par un rayonnement électromagnétique en énergie calorifique et des moyens de transfert réciproque de ladite énergie calorifique entre au moins une portion - dudit circuit de circulation du fluide caloporteur et lesdits moyens pour convertir de l'énergie véhiculée par un rayonnement électromagnétique en énergie calorifique, caractérisé par le fait que ladite portion de circuit de fluide caloporteur comprend au moins quatre zones montées en série, respectivement, une première zone d'injection du fluide caloporteur en phase liquide, une deuxième zone de transformation par effet thermique dudit fluide caloporteur en une émulsion, une troisième zone pour véhiculer vers un point haut ledit fluide quand il est en phase émulsionnée, et une quatrième zone située en partie haute pour collecter du fluide en phase vapeur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels - les Figures 1 et 2 représentent, sous deux vues en coupes perpendiculaires, le schéma de principe d'un capteur solaire selon l'invention, et - les Figures 3 et 4 représentent, suivant deux vues perpendiculaires, un mode de réalisation d'un capteur solaire selon l'invention. En revenant plus particulièrement aux Figures 1 et 2, celles-ci représentent le schéma de principe d'un capteur solaire monté en série avec un échangeur 2. Le capteur solaire 1 est essentiellement constitué par une portion de circuit de circulation 20 d'un fluide caloporteur dit "primaire", comprenant deux entrées 3, 4, définies pour être respectivement situées en un point bas et un point haut, pour la position normale de fonctionnement de ce capteur. Ces deux entrées 3 et 4 sont reliées fluidiquement par des conduits 5, 6, à deux entrées 7, 8, d'un premier circuit 9 de l'échangeur 2 dont deux autres entrées 10, 11 peuvent être connectées à un deuxième circuit de fluide dit "secondaire", par exemple de l'eau. La portion de circuit 20 du fluide primaire comprend au moins quatre zones de circulation ZI à Z4 disposées en série. Ces quatre zones sont respectivement, en partant de l'entrée 3 située dans le point bas, une zone Z1 dite "d'injection" du fluide caloporteur, une zone Z2 dans laquelle le fluide caloporteur est émulsionné, une zone Z3 permettant de véhiculer le fluide émusionné vers un point haut jusqutà la zone Z4 qui collecte toute la vapeur produite dans les zones Z2 et Z3, Plus précisément, la zone Z1 est la partie de la portion de circuit qui constitue l'amenée du fluide caloporteur en phase liquide et prêt à être utilisé pour capter les calories portées par le rayonnement 12 et reçues par le circuit de circulation.La zone Z2, elle, a une configuration particulière lui permettant d'émulsionner le fluide injecté dans la zone Z1. Cette émulsion est le résultat de la transformation, par effet thermique, du fluide liquide caloporteur en un fluide bi-phasique constitué par le mélange d'un fluide liquide et d'un fluide gazeux, ce dernier se présentant sous forme d'une myriade de bulles de vapeur au sein du liquide. La zone Z3 permet de véhiculer le fluide caloporteur émulsionné vers un point haut du circuit, tout en lui permettant de continuer à absorber des calories délivrées à la portion de circuit soumise au rayonnement électromagnétique 12 tel que le rayonnement solaire émis pendant la période diurne.Cette zone Z3 comporte au moins une conduite 20 d'une section faible par rapport à sa longueur qui peut être assez importante, ladite section permetant aux bulles de vapeur d'augmenter de volume, sans éclater, pour remonter, en même temps, la plus grande quantité possible de fluide en phase liquide, afin de récupérer, par la vaporisation, un maximum de calories fournies à cette portion de circuit de fluide caloporteur. Enfin, la zone Z4 collecte la vapeur produite dans les deux zones Z2 et Z3 et la dirige vers la sortie haute 4 du capteur, pour la transférer vers l'entrée 8 de l'échangeur 2, par la conduite 6. Bien entendu, la sortie 7 du premier circuit 9 de l'échangeur est reliée à l'entrée 3 du capteur 1 qui est aussi l'entrée de la première zone Z1. Dans un mode de réalisation possible du capteur selon l'invention, la portion de circuit 20 est réalisée en un matériau absorbant l'énergie du rayonnement électromagnétique 12, par exemple de l'aluminium noirci, et en plus, entre la source de rayonnement et la portion de circuit, est disposée une plaque de matériau 13 transparent au rayonnement, permettant de créer un "effet de serre" pour élever encore plus la température de ce circuit. Tel que décrit dans ses caractéristiques principales, le capteur i fonctionne de la façon suivante la zone d'injection Z1 contient du fluide caloporteur, par exemple un produit vendu sous le nom "Fréon 113", qui y arrive par simple gravitation, cette zone Xi étant située en partie basse du capteur et de l'échangeur. Le fluide caloporteur absorbant des calories apportées par le rayonnement solaire 12, il se forme, dans son sein, une grande quantité de bulles de vapeur 21. L'émulsion du fluide caloporteur amorcée, le volume total de fluide augmente et emplit peu à peu la zone Z2.Dans cette zone, L'émulsion s'accroît et la configuration géométrique de cette zone favorise le guidage des bulles de vapeur vers la zone Z3, en leur permettant d'entraîner une partie du fluide encore en phase liquide. Le niveau supérieur du liquide monte donc dans la conduite 22 constituant la zone Z3. Cette zone étant, elle aussi, échauffée par le rayonnement 12, les bulles de vapeur y augmentent de volume, essentiellement sous l'effet de deux phénomènes, la dilatation et la continuelle vaporisation du fluide en phase liquide entraîné par les bulles elles-mêmes. On voit l'avantage d'une telle structure permettant à une grande partie du fluide liquide de remonter vers le point haut du capteur par l'action de l'émulsion, c'est-à-dire de la création de bulles dans les zones Z2 et Z3, qui absorbe une grande quantité de calories, et cela malgré un volume très faible de fluide à l'état liquide dans la zone d'injection Z1. Bien sûr, il peut être avantageux d'augmenter encore l'émulsion du fluide caloporteur, c'est-à-dire de favoriser la création des bulles de vapeur, mais aussi l'augmentation de leur temps de vie, en leur permettant de ne pas éclater trop vite après leur création. Pour cela, on peut ajouter au fluide caloporteur un autre fluide dit "tensio-actif" qui a pour effet de renforcer la paroi des bulles de vapeur. Les bulles créées ont ainsi la possibilité de remonter tout le long de la conduite 22 de la zone Z3 en entraînant du fluide en phase liquide, ce qui permet d'augmenter le temps pendant lequel se produit le phénomène de vaporisation, c'est-à-dire d'absorption des calories apportées par le rayonnement solaire 12. A titre d'exemple, ce fluide peut être une huile de silicone ou une huile de synthèse. En zone Z4, on obtient donc une grande quantité de vapeur très chaude qui peut être conduite, suivant le sens des flèches 50, vers l'entrée 8 de l'échangeur 2. Cette vapeur communique ses calories au fluide secondaire froid circulant entre les deux entrées 10 et 11 de l'échangeur et, à la sortie du premier circuit 9 de cet échangeur, se retrouve la vapeur condensée qui est alors reconduite, par gravitation, dans la zone d'injection Z1. Le cycle décrit ci-avant peut se reproduire, ainsi que l'échauffement de fluide secondaire, par exemple l'eau, de l'échangeur 2. Un capteur solaire tel que décrit ci-dessus a un très bon rendement. Son fonctionnement ne nécessite qu'une très faible quantité de fluide caloporteur et son rendement reste optimal même avec une très faible pente entre le point bas et le point haut. Avec une telle structure il est aussi possible de placer l'échangeur au même niveau que la capteur solaire, sans que soit nécessaire la présence d'un dispositif d'aide à la circulation du fluide caloporteur "primaire". On notera en outre que, comparé aux dispositifs connus, le fait d'utiliser une émulsion, composée par exemple d'au moins deux fluides, permet de faire remonter le fluide caloporteur à l'état bi-phasique sur une trés grande hauteur. Le fait que le capteur solaire selon l'invention puisse fonctionner au meilleur rendement avec une très faible quantité de fluide caloporteur permet aussi d'éviter son fonctionnement inverse, c'est-å-dire l'absorption par le fluide caloporteur des calories stockées par le fluide secondaire de l'échangeur 2, lorsque le rayonnement électromagnétique 12 faisant défaut, le fluide secondaire se trouve à une température supérieure à celle du fluide caloporteur. En effet, le capteur selon l'invention comprend aussi, dans un plan pouvant être soumis au rayonnement électromagnétique 12, par exemple le même que celui de la zone Z3, une capacité fermée 30 de volume déterminé ayant une ouverture 31 en communication avec la zone Z4 définie ci-avant. De plus, à cette capacité 30 sont associés des moyens de condensation et de guidage 40 vers son ouverture 31 de la vapeur pouvant se trouver dans la quatrième zone Z4. Le volume de cette capacité 30, qu'elle soit unitaire ou constituée de plusieurs parties, est égal ou légèrement supérieur au volume du fluide caloporteur lorsqu'il est en phase liquide. Cette caractéristique structurelle permet au capteur solaire de fonctionner de la façon suivante Quand le rayonnement électromagnétique 12 frappe le capteur, c'est-àdire pendant les périodes diurnes, celui-ci fonctionne comme décrit précédemment. Par contre, pendant les périodes nocturnes, le circuit du fluide caloporteur ne reçoit plus de calories de la part du rayonnement solaire. II arrive alors très souvent que la température ambiante dans laquelle se trouve le capteur soit nettement inférieure à celle du fluide secondaire circulant entre les deux entrées 10 et 11 de l'échangeur 2. Quand une telle éventualité se produit, le fluide caloporteur qui se trouve dans la partie basse du circuit primaire de l'échangeur 2 peut tendre à se vaporiser en absorbant de la chaleur de la source chaude constituée, dans ce cas, par le fluide du circuit secondaire de cet échangeur. Le phénomène peut s'emballer au fur et à mesure que se produit la vaporisation dans le circuit primaire. Le fluide contenu dans le circuit secondaire se refroidit donc notablement. La vapeur ainsi produite se déplace spontanément jusque dans la quatrième zone Z4 en suivant le sens de circulation illustrée par la flèche 60.Mais, cette zone étant à la température ambiante relativement basse, la vapeur y est condensée en lèchant les moyens de condensation 40 définis ci-avant et les gouttelettes formées sont guidées par les moyens de guidage, en l'occurrence les mêmes que ceux de la condensation, pour ruisseler vers l'ouverture 31 de la capacité 30. Le fluide caloporteur ainsi recondensé en phase liquide s'accumule dans la capacité 30, tant qu'il y a du liquide dans la partie basse du circuit primaire de l'échangeur 2, et l'on peut sans crainte laisser fonctionner ainsi le dispositif, puisque, comme précisé ci-dessus, le volume de la capacité 30 (ou des capacités 30) est déterminé de façon à pouvoir contenir tout le fluide caloporteur lorsqu'il est en phase liquide. Lorsqu'il n'y a plus de fluide caloporteur dans la partie basse du circuit primaire de l'échangeur, le capteur solaire ne peut plus fonctionner en sens inverse et le liquide du circuit secondaire de l'échangeur 2 ne perd plus de calories de par ce phénomène inverse. En fait, comme le volume du fluide caloporteur est faible, ainsi que mentionné ci-avant, ce phénomène inverse se produit pendant un temps très court et son blocage arrive très rapidement, avant qu'un prélèvement important de calories du fluide secondaire n'ait été opéré. Bien entendu, quand le rayonnement revient, tout le fluide contenu dans cette capacité 30 se vaporise à nouveau pour suivre ensuite une propagation selon le sens 50 et donc redonner du fluide sous forme liquide dans le bas du circuit 20. Le capteur peut donc alors fonctionner à nouveau comme explicité ci-avant. Cette fonction est possible parce que la capacité 30 est située dans le milieu ambiant du rayonnement pour être soumise à la température de ce milieu en l'absence de rayonnement et aussi pour être apte à recevoir ce rayonnement quand il est présent. Avantageusement, cette capacité est située dans le même plan que la conduite 22 définie ci-dessus. Dans le mode de réalisation illustré sur la Figure 1, la deuxième zone Z2 est une canalisation 42 qui converge vers l'entrée 23 de la conduite 22 de la troisième zone Z3, pour guider le déplacement des bulles 21 de l'émulsion, en évitant qu'elles n'éclatent ou se combinent entre elles trop rapidement, pour favoriser la remontée du fluide en phase liquide, comme explicité ci-avant. Avantageusement, dans le but d'optimiser l'émulsion, la canalisation 42 est composée d'une pluralité de chemins séparés convergeant tous vers l'entrée 23 de la zone Z3. Quant aux moyens de- condensation et de guidage 40, ils sont avantageusement constitués par des surfaces divergentes 43, du niveau de l'ouverture 31 de la capacité 30 jusqu'au niveau de la sortie 24 de la conduite 22, cette sortie se trouvant ainsi à un point plus haut que l'ouverture 31 de la capacité 30 quand le capteur est en position normale de fonctionnement. Ces surfaces divergentes 43 définissent donc des entonnoirs aptes à guider un liquide vers l'entrée 31 de la capacité 30. Les moyens de condensation et de guidage 40 comprennent également, disposés dans le cône de convergence 44 défini par les surfaces divergentes 43, des éléments de radiateur 45 en forme sensiblement de cône dont la pointe 46 est en position basse et sensiblement dans l'axe de l'ouverture 31 de la capacité 30, afin que les gouttelettes 47 condensées sur la surface latérale des éléments de radiateur 45 coulent, arrivent, par effet Couanda, sensiblement à la pointe 46, et tombent dans la capacité 30 qui fonctionne ainsi comme piège du fluide caloporteur lorsque le capteur fonctionne, lui en sens inverse. Bien entendu, lorsque la capacité 30 est formée d'une pluralité de capacités, à chacune d'elles correspondent des moyens de condensation et de guidage des gouttelettes identiques à ceux décrits ci-dessus. Les Figures 1 et 2 représentent le schéma de principe d'un capteur solaire selon l'invention. Les Figures 3 et 4 représentent, elles, deux vues en coupes perpendiculaires d'un mode de réalisation possible pour un capteur solaire en accord avec le schéma de principe selon les Figures 1 et 2, la Figure 4 étant la coupe définie a-a sur la Figure 3. Le capteur comporte, conformément aux schémas des Figures 1 et 2, la portion de circuit de circulation telle qu'elle a eté définie. Cette portion de circuit est avantageusement réalisée, par exemple, dans deux plaques de tôles embouties 101 et 102 comportant ainsi chacune des parties en creux 103, 104, 105, ces deux tôles définissant ainsi des demi-coquilles. En plaçant les deux plaques l'une sur l'autre, les ouvertures des demi-coquilles se faisant face, on reconstitue la portion de circuit de circulation avec ses quatre zone telles que définies ci-avant. Les deux plaques sont alors soudées l'une à l'autre pour former les différents conduits étanches. On obtient ainsi le capteur comprenant, dans sa partie basse, la zone Z1 avec son entrée d'injection 110, suivie de la ione d'émulsion Z2 avec sa pluralité de conduits 111 convergeant vers les entrées 112 des conduites 113 de remontée bi-phasique de la zone Z3 qui débouchent en partie haute, par leurs sorties 115, dans la quatrième zone Z4 de collecte de vapeur. A cette zone Z4 sont associées les surfaces divergentes 114, les ouvertures 116 des capacités 117 de stockage du fluide caloporteur permettant d'éviter le fonctionnement inverse du capteur solaire vers les sorties 115 des conduites 113, ainsi que les cônes condenseurs 119. De plus, pour favoriser l'absorption des calories par les plaques métalliques 101 et 102, la surface externe de la plaque apte à être tournée vers le rayonnement 130 est noircie et même placée derrière une fenêtre 121 en un matériau transparent au rayonnement pour, comme mentionné ci-avant, obtenir un "effet de serre". Par contre, sur la face externe de l'autre plaque 102, est disposé un matériau 123 mauvais conducteur thermique comme, par exemple, de la laine de verre. REVENDICATIONS 1. Capteur solaire comprenant un circuit de circulation (20) d'un fluide caloporteur, des moyens pour convertir de l'énergie véhiculée par un rayonnement électromagnétique (12) en énergie calorifique et des moyens de transfert réciproque de ladite énergie calorifique entre au moins une portion dudit circuit de circulation d'un fluide caloporteur et lesdits moyens pour convertir de l'énergie véhiculée par un rayonnement électromagnétique en énergie calorifique, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ladite portion de circuit de fluide caloporteur comprend au moins quatre zones montées en série (Z1-Z4), respectivement, une première zone d'injection (Z1) du fluide caloporteur en phase liquide, une deuxième zone (Z2) de transformation par effet thermique dudit fluide caloporteur en une émulsion, une troisième zone (Z3) pour véhiculer vers un point haut ledit fluide quand il est en phase émulsionnée, et une quatrième zone (Z4) située en partie haute pour collecter du fluide en phase vapeur. 2. Capteur selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ladite deuxième zone (Z2) est constituée par une pluralité de conduits (42, 111) reliant la sortie de ladite première zone (Z1) à l'entrée (23, 112) de ladite troisième zone (Z3), ladite pluralité de conduits convergeant vers l'entrée de ladite troisième zone. 3. Capteur selon l'une des revendications 1 à 2, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ladite troisième zone (Z3) comporte au moins une conduite (22, 113) de remontée de fluide bi-phasique de relativement faible section. 4. Capteur selon l'une des revendication 1 à 3, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte, en addition au fluide caloporteur, un fluide tensioactif. 5. Capteur selon la revendication 4, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le fluide caloporteur est du "Fréon" et que le fluide tensio-actif est de l'huile de silicone. 6. Capteur selon le revendication 4, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le fluide tensio-actif est une huile de synthèse. 7. Capteur selon l'une des revendication 1 à 6, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte une capacité (30, 117) et des moyens pour relier une ouverture (31, 116) en un point haut de ladite capacité à ladite quatrième zone (Z4). 8. Capteur selon la revendication 7, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdits moyens de liaison sont formés de parois divergentes (43, 114) entre l'ouverture (31, 116) de ladite capacité et l'entrée de-ladite quatrième zone (Z4). 9. Capteur selon la revendication 8, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte des éléments condenseurs (40, 119) disposés dans ladite quatrième zone et dont les points de récupération (46) de la condensation sont disposés de façon à orienter l'écoulement de cette condensation dans ladite capacité (30, 117). 10. Capteur selon l'une des revendications 7 à 9, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ladite capacité (30, 117) et ladite conduite de remontée biphasique (22, 113) sont situées dans un même plan apte à être soumis audit rayonnement électromagnétique (12, 130).