Brevet FR2698682A1 — publié le 19940603

La présente invention a pour objet la récupération de l'énergie solaire et plus particulièrement un capteur solaire à air du type comprenant un caisson isolé thermiquement de l'extérieur dont une des faces est une couverture transparente exposée aux radiations solaires et un absorbeur placé à l'intérieur du caisson de façon à recevoir et absorber le maximum de radiations solaires traversant la face transparente, le caisson comportant une entrée d'air à chauffer, une sortie d'air chauffé par convection au contact de l'absorbeur et un ventilateur destiné à assurer la circulation de l'air dans le caisson entre ventrée d'air et la sortie d'air. Lorsque la crainte de l'épuisement des énergies fossiles s'est fait sentir, on s'est préoccupé de récupérer une partie de l'énergie de rayonnement en provenance du soleil, correspondant à une puissance maximale de 1300 watts (hors atmosphère). Le premier type de capteurs solaires mis sur le marché utilise l'eau comme fluide caloporteur. Ces capteurs présentent de nombreux inconvénients tels qu'un rendement trop faible et un prix de revient élevé. Le deuxième type de capteurs solaires qui a fait son apparition sur le marché utilise l'air comme fluide caloporteur. Dans ce type de capteur, décrit par exemple dans le brevet français 2 491 599, l'air circule dans un caisson entre une entrée et une sortie et récupère la chaleur absorbée par un absorbeur recevant les radiations solaires traversant la face transparente du caisson exposée aux radiations du soleil. Généralement, un ventilateur situé à l'entrée ou à la sortie de l'air assure la circulation de l'air de façon à provoquer une bonne convection de l'air au contact de l'absorbeur. Malheureusement, les capteurs solaires à air existants présentent un inconvénient majeur qui ne leur permet pas d'atteindre des rendements élevés. En effet, la couverture transparente absorbe une partie non négligeable des radiations incidentes. Ensuite, l'absorbeur renvoie sous forme de rayonnement une partie de l'énergie solaire qu'il a absorbée. Ce rayonnement est en partie piégé par "l'effet de serre" dû à la couverture transparente. Pourtant, une partie du rayonnement parvient à quitter le capteur, soit directement, soit par absorption de la couverture transparente, puis par convection avec l'air ambiant. L'absorption du rayonnement et de la chaleur par la couverture transparente provoque une élévation de température de cette dernière et facilite les pertes par convection avec le milieu extérieur. En conséquence, le but principal de l'invention est de réaliser un capteur solaire à air capable de récupérer lténergie absorbée par la couverture transparente du capteur ou qui est rayonnée par l'absorbeur. L'objet de l'invention est donc un capteur solaire à air du type mentionné ci-dessus dans lequel la couverture transparente est un élément creux comportant une paroi extérieure et une paroi intérieure parallèles, l'air à chauffer provenant de l'entrée d'air du capteur étant forcé à circuler entre les parois extérieure et intérieure de façon à récupérer l'énergie absorbée par la couverture, de sorte que l'essentiel de l'énergie provenant des radiations solaires reçues par la couverture transparente soit transféré sous forme de chaleur à l'air évacué par la sortie d'air du capteur. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique vue en coupe d'un capteur solaire de la technique antérieure la figure 2 est une représentation schématique vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un capteur solaire selon l'invention la figure 3 est une représentation schématique vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un capteur solaire selon l'invention, la figure 4 est une représentation schématique vue en coupe du mode de réalisation préféré d'un capteur solaire selon l'invention, la figure 5 représente schématiquement la structure de la couverture transparente du mode de réalisation préféré de l'invention représenté sur la figure 4, et la figure 6 est une représentation synoptique des circuits de régulation de température utilisés dans le mode de réalisation préféré représenté sur la figure 4. Comme illustré sur la figure 1, un capteur solaire à air de la technique antérieure est formé d'un caisson 10 isolé thermiquement de l'extérieur, comportant une face transparente 20 exposée aux radiations solaires. Dans le caisson se trouve un absorbeur 22 dont la fonction est d'absorber les radiations solaires S traversant la face transparente 20. Le caisson comporte une entrée d'air 24 et une sortie d'air 26, l'une des deux (sur la figure c'est l'entrée d'air) étant munie d'un ventilateur chargé d'assurer une bonne circulation de l'air dans le caisson. L'absorbeur 22 captant les radiations solaires, il accumule de la chaleur et sa température augmente. Le rôle de l'air circulant entre l'entrée 24 et la sortie 26 est d'acquérir de la chaleur par convection au contact de l'absorbeur. L'absorbeur peut être imperméable à l'air, et dans ce cas l'air circule sur les faces de l'absorbeur. Ou bien, comme illustré sur la figure 1, l'absorbeur peut être poreux, ce qui permet à l'air de le traverser et augmenter ainsi l'échange de chaleur entre l'absorbeur et l'air. Mais un capteur tel que celui représenté sur la figure 1 présente un double inconvénient. D'une part, une partie des radiations solaires reçues par la couverture est absorbée par cette dernière lorsqu'elle est traversée par les radiations. D'autre part, une autre partie des radiations solaires S qui ont atteint l'absorbeur est réémise par ce dernier sous forme de radiations infrarouges S'. Une portion S1 de ces radiations est elle même réfléchie par la face transparente 20 et renvoyée vers l'intérieur du caisson, une autre portion S'2 traverse la face transparente 20 et est émise vers l'extérieur et enfin une dernière portion est absorbée par la couverture. En fin de compte une partie non négligeable de l'énergie solaire reçue par le capteur n'est pas récupérée par l'air circulant dans le caisson. La figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation de l'invention. Le caisson 10 du capteur solaire est du même type que précédemment, c'est à dire avec des parois qui permettent une bonne isolation thermique avec l'extérieur. Mais la face transparente 20 est ici une couverture transparente ayant une paroi extérieure transparente 30 et une paroi intérieure transparente 32 formant deux plans parallèles. L'air qui est forcé à circuler grâce au ventilateur 34 entre dans le caisson par l'entrée d'air 36, s'écoule entre les deux parois 30 et 32, puis se répartit au dessus et au dessous de l'absorbeur 38 avant de sortir à l'extérieur du caisson après être passé par le collecteur d'air 40. Dans ce mode de réalisation, l'absorbeur est du type imperméable à l'air. Il est de préférence constitué d'un matériau noir et mat pour avoir une absorption la plus élevée possible. Ainsi, un absorbeur en feutre de carbone s'avère présenter un degré d'absorption élevé des radiations solaires. Dans un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 3, le caisson 10 est le même que précédemment avec une couverture 20 formée également d'une paroi extérieure 30 et d'une paroi intérieure 32, mais avec un absorbeur 42 différent de celui de la figure 2. En effet, dans ce mode de réalisation, l'absorbeur est poreux et par conséquent l'air issu de l'entrée d'air 36, atteint d'abord le dessous de l'absorbeur, alors que l'entrée du collecteur d'air 40 se trouve au dessus de l'absorbeur. Ceci a donc pour résultat d'obliger l'air à circuler à travers l'absorbeur poreux. Un tel absorbeur peut être fabriqué selon des structures variées telles que du métal déployé des fils ou des cordons tressés, ou bien en un matériau suffisamment poreux pour le rendre perméable à l'air. La caractéristique essentielle de l'invention qui est utilisée dans les représentations schématiques des figures 2 et 3 prend en compte les inconvénients des capteurs solaires à air de la technique antérieure. En effet, comme on l'a déjà mentionné, la couverture transparente exerce malgré tout la fonction d'absorbeur soit en absorbant une partie des radiations solaires entrant dans le capteur, soit en absorbant une partie des radiations ré-émises par l'absorbeur proprement dit. Le but de la circulation d'air dans la couverture transparente est donc de transférer par convection les calories acquises par la couverture à l'air circulant entre les deux parois, et dans une moindre mesure de récupérer l'énergie du rayonnement ré-émis vers l'extérieur sous forme de radiations infrarouges.Cette caractéristique permet d'accroître considérablement le rendement qui peut ainsi passer de 55 % pour un capteur de la technique antérieure à près de 80 %. Le mode de réalisation préféré de l'invention utilisant la caractéristique essentielle de l'invention mentionnée ci dessus, est maintenant décrit en référence à la figure 4. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, ce capteur comporte un caisson 10 isolé thermiquement de l'extérieur par un isolant, une couverture 20 formée d'une paroi extérieure transparente 30 et d'une paroi intérieure transparente 32 entre lesquelles l'air circule à partir de l'entrée d'air 36, d'un absorbeur 50 imperméable à l'air de part et d'autre duquel l'air s'écoule vers le collecteur d'air, et du ventilateur 34 qui aspire l'air du collecteur 40 vers l'extérieur. L'absorbeur peut être en feutre de carbone comme il a été dit précédemment.Mais, de préférence il peut être sous forme d'une structure de polycarbonate à alvéoles longitudinales recouverte sur sa surface exposée aux radiations solaires d'un revêtement de fibres de carbone.et reposant directement sur le fond du caisson 10 (les pointillés sur la figure 4 représentent les extrémités ouvertes des alvéoles de la structure) Au dessous de l'absorbeur 50, l'air passe donc à travers les alvéoles de la structure. Mais le capteur représenté sur la figure 4 a été rendu autonome grâce à des piles photovoltaïques 52 directement exposées aux radiations solaires et placées à côté de la couverture transparente 20, au droit de la partie du caisson comportant le collecteur d'air. Ces piles photovoltaïques alimentent le ventilateur 34 par l'intermédiaire d'un régulateur décrit ci-après. Sur un capteur comportant une surface totale de 2m2 on peut disposer de 1,7 m2 de surface thermique (la couverture transparente) juxtaposée à un surface de 0,30 m2 composée de piles photovoltaïques fournissant une tension de 12 volts nominale et une puissance de 20 à 25 watts suffisante pour alimenter le ventilateur. Il est à noter que les cellules photovoltaïques pourraient être disposées différemment de façon à fournir une tension plus faible ou plus élevée selon les besoins. Ainsi, le capteur illustré sur la figure 4 peut être utilisé pour chauffer une pièce, un appartement ou toute habitation, sans avoir à prévoir l'alimentation électrique du ventilateur par le secteur ou par une batterie. Comme on va le voir par la suite, il est possible de réguler l'alimentation du ventilateur de façon à ce que la température du volume chauffé se rapproche le plus possible d'une référence donnée. Le capteur tel que représenté sur la figure 4 est en réalité disposé selon une certaine inclinaison de façon à être le mieux possible exposé aux radiations solaires. Sous nos latitudes, une exposition plein sud avec une inclinaison de 60 par rapport à l'horizontale est préférable s'il n'y a pas de masque (arbres, montagne...). Bien entendu, on peut prévoir un système dynamique faisant varier l'inclinaison du capteur en fonction de la saison et donc de la hauteur du soleil. Dans sa position de fonctionnement, le collecteur d'air 40 est en haut. L'air pénètre donc en haut du capteur par l'entrée 36. De façon à éviter que l'eau de pluie ne puisse pas pénétrer dans la couverture 20, l'entrée 36 est abritée par un rebord 54. L'air descend vers le bas du capteur et remonte en contact avec l'absorbeur 50 vers le collecteur 40. I1 est à noter que cette disposition du capteur est préférable à la disposition où le capteur aurait son entrée d'air et le ventilateur en bas dans la mesure où l'air qui se chauffe en circulant sur l'absorbeur a une tendance naturelle à monter vers le collecteur, ce qui facilite d'autant sa circulation, et que l'air au contact de l'absorbeur plus chaud impose à l'air de la couverture plus froid de descendre.De la même façon, du fait de cette tendance naturelle de l'air chaud à monter, il passe une quantité d'air plus grande au dessus de l'absorbeur (flèches pleines) qu'en dessous (flèches en pointillés). La figure 5 illustre la structure de la couverture transparente dans le mode de réalisation préféré de la figure 4. Cette structure est en polycarbonate alvéolé dans le sens longitudinal. L'épaisseur optimale entre la paroi extérieure 30 et la paroi intérieure 32 est d'environ 10 mm. cette dimension correspond au meilleur compromis pertes de charges/vitesse de l'air/transmission des radiations. Une épaisseur inférieure augmenterait les pertes de charges et une épaisseur supérieure diminuerait la transmission des radiations. Cela diminuerait aussi la vitesse de l'air et le passage du mode turbulent au mode laminaire aurait pour effet d'affaiblir le transfert des calories. Les alvéoles 60 sont de section carrée ou à peu près de préférence. Comme on l'a mentionné précédemment, une des caractéristiques de l'invention est de rendre le capteur autonome. Il est donc prévu un régulateur entre les piles photovoltaïques 52 (voir figure 4) et le ventilateur. Ce régulateur dont la tension est fournie par les photopiles, est représenté de façon synoptique sur la figure 6. La solution retenue dans ce régulateur est basée sur le "hachage" du courant. Un multivibrateur astable 70 délivre un signal en forme de créneaux d'une tension de 5 volts et d'une fréquence de 16 khz. La sortie du multivibrateur 70 attaque un monostable 72 dont on peut faire varier le rapport cyclique. Pour ce faire, on se sert de capteurs de température placés à différents points de l'installation et fournissant des tensions proportionnelles à la température relevée. On peut prévoir par exemple un capteur C1 à l'entrée du capteur solaire, un autre capteur C2 à la sortie du capteur solaire, un troisième capteur C3 à la sortie de l'air chaud et un quatrième capteur C4 dans la pièce ou le volume à chauffer. Les valeurs fournies par les capteurs de température sont combinées dans un circuit de comparaison 74.Ce circuit a pour fonction de modifier le rapport cyclique du monostable 72 selon les relations existant entre les valeurs fournies par les capteurs de température. Ainsi, le circuit de comparaison 74 peut comparer la différence entre les capteurs C1 et C2 avec la différence entre les capteurs C3 et C4. Plusieurs méthodes sont possibles pour obtenir une optimisation adéquate. Le signal modulé obtenu à la sortie du monostable 72 est amplifié par un amplificateur 76 qui commande à son tour un interrupteur 78 placé entre les photopiles 52 et le ventilateur 34. En fait, l'ensemble de l'amplificateur 76 et de l'interrupteur 78 peut être un seul circuit (type Darlington) formé d'un amplificateur à deux étages composé d'un premier transistor et d'un deuxième transistor jouant le rôle d'interrupteur. Par conséquent, l'interrupteur 78 se ferme et s'ouvre à des intervalles en relation directe avec le rapport cyclique du monostable 72. A la fréquence de 16 khz fournie par le multivibrateur 70, on peut considérer que la tension appliquée aux bornes du ventilateur est la moyenne des deux tensions délivrées pendant chaque période. La combinaison des signaux des différents capteurs de température C1-C4 fait ainsi varier la tension moyenne appliquée au ventilateur et donc sa puissance. Plus le ventilateur tourne vite, plus il évacue de calories par unité de temps et plus la température de la pièce à chauffer augmente. Mais en même temps, la température de l'absorbeur diminue.On voit bien que l'on peut construire le circuit de comparaison 74 de manière à ce que la température de la pièce à chauffer se rapproche le plus possible d'une température de référence donnée. Le capteur solaire à air qui vient d'être décrit peut être utilisé pour chauffer une pièce ou une habitation en hiver. Du fait de sa parfaite autonomie, une application possible est le chauffage d'une maison principalement quand les occupants sont absents. Dans une maison non occupée, il est conseillé de fournir un chauffage minimum destiné à garder la maison bien ventilée et à une température acceptable. Un capteur solaire selon l'invention peut donc être utilisé dans ce but sans avoir à brancher un chauffage électrique en permanence ou à laisser une chaudière constamment en fonctionnement. Un tel capteur peut également être utilisé pour d'autres applications. Ainsi il est judicieux de l'utiliser comme séchoir. En outre, du fait que l'absorbeur se comporte comme un corps noir et donc ré-émet en permanence même en l'absence de radiations solaires, il est donc froid la nuit. I1 peut donc servir de climatiseur durant les nuits chaudes des mois d'été, la circulation de l'air étant assurée grâce à un ventilateur alimenté par une batterie rechargée durant le jour par les piles photovoltaïques du capteur. I1 faut bien entendu ajouter une fonction de nuit au régulateur (passage du mode chauffage au mode climatisation). REVENDICATIONS 1. Capteur solaire à air à rendement élevé comprenant un caisson (10) isolé thermiquement de l'extérieur dont une des faces est une couverture transparente (20) exposée aux radiations solaires et les autres faces sont opaques, et un absorbeur (38, 42 ou 50) de radiations solaires placé à l'intérieur du caisson de façon à recevoir et absorber le maximum de radiations solaires traversant lacouverture transparente du caisson, ledit caisson comportant au moins une entrée d'air (36), un collecteur (40) d'air chauffé par convection au contact dudit absorbeur et un ventilateur (34) destiné à assurer la circulation de l'air dans le caisson entre l'entrée d'air et le collecteur d'air; ledit capteur étant caractérisé en ce que ladite couverture transparente est un élément creux comportant une paroi extérieure (30) et une paroi intérieure (32) parallèles, l'air à chauffer provenant de ladite entrée d'air étant forcé à circuler entre lesdites parois extérieure et intérieure de façon à capter par convection la chaleur stockée par la couverture et issue du rayonnement direct et du rayonnement de l'absorbeur, de sorte que l'essentiel de l'énergie provenant des radiations solaires reçues par ladite couverture transparente soit transféré sous forme de chaleur à l'air évacué au moyen dudit collecteur. 2. Capteur solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit ventilateur (34) est placé à la sortie dudit collecteur d'air (40) et a pour fonction d'aspirer l'air introduit dans le capteur par ladite entrée d'air (36). 3. Capteur solaire selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il est incliné par rapport à l'horizontale selon un angle dépendant du lieu où il se trouve, et en ce que ladite entrée d'air (36) et ledit collecteur d'air (40) sont situés en haut du capteur de sorte que l'air à chauffer circule vers le bas entre lesdites paroi extérieure (30) et intérieure (32) de la couverture transparente (20) en acquérant des calories fournies par ladite couverture et remonte ensuite vers ledit collecteur en acquérant des calories au contact dudit absorbeur (38,42 ou 50) 4. Capteur solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit absorbeur (38) est en matériau imperméable à l'air de sorte que l'air circule de part et d'autre dudit absorbeur en remontant vers ledit collecteur (40). 5. Capteur solaire selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit absorbeur est un revêtement de fibres de carbone (50) sur une structure à alvéoles longitudinales à travers lesquelles passe l'air en remontant vers ledit collecteur (40). 6. Capteur solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit absorbeur (42) est en matériau poreux perméable à l'air de sorte que l'air traverse ledit absorbeur en remontant vers ledit collecteur (40). 7. capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ladite couverture transparente (20) est une structure à alvéoles longitudinales disposées entre ladite paroi extérieure (30) et ladite paroi intérieure (32) à travers lesquelles passe l'air en provenance de ladite entrée d'air (36) avant d'entrer en contact avec ledit absorbeur (38). 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant en outre un ensemble de piles photovoltaïques (52) fournissant l'alimentation audit ventilateur (34). 9. Capteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'alimentation dudit ventilateur (34) est fournie par ledit ensemble de piles photovoltaïques (52) par l'intermédiaire d'un régulateur adapté pour que le volume à chauffer par l'air chauffé issu du capteur soit à une température la plus proche possible d'une température de référence. 10. Capteur solaire selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit régulateur comprend un monostable (72) qui, en réponse à un multivibrateur astable (70), fournit un signal de commande d'un interrupteur (78) placé entre ledit ensemble de piles photovoltaïques (52) et ledit ventilateur (34) pour fermer ou ouvrir ledit interrupteur en fonction du rapport cyclique dudit monostable, ledit rapport cyclique étant fonction de la sortie d'un circuit de comparaison (74) établie en tenant compte des valeurs d'une pluralité de capteurs de température (C1-C4) placés en différents points de l'installation. 11. Application du capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 au chauffage d'une habitation de façon autonome. 12. Application du capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 à la climatisation d'une habitation la nuit, l'alimentation dudit ventilateur (34) étant fournie par une batterie rechargée pendant le jour par ledit ensemble de piles photovoltaïques (52).