Brevet FR2864608A1 — publié le 20050701

La présente invention concerne un ensemble de dispositifs permettant de chauffer l'eau sanitaire grâce au soleil. Il existe déjà des chauffe-eau solaires dont le fonctionnement est le suivant: Un ou plusieurs capteurs plans vitrés d'environ 4m2 (pour une famille de 4 personnes) renferment un collecteur métallique noir mat. Ils sont exposés à l'extérieur plein sud, à un angle variable en fonction de la latitude. Une réserve de calories d'environ 300 litres d'eau à 80 C renferme un échangeur thermique et une résistance d'appoint. Un liquide w caloporteur circule entre le collecteur et l'échangeur thermique à l'aide des 2 tubes de liaison et d'une pompe de circulation ou par thermosiphon. Ces chauffe-eau solaires sont très onéreux, ils doivent être installés par des spécialistes du solaire et ne peuvent être amortis financièrement qu 'à très long terme. Les dispositifs selon l'invention permettent de remédier à ces inconvénients en réduisant considérablement le coût de fabrication ainsi son amortissement est beaucoup plus rapide. De plus il peut être monté par un bricoleur sans connaissance particulière dans le domaine du solaire. Le Chauffe-eau solaire cylindro-parabolique fonctionne de la manière suivante: Un ou plusieurs capteurs Cylindro-paraboliques dont la surface d'ouverture totale est également de 4 M2 pour 4 personnes, sont dotés d'un collecteur fait d'un tube métallique noir mat placé le long de la ligne foyère de la parabole et enveloppé d'un tube en verre dans lequel le vide peut-être fait. Un dispositif de poursuite assure le positionnement du capteur vers le soleil, déjà connu, il est constitué par un cache projetant son ombre vers des cellules photo-électriques. Ce dispositif est enfermé dans une enveloppe en verre. Le collecteur est relié grâce à un double tube calorifugé, à un ballon électrique conventionnel de 300 litres via un dispositif contre le gel. Les 2 raccordements du circuit du capteur solaire se font sur les canalisations arrivant au ballon électrique; l'aller du circuit solaire sur l'arrivée froide du ballon et le retour sur la sortie chaude du ballon. L'eau contenue dans le ballon électrique circule dans le collecteur du capteur en circuit fermé à l'aide d'une pompe de circulation. La résistance électrique du ballon ne sert que d'appoint quand le soleil est défaillant. Ce système ne possède donc pas de réserve spécifique ni d'échangeur io thermique. La seule modification à apporter au ballon électrique est le remplacement du thermostat mécanique par un thermostat électronique. Les capteurs utilisés sont de préférence du genre cylindro parabolique, 2 types sont retenus: Les capteurs cylindro-paraboliques 2 axes sont les plus efficaces. Ils sont orientés vers le soleil sur 2 axes (élévation et longitude). Les capteurs cylindro-paraboliques 1 axe sont moins efficaces. Seul le plan défini par la ligne foyère et l'axe de la parabole est orienté vers le soleil. Cela occasionne des pertes angulaires et il faut augmenter la surface des capteurs pour obtenir la même efficacité qu 'avec un capteur 2 axes. Il est cependant possible de limiter ces pertes en rendant réfléchissant, l'intérieur des joues des réflecteurs qui doivent être perpendiculaires à la ligne foyère, ce qui a pour effet de renvoyer les rayons lumineux sortant vers le collecteur La plupart des circuits sanitaires sont équipés d 'un ballon électrique, A défaut, il faut en ajouter un mais cela ne représente qu'un coût très réduit par rapport à une réserve spécifique avec échangeur thermique. Les capteurs cylindro-paraboliques permettent d'obtenir des températures beaucoup plus élevées. Ceci a pour effet de pouvoir récupérer des calories que les capteurs plans vitrés ne peuvent pas récupérer en début et en fin de journée ainsi que pendant la période d'hiver où le soleil est moins fort mais aussi une meilleure maîtrise de la régulation et la possibilité de raccorder la résistance électrique du ballon (utilisée comme appoint) au tarif réduit (40% d'économie la nuit en France). Les capteurs cylindro-paraboliques sont reliés au ballon électrique avec 2 tubes de liaison (aller et retour) qui sont insérés l'un dans l'autre. io Le diamètre du tube extérieur est inférieur d'un tiers environ à la somme des 2 tubes (séparés traditionnellement) pour les mêmes sections de passage d'où moins de pertes thermiques. Certes il se produit un échange thermique entre les deux tubes mais cela n'est pas de l'énergie perdue. Etant donné que l'eau arrive à une température plus élevée au collecteur, elle ressort avec à peu près le même écart de température que si les tubes étaient séparés. Avec ce procédé il y a environ 30% de pertes thermiques en moins. Avec les capteurs plans il y a des problèmes de régulation car il n 'est pas possible (par exemple) de récupérer des calories lorsque la réserve est à 60 C et que le capteur plan est à 50 C. Les calories à basse température ne peuvent pas être récupérées. Une famille de 4 personnes consomme environ 200 litres d'eau à 50 C par jour. Un ballon de 300 litres à 100 C représente environ 400 litres d'eau à 50 C (en laissant dans le ballon 300 litres d'eau à 50 C). La température médiane pour obtenir 2 fois 200 litres d'eau à 50 C est d'environ 70 C. En conséquence 300 litres à 70 C représentent 200 litres à 50 C et 300 litres à 30 C d'écart (100-70 C) représentent également litres à 50 C. Etant donné qu'un capteur cylindro-parabolique peut délivrer largement plus de 100 C quelque soit l'ensoleillement, il est intéressant de déterminer 2 plages de températures différentes pour les 2 modes de chauffe différents: - De 0 à 70 C pour la chauffe avec la résistance d'appoint. -De 0 à 100 C pour la chauffe avec les capteurs solaires cylindroparaboliques. La plupart du temps cette plage sera de 70 C à 100 C. Bien que le rendement thermique horaire théorique des capteurs cylindroparaboliques soit inférieur de 20 à 30 % environ par rapport aux capteurs plans vitrés, tous les avantages de la présente invention font que i0 le rendement thermique effectivement récupéré annuellement avec des capteurs cylindro-parabolique 2 axes est égal et même supérieur à celui des capteurs plans vitrés à surface égale. Les dessins annexés illustrent l'invention: - La figure 1 représente le schéma général de fonctionnement. - La figure 2 représente un exemple de capteur cylindro-parabolique 2 axes en perspective. - La figure 3 représente un exemple de capteur cylindro-parabolique 1 axe en coupe. - La figure 4 représente des exemples de montage de lignes de capteurs 20 cylindro-paraboliques 1 axe. - La figure 5 représente en 3 coupes les tubes de liaison (5A) et (5B) traditionnels et les tubes de liaison améliorés (5C+5D) ou (5E). - La figure 6 montre la récupération des rayons lumineux pour les capteurs cylindro-paraboliques 1 axe en coupe longitudinale. - La figure 7 représente en 3 coupes un exemple de vanne à boisseau pouvant ouvrir et fermer les 5 points de coupure (PI) à (P5). - La figure 8 représente 1 'anti-vrillage en coupe transversale Les repères (ST1) à (ST4) sont des sondes thermiques pour la commande des circuits électroniques (CE1), (CE2) et (CE3). - (ST1) est une sonde placée dans le ballon, à la place du thermostat mécanique à canne ordinairement utilisé. - (ST2) est une sonde placée dans le collecteur (12) afin de mesurer la 5 température de l'eau sortant de celui-ci. - (ST3) est une sonde interne au dispositif de poursuite (13) qui est chauffée par effet de serre quand le soleil brille. - (ST4) est une sonde située à l'extérieur mais à l'abri du soleil. - (CE?) est le circuit électronique permettant l'orientation du capteur en 10 commandant les moto-réducteurs. - (CE2) est le circuit électronique assurant la protection contre le gel en actionnant un cycle particulier. - (CE3) est le circuit électronique assurant la régulation thermique sur 2 plages de températures. Selon la Fig. 6, les capteurs cylindro-paraboliques 1 axe ont des pertes lumineuses dans le bout des réflecteurs (11) . Etant donné l'angle du soleil avec la ligne foyère (LF), les rayons solaires réfléchis par les bouts des réflecteurs (11) arrivent en dehors des limites du collecteur (12). Si les joues (14) des réflecteurs (11) cylindro-paraboliques 1 axe sont perpendiculaires à la ligne foyère (LF) et que leur face intérieure est réfléchissante, les rayons lumineux sont réfléchis obligatoirement dans les limites du collecteur (12). De plus, les rayons arrivant directement sur les joues réfléchissantes (14) sont renvoyés sur le réflecteur (11) pour aboutir dans les limites du collecteur (12). Selon la figure 8 les réflecteurs cylindro-paraboliques 1 axe et 2 axes ont l'inconvénient de se vriller (en torsion). Un anti-vrillage efficace est possible en rendant solidaire le collecteur (12) avec les joues (14) des réflecteurs (11). Un tube, de préférence rond, même en verre, est particulièrement résistant à la torsion. En assurant la solidarité du tube métallique (18) ou du tube en verre (17) du collecteur (12) avec les joues (14) du réflecteur (11) par un moyen quelconque, on obtient ainsi un capteur rigide. Bien qu'il faut plus de surface, les capteurs cylindro-paraboliques 1 axe ont le grand avantage de pouvoir s'intégrer aux habitations. Selon la figure 4, on peut raccorder bout à bout sur 1 ou 2 lignes de montage plusieurs capteurs cylindro-paraboliques 1 axe. Cet ensemble peut se monter sur une façade, un pignon, un mur quelconque, une toiture ou une io terrasse orienté vers le sud approximativement. A titre indicatif, une ligne de 8 mètres de capteurs cylindro-paraboliques d'une largeur de 60 centimètres représente 4,8 m? ce qui est suffisant avec un ballon de 300 litres pour une famille de 4 personnes. Les articulations (15) permettent la rotation des capteurs cylindroparaboliques 1 axe pour l'orientation vers le soleil ainsi que la cinématique d'ouverture et de fermeture. Selon la figure 3, cette cinématique permet de plaquer le capteur contre la surface sur laquelle les supports (16) sont fixés. L'extérieur des réflecteurs (11) est décoratif (imitation pierre par exemple) ce qui permet au capteur de bien s'intégrer aux habitations quand il ne fonctionne pas, de plus l'intérieur des réflecteurs (11) est protégé des intempéries et se salit peu. Selon la figure 5, il est possible de limiter les pertes thermiques des tubes de liaison (5A) et (5B). Pour comparer les procédés il est nécessaire que les paramètres de base suivants soient égaux: Coefficients d'isolation égaux, - Sections de passage égales (Si =S2=S3=S4=S5=S6) - Longueurs des tubes égales. - Températures des liquides égales. Dans ces conditions, les pertes thermiques sont directement proportionnelles à la surface du ou des tubes en contact avec l'isolant thermique. Etant donné que les sections (SI) à (S6) sont égales, on peut déterminer par calcul que la surface du tube (5C) ou (5E) est 30% environ inférieure à la somme des surfaces des tubes (5A) + (5B). On a donc moins de pertes thermiques malgré l'entropie engendrée par l'élévation de température au niveau du collecteur (12). La limitation des pertes thermiques des tubes de liaison (5A + 5B) par la réduction de la lo surface en contact avec l'isolant est assurée en insérant du tube (5D) dans le tube (5C) en conservant l'égalité des sections (S3) et (S4) ou par cloisonnement du tube (5E) en conservant les sections (S5) et (S6) égales. Le circuit électronique (CE]) assure le positionnement des capteurs cylindro-paraboliques vers le soleil. Quand le soleil brille, la température de la sonde (ST3) est plus élevée que celle de la sonde (ST4). Dans ces conditions, le dispositif de poursuite du soleil (13) entre en action afin d'aligner le capteur (1) vers le soleil à l'aide des 2 motoréducteurs. Selon la figure 1, la protection contre le gel est assurée par un vase d'expansion (3) associé à 5 points de coupure hydraulique (PI) à (P5) qui sont ouverts ou fermés selon un cycle particulier par le circuit électronique (CE2) pour chasser l'eau du circuit solaire avec l'air comprimé contenu dans le vase d'expansion (3) sans l'aide d'un compresseur externe. Les 5 points de coupure hydraulique (PI) à (P5) peuvent être indifféremment remplacés par des électrovannes ou par une à plusieurs vannes à boisseau motorisés permettant 1 à 5 points de coupures indépendants. Le point de coupure (P4) peut être remplacé par une valve ou un clapet anti-retour laissant entrer l'air sans qu 'il ressorte. Quand il n'a pas gelé depuis un certain temps, l'air contenu dans le vase d'expansion (3) se dissout dans l'eau et le niveau monte. Pour que le système fonctionne correctement, il faut que le vase d'expansion ait un volume égal à 2 ou 3 fois la contenance du circuit solaire et que l'air soit comprimé juste avant de chasser l'eau du circuit solaire. La figure 7 représente un exemple d'une vanne à boisseau motorisée assurant l'ouverture et la fermeture des 5 points de coupure (PI) à (P5). La motorisation de la vanne est lente et permet le cycle sans arrêt du io moteur, mis à part quand le circuit électrique (CE2) attend des conditions favorables de reprise. Le boisseau est percé de deux trous parallèles sur deux plans différents, perpendiculairement à l'axe de rotation. Quand la sonde (ST2) signale le risque de gel, le circuit électronique (CE2) enclenche le cycle suivant: - fermeture de (PI) et (P2) pour isoler le circuit solaire, - ouverture de (P3) pour évacuer la pression, ouverture de (P4) pour vidanger par gravité le vase d'expansion. - fermeture de (P3) et (P4) quand le vase d'expansion est vide - ouverture puis fermeture de (P2) le temps nécessaire pour comprimer l'air du vase d'expansion (3) avec la pression du réseau d'eau, - ouverture de (P5) pour chasser l'eau du circuit solaire grâce à l'air comprimé du vase d 'expansion (3), - le circuit électronique (CE2) reste en attente. Quand la sonde (ST3) est supérieure à (ST4), le cycle reprend, - fermeture de (P5) puis ouverture de (P2) assurent la mise sous pression du circuit solaire. Le cycle est ainsi terminé et il peut être enclenché de nouveau par le circuit électronique (CE2) si besoin est. La particularité essentielle de la régulation thermique est de pouvoir effectuer la chauffe de l'eau contenue dans le ballon électrique (2) sur 2 plages de températures différentes avec 2 moyens de chauffe différents, 5 grâce au circuit électronique (CE3). Le circuit électronique (CE3) grâce à la sonde (ST1) enclenche la résistance d'appoint au-dessous de 65 C, l'arrête à 70 C et il enclenche la pompe de circulation (4) si la sonde (ST2) est supérieure de 20 C (réglable) à la sonde (ST1). io Toutes les valeurs de températures citées sont destinées à donner des ordres de grandeur et que des variations de ces valeurs sont possibles sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, la température de stockage de l'eau dans le ballon peut-être de 120 C au lieu de 100 C, ce qui décale les autres températures. Pour des raisons de sécurité, la soupape ou groupe de sécurité (6) est conservée et il est rajouté une vanne thermostatique (7) à la sortie du ballon électrique pour éviter les brûlures. Les dispositifs selon l'invention sont particulièrement destinés à la production d 'eau chaude sanitaire. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de dispositifs pour chauffe-eau solaire cylindroparabolique caractérisé en ce qu'il comporte - moins de déperditions lumineuses au bout des réflecteurs (11) cylindroparaboliques 1 axe en rendant l'intérieur des joues (14) des réflecteurs (11) réfléchissant afin de renvoyer les rayons solaires vers le collecteur (12). - un anti-vrillage pour réflecteurs (11) cylindro-paraboliques 1 axe qui est lo assuré en rendant solidaire le collecteur (12) avec les joues (14) du réflecteur(11). - plusieurs capteurs cylindro-paraboliques 1 axe raccordés ensembles et intégrés aux habitations. - une articulation (15) assurant la rotation des capteurs cylindro-15 paraboliques 1 axe. - moins de pertes thermiques des tubes de liaison (5) par la réduction de la surface des tubes (5A)+(5B) en contact avec l'isolant thermique, une protection contre le gel composée d'un vase d'expansion (3) associé à 5 points de coupure hydrauliques (PI) à (P5) qui sont ouverts ou fermés selon un cycle par le circuit électronique (CE2) pour chasser l'eau du circuit solaire avec l'air comprimé contenu dans le vase d'expansion (3). - une régulation thermique assurant le fonctionnement des 2 moyens de chauffe sur 2 plages de températures différentes grâce au circuit électronique (CE3). 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les joues (14) des réflecteurs (11) cylindro-paraboliques 1 axe sont perpendiculaires à la ligne foyère et que leur face intérieure est réfléchissante. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l 'antivrillage des capteurs cylindro-paraboliques (1) est assuré en rendant le tube métallique (18) ou le tube en verre (17) du collecteur (12) solidaire avec les joues (14) des réflecteurs (11) par un moyen quelconque. 4 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que plusieurs capteurs cylindro-paraboliques 1 axe sont raccordés bout à bout sur 1 ou 2 lignes de montage et que l'intégration des lignes de montage aux habitations peut se faire sur une façade, un pignon, un mur quelconque, io une toiture ou une terrasse orienté vers le Sud approximativement. - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 4 caractérisé en ce que la cinématique d'ouverture et de fermeture ainsi que l'orientation vers le soleil des capteurs cylindro-paraboliques 1 axe sont assurés grâce aux articulations (15) des joues (14) avec les supports (16). 6 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la réduction des surfaces des tubes (5A)+(5B) en contact avec l'isolant thermique est assurée par insertion du tube (5D) dans le tube (5C) en conservant l'égalité des sections (S3) et (S4) ou par le cloisonnement du tube (5E) en conservant les sections (S5) et (S6) égales. 7 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les 5 points de coupure hydraulique (PI) à (P5) peuvent être indifféremment remplacés par des électrovannes ou par une à plusieurs vannes à boisseau motorisées permettant 1 à 5 points de coupure indépendants et que le point de coupure (P4) peut être remplacé par une valve ou un clapet anti- retour laissant entrer l'air sans qu 'il ressorte. 8 - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 7 caractérisé en ce que le cycle d'ouverture et de fermeture des points de coupure (PI) à (P5) commandé par le circuit électronique (CE2) provoque successivement: la fermeture de (PI) et (P2), l'ouverture de (P3) puis de (P4), la fermeture de (P3) et (P4), l'ouverture puis la fermeture de (PI) ou (P2), l'ouverture de (P5), puis attente et quand le circuit électronique (CE2) le permet, la fermeture de (P5) et l'ouverture de (P2). 9 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit électronique (CE3) grâce à la sonde (ST1) enclenche la résistance d'appoint (21) au-dessous de 65 C, l'arrête à 70 C et qu'il enclenche la pompe de circulation (4) si la sonde (ST2) est supérieure de 20 C io (réglable) à la sonde (ST1).