Brevet FR2875292A1 — publié le 20060317

La présente invention concërne le domaine de la fabrication des capteurs solaires thermiques et en particuliers les capteurs tubulaires, ses procédés de fabrication et ses moyens de fixation. La présente invention concerne un capteur solaire thermique tubulaire majoritairement 5 composé de plastique ou de caoutchouc extrudé pouvant être installé sur les toits ou en façade des immeubles sans modification de l'existant. Le captage du rayonnement solaire avec pour objectif de chauffer un fluide caloporteur (air, eau...) est déjà fortement développé et plusieurs types de capteur sont disponibles commercialement. Ils sont présentés ci-après du plus simple au plus technique: - Le capteur solaire simple est composé de l'absorbeur: une bâche plastique ou caoutchouc de couleur noire qui capte le rayonnement solaire, sur lequel est fixé un réseau de tubes noircis. Le fluide caloporteur, en général de l'eau, passe dans le réseau de tubes pour se réchauffer. II n'y a pas de protection thermique en surface (tel qu'une vitre) permettant de réaliser un effet de serre et de réduire les pertes par convection. Ce système de chauffage solaire produit de l'eau chaude à une température inférieure à 40 C et est utilisé principalement pour le chauffage des eaux de piscine; Le capteur solaire thermique plan est installé dans un coffre rigide isolé et vitré, un réseau de tubes noirs en métal (absorbeur) capte le rayonnement solaire et chauffe le fluide caloporteur qui y circule. La vitre placée sur la face supérieure permet le passage du rayonnement solaire incident, crée un effet de serre en confinant la chaleur dans l'enceinte. Ces systèmes sont les plus couramment installés pour les applications domestiques tel que le Chauffe Eau Solaire Individuel (CESI). Ils permettent d'obtenir une température de l'eau de l'ordre de 60 à 65 C. Ils présentent les désavantages d'être encombrants et relativement visibles, d'autre part l'utilisation de verre pour les vitres rendent ces systèmes fragiles. Les travaux d'installation sur les toits nécessitent l'intervention de nombreux corps de métiers ce qui réduit la rentabilité économique du chauffage solaire, tout en modifiant l'homogénéité de la couverture. - Le capteur solaire à tube sous vide est un assemblage de plusieurs cellules, chaque cellule est composée d'un tube transparent en verre scellé, dans lequel est réalisé le vide d'air. L'absorbeur: un tube en métal noirci, traverse le tube sous vide. Le fluide caloporteur circule dans l'absorbeur. Grâce au vide, les déperditions thermiques convectives de l'absorbeur sont quasiment éliminées. Ces capteurs, les plus performants en terme de rendement de captage, permettent d'obtenir des températures élevées pouvant dépasser la température 100 C. Les principaux inconvénients sont qu'ils sont coûteux, principalement à cause de la technique du vide qui nécessite des soudures verre métal et des machines adaptées. Ils sont fragiles et encombrants, et tout comme le capteur plan leur installation réclame des travaux importants. De nombreux documents se rapportent à la fabrication de capteurs solaires plastiques extrudés. Le document WO03085329 par exemple décrit un panneau extrudé en matériau thermoplastique définissant un réseau de canaux dans lequel circule un liquide coloré. Un autre document WO03023292 présente un capteur solaire tubulaire où l'absorbeur est une paroi interne pouvant inclure un conduit de circulation du fluide caloporteur. D'autre part, la construction du tube externe est extrêmement complexe car il est composé d'un assemblage de parois ayant chacune différentes fonctions: diffusion du rayonnement incident, réflexion du rayonnement, isolation. Les différents capteurs commercialisés ont de faibles rendements de captage ou sont coûteux, fragiles et leur installation demande d'important travaux et une modification substantiel de la surface portante. Concernant les capteurs plastiques et en particulier, les capteurs tubulaires, aucun ensemble industriel n'est disponible à ce jour. La présente invention a par conséquent pour but de fabriquer un capteur solaire thermique ayant des performances de chauffage équivalentes au capteur plan sans avoir les inconvénients liés à l'installation, et de perfectionner les concepts théoriques jusqu'ici proposés, pour permettre une exploitation industrielle des capteurs solaires tubulaires. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé qui comprend les étapes consistant à : - Co-extruder un ensemble cohérent comprenant l'absorbeur (2) du rayonnement solaire: une couche de caoutchouc ou de plastique chargée, noire et conductrice thermique, et au moins un autre élément du capteur, tel qu'un tube (1) de thermoplastique transparent au rayonnement solaire, une couche de matériau isolant (3) ou un tube (6) en métal ou en plastique; - Associer l'ensemble extrudé précité à d'autres composants tel qu'une feuille de métal, un film métallisé (5), une couche d'adhésif (4). - Fixer les capteurs ainsi réalisés sur toutes les surfaces de toit ou de façade, sans modification de l'existant, soit par collage, soit à l'aide de brides adaptées (8), (9), (11) utilisant les moyens existants de fixation des éléments de toiture. Le capteur solaire thermique est composé d'un ensemble co-extrudé comprenant: - Au moins un tube (1) transparent au rayonnement du soleil qui isole thermiquement de l'atmosphère l'absorbeur; - L'absorbeur (2) : une couche noire de thermoplastique ou de caoutchouc, bonne conductrice thermique formant un ou plusieurs tube(s) ou qui est en contact intime avec un tuyau (6), dans lequel passe le fluide caloporteur. II est à l'intérieur du ou des tubes (1) et une partie de sa section est solidaire, directement ou indirectement, de la partie inférieure de la paroi interne du tube central (1) ; - Et éventuellement, une couche de matériau isolant (3) placée, directement ou indirectement, sous l'absorbeur (2) pour réduire la dissipation thermique entre le capteur et la surface portante. L'absorbeur (2) et le tube (1) sont solidarisés sur une partie de leurs surfaces soit directement soit par l'intermédiaire de la couche de matériau isolant (3). La couche de matériau isolant sera extrudée sur la surface externe du tube externe dans le cas où l'absorbeur (2) est directement solidaire d'un tube (1) central. Sur la paroi externe de la surface solidarisée de l'ensemble co-extrudé au droit de l'absorbeur (2), d'autres couches de matériaux pourront être plaquées telles que: - Une feuille de métal ou un film métallisé (5), afin de réduire les pertes par rayonnement et faciliter le transport de la chaleur vers le tube de circulation du fluide caloporteur; - Une couche d'adhésif (4), afin de fixer le capteur sur les supports sans utiliser de systèmes de fixation mécanique. Tous les matériaux utilisés pour la réalisation du capteur seront choisis afin qu'ils soient résistant thermiquement à la température d'abandon, température obtenue lors d'une exposition maximum et sans qu'il y ait de circulation de fluide caloporteur, tel que durant une panne du système de circulation. Le capteur solaire se présente comme un complexe flexible ou rigide qui peut avoir la forme d'un tube-cylindrique rond ou aplati pour une utilisation sur les tôles ondulées, ou de la forme 20 d'un demi-cylindre avec une base plate pour toutes les surfaces portantes plates. Le capteur se place directement sur les toits ou sur les façades de bâtiments ou toute autre surface. On maintient le capteur soit par collage, soit par des brides adaptées (8), (9), (11) qui utilisent les systèmes de fixation des éléments de toitures existants afin de ne pas faire passer les liaisons au travers des toitures, ce qui réduit les travaux d'installation et évite d'augmenter les problèmes d'infiltration ou de fuite. Les connexions des tubes de circulation se font avec les techniques connues de l'homme de l'art: - Pour les capteurs réalisés en tubes extrudés, la continuité du réseau peut se réaliser à 30 l'aide de liaisons collées comme dans le cas de tubes PVC; - Pour les capteurs contenant dans sa structure un tuyau en métal ou plastique, les liaisons avec le réseau de circulation du fluide caloporteur sont réalisées soit par soudure après avoir dégagé une certaine longueur du tube, soit par des raccords sans soudure avec des écrous et des olives bicones ou par tout autre système de liaison connu. L'étanchéité thermique en bout de longueur du capteur est assurée soit par collage d'une pièce de fermeture tel qu'un fond de gouttière ou simplement par injection de mousse. Le capteur extrudé est relié à tout système dédié au chauffage solaire, comprenant un circuit de circulation du fluide équipé ou non d'un thermostat, d'une pompe de circulation et d'un ballon de stockage. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels: - Les figures 1 à 3 représentent des vues en coupe transversale d'un ensemble de tubes de diamètres différents obtenu par co-extrusion, associé ou non avec une couche de matériau isolant, de film métallisé ou d'adhésif, en vue de la réalisation de capteurs solaires thermiques conforment à la présente invention; - Les figures 4 et 5 sont des vues en perspective d'un ensemble de tubes de diamètres différents obtenu par co-extrusion, montrant deux formes différentes de capteur solaire thermique conforme à la présente invention; - La figure 6 représente une vue en perspective, d'un ensemble d'un tube et de l'absorbeur co-extrudés autour d'un tube en métal ou plastique et un exemple de système de fixation par bride, conforme à l'invention. - La figure 7 représente une vue en perspective d'un ensemble extrudé de tubes et de couches de polymère et maintenu sur une tôle ondulée par une autre bride adaptée, en vue 20 de la réalisation de capteur solaire thermique conforme à l'invention; - La figure 8 représente une vue en perspective de deux ensembles extrudés de tubes et de couches de polymère mis en parallèle et maintenus sur une tôle de bardage par une autre bride de fixation adaptée, en vue de la réalisation de capteur solaire thermique conforme à l'invention. On va maintenant préciser chacune des étapes du procédé. L'étape d'extrusion consiste en la co-extrusion de l'absorbeur (2) avec au moins un autre élément constituant le capteur. L'absorbeur (2) est une couche noire de polymère, tel que du caoutchouc ou plastique, dont la nature ou la constitution chimique lui confère des propriétés d'absorption du rayonnement solaire et une forte conductivité thermique. La forme extrudée de l'absorbeur (2) sera: - Soit un tube; - Soit une bande large dans laquelle une forme tubulaire évidée sera réservée pour la circulation du fluide caloporteur; - Soit une bande large dans laquelle est placé un tuyau lors de l'étape d'extrusion 35 (procédé analogue à la fabrication de câble électrique) ; - Soit une bande large ayant une forme adéquate pour qu'un tuyau soit inséré et intimement maintenu. Les autres éléments peuvent être: - Un ou plusieurs tubes (1) formant une enceinte pour la protection atmosphérique. Le matériau sera un thermoplastique, tel que du PC, du PVC, du PE ou tout autre plastique, transparent au rayonnement solaire et qui peut être utilisé comme matériau de construction d'extérieur; - Une couche de matériau isolant (3) pour réduire les pertes thermiques. Le matériau isolant pourra être une mousse ou un système alvéolaire plastique tel que du PE, du PP, du polystyrène, du PUR expansé ou tout autre polymère. Une autre solution est d'utiliser un matériau plastique additivé de charge réduisant la conductivité thermique tel que billes de verre ou autre. Une autre solution est un isolant minéral ou organique d'extérieur; - Un tuyau (6) pour la circulation du fluide caloporteur, en métal, tel que du cuivre, de l'aluminium, de l'acier ou tout autre métal, ou en plastique additivé afin de le rendre conducteur thermique. Compte tenu du mode de réalisation et si l'absorbeur (2) est un tube ou est composé de plusieurs tubes égaux et parallèles, une partie de leur section est solidarisée à la surface interne du tube central (1), directement ou par l'intermédiaire d'une couche de matériau isolant (3). Cette surface solidarisée définit la géométrie du capteur: a) Si la longueur de la section de l'absorbeur (2) solidaire de la paroi interne du tube central (1), ou si la somme des longueurs des tubes solidaires est inférieure à la demi- périphérie du tube ou des tubes de l'absorbeur (2), alors la surface solidarisée est plane. Ces capteurs seront installés où les surfaces portantes sont plates, tel que façade, tôle de bardage: b) A l'inverse la longueur de la section de l'absorbeur (2) solidaire de la paroi interne du tube central (1), ou si la somme des longueurs des tubes de l'absorbeur (2) solidaires est supérieure à la moitié de la périphérie ou à la somme des demi-périphéries de l'absorbeur (2), alors la surface solidarisée de l'ensemble extrudé est courbe. Le rayon de courbure sera choisi équivalent au rayon de courbure de la partie concave des tôles ondulées. On a représenté dans les figures 1 à 4 annexées, quatre configurations obtenues par co- extrusion d'au moins 2 tubes de diamètres différents avec une surface solidarisée plane et dans la figure 5 annexée, une configuration où la surface solidarisée est courbe. Selon la configuration de la figure 1 qui représente une vue en coupe de la section du capteur, l'absorbeur (2) forme un tube dans lequel circule le fluide caloporteur. Il est coextrudé avec le tube externe (1) qui sert de capot isolant thermique et atmosphérique; Selon la configuration de la figure 2, qui représente une vue en coupe de la section du capteur, l'absorbeur (2) forme un tube. II est co-extrudé avec deux tubes (1) et (1') de différentes dimensions, le tube 1' plus petit est situé à l'intérieur du tube 1, et ils forment un double capot au-dessus de l'absorbeur et font un système isolant tel un double vitrage. Une couche de matériau isolant (3) est extrudée sur fa surface plane du tube externe (1'), et permet de solidariser l'absorbeur (2) du tube central (1'). Selon la configuration de la figure 3, qui représente une vue en coupe de la section du capteur, l'absorbeur est formé de deux tubes (2) et (2'). Il est extrudé avec un tube externe (1) servant de capot d'isolation atmosphérique. Sur la surface externe plane du tube (1), un film métallisé (5) est associé afin de réduire les pertes par rayonnement et une couche d'adhésif (4) est déposée à la face libre du film métallisé (5). Sur la figure 4 qui représente une vue en perspective du capteur, l'absorbeur (2) forme un tube. Il est co-extrudé avec le tube externe (1) et une couche de matériau isolant (3) placée sur la surface externe du tube (1) en regard de la surface de contact avec l'absorbeur (2). Une couche d'adhésif (4) est déposée sur la face plane libre de l'isolant (3). Selon ta configuration de la figure 5, qui représente une vue en perspective du capteur, l'absorbeur (2) forme un tube. ll est co-extrudé avec une couche de matériau isolant (3) et le tube externe (1). La couche de matériau isolant (3) est placée entre les (2) autres composants. Une couche d'adhésif (4) est déposée sur la surface solidarisée courbe. Pour la fabrication de capteurs plus techniques: l'absorbeur (2) forme une bande large au sein de laquelle est (sont) placé(s) le tube (les tubes) de circulation du fluide caloporteur.. Ceci permet de développer la surface absorbante en gardant pour les tubes de circulation les dimensions normalisées, et permet des raccords aisés. Le tube de circulation du fluide caloporteur peut être soit une forme tubulaire évidée réservée au sein de l'absorbeur (2), soit un tuyau (6) noir en métal ou en plastique bon conducteur thermique. Lors de l'extrusion, l'absorbeur (2) est mis en forme afin de former une structure dans laquelle le tuyau (6) peut être totalement inclus, ou une structure avec une gorge sur sa surface supérieure dans laquelle le tuyau noir (6) peut être inséré après l'extrusion. Comme pour les structures décrites précédemment, l'absorbeur (2) peut être co-extrudé avec le tube externe (1) et une couche de matériau isolant (3), placé soit entre l'absorbeur et le tube externe, soit sur la surface externe inférieure du tube. Une feuille de métal ou un film métallisé (5), pourra être plaquées en surface de la partie 30 solidarisée de l'ensemble co-extrudé, et une couche d'adhésif (4) pourra être déposée à la face externe de l'ensemble extrudé en regard de l'absorbeur. On a représenté dans la figure 6 annexée, une vue en perspective d'un capteur ayant une configuration obtenue par co-extrusion; - De l'absorbeur (2) formant une large bande dans laquelle un tuyau (6) en métal ou en plastique bon conducteur thermique est inclus; - D'un tube externe (1) dont le matériau est un thermoplastique tel que du PC, du PVC, du PE ou tout autre plastique, transparent au rayonnement solaire, ayant la forme d'un demi- cylindre et dont la base est plate et d'une épaisseur supérieure à celle de la paroi courbe (1), afin de créer une couche isolante. Sur sa face interne plane est plaqué l'absorbeur (2) ; - D'un film métallisé déposé face métal sur la face externe de la base plate du tube. Une bride (8) en forme de demi collier permet de maintenir mécaniquement le capteur sur la surface portante. On a représenté dans la figure 7 annexée, une vue en perspective d'un capteur cylindrique maintenu sur une tôle ondulée (7) au moyen de colliers (9) accrochés sur les fixations existantes de la tôle ondulée sur la structure portante. Le capteur a une configuration obtenue par coextrusion; - De l'absorbeur (2) formant une large bande dans laquelle une forme tubulaire évidée (6) est réservée pour le passage du fluide caloporteur; D'un tube externe (1) cylindrique dont le matériau est un thermoplastique, tel que du PC, du PVC, du PE ou tout autre plastique, transparent au rayonnement solaire; - D'une couche d'isolant (3), placé entre l'absorbeur (2) et la paroi du tube externe (1). On a représenté dans la figure (8) annexée, une vue en perspective de deux capteurs installés en parallèle sur une tôle de bardage (10) et maintenus par des cavaliers adaptés (11). La configuration de chaque capteur est obtenue par co-extrusion: - De l'absorbeur (2) formant une large bande dans laquelle une gorge a été réservée afin d'y insérer le tuyau (6) dans lequel circule le fluide caloporteur. - D'un tube externe (1) dont le matériau est un thermoplastique tel que du PC, du PVC, du PE ou tout autre plastique, transparent au rayonnement solaire, ayant la forme d'un demi-cylindre et dont la base est plate. Sur la face interne de la base plate est plaqué l'absorbeur (2); - D'une couche de matériau isolant (3), placée sur la face externe plane du tube (1). La bride (11) de maintien des deux capteurs est dérivée des cavaliers de fixation des tôles de bardage. A chaque extrémité du cavalier est ajoutée une bride de la forme d'un demi collier qui maintient les capteurs plaqués. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui 30 viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. Par rapport à l'état de la technique, la présente invention offre en particulier les avantages suivants: - Elle utilise l'extrusion comme procédé continu de fabrication qui permet d'obtenir de très grandes surfaces de capteurs produites à des coûts de fabrication très faibles; Elle permet que la fabrication des capteurs solaires thermiques ne soit plus réalisée manuellement mais par des machines automatiques permettant une reproductibilité des performances maximum; - Elle permet d'utiliser de nouveaux matériaux tel que les thermoplastiques qui permettent d'obtenir des capteurs légers, souples ou rigides, résistants aux conditions climatiques, de géométrie totalement adaptée au support; - Elle permet de dissocier chaque fonction du capteur et d'adapter les matériaux à chacune des fonctions; - Elle permet que les capteurs soient placés directement sur les structures existantes, soit par simple collage, soit en utilisant les points de fixation existants, ce qui permet de simplifier l'installation des capteurs et ne demande pas de modification de la structure portante. 15 20 25 30 9 Revendications: 1) Le capteur solaire thermique est caractérisé en ce qu'il est composé d'un ensemble coextrudé comprenant: - Au moins un tube thermoplastique (1) transparent au rayonnement solaire; - L'absorbeur (2) qui est une couche noire de thermoplastique ou de caoutchouc, bonne conductrice thermique formant un ou plusieurs tubes, ou qui est en contact intime avec un tuyau (6) dans lequel passe le fluide caloporteur. II est à l'intérieur du ou des tubes (1) et une partie de sa section est solidaire de la partie inférieure de la paroi interne; - Et éventuellement, une couche de matériau isolant (3) placé directement ou indirectement sous l'absorbeur (2). Sur la paroi externe de la surface solidarisée de l'ensemble co-extrudé, d'autres couches de matériaux pourront être plaquées telles que: - Une feuille de métal ou un film métallisé (5); - Une couche d'adhésif (4) en externe de la surface solidarisée. 2) Un capteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué de plusieurs tubes thermoplastiques (1) transparents au rayonnement solaire, de différentes dimensions, insérés les uns dans les autres afin de former plusieurs capots au-dessus de l'absorbeur et ainsi réaliser un système isolant; 3) Un capteur conforme à la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que l'absorbeur (2) est un tube dont la longueur de la section solidaire de la paroi interne du tube central (1) est inférieure à la moitié de sa périphérie, et que la surface solidarisée de l'ensemble extrudé est plate; 4) Un capteur conforme à la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que l'absorbeur (2) est un tube dont la longueur de la section solidaire de la paroi interne du tube (1) est supérieure à la moitié de sa périphérie, et que la surface solidarisée de l'ensemble extrudé est courbe; 5) Un capteur conforme à la revendication 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de matériau isolant (3) est extrudée sur la surface externe du tube (1) en regard de la surface de contact avec l'absorbeur (2) ; 6) Un capteur conforme à la revendication 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de matériau isolant (3) est extrudée entre l'absorbeur (2) et la paroi interne du tube (1) ; 7) Un capteur conforme aux revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une feuille de métal ou un film métallisé (5) est plaqué sur la surface externe de l'ensemble extrudé, en regard de la surface de contact avec l'absorbeur (2) ; 8) Un capteur conforme aux revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une couche 5 d'adhésif (4) est déposée en externe de l'ensemble réalisé, en regard de la surface de contact avec l'absorbeur (2); 9) Un capteur conforme aux revendications 1, 2, 5 à 8, caractérisé en ce que l'absorbeur (2) forme une bande large au sein de laquelle est réservée une forme tubulaire évidée; 10) Un capteur conforme à la revendication 1, 2, 5 à 8, caractérisé en ce que l'absorbeur (2) forme une bande large au sein de laquelle un tuyau (6) noir en métal ou en plastique bon conducteur thermique est totalement inclus. 11) Un capteur conforme à la revendication 1, 2, 5 à 8, caractérisé en ce que l'absorbeur (2) forme une bande large dans laquelle une gorge a été réservée afin d'y insérer le tuyau (6) noir en métal ou en plastique bon conducteur thermique; 12) Un capteur conforme à la revendication 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est maintenu sur 20 les surfaces portantes par des brides adaptées (8), (9), (11) utilisant les moyens existants de fixation des éléments de toiture.