Brevet FR2881817A1 — publié le 20060811

CAPTEUR SOLAIRE SOUS VIDE Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur solaire sous vide. Exposé de l'art antérieur Un capteur solaire sous vide est généralement composé d'un tube transparent en verre dans lequel on dispose un absorbeur adapté à capter le rayonnement solaire et un moyen de transfert thermique permettant le transfert de l'énergie thermique captée hors du tube. Le tube est mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l'absorbeur. A surface d'absorbeur égale, le rendement d'un capteur solaire sous vide est généralement supérieur au rendement d'un capteur solaire plan, en particulier à des températures élevées, notamment supérieures à 60 C. La figure 1 représente un exemple de réalisation classique d'un capteur solaire sous vide. Le- capteur 10 comprend un tube 12 cylindrique creux, d'axe D, constitué d'un matériau transparent, par exemple du verre. Une extrémité 14 du tube 12 est fermée et l'extrémité opposée 16 comprend une ouverture 18 pour le passage d'un moyen de transfert thermique 20. Le moyen de transfert thermique 20 est relié au tube 12, au niveau de l'ouverture 18, par une brasure 22 pour assurer l'étanchéité du tube 12. Un vide à une pression inférieure à 10 Pa (10-1 mbar) est réalisé dans le tube 12. Une ailette 23 est fixée au moyen de transfert thermique 20 pour améliorer l'absorption du rayonnement solaire. Le moyen de transfert thermique 20 peut être un moyen de transfert thermique diphasique qui se présente sous la forme d'une enceinte métallique hermétique dont une extrémité pénètre dans le tube 12 et dont l'extrémité opposée est reliée à un collecteur, non représenté. L'enceinte contient un fluide présent sous une phase liquide en équilibre avec une phase vapeur. Le transfert de chaleur s'effectue par évaporation et condensation du fluide. En effet, dans la partie du moyen de transfert thermique 20 disposée dans le tube 12 et absorbant le rayonnement solaire, le liquide s'évapore et la vapeur ainsi formée se condense dans la partie du moyen de transfert thermique 20 cédant de la chaleur à l'extérieur, partie appelée condenseur. La vapeur se répand de l'évaporateur vers le condenseur grâce à la surpression existant dans la zone de production de la vapeur. Pour que le condensat effectue le trajet inverse, il est nécessaire d'en provoquer l'écoulement. La solution fréquemment choisie consiste à utiliser l'effet de capillarité dû à un milieu porteur dont on tapisse la paroi interne du moyen de transfert thermique 20. Le moyen de transfert thermique est alors généralement appelé caloduc. Pour assurer le retour du condensat, on utilise parfois une autre solution, particulièrement économique, qui consiste à disposer le moyen de transfert thermique 20 dans une position inclinée, avec le condenseur situé à une altitude plus élevée que l'altitude de l'évaporateur. C'est alors la gravité qui entraîne le condensat par ruissellement capillaire sur la paroi interne du moyen de transfert thermique 20. Un tel moyen de transfert thermique est généralement appelé thermosiphon. Pour obtenir un capteur solaire à performances élevées, le vide présent dans le tube 12 doit être maintenu à des pressions inférieures à 10 Pa (10-1 mbar). Le tube 12 devient inutilisable s'il n'est pas parfaitement hermétique. Il faut alors le changer pour préserver les performances du capteur. Un inconvénient d'un tel capteur solaire 10 est dû à la liaison verremétal entre le tube 12 et le moyen de transfert thermique 20. En effet, des températures généralement élevées peuvent être atteintes au niveau d'une telle liaison, par exemple de l'ordre de 300 C en l'absence de récupération de la chaleur fournie par le moyen de transfert thermique 20. Les coefficients de dilatation du tube 12 et du moyen de transfert thermique 20 étant différents, les déformations du tube 12 et du moyen de transfert thermique 20 sont d'amplitudes différentes, ce qui tend à détériorer la liaison tube - moyen de transfert thermique et/ou le tube 12, d'où il résulte une perte d'étanchéité du tube 12. Un autre inconvénient d'un tel capteur solaire 10 est que le moyen de transfert thermique 20 est au contact du vide. Etant donné les températures auxquelles le moyen de transfert thermique 20 peut être porté, la paroi métallique du moyen de transfert thermique 20 risque de dégazer, dégradant ainsi le vide réalisé dans le tube 12, et donc les performances du capteur 10. Résumé de l'invention La présente invention vise un capteur solaire sous vide qui ne comporte pas de liaison du type verre-métal. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un capteur solaire dans lequel le moyen de transfert thermique n'est pas au contact du vide. Un autre objet de la présente invention est de prévoir 30 un capteur solaire dont le montage et l'entretien sont particulièrement simples. Dans ce but, la présente invention prévoit un capteur solaire comprenant une enceinte allongée à double paroi avec vide intermédiaire constituée d'un matériau transparent; un moyen de transfert thermique contenant un fluide caloporteur sous une phase liquide et une phase vapeur, et comprenant une première partie disposée dans l'enceinte et une seconde partie s'étendant hors de l'enceinte; un volume intermédiaire séparant l'enceinte de la première partie du moyen de transfert thermique et contenant un fluide d'interface; et un moyen de fermeture du volume intermédiaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de fermeture est adapté à fermer hermétiquement le volume intermédiaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de fermeture comprend un joint d'étanchéité placé entre l'enceinte et le moyen de transfert thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de fermeture comprend un manchon fixé au moyen de transfert thermique et disposé en vis-à-vis d'une paroi (40) de l'enceinte et un joint d'étanchéité disposé entre le manchon et ladite paroi. Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide d'interface est un liquide. Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide d'interface est une huile organique ou minérale. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de transfert thermique est un caloduc ou un thermosiphon. Selon un mode de réalisation de l'invention, le capteur comprend une couche, recouvrant la surface extérieure de la paroi intérieure de l'enceinte, adaptée à laisser passer la lumière visible et à ne pas ou peu émettre dans le domaine infrarouge. Selon un mode de réalisation de l'invention, le capteur comprend une couche, recouvrant au moins la première partie du moyen de transfert thermique, adaptée à absorber la lumière visible. Selon un mode de réalisation de l'invention, le capteur comprend une couche autonettoyante recouvrant la surface 35 extérieure de la paroi extérieure de l'enceinte. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'exemples de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente un exemple de réalisation classique d'un capteur solaire sous vide; la figure 2 représente un premier exemple de réalisation de capteur solaire sous vide selon l'invention; et la figure 2 représente un second exemple de réalisation de capteur solaire sous vide selon l'invention. Description détaillée La figure 2 représente un premier exemple de réalisation d'un capteur solaire sous vide 30 selon l'invention. Le capteur solaire 30 comprend une enceinte 32 creuse, constituée d'un matériau transparent par exemple du verre du type borosilicate. L'enceinte 32 comprend un tube externe 34 et un tube interne 36 disposés de façon sensiblement concentriques selon un axe E. Le tube externe 34 est fermé à une extrémité par une paroi 38 et relié au tube interne 36 par une portion annulaire 40 à l'extrémité opposée. Le tube interne 36 est fermé, du même côté que l'extrémité fermée du tube externe 34, par une paroi 42 et ouvert à l'extrémité reliée au tube externe 34. A titre d'exemple, la longueur, selon l'axe E, du tube externe 34 est de l'ordre de 1 à 2 mètres et le diamètre extérieur du tube externe 34 est de l'ordre de plusieurs centimètres. Toutefois, il est clair que les dimensions du capteur solaire 30 dépendent de l'application envisagée. L'enceinte 32 délimite un volume interne 44 dans lequel est réalisé le vide. Le niveau de vide est adapté à la performance thermique souhaitée. A titre d'exemple, la pression dans l'enceinte est comprise entre 10 et 10-5 Pa (entre 10-1 et 10-7 mbar). 15 Pour déterminer une éventuelle perte d'étanchéité de l'enceinte 32, on peut utiliser un témoin de la qualité du vide présent dans l'enceinte 32 constitué, par exemple, d'une couche de baryum, non représentée, déposée dans le tube externe 34 au niveau de la paroi 38. Une telle couche a une couleur argentée en présence du vide qui blanchit au contact de l'air, indiquant alors une dégradation de l'étanchéité de l'enceinte 32. Le capteur solaire 30 selon l'invention comprend un moyen de transfert thermique diphasique 50, par exemple un caloduc ou un thermosiphon, constitué d'un tube fermé aux deux extrémités et comprenant un fluide sous phase liquide et sous phase vapeur. A titre d'exemple, le tube du moyen de transfert thermique 50 est en cuivre et le fluide contenu dans le moyen de transfert thermique 50 est de l'eau. Un vide partiel est créé dans le moyen de transfert thermique 50 de façon à abaisser la température d'ébullition du fluide qu'il contient. Le diamètre extérieur du moyen de transfert thermique 50 est inférieur au diamètre intérieur du tube interne 36.. Le moyen de transfert thermique 50 est disposé de sorte qu'une partie du moyen de transfert thermique 50 se trouve dans le tube interne 36 et l'autre partie du moyen de transfert thermique 50 s'étend à l'extérieur du tube interne 36. L'extrémité du moyen de transfert thermique 50 à l'extérieur du tube interne 36 est reliée à un collecteur, non représenté, parallèlement à d'autres capteurs solaires selon l'invention. La surface extérieure du moyen de transfert thermique 50, au moins pour la partie du moyen de transfert thermique 50 située dans le tube interne 36, peut être recouverte d'une couche qui facilite l'absorption du rayonnement solaire, par exemple une couche d'oxyde métallique noire. Un interstice 52 est prévu entre le tube interne 36 et le moyen de transfert thermique 50, la différence entre le diamètre intérieur du tube interne 36 et le diamètre extérieur du moyen de transfert thermique 50 étant, par exemple, de l'ordre de 0,1 à 2 uuu. L'interstice 52 est rempli d'un fluide permettant de réaliser un transfert thermique entre le tube interne 36 et le moyen de transfert thermique 50. De préférence, le fluide est un liquide de nature minérale ou organique. Il peut s'agir d'une huile ou d'un composé à haut point d'ébullition. A titre d'exemple, il s'agit de l'huile minérale Oleotherm 333 commercialisée par la société Agip. Le liquide a avantageusement un indice de réfraction proche de l'indice de réfraction du matériau constituant le tube interne 36 pour limiter les pertes de rayonnements par réflexion à l'interface tube interne 36 liquide. En outre, le liquide assure une bonne transmission de la lumière. L'utilisation d'un liquide est avantageuse puisqu'on limite les échanges thermiques, entre le tube externe 36 et la partie du moyen de transfert thermique 50 contenue dans le tube interne 36, à des échanges par conduction qui sont moins pénalisant que ne le seraient des échanges par convection. Il peut être nécessaire, dans le cas où le fluide est un liquide, de prévoir une petite quantité d'air ou de gaz dans l'interstice 52 pour tenir compte de la dilatation du liquide lors du fonctionnement du capteur solaire 30 selon l'invention. Selon les performances souhaitées du capteur solaire 30, le fluide présent dans l'interstice 52 peut être un gaz ou de l'air. Dans ce cas, le fluide est par exemple à la pression atmosphérique. Un joint d'étanchéité 54 est disposé dans l'interstice 52, au niveau de l'extrémité ouverte du tube interne 36 et assure une fermeture hermétique de l'interstice 52. Le joint d'étanchéité 54 permet d'éviter les pertes de fluide lors du transport et de la manutention du capteur solaire 30. Il permet en outre d'éviter l'oxydation du fluide présent dans l'interstice 52 par l'oxygène de l'air ambiant et évite l'introduction dans l'interstice 52 de corps étrangers. Dans le cas où le fluide présent dans l'interstice 52 est de l'air, le joint d'étanchéité 54 permet essentiellement de limiter les pertes thermiques qui se produiraient par convection si l'air présent dans l'interstice 52 était au contact de l'air ambiant au niveau de l'extrémité ouverte du tube interne 36. Le joint d'étanchéité 54 peut être constitué de polypropylène ou d'un polymère d'hydrocarbure fluoré, tel que le Viton . La surface externe du tube externe 32 peut être revêtue d'une couche autonettoyante 56 qui facilite le maintien d'une surface vitrée propre et donc transparente, évitant ainsi une dégradation des performances du capteur solaire 30. A titre d'exemple, la couche auto-nettoyante 56 est à base d'oxyde métallique tel que l'oxyde de titane (TiO2). La surface externe du tube interne 36 est revêtue d'une couche sélective 58 permettant de limiter les pertes thermiques par rayonnement infrarouge entre le tube interne 36 et le tube externe 34. Pour ce faire, la couche sélective 58 ne doit pas émettre dans le domaine infrarouge. De plus, la couche sélective 58 doit être transparente au rayonnement solaire incident, ceci afin de permettre l'absorption du rayonnement par le moyen de transfert thermique 50. A titre d'exemple, la couche sélective 58 peut être constituée d'un dépôt d'oxydes métalliques tels que l'oxyde d'étain et d'indium (ITO, acronyme anglais pour Indium Tin Oxide), l'oxyde d'étain (SnO2) ou l'oxyde de zinc (ZnO), etc. En fonctionnement, selon le type de moyen de transfert thermique 50 utilisé, l'axe E peut être plus ou moins incliné par rapport à l'horizontale. L'énergie solaire qui atteint le moyen de transfert thermique 50 entraîne l'évaporation du fluide contenu dans le moyen de transfert thermique 50. La vapeur formée se déplace vers l'extrémité du moyen de transfert thermique 50 située à l'extérieur du tube interne 36 et reliée au collecteur. L'énergie transportée peut servir à chauffer de l'eau circulant dans le collecteur, par exemple, dans le cadre d'un usage domestique ou collectif (chauffage d'une habitation, fourniture d'eau chaude sanitaire, etc.). L'énergie transportée peut également jouer le rôle de source chaude pour le fonctionnement d'un appareil de climatisation. En effet, compte tenu des faibles pertes thermiques du capteur solaire 30 selon l'invention, la température du moyen de transfert thermique 50 lorsque le collecteur ne récupère pas d'énergie, ou température de stagnation, peut atteindre environ 300 C. La figure 3 représente un second exemple de réalisation d'un capteur solaire sous vide 60 selon l'invention. Par souci de clarté, les éléments identiques des capteurs 30, 60 selon les premier et second exemples de réalisation sont désignés par les mêmes références. Dans le second exemple de réalisation, le moyen de transfert thermique 50 porte un manchon 62 cylindrique dont le diamètre est supérieur au diamètre intérieur du tube interne 36, et de préférence voisin du diamètre extérieur du tube externe 34. La liaison entre le manchon 62 et le moyen de transfert thermique 50 est étanche. Le manchon 62 comprend une face 64 opposée à la portion annulaire 40. Un joint d'étanchéité 66 est disposé au niveau de la périphérie de la face 64 de façon qu'un effort suffisant, exercé par des moyens non représentés, sur le manchon 62 selon l'axe E, permet de rendre l'interstice 52 étanche. Un avantage du second exemple de réalisation est que le joint d'étanchéité 66 n'est pas au contact du moyen de transfert thermique 50. Ceci peut être souhaitable dans la mesure où la température du moyen de transfert thermique 50 peut s'élever fortement. La présente invention comprend de nombreux avantages: Premièrement, l'enceinte 32 mise sous vide est entièrement constituée d'un même matériau. En particulier, aucune partie métallique n'est utilisée pour délimiter l'enceinte 32. Dans le cas où l'enceinte 32 est réalisée en verre, la fabrication de l'enceinte 32 ne met alors en oeuvre que des soudures du type verre-verre. Un tel procédé de soudage est bien maîtrisé, ce qui permet d'assurer une bonne tenue du vide dans le temps et donc d'assurer le maintien des performances du capteur solaire pendant toute sa durée de vie même lorsque le moyen de transfert thermique 50 atteint des températures élevées. Deuxièmement, le joint d'étanchéité 54, 66 sert uniquement à assurer l'étanchéité de l'interstice 52 et ne participe pas à l'étanchéité d'une enceinte sous vide. Les contraintes quant au choix du matériau constituant le joint d'étanchéité sont donc moins importantes que celles concernant le matériau constituant la liaison 22 tube-moyen de transfert thermique du capteur solaire 10 classique décrit en relation à la figure 1. Par ailleurs, l'étanchéité de l'interstice 52 n'est pas nécessairement parfaite et des fuites de faibles importances peuvent être acceptables. Troisièmement, le montage du capteur solaire 30, 60 selon la présente invention est particulièrement simple. En effet, il nécessite seulement la mise en place d'une extrémité du moyen de transfert thermique 50 dans le tube interne 36, le remplissage de l'interstice 52 par du fluide et la mise en place du joint d'étanchéité 54, 66. Quatrièmement, le remplacement de l'enceinte 32 dans le cas, par exemple, d'un problème d'étanchéité, peut être réalisé sans aucune détérioration du moyen de transfert thermique 50. Cinquièmement, la présente invention prévoit de réaliser une couche facilitant l'absorption de la lumière sur la surface extérieure du moyen de transfert thermique 50 et une couche 58 limitant les émissions dans l'infrarouge sur la surface extérieure du tube interne 36, c'est-à-dire au niveau de deux surfaces différentes. Dans le cas d'un capteur solaire tel que représenté en figure 1, pour obtenir un résultat analogue, il est nécessaire de prévoir une même couche sur le moyen de transfert thermique 50 assurant simultanément l'absorption de la lumière visible et limitant les émissions dans l'infrarouge. Dans la présente invention, ces deux fonctions sont réalisées par des couches différentes, ce qui simplifie le choix des matériaux possibles pour les réaliser. Dans la présente invention, la couche recouvrant la surface extérieure du tube intérieur 36 et limitant les émissions dans l'infrarouge doit en 2881817 11 outre laisser passer la lumière visible. Toutefois, le choix des matériaux qui conviennent pour réaliser une telle couche sont plus nombreux que ceux permettant l'obtention d'une couche assurant simultanément l'absorption de la lumière visible et limitant les émissions dans l'infrarouge. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'honune de l'art. En particulier, sur les différentes figures, les tubes interne et externe sont représentés disposés de façon concentrique. Toutefois, l'axe du tube interne pourrait être excentré et/ou incliné par rapport à l'axe du tube externe. En outre, le moyen de transfert thermique et le tube interne sont représentés disposés de façon concentrique. Toutefois, l'axe du moyen de transfert thermique pourrait être excentré et/ou incliné par rapport à l'axe du tube interne. En outre, une partie du moyen de transfert thermique peut être au contact du tube interne. REVENDICATIONS 1. Capteur solaire (30; 60) comprenant: une enceinte (32) allongée à double paroi (34, 36) avec vide intermédiaire constituée d'un matériau transparent; un moyen de transfert thermique (50) contenant un fluide caloporteur sous une phase liquide et une phase vapeur, et comprenant une première partie disposée dans l'enceinte et une seconde partie s'étendant hors de l'enceinte; un volume intermédiaire (52) séparant l'enceinte de la première partie du moyen de transfert thermique et contenant un 10 fluide d'interface; et un moyen de fermeture (54; 62, 66) du volume intermédiaire. 2. Capteur solaire selon la revendication 1, dans lequel le moyen de fermeture (54; 62, 66) est adapté à fermer 15 hermétiquement le volume intermédiaire. 3. Capteur solaire selon la revendication 1, dans lequel le moyen de fermeture (54) comprend un joint d'étanchéité placé entre l'enceinte (32) et le moyen de transfert thermique (50). 4. Capteur solaire selon la revendication 1, dans lequel le moyen de fermeture (62, 66) comprend un manchon (62) fixé au moyen de transfert thermique (50) et disposé en vis-à-vis d'une paroi (40) de l'enceinte (32) et un joint d'étanchéité (66) disposé entre le manchon et ladite paroi. 5. Capteur solaire selon la revendication 1, dans lequel le fluide d'interface est un liquide. 6. Capteur solaire selon la revendication 1, dans lequel le fluide d'interface est une huile organique ou minérale. 7. Capteur solaire selon la revendication 1, dans lequel le moyen de transfert thermique (50) est un caloduc ou un thermosiphon. 8. Capteur solaire selon la revendication 1, comprenant une couche (58), recouvrant la surface extérieure de 25 30 la paroi intérieure (36) de l'enceinte (32), adaptée à laisser passer la lumière visible et à ne pas ou peu émettre dans le domaine infrarouge. 9. Capteur solaire selon la revendication 1, comprenant une couche, recouvrant au moins la première partie du moyen de transfert thermique (50), adaptée à absorber la lumière visible. 10. Capteur solaire selon la revendication 1, comprenant une couche (56) autonettoyante recouvrant la surface 10 extérieure de la paroi extérieure (34) de l'enceinte (32).