Brevet FR2919712A1 — publié le 20090206

La présente invention concerne un capteur thermique de rayonnement solaire. De nombreux procédés de captation de l'énergie solaire sont développés, la majorité utilisant des absorbeurs plans le plus souvent métalliques, de couleur sombre, avec une face arrière isolée et souvent protégés par une plaque transparente en verre ou en thermoplastique pour diminuer les pertes thermiques et utiliser l'effet de serre de ces matériaux. La circulation d'eau est organisée au contact de ces absobeurs pour transférer les calories. Certains utilisent un absorbeur tubulaire sous vide, ce qui évité les pertes thermiques par conduction et convection, la surface nécessaire au projet recherché étant obtenue par juxtaposition de ces tubes, comme dans le brevet WO/1999/045329. Ces modes de captation de l'énergie solaire sont souvent complexes, onéreux. 1 0 La présente invention concerne un nouveau capteur solaire simple à réaliser, très efficace sur le plan thermique et facile à entretenir, en supprimant une grande partie des inconvénients des autres dispositifs. En effet, un liquide coloré est contenu dans un récipient transparent en forme de cylindre ; une canalisation d'eau potable chauffée par le capteur baigne simplement dans cette eau colorée, puis est dirigée jusqu'aux points d'utilisation. Plus simple, cette eau colorée est dirigée vers des radiateurs ou un échangeur d'un ballon 1 5 d'eau chaude ou d'une piscine. Pour mieux faire comprendre l'invention, celle ci sera décrite suivant différentes figures qui ne limitent nullement l'invention à ces exemples, celle ci n'étant limitée que par sa description. La figure 1 représente un capteur solaire selon l'invention, vu en élévation, comprenant un réflecteur. La figure 2 est une coupe AA de la figure 1 ; 20 La figure 3 est une variante de la figure 2 dans lequel le réflecteur est rernplacé par un isolant à l'arrière. La figure 1 représente un capteur solaire vu de face ; celui ci comprend un plan de symétrie P passant par l'axe du cylindre, ce plan permet de préciser l'implantation du capteur ; la trace du plan de symétrie P sur un plan horizontal sera si possible une droite orientée est-ouest et dont l'azimut mesuré en degrés sera égal à : 90 moins la latitude du lieu d'implantation du capteur, ce qui est un bon compromis entre l'azimut 2 5 maximum atteint par le soleil au 21 juin et un azimut minimum qui devrait être zéro degré, mais qui en pratique est plutôt pris à une vingtaine de degrés en considérant l'affaiblissement très fort des apports thermiques du rayonnement par l'atmosphère terrestre lorsque le soleil est bas sur l'horizon. Naturellement pour une production d'eau chaude seulement estivale, cet angle sera augmenté d'une dizaine de degrés et abaissé d'autant pour une production uniquement hivernale. 30 Le capteur (100) est composé d'un cylindre (1) à section elliptique ou circulaire, l'ellipse étant d'autant plus aplatie que l'azimut du lieu d'implantation est faible, de manière à mieux capter alors le rayonnement direct. Cette section sera également plus elliptique si le capteur est placé horizontalement, vu la faible variation d'azimut du soleil dans ce cas. Ce cylindre est transparent ; il peut être en verre, mais de préférence en poly carbonate ou en PPMA (poly méthacrylate de méthyle) pour ses propriétés de résistance et de transparence, tout en permettant l'effet de serre. Ce poly carbonate recevra de préférence une charge destinée à améliorer sa résistance aux ultraviolets. Le cylindre en section d'ellipse pourra avoir par exemple 400 mm pour son grand axe et 200 mm pour son petit axe, voire 500 et 100 mm pour des implantations horizontales du capteur sous faible latitude, avec une épaisseur de matériau de 5 mm. Le diamètre du cylindre de section circulaire peut être par exemple de 300 mm extérieur. Ce cylindre (1) contient un liquide (2), comme de l'eau éventuellement additionnée d'un 1 0 glycol pour éviter le gel. Ce liquide est transformé en absorbeur thermique par addition d'un colorant comme l'encre de chine, la terre de sienne sous forme de poudre extraite d'un sol ou tout colorant approprié ; en effet, la pénétration des rayons solaires à travers la paroi transparente du cylindre leur permet de continuer leur parcours dans l'eau colorée (2) jusqu'à ce qu'ils rencontrent une particule de matière colorée, sur laquelle ils transfèrent leur énergie calorifique qui est alors piégée au sein du liquide. Le dosage du colorant 1 5 peut se régler simplement en plaçant une feuille blanche juxtaposée au--dessus d'une feuille noire derrière le tube ; ce dosage est suffisant lorsque la feuille blanche n'est plus distinguable de la feuille noire sur toute la largeur du cylindre. II n'est pas intéressant de colorer plus ce liquide, de manière à ce que les rayons solaires pénètrent profondément dans celui ci, ce qui améliore l'homogénéité des températures. La coloration choisie doit être assez sombre, mais pas forcément noire ; elle peut être rnarron ou vert. La petite perte de 20 rendement est compensée par un aspect esthétique plus satisfaisant. Un tube (3), de préférence en cuivre, pénètre à travers le couvercle (4) du cylindre (1), ce tube ressortant en partie (5) après son parcour:s à l'intérieur du cylindre pour se diriger vers la consommation d'eau chauffée ou bien ces tubes (3), (5) entrent et ressortent du couvercle (4) après avoir été en communication avec l'eau (2), afin d'établir une circulation d'eau (2) colorée et chauffée avec un ballon de stockage grâce à des vannes 2 5 trois voies (6) et (7) qui permettent, soit de faire circuler l'eau colorée à l'intérieur du cylindre (1) pour homogénéiser sa température, soit de la diriger vers l'échangeur contenu dans le ballon, soit vers des radiateurs de chauffage d'habitation, ou de piscine, grâce à ces tubes (4), (5). . On note que le couvercle (4) n'est soumis qu'à un très faible pression (0.03 bar dans l'exemple choisi si le cylindre est placé horizontalement), voire à aucune pression du liquide si le cylindre est placé verticalement 30 ou incliné ; Cette position est préférable, car elle évite tout problème de dilatation, de gel, de pression...le couvercle (4) n'a plus que le rôle de diminuer l'évaporation du liquide. Le couvercle de fond (obis) du cylindre (1) est soudé ou collé au cylindre, de manière à rendre l'assemblage étanche. On note la très grande simplicité du capteur s'il est placé vertical ou incliné sur la verticale du nombre de degrés correspondant sensiblement à : 90 moins le nombre de degrés de la latitude du lieu d'implantation-, soit par exemple 45 pour la France : en effet, le cylindre (1) est un récipient rempli d'eau colorée, dans lequel on place un tube de cuivre qui entre et qui ressort par l'orifice supérieur, tube dans lequel circule l'eau du réseau d'eau potable. Des brides métalliques (8) et (9) maintiennent solidement le cylindre en bonne position par rapport à un réflecteur (10). Le rôle de ce réflecteur est de réfléchir le rayonnement solaire sur le cylindre (1). La paroi (11) du réflecteur (10) est rendue réfléchissante par tout matériau ayant cette propriété, comme l'aluminium brillant, des miroirs de verre ou de thermoplastique enduit d'une couche réfléchissante... l'arrière (110) du réflecteur pourra être en partie de cercle en section droite, pour favoriser le réglage en azimut du capteur. La figure 2, coupe AA de la figure 1, illustre la forme particulière que prend le réflecteur (10) : celui ci est de 1 0 préférence en section droite une développante d'ellipse qui permet à tous les rayons solaires s'étendant entre les deux ailes (12) et (12bis) d'être réfléchis par le revêtement (11) vers le cylindre (1), quelle que soit l'inclinaison de ces rayons. Cette courbe, dont les normales sont tangentes au cylindre, s'obtient par le tracé que fait une pointe de crayon attachée au fil d'une bobine tenue d'une main, lorsque l'autre main déroule le fil muni de son crayon. Lorsque le cylindre est de section circulaire, le tracé de la forme du réflecteur 1 5 s'obtient de la même manière. La matière composant ce réflecteur (10) est de peu d'importance, il suffit qu'elle ait la résistance mécanique correspondant aux équipements qu'elle supporte : ce peut être du bois, du béton, du béton de bois, du thermoplastique, une plaque d'acier... le revêtement réfléchissant (11) est placé ou fixé directement sur ce matériau. Un revêtement très simple et économique peut être constitué de petits miroirs du commerce, carrés ou rectangulaires, collés sur le réflecteur (10). Ces miroirs plans 20 n'épouseront pas exactement la forme de la développante, mais la très grande réflectivité de ces miroirs compense sans peine les petites pertes de rayonnement dues à cette approximation de la forme de la courbe. Les ailes (12) et (12bis) peuvent s'étendre par exemple jusqu'à ce que les deux normales aux courbes des ailes soit confondues ; à ce rnoment, le point (13) du cylindre opposé au point (14) d'origine des courbes est sur la même droite que l'extrémité des ailes. Cette étendue importante des ailes est justifiée si le capteur est 2 5 vertical ou incliné, mais elle peut être moindre pour un capteur placé horizontalement, car la variation du soleil efficace en azimut en (Europe n'est que de 50 environ, alors qu'une variation dans un plan horizontal peut être de 250 en été ; ceci est compensé par le fait que l'angle sous lequel est vu le cylindre (1) à partir du soleil est sensiblement constant dans ce dernier cas, alors qu'il varie fortement pour le capteur horizontal. On remarque le tube de cuivre (3), (5) qui se déploie en zigzag à l'intérieur du tube (1) par les déploiements 30 (3bis) et (5bis) et qui peuvent recevoir des ailettes, respectivement (31) et (51), afin de faciliter les transferts thermiques du fluide caloporteur (2) vers ces tubes. Mais Il est plus simple de placer un tube de cuivre de diamètre surdimensionné, afin d'accroître la surface de contact avec le liquide chaud. On constate dans la figure 3 que le réflecteur peut être supprirné pour des capteurs (120) dont l'axe du cylindre est placé horizontalement sous des faibles ou moyennes latitudes. Le cylindre (1 5), dans ce cas, est une ellipse très aplatie; le réflecteur est alors favorablement rempllacé par une matière isolante (16) sur le plan thermique, car les apports solaires d'un réflecteur seraient marginaux par rapport au bénéfice apporté par l'isolant (16). Ce cylindre aplati s'obtient par extrusion d'un poly carbonate par exemple, ce matériau étant par ailleurs un bon isolant thermique. Cette forme elliptique offre une excellente résistance mécanique qui assure son auto stabilité. L'isolant peut être par exemple un polystyrène extrudé dont la souplesse lui permet de se coller au mieux à l'arrière du cylindre. La longueur clu cylindre est fonction des apports thermiques attendus, elle pourra être de 2 à 4 mètres. Dans cette dernière longueur et pour un tube 1 0 cylindrique à section circulaire de 300 mm de diamètre, le volume d'eau chauffée est de 250 litres environ. Naturellement, plusieurs modules solaires peuvent être placés en série ou en parallèle selon les besoins. En variante, l'eau colorée (2) contenue dans le cylindre (1) peut circuler directement vers des radiateurs de chauffage d'une habitation par exemple ou dans un tuyau plongé dans l'eau d'une piscine, voire dans un ballon d'eau chaude dans lequel elle pourrait transmettre sa chaleur par le biais d'un échangeur noyé dans 1 5 l'eau du ballon à chauffer pour les besoins de la construction. Dans ce cas, les tubes (4) et (5) servent seulement à faire circuler cette eau colorée, en étant en communication avec elle dans l'intérieur du cylindre (1). Cette configuration présente évidemment une efficacité thermique supérieure, puisque l'eau du cylindre sera toujours à plus basse température que dans le dispositif décrit en figure 1. En résumé, l'invention concerne : -un capteur solaire thermique (100), caractérisé en ce que un cylindre (1) 20 transparent de section droite elliptique, en verre ou en thermoplastique, obturé à ses extrémités par les couvercles (4) et (4bis) contient un liquide coloré (2) ainsi qu'un tube de cuivre (3), (3bis), (5), (5bis) permettant la circulation de l'eau à chauffer, placé en zigzag et plongé dans ce liquide. -Un capteur solaire thermique (100), caractérisé en ce que le cylindre (il) est placé devant un réflecteur (10) dont la section droite est en forme de développante d'ellipse et qui est recouvert en tout ou partie d'un 2 5 revêtement réfléchissant (11). - un capteur solaire thermique (100), caractérisé en ce que la paroi du réflecteur (10) est réalisée dans un matériau dont la partie arrière (110) est arrondie en partie de cercle de manière à pouvoir s'adapter facilement à l'azimut désiré si le capteur est placé horizontalement. - un capteur solaire (120), caractérisé en ce que la partie arrière du cylindre de section elliptique (15) est 30 isolée grâce à un matériau isolant (16). - un Capteur solaire thermique (100), caractérisé en ce que le tube de cuivre (3), (5) conduit l'eau chauffée colorée vers un échangeur de ballon d'eau chaude ou vers des radiateurs de chauffage d'habitation ou de piscine. -un capteur solaire dont le grand axe et le petit axe de l'ellipse qui est la section droite du cylindre (1) sont 5 égaux. Cette invention est particulièrement destinée au réchauffage de l'eau chaude domestique ou celle des piscines. 10 15 20 25 REVENDICATIONS 1) Capteur solaire thermique 100, caractérisé en ce que un cylindre 1 transparent de section droite elliptique, en verre ou en thermoplastique, obturé à ses extrémités par les couvercles 4 et 4bis contient un liquide coloré 2 ainsi qu'un tube de cuivre 3, 3bis, 5, 5bis permettant la circulation de l'eau à chauffer. 2) Capteur solaire thermique 100 conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre 1 est placé devant un réflecteur 10 dont la section droite est en forme de développante d'ellipse et qui est recouvert en tout ou partie d'un revêtement réfléchissant 11. 3) Capteur solaire thermique 100 conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi réfléchissante 10 est réalisée dans un matériau dont la partie arrière 110 est arrondie en partie de cercle de manière à pouvoir s'adapter facilement à l'azimut désiré si le capteur est placé horizontalement. - 4) Capteur solaire thermique 120 conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la partie arrière du cylindre de section elliptique (1 5) est isolée grâce à un matériau isolant (16). 5) Capteur solaire thermique 100 conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le tube de cuivre 3, 5 1 5 conduit l'eau chauffée colorée vers un échangeur de ballon d'eau chaude ou vers des radiateurs de chauffage. 6) Capteur solaire thermique 100 conforme à l'une quelconque des trois premières revendications, caractérisé en ce que le grand axe et le petit axe de l'ellipse qui est la section droite du cylindre (1) sont égaux. 20 25