Brevet FR2946732A1 — publié le 20101217

Le secteur technique de la présente invention est celui des panneaux solaires plans comprenant un serpentin disposé en arrière d'un absorbeur Les panneaux solaires sont bien connus et ils sont constitués classiquement d'une vitre, d'un champ solaire, d'une isolation et d'un cadre, le champ solaire est lui composé d'un absorbeur sélectif sur lequel est fixé un collecteur et d'une couche arrière d'un matériau isolant, par exemple du type laine de roche. La chaleur récupérée dans cet Io absorbeur est transmise à un collecteur dans lequel un fluide caloporteur approprié circule. Ce panneau solaire est simple dans sa conception mais présente de nombreux inconvénients. Le premier inconvénient de ce genre de panneau réside 15 tout d'abord dans l'emploi de l'isolant qui vieillit au cours du temps et qu'il faut remplacer. Ceci représente une contrainte et un coût. Un autre inconvénient réside dans le fait que le degré d'isolation diminue quand la température s'élève et se maintient dans le panneau à plus de 100°C. En 20 conséquence, son efficacité diminue et son vieillissement est accéléré. Le but de la présente invention est de fournir un panneau solaire thermique ne présentant pas les inconvénients cités ci-dessus, qui soit exempt d'isolant thermique autre que de 25 l'air et qui présente un meilleur rendement. L'invention a donc pour objet un panneau solaire thermique, dénommé en version gréco-anglaise � Helios thermal panel �, du type comportant un caisson renfermant d'avant en arrière une vitre, un serpentin primaire fixé sur son support 30 dans lequel un fluide circule et un fond, caractérisé en ce qu'il comprend un serpentin secondaire disposé en arrière du serpentin primaire et destiné à capter les pertes arrières thermiques et à réduire les pertes avant. Selon une caractéristique de l'invention, le serpentin 35 secondaire est solidaire d'une plaque. Selon une autre caractéristique de l'invention, la plaque est une tôle galvanisée absorbeur des pertes arrière et réflecteur des infrarouges émis par l'absorbeur primaire d'énergie solaire. Cet absorbeur secondaire, en tôle galvanisée, est peu coûteux. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les serpentins primaire et secondaire sont connectés à des 5 circuits de fluide reliés entre eux ou découplés. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les serpentins primaire et secondaire, disposés en vis à vis, sont directement reliés entre eux ou indépendants en sortie. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, 10 les circuits de fluide de chaque serpentin sont communs ou distincts, le circuit de fluide du serpentin primaire est préchauffé ou non par le circuit de fluide du serpentin secondaire. Avantageusement, lorsque les circuits de fluide de chaque 15 serpentin sont communs, le circuit de fluide du serpentin primaire est préchauffé par le circuit de fluide du serpentin secondaire. Avantageusement, lorsque les circuits du fluide de chaque serpentin sont distincts et dans ce cas le rendement du 20 dispositif est optimisé. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le circuit du serpentin secondaire peut être relié soit au serpentin primaire soit à un ballon de stockage. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, 25 une lame d'air est prévue entre le fond et le serpentin secondaire. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le panneau comprend trois lames d'air délimitées par les serpentins primaire et secondaire. 30 Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la lame d'air présente une épaisseur optimale de l'ordre 3 cm. L'invention concerne également une installation d'eau chaude faisant application d'un panneau solaire selon l'invention, caractérisée en ce qu'elle comporte un ballon 35 auquel sont connectés les serpentins primaire et secondaire. Un tout premier avantage de la présente invention réside dans le fait qu'il n'est plus nécessaire de changer l'isolant thermique puisqu'il est naturel, gratuit et ne vieillit pas dans le temps. Un autre avantage réside dans l'absence d'intervention dans le temps sur le panneau après son installation. Un autre avantage encore de l'invention réside dans le fait que les pertes thermiques arrières sont en majorité récupérées et les pertes avant réduites ce qui augmente le rendement du panneau. Le couplage thermique des deux absorbeurs primaire et secondaire par convection et rayonnement infrarouge provoque une baisse de la température de l'absorbeur primaire, ce qui diminue également les pertes avant. L'absorbeur arrière étant à une température proche de l'ambiante, les pertes arrière sont faibles et facilement absorbées par la lame d'air de 3 cm environ. D'autres caractéristiques, avantages et détails de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisation donnés à titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente une coupe du panneau thermique selon l'invention, - la figure 2 sont des courbes représentant le rendement du panneau selon l'invention et d'un panneau classique en fonction de X : température moyenne de l'absorbeur primaire avant - température ambiante, - la figure 3 illustre l'intégration du panneau dans une installation suivant une première configuration, et - la figure 4 illustre l'intégration du panneau dans une installation suivant une autre configuration. Comme indiqué précédemment, un panneau thermique solaire classique est constitué d'un cadre formant caisson dans lequel on prévoit en avant une vitre, un serpentin fixé sur un absorbeur séparé de la vitre par une lame d'air et une couche d'isolant thermique, généralement la laine de roche, interposée entre le serpentin et le fond du caisson. Un tel panneau est couramment utilisé mais vieillit mal dans le temps. En effet, pour un fonctionnement optimal, il faut que les performances d'isolation thermique de l'isolant soient choisies en fonction de la température régnant dans l'espace entre le serpentin et le fond du caisson. On comprend aisément que les variations de la température sont importantes au cours de la journée en fonction de l'ensoleillement. Il en résulte que les performances d'un tel panneau varient. De plus, l'isolant du panneau doit être remplacé au cours du temps pour conserver ses performances. L'humidité peut affecter la qualité d'isolation de la laine de roche utilisée. Une bonne isolation implique une épaisseur élevée de l0 laine de roche, donc de l'épaisseur du panneau. Le rôle de l'isolant est de réduire les pertes arrières de calories par son fond. On comprend que l'efficacité d'un tel panneau décroît fortement dans le temps. C'est pourquoi le demandeur a imaginé de supprimer 15 l'isolant classique et de prévoir un moyen de récupération des pertes arrières de calories. Ainsi, un surcroît de calories est apporté soit au circuit principal du serpentin soit à un ballon de stockage en relation avec le serpentin. Sur la figure 1, le panneau 1 selon l'invention comprend 20 une structure classique avec un cadre 2 muni à l'avant d'une vitre 3 et d'un fond 4. La vitre 3 transmet bien entendu l'éclairement 5 du soleil vers l'absorbeur 7, qualifié ci-après de primaire, afin d'accumuler les calories dans le cadre 2. Un serpentin 6, fixé sur cet absorbeur primaire 7 25 récupère l'énergie solaire et se trouve à une distance dl de la vitre 3. Cette distance est fixée en fonction de considérations techniques connues. La structure décrite est connue. On prévoit avantageusement selon l'invention un second 30 serpentin 8 fixé à une plaque 9 disposée à une distance d2 de la plaque 7 et à une distance d3 du fond 4. La plaque 9 est par exemple une tôle galvanisée permettant la récupération des pertes arrières et une réflexion du rayonnement infrarouge de l'absorbeur principal 7. Pour des raisons de 35 commodité, le serpentin 6 sera qualifié de serpentin primaire et le serpentin 8 de serpentin secondaire. Le serpentin primaire 6 et sa plaque constituent l'absorbeur primaire de l'énergie solaire et le serpentin secondaire 8 et sa plaque 9 constituent l'absorbeur secondaire des pertes arrière. Bien entendu, un fluide circule dans les deux serpentins afin de récupérer les calories. Ainsi, une telle structure permet de récupérer les calories qui étaient absorbées dans les réalisations antérieures par la laine de roche afin de préchauffer le fluide circulant dans le serpentin secondaire 8. Les pertes arrières récupérées et la baisse de température de l'absorbeur primaire sont donc avantageusement utilisées pour augmenter le rendement du panneau selon l'invention. lo Les distances dl, d2 et d3 sont optimisées à une valeur théorique connue voisine de 3 cm, lorsque l'isolation se fait par lames d'air. On constate que les serpentins primaire et secondaire délimitent dans le panneau trois chambres 10, 11 et 12. La 15 première chambre 10 limite les pertes avant contre lesquelles la structure de la vitre avant 3 et la qualité de l'absorbeur primaire apportent une solution mais en augmentant les coûts de fabrication. La deuxième chambre 11 permet de récupérer la plus grande partie des pertes arrières de l'absorbeur 20 primaire. La troisième chambre 12 permet de réduire au minimum les pertes arrière finales de l'absorbeur secondaire. Ces trois chambres sont bien entendu exemptes de tout isolant thermique autre que des lames d'air assurant une isolation thermique optimale. 25 Sur la figure 2, on a représenté selon la norme européenne NF EN12977-3 les courbes de rendement (n) d'un panneau classique, courbe Cl, et du panneau selon l'invention, courbe C2 en fonction de X. La courbe de rendement est donnée par la formule : 30 n = no - (1/G) (al.X + a2.X2) avec aussi n= Pu/G dans laquelle Pu= Puissance utile reçue par l'eau G= puissance solaire reçue par l'absorbeur principal 35 no = t.a avec t le coefficient de transmission de la vitre et a le coefficient d'absorption de la plaque 7, X représente la différence entre la température moyenne de l'absorbeur primaire 7 et la température ambiante, al représente les pertes du panneau, (W/m2.°C), a2 représente le coefficient de variation de al avec la température. al et a2 sont déterminés par la méthode des moindres carrés pour n° et G fixes et pour plusieurs valeurs discrètes respectives de X et de n (X est obtenu en faisant varier le débit d'eau traversant les serpentins primaire et secondaire) G est mesuré avec un pyranomètre certifié et Pu est calculé avec les mesures du débit de l'eau et des températures Io d'entrée et de sortie de l'eau des serpentins du panneau secondaire. Les valeurs mesurées expérimentalement, représentées par des croix sur le graphe, correspondent à un débit d'eau compris entre 0,4 et 4,5 1/mn et la courbe représentée pour X compris entre 0 et 60°C est issue de la 15 méthode des moindres carrés. On voit que, quel que soit X, le rendement du panneau thermique solaire selon l'invention, courbe C2, est supérieur à celui du panneau classique à laine de roche, courbe Cl. Le gain obtenu al(Cl)-al(C2) = 0,95 W/m2.°C, soit en 20 valeur relative un gain de 30% sur les pertes. Les performances du panneau thermique selon l'invention sont donc supérieures à celles d'un panneau classique et ce sans nécessiter une intervention dans le temps. Ainsi, par rapport à un panneau classique, le panneau 25 selon l'invention permet une récupération des pertes arrières pour préchauffer l'eau, minimise les pertes arrières finales par la lame d'air 12 en éliminant une isolation par laine de roche, réduit aussi les pertes avant et apporte enfin une puissance thermique plus élevée. 30 Le panneau selon l'invention peut être configuré de deux manières différentes dans une installation de chauffage de l'eau. Une première configuration est représentée sur la figure 3 où les serpentins sont connectés à des circuits de fluide 35 reliés entre eux. Elle est réalisée en reliant les serpentins primaire 6 et secondaire 8 entre eux pour constituer ainsi un circuit unique. Ici, les circuits de fluide de chaque serpentin 6 ou 8 sont communs, le circuit de fluide du serpentin primaire 6 est préchauffé par le circuit de fluide du serpentin secondaire 8. Dans ce cas, le circuit se compose d'un tuyau d'alimentation 13 en eau, le serpentin secondaire 8, un tuyau de liaison 14 du serpentin secondaire 8 au serpentin primaire 6 et un tuyau de sortie 15 connecté à l'installation domestique, par exemple un ballon 19 à stratification de l'eau. Ainsi, le serpentin secondaire 8 assure un Io préchauffage de l'eau prélevée dans la zone basse température Ti du ballon, qui va ensuite circuler dans le serpentin primaire 6. Ce tuyau de sortie 15 est relié automatiquement aux zones haute ou moyenne température T3 ou T2 du ballon 19, par exemple en 21 pour toujours assurer une bonne 15 stratification de l'eau. Ce ballon est raccordé de façon connue à l'alimentation en eau du réseau : entrée eau froide en 30 et sortie eau chaude en 31, figures 3 et 4. Des moyens élaborés de régulation et d'automatisation sont mis en œuvre d'une part pour transférer le maximum d'énergie solaire dans 20 le ballon de stockage, ceci adapté à l'ensoleillement, et d'autre part pour obtenir une bonne stratification permettant un chauffage rapide de la zone à haute température T3 du ballon à stratification afin de permettre à l'usager de soutirer de l'eau à une température désirée, entre la 25 température d'eau d'entrée et la température maximale en haut de la zone T3, par commande du mitigeur 32. Une autre configuration encore plus performante est représentée sur la figure 4 où les serpentins sont connectés indépendamment en sortie à des circuits de fluide 30 Ici, les circuits de fluide de chaque serpentin 6 ou 8 sont distincts, le circuit de fluide du serpentin primaire 6 n'est pas préchauffé par le circuit de fluide du serpentin secondaire 8. Cette configuration est réalisée en rendant indépendant 35 en sortie les deux serpentins 6 et 8. Pour cela, le tuyau 14 est supprimé et les serpentins primaire 6 et secondaire 8 sont connectés en parallèle à l'entrée à deux tuyaux d'alimentation 13 et 16. Dans cette configuration, les serpentins primaire 6 et secondaire 8 sont alimentée par l'intermédiaire de la couche de stratification à basse température Ti du ballon de stockage 19. L'eau chauffée par le soleil dans le serpentin primaire 6 ressort par le tuyau 15 pour être connecté au ballon par les embouts 25, 26 ou 27 dans la couche de stratification à température élevée T3 du ballon, par exemple à l'embout 26. L'eau chauffée par récupération des pertes de calories ressort au niveau du serpentin 8 par le tuyau 18 pour alimenter la zone de l0 température moyenne T2 du ballon, par exemple 29. De cette manière, le serpentin primaire 6 est toujours alimenté en eau basse température ce qui lui assure un rendement maximal. Ces panneaux solaires thermiques, de 10 m2 de surface utile de captage de l'énergie solaire, constituent la 15 structure principale et élémentaire d'un châssis en V renversé ; cette structure est destinée à être fixée directement sur le sol. Le chauffe eau solaire ou �la chaudière solaire � associé comporte en plus un système de gestion et de stockage d'énergie. Les Structures élémentaires 20 peuvent être juxtaposées à volonté pour satisfaire le besoin énergétique de l'utilisateur REVENDICATIONS1. Panneau solaire thermique (1), dénommé en version gréco-anglaise � Helios thermal panel �, du type comportant un caisson (2) renfermant d'avant en arrière une vitre (3), un serpentin primaire (6) fixé sur son support (7) dans lequel un fluide circule et un fond (4), caractérisé en ce qu'il comprend un serpentin secondaire (8) disposé en arrière du serpentin primaire et destiné à capter les pertes arrières thermiques et réduire les pertes avant. 2. Panneau solaire thermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin secondaire (8) est solidaire d'une plaque (9). 3. Panneau solaire thermique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque (9) est une tôle galvanisée, absorbeur des pertes arrière et réflecteur des infrarouges émis par l'absorbeur primaire d'énergie solaire. 4. Panneau solaire thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les serpentins primaire (6) et secondaire (8), disposés en vis à vis, sont connectés à des circuits de fluide reliés entre eux ou indépendants en sortie. 5. Panneau solaire thermique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les serpentins primaire (6) et secondaire (8) sont directement reliés entre eux ou indépendants en sortie. 6. Panneau solaire thermique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les circuits de fluide de chaque serpentin (6, 8) sont communs ou distincts, le circuit de fluide du serpentin primaire (6) est préchauffé ou non par le circuit de fluide du serpentin secondaire (8). 7. Panneau solaire thermique (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit du serpentin secondaire (8) peut être relié soit au serpentin primaire soit à un ballon de stockage. 8. Panneau solaire thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend trois lames d'air (10, 11, 12) délimitées par les serpentins primaire et secondaire. 9. Panneau solaire thermique (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que les lames d'air présentent une épaisseur optimale de l'ordre 3 cm. 10. Installation d'eau chaude faisant application d'un panneau solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un ballon (19) auquel sont connectés les serpentins primaire et secondaire.