Brevet FR2942029A1 — publié le 20100813

La présente invention concerne un capteur solaire thermique et une installation thermique comprenant un tel capteur. Un capteur solaire thermique convertit l'énergie solaire en chaleur pouvant être récupérée à des fins de chauffage ou de fourniture d'eau chaude. Il est connu qu'un capteur soit formé d'une paroi avant translucide, par exemple une vitre en verre, et d'une paroi arrière formant conjointement un panneau solaire. D'une façon connue, un fluide caloporteur s'échauffe en passant dans une conduite en forme de serpentin disposée derrière la vitre. Une fois le fluide réchauffé, un circulateur permet d'acheminer le fluide hors du capteur solaire jusqu'à un réservoir ou échangeur thermique permettant la récupération des calories emmagasinées par le fluide caloporteur. Ce type d'installation nécessite donc une alimentation externe pour alimenter le circulateur ainsi que l'électronique de régulation associée. De plus, l'efficacité de ces capteurs est fortement dépendante de l'orientation du panneau par rapport à l'inclinaison du soleil, ce qui limite généralement leur installation sur des toits inclinés de bâtiments qui doivent être orientés au sud. Il est également possible d'installer des capteurs directement au sol ou en terrasse sur un support incliné. L'inclinaison du support est généralement égale à 45° en France pour avoir un flux lumineux maximum qui traverse la surface vitrée. Cependant ce type d'installation n'est pas esthétique et nécessite une surface d'occupation conséquente qui ne pourra pas être utilisée à d'autres effets. La présente invention a pour but de résoudre tout ou partie des inconvénients cités ci-dessus. A cet effet, la présente invention a pour objet un capteur solaire thermique comprenant une paroi avant translucide et une paroi arrière formant conjointement un panneau solaire, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'ailettes opaques disposées entre lesdites parois et destinées à recevoir un rayonnement solaire afin de capter son énergie calorifique, les ailettes étant inclinées par rapport aux parois, une conduite de fluide caloporteur disposée entre les parois et comportant une pluralité de portions sur lesquelles sont rapportées les ailettes, les ailettes étant destinées à transmettre au moins une partie de l'énergie calorifique qu'elles ont captées au fluide caloporteur circulant dans ladite conduite, et un volume d'air ou de gaz cloisonné entre lesdites parois, et en ce que la paroi arrière est opaque. Ces dispositions et en particulier l'inclinaison des ailettes permettent un montage aisé à la verticale d'un capteur solaire sur la façade d'un bâtiment orientée au sud, tout en assurant une efficacité satisfaisante du capteur solaire. La substitution aux capteurs solaires classiques placés en toiture peut notamment être envisagée pour des raisons esthétiques souhaitées par le client, ou par les Architectes des Bâtiments de France. Cette substitution est également souhaitable dans le cas de toitures mal orientées ou de toitures couramment enneigées, par exemple dans les régions montagneuses. Le fait que les ailettes soient supportées directement par les portions de la conduite confère également un meilleur rendement de part la conduction thermique jusqu'au fluide caloporteur de l'énergie calorifique issue du rayonnement solaire et emmagasinée par les ailettes. De plus, du fait que la surface arrière soit opaque, cette dernière se comporte comme un corps noir qui réémet le rayonnement solaire sur une grande partie de son spectre en particulier dans l'infrarouge. Ce rayonnement infrarouge est intercepté directement par la conduite et par la partie arrière des ailettes ce qui améliore encore le réchauffement et donc le rendement du capteur solaire. Le cloisonnement d'un volume d'air ou de gaz à l'intérieur du panneau permet de limiter les pertes de chaleur à l'intérieur du panneau. En effet, ce cloisonnement génère un thermosiphon qui par convection thermique maintient les gaz les plus chauds sur la partie supérieure du panneau, ce qui diminue le gradient thermique entre la conduite et les parois. Les mouvements de convection à l'intérieur du panneau peuvent également être améliorés par un profilement de l'extrémité des ailettes. Un thermosiphon est également créé à l'intérieur de la conduite de fluide caloporteur qui achemine naturellement par convection les parties de fluide caloporteur les plus chaudes vers le haut de la conduite. On obtient ainsi un système à double thermosiphon permettant la circulation naturelle du fluide caloporteur, tout en limitant les pertes de chaleur. Enfin, le cloisonnement d'air ou de gaz fournit également une couche d'isolation supplémentaire à la façade du bâtiment où sont installés les panneaux. Ce type de capteur solaire peut donc être utilisé dès lors que le bâtiment dispose d'un mur sud borgne, d'un emplacement mur sud disponible, ou lorsque des architectes souhaitent des capteurs dimensionnés pour des maisons contemporaines ou encore pour des bâtiments industriels, etc. Avantageusement, la conduite de fluide caloporteur présente une forme générale de serpentin. Selon un mode de réalisation, les ailettes s'étendent selon une orientation prédéterminée. Dans une autre variante, la surface intérieure de la paroi arrière est apte à absorber au moins une partie de l'énergie calorifique issue du rayonnement solaire, et est de préférence de couleur noire. Selon un autre mode de réalisation, la conduite comprend au niveau de ces extrémités des raccords, chaque raccord étant destiné à être relié à un raccord d'un capteur solaire adjacent. Ces dispositions permettent de relier entre eux plusieurs capteurs solaires afin d'augmenter la surface de chauffage. Ces capteurs solaires sont donc dans leur application industrielle, intégrés à une installation thermique comprenant au moins un de ces capteurs. Cette installation permet une circulation du fluide caloporteur afin d'en récupérer la chaleur utile aux différents besoins des occupants du bâtiment. Selon un mode de réalisation, cette installation comprend un réservoir de stockage. Ce réservoir permet de stocker les calories amenées par le fluide caloporteur. Le réservoir contient généralement un échangeur thermique qui à son tour récupère les calories stockées dans le réservoir afin de chauffer de l'eau sanitaire ou un autre fluide caloporteur circulant dans le circuit de chauffage du bâtiment. Selon une possibilité, le réservoir de stockage est situé à une hauteur plus élevée que ledit capteur solaire. Cette disposition suffit à elle seule à assurer par convection la 30 circulation du fluide caloporteur dont les parties les plus chaudes remontent à travers l'installation jusqu'au réservoir. Selon un mode de réalisation, l'installation comprend un circulateur à faible pression pour améliorer la circulation du fluide caloporteur. Avantageusement, le circulateur à faible pression est alimenté par 35 un capteur solaire photovoltaïque ou toute autre source d'énergie renouvelable telle qu'une éolienne par exemple. Ç Selon un autre mode de réalisation, l'installation comprend un circulateur à forte pression. Cette disposition force la circulation du fluide caloporteur et il n'est donc plus nécessaire de restreindre la position du réservoir à une hauteur 5 supérieure à celle du ou des capteurs. Avantageusement, une pluralité de capteurs solaires sont montés en batterie, ceci permet une installation simple et adaptée à la façade. En effet, il est possible d'assembler entre eux des panneaux de largeurs différentes à l'aide des raccords de terminaison, ce qui permet de s'adapter à la façade en 10 présence et de réaliser des installations quasi sur mesure. Enfin, dans un autre mode de réalisation les raccords entre les conduites de chaque capteur sont reliées par soudure afin d'augmenter la durée de vie du système et de prévenir toute fuite du fluide caloporteur. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en 15 référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs formes d'exécution de ce capteur solaire. La figure 1 est une vue de face d'un capteur solaire thermique selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe de profil d'un capteur solaire 20 selon l'invention. La figure 3 représente un premier mode de mise en oeuvre d'une installation thermique intégrant un capteur solaire selon l'invention. La figure 4 représente un second mode de mise en oeuvre d'une installation thermique intégrant un capteur solaire selon l'invention. 25 La figure 5 représente un troisième mode de mise en oeuvre d'une installation thermique intégrant un capteur solaire selon l'invention. Selon l'invention et comme illustré sur la figure 2, le capteur solaire thermique 1, destiné à être monté verticalement sur la façade d'un bâtiment, comprend une paroi avant 3 translucide généralement en verre et une paroi 30 arrière 4 opaque. Ces deux parois sont parallèles et forment conjointement un panneau 2. La paroi arrière 4 comporte une tôle intérieure 4a et une tôle extérieure 4b entre lesquelles se trouve un isolant 4c limitant les mouvements d'air entre les deux tôles. 35 Entre la paroi avant 3 et la paroi arrière 4 est disposée une conduite 6 de fluide caloporteur réalisée de préférence en cuivre. La conduite 6 présente une forme générale en serpentin afin d'augmenter la surface de chauffe du fluide caloporteur par les rayons du 5 soleil. Le fluide caloporteur employé est avantageusement de l'eau glycolée afin de prévenir tout risque de gel en hiver. La conduite 6 comprend des portions 7 de support cylindriques sur lesquelles viennent se fixer une pluralité d'ailettes 5 par emboitement élastique comme le montre la figure 2. Chaque ailette 5 comprend deux portions de 10 surface plane reliées entres elles par une troisième portion en forme de U qui s'insère sur une portion de support 7 de la conduite 6. La fixation de chaque ailette par la portion en forme de U autorise une rotation de chaque ailette par rapport à la conduite 6, et donc un réglage de l'inclinaison de chaque ailette selon l'axe de symétrie de la portion de support 7 correspondante. Les 15 extrémités des deux portions de surface plane sont profilées afin de favoriser les mouvements de convection d'un volume d'air ou de gaz 8 cloisonné entre les parois 3,4 du panneau. Les rayons du soleil pénètrent à l'intérieur du capteur solaire 1 en traversant la paroi avant vitrée 3 de ce dernier. Certains de ces rayons 20 rencontrent alors les ailettes 5 disposées sur les portions 7 de la conduite 6. Ces portions 7 sont de préférence horizontales de manière à conférer une orientation convenable aux ailettes 5, afin d'avoir un maximum de flux lumineux provenant des rayons du soleil. L'angle d'inclinaison optimal des ailettes 5 pour capter un maximum de rayonnement solaire correspond habituellement à la 25 latitude du lieu dans lequel est installé le capteur solaire 1. En France, il est typiquement de 45°. Cependant pour éviter les surchauffes en été, cet angle est ramené de préférence à 60°. A cet effet, l'inclinaison des ailettes dans le dispositif est réglable de 45 à 60° selon l'utilisation finale et la situation géographique. 30 De plus, les ailettes 5 sont réalisées en une seule pièce dans un matériau bon conducteur de chaleur, tel que l'aluminium. L'aluminium a la propriété de réfléchir une partie du rayonnement qui reste emprisonné à l'intérieur du panneau 2 par réflexion multiples sur les parois. Ce rayonnement emprisonné par effet de serre contribue au réchauffement de l'intérieur du 35 panneau 2. D'autres rayons solaires rencontrent directement la tôle intérieure 4a de la paroi arrière 4. Le réchauffement du panneau se trouve encore augmenté par les propriétés de cette tôle intérieure 4a de la paroi arrière 4. Cette tôle intérieure a une surface noire qui absorbe un maximum de rayonnement solaire. Cette absorption entraine un échauffement de cette tôle 4a qui se comporte alors comme un corps noir. Ce corps noir va réémettre sur une partie du spectre notamment dans les longueurs d'onde correspondant aux infrarouges longs. Ces infrarouges longs sont réémis par le corps noir en direction de la paroi avant 3 du capteur solaire où ils sont réfléchis par la surface de verre en direction des ailettes 5. Ils se retrouvent donc confinés à l'intérieur du panneau 2. Ils peuvent également être directement interceptés par la paroi arrière des différentes ailettes, auquel cas ils contribuent à l'échauffement de celles-ci. Ces différents moyens de chauffe contribuent également à l'échauffement de l'air ou du gaz 8 confiné à l'intérieur du panneau 2. Cet air ou ce gaz 8 va se mouvoir par convection à l'intérieur du panneau 2 instaurant ainsi les parties d'air ou de gaz 8 les plus chaudes dans le haut du panneau et les parties les plus froides dans le bas de ce dernier. Cela a pour effet de créer un thermosiphon naturel à l'intérieur du panneau 2 du capteur 1: l'air se trouvant du côté de la paroi transparente 3 plus froide aura tendance à descendre tandis que l'air se trouvant du côté de la paroi arrière 4 noire d'une température supérieure aura tendance à monter par convection, comme le montrent les flèches représentant les mouvements d'air à l'intérieur du panneau 2 du capteur 1 sur la figure 2. Par l'ensemble de ces moyens, le fluide caloporteur se retrouve ainsi chauffé à l'intérieur de la conduite 6. La figure 3 représente une installation thermique 9 selon un premier mode de réalisation. L'installation thermique 9 comprend un réservoir de stockage 10 et plusieurs capteurs montés en batterie 21 reliés entre eux. Les différents capteurs ainsi que le réservoir forment un circuit primaire 16 à l'intérieur duquel circule le fluide caloporteur. Le capteur solaire 1 avec sa conduite 6 de fluide caloporteur fait donc parti d'une installation 9 comprenant d'autres panneaux montés en batterie 21 et un réservoir de stockage 10 situé à l'intérieur du bâtiment qui couplé à un échangeur thermique 15 récupère les calories transitant dans le circuit primaire 16 pour les transmettre à un circuit secondaire 17 de distribution d'eau chaude. L'installation thermique 9 constitue un système entièrement antigel et autorégulant. Les panneaux 2 sont disposés en batterie 21 à l'aide de raccords 14 situés latéralement de part et d'autre des extrémités du conduit 6 de chaque panneau 2. Pour prévenir toutes fuites de fluide caloporteur engendrées par des raccords 14 mal serrés, il est préférable de souder entre eux les différents raccords 14 mis en relation lors de la pose des panneaux 2. Il est également possible d'ajuster sur mesure la batterie 21 de 10 panneau 2 à la largeur de la façade du bâtiment en disposant des panneaux 2 de largeurs différentes sur la façade. Selon ce premier mode de réalisation représenté à la figure 3, le fluide caloporteur circule naturellement par convection à l'intérieur des conduites des différents capteurs solaires. En effet, les parties du fluide 15 caloporteur les plus chaudes sont moins denses que les parties les plus froides et remontent donc par convection à l'intérieur du circuit primaire 16 de l'installation 9. Le réservoir de stockage 10 est placé à une hauteur plus élevée que celle des capteurs solaires 1. Les parties du fluide les plus chaudes se retrouvent donc évacuées des capteurs 1 par le haut des conduites 6 en 20 direction du réservoir de stockage 10 tandis que les parties les plus froides rentrent par le bas des conduites 6 dans les capteurs 1. On obtient ainsi un double thermosiphon du d'une part aux mouvements de convection du fluide caloporteur dans les conduites 6, et d'autre part aux mouvements d'air ou de gaz 8 dans les panneaux 2. Une telle installation 9 est parfaitement autonome 25 et autorégulante. Elle ne nécessite aucune électronique de régulation ni d'apport d'énergie extérieure pour la mise en circulation du fluide caloporteur. A cet effet, elle peut à titre d'exemple être utilisée dans des sites isolés insulaires ou dans des sites n'ayant pas de raccordement au réseau électrique. Dans un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 4, 30 l'installation comprend en outre un circulateur à faible pression 11 pour aider à la circulation du fluide caloporteur. Pour conserver l'autonomie de l'installation 9, ce circulateur 11 est alimenté via un capteur solaire photovoltaïque 12 ou toute autre source d'énergie renouvelable, comme par exemple une éolienne. Cependant, le capteur solaire photovoltaïque 12 possède un avantage car il ne 35 nécessite pas de système de régulation. En effet, plus il y a de soleil, plus les capteurs solaires 1 chauffent le fluide caloporteur, mais aussi plus le capteur solaire photovoltaïque 12 produit du courant pour alimenter le circulateur 11 qui tourne d'autant plus vite qu'il est alimenté. Dans un troisième mode de réalisation représenté à la figure 5, le réservoir de stockage 10 est placé à une hauteur quelconque par rapport aux capteurs solaires 1. II peut donc se trouver à une hauteur moins élevée que celle des capteurs 1, ce qui nécessite l'utilisation d'un circulateur à forte pression 13 avec son système de régulation associé. Le circulateur 13 est alimenté par le réseau électrique, des sondes de températures 18 sont judicieusement placées sur le circuit primaire 16 de l'installation 9. Ces sondes 18 sont reliées à un régulateur 19 et fournissent une indication sur la température du fluide caloporteur en deux points du circuit primaire 16 de l'installation 9 pris en amont et en aval de la batterie 21 de panneaux 2 de capteurs solaires 1. Par ces mesures, on en déduit le gradient thermique à l'intérieur des conduits 6 de la batterie 21 de panneaux 2 de capteurs solaires 1, puis on le compare à une valeur préprogrammée dans le régulateur 19. Si le gradient mesuré est au dessous de cette valeur préprogrammée alors le régulateur 19 mettra en route le circulateur à forte pression 13 jusqu'à obtenir un gradient satisfaisant. Si le gradient mesuré est au dessus de la valeur préprogrammée alors le régulateur 19 ne va pas alimenter le circulateur 13 et va attendre que le soleil chauffe le fluide caloporteur dans les capteurs 1 pour pouvoir l'alimenter. Ce réchauffement aura pour conséquence de réduire le gradient thermique dans les capteurs 1 et le régulateur 19 actionnera alors le circulateur à forte pression 13 pour évacuer le fluide caloporteur � chaud � vers le réservoir de stockage 10. Dans ce mode de réalisation, il peut se révéler nécessaire de coupler le régulateur 19 à un système d'horloge 20 afin que le circulateur à forte pression 13 ne se déclenche pas durant la nuit. En effet, durant la nuit le fluide caloporteur n'est plus chauffé et la température du fluide caloporteur dans la conduite 6 se nivèle sur sa valeur basse. Le gradient thermique dans le capteur solaire 1 diminue, ce qui déclenche la mise en route du circulateur 13. C'est pourquoi, il est nécessaire d'utiliser un système d'horloge 20. Ce système d'horloge 20 peut être constitué par une simple horloge indiquant les heures du jour ou par un capteur photovoltaïque indiquant un ensoleillement satisfaisant pour la mise en route du capteur solaire thermique 1. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce capteur solaire thermique, décrites ci-dessus à titre d'exemples, mais elle embrasse au contraire toutes les variantes.5 REVENDICATIONS1. Capteur solaire thermique (1) comprenant une paroi avant (3) translucide et une paroi arrière (4) formant conjointement un panneau solaire (2), caractérisé en ce qu'il comprend : - une pluralité d'ailettes (5) opaques disposées entre lesdites parois (3,4), destinées à recevoir un rayonnement solaire afin de capter son énergie calorifique, les ailettes étant inclinées par rapport aux parois (3,4), - une conduite (6) de fluide caloporteur disposée entre les parois (3,4) et comportant une pluralité de portions (7) sur lesquelles sont rapportées les ailettes (5), les ailettes (5) étant destinées à transmettre au moins une partie de l'énergie calorifique qu'elles ont captées au fluide caloporteur circulant dans ladite conduite (6), - un volume d'air ou de gaz (8) cloisonné entre lesdites parois (3,4), et en ce que la paroi arrière (4) est opaque. 2. Capteur solaire thermique (1) selon la revendication 1 dans lequel la conduite (6) de fluide caloporteur présente une forme générale de serpentin (6). 3. Capteur solaire thermique (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel les ailettes (5) s'étendent selon une orientation prédéterminée. 4. Capteur solaire thermique (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel la surface interne (4a) de la paroi arrière (4) opaque est apte à absorber au moins une partie de l'énergie calorifique issue du rayonnement solaire, et est de préférence de couleur noire. 5. Capteur solaire thermique (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel la conduite (6) comprend au niveau de ces extrémités des raccords (14), chaque raccord (14) étant destiné à être relié à un raccord (14) d'un capteur solaire adjacent. 6. Installation thermique (9), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un capteur solaire thermique (1) selon l'une des revendications précédentes. 7. Installation thermique (9) selon la revendication 6 laquelle 35 comprend un réservoir de stockage (10). 8. Installation thermique (9) selon la revendication 7 dans laquelle le réservoir (10) de stockage est situé à une hauteur plus élevée que ledit capteur solaire (1). 9. Installation thermique (9) selon l'une des revendications 6 à 8 5 laquelle comprend un circulateur à faible pression (11). 10. Installation thermique (9) selon la revendication 9 dans laquelle le circulateur à faible pression (11) est alimenté par un capteur solaire photovoltaïque (12) ou toute autre source d'énergie renouvelable. 11. Installation thermique (9) selon l'une des revendications 6 à 8 10 laquelle comprend un circulateur à forte pression (13). 12. Installation thermique (9) selon l'une des revendications 6 à 11 dans laquelle une pluralité de capteurs solaires thermiques (1) sont montés en batterie (21). 13. Installation thermique (9) selon l'une des revendications 6 à 12 15 dans laquelle les raccords (14) entre les conduites (6) de chaque capteur solaire (1) sont reliées par soudure.