Brevet FR2956728A1 — publié le 20110826

L'invention concerne un capteur solaire thermique, et un dispositif de chauffage comprenant au moins un tel capteur solaire thermique. Enfin, elle concerne aussi un procédé de ventilation d'un capteur solaire thermique. Un capteur solaire thermique permet de transmettre une partie de l'énergie solaire reçue à un fluide caloporteur par échange thermique. Le rendement thermique de transfert d'énergie solaire vers le fluide caloporteur dépend de nombreux facteurs. Notamment, lorsque la température d'un capteur soumis à un rayonnement constant augmente, son rendement thermique diminue puis s'annule à une température dite température de stagnation. Dans une situation extrême pour laquelle le rayonnement solaire reçu par un capteur solaire thermique est important alors que le besoin énergétique est faible, c'est-à-dire que le fluide caloporteur est pas ou peu sollicité, la température du capteur solaire thermique augmente fortement jusqu'à la température de stagnation pour laquelle aucune énergie n'est finalement transmise au fluide caloporteur. Une telle montée en température du capteur solaire thermique est non seulement inutile au niveau énergétique mais entraîne en plus son vieillissement accéléré et la dégradation de ses futures performances. Pour éviter d'atteindre de telles situations de montée en température des capteurs solaires thermiques lorsque cela n'est pas souhaitable, dite situations de surchauffe, il est connu de prévoir un mécanisme de ventilation du capteur pour réduire sa température. Une première solution de l'état de la technique est par exemple décrite dans le document US4150659. Elle repose sur un capteur solaire thermique dont la géométrie favorise une ventilation par convection naturelle. Pour cela, le capteur est équipé d'une trappe dont l'actionnement dépend de la température du capteur, sur la base d'un piston comprenant un liquide à bas point d'ébullition et d'un ressort de rappel. Le changement de phase de ce liquide, qui doit correspondre à une température du capteur à ne pas dépasser, induit l'actionnement de la trappe qui permet la mise en oeuvre d'une ventilation naturelle qui refroidit le capteur. Toutefois, cette solution présente une grande inertie entre la réaction de changement de phase et la montée en pression de l'actionneur de la trappe, qui entraîne une désynchronisation entre la variation de température du capteur et la mise en oeuvre de la ventilation. Il faut alors tenter d'anticiper l'ouverture de la trappe pour éviter réellement la surchauffe du capteur, ce qui est complexe à mettre au point. Enfin, comme l'ouverture de la trappe est très progressive avec un tel actionnement, elle commence tôt et s'étend sur une plage de température importante de l'ordre de plusieurs dizaines de degrés pour atteindre une ouverture satisfaisante à la température de surchauffe du capteur. Suite aux remarques précédentes, cette solution ne permet pas d'obtenir une grande précision du rafraîchissement par ventilation du capteur solaire thermique. Une seconde solution de l'état de la technique, décrite dans le document WO8100613, met en oeuvre une ventilation d'un capteur solaire thermique sur la base de trappes de ventilation dont l'ouverture est pilotée par un actionneur à cire, qui se dilate et monte en pression avec la température jusqu'à induire un actionnement de la trappe. Toutefois, cette dilatation est de faible ampleur et proportionnelle à la variation de la température. L'ouverture de la trappe se fait donc sur une plage de température très étendue et la mécanique de l'ouverture reste très limitée. Ainsi, cette solution ne permet pas non plus d'obtenir une grande précision du rafraîchissement par ventilation d'un capteur solaire thermique.30 Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une solution améliorée de ventilation d'un capteur solaire thermique afin d'éviter sa surchauffe et augmenter sa performance dans le temps et sa durée de vie. Plus précisément, l'invention cherche à atteindre tout ou partie des objets suivants : Un premier objet de l'invention est de proposer une solution de ventilation 10 d'un capteur solaire thermique qui permet une mise en oeuvre précise et synchronisée avec la température du capteur solaire thermique. Un second objet de l'invention est de proposer une solution peu coûteuse de ventilation d'un capteur solaire thermique. 15 A cet effet, l'invention repose sur un capteur solaire thermique comprenant une lame d'air comprenant au moins un orifice de ventilation, qui peut être fermé ou ouvert par un moyen d'obturation, caractérisé en ce que le moyen d'obturation comprend un moyen d'actionnement comprenant un 20 alliage à mémoire de forme (AMF) de sorte d'ouvrir le moyen d'obturation au-delà d'une température prédéfinie du capteur solaire thermique pour éviter sa surchauffe. L'alliage à mémoire de forme peut être un alliage à base de nickel titane 25 ou à base de cuivre. L'alliage à mémoire de forme peut présenter une température de changement de phase comprise dans une plage de 15 degrés Celsius, la borne supérieure de cette plage se trouvant entre 65 et 160 degrés 30 Celsius.5 L'alliage à mémoire de forme (AMF) peut faire partie d'un composant en forme de lame, de tige ou de ressort hélicoïdal coopérant avec un obturateur pour induire une position fermée de l'obturateur en phase froide de l'AMF et une position ouverte de l'obturateur en phase chaude de l'AMF. Le moyen d'obturation peut être une trappe comprenant un obturateur mobile en rotation, de forme plane ou courbée, et peut comprendre une lame AMF liée d'une part au capteur solaire thermique et d'autre part à l'obturateur de sorte de pouvoir l'actionner. Le moyen d'obturation peut comprendre un obturateur mobile en translation, et un ressort AMF lié d'une part au capteur solaire thermique et d'autre part à l'obturateur de sorte de pouvoir l'actionner. La lame d'air peut être comprise entre un absorbeur et un élément isolant du capteur solaire thermique. L'alliage à mémoire de forme (AMF) peut être à simple sens et associé à un ressort de contrainte ou à double sens. L'invention porte aussi sur un dispositif de chauffage caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur solaire thermique tel que défini 25 précédemment. L'invention porte aussi sur un procédé de ventilation d'un capteur solaire thermique, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à ouvrir un obturateur fermant un orifice de ventilation du capteur solaire 30 thermique de manière automatique par un actionnement obtenu par le changement de propriété d'un alliage à mémoire de forme à une température prédéfinie. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 illustre schématiquement une vue en coupe d'un capteur solaire thermique selon un mode d'exécution de l'invention. Les figures 2 et 3 représentent une vue en coupe d'une trappe de ventilation d'un capteur solaire thermique selon le mode d'exécution de l'invention respectivement dans une configuration fermée et ouverte. La figure 4 représente le schéma cinématique du fonctionnement de la trappe de ventilation du capteur solaire thermique selon le mode d'exécution de l'invention. 20 La figure 5 représente les plages de température de changement de phase de certains matériaux à base d'alliages à mémoire de forme utilisés par le mode d'exécution de la présente invention. La figure 6 représente schématiquement une vue en coupe de la trappe 25 de ventilation d'un capteur solaire thermique selon le mode d'exécution de l'invention dans une configuration ouverte. La figure 7 représente schématiquement une vue en coupe de la trappe de ventilation d'un capteur solaire thermique avec un obturateur selon une15 variante du mode d'exécution de l'invention dans une configuration ouverte. Les figures 8 et 9 représentent une vue en coupe d'une trappe de ventilation d'un capteur solaire thermique selon une variante du mode d'exécution de l'invention respectivement dans une configuration fermée et ouverte. La figure 1 représente un capteur solaire thermique selon un mode d'exécution de l'invention. Ce capteur comprend une surface vitrée 1, une lame d'air supérieure 2, un absorbeur 3, une lame d'air inférieure 4 d'au moins 10 mm d'épaisseur et un isolant 5. Selon un élément essentiel de l'invention, le capteur comprend de plus un moyen de ventilation qui repose sur des orifices de ventilation 6 qui peuvent être ouverts ou fermés par un moyen d'obturation utilisant les propriétés d'au moins un alliage à mémoire de forme (AMF). Pour cela, des orifices de ventilation 6 sont prévus sur les faces latérales du capteur, au niveau de la lame d'air inférieure 4. Ces orifices de ventilation 6 sont ouverts ou fermés par au moins un moyen d'obturation comprenant un moyen d'actionnement, qui est une trappe 10 dans le mode d'exécution représenté. Les figures 2 et 3 représentent la trappe 10 pouvant fermer ou ouvrir un orifice de ventilation 6 selon le mode d'exécution de l'invention. La trappe 10 comprend un obturateur 11 monté mobile en rotation autour d'un axe 12 positionné dans sa partie supérieure au sein de l'absorbeur 3 du capteur. Une lame comprenant au moins un alliage à mémoire de forme (AMF), dite plus simplement lame AMF 13, est liée à l'obturateur 11 d'une part et à l'absorbeur 3 d'autre part, et positionnée vers l'intérieur du capteur, au niveau d'un orifice de ventilation 6 du capteur. Une lame ressort 14 est liée à l'obturateur 11 sur sa face extérieure, et prend aussi appui sur une prolongation externe de l'absorbeur 3. Ces deux lames 13, 14 sont liées à l'obturateur 11 et à l'absorbeur 3 par une liaison d'appui plan 15 et une liaison encastrée 16, comme représenté sur les figures 2 et 3. Le fonctionnement de la trappe 10 de l'invention va maintenant être explicité. La figure 2 représente la trappe 10 dans une position fermée, lorsque la température du capteur est dite « basse ». Dans cette position fermée, l'obturateur 11 occupe une position sensiblement verticale, s'étend sur toute la hauteur de l'orifice de ventilation 6 et vient en appui contre une butée 17 aménagée sur la face latérale de l'isolant 5. Dans cette configuration, l'air présent dans la lame d'air inférieure 4 reste enfermé et sans contact avec l'extérieur, éventuellement en mouvement de convection fermé, tel qu'illustré par la flèche F. En remarque, le matériau AMF se trouve avantageusement positionné vers l'intérieur du capteur, de sorte que sa température en position fermée de l'obturateur 11 se trouve très proche de la température du capteur, plus précisément de l'absorbeur 3, ce qui permet de synchroniser au mieux sa réaction en fonction de la température du capteur solaire thermique. Au-delà d'une certaine température du capteur solaire thermique, la lame AMF 13 change de propriété physique, comme cela sera explicité ci-dessous. Ce changement induit une rotation de l'obturateur 11 autour de son axe 12, pour obtenir l'ouverture de la trappe 10. Dans cette configuration ouverte de la trappe 10, représentée sur la figure 3, une convection naturelle s'établit, dans laquelle un flux d'air chaud S sort de la lame d'air inférieure 4 du capteur alors qu'un flux d'air froid E y entre. Ce flux d'air naturel entraîne le rafraichissement du capteur solaire thermique. Ensuite, sous une certaine température, la trappe retrouve sa forme initiale représentée sur la figure 2. La lame ressort 14 facultative assiste le retour de la trappe 10 dans sa configuration fermée de la figure 2. La figure 4 illustre le principe cinématique décrit ci-dessus. Un matériau à mémoire de forme (AMF) subit une transformation de phase cristallographique, c'est-à-dire une modification de sa structure cristalline, lorsqu'il est porté au-delà d'une certaine température. Il présente un premier état dit « basse température », aussi appelé phase martensitique, et un second état dit « haute température », aussi appelé phase austénitique. Entre ces deux phases, I'AMF change notamment de rigidité, présentant une rigidité plus basse dans son état à basse température. Le mode d'exécution décrit ci-dessus exploite cette caractéristique. A basse température, la lame ressort de rappel 14 exerce une force suffisante pour déformer la lame AMF 13 et pousser l'obturateur 11 en position fermée contre la butée 17. A haute température, la lame AMF 13 présente une rigidité supérieure dans laquelle l'effort exercé par la lame ressort 14 n'est plus suffisant pour sa déformation : elle reprend alors une forme différente telle que représentée sur la figure 3, en entraînant l'obturateur 11 en position ouverte. Cette propriété du matériau AMF permet donc de former un moyen d'actionnement d'une trappe associée à un orifice de ventilation d'un capteur solaire thermique, comme explicité ci-dessus. L'utilisation d'un matériau AMF présente l'avantage d'une grande précision de l'actionnement d'une trappe du fait de son changement de phase qui se réalise sur une plage de température réduite, qui s'étend sur au plus 15 degrés, et qui peut être avantageusement réduite à moins de 10 degrés. Cela permet d'atteindre une grande précision et réactivité de la trappe en fonction de la température du capteur et de former une solution de ventilation précise. Le matériau AMF utilisé peut être de différente nature. Ce choix est principalement fonction de la température à laquelle il doit changer de phase. Ce changement de phase dépend aussi de la contrainte appliquée sur l'élément en matériau AMF, qui entraîne un décalage de 1 degré Celsius pour 7 MPa. Cette considération permet de déterminer avec précision la température de changement de phase d'un élément comprenant un matériau AMF pour chaque agencement envisagé. Le matériau sera alors choisi de sorte que la borne supérieure de sa plage de changement de phase, qui peut être de l'ordre de 15 degrés Celsius comme cela a été exposé précédemment, corresponde à la température de stagnation du capteur solaire thermique. Pour une application dans un capteur solaire thermique de type polymère ayant une température de stagnation aéré de 124 degrés Celsius et un moyen d'actionnement à base de matériau AMF soumis à une contrainte de 150 MPa, le matériau AMF choisi sera un alliage à base de nickel et titane (NiTi) ou un matériau AMF à base de cuivre. De préférence, un matériau AMF NiTi sera choisi car il présente une meilleure propriété d'endurance. Pour les conditions précédentes, un AMF dont la température de changement de phase est comprise entre 85 degrés Celsius et 100 degrés Celsius au repos conviendra bien. En effet, en montée en température, l'ouverture du capteur se fera entre 105 degrés Celsius et 120 degrés Celsius, et sa fermeture se fera entre 100 degrés Celsius et 85 degrés Celsius. Cette différence obtenue par le principe d'hystérésis de la transformation de phase de l'AMF permet de compenser la différence de température entre l'absorbeur du capteur et l'AMF lorsque la trappe est ouverte. A titre d'indication, la figure 5 représente les températures de changement de phase des matériaux AMF à base de nickel-titane et de cuivre. Comme cela ressort de la figure, il est possible d'obtenir des alliages aux propriétés différentes tout en restant composés soit de NiTi soit de cuivre, qui permettent leur utilisation sur une large plage de température. Plus généralement, il sera choisi un matériau AMF dont la température de changement de phase se trouve comprise entre 65 et 160 degrés Celsius. Il faut noter qu'un matériau AMF présente des caractéristiques mécaniques suffisantes pour permettre un actionnement performant de la trappe, selon le principe décrit précédemment. A titre d'exemple d'implémentation de ce principe, une lame AMF en alliage NiTi et de dimension 40X30X0.25 mm peut être choisie, selon une géométrie formant un angle e sans contrainte en phase austénitique, comme représenté sur la figure 6. Une telle lame peut présenter un module d'Young de 22.5 GPa en phase martensitique et de 60 GPa en phase austénitique. Pour un obturateur de 50 g, un ressort de contrainte de raideur 0.011 N/degré permet de positionner l'obturateur en position fermée contre sa butée en phase martensitique froide de la lame AMF. Avec les valeurs précédentes, l'angle e est donc de 90 degrés sous la température de surchauffe du capteur puis de 70 degrés dès la température de surchauffe. Cette ouverture de 20 degrés est adaptée pour obtenir une ventilation suffisante du capteur. En remarque, l'obturateur 11 peut en variante présenter une forme courbe qui permet d'obtenir une ouverture de section constante avec sa seule rotation de 20 degrés en position ouverte, comme représenté schématiquement sur la figure 7. Le mode d'exécution décrit précédemment utilise un matériau AMF sous forme de lame. En variante, le matériau AMF peut être intégré dans tout autre élément, pouvant se présenter sous la forme d'une tige, d'un fil, ou d'un ressort hélicoïdal ou de torsion, etc. De plus, l'obturateur a été décrit comme un élément mobile en rotation. Toutefois, il pourrait se présenter sous une autre forme et présenter un autre degré de liberté que la rotation illustrée, afin de fermer ou ouvrir un orifice de ventilation 6. Par exemple, il peut se présenter sous la forme d'un tiroir mobile en translation par une liaison glissière, comme illustré ci-dessous, ou tout clapet, trappe ou cache mobile selon tout mouvement pivot, ou tout autre mouvement comme une combinaison de translation et rotation. Les figures 8 et 9 illustrent par exemple une variante de réalisation du mode d'exécution de l'invention, dans lequel le moyen d'obturation est un tiroir 20 mobile en translation. Il comprend un obturateur 21 mobile en translation entre deux butées 27, 28 avant et arrière liées à l'absorbeur 3. Un premier ressort en matériau AMF 23 est positionné entre la butée intérieure 27 et l'obturateur 21 et un second ressort de contrainte 24 est positionné entre l'obturateur 21 et la butée extérieure 28. En position fermée représentée sur la figure 8, le tiroir se trouve en position telle que son obturateur 21 s'étend de l'élément isolant 5 jusqu'à l'absorbeur 3 pour fermer l'orifice de ventilation 6. Quand la température du ressort AMF 23 dépasse la valeur seuil prédéfinie, le matériau AMF change de phase et devient plus rigide, de sorte de s'opposer à l'effort exercé par le ressort de contrainte 24. Ce changement induit la translation du tiroir vers l'extérieur du capteur solaire thermique, faisant apparaître un orifice 22 dans sa partie inférieure qui met en relation l'air extérieur avec la lame d'air 4 du capteur thermique solaire : comme précédemment, une ventilation naturelle s'établit alors. Le principe de fonctionnement de ce moyen d'obturation est donc le même que précédemment. Selon une autre variante de réalisation du moyen d'obturation, non représentée, un élément AMF avec une propriété dite « double sens » pourrait être utilisé. Dans un tel cas, le ressort de contrainte ne serait plus nécessaire, le matériau AMF étant suffisant pour l'actionnement de l'obturateur dans les deux sens. En remarque, un tel matériau AMF double sens présente deux formes géométriques mémorisées et passe automatiquement de l'une à l'autre de manière réversible autour d'une température seuil, sans nécessité l'assistance d'un ressort ni de tout autre élément de contrainte équivalent. Cette variante peut être combinée aux deux précédentes réalisations illustrées par respectivement les figures 2 et 8. Le moyen d'obturation décrit précédemment est particulièrement bien adapté à un capteur solaire thermique plan, comprenant une lame d'air entre un absorbeur et un isolant, et qui peut être de type polymère. Toutefois, elle reste plus généralement applicable à la ventilation de tout capteur solaire, qui ne présente pas obligatoirement la structure décrite en rapport avec la figure 1. De plus, l'invention concerne aussi des constructions équivalentes, dans lesquelles le moyen d'actionnement comprenant l'AMF serait lié au capteur solaire thermique ou à l'obturateur de manière différente par exemple.25 Revendications1. Capteur solaire thermique comprenant une lame d'air (4) comprenant au moins un orifice de ventilation (6), qui peut être fermé ou ouvert par un moyen d'obturation, caractérisé en ce que le moyen d'obturation comprend un moyen d'actionnement comprenant un alliage à mémoire de forme (AMF) de sorte d'ouvrir le moyen d'obturation au-delà d'une température prédéfinie du capteur solaire thermique pour éviter sa surchauffe. 2. Capteur solaire thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'alliage à mémoire de forme est un alliage à base de nickel titane ou à base de cuivre. 3. Capteur solaire thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alliage à mémoire de forme présente une température de changement de phase comprise dans une plage de 15 degrés Celsius, la borne supérieure de cette plage se trouvant entre 65 et 160 degrés Celsius. 4. Capteur solaire thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage à mémoire de forme (AMF) fait partie d'un composant en forme de lame (13), de tige ou de ressort (23) hélicoïdal coopérant avec un obturateur (11 ; 21) pour induire une position fermée de l'obturateur en phase froide de l'AMF et une position ouverte de l'obturateur en phase chaude de l'AMF. 5. Capteur solaire thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen d'obturation est une trappe (10) comprenant un obturateur (11) mobile en rotation, de forme plane oucourbée, et comprend une lame AMF (13) liée d'une part au capteur solaire thermique et d'autre part à l'obturateur (11) de sorte de pouvoir l'actionner. 6. Capteur solaire thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'obturation comprend un obturateur (21) mobile en translation, et un ressort AMF (23) lié d'une part au capteur solaire thermique et d'autre part à l'obturateur (21) de sorte de pouvoir l'actionner. 7. Capteur solaire thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lame d'air (4) est comprise entre un absorbeur (3) et un élément isolant (5) du capteur solaire thermique. 8. Capteur solaire thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage à mémoire de forme (AMF) est à simple sens et associé à un ressort de contrainte (14 ; 24) ou à double sens. 9. Dispositif de chauffage caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur solaire thermique selon l'une des revendications précédentes. 20 10. Procédé de ventilation d'un capteur solaire thermique, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à ouvrir un obturateur (11 ; 21) fermant un orifice de ventilation (6) du capteur solaire thermique de manière automatique par un actionnement obtenu par le changement de 25 propriété d'un alliage à mémoire de forme à une température prédéfinie.