Brevet FR3008170A1 — publié le 20150109

Capteur solaire comprenant un traitement sélectif à émissivité variable. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un capteur solaire comprenant un traitement sélectif à émissivité variable. État de la technique Les capteurs solaires, aussi appelés capteurs solaires thermiques ou capteurs hélio-thermiques, sont des dispositifs permettant de récupérer l'énergie solaire et de la transmettre à un fluide caloporteur. Les capteurs solaires sont couramment utilisés dans des systèmes solaires combinés (SSC), la chaleur produite par les capteurs solaires servant à couvrir une partie des besoins en eau chaude sanitaire des habitations et/ou en chauffage. Cependant, lorsque les apports en chaleur sont importants et la demande en eau chaude et/ou en chauffage est faible ou nulle, des montées en température se produisent dans lesdits systèmes. C'est, par exemple, le cas lors de départ en vacances pendant une période estivale ensoleillée. La température de l'eau chaude dans le ballon de stockage va, par exemple, osciller entre 80°C et 110°C selon l'heure de la journée ou de la nuit. Ces températures sont largement supérieures aux températures préconisées pour les installations fixes destinées au chauffage et à l'alimentation en eau chaude sanitaire des bâtiments d'habitation (température maximale de 50°C aux points de puisage dans les pièces destinées à la toilette).30 De plus, de telles températures engendrent des phénomènes de surchauffe pouvant entrainer l'apparition d'une surpression et détériorer l'installation. Différentes solutions sont actuellement utilisées pour maîtriser le problème des 5 surchauffes dans les systèmes solaires combinés. Une première solution consiste à utiliser des systèmes dits auto-vidangeables (« drain-back » en anglais). Le principe consiste à vidanger le capteur et la partie de la boucle solaire située à l'extérieur lorsque la pompe primaire s'arrête. Le circuit primaire doit impérativement être descendant du capteur vers le local 10 technique de vidange afin de permettre la vidange du capteur, par gravité. La présence d'air dans le circuit, résultant de la vidange, entraîne de forts risques de corrosion. Une autre solution consiste à utiliser le capteur comme un radiateur pendant la nuit afin de diminuer la température du stockage en dissipant la chaleur vers 15 l'extérieur. Une pompe primaire est enclenchée lorsque le stockage dépasse un certain niveau de température, et reste en fonctionnement jusqu'à ce que la température du stockage atteigne une valeur seuil. L'excédent d'énergie, i.e. de chaleur, peut aussi être dissipé grâce à une boucle de décharge, il peut s'agir, par exemple, d'un tuyau enterré. Le principal inconvénient de ces techniques 20 est la consommation électrique supplémentaire. Finalement, un vase d'expansion ayant un volume supérieur au volume de vaporisation du capteur solaire, peut être utilisé pour récupérer tout le fluide vaporisé en cas d'arrêt de la pompe primaire lorsque le ballon de stockage a atteint sa température maximale autorisée. Quand le système se refroidit, la 25 vapeur présente dans le capteur se condense et la pression dans le vase d'expansion permet de remplir à nouveau le circuit primaire. Les cycles de vaporisation et de condensation entraînent un vieillissement accéléré du fluide caloporteur. La majorité de ces solutions engendre une consommation électrique supplémentaire et/ou un coût d'installation accrû, car elles nécessitent des éléments de circuit additionnels ou des éléments plus résistants. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, de proposer un capteur solaire, simple et facile à mettre en oeuvre, 10 permettant d'éviter les phénomènes de surchauffe. Cet objet est atteint par un capteur solaire comprenant : un substrat conducteur thermique, muni d'une première face et d'une deuxième face, un échangeur thermique en contact thermique avec la première face du 15 substrat, ledit échangeur thermique étant destiné à contenir un fluide caloporteur, un traitement sélectif recouvrant la deuxième face du substrat et comprenant au moins une couche mince ayant une émissivité augmentant avec la température. 20 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 25 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, de manière schématique, en coupe, un capteur solaire selon un premier mode de réalisation, 30 - la figure 2 représente, de manière schématique, en coupe, un capteur solaire selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 3 représente l'évolution du coefficient d'extinction k en fonction des longueurs d'onde pour un film de VO2 à 20°C et à 70°C, - la figure 4 représente les rendements de conversion d'un capteur standard et d'un capteur solaire comprenant une couche mince ayant une émissivité variant 5 avec la température. Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention 10 Comme illustré à la figure 1, le capteur solaire 1 comprend : un substrat 2 conducteur thermique, muni d'une première face et d'une deuxième face, un échangeur thermique 3 en contact thermique avec la première face du substrat, ledit échangeur thermique 3 étant destiné à contenir un fluide 15 caloporteur, un traitement sélectif 4 recouvrant la deuxième face du substrat 2. Classiquement, un traitement sélectif est un revêtement, disposé sur le substrat, et configuré pour augmenter l'absorption du rayonnement solaire 20 incident et d'en limiter la ré-émission. La chaleur absorbée est alors transférée au fluide caloporteur via le substrat conducteur thermique. Par fluide caloporteur, on entend un fluide liquide ou gazeux permettant le transport de la chaleur. Le fluide caloporteur est, par exemple, de l'eau, un mélange d'eau et d'éthylène ou de propylène glycol. 25 Le traitement sélectif 4 comprend au moins une couche mince 5 ayant une émissivité variant avec la température. Par émissivité, on entend le rapport entre l'émission d'un corps réel et celle d'un 30 objet idéal, un corps noir, porté à la même température. Une surface S1 à la température T, émettra un rayonnement thermique deux fois plus intense qu'une surface S2 chauffée à la même température T, si l'émissivité de la surface S1 est deux fois plus grande que celle de la surface S2. Le contrôle de l'émissivité permet, avantageusement, de maîtriser l'intensité du rayonnement thermique émis par une surface. Par émissivité variant avec la température, on entend que l'émissivité de la couche mince 5 dépend de la température. Préférentiellement, la couche mince 5 a une émissivité qui augmente avec la température. Une telle couche mince a, par exemple, une émissivité Ei pour des températures inférieures à une température critique Tc et une émissivité £2 pour des températures supérieures à cette température critique de transition Tc. Avantageusement, Cl Les oxydes thermochromes tels que Al2.xCrx03, BiVO4 ou Nb02 permettent de réaliser des capteurs solaires fonctionnant à des températures de transition assez élevées. Par exemple, Al2_xCrx03, permet d'obtenir une température de transition comprise entre -183°C, pour x = 0.58, et 377°C, pour x = 0.02, BiVO4 a une température de transition égale à 300°C, ou encore Nb02, a une température de transformation à 800°C. Préférentiellement, la couche mince 5 est en dioxyde de vanadium VO2. Avantageusement, ce matériau présente une transition de Mott à 68°C. Pour des températures inférieures à la température de transition de 68°C, l'oxyde est cristallisé dans sa phase monoclinique M1. Au-dessus de cette température, l'oxyde se transforme en phase R tétragonale. Les faibles déplacements atomiques, mis en jeu lors de la transition, conduisent à un recouvrement des orbitales 3d qui engendre un changement significatif des propriétés physiques, notamment électriques et optiques. La transformation de phase est totalement réversible et présente une faible hystérésis. La température de transition correspond à la température à laquelle le matériau change de structure cristalline, c'est-à-dire aussi la température à laquelle les propriétés optiques du matériau sont significativement modifiées. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche mince 5 est en dioxyde de vanadium dopé. Par dopé, on entend que le dioxyde de vanadium contient au moins 0,1% atomique d'élément dopant et au plus 20% atomique d'élément dopant. Avantageusement, le dopage de l'oxyde permet de modifier sa température de transition. Préférentiellement, le dioxyde de vanadium est dopé avec de l'étain, de l'aluminium, du tungstène ou du molybdène. Les éléments dopants comme le tungstène ou le molybdène conduisent à une diminution de la température de transition tandis que le dopage par l'étain ou l'aluminium permet d'augmenter la température de transition de l'oxyde 10 thermochrome. Encore plus préférentiellement, le dioxyde de vanadium est dopé avec de l'étain ou de l'aluminium, ce qui permet d'augmenter sa température critique de 68°C jusqu'à 100°C, selon la concentration atomique de dopant. Les mesures de résistivité électrique permettent de déterminer aisément la 15 température critique du matériau. Un film en dioxyde de vanadium présente une variation de résistivité électrique d'au moins un ordre de grandeur lors de la transition. Préférentiellement, la variation de résistivité électrique est supérieure à 104 Q.cm lors de la transition. Préférentiellement, la couche mince en matériau thermochrome 5 a une 20 épaisseur comprise entre 10nm et 1000nm. Cette gamme d'épaisseur permet d'obtenir un revêtement sélectif présentant une importante variation de son émissivité et donc d'augmenter significativement les pertes de chaleur par réémission au-dessus de la température de transition. 25 Selon un mode de réalisation préférentiel et comme représenté sur la figure 2, le traitement sélectif 4 comporte au moins une couche mince additionnelle 6 ayant une émissivité variant avec la température et au moins une couche métallique 7, ladite couche métallique 7 étant disposée entre les deux couches minces 5 et 6, de manière à former un filtre interférentiel. 30 Préférentiellement, l'émissivité de la couche additionnelle 6 augmente avec la température. Avantageusement, le filtre interférentiel permet d'exploiter les multiples réflexions aux interfaces d'un empilement de matériaux d'indices optiques différents. Les réflexions aux interfaces induisent des déphasages donnant lieu à des interférences constructives ou destructives. L'optimisation des trajets optiques dans chaque couche permet d'obtenir un absorbeur sélectif, c'est-à-dire un absorbeur présentant une forte absorption du rayonnement solaire. La couche mince additionnelle 6 ayant une émissivité variable est en matériau thermochrome. Elle a une épaisseur comprise entre 10nm et 200nm. Cette gamme d'épaisseur permet la réalisation d'un filtre interférentiel présentant une absorption élevée du rayonnement solaire. Les deux couches minces en matériau thermochrome 5 et 6 sont dopées ou non dopées. Préférentiellement, les deux couches minces sont élaborées en un même matériau thermochrome et, encore plus préférentiellement, elles sont en dioxyde de vanadium. La présence des deux couches de V02, séparées par une fine couche métallique, permet d'obtenir un filtre interférentiel et d'optimiser l'absorption du rayonnement solaire. Selon un autre mode de réalisation, le traitement sélectif 4 du capteur solaire 1 20 est composé de différents matériaux thermochromes. Cette configuration permet, avantageusement, de changer les propriétés du traitement sélectif en fonction de différentes températures selon les applications envisagées. Avantageusement, un capteur solaire ayant un tel empilement permet d'avoir un rendement de conversion élevé en dessous d'une première température de 25 transition T1, un rendement de conversion intermédiaire entre la température T1 et une seconde température de transition T2, et enfin un rendement de conversion plus faible au-dessus de T2. La couche métallique 7 est, par exemple, en cuivre ou en argent. 30 Préférentiellement, la couche métallique 7 est en tungstène. La couche métallique 7 a une épaisseur comprise entre 10nm et 100nm. L'épaisseur de la couche métallique 7 est assez grande pour que la couche métallique soit continue et assez faible pour que le film métallique ne soit pas optiquement opaque. Selon un mode de réalisation particulier, le traitement sélectif 4 comporte en plus une couche anti-reflet 8. La couche anti-reflet 8 est disposée de manière à former la couche externe du traitement sélectif 4, à l'opposé du substrat 2. La couche anti-reflet 8 permet d'augmenter l'absorption du rayonnement solaire du capteur solaire par diminution des pertes optiques par réflexion. Avantageusement, la couche anti-reflet 8 est transparente dans le domaine de l'infrarouge afin d'obtenir une émissivité la plus faible possible en dessous de la température de transition des couches en oxyde(s) thermochrome(s). La couche anti-reflet 8 possède un indice de réfraction n compris entre l'indice de l'air et l'indice de la couche située en-dessous de la couche anti-reflet, dans la gamme 300nm-2000nm. L'épaisseur de la couche anti-reflet est comprise entre 10nm et 200nm. Préférentiellement, la couche anti-reflet 8 est en SiO2 ou en MgF2. Selon un autre mode de réalisation, la couche anti-reflet 8 est une couche à gradient d'indice. La couche anti-reflet 8 est, par exemple, un multi-couches en SiOXNY. x étant compris entre 0 et 2 et y étant compris entre 0 et 4/3 (5102 à Si3N4). Selon un autre mode de réalisation, la surface du matériau thermochrome est texturée de manière à obtenir les mêmes propriétés qu'une couche anti-reflet. La modification de la morphologie permet de modifier les caractéristiques optiques d'une surface. Avantageusement, la texturation permet de minimiser les pertes optiques par réflexion sur le capteur. L'homme du métier choisira la géométrie et les dimensions de la texturation en fonction des besoins. La texturation peut être, par exemple, sous la forme de pyramides ou de pointes. L'utilisation d'une couche en matériau thermochrome texturée permet d'éviter de déposer une couche anti-reflet additionnelle. Le substrat 2 est un substrat conducteur thermique. Par conducteur thermique, 5 on entend que le substrat peut transférer de la chaleur à l'échangeur thermique contenant le fluide caloporteur afin de chauffer ledit fluide. Avantageusement, le substrat réfléchit le rayonnement infrarouge. Il permet d'obtenir une faible émission de rayonnement thermique. Préférentiellement, le substrat 2 est en aluminium. 10 Préférentiellement, le substrat est plan de manière à former un capteur plan. Les différentes couches du traitement sélectif 4 peuvent être déposées par toute technique connue de l'homme du métier. Il s'agit, par exemple, de 15 méthodes physiques telles que des méthodes par évaporation (effet Joule, canon à électrons), par évaporation et compactage (par bombardement ionique, par ionisation), par pulvérisation cathodique ou ionique ; ou encore de méthodes chimiques en phase vapeur telles que le dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour « Chemical Vapor Deposition »), le dépôt chimique en 20 phase vapeur à basse pression (ou LPCVD pour « Low Pressure Chemical Vapor Deposition »), le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD pour « Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition »). Les exemples suivants permettront de montrer les changements de propriétés 25 optiques de l'oxyde de vanadium lors de la transformation de phase. Exemple 1 La figure 3 représente l'évolution du coefficient d'extinction k en fonction des longueurs d'onde pour un film de VO2 à 20°C et à 70°C. Le coefficient d'extinction k représente la perte d'énergie du rayonnement électromagnétique dans un milieu. Ce coefficient dépend de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique traversant le milieu. Comme représenté sur la figure 3, le coefficient d'extinction k du VO2 est relativement faible dans l'infrarouge pour la phase basse température (20°C), il devient beaucoup plus élevé pour la phase haute température (70°C). Un traitement sélectif comprenant une couche mince de VO2 permet d'obtenir une faible émissivité en dessous de la température de transition et de présenter une émissivité plus élevée au-delà de cette température. Exemple 2 Dans cet exemple, le substrat 2 est en aluminium et joue le rôle du réflecteur infrarouge. La couche anti-reflet 8 est une couche de silice SiO2. Le métal utilisé pour le filtre interférentiel est le tungstène. Le matériau thermochrome est du 15 VO2. Le capteur solaire 1 est composé de l'empilement suivant, depuis l'extérieur du traitement sélectif 4, i.e. depuis la couche anti-reflet 8 en SiO2, vers le substrat 2 en aluminium : SiO2 (114 nm) / VO2 (94 nm) / W (47nm) / VO2 (259nm) / Al (1mm). Les valeurs notées entre parenthèses représentent les épaisseurs des 20 différentes couches. Des simulations numériques ont été réalisées avec le logiciel OptiLayer afin de déterminer les réflectivités du capteur solaire en fonction des longueurs d'onde pour des températures inférieures à la température de transition du VO2 (60°C) et pour des températures supérieures à la température de transition du VO2 25 (80°C). Les résultats ont montré que la transition de phase réversible du VO2 modifie significativement les propriétés de l'absorbeur. A 60°C, l'absorption du rayonnement solaire est de 87,9% et l'émissivité est de 4,0%. A 80°C, l'absorption du rayonnement solaire est de 85,6% et l'émissivité augmente 30 jusqu'à 13,1%. Exemple 3 La figure 4 représente la dépendance en température du rendement de conversion d'un capteur standard et celle d'un capteur solaire, comme décrit dans l'exemple 2, comprenant une couche en matériau thermochrome. Les deux capteurs possèdent la même absorption et la même émissivité à basse température, c'est-à-dire à une température inférieure à celle de la température de transition du V02. La température de stagnation d'un capteur solaire est atteinte lorsque les pertes thermiques s'annulent avec l'énergie accumulée par absorption du 10 rayonnement solaire. Les pertes thermiques du capteur sont de trois types : conduction, convection et rayonnement. Les pertes par conduction et convection peuvent être modifiées en jouant sur la géométrie et l'isolation du capteur. En ne considérant que les pertes par rayonnement, le rendement de conversion ric du capteur solaire est donné par : 15 Tic = a-(Ta4 - To4) Es avec : a l'absorption solaire et s l'émissivité du capteur, a et e sont des nombres sans 20 dimensions compris entre 0 et 1, a la constante de Stefan-Boltzmann, avec a = 5,67.10-8 W/m2/K4, Ta est la température du capteur, Es l'éclairement solaire au sol, Es = 1000W/m2 To la température ambiante, To = 30°C. 25 Es et To ont été choisis conformément aux préconisations de la norme NF EN 12975-2 relative aux installations solaires thermiques et leurs composants. Ces valeurs représentent une journée ensoleillée. La température dite de stagnation du capteur est donc atteinte lorsque le 30 rendement de conversion devient nul. La température de stagnation pour le capteur standard est de 192°C alors que celle pour un capteur ayant un traitement sélectif à émissivité variable est de 103°C. Le changement des propriétés de l'absorbeur au-dessus de la température de 5 transition du matériau thermochrome permet d'obtenir une forte diminution de la température de stagnation du capteur. Sur la figure 4, une forte chute de rendement peut être observée à 68°C pour le capteur tel que décrit dans l'exemple 2. Cette température correspond à la température de transformation de phase de l'oxyde VO2 thermochrome. 10 Ce capteur à émissivité variable permet de diminuer la température de stagnation, en augmentant les pertes par rayonnement du capteur. Le contrôle des températures permet, avantageusement, de ne pas surchauffer le fluide caloporteur à base d'eau et de propylène-glycol et donc de ne pas le 15 dégrader. Ceci évite que le fluide caloporteur ne s'épaississe, qu'il ne devienne acide ou encore qu'il ne perde ses propriétés d'antigel. Les joints en caoutchouc présents dans le système solaire combiné, et notamment dans les pompes et soupapes, ne sont donc pas détériorés. Finalement, l'utilisation d'un capteur solaire à émissivité variable permet avantageusement d'empêcher le 20 vieillissement rapide du capteur solaire, augmentant ainsi sa durée de vie. Le capteur solaire comprenant un traitement sélectif à émissivité variable présente un bon rendement de conversion dans les basses températures, tout en évitant les problèmes liés aux surchauffes grâce à la modification des 25 propriétés intrinsèques de l'absorbeur lors de la transformation de l'oxyde thermochrome. Le traitement sélectif à émissivité variable permet d'apporter au capteur solaire plan une protection thermique intrinsèque, passive et réversible. Le capteur solaire plan est configuré pour avoir un coefficient d'absorption 30 élevé et une très faible émissivité en-dessous de la température de transition et pour avoir une absorption plus faible et une émissivité plus élevée au-dessus de la température de transition. Une fois installé, le capteur solaire ne nécessite aucune action humaine pour modifier ses propriétés optiques : les changements sont intrinsèques au traitement sélectif et notamment l'émissivité du traitement sélectif varie avec la température. Avantageusement, l'utilisation d'un tel traitement sélectif permet de ne pas utiliser, dans le système solaire combiné, des éléments additionnels tels que 10 des pompes, des vases d'expansion, des boucles de décharge, qui sont encombrantes et qui engendrent un surcoût d'installation important. Ce type de capteur est particulièrement adapté pour les dispositifs permettant de chauffer l'eau sanitaire ou encore des piscines. 15 Le traitement sélectif du capteur solaire pourrait également être composé d'empilements différents comme un empilement comprenant une couche antireflet, une couche absorbante, un réflecteur infrarouge. Une couche à base d'oxyde thermochrome pourrait également être utilisée dans un capteur solaire de type composite diélectrique/métal sur réflecteur infrarouge. 20 Avantageusement, ce type de capteur permet d'atteindre rapidement la température visée, en utilisant une surface de capteur réduite. REVENDICATIONS1. Capteur solaire (1) comprenant : un substrat (2) conducteur thermique, muni d'une première face et d'une deuxième face, un échangeur thermique (3) en contact thermique avec la première face du substrat (2), ledit échangeur thermique étant destiné à contenir un fluide caloporteur, un traitement sélectif (4) recouvrant la deuxième face du substrat (2), caractérisé en ce que le traitement sélectif (4) comprend au moins une couche mince (5) ayant une émissivité augmentant avec la température. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche mince (5) est en dioxyde de vanadium V02, en Al2_xCrx03, en BiVO4 ou en Nb02. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche mince (5) est en dioxyde de vanadium dopé. 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dioxyde de vanadium est dopé avec de l'étain, de l'aluminium, du tungstène ou du molybdène. 5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche mince (5) a une épaisseur comprise entre lOnm et 1000nm. 25 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le traitement sélectif (4) comporte au moins une couche mince additionnelle (6) ayant une émissivité variant avec la température et au moins une couche métallique (7), ladite couche métallique (7) étant disposée entre les 30 couches minces (5, 6) de manière à former un filtre interférentiel. 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux couches minces (5,6) sont en dioxyde de vanadium et en ce que la couche métallique (7) est en tungstène. 8. Capteur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la couche mince additionnelle (6) a une épaisseur comprise entre lOnm et 200nm. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la couche métallique (7) a une épaisseur comprise entre 10nm et 10 100nm. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le traitement sélectif (4) comporte une couche anti-reflet (8). 15 11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la couche anti- reflet (8) est en SiO2 ou en MgF2. 12. Capteur selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la couche anti-reflet (8) est une couche à gradient d'indice. 20 13. Capteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la couche antireflet (8) est un multi-couches en SiOxNy. 14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé 25 en ce que le substrat (2) est en aluminium.