Brevet FR3038972A1 — publié le 20170120

Capteur d'energie solaire et dispositif de chauffage à air chaud comportant un tel capteur La présente invention a pour objet un capteur d'energie solaire et un dispositif de chauffage à air chaud comportant un tel capteur. Le secteur technique de l'invention est celui de la fabrication et de l'installation de capteurs aptes à absorber et utiliser la chaleur du rayonnement solaire en transmettant celle-ci à un fluide, qui est de l'air dans la présente invention, circulant dans le capteur. On connaît déjà de tels capteurs qui sont proposés sur le marché, surtout depuis les années 1970 du fait de la forte augmentation alors du prix du pétrole et du gaz, de la volonté politique de protéger l'environnement et d'économiser les énergies non renouvelables, et de considérations individuelles tant économiques qu'écologiques, qui poussent de plus en plus à développer des techniques d'exploitation des énergies renouvelables comme celle reçue directement du soleil. On peut citer par exemple, parmi les plus anciennes demandes de brevets françaises déposées il y a plus de trente ans, dans le domaine des capteurs d'energie solaire à circulation d'air, la demande de brevet FR2536156 déposée le 12 novembre 1982 par l'Institut de Recherche Alternative Synopsis : ce document décrit un capteur d'energie calorifique solaire du type comportant un caisson présentant une face avant recevant au moins une paroi perméable au rayonnement solaire et un fond portant une paroi constituant un absorbeur de cette énergie solaire, ces deux parois délimitant un espace dans lequel circule de l'air (ou un 3038972 autre gaz) qui s'y chauffe au contact de l'absorbeur qui lui restitue les calories qu'il a captées; dans un mode de réalisation, à l'intérieur du caisson, sous et parallèlement à la paroi avant perméable au rayonnement 5 solaire, il peut être montée une deuxième paroi perméable au rayonnement solaire, ces deux parois étant alors séparées par un intervalle qui constitue un matelas d'air isolant ; l'invention décrite dans ce document est cependant très différente de la présente invention car 10 elle porte sur un échangeur de chaleur inclus dans ledit caisson et dans lequel circule un fluide caloporteur qui est chauffé par l'air (ou tout autre gaz) lui-même réchauffée au contact de l'absorbeur et circulant en circuit fermé d'une manière spécifique dans le caisson du 15 capteur. On peut également citer la demande de brevet FR2975759 plus récente, car déposée le 26 mai 2011 par la société Systovi, et qui a pour objet un capteur solaire thermique à circulation d'air constitué par un caisson 20 formé par un fond, une paroi latérale périphérique et une paroi supérieure transparente a la lumière, ledit caisson contenant une paroi, absorbant les calories transmises, s'étendant sous la paroi supérieure, à distance de celle-ci, pour délimiter d'une part, avec la dite paroi 25 supérieure, une lame d'air immobile isolante (comme déjà décrit en fait dans la demande antérieure citée précédemment) et, d'autre part avec le fond du caisson un volume dit de circulation dans lequel l'air va se réchauffer (comme également dans la demande antérieure 30 citée ci-dessus, mais ici non pas en circuit fermé pour réchauffer un autre fluide circulant dans un échangeur mais en circuit ouvert): et pour aider l'air à se charger en calories, le fond du caisson comporte des moyens déviant l'air circulant vers le moyen absorbeur 3038972 d'energie, à savoir la paroi intermédiaire s'étendant sous la paroi supérieure, à distance de celle-ci. Cependant malgré cette configuration et ces moyens de déviation d'air, le rendement de tels capteurs n'est 5 pas satisfaisant. D'autres fabricants ont par ailleurs développé d'autres techniques pour améliorer ce rendement et déposé des demandes de brevets, dont certaines sont encore plus anciennes que la première citée ci-dessus comme la 10 demande de certificat d'addition FR2400167 déposée le 30 mai 1978 par la société US Union Carbide Corporation qui enseigne un dispositif de chauffage d'air par l'energie solaire comprenant : - un boitier ayant une paroi avant destinée à 15 transmettre les rayons solaires incidents et comprenant une entrée et une sortie formant un trajet de circulation d'un gaz à chauffer, - un élément collecteur absorbant les radiations et perméable au gaz, placé transversalement au trajet de 20 circulation des gaz dans le boitier et destiné à recevoir des rayons solaires incidents ayant traversé la paroi avant, et à transférer la chaleur absorbée au gaz passant suivant le trajet de circulation et à travers l'élément collecteur et 25 - un piège à radiations place dans le boitier près de la surface de la paroi avant et ayant une structure cellulaire comprenant de nombreuses cellules ouvertes communiquant avec le trajet de circulation et ayant des parois qui sont sensiblement perpendiculaires à la paroi 30 avant et qui constituent des cloisons empêchant la circulation du gaz à travers le piège en direction sensiblement parallèle au plan de la paroi avant, la structure cellulaire étant formée d'une matière capable de transmettre la lumière et qui est opaque aux rayons 3038972 infrarouges émis par l'élément collecteur vers la paroi avant. Cependant malgré cet élément collecteur et ce piège à radiation indépendants l'un de l'autre, le 5 rendement de tels capteurs n'est pas non plus satisfaisant alors que ces capteurs sont assez complexes et donc couteux ; du reste ceux-ci ne sont pas commercialisés au moins en France à ce jour, trente-sept ans après le dépôt de cette demande de certificat 10 d'addition. On pourra cependant se référer utilement à ces documents ainsi qu'aux nombreuses autres demandes de brevets déposées sur ce type de capteurs d'énergie solaire à circulation d'air, dit aussi capteurs solaires 15 aérothermiques, et qui constituent une famille dans laquelle peut être rattachée la présente invention ; nous ne reprendrons donc pas ici la description du principe de fonctionnement de ces différents procédés et dispositifs existants pour lesquels on peut considérer que la 20 présente demande apporte des perfectionnements. Le problème posé est en effet, premièrement, d'améliorer le rendement de tels types de capteurs d'énergie solaire à circulation d'air, deuxièmement, de réaliser ceux-ci à moindre coût, ces deux objectifs 25 devant permettre d'assurer un développement commercial grâce à un retour sur investissement rapide, et troisièmement de pouvoir installer un dispositif complet et intégré de chauffage à air chaud d'un bâtiment comportant et utilisant de tels capteurs. 30 Une solution au problème posé est un capteur d'énergie calorifique solaire comprenant, d'une manière connue donc depuis plus de trente ans, un caisson doté d'une paroi dite supérieure, perméable aux rayonnements solaires, d'un fond isolant fermant le caisson à sa 3038972 partie dite inférieure, d'un châssis périphérique et d'une paroi interne s'étendant sous la paroi supérieure et partageant le caisson entre un espace fermé du côté de la paroi supérieure et un espace formant un conduit de 5 circulation d'air à réchauffer, et tel que, suivant l'invention : cette paroi interne transmet la chaleur du rayonnement solaire pénétrant à travers la paroi supérieure vers l'espace de circulation d'air et celui-ci contient un absorbeur de cette chaleur transmise, lequel 10 absorbeur est constitué d'au moins une structure métallique ajourée en forme de nids-d'abeilles ouverts et à travers laquelle l'air est apte à circuler. Les objectifs de la présente invention sont également atteints avec un dispositif de chauffage à air 15 chaud de bâtiment utilisant l'énergie calorifique solaire et comportant : - au moins un capteur d'energie solaire, qui est disposé à l'extérieur du bâtiment, dans lequel circule de l'air, entrant dans ce capteur d'énergie solaire et pris 20 à l'extérieur du bâtiment, vers l'intérieur du bâtiment et qui est un capteur suivant la définition donnée précédemment et complétée ci-après, - un ventilateur de circulation de cet air, - un capteur de température de l'air intérieur du 25 bâtiment, - un capteur de température de l'air en sortie du capteur d'énergie solaire, et - un régulateur de commande du ventilateur. Dans un mode préférentiel de réalisation la 30 structure métallique ajourée est réalisée à partir d'un film métallique continu découpé en pointillés, suivant des lignes parallèles à une seule direction, les dits pointillés de deux lignes parallèles adjacentes étant positionnés en quinconces, lequel film étant ensuite 3038972 étiré perpendiculairement aux lignes parallèles de découpes, lesquelles découpes, en se déformant, s'ouvrent et forment des cellules qui constituent la structure en nids-d'abeilles, apte à permettre une circulation d'air. 5 Dans un mode préférentiel de réalisation l'absorbeur de chaleur est constitué de plusieurs couches superposées de films métalliques, étirés en structures de forme en nid-d'abeilles ouvertes, l'ensemble de ces couches remplissant complétement l'espace de circulation 10 d'air et étant apte à permettre la dite circulation à travers les cellules ouvertes et le long des parties non découpées des films métalliques. De telles dispositions et caractéristiques, ainsi qu'avec celles complémentaires décrites ci-après, 15 répondent au problème posé ; en effet et en particulier des essais ont permis de constater, dans les mêmes conditions de fonctionnement, à savoir un débit de 80 m3/heure assuré par un même ventilateur, un ensoleillement de 1000 Watt/m2 et une surface de 1,5 m2, 20 les rendements suivants : - d'une part avec un capteur réalisé suivant des caractéristiques connues à ce jour (telles que par exemple décrites dans les demandes de brevet citées précédemment), on obtient un écart de température de 25 l'air entre l'entrée et la sortie du capteur d'énergie solaire de 20 à 25°C, et - d'autre part avec un capteur suivant la présente invention, avec trois couches superposées de films métalliques, étirés en structures de forme en nid-30 d'abeilles ouvertes et croisées, et occupant tout l'espace de circulation de l'air à réchauffer, mais sans bien sûr être serrées et y créer une perte de charge significative qui freinerait la dite circulation d'air, le dit espace étant (pour y loger ces trois 3038972 couches de film métallique étirées et ayant les caractéristiques données ci-après à titre d'exemple dans l'explication de leur fabrication) d'une largeur de 750 mm environ, d'une épaisseur de 20 mm environ et d'une 5 longueur de 2000 mm environ, on obtient un écart de température de l'air entre l'entrée et la sortie du capteur d'énergie solaire suivant l'invention de 58°C. Ces résultats parlent d'eux-mêmes, et l'objectif de réaliser de tels capteurs à moindre coût est également 10 atteint car la fabrication des structures de forme en nid-d'abeilles ouvertes à partir de films métalliques continus découpés en pointillés parallèles et en quinconces, lequel film étant ensuite étiré perpendiculairement aux lignes parallèles de découpes, 15 est peu couteuse et rapide. Le résultat est : - un nouveau capteur d'energie solaire qui d'une part transforme l'énergie des rayonnements du soleil en calories stockées dans un absorbeur innovant et d'autre 20 part grâce à ce même absorbeur restitue ces calories, avec un rendement inégalé et optimum pour un capteur solaire aérothermique, à l'air ambiant, et - un nouveau dispositif de chauffage à air chaud comportant un tel capteur d'énergie solaire. 25 Lequel capteur d'énergie solaire et lequel dispositif de chauffage répondent au problème posé, et les avantages évoqués ci-dessus et complétés dans la description des figures ci-après en prouvent l'intérêt. La description et les figures ci-jointes en donnent un 30 exemple de réalisation mais d'autres modes de réalisation sont possibles dans le cadre de la portée de la présente invention. La figure 1 est un schéma d'ensemble d'un dispositif de chauffage à air chaud suivant l'invention 3038972 et les traits en pointillés reliant le régulateur 11 de commande à tous les autres composants du dispositif y représentent les connections électriques avec ceux-ci. La figure 2 est une vue en coupe suivant II, II' 5 de la figure 1 du capteur d'énergie solaire seul suivant l'invention. La figure 3 est une vue en coupe transversale du capteur d'énergie solaire suivant l'invention comme sur la figure 2 mais en vue perspective et dans un angle. 10 La figure 4 est une vue de dessus en plan d'un film métallique prédécoupé avant déformation pour réaliser ensuite, par étirement, la structure métallique en nids d'abeille du capteur suivant l'invention, et telle que représentée sur la figure 5. 15 Comme indiqué précédemment le capteur d'énergie calorifique solaire comprend d'une manière connue un caisson 2 doté : - d'une paroi 1 dite supérieure, perméable aux rayonnements solaires 10 qu'elle reçoit, quand le caisson 20 2 du capteur d'énergie solaire est disposé horizontalement ou incliné sur toute surface telle que le toit d'un bâtiment dont on veut réchauffer le volume intérieur, - d'un fond isolant 7 fermant le caisson 2 à sa 25 partie dite inférieure, - d'un châssis périphérique 21 et - d'une paroi interne 3 s'étendant sous la paroi supérieure 1, maintenue et fixée à une distance donnée de celle-ci par exemple par un joint périphérique 25, et 30 partageant le caisson 2 entre un espace fermé 4 du côté de la paroi supérieure 1 et un espace 5 formant un conduit de circulation de l'air à réchauffer. Selon l'invention, cette paroi interne 3, qui est de préférence une tôle d'alliage d'acier d'épaisseur de 3 3038972 à 5/10° mm, préférentiellement 4/10° mm, et dont la face tournée vers la paroi supérieure 1 est noire et celle tournée vers l'espace 5 de circulation d'air est au contraire rayonnante, transmet la chaleur du rayonnement 5 solaire 10 pénétrant à travers la paroi supérieure 1 vers l'espace 5 de circulation d'air. De plus cet espace 5 de circulation d'air contient un absorbeur 6 de cette chaleur transmise, lequel absorbeur 6 est constitué d'au moins une structure 10 métallique ajourée 16 en forme de nids-d'abeilles 26 ouverts à travers laquelle l'air est apte à circuler. Suivant la représentation des figures 2 et 3, on notera qu'il est difficile de représenter en coupe et perspective la forme des nids-d'abeilles 26 ouverts de la 15 structure métallique 16 qui constitue l'absorbeur 6 innovant de chaleur solaire, transmise par la paroi interne 3. On comprendra sans doute mieux la forme de cette structure métallique ajourée 16 en décrivant comment elle 20 est réalisée et telle que représentée sur les figures 4 et 5 : - on découpe suivant des pointillés, de préférence de 9 mm de long(Q) tous les 3 mm(e), un film métallique continu et plan 16, de préférence en alliage d'aluminium 25 et d'épaisseur de l'ordre 0,7 mm, suivant des lignes parallèles à une seule direction et espacées de 1,5 min (P) - les dits pointillés de deux lignes parallèles adjacentes étant positionnés en quinconces pour qu'un 30 pointillé découpé sur une ligne soit encadré par deux parties non découpées des deux lignes adjacentes, et réciproquement, - on étire ensuite le film perpendiculairement aux lignes parallèles de découpes, lesquelles découpes, en se 3038972 10 déformant, s'ouvrent par vrillage des parties non découpées et forment des cellules 26 qui constituent la structure en nids-d'abeilles qui favorisent l'échange thermique de l'air qui circule dans cette structure et 5 qui s'y réchauffe d'autant mieux. L'absorbeur 6 est constitué de préférence de plusieurs couches superposées, telles que trois comme lors des essais cités précédemment, de films métalliques 16 étirés en structures de forme en nid-d'abeilles 10 ouvertes : ces couches superposées remplissent au mieux l'espace de circulation d'air 5, tout en étant aptes à permettre la dite circulation sans la freiner, à travers d'une part les cellules 26 ouvertes constituées, au niveau des découpes en pointillés, par la déformation du 15 film et d'autre part le long des parties non découpées qui lui transmettent ainsi la chaleur absorbée ; cette circulation d'air peut ainsi se faire à la fois dans le sens perpendiculaire et dans le sens parallèle aux lignes de découpe quand on dispose les couches superposées en 20 croisant alternativement et perpendiculairement, lors de leur superposition l'une sur l'autre, leurs lignes propres de découpes. Le fond 7, qui isole le caisson 1 du côté opposé à la paroi supérieure 1 recevant le rayonnement 10 du 25 soleil et perméable à celui-ci, et qui délimite l'espace 5 de circulation de l'air, peut être constitué par un panneau « sandwich » 7 comportant au moins deux feuilles d'aluminium entre lesquelles est disposé un matériau isolant. 30 Un tel capteur d'énergie solaire suivant l'invention est constitué uniquement d'éléments 100% recyclables et peut se positionner dans n'importe quelle position (portrait ou paysage) et sur n'importe quel emplacement (toiture, façade, sol, à plat, incliné). 3038972 Il peut être intégré, seul ou avec d'autres capteurs montés les uns à la suite des autres en série et/ou en parallèle suivant la température de sortie et le débit d'air souhaités, dans un dispositif complet de 5 chauffage de bâtiment utilisant l'énergie calorifique solaire, tel que représenté schématiquement sur la figure 1, et comportant : - au moins donc un tel capteur extérieur 2 d'energie solaire dans lequel circule de l'air, pris à 10 l'extérieur du bâtiment, vers l'intérieur 22 de celui-ci, - un ventilateur 14 de circulation de cet air, - un capteur 13 de température de l'air intérieur 22 du bâtiment, - un capteur 12 de température de l'air en sortie 15 du capteur 2, et - un régulateur de commande 11 du ventilateur 14, et alimenté par une alimentation électrique 20. L'espace de circulation 5 de l'air à réchauffer dans le dit capteur suivant l'invention comporte une 20 entrée d'air frais 8 équipé d'une filtre de type à poussière et une sortie 9 apte à être raccordée soit à l'entrée d'air d'un autre capteur, soit à un conduit de ventilation 24 relié à un module d'aspiration d'air, contenant le ventilateur 14, qui envoie l'air chaud dans 25 tout volume 22 que l'on veut réchauffer, comme celui du dit bâtiment. Le dispositif complet de chauffage de bâtiment décrit ci-dessus peut-être aussi raccordé, par une dérivation 27 s'ouvrant après le ventilateur 14 de 30 circulation de l'air, à un conduit 28 contenant un échangeur 21 de chaleur air-eau dans lequel circule alors d'un côté l'air provenant ainsi de la sortie 9 du capteur 2 et de l'autre de l'eau sanitaire 23 en provenance d'un ballon d'eau chaude 19 où elle y retourne. 3038972 12 Pour activer l'ouverture de cette dérivation 27 le dispositif comporte un volet motorisé 17 qui est apte à orienter l'air chaud vers le conduit 28 contenant l'échangeur air-eau 21, et un circulateur d'eau 15 5 s'enclenche quand le volet 17 est ouvert vers la dérivation 27 et donc vers cet échangeur 21. Pour cela le régulateur de commande 11 pilote alors non seulement le ventilateur 14 mais également le fonctionnement de tous les éléments du dispositif suivant 10 l'invention, de telle façon que : - le ventilateur 14 est mis en marche ou arrêté en fonction d'une part de la température ambiante mesurée 13 dans le bâtiment 22 par rapport à des valeurs de consigne données haute et basse, et d'autre part de la 15 température mesurée 12 en sortie 9 du capteur 2 d'energie solaire, - cependant même si la température ambiante 13 de consigne est atteinte, le ventilateur peut continuer à marcher si la température mesurée 18 du ballon d'eau 20 chaude sanitaire est inférieure à une valeur de consigne, et en ce cas le volet motorisé 17 s'ouvre et le circulateur d'eau 15 est mis en route, - quand la température mesurée 18 du ballon d'eau chaude sanitaire atteint la valeur de consigne, et/ou, 25 suivant la priorité que l'on donne à l'un ou l'autre, quand la température ambiante mesurée 13 dans le bâtiment 22 redescend en dessous de la valeur de consigne basse donnée, le volet motorisé 17 reprend sa position initiale pour orienter l'air chaud vers l'intérieur 22 du bâtiment 30 et le circulateur 15 d'eau sanitaire s'arrête, - quand les deux températures de consigne hautes sont atteintes à la fois dans le bâtiment 22 et le ballon d'eau chaude 19, le ventilateur 14 et le circulateur d'eau 15 ne sont plus alimentés et sont donc arrêtés, et REVENDICATIONS1- Capteur d'énergie calorifique solaire comprenant un caisson (2) doté d'une paroi (1) dite supérieure, perméable aux rayonnements solaires (10), d'un fond isolant (7) fermant le caisson (2) à sa partie dite inférieure, d'un châssis périphérique (21) et d'une paroi interne (3) s'étendant sous la paroi supérieure (1) et partageant le caisson (2) entre un espace fermé (4) du côté de la paroi supérieure (1) et un espace (5) formant un conduit de circulation d'air à réchauffer, caractérisé en ce que cette paroi interne (3) transmet la chaleur du rayonnement solaire (10) pénétrant à travers la paroi supérieure (1) vers l'espace (5) de circulation d'air et celui-ci contient un absorbeur (6) de cette chaleur transmise, lequel absorbeur (6) est constitué d'au moins une structure métallique ajourée (16) en forme de nids-d'abeilles ouverts à travers laquelle l'air est apte à circuler . 2- Capteur d'énergie suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la structure métallique ajourée (16) est réalisée à partir d'un film métallique continu découpé en pointillés, suivant des lignes parallèles à 25 une seule direction, les dits pointillés de deux lignes parallèles adjacentes étant positionnés en quinconces, lequel film étant ensuite étiré perpendiculairement aux lignes parallèles de découpes, lesquelles découpes, en se déformant, s'ouvrent et forment des cellules (26) qui 30 constituent la structure en nids-d'abeilles, apte à permettre une circulation d'air. 3038972 15 3- Capteur d'énergie suivant la revendication 2 caractérisé en ce que l'absorbeur (6) est constitué de plusieurs couches superposées de films métalliques (16) étirés en structures de forme en nid-d'abeilles ouvertes, 5 remplissant l'espace de circulation d'air (5) et aptes à permettre la dite circulation à travers les cellules (26) ouvertes et le long des parties non découpées des films métalliques (16). 10 4- Capteur d'énergie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la paroi interne (3) transmetteur de chaleur est une tôle d'alliage d'acier de 3 à 5/10° d'épaisseur dont la face tournée vers la paroi supérieure (1) est noire. 15 5- Capteur d'énergie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le fond (7), isolant du caisson (1) et délimitant l'espace (5) de circulation de l'air, est constitué par un panneau 20 « sandwich » (7) comportant au moins deux feuilles d'aluminium entre lesquelles est disposé un matériau isolant. 6- Capteur d'énergie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'espace de circulation (5) de l'air à réchauffer comporte une entrée d'air frais (8) et une sortie (9) apte à être raccordée soit à l'entrée d'air d'un autre capteur, soit à un conduit de ventilation (24) relié à un module (14) d'aspiration d'air qui envoie l'air chaud dans tout volume (22) que l'on veut réchauffer. 3038972 16 7- Dispositif de chauffage à air chaud de bâtiment utilisant l'énergie calorifique solaire et comportant au moins un capteur extérieur (2) d'energie solaire dans lequel circule de l'air vers l'intérieur 5 (22) du bâtiment, un ventilateur (14) de circulation de cet air, un capteur (13) de température de l'air intérieur (22) du bâtiment et un capteur (12) de température de l'air en sortie du capteur (2) et un régulateur de commande (11) du ventilateur caractérisé en 10 ce que le capteur (2) d'energie solaire est un capteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6 et l'air entrant (8) dans celui-ci est pris à l'extérieur du bâtiment . 15 8- Dispositif suivant la revendication 7 caractérisé en ce qu'il est raccordé à un échangeur (21) de chaleur air-eau dans lequel circule d'un côté l'air en sortie du capteur (2) et de l'autre de l'eau sanitaire (23). 20 9- Dispositif suivant la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comporte un volet motorisé (17) qui est apte à orienter l'air chaud vers l'échangeur air-eau (21) et un circulateur d'eau (15) qui s'enclenche 25 quand le volet est ouvert vers cet échangeur (21).