Brevet FR3101403A1 — publié le 20210402

L'objet principal de l'invention est un capteur solaire thermique (1), comportant : un élément formant la face avant (2) ; un volume interne (V) ; un absorbeur (4), situé dans le volume interne (V), configuré pour absorber le rayonnement solaire et le transformer en chaleur ; un tube collecteur (5), situé dans le volume interne (V) de sorte que l’absorbeur (4) soit entre l’élément formant la face avant (2) et le tube collecteur (5), comprenant un fluide caloporteur (F) ; un moyen de transfert de chaleur (6), situé entre l’absorbeur (4) et le tube collecteur (5) ; et un élément de contact thermique glissant (7), situé entre le moyen de transfert de chaleur (6) et le tube collecteur (5). Figure pour l’abrégé : Figure 2 Capteur solaire thermique modulaire La présente invention se rapporte au domaine général des capteurs solaires thermiques pour la production de chaleur. L’invention propose ainsi un capteur solaire thermique modulaire, ainsi qu’un champ solaire comprenant une pluralité de tels capteurs. En France, environ la moitié de la consommation de l’énergie est faite sous forme de chaleur. De plus, la France s’est donnée pour ambition d’atteindre une neutralité carbone en 2050, et de ce fait le vecteur chaleur va prendre une place importante dans les moyens mis en œuvre pour atteindre cet objectif. Jusqu’à ces dernières années, la mise en œuvre des capteurs solaires thermiques était essentiellement réalisée sur des bâtiments individuels et/ou collectifs dans un objectif de chauffage d’eau chaude sanitaire ou pour le chauffage du bâtiment. Les surfaces de capteurs solaires étaient comprises entre 2 et 30 m². Ces marchés sont toujours présents mais sont en stagnation car ils se heurtent à la concurrence du solaire photovoltaïque (PV) et à celle des ballons solaires thermodynamiques (chauffage de l’eau chaude par l’intermédiaire d’une pompe à chaleur). Depuis quelques années et compte-tenu des objectifs et des enjeux climatiques, deux nouveaux marchés sont en émergence au niveau européen et mondial : le solaire thermique pour réseau de chaleur ; le solaire thermique pour l’industrie (encore dénommé SHIP pour « Solar Heat for Industrial Process » en anglais). Ces deux marchés conduisent à la réalisation de champs solaires de grandes tailles, typiquement de 1000 à 50000 m². Le Danemark a été un pays pilote sur ce type de marché où, grâce à une politique incitative, environ 1,37 millions de m² ont été installés ces dix dernières années. Afin de faciliter la mise en œuvre et de réduire les coûts, les capteurs thermiques utilisés sur ces installations sont généralement de grandes tailles, c’est-à-dire de 10 à 15 m² contre des surfaces de 1 à 5 m² pour des capteurs conventionnels. Par ailleurs, deux technologies de capteurs solaires thermiques sont présentes sur le marché : les capteurs solaires de type à tube sous vide ; et les capteurs solaires de type plan. Ces deux technologies appliquées à des capteurs de petites surfaces ont été largement investiguées et ont fait l’objet de nombreuses publications. Elles ont aussi été employées pour des capteurs de grandes surfaces. Par exemple, la demande internationale WO 2013/053979 A1 divulgue un capteur solaire de type plan avec une surface de l’ordre de 15 m². Il y est décrit une méthode pour la réalisation d’un absorbeur en aluminium sur lequel est déposé un traitement sélectif. Ce dépôt sélectif permet d’absorber le rayonnement solaire visible et de limiter les pertes par réémission dans l’infrarouge. La technologie proposée permet de déposer le traitement sélectif en une seule fois sur toute la surface, ce qui permet un gain de coût. Pour cela, l’absorbeur est réalisé par la mise en parallèle de profilés en aluminium qui sont ensuite brasés ou soudés sur les collecteurs. Il s’agit donc d’une technologie conforme à la technologie traditionnelle mais améliorée pour permettre la production de capteurs de grandes surfaces et à moindre coût. En outre, la demande internationale WO 2014/146040 A1 propose une conception de capteur solaire avec la présence d’un tube caloduc permettant de faire le lien entre l’absorbeur et le collecteur, et la présence d’un contact thermique entre les caloducs et le collecteur. Dans ce document, le contact thermique entre le collecteur et le condenseur du caloduc est rigide, effectué par des vis, sans glissement entre les deux surfaces. De plus, le capteur proposé ne peut pas être utilisé sur des champs solaires de grandes tailles si la dilatation thermique du collecteur n’est pas gérée par un autre moyen. Il existe également une liaison mécanique, par vissage ou soudure, entre les collecteurs de plusieurs capteurs consécutifs, et il n’est pas possible d’avoir de longue ligne de capteurs sur un seul collecteur. En outre, il n’y a pas de gestion des phénomènes de dilatation différentielle. On connaît également le brevet français FR 2 942 028 B1 qui décrit une technologie de capteur solaire adaptée à des champs solaires de grandes dimensions avec la présence de systèmes à caloduc et la présence d’un collecteur tubulaire de grande dimension, avec une longueur de l’ordre de la centaine de mètres. Par contre, seuls des collecteurs à tube sous vide peuvent être utilisés sur ce système. Dans ce document, la gestion de la dilatation est réalisée grâce à l’utilisation de tubes sous vide. Les caloducs sont mécaniquement liés au collecteur, et il n’y a pas de déplacement mécanique, l’utilisation d’un matériau d’interface thermique est préconisée. De ce fait, c’est l’ensemble formé par la partie collecteur, le condenseur des caloducs, l’isolant et la partie supérieure des tubes en verre qui se déplace sous l’effet de la dilatation. La partie inférieure des tubes en verre est fixe car elle est mécaniquement liée au châssis. Les tubes en verre sont donc soumis au cisaillement lors de la dilatation et la liaison mécanique entre tube en verre et isolant doit être souple pour permettre ce mouvement. Par ailleurs, le modèle d’utilité chinois CN 203518297 U divulgue des capteurs solaires à tubes sous vide à caloduc. Il s’agit ici d’améliorer le contact thermique entre le condenseur du caloduc et le collecteur en permettant une condensation directe du fluide caloporteur du caloduc sur le collecteur. Cela permet d’utiliser des tubes collecteurs de gros diamètre mais la liaison caloduc/collecteur est rigide. L’invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l’art antérieur. En particulier, l’invention vise à proposer une solution alternative de capteur solaire thermique de type plan et modulaire, destinée à la réalisation de champs solaires de grandes tailles, sous forme de rangées de capteurs de grandes longueurs. L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un capteur solaire thermique, caractérisé en ce qu’il comporte : - un élément formant la face avant du capteur solaire, - un volume interne refermé par le biais d’au moins une partie de l’élément formant la face avant du capteur solaire, - un absorbeur, situé au moins en partie dans le volume interne, configuré pour absorber le rayonnement solaire et le transformer en chaleur, l’absorbeur comprenant un revêtement sélectif permettant de limiter les pertes thermiques vers le milieu ambiant par rayonnement dans l’infrarouge, - un tube collecteur, situé dans le volume interne de sorte que l’absorbeur soit entre l’élément formant la face avant du capteur solaire et le tube collecteur, comprenant un fluide caloporteur destiné à être réchauffé par le rayonnement solaire, - un moyen de transfert de chaleur, situé dans le volume interne entre l’absorbeur et le tube collecteur, - un élément de contact thermique glissant, situé dans le volume interne entre le moyen de transfert de chaleur et le tube collecteur, configuré pour assurer le transfert thermique et le déplacement entre le moyen de transfert de chaleur (6) et le tube collecteur dû aux dilatations thermiques. Avantageusement, le capteur solaire thermique selon l’invention est un capteur solaire de type plan. Le capteur solaire thermique selon l’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. Le capteur solaire peut comporter une coque formant la face arrière du capteur solaire, définissant le volume interne qui est refermé par le biais d’au moins une partie de l’élément formant la face avant du capteur solaire. Le capteur solaire peut comporter un châssis mécanique, solidarisé à l’extérieur du volume interne, notamment à la coque, configuré pour permettre la fixation du capteur solaire au sol et le support du tube collecteur tout en autorisant une dilatation différentielle axiale du tube collecteur. Par « sol », on entend un élément de support rigide, pouvant aussi être une toiture. L’élément formant la face avant du capteur solaire peut être une vitre transparente. De plus, le capteur solaire thermique peut comporter un élément d’isolation, situé dans le volume interne, notamment entre la coque et l’ensemble formé par l’absorbeur, le moyen de transfert de chaleur, l’élément de contact thermique glissant et le tube collecteur, configuré pour limiter les pertes thermiques vers le milieu ambiant. L’élément formant la face avant du capteur solaire peut encore être un module photovoltaïque. Par ailleurs, le moyen de transfert de chaleur peut comporter un matériau à haute conductivité thermique. En variante, le moyen de transfert de chaleur peut comporter un système à changement de phase, par exemple un caloduc, un thermosiphon, une boucle diphasique et/ou une boucle à pompage capillaire. L’élément formant la face avant du capteur solaire thermique, l’absorbeur et la coque sont avantageusement fixes les uns par rapport aux autres, tandis que le tube collecteur est avantageusement apte à se dilater selon axe longitudinal. En outre, le capteur solaire thermique peut comporter un moyen de couplage assurant la liaison entre le moyen de transfert de chaleur et le tube collecteur, cette liaison étant de type glissière en translation ou de type pivot glissant. L’absorbeur et le moyen de transfert de chaleur peuvent être constitués, en totalité ou en partie, d’une même et seule pièce, le moyen de transfert de chaleur étant sous la forme d’un tube, notamment d’un caloduc ou d’un thermosiphon. Par ailleurs, l’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un champ solaire, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de lignes solaires, comprenant chacune une pluralité de capteurs solaires thermiques tel que celui défini précédemment, les lignes solaires étant notamment disposées de façon parallèle les unes aux autres. La longueur de chaque ligne solaire peut être comprise entre 10 m et 300 m, étant notamment supérieure ou égale à 20 m, voire encore supérieure ou égale à 100 m. Par ailleurs, la surface de champ solaire formée par l’ensemble des capteurs solaires thermiques peut être comprise entre 20 m² et 50000 m². En outre, les capteurs solaires thermiques peuvent comporter chacun une coque de conception modulaire, comprenant l’assemblage directement sur le champ solaire, ou de conception unitaire, comprenant un assemblage préalable avant installation sur le champ solaire. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu’à l’examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : représente, selon une vue de dessus, un premier exemple de capteur solaire thermique conforme à l’invention, représente, selon une vue en coupe, le capteur solaire thermique de [Fig. 1], représente la chaîne cinématique du capteur solaire thermique des [Fig. 1] et [Fig. 2], illustre, partiellement et schématiquement, un capteur solaire thermique conforme à l’invention comprenant un moyen de couplage sous forme de ressorts, illustre, partiellement et schématiquement, un capteur solaire thermique conforme à l’invention comprenant un autre moyen de couplage sous forme de lame métallique, illustre, partiellement et schématiquement, une configuration de deux absorbeurs et deux moyens de transfert de chaleur de deux capteurs solaires thermiques adjacents conformes à l’invention, et illustrent partiellement et schématiquement, respectivement selon une vue en perspective et selon une vue en coupe, une conception modulaire de coque de capteur solaire thermique conforme à l’invention, illustre partiellement et schématiquement, selon une vue en coupe, un conception unitaire de coque de capteur solaire thermique conforme à l’invention, représente, selon une vue de dessus, un exemple de champ solaire comportant une pluralité de capteurs solaires thermiques conformes à l’invention, représente, selon une vue en coupe, un deuxième exemple de capteur solaire thermique conforme à l’invention, représente la chaîne cinématique du capteur solaire thermique de [Fig. 11], et représente la chaîne cinématique d’une variante de réalisation de capteur solaire thermique conforme à l’invention. Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Capteur solaire thermique (1), caractérisé en ce qu’il comporte : - un élément formant la face avant (2) du capteur solaire (1), - un volume interne (V) refermé par le biais d’au moins une partie de l’élément formant la face avant (2) du capteur solaire (1), - un absorbeur (4), situé au moins en partie dans le volume interne (V), configuré pour absorber le rayonnement solaire et le transformer en chaleur, l’absorbeur (4) comprenant un revêtement sélectif permettant de limiter les pertes thermiques vers le milieu ambiant par rayonnement dans l’infrarouge, - un tube collecteur (5), situé dans le volume interne (V) de sorte que l’absorbeur (4) soit entre l’élément formant la face avant (2) du capteur solaire (1) et le tube collecteur (5), comprenant un fluide caloporteur (F) destiné à être réchauffé par le rayonnement solaire, - un moyen de transfert de chaleur (6), situé dans le volume interne (V) entre l’absorbeur (4) et le tube collecteur (5), - un élément de contact thermique glissant (7), situé dans le volume interne (V) entre le moyen de transfert de chaleur (6) et le tube collecteur (5), configuré pour assurer le transfert thermique et le déplacement entre le moyen de transfert de chaleur (6) et le tube collecteur (5) dû aux dilatations thermiques. Capteur solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte une coque (3) formant la face arrière du capteur solaire (1), définissant le volume interne (V) qui est refermé par le biais d’au moins une partie de l’élément formant la face avant (2) du capteur solaire (1). Capteur solaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte un châssis mécanique (9), solidarisé à l’extérieur du volume interne (V), notamment à la coque (3), configuré pour permettre la fixation du capteur solaire (1) au sol et le support du tube collecteur (5) tout en autorisant une dilatation différentielle axiale du tube collecteur (5). Capteur solaire selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’élément formant la face avant (2) du capteur solaire (1) est une vitre transparente (2). Capteur solaire selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un élément d’isolation (8), situé dans le volume interne (V), notamment entre la coque (3) et l’ensemble formé par l’absorbeur (4), le moyen de transfert de chaleur (6), l’élément de contact thermique glissant (7) et le tube collecteur (5), configuré pour limiter les pertes thermiques vers le milieu ambiant. Capteur solaire selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’élément formant la face avant (2) du capteur solaire (1) est un module photovoltaïque (2). Capteur solaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de transfert de chaleur (6) comporte un matériau à haute conductivité thermique. Capteur solaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen de transfert de chaleur (6) comporte un système à changement de phase, par exemple un caloduc, un thermosiphon, une boucle diphasique et/ou une boucle à pompage capillaire. Capteur solaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément formant la face avant (2) du capteur solaire thermique (1), l’absorbeur (4) et la coque (3) sont fixes les uns par rapport aux autres, tandis que le tube collecteur (5) est apte à se dilater selon axe longitudinal (X). Capteur solaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un moyen de couplage (12) assurant la liaison entre le moyen de transfert de chaleur (6) et le tube collecteur (5), cette liaison étant de type glissière en translation ou de type pivot glissant. Capteur solaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’absorbeur (4) et le moyen de transfert de chaleur (6) sont constitués, en totalité ou en partie, d’une même et seule pièce, le moyen de transfert de chaleur (6) étant sous la forme d’un tube, notamment d’un caloduc ou d’un thermosiphon. Champ solaire (50), caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de lignes solaires (51), comprenant chacune une pluralité de capteurs solaires thermiques (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, les lignes solaires (51) étant notamment disposées de façon parallèle les unes aux autres. Champ solaire selon la revendication 12, caractérisé en ce que la longueur (L) de chaque ligne solaire (51) est comprise entre 10 m et 300 m, étant notamment supérieure ou égale à 20 m, voire encore supérieure ou égale à 100 m. Champ solaire selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la surface de champ solaire (S) formée par l’ensemble des capteurs solaires thermiques (1) est comprise entre 20 m² et 50000 m². Champ solaire selon l’une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les capteurs solaires thermiques (1) comportent chacun une coque (3) de conception modulaire, comprenant l’assemblage directement sur le champ solaire (50), ou de conception unitaire, comprenant un assemblage préalable avant installation sur le champ solaire (50).