EP2486340A2 - Capteur solaire, et système de production d'eau chaude comportant de tels capteurs solaires - Google Patents

Capteur solaire, et système de production d'eau chaude comportant de tels capteurs solaires

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Publication number
EP2486340A2
EP2486340A2 EP10776786A EP10776786A EP2486340A2 EP 2486340 A2 EP2486340 A2 EP 2486340A2 EP 10776786 A EP10776786 A EP 10776786A EP 10776786 A EP10776786 A EP 10776786A EP 2486340 A2 EP2486340 A2 EP 2486340A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solar
absorption layer
solar collector
inner tube
hot
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10776786A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Louis Wohrer
Christian LENÔTRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SOPHIA ANTIPOLIS ENERGIE DEVELOPPEMENT
Original Assignee
SOPHIA ANTIPOLIS ENERGIE DEVELOPPEMENT
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Filing date
Publication date
Application filed by SOPHIA ANTIPOLIS ENERGIE DEVELOPPEMENT filed Critical SOPHIA ANTIPOLIS ENERGIE DEVELOPPEMENT
Publication of EP2486340A2 publication Critical patent/EP2486340A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0275—Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/40—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors
    • F24S10/45—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors the enclosure being cylindrical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/90—Solar heat collectors using working fluids using internal thermosiphonic circulation
    • F24S10/95—Solar heat collectors using working fluids using internal thermosiphonic circulation having evaporator sections and condenser sections, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S60/00—Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors
    • F24S60/30—Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors storing heat in liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00—Details of absorbing elements
    • F24S70/20—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption
    • F24S70/225—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption for spectrally selective absorption
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention relates to a solar collector of the type comprising:
  • the enclosed space delimited by an outer tube and an inner tube disposed inside the outer tube, the enclosed space comprising thermal insulation means capable of reducing thermal convection and thermal conduction,
  • Thermal conduction means adapted to transfer the heat energy received from the solar radiation via the absorption layer to a heat transfer fluid.
  • the invention also relates to a system for producing hot water from solar energy comprising:
  • a vacuum tube solar collector comprising an outer tube and an inner tube, the tubes being concentric and substantially cylindrical. Each tube is closed at one of its ends, and the tubes are sealed to each other, at the other of their ends.
  • the solar collector comprises a solar radiation absorption layer disposed over the entire periphery of an outer surface of the inner tube, facing the outer tube.
  • the solar collector also comprises means for transferring the heat energy from the solar radiation to a heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid circulates in a transport circuit connecting a field of solar collectors to a user of hot water.
  • the thermal efficiency up to the heat transfer fluid is not optimal, because of the significant heat losses by blackbody radiation of the tubes.
  • An object of the invention is therefore to improve the thermal efficiency up to the coolant, by reducing radiation heat losses.
  • the invention relates to a solar collector of the aforementioned type, characterized in that the absorption layer extends over only a portion of the circumference of the inner tube.
  • the solar collector comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination: a transverse section of the absorption layer extends angularly over an angular value of between 140 ° and 220 °, preferably between 160 ° and 200 °, more preferably substantially equal to 180 °;
  • the inner tube has an outer surface facing the outer tube, and an inner surface, and the absorption layer is disposed against said outer surface;
  • a cross section of the outer tube and / or the inner tube is circular in shape
  • the thermal conduction means comprise a heat pipe comprising a hot part arranged inside the outer tube, a cold part disposed outside the outer tube, and a reservoir containing a two-phase heat-pipe fluid and extending over the hot part. and the cold part;
  • the reservoir is applied at least locally against an inner surface of the inner tube
  • the thermal conduction means comprise a thermally conductive interface, arranged between the absorption layer and the hot part of the heat pipe;
  • the hot part of the heat pipe is in the form of a half-cylinder
  • a cross section of the hot part is substantially opposite the cross section of the absorption layer
  • a cross section of the hot part extends angularly over an angular value between 180 ° and 220 °, preferably substantially equal to 200 °.
  • the invention also relates to a hot water production system of the aforementioned type, characterized in that the solar collectors are as defined above.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a hot water production system according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic side view of a solar collector connected to a heat transfer fluid transport circuit of the hot water production system of FIG. 1, and
  • Figure 3 is a sectional view along the plane III of Figure 2.
  • the hot water production system 2 comprises means 8 for heating by solar energy a heat transfer fluid 10, means 12 for storing the thermal energy and a closed circuit 14 for transporting the coolant 10 to a user of hot water.
  • the circuit 14 connects the heating means 8, the storage means 12 and the hot water user 15.
  • the hot water production system 2 comprises a storage tank 16 for unloading the heat transport fluid transport circuit 14.
  • the hot water production system 2 comprises a control loop 18 comprising a mixer 20 and a first pump 22.
  • the installation comprises means 24 for remote control of the loop 18.
  • the heating means 8 comprise a plurality of solar collectors 26 described in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the coolant 10 is, for example, water used at a maximum temperature of 150 ° C and a maximum pressure of 6 bar.
  • the circuit 14 comprises a plurality of valves 28, the mixer 20, the first pump 22 and a second pump 30.
  • the circulation of the fluid 10 in the circuit 14 is provided by the two pumps 22, 30.
  • the storage means 12 and the circuit 14 are insulated by an insulator, not shown.
  • the user of hot water 15 comprises a heat exchanger 40, in the form of a coil, intended to exploit the heat transported by the coolant 10.
  • the circuit 14 comprises a conduit 48 for transporting the coolant 10, and a thermally insulating sheath 50 disposed on the periphery of the pipe 48.
  • the pipe 48 is in the form of a cylinder with an axis oriented according to a substantially horizontal plane H.
  • the solar collector 26 comprises an enclosed space 52 bounded by an outer tube 54 and an inner tube 56 disposed within the outer tube 54, and a layer 58 of absorption of solar radiation R s disposed against the inner tube 56.
  • the solar collector 26 also comprises thermal conduction means 60 capable of transferring the heat energy received from the solar radiation R s by the absorption layer 58 to the coolant 10.
  • the enclosed space 52 comprises thermal insulation means capable of reducing thermal convection and thermal conduction. Most of the losses then remain due to thermal radiation.
  • the confined space 52 is, for example, under vacuum.
  • the tubes 54, 56 substantially cylindrical, have a circular section and are concentric with axis I.
  • Each tube 54, 56 is closed, in the form of a half-sphere in one of its ends, and the tubes 54, 56 are sealed to each other, at the other of their ends.
  • the inner tube 56 comprises an outer surface 62A facing the outer tube 54, and an inner surface 62B.
  • the solar collector 26 also has an isolation plug 63 inserted into the open end of the inner tube 56.
  • the absorption layer 58 extends over only a portion of the circumference of the inner tube 56, as shown in FIG. 3.
  • a cross section of the absorption layer 58 extends angularly over an angular value A of between 140. ° and 220 °, preferably between 160 ° and 200 °, more preferably substantially equal to 180 °.
  • the solar collector 26 then comprises a portion of the circumference of the inner tube 56 on which the absorption layer 58 does not extend. This portion of the circumference of the inner tube 56 extends angularly over an angular value equal to (360 ° -A).
  • the solar collector 26 comprises, for example, a complementary angular portion consisting solely of the inner tube 56 and the outer tube 54 separated by the vacuum contained in the space 52. This complementary angular portion extends angularly over an angular value equal to (360 ° - A).
  • the tubes 54, 56 are substantially transparent and able to pass visible light.
  • the absorption layer 58 is, for example, capable of being oriented towards the sky in the direction of the solar radiation R s , the portion of the circumference of the inner tube 56 on which the absorption layer 58 does not extend being then oriented towards the ground.
  • the absorption layer 58 is, for example, substantially in the form of a half-cylinder and disposed against the outer surface 62A of the inner tube. A cross section of the absorption layer 58 is then shaped as a circular arc of angle A.
  • the absorption layer 58 comprises a selective material absorbing solar radiation, that is to say the band of the electromagnetic spectrum of wavelength substantially between 0.25 ⁇ and 2.5 ⁇ .
  • the selective absorption layer 58 is, for example, made in a composite manner with a plurality of aluminum nitrite layers disposed on an aluminum metal substrate, or on a stainless steel substrate, or on a copper substrate .
  • the absorption layer 58 is made in a composite manner with a plurality of copper nitride, iron nitride or chromium nitride layers disposed on a metal substrate.
  • the absorption layer 58 is made for example by cathodic sputtering of the materials of the selective layers against the inner tube 56, masking or omitting the portion of the circumference of the inner tube 56 on which the absorption layer 58 is not intended to expand.
  • the thermal conduction means 60 comprise, for example, a heat pipe 64 formed of a sheet having a left surface conforming to the shape of the inner tube 56 on the one hand, and the transport conduit 48 on the other hand, as shown in FIG. Figure 2.
  • the heat pipe 64 has a hot portion 66 arranged inside the inner tube 56 and a cold part 68 disposed outside the tubes 54, 56.
  • the heat pipe 64 also comprises a tank 70 formed of a set of channels 71 connected to each other by a web conferring the heat pipe sheet structure.
  • the reservoir 70 contains a biphasic fluid heat pipe 72, and extends over the hot portion 66 and the cold portion 68. For the hot portion 66 of the heat pipe, the reservoir 70 is applied, at least locally, against the inner surface 62B of the pipe inside.
  • the thermal conduction means 60 also comprise a thermally conductive interface 74, visible in FIG. 3, arranged between the hot part 66 of the heat pipe and the tubes 54, 56. More specifically, the conductive interface 74 is disposed between the inner surface 62B. of the inner tube and the hot part 66 of the heat pipe.
  • the heat pipe 64 comprises a narrowing, not shown, of its circumferential extent between the hot part 66 and the cold part 68, with respect to its extent in the running part of the hot and cold parts 66.
  • the shrinkage forms a connecting hinge between the hot part 66 and the cold part 68.
  • the heat pipe 64 is formed of two sheets 76A, 76B visible in Figure 3 and fixed together.
  • the sheets 76A, 76B of the heat pipe are, for example, metal sheets fused together outside the zones defining the channels 71.
  • the metal sheets 76A, 76B are, for example, made of aluminum.
  • the hot part 66 of the heat pipe is in the form of a half-cylinder of axis I, as shown in FIG. 3.
  • the cross section of the hot part 66 is in the form of a circular arc of angle B between 180 ° and 220 °, preferably substantially equal to 200 °.
  • the cross section of the hot portion 66 is substantially opposite the cross section of the absorption layer 58.
  • the cross section of the absorption layer 58 is disposed against the inner tube 56 only facing the cross section of the hot portion 66.
  • the cross section of the absorption layer 58 and the cross section of the hot portion 66 are adapted to be oriented towards the sky in the direction of the solar radiation R s , the complementary angular portion of the solar collector consisting solely of the inner tube 56 and the outer tube 54 separated by the vacuum contained in the space 52 then being oriented towards the ground.
  • the hot part 66 of the heat pipe and in particular the part of the tank 70 contained in this hot part is applied against the inner surface 62B of the inner tube.
  • the cold part 68 of the heat pipe is in the form of an X-axis half-cylinder arranged between the pipe 48 and the insulating sheath 50 being wound around the pipe 48, as represented in FIG. 2.
  • the axis I is inclined relative to the horizontal plane H and forms with the horizontal plane H an inclination angle C.
  • the value of the inclination angle C is greater than 5 °, preferably greater than 30 °.
  • the tank 70 comprises, for example, three channels 71 for circulating the heat pipe fluid 72.
  • the three circulation channels 71 are connected and form, with their extension in the cold part 68, a closed circuit for the heat pipe fluid 72.
  • Each channel 71 of the tank is formed by a gap between the two sheets
  • the biphasic fluid heat pipe 72 is, for example, water, methanol, ethanol, heptane, a refrigerant HFC, or a refrigerant HCFC.
  • the fastener 76 comprises a first portion 76A of cylindrical shape and a second portion 76B of flat shape, the first and second portions 76A, 76B being connected by a bend 76C.
  • the fastener 76 is thermally conductive, and is, for example, made of aluminum.
  • the first portion 76A is arranged in contact with the duct 48, between the duct 48 and the thermally insulating sheath 50, diametrically opposite the hot portion 68 of the heat pipe with respect to the duct 48.
  • the second portion 76B is arranged in contact with the heat pipe. 64.
  • the fastener 76 is attached to the heat pipe 64 via first fastening means 76D and second fastening means 76E extending through respective orifices of the fastener 76 and the heat pipe 64.
  • the operating temperature of the vacuum tube solar collectors 26 is between 80 ° C and 150 ° C.
  • the solar collectors 26 of the heating means 6 capture, during the day, the solar radiation R s , then transmit to the coolant 10 the thermal energy associated with solar radiation R s .
  • the solar radiation R s is absorbed by the selective material of the absorption layer 58 of each sensor, the outer tube 54 allowing the passage of solar radiation R s .
  • the heat energy associated with the absorption of the solar radiation R s is then transmitted to the heat pipe 64 via the inner tube 56 and the thermally conductive interface 74.
  • the vacuum in the enclosed space 52 ensures insulation with respect to thermal convection and thermal conduction, the outer tube ensuring a greenhouse effect.
  • the thermal energy transmitted to the hot part 66 of the heat pipe gradually causes a phase change of the heat pipe fluid 72, from its being liquid to its gaseous state.
  • the biphasic fluid heat pipe in the gaseous state then rises in the direction of the cold part 68 of the heat pipe, through the various channels 71 of the tank. Since the reservoir 70 is applied at least locally against the absorption layer 58 in the hot part 66 of the heat pipe, the thermal conduction is improved between the absorption layer 58 and the heat sink fluid 72, so that the losses of radiation heat is further reduced.
  • the heat transported by the heat pipe fluid 72 from the hot part 66 to the cold part 68 is then transmitted to the heat transfer fluid 10 by thermal conduction between the channels 71 arranged in the cold part 68 and the conduit 48 of the circuit. This thermal conduction then causes an increase in the temperature of the coolant 10 and a lowering of the temperature of the heat pipe fluid 72.
  • the heat pipe fluid 72 again changes phase progressively, from its gaseous state to its liquid state.
  • the heat pipe fluid in the liquid state then descends by gravitation from the cold part 68 to the hot part 66, by the angle of inclination C, in order to transport again heat energy from the solar radiation.
  • the storage means 12 then serve as buffers between the thermal energy produced by the solar collectors 26 of the heating means and that consumed by the user of hot water 15.
  • the heating means 12 thus make it possible to decouple the production of heat of solar availability.
  • the regulation loop 18 makes it possible to adapt the quantity of heat energy supplied by the hot water production system 2.
  • the absorption layer 58 extending, according to the invention, on only a portion of the circumference of the inner tube 56, reduces the heat loss. Indeed, the absorption layer 58 is comparable to a black body and radiates when the solar collector 26 receives the solar radiation R s . This black body radiation causes an emission of infrared waves bouncing in the enclosed space 52 between tubes 54, 56, and partially escaping the greenhouse effect. The portion of the circumference of the inner tube 56 which does not have an absorption layer on contact with it then generates a lower blackbody radiation.
  • the solar collector 26 according to the invention therefore makes it possible to reduce the blackbody radiation and the associated heat losses compared with a conventional tube solar collector.
  • the absorption layer 58 extending over only a portion of the circumference of the inner tube 56, the solar collector 26 according to the invention also reduces costs.
  • the solar collector according to the invention makes it possible to ensure a better thermal efficiency from the outer tube to the coolant, by limiting the heat losses by radiation.

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Abstract

Ce capteur solaire (26) comprend : un espace clos (52) délimité par un tube extérieur (54) et un tube intérieur (56) disposé à l'intérieur du tube extérieur (54), l'espace clos (52) comportant des moyens d'isolation thermique propres à réduire la convection thermique et la conduction thermique; une couche (58) d'absorption du rayonnement solaire (Rs) disposée contre le tube intérieur (56); et des moyens de conduction thermique (60) propres à transférer l'énergie calorique reçue du rayonnement solaire (Rs) via la couche d'absorption (58) à destination d'un fluide caloporteur (10). La couche d'absorption (58) s'étend sur une partie seulement de la circonférence du tube intérieur (56).

Description

Capteur solaire, et système de production d'eau chaude comportant de tels capteurs solaires
La présente invention est relative à un capteur solaire du type comprenant :
- un espace clos délimité par un tube extérieur et un tube intérieur disposé à l'intérieur du tube extérieur, l'espace clos comportant des moyens d'isolation thermique propres à réduire la convection thermique et la conduction thermique,
- une couche d'absorption du rayonnement solaire disposée contre le tube intérieur, et
- des moyens de conduction thermique propres à transférer l'énergie calorique reçue du rayonnement solaire via la couche d'absorption à destination d'un fluide caloporteur.
L'invention concerne également un système de production d'eau chaude à partir d'énergie solaire comprenant :
- une pluralité de tels capteurs solaires propres à chauffer un fluide caloporteur à partir d'énergie solaire, et
- un circuit de transport du fluide caloporteur entre les capteurs solaires et un utilisateur d'eau chaude.
On connaît un capteur solaire à tube sous vide comprenant un tube extérieur et un tube intérieur, les tubes étant concentriques et sensiblement cylindriques. Chaque tube est fermé en l'une de ses extrémités, et les tubes sont scellés l'un à l'autre, en l'autre de leurs extrémités. Le capteur solaire comprend une couche d'absorption du rayonnement solaire disposée sur toute la périphérie d'une surface extérieure du tube intérieur, orientée vers le tube extérieur. Le capteur solaire comprend également des moyens de transfert de l'énergie calorique issue du rayonnement solaire vers un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur circule dans un circuit de transport reliant un champ de capteurs solaires à un utilisateur d'eau chaude.
Le rendement thermique jusqu'au fluide caloporteur n'est pas optimal, en raison des pertes de chaleur importantes par rayonnement de corps noir des tubes.
Un but de l'invention est donc d'améliorer le rendement thermique jusqu'au fluide caloporteur, en diminuant les pertes de chaleur par rayonnement.
A cet effet, l'invention a pour objet un capteur solaire du type précité, caractérisé en ce que la couche d'absorption s'étend sur une partie seulement de la circonférence du tube intérieur.
Suivant d'autres modes de réalisation, le capteur solaire comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - une section transversale de la couche d'absorption s'étend angulairement sur une valeur angulaire comprise entre 140° et 220°, de préférence comprise entre 160° et 200°, de préférence encore sensiblement égale à 180° ;
- le tube intérieur comporte une surface extérieure orientée vers le tube extérieur, et une surface intérieure, et la couche d'absorption est disposée contre ladite surface extérieure ;
- une section transversale du tube extérieur et/ou du tube intérieur est de forme circulaire ;
- les moyens de conduction thermique comportent un caloduc comportant une partie chaude agencée à l'intérieur du tube extérieur, une partie froide disposée à l'extérieur du tube extérieur, et un réservoir contenant un fluide biphasique caloduc et s'étendant sur la partie chaude et la partie froide ;
- le réservoir est appliqué au moins localement contre une surface intérieure du tube intérieur ;
- les moyens de conduction thermique comportent une interface thermiquement conductrice, agencée entre la couche d'absorption et la partie chaude du caloduc ;
- la partie chaude du caloduc est en forme d'un demi-cylindre ;
- une section transversale de la partie chaude est sensiblement en regard de la section transversale de la couche d'absorption ;
- une section transversale de la partie chaude s'étend angulairement sur une valeur angulaire comprise entre 180° et 220°, de préférence sensiblement égale à 200°.
L'invention a également pour objet un système de production d'eau chaude du type précité, caractérisé en ce que les capteurs solaires sont tels que définis ci-dessus.
L'invention et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un système de production d'eau chaude selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique de côté d'un capteur solaire relié à un circuit de transport d'un fluide caloporteur du système de production d'eau chaude de la figure 1 , et
- la figure 3 est une vue en coupe selon le plan III de la figure 2.
Sur la figure 1 , le système de production d'eau chaude 2 comprend des moyens de chauffage 8 par énergie solaire d'un fluide caloporteur 10, des moyens 12 de stockage de l'énergie thermique et un circuit fermé 14 de transport du fluide caloporteur 10 jusqu'à un utilisateur 15 d'eau chaude. Le circuit 14 relie les moyens de chauffage 8, les moyens de stockage 12 et l'utilisateur d'eau chaude 15.
Le système de production d'eau chaude 2 comprend une bâche de stockage 16 pour délester le circuit 14 de transport du fluide caloporteur 10.
Le système de production d'eau chaude 2 comprend une boucle de régulation 18 comportant un mélangeur 20 et une première pompe 22. L'installation comporte des moyens 24 de commande à distance de la boucle 18.
Les moyens de chauffage 8 comportent une pluralité de capteurs solaires 26 décrits plus en détail par la suite en référence aux figures 2 et 3.
Le fluide caloporteur 10 est, par exemple, de l'eau utilisée à une température maximale de 150°C et sous une pression maximale de 6 bars.
Le circuit 14 comporte une pluralité de vannes 28, le mélangeur 20, la première pompe 22 et une deuxième pompe 30. La circulation du fluide 10 dans le circuit 14 est assurée par les deux pompes 22, 30.
Les moyens de stockage 12 et le circuit 14 sont calorifugés par un isolant, non représenté.
L'utilisateur d'eau chaude 15 comprend un échangeur 40, en forme de serpentin, destiné à exploiter la chaleur transportée par le fluide caloporteur 10.
Sur la figure 2, le circuit 14 comprend un conduit 48 de transport du fluide caloporteur 10, et une gaine thermiquement isolante 50 disposée sur la périphérie du condu it 48. Le conduit 48 est en forme d'u n cylindre d'axe orienté selon un plan sensiblement horizontal H.
Le capteur solaire 26 comprend un espace clos 52 délimité par un tube extérieur 54 et un tube intérieur 56 disposé à l'intérieur du tube extérieur 54, et une couche 58 d'absorption du rayonnement solaire Rs disposée contre le tube intérieur 56. Le capteur solaire 26 comprend également des moyens de conduction thermique 60 propres à transférer l'énergie calorique reçue du rayonnement solaire Rs de par la couch e d'absorption 58 jusqu'au fluide caloporteur 10.
L'espace clos 52 comporte des moyens d'isolation thermique propres à réduire la convection thermique et la conduction thermique. L'essentiel des pertes reste alors dû au rayonnement thermique. L'espace clos 52 est, par exemple, sous vide.
Dans l'exemple de réalisation des figures 2 et 3, les tubes 54, 56, sensiblement cylindriques, présentent une section circulaire et sont concentriques d'axe I. Chaque tube 54, 56 est fermé, en forme d'une demi-sphère en l'une de ses extrémités, et les tubes 54, 56 sont scellés l'un à l'autre, en l'autre de leurs extrémités. Le tube intérieur 56 comporte une surface extérieure 62A orientée vers le tube extérieur 54, et une surface intérieure 62B.
Le capteur solaire 26 comporte également un bouchon d'isolation 63 inséré dans l'extrémité ouverte du tube intérieur 56.
La couche d'absorption 58 s'étend sur une partie seulement de la circonférence du tube intérieur 56, comme représenté sur la figure 3. Une section transversale de la couche d'absorption 58 s'étend angulairement sur une valeur angulaire A comprise entre 140° et 220°, de préférence comprise entre 160° et 200°, de préférence encore sensiblement égale à 180°. Le capteur solaire 26 comporte alors une portion de la circonférence du tube intérieur 56 sur laquelle la couche d'absorption 58 ne s'étend pas. Cette portion de la circonférence du tube intérieur 56 s'étend angulairement sur une valeur angulaire égale à (360° - A). En d'autres termes, le capteur solaire 26 comprend, par exemple, une portion angulaire complémentaire constituée uniquement du tube intérieur 56 et du tube extérieur 54 séparés par le vide contenu dans l'espace 52. Cette portion angulaire complémentaire s'étend angulairement sur une valeur angulaire égale à (360° - A). Dans la portion angulaire complémentaire, les tubes 54, 56 sont sensiblement transparents et propres à laisser passer la lumière visible.
La couche d'absorption 58 est, par exemple, propre à être orientée vers le ciel en direction du rayonnement solaire Rs, la portion de la circonférence du tube intérieur 56 sur laquelle la couche d'absorption 58 ne s'étend pas étant alors orientée vers le sol.
La couche d'absorption 58 est, par exemple, sensiblement en forme d'un demi- cylindre et disposée contre la surface extérieure 62A du tube intérieur. Une section transversale de la couche d'absorption 58 est alors en forme d'un arc de cercle d'angle A.
La couche d'absorption 58 comporte un matériau sélectif absorbant le rayonnement solaire, c'est-à-dire la bande du spectre électromagnétique de longueur d'onde sensiblement comprise entre 0,25 μηη et 2,5 μηη. La couche d'absorption sélective 58 est, par exemple, réalisée de façon composite avec une pluralité de couches en nitrite d'aluminium disposées sur un substrat métallique d'aluminium, ou sur un substrat d'acier inox, ou sur un substrat de cuivre. En variante, la couche d'absorption 58 est réalisée de façon composite avec une pluralité de couches en nitrure de cuivre, en nitrure de fer ou en nitrure de chrome disposées sur un substrat métallique.
La couche d'absorption 58 est réalisée par exemple par pulvérisation cathodique des matériaux des couches sélectives contre le tube intérieur 56, en masquant ou en omettant la portion de la circonférence du tube intérieur 56 sur laquelle la couche d'absorption 58 n'est pas destinée à s'étendre. Les moyens de conduction thermique 60 comportent, par exemple, un caloduc 64 formé d'une feuille présentant une surface gauche épousant la forme du tube intérieur 56 d'une part, et du conduit de transport 48 d'autre part, comme représenté sur la figure 2. Le caloduc 64 comporte une partie chaude 66 agencée à l'intérieur du tube intérieur 56 et une partie froide 68 disposée à l'extérieur des tubes 54, 56. Le caloduc 64 comprend également un réservoir 70 formé d'un ensemble de canaux 71 reliés les uns aux autres par un voile conférant au caloduc la structure de feuille. Le réservoir 70 contient un fluide biphasique caloduc 72, et s'étend sur la partie chaude 66 et la partie froide 68. Pour la partie chaude 66 du caloduc, le réservoir 70 est appliqué, au moins localement, contre la surface intérieure 62B du tube intérieur.
Les moyens de conduction thermique 60 comportent également une interface thermiquement conductrice 74, visible sur la figure 3, agencée entre la partie chaude 66 du caloduc et les tubes 54, 56. Plus précisément, l'interface conductrice 74 est disposée entre la surface intérieure 62B du tube intérieur et la partie chaude 66 du caloduc.
Le caloduc 64 comporte un rétrécissement, non représenté, de son étendue circonférentielle entre la partie chaude 66 et la partie froide 68, par rapport à son étendue dans la partie courante des parties chaude 66 et froide 68. Le rétrécissement forme une charnière de liaison entre la partie chaude 66 et la partie froide 68.
Le caloduc 64 est formé de deux feuilles 76A, 76B visibles sur la figure 3 et fixées entre elles. Les feuilles 76A, 76B du caloduc sont, par exemple, des feuilles métalliques fusionnées entre elles en dehors des zones délimitant les canaux 71 . Les feuilles métalliques 76A, 76B sont, par exemple, réalisées en aluminium.
La partie chaude 66 du caloduc est en forme d'un demi-cylindre d'axe I, comme représenté sur la figure 3. La section transversale de la partie chaude 66 est en forme d'un arc de cercle d'angle B compris entre 180° et 220°, de préférence sensiblement égal à 200°. La section transversale de la partie chaude 66 est sensiblement en regard de la section transversale de la couche d'absorption 58.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, la section transversale de la couche d'absorption 58 est disposée contre le tube intérieur 56 uniquement en regard de la section transversale de la partie chaude 66. La section transversale de la couche d'absorption 58 et la section transversale de la partie chaude 66 sont propres à être orientées vers le ciel en direction du rayonnement solaire Rs, la portion angulaire complémentaire du capteur solaire constituée uniquement du tube intérieur 56 et du tube extérieur 54 séparés par le vide contenu dans l'espace 52 étant alors orientée vers le sol.
La partie chaude 66 du caloduc et notamment la partie du réservoir 70 contenue dans cette partie chaude est appliquée contre la surface intérieure 62B du tube intérieur. La partie froide 68 du caloduc est en forme d'un demi-cylindre d'axe X agencé entre le conduit 48 et la gaine isolante 50 en étant enroulé autour du conduit 48, comme représenté sur la figure 2.
L'axe I est incliné par rapport au plan horizontal H et forme avec le plan horizontal H un angle d'inclinaison C. La valeur de l'angle d'inclinaison C est supérieure à 5°, de préférence supérieure à 30°.
Le réservoir 70 comporte, par exemple, trois canaux 71 de circulation du fluide de caloduc 72. Les trois canaux de circulation 71 sont reliés et forment avec leur prolongement dans la partie froide 68 un circuit fermé pour le fluide de caloduc 72.
Chaque canal 71 du réservoir est formé par un interstice entre les deux feuilles
76A, 76B.
Le fluide biphasique caloduc 72 est, par exemple, de l'eau, du méthanol, de l'éthanol, de l'heptane, un frigorigène HFC, ou encore un frigorigène HCFC.
Chaque capteur solaire 26 est fixé au conduit 48 par l'intermédiaire d'une pièce de fixation 76, comme représenté sur la figure 2. La pièce de fixation 76 comporte une première portion 76A de forme cylindrique et une seconde portion 76B de forme plane, les première et seconde portions 76A, 76B étant reliées par un coude 76C. La pièce de fixation 76 est thermiquement conductrice, et est, par exemple, réalisée en aluminium. La première portion 76A est agencée au contact du conduit 48, entre le conduit 48 et la gaine thermiquement isolante 50, de manière diamétralement opposée à la partie chaude 68 du caloduc par rapport au conduit 48. La seconde portion 76B est disposée au contact du caloduc 64. La pièce de fixation 76 est attachée au caloduc 64 par l'intermédiaire de premiers moyens de fixation 76D et de seconds moyens de fixation 76E s'étendant à travers des orifices respectifs de la pièce de fixation 76 et du caloduc 64.
La température d'utilisation des capteurs solaires à tube sous vide 26 est comprise entre 80°C et 150°C.
Le fonctionnement du système de production d'eau chaude, et en particulier des capteurs solaires, va maintenant être décrit.
Les capteurs solaires 26 des moyens de chauffage 6 captent, durant la journée, le rayonnement solaire Rs, puis transmettent au fluide caloporteur 10 l'énergie thermique associée au rayonnement solaire Rs.
Plus précisément, le rayonnement solaire Rs est absorbé par le matériau sélectif de la couche d'absorption 58 de chaque capteur, le tube extérieur 54 permettant le passage du rayonnement solaire Rs. L'énergie thermique associée à l'absorption du rayonnement solaire Rs est alors transmise au caloduc 64 via le tube intérieur 56 et l'interface thermiquement conductrice 74. Le vide dans l'espace clos 52 assure une isolation vis-à-vis de la convection thermique et de la conduction thermique, le tube extérieur assurant un effet de serre.
L'énergie thermique transmise à la partie chaude 66 du caloduc entraîne progressivement un changement de phase du fluide de caloduc 72, de son étant liquide à son état gazeux. Le fluide biphasique caloduc à l'état gazeux s'élève alors en direction de la partie froide 68 du caloduc, à travers les différents canaux 71 du réservoir. Le réservoir 70 étant appliqué au moins localement contre la couche d'absorption 58 dans la partie chaude 66 du caloduc, la conduction thermique est améliorée entre la couche d 'absorption 58 et le flu ide calod uc 72 , de sorte q ue les pertes de chaleu r par rayonnement sont encore réduites.
La chaleur transportée par le fluide de caloduc 72 de la partie chaude 66 vers la partie froide 68 est alors transmise au fluide caloporteur 10 par conduction thermique entre les canaux 71 disposés dans la partie froide 68 et le conduit 48 du circuit. Cette conduction thermique entraîne alors une élévation de la température du fluide caloporteur 10 et un abaissement de la température du fluide de caloduc 72.
Suite à l'abaissement de la température du fluide de caloduc 72, le fluide de caloduc 72 change à nouveau progressivement de phase, de son état gazeux à son état liquide. Le fluide de caloduc à l'état liquide redescend alors par gravitation de la partie froide 68 vers la partie chaude 66, de par l'angle d'inclinaison C, afin de transporter à nouveau de l'énergie thermique issue du rayonnement solaire.
Les moyens de stockage 12 servent alors de tampons entre l'énergie thermique produite par les capteurs solaires 26 des moyens de chauffage et celle celle consommée par l'utilisateur d'eau chaude 15. Les moyens de chauffage 12 permettent donc de découpler la production de chaleur de la disponibilité solaire.
Plusieurs modes de fonctionnement sont envisageables au niveau du système de production d'eau chaude 2, à l'aide des vannes 28, du mélangeur 20 et des pompes 22, 30 : le stockage seul d'énergie thermique, la production directe d'énergie thermique, le stockage et la production d'énergie thermique, le déstockage d'énergie thermique et la production directe d'énergie thermique, et le déstockage seul d'énergie thermique.
La boucle de régulation 18 permet d'adapter la quantité d'énergie thermique fournie par le système de production d'eau chaude 2.
La couche d'absorption 58 s'étendant, selon l'invention, sur une partie seulement de la circonférence du tube intérieur 56, permet de diminuer les pertes de chaleur. En effet, la couche d'absorption 58 est assimilable à un corps noir et rayonne lorsque le capteur solaire 26 reçoit le rayonnement solaire Rs. Ce rayonnement de corps noir entraîne une émission d'ondes infrarouges rebondissant dans l'espace clos 52 entre les tubes 54, 56, et échappant partiellement à l'effet de serre. La portion de la circonférence du tube intérieur 56 qui ne présente pas de couche d'absorption à son contact génère alors un moindre rayonnement de corps noir. Le capteur solaire 26 selon l'invention permet donc de réduire le rayonnement de corps noir et les pertes caloriques associées par rapport à un capteur solaire à tubes classique.
En outre, la couche d'absorption 58 s'étendant sur une partie seulement de la circonférence du tube intérieur 56, le capteur solaire 26 selon l'invention permet également de réduire les coûts.
On conçoit ainsi que le capteur solaire selon l'invention permet d'assurer un meilleur rendement thermique depuis le tube extérieur jusqu'au fluide caloporteur, en limitant les pertes de chaleur par rayonnement.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Capteur solaire (26) du type comprenant :
- un espace clos (52) délimité par un tube extérieur (54) et un tube intérieur (56) disposé à l'intérieur du tube extérieur (54), l'espace clos (52) comportant des moyens d'isolation thermique propres à réduire la convection thermique et la conduction thermique,
- une couche (58) d'absorption du rayonnement solaire (Rs) disposée contre le tube intérieur (56), et
- des moyens de conduction thermique (60) propres à transférer l'énergie calorique reçue du rayonnement solaire (Rs) via la couche d'absorption (58) à destination d'un fluide caloporteur (10),
caractérisé en ce que la couche d'absorption (58) s'étend sur une partie seulement de la circonférence du tube intérieur (56), et en ce q ue les moyens de conduction thermique (60) comportent un caloduc (64) comportant une partie chaude (66) agencée à l'intérieur du tube extérieur (54), une partie froide (68) disposée à l'extérieur du tube extérieur (54), et un réservoir (70) contenant un fluide biphasique caloduc (72) et s'étendant sur la partie chaude (66) et la partie froide (68).
2. - Capteur solaire (26) selon la revendication 1 , dans lequel une section transversale de la couche d'absorption (58) s'étend angulairement sur une valeur angulaire (A) comprise entre 140° et 220°, de préférence comprise entre 160° et 200°, de préférence encore sensiblement égale à 180°.
3. - Capteur solaire (26) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le tube intérieur (56) comporte une surface extérieure (62A) orientée vers le tube extérieur (54), et une surface intérieure (62B), et dans lequel la couche d'absorption (58) est disposée contre ladite surface extérieure (62A).
4. - Capteur solaire (26) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une section transversale du tube extérieur (54) et/ou du tube intérieur (56) est de forme circulaire.
5. - Capteur solaire (26) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réservoir (70) est appliqué au moins localement contre une surface intérieure (62B) du tube intérieur (56).
6. - Capteur solaire (26) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de conduction thermique (60) comportent une interface thermiquement conductrice (74), agencée entre la couche d'absorption (58) et la partie chaude (66) du caloduc.
7. - Capteur solaire (26) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie chaude (66) du caloduc est en forme d'un demi-cylindre.
8. - Capteur solaire (26) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une section transversale de la partie chaude (66) est sensiblement en regard de la section transversale de la couche d'absorption (58).
9. - Capteur solaire (26) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une section transversale de la partie chaude (66) s'étend angulairement sur une valeur angulaire (B) comprise entre 180° et 220°, de préférence sensiblement égale à 200°.
10. - Système (2) de production d'eau chaude à partir d'énergie solaire comprenant :
- une pluralité de capteurs solaires (26) propres à chauffer un fluide caloporteur (10) à partir d'énergie solaire, et
- un circuit (14) de transport du fluide caloporteur (10) entre les capteurs solaires (26) et un utilisateur (80) d'eau chaude,
caractérisé en ce que les capteurs solaires (26) sont conformes à l'une quelconque des revendications précédentes.
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