FR2565335A1 - Collecteur solaire en beton arme de fibre - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN COLLECTEUR SOLAIRE EN BETON ARME DE FIBRE. IL COMPORTE UN ELEMENT 30 EN VERRE PORTANT UN REVETEMENT SOLAIRE SELECTIF ET APPLIQUE SUR LES SOMMETS DE NERVURES APLATIES 14 DE FACON A FORMER AVEC CES DERNIERES DES CANAUX 15 DANS LESQUELS CIRCULE UN FLUIDE D'ECHANGE DE CHALEUR. LES MATERIAUX UTILISES POUR LA CONSTITUTION DU COLLECTEUR 2 POSSEDENT DES COEFFICIENTS DE DILATATION THERMIQUE SENSIBLEMENT EGAUX DANS LES PLAGES DE TEMPERATURE D'UTILISATION PREVUES. DOMAINE D'APPLICATION : UTILISATION DE L'ENERGIE THERMIQUE A DES FINS DE CHAUFFAGE.

Description

L'invention concerne les collecteurs solaires et plus particulièrement des collecteurs solaires réalisés en béton armé de fibre.

L'accroissement rapide du coût des formes d'énergie classiques, dû en grande partie aux augmentations du coût des combustibles pour la fourniture de ces énergies classiques, a focalisé l'attention sur la nécessité de développer les sources d'énergie solaire . Les effets sur l'environnement de l'utilisation des combustibles fossiles pour produire de l'énergie ont poussé encore plus au développement de ces alternatives utilisant l'énergie solaire. Le captage efficace et économique du rayonnement solaire devrait être le moyen préféré pour chauffer et refroidir les bâtiments, pour chauffer l'eau a usage domestique et pour fournir la chaleur nécessaire aux traitements industriels-.

Cependant, bien que d'importantes recherches aient conduit sur la possibilité d'utiliser des collecteurs solaires à plaques plates mettant en oeuvre les propriétés physiques de surfaces à haute absorption et faible pouvoir émissif, le succès de la commercialisation de l'énergie thermique solaire dépend en grande partie de la mise au point d'un système produisant de l'énergie à un coût suffisamment bas pour être compétitif avec celui de l'énergie des combustibles classiques. Ceci demande davantage que la mise au point de surfaces hautement sélectives, capables d'absorber suffisamment de chaleur sur une période moyenne de jours ensoleillés et nuageux. La viabilité économique d'un tel système nécessite que les panneaux de captage solaires soient relativement peu coûteux, légers et d'une construction durable.Les caractéristiques de longévité comprennent entre autres la résistance et l'adaptation des coefficients de dilatation thermique aux larges plages de températures normalement rencontrées dans le captage de l'énergie solaire. L'absence de cette résistance et de cette adaptation thermique donne, par ailleurs, comme résultat un panneau de courte durée de vie, ce qui fait plus que compenser les effets positifs de l'utilisation de matériaux à bon marché.

Il est connu de construire des collecteurs solaires en utilisant des matériaux du type béton. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N" 4 164 933 décrit un panneau solaire préfabriqué en béton présentant un canal ménagé dans le béton et servant de conduit de transport d'un fluide assurant la transmission de la chaleur entre les surfaces planes proches du panneau. Bien qu'un tel panneau soit durable, il n'est pas léger. En outre, la transmission de la chaleur à travers le béton, du canal vers la surface, est inefficace.

L'invention a donc pour objet un collecteur solaire caractérisé par une construction à bon marché, légère, efficace et durable. L'invention a également pour objet un collecteur solaire utilisant des matériaux dont les coefficients de dilatation thermique se correspondent sensiblement. L'invention a également pour objet un collecteur solaire léger, réalisé à l'aide de béton armé de fibre.

L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel
la figure 1 est une vue en perspective avec arrachement partiel du collecteur solaire selon l'invention
la figure 2 est une coupe transversale partielle' montrant la construction du collecteur solaire et
la figure 3 est une coupe transversale partielle du revêtement sélectif.

La figure 1 représente globalement en 21e collecteur solaire selon 11 invention. Le collecteur solaire 2 comprend un panneau configuré 10 en béton armé de verre auquel, dans la forme préférée de réalisation, est liée, sur une face, une couche de béton cellulaire léger isolant 20. Comme décrit plus en détail en regard de la figure 2, le panneau 10 en béton est formé commodément par la coulée, dans un moule, du béton à l'état fluide, en même temps que de fibres hachées. Le béton cellulaire leger isolant est ensuite appliqué, à son tour, sur la face exposée du panneau de béton. Le panneau 10 est réalisé sous la forme d'un panneau ondulé présentant des rainures 12 et des nervures surélevées et aplaties 14.Après durcissement du panneau 10 de béton, une feuille 30 -de verre est liée aux nervures plates 14 du panneau 10 afin de former, avec les gorges 12, des canaux 15 entre le panneau 10 et la feuille 30 de verre.

La feuille 30 de verre est liée au panneau 10 à l'aide d'un agent de liaison approprié , par exemple un agent de liaison à ciment AL tel que l'agent de liaison à ciment du type WSaureisint ou une résine époxy telle que "Aquatapoxy", un adhésif époxy disponible auprès de la firme American Chemical Company, 81 Encina Avenue,
Palo Alto, CA 94301, E.U.A. L'agent de liaison est appliqué sur les nervures plates 14 du panneau 10 et la plaque de verre 30 est ensuite pressée fermement contre les nervures enduites.

La surface exposée de la plaque 30 de verre est recouverte d'un revêtement solaire sélectif qui maximise l'absorption du spectre solaire tout en minimisant le pouvoir émissif du rayonnement renvoyé à l'atmosphère.

Bien qu'un certain nombre de matières de revêtement différentes, connues, puissent être appliquées sur des surfaces de verre pour former un revêtement solaire sélectif, la figure 2 représente une matière composite avantageuse de revêtement comprenant une première couche 31 de nitrure de silicium qui est appliquée directement sur la surface de la plaque de verre 30. Une couche 32 de molybdène metallique est appliquée sur la couche 31 de nitrure de silicium en tant que réflecteur. Une couche d'arrêt 33 en oxyde de chrome est ensuite appliquée sur la couche 32 de molybdene. Une couche 34 de silicium métallique amorphe est ensuite appliquée en tant que couche absorbante.

Enfin, une seconde couche 35 de nitrure de silicium est appliquée en tant que couche anti-réfléchissante. D'autres revêtements appliqués sous forme de peinture sont disponibles dans le commerce.

Comme montré sur la figure 1, le panneau- 20 de béton comporte une lèvre périphérique surélevée comprenant une première partie 16 sensiblement perpendiculaire aux nervures aplaties 14, une deuxième partie épaulée 17 et une troisième partie 18 orientée vers le haut.

Une plaque ou couche protectrice 50 en verre est montée sur l'épaulement 17 du panneau 10 a l'aide d'une patte d'étanchéité appropriée, en forme de garniture, par exemple du caoutchouc siliconé pour joint. La couche de verre 50, qui peut être réalisée en-verre trempé si cela est nécessaire pour des raisons de solidité, assume la fonction d'un élément protecteur s'étendant sur la surface revêtue de la plaque 30 de verre. En outre, le volume défini par les plaques 30 et 50 en verre et la partie verticale 16 du panneau 10 constitue un espace mort formant une lame d'air isolante EM qui, bien que pouvant être aisément traversée par un rayonnement, constitue une barrière s'opposant à la conduction de la chaleur pour retenir la chaleur du rayonnement absorbé sur le revêtement sélectif de la plaque de verre 30.

Dans la forme de réalisation représentée, une pince 60 en acier laminé porte contre la face inférieure de l'épaulement 17 du panneau 10 et contre le bord périphérique de la surface supérieure de la plaque de verre 50 pour maintenir fixement cette plaque de verre 50 sur l'assemblage du collecteur solaire 2, d'une manière permettant un démontage aisé et un remplacement dans le cas ou la plaque 50 est-ensuite détériorée en cours d'utilisation.

En se référant à présent plus particulièrement à la figure 3, on voit que le panneau 10 est formé par l'application d'une mince couche de ciment sur un moule 100. Dans la forme préférée de réalisation, le béton est appliqué, avec les fibres d'armature, sur le moule au moyen d'un canon tel que celui utilisé pour la réalisation, sur place, des piscines en béton. Le moule 100 est un moule male présentant des parties surélevées 102 qui correspondent aux rainures 12 des ondulations à former dans le panneau 10. Les zones surbaissées et aplaties 110 de fond forment les nervures surélevées et aplaties 14 du panneau 10.

Le béton utilisé pour former le panneau 10 est à base de ciment Portland, tel que du type I ou II des normes ASTM. Le ciment Portland est de préférence d'un type faiblement alcalin. Le béton est armé de fibre hachée capable de supporter l'attaque alcaline du béton. Dans une forme préférée de réalisation, les fibres sont des fibres de verre obtenues à partir de sables au dioxyde de zirconium, par exemple les fibres disponibles dans le commerce sous le nom commercial "Cem-FIL AR". Les fibres de verre sont hachées à une longueur avantageusement comprise entre 2,5 et 3,8 cm, en même temps que le béton est appliqué sur le moule. Ceci est réalisé au moyen d'un équipement classique conçu pour hacher les fibres de verre et les mélanger au béton dans un canon utilisé pour appliquer le mélange sur le moule.Le béton armé de fibres de verre ainsi obtenue est ensuite de préférence appliqué sur le moule en une couche d'une épaisseur d'environ 4,8 mm.

Après l'application du béton armé de verre sur le moule 100, ce dernier est encore face tournée vers le bas (le béton armé de verre étant tourné vers le haut), reposant sur une surface horizontale, et des pièces latérales 120 du moule sont placées sur la périphérie de ce moule 100. Dans la forme préférée de réalisation, une couche de béton cellulaire léger 20 est ensuite coulée sur le béton armé de verre, sur une profondeur moyenne d'environ 5 cm, pour constituer une isolation sur la face arrière du panneau. On laisse ensuite prendre ensemble le béton armé de verre et le béton cellulaire léger appliqué sur lui pour qu'ils forment une s-tructure étroitement liée.

Le béton cellulaire léger est de préférence un béton léger obtenu à l'aide d'un agent moussant pour produire du béton cellulaire. Dans la forme préférée de réalisation, un agent moussant biodégradable est utilisé, cet agent comprenant une protéine hydrolysée telle que celle disponible dans le commerce sous le nom commercial "Neopor" auprès de la firme Neopor Verfahrenstecnik Gmbh.

L'agent moussant est mélangé à de l'eau dans une proportion de 40 parties d'eau par partie d'agent moussant, et ces deux éléments sont mélangés ensemble pour former une émulsion qui est émise sous pression sous la forme d'une mousse ayant une consistance analogue à celle d'une crème à raser. L'émulsion formée par la mousse est ensuite mélangée à du sable, du ciment Portland et de l'eau.

Les proportions peuvent varier considérablement suivant la résistance souhaitée. Pour un matériau léger, à haute valeur isolante et ayant une densité d'environ 600 kg/m3, on mélange 161 kg de sable, 237,5 kg de ciment Portland et 84 kg d'eau à 8,86 litres de mousse.

L'utilisation d'autres bétons légers comprenant, soit des agents moussants, soit un agrégat léger, entre dans le cadre de l'invention et ces bétons sont englobés par l'expression "béton cellulaire léger" utilisée dans le présent mémoire.

Après la prise du béton cellulaire léger et du béton moulé, armé de verre, le moule est retiré et l'agent de liaison destiné au panneau de verre est appliqué sur les nervures plates du béton armé de verre. Le panneau 30 de verre revetu est ensuite pressé fermement en position et on laisse durcir la matière de liaison.

Dans la forme de réalisation illustree sur la figure 1, un long canal 15 en serpentin est formé par le panneau 10 de béton armé de verre et la couche 30 de verre appliquée sur ce panneau. Il est évident que des canaux de diverses formes peuvent être réalisés.

Cependant, il est avantageux que les canaux soient peu profonds et larges pour offrir une surface maximale en contact avec la couche de verre portant le revêtement sélectif afin de permettre une transmission maximale de la chaleur du rayonnement absorbé dans le verre au liquide circulant dans les canaux. Conformément à l'invention, le panneau 10 peut être moulé de façon à comporter des distributeurs situés aux extrémités opposées du collecteur, des canaux sensiblement parallèles reliant entre eux les distributeurs opposés pour établir des écoulements parallèles du liquide d'un distributeur à l'autre. En variante, les canaux peuvent être réalisés sous la forme d'un serpentin continu possédant une entrée et une sortie.

Cependant, dans chaque forme de réalisation de l'invention, il convient de noter que l'invention est caractérisée par l'utilisation de matières ayant des coefficients de dilatation thermique sensiblement identiques. Autrement dit, le panneau en béton coulé, son armature de fibre, l'isolation en béton cellulaire liée à ce panneau, le verre portant un revêtement solaire sélectif et la couche de verre protectrice ont tous sensiblement les mêmes coefficients de dilatation, ce qui permet ainsi-l'utilisation du panneau dans la gamme des températures pouvant apparaître dans un collecteur solaire et qui peut s'étendre d'une valeur aussi basse que les tempétures de congélation (par temps d'hiver, la nuit) jusqu'à une température aussi élevée que le point dlébullition du liquide utilisé, qui peut atteindre 200"C. En outre, certaines parties du panneau peuvent dépasser sensiblement cette température, cette dernière pouvant s'élever à 300"C. Bien que le panneau représenté sur la figure 1 comporte une pince d'acier pour la fixation de la couche supérieure de verre de protection, il est évident que ce type de construction, utilisant une pince flexible 60 en acier à ressort, permet une disparité thermique en ce qui concerne cet élément, sans que l'on s'écarte du but souhaité d'un panneau composite sans disparités thermiques. En d'autres termes, l'utilisation d'une pince 60 à ressort n'entraîne aucune fuite ni rupture des liaisons entre les éléments qui, autrement, raccourciraient la durée de vie du panneau et empêcheraient donc d'atteindre l'un des buts de l'invention qui est d'offrir un collecteur solaire à bon marché tout en étant durable. I1 convient de noter, à cet égard, que la pince à ressort peut être remplacée, si cela est souhaité, par une matière de liaison analogue à celle utilisée pour fixer la plaque de verre 30 au panneau 10.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au collecteur solaire décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Collecteur solaire comprenant un élément en verre (30) dont une première surface porte un revêtement solaire sélectif (31-35), caractérisé par une forte absorption et un faible pouvoir émissif, un élément façonné (10) en béton fixé à l'élément de verre (30) et comprenant une mince paroi en béton armé de fibres résistant aux substances alcalines, et configurée pour former, en coopération avec l'élément de verre qui lui est fixé, une série de canaux (15) capables de faire circuler un fluide d'échange de chaleur vers un échangeur de chaleur, le collecteur solaire utilisant en outre des matières ayant des coefficients de dilatation thermique sensiblement identiques sur la plage des températures auxquelles les collecteurs solaires sont normalement exposés.

2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres résistant aux substances alcalines comprennent des fibres de verre résistant aux substances alcalines.

3. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres de verre résistant aux substances alcalines sont constituées d'un verre à l'oxyde de zirconium.

4. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres de verre résistant aux substances alcalines sont hachées à une longueur d'environ 2,5 à 1,27 cm.

5. Collecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément façonné en béton, armé de fibres de verre résistant aux substances alcalines et hachées, est formé par pulvérisation du béton et des fibres sur un moule (100).

6. Collecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les fibres sont hachées pendant l'opera- tion de pulvérisation.

7. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément façonne en beton comporte une couche (20) en béton cellulaire léger fixée à cet élément, sur une face opposée à celle portant l'élément de verre afin de former une isolation pour le fluide circulant dans les canaux.

8. Collecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche de beton et l'élément de verre sont liés ensemble par un agent de liaison.

9. Collecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'agent de liaison comprend un agent de liaison à ciment.

10. Collecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'agent de liaison comprend une résine époxy.

11. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un capot protecteur transparent (50) est monté sur le collecteur, au-dessusde l'élément de verre, afin de réduire les pertes par convexion.

12. Collecteur solaire, caractérisé en ce qu'il est constitué de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique qui se correspondentsur sur une plage de températures comprise entre 0 et 200"C, ce collecteur comprenant un élément (10) en beton à paroi mince, arme de fibres résistant aux substances alcalines et présentant une première surface configurée pour former, avec un élément (30) de couverture, en verre, scellé à l'élément (10) en béton, une série de canaux (15) -capables de faire circuler un fluide d'échange de chaleur, une première surface de l'élément de recouvrement en verre portant un revêtement solaire sélectif (31-35) à haute absorption et faible pouvoir émissif, un élément transparent protecteur (50) de recouvrement étant monté au-dessus de l'elé- ment de recouvrement en verre afin de le protéger ainsi que son revêtement, et une couche (20) de béton cellulaire isolant étant appliquée sur la surface opposée de l'élément en béton à paroi mince, cet élément en béton à paroi mince, les fibres résistant aux substances alcalines, l'élément de recouvrement en verre, l'élément transparent protecteur et l'élément isolant en béton cellulaire présentant des caractéristiques de dilatation thermique qui se correspondent sur une plage de températures de O à 200"C.