La présente invention concerne un capteur thermique de rayonnementThe present invention relates to a thermal radiation sensor
solaire. De nombreux procédés de captation de l'énergie solaire sont développés, la majorité utilisant des absorbeurs plans le plus souvent métalliques, de couleur sombre, avec une face arrière isolée et souvent protégés par une plaque transparente en verre ou en thermoplastique pour diminuer les pertes thermiques et utiliser l'effet de serre de ces matériaux. La circulation d'eau est organisée au contact de ces absobeurs pour transférer les calories. Certains utilisent un absorbeur tubulaire sous vide, ce qui évité les pertes thermiques par conduction et convection, la surface nécessaire au projet recherché étant obtenue par juxtaposition de ces tubes, comme dans le brevet WO/1999/045329. Ces modes de captation de l'énergie solaire sont souvent complexes, onéreux. 1 0 La présente invention concerne un nouveau capteur solaire simple à réaliser, très efficace sur le plan thermique et facile à entretenir, en supprimant une grande partie des inconvénients des autres dispositifs. En effet, un liquide coloré est contenu dans un récipient transparent en forme de cylindre ; une canalisation d'eau potable chauffée par le capteur baigne simplement dans cette eau colorée, puis est dirigée jusqu'aux points d'utilisation. Plus simple, cette eau colorée est dirigée vers des radiateurs ou un échangeur d'un ballon 1 5 d'eau chaude ou d'une piscine. Pour mieux faire comprendre l'invention, celle ci sera décrite suivant différentes figures qui ne limitent nullement l'invention à ces exemples, celle ci n'étant limitée que par sa description. La figure 1 représente un capteur solaire selon l'invention, vu en élévation, comprenant un réflecteur. La figure 2 est une coupe AA de la figure 1 ; 20 La figure 3 est une variante de la figure 2 dans lequel le réflecteur est rernplacé par un isolant à l'arrière. La figure 1 représente un capteur solaire vu de face ; celui ci comprend un plan de symétrie P passant par l'axe du cylindre, ce plan permet de préciser l'implantation du capteur ; la trace du plan de symétrie P sur un plan horizontal sera si possible une droite orientée est-ouest et dont l'azimut mesuré en degrés sera égal à : 90 moins la latitude du lieu d'implantation du capteur, ce qui est un bon compromis entre l'azimut 2 5 maximum atteint par le soleil au 21 juin et un azimut minimum qui devrait être zéro degré, mais qui en pratique est plutôt pris à une vingtaine de degrés en considérant l'affaiblissement très fort des apports thermiques du rayonnement par l'atmosphère terrestre lorsque le soleil est bas sur l'horizon. Naturellement pour une production d'eau chaude seulement estivale, cet angle sera augmenté d'une dizaine de degrés et abaissé d'autant pour une production uniquement hivernale. 30 Le capteur (100) est composé d'un cylindre (1) à section elliptique ou circulaire, l'ellipse étant d'autant plus aplatie que l'azimut du lieu d'implantation est faible, de manière à mieux capter alors le rayonnement direct. solar. Numerous methods for capturing solar energy are developed, the majority using planar absorbers most often metallic, of dark color, with an insulated back face and often protected by a transparent glass or thermoplastic plate to reduce thermal losses. and use the greenhouse effect of these materials. The circulation of water is organized in contact with these absobeurs to transfer the calories. Some use a tubular absorber under vacuum, which avoids heat loss by conduction and convection, the area required for the desired project is obtained by juxtaposition of these tubes, as in the patent WO / 1999/045329. These methods of capturing solar energy are often complex and expensive. The present invention relates to a novel solar collector simple to produce, very thermally efficient and easy to maintain, removing much of the disadvantages of other devices. Indeed, a colored liquid is contained in a transparent container in the form of a cylinder; a pipe of drinking water heated by the sensor simply bathes in this colored water, then is directed to the points of use. More simply, this colored water is directed towards radiators or a heat exchanger of a hot water tank or a swimming pool. To better understand the invention, it will be described in different figures that do not limit the invention to these examples, the latter being limited only by its description. FIG. 1 represents a solar collector according to the invention, seen in elevation, comprising a reflector. Figure 2 is a section AA of Figure 1; FIG. 3 is a variant of FIG. 2 in which the reflector is replaced by an insulator at the rear. Figure 1 shows a solar collector seen from the front; this one comprises a plane of symmetry P passing through the axis of the cylinder, this plane makes it possible to specify the implantation of the sensor; the trace of the plane of symmetry P on a horizontal plane will, if possible, be an east-west straight line whose azimuth measured in degrees will be equal to: 90 minus the latitude of the sensor's location, which is a good compromise between the maximum azimuth attained by the sun on June 21st and a minimum azimuth which should be zero degrees, but which in practice is rather taken at about twenty degrees considering the very weakening of the thermal contributions of the radiation by the Earth's atmosphere when the sun is low on the horizon. Naturally for summer hot water production, this angle will be increased by around ten degrees and lowered by the same amount for winter production only. The sensor (100) is composed of a cylinder (1) of elliptical or circular section, the ellipse being more flattened that the azimuth of the implantation site is weak, so as to better capture the radiation. direct.
Cette section sera également plus elliptique si le capteur est placé horizontalement, vu la faible variation d'azimut du soleil dans ce cas. Ce cylindre est transparent ; il peut être en verre, mais de préférence en poly carbonate ou en PPMA (poly méthacrylate de méthyle) pour ses propriétés de résistance et de transparence, tout en permettant l'effet de serre. Ce poly carbonate recevra de préférence une charge destinée à améliorer sa résistance aux ultraviolets. Le cylindre en section d'ellipse pourra avoir par exemple 400 mm pour son grand axe et 200 mm pour son petit axe, voire 500 et 100 mm pour des implantations horizontales du capteur sous faible latitude, avec une épaisseur de matériau de 5 mm. Le diamètre du cylindre de section circulaire peut être par exemple de 300 mm extérieur. Ce cylindre (1) contient un liquide (2), comme de l'eau éventuellement additionnée d'un 1 0 glycol pour éviter le gel. Ce liquide est transformé en absorbeur thermique par addition d'un colorant comme l'encre de chine, la terre de sienne sous forme de poudre extraite d'un sol ou tout colorant approprié ; en effet, la pénétration des rayons solaires à travers la paroi transparente du cylindre leur permet de continuer leur parcours dans l'eau colorée (2) jusqu'à ce qu'ils rencontrent une particule de matière colorée, sur laquelle ils transfèrent leur énergie calorifique qui est alors piégée au sein du liquide. Le dosage du colorant 1 5 peut se régler simplement en plaçant une feuille blanche juxtaposée au--dessus d'une feuille noire derrière le tube ; ce dosage est suffisant lorsque la feuille blanche n'est plus distinguable de la feuille noire sur toute la largeur du cylindre. II n'est pas intéressant de colorer plus ce liquide, de manière à ce que les rayons solaires pénètrent profondément dans celui ci, ce qui améliore l'homogénéité des températures. La coloration choisie doit être assez sombre, mais pas forcément noire ; elle peut être rnarron ou vert. La petite perte de 20 rendement est compensée par un aspect esthétique plus satisfaisant. Un tube (3), de préférence en cuivre, pénètre à travers le couvercle (4) du cylindre (1), ce tube ressortant en partie (5) après son parcour:s à l'intérieur du cylindre pour se diriger vers la consommation d'eau chauffée ou bien ces tubes (3), (5) entrent et ressortent du couvercle (4) après avoir été en communication avec l'eau (2), afin d'établir une circulation d'eau (2) colorée et chauffée avec un ballon de stockage grâce à des vannes 2 5 trois voies (6) et (7) qui permettent, soit de faire circuler l'eau colorée à l'intérieur du cylindre (1) pour homogénéiser sa température, soit de la diriger vers l'échangeur contenu dans le ballon, soit vers des radiateurs de chauffage d'habitation, ou de piscine, grâce à ces tubes (4), (5). . On note que le couvercle (4) n'est soumis qu'à un très faible pression (0.03 bar dans l'exemple choisi si le cylindre est placé horizontalement), voire à aucune pression du liquide si le cylindre est placé verticalement 30 ou incliné ; Cette position est préférable, car elle évite tout problème de dilatation, de gel, de pression...le couvercle (4) n'a plus que le rôle de diminuer l'évaporation du liquide. Le couvercle de fond (obis) du cylindre (1) est soudé ou collé au cylindre, de manière à rendre l'assemblage étanche. On note la très grande simplicité du capteur s'il est placé vertical ou incliné sur la verticale du nombre de degrés correspondant sensiblement à : 90 moins le nombre de degrés de la latitude du lieu d'implantation-, soit par exemple 45 pour la France : en effet, le cylindre (1) est un récipient rempli d'eau colorée, dans lequel on place un tube de cuivre qui entre et qui ressort par l'orifice supérieur, tube dans lequel circule l'eau du réseau d'eau potable. Des brides métalliques (8) et (9) maintiennent solidement le cylindre en bonne position par rapport à un réflecteur (10). Le rôle de ce réflecteur est de réfléchir le rayonnement solaire sur le cylindre (1). La paroi (11) du réflecteur (10) est rendue réfléchissante par tout matériau ayant cette propriété, comme l'aluminium brillant, des miroirs de verre ou de thermoplastique enduit d'une couche réfléchissante... l'arrière (110) du réflecteur pourra être en partie de cercle en section droite, pour favoriser le réglage en azimut du capteur. La figure 2, coupe AA de la figure 1, illustre la forme particulière que prend le réflecteur (10) : celui ci est de 1 0 préférence en section droite une développante d'ellipse qui permet à tous les rayons solaires s'étendant entre les deux ailes (12) et (12bis) d'être réfléchis par le revêtement (11) vers le cylindre (1), quelle que soit l'inclinaison de ces rayons. Cette courbe, dont les normales sont tangentes au cylindre, s'obtient par le tracé que fait une pointe de crayon attachée au fil d'une bobine tenue d'une main, lorsque l'autre main déroule le fil muni de son crayon. Lorsque le cylindre est de section circulaire, le tracé de la forme du réflecteur 1 5 s'obtient de la même manière. La matière composant ce réflecteur (10) est de peu d'importance, il suffit qu'elle ait la résistance mécanique correspondant aux équipements qu'elle supporte : ce peut être du bois, du béton, du béton de bois, du thermoplastique, une plaque d'acier... le revêtement réfléchissant (11) est placé ou fixé directement sur ce matériau. Un revêtement très simple et économique peut être constitué de petits miroirs du commerce, carrés ou rectangulaires, collés sur le réflecteur (10). Ces miroirs plans 20 n'épouseront pas exactement la forme de la développante, mais la très grande réflectivité de ces miroirs compense sans peine les petites pertes de rayonnement dues à cette approximation de la forme de la courbe. Les ailes (12) et (12bis) peuvent s'étendre par exemple jusqu'à ce que les deux normales aux courbes des ailes soit confondues ; à ce rnoment, le point (13) du cylindre opposé au point (14) d'origine des courbes est sur la même droite que l'extrémité des ailes. Cette étendue importante des ailes est justifiée si le capteur est 2 5 vertical ou incliné, mais elle peut être moindre pour un capteur placé horizontalement, car la variation du soleil efficace en azimut en (Europe n'est que de 50 environ, alors qu'une variation dans un plan horizontal peut être de 250 en été ; ceci est compensé par le fait que l'angle sous lequel est vu le cylindre (1) à partir du soleil est sensiblement constant dans ce dernier cas, alors qu'il varie fortement pour le capteur horizontal. On remarque le tube de cuivre (3), (5) qui se déploie en zigzag à l'intérieur du tube (1) par les déploiements 30 (3bis) et (5bis) et qui peuvent recevoir des ailettes, respectivement (31) et (51), afin de faciliter les transferts thermiques du fluide caloporteur (2) vers ces tubes. Mais Il est plus simple de placer un tube de cuivre de diamètre surdimensionné, afin d'accroître la surface de contact avec le liquide chaud. This section will also be more elliptical if the sensor is placed horizontally, given the small variation of azimuth of the sun in this case. This cylinder is transparent; it may be glass, but preferably polycarbonate or PPMA (poly methyl methacrylate) for its properties of strength and transparency, while allowing the greenhouse effect. This polycarbonate will preferably receive a filler to improve its ultraviolet resistance. The cylinder in elliptical section may have for example 400 mm for its major axis and 200 mm for its minor axis, or 500 and 100 mm for horizontal implementations of the sensor under low latitude, with a material thickness of 5 mm. The diameter of the cylinder of circular section may be for example 300 mm outside. This cylinder (1) contains a liquid (2), such as water optionally supplemented with a glycol to prevent freezing. This liquid is converted into a heat absorber by addition of a dye such as Indian ink, the soil of its own as a powder extracted from a soil or any suitable dye; indeed, the penetration of the solar rays through the transparent wall of the cylinder allows them to continue their journey in the colored water (2) until they meet a particle of colored material, on which they transfer their heat energy. who is then trapped within the liquid. The dosage of dye 15 can be adjusted simply by placing a white sheet juxtaposed above a black sheet behind the tube; this dosage is sufficient when the white sheet is no longer distinguishable from the black sheet over the entire width of the cylinder. It is not interesting to color more this liquid, so that the sun rays penetrate deeply into it, which improves the homogeneity of temperatures. The color chosen must be quite dark, but not necessarily black; it can be brown or green. The small loss of yield is compensated by a more satisfactory aesthetic appearance. A tube (3), preferably made of copper, penetrates through the lid (4) of the cylinder (1), this tube emerging partially (5) after its course: s inside the cylinder to go towards consumption heated water or these tubes (3), (5) enter and exit the lid (4) after being in communication with the water (2), to establish a circulation of water (2) colored and heated with a storage tank by means of three-way valves (6) and (7) which allow either to circulate the colored water inside the cylinder (1) to homogenize its temperature, or to direct it to the exchanger contained in the balloon, or to residential heating radiators, or pool, through these tubes (4), (5). . Note that the lid (4) is subjected to a very low pressure (0.03 bar in the example chosen if the cylinder is placed horizontally), or no liquid pressure if the cylinder is placed vertically or inclined ; This position is preferable because it avoids any problem of expansion, freezing, pressure ... the cover (4) has only the role of reducing the evaporation of the liquid. The bottom cover (obis) of the cylinder (1) is welded or glued to the cylinder, so as to make the assembly tight. We note the very great simplicity of the sensor if it is placed vertically or inclined to the vertical of the number of degrees corresponding substantially to: 90 minus the number of degrees of the latitude of the place of implantation-, for example 45 for France : in fact, the cylinder (1) is a container filled with colored water, in which is placed a copper tube which enters and which emerges through the upper orifice, tube in which circulates the water of the drinking water network . Metal flanges (8) and (9) securely hold the cylinder in proper position with respect to a reflector (10). The role of this reflector is to reflect solar radiation on the cylinder (1). The wall (11) of the reflector (10) is made reflective by any material having this property, such as shiny aluminum, mirrors of glass or thermoplastic coated with a reflective layer ... the rear (110) of the reflector may be partly circle in cross section, to promote the azimuth adjustment of the sensor. FIG. 2, section AA of FIG. 1, illustrates the particular shape taken by the reflector (10): it is preferably in cross-section an elliptical involute which allows all the solar rays extending between the two wings (12) and (12bis) to be reflected by the coating (11) to the cylinder (1), regardless of the inclination of these rays. This curve, the normals of which are tangent to the cylinder, is obtained by drawing a point of pencil attached to the thread of a reel held in one hand, when the other hand unrolls the thread with its pencil. When the cylinder is of circular section, the pattern of the shape of the reflector 1 5 is obtained in the same way. The material component of this reflector (10) is of little importance, it suffices that it has the mechanical strength corresponding to the equipment that it supports: it can be wood, concrete, wood concrete, thermoplastic, steel plate ... the reflective coating (11) is placed or fixed directly on this material. A very simple and economical coating can be made of small commercial mirrors, square or rectangular, glued on the reflector (10). These flat mirrors 20 do not exactly match the shape of the involute, but the great reflectivity of these mirrors easily compensates for small radiation losses due to this approximation of the shape of the curve. The wings (12) and (12a) can extend for example until the two normal to the curves of the wings are merged; at this point, the point (13) of the cylinder opposite to the point (14) of origin of the curves is on the same line as the end of the wings. This large extent of the wings is justified if the sensor is vertical or inclined, but it may be less for a sensor placed horizontally, since the variation of the effective sun in azimuth in Europe is only about 50, whereas a variation in a horizontal plane may be 250 in summer, this is compensated by the fact that the angle under which the cylinder (1) is seen from the sun is substantially constant in the latter case, while it varies strongly for the horizontal sensor, the copper tube (3), (5) which is deployed in zigzag inside the tube (1) by the deployments 30 (3a) and (5a) and which can receive fins, respectively (31) and (51), in order to facilitate heat transfers of the heat transfer fluid (2) to these tubes, but it is simpler to place an oversized diameter copper tube in order to increase the contact surface with the hot liquid.
On constate dans la figure 3 que le réflecteur peut être supprirné pour des capteurs (120) dont l'axe du cylindre est placé horizontalement sous des faibles ou moyennes latitudes. Le cylindre (1 5), dans ce cas, est une ellipse très aplatie; le réflecteur est alors favorablement rempllacé par une matière isolante (16) sur le plan thermique, car les apports solaires d'un réflecteur seraient marginaux par rapport au bénéfice apporté par l'isolant (16). Ce cylindre aplati s'obtient par extrusion d'un poly carbonate par exemple, ce matériau étant par ailleurs un bon isolant thermique. Cette forme elliptique offre une excellente résistance mécanique qui assure son auto stabilité. L'isolant peut être par exemple un polystyrène extrudé dont la souplesse lui permet de se coller au mieux à l'arrière du cylindre. La longueur clu cylindre est fonction des apports thermiques attendus, elle pourra être de 2 à 4 mètres. Dans cette dernière longueur et pour un tube 1 0 cylindrique à section circulaire de 300 mm de diamètre, le volume d'eau chauffée est de 250 litres environ. Naturellement, plusieurs modules solaires peuvent être placés en série ou en parallèle selon les besoins. En variante, l'eau colorée (2) contenue dans le cylindre (1) peut circuler directement vers des radiateurs de chauffage d'une habitation par exemple ou dans un tuyau plongé dans l'eau d'une piscine, voire dans un ballon d'eau chaude dans lequel elle pourrait transmettre sa chaleur par le biais d'un échangeur noyé dans 1 5 l'eau du ballon à chauffer pour les besoins de la construction. Dans ce cas, les tubes (4) et (5) servent seulement à faire circuler cette eau colorée, en étant en communication avec elle dans l'intérieur du cylindre (1). Cette configuration présente évidemment une efficacité thermique supérieure, puisque l'eau du cylindre sera toujours à plus basse température que dans le dispositif décrit en figure 1. En résumé, l'invention concerne : -un capteur solaire thermique (100), caractérisé en ce que un cylindre (1) 20 transparent de section droite elliptique, en verre ou en thermoplastique, obturé à ses extrémités par les couvercles (4) et (4bis) contient un liquide coloré (2) ainsi qu'un tube de cuivre (3), (3bis), (5), (5bis) permettant la circulation de l'eau à chauffer, placé en zigzag et plongé dans ce liquide. -Un capteur solaire thermique (100), caractérisé en ce que le cylindre (il) est placé devant un réflecteur (10) dont la section droite est en forme de développante d'ellipse et qui est recouvert en tout ou partie d'un 2 5 revêtement réfléchissant (11). - un capteur solaire thermique (100), caractérisé en ce que la paroi du réflecteur (10) est réalisée dans un matériau dont la partie arrière (110) est arrondie en partie de cercle de manière à pouvoir s'adapter facilement à l'azimut désiré si le capteur est placé horizontalement. - un capteur solaire (120), caractérisé en ce que la partie arrière du cylindre de section elliptique (15) est 30 isolée grâce à un matériau isolant (16). - un Capteur solaire thermique (100), caractérisé en ce que le tube de cuivre (3), (5) conduit l'eau chauffée colorée vers un échangeur de ballon d'eau chaude ou vers des radiateurs de chauffage d'habitation ou de piscine. -un capteur solaire dont le grand axe et le petit axe de l'ellipse qui est la section droite du cylindre (1) sont 5 égaux. Cette invention est particulièrement destinée au réchauffage de l'eau chaude domestique ou celle des piscines. 10 15 20 25 It can be seen in FIG. 3 that the reflector can be omitted for sensors (120) whose axis of the cylinder is placed horizontally at low or mid-latitudes. The cylinder (1 5), in this case, is a very flattened ellipse; the reflector is then favorably replaced by an insulating material (16) thermally, because solar contributions of a reflector would be marginal compared to the benefit provided by the insulation (16). This flattened cylinder is obtained by extrusion of a polycarbonate for example, this material is also a good thermal insulator. This elliptical shape offers excellent mechanical strength that ensures its self-stability. The insulation may be for example an extruded polystyrene whose flexibility allows it to stick better at the rear of the cylinder. The length of the cylinder is a function of expected heat input, it may be 2 to 4 meters. In this last length and for a cylindrical tube with a circular cross-section of 300 mm in diameter, the volume of heated water is approximately 250 liters. Naturally, several solar modules can be placed in series or in parallel as needed. Alternatively, the colored water (2) contained in the cylinder (1) can flow directly to heating radiators of a dwelling for example or in a pipe immersed in the water of a pool, or even in a balloon. hot water in which it could transmit its heat through an exchanger embedded in the water of the flask to be heated for the purposes of construction. In this case, the tubes (4) and (5) serve only to circulate this colored water, being in communication with it in the interior of the cylinder (1). This configuration obviously has a higher thermal efficiency, since the cylinder water will always be at a lower temperature than in the device described in FIG. 1. In summary, the invention relates to: a solar thermal collector (100), characterized in that that a transparent cylinder (1) of elliptical cross-section, made of glass or thermoplastic, closed at its ends by the covers (4) and (4a) contains a colored liquid (2) and a copper tube (3) , (3a), (5), (5a) allowing the circulation of the water to be heated, placed in a zigzag and immersed in this liquid. A solar thermal collector (100), characterized in that the cylinder (11) is placed in front of a reflector (10) whose cross-section is in the shape of an involute ellipse and which is covered in whole or in part with a 2 Reflective coating (11). - A solar thermal collector (100), characterized in that the wall of the reflector (10) is made of a material whose rear portion (110) is rounded in part of a circle so as to easily adapt to the azimuth desired if the sensor is placed horizontally. a solar collector (120), characterized in that the rear part of the elliptical section cylinder (15) is insulated by an insulating material (16). - A solar thermal collector (100), characterized in that the copper tube (3), (5) conducts the colored heated water to a hot water tank exchanger or to heating radiators for living or swimming pool. a solar collector whose major axis and the small axis of the ellipse which is the cross section of the cylinder (1) are equal. This invention is particularly intended for heating domestic hot water or swimming pools. 10 15 20 25