FR2993964A1 - Capteur solaire thermique par dalle absorbante - Google Patents

Abstract

Le dispositif permet de chauffer de l'eau par rayonnement du soleil sur une dalle parcourue par un ensemble de tuyaux de circulation d'eau Ce dispositif utilise des matériaux courants utilisés dans l'industrie du B T P permet de fabriquer un capteur à bas prix sur des surfaces importantes et recueillir une puissance élevée malgré un rendement au mètre carré faible (232 w/ m2), une plage de températures restreinte (entre 1 et 40 °Celsius) et une élévation de température de quelques degrés. Le pilotage du fonctionnement par un circuit électronique permet une récupération optimale de l'énergie reçue par le capteur L'application de ce procédé convient pour des chauffages de piscines, des circuits de chauffage de serres, ou du réchauffage de circuits primaires de pompes à chaleur ou de chauffage de bâtiments agricoles La simplicité du dispositif et la robustesse des matériaux utilisés permet, avec une durée de vie importante, sans entretien important, et à un faible coût de mise en oeuvre, de chauffer de grandes quantités d'eau avec un bilan carbone très bas.

Description

la présente invention concerne un dispositif pour récupérer l'énergie solaire par un moyen économique, d'élever la température de l'eau de quelques degrés à un débit important afin de chauffer de grandes masses d'eau telles que des circuits primaires de pompes à chaleur ou des piscines.

Les moyens de chauffe à des débits importants utilisés actuellement sont les suivants : les moyens électriques : le chauffage direct par résistances est peu onéreux à la mise en oeuvre mais très couteux au fonctionnement. Le chauffage par pompe à chaleur est moins énergivore que le chauffage direct, il nécessite des moyens financiers importants à la mise en oeuvre et a un coût d'entretien récurent qui s'ajoute au coût de l'énergie et a une durée de vie assez limitée ; de plus ces moyens nécessitent la production d'énergie par le réseau, et donc une perte supplémentaire d'énergie dans les réseaux de distribution. Le chauffage thermique par combustion de matières organiques fossiles (charbon ou fioul) ou naturelles (bois) : outre un bilan carbone désastreux ces techniques se heurtent au coût de plus en plus élevé de ces combustibles, aux moyens à mettre en oeuvre pour en disposer sur le lieu d'utilisation et à l'augmentation du prix du pétrole qui entraine une augmentation du coût de ces énergies de remplacement. Le chauffage par récupération de l'énergie solaire se divise en deux catégories : Les capteurs électriques par cellules photovoltaïques ; d'un coût très élevé à l'installation, ils ont un rendement peu élevé et produisent une énergie à un prix très onéreux, de plus ils s'avèrent fragiles et posent le problème du démantèlement des installations en fin de vie. Les capteurs thermiques par réchauffement direct d'un fluide sous une surface vitrée par effet de serre : ces capteurs sont très élaborés et d'un rendement assez performant ne peuvent être installés sur de grandes surfaces à titre individuel du fait de leur coût élevé au m2 ; Les capteurs par tubes sous vide juxtaposés faisant circuler de l'eau par phénomène de siphon thermique ; ces capteurs restent d'un cout élevé et d'une fragilité du fait de l'utilisation de verre. Les capteurs par toiles en caoutchouc noir ou tubes de caoutchouc juxtaposés et disposés sur un toit ou une surface oblique : ces dispositifs restent fragiles, inesthétiques et d'une durée de vie relativement courte. L'ensemble de ces techniques ne permettent pas de répondre au problème posé et ne restent compétitifs que si leur installation est subventionnée ou si leur énergie est rachetée à prix fort. En utilisant des matériaux courants utilisés dans l'industrie du BTP, facilement disponibles et en les adaptant, il est possible de trouver une solution qui satisfasse la question posée initialement : Le principe est inverse à celui d'une dalle chauffante de chauffage au sol, le soleil frappe une dalle qui par conduction réchauffe un ensemble de tuyaux de drainage parcourus par de l'eau. Le dispositif est représenté en coupe sur la figure 1 et la disposition des tuyaux de circulation est représentée sur la figure 2 et se compose des éléments suivants : -Une surface du sol brute 1 orientée face au sud et pentée de manière à proscrire toute stagnation de l'eau en cas de pluie en permettant un égouttage de la surface le plus rapidement possible (l'énergie dépensée pour évaporer l'eau stagnante constituant une perte de chaleur importante). L'angle de la pente peut être adapté en fonction des utilisations qui peuvent être faites de cette surface : soit aucun usage et la pente doit être maximale pour mieux profiter de l'incidence du soleil, dans d'autres cas cette inclinaison peut être minimale si on veut utiliser cette surface de captage en terrasse ou allée ou encore aire de stationnement de véhicules. -un lit de matériaux rocheux 2 suffisamment durs (ex matériaux calibre 20 mm minimum à 80 mm) pour empêcher les animaux fouisseurs de pénétrer sous la dalle et altérer la couche isolante. Ces matériaux seront répartis uniformément et compactés pour recevoir la structure qui la recouvre et ont un effet drainant pour évacuer l'eau sous cette structure. -Une couche de matériau isolant 3 résistant à l'humidité (ex : polystyrène expansé disposé en couches entrecroisées) posé sur les matériaux rocheux. Ce matériau peut être remplacé par un isolant rigide de type béton cellulaire suffisamment épais pour avoir un effet isolant comparable si on veut utiliser la surface du capteur pour recevoir la circulation de véhicules légers sur une aire de stationnement, les voies d'accès à celle-ci ou une allée. -Un ensemble de tuyaux 6, servant à capter la chaleur contenue dans l'épaisseur de de la dalle 4 et la transporter vers le lieu d'utilisation en sortant du capteur par un collecteur7,ces tuyaux sont de diamètre suffisant (ex : 13 ou 16 mm) pour permettre la circulation de l'eau à un débit permettant une élévation de température de quelques degrés, ces tuyaux 6 10 peuvent être polyéthylène réticulé. Ils seront résistants à la corrosion et aux températures usuelles de la plomberie, disposés en nattes 8, de faible largeur (exemple : lm de large), et de longueur compatible avec le débit et l'augmentation de température (exemple : 15 m aller/retour soit 30 m et un à débit de 200 1/heure) et réparties sur l'ensemble de la dalle 9. Ces nattes 8 sont juxtaposées sur l'ensemble de la dalle 9. Ces tuyaux 6 sont disposés entre 15 eux à un intervalle suffisant permettant un échange performant de la chaleur entre la masse de béton réchauffé et l'eau circulant dans les tuyaux et convergent vers les collecteurs d'entrée et de sortie 7. -Un treillis soudé pour la cohésion de la dalle et pour appuyer les tuyaux drainants sur la surface. 20 -Une dalle béton 4 épaisseur faible (environ quelques cm) pour noyer les tuyaux 6 et le treillis soudé, celle-ci sera lissée à la taloche sur sa face supérieure, et permettra une diffusion de la chaleur de toute la surface de captage vers les tuyaux 6 de drainage de la dalle. -Un revêtement sombre 5 permettant de convertir les rayons du soleil en chaleur et 25 d'élever la température de la dalle béton 4 de manière optimale. -Deux collecteurs 7 de longueur égale à la largeur d'une natte 8 et juxtaposables pour drainer le nombre de nattes 8 permettant d'alimenter ou de réceptionner l'eau de circulation dans la dalle, ces collecteurs sont munis d'entrées ou de sorties toutes connectées aux tuyaux de drainage par des connecteurs polyéthylène résistant aux conditions usuelles. 30 -Un ensemble de tuyaux résistant à la corrosion des produits de traitement de l'eau dimensionnés pour réduire les pertes de charge et assurer la circulation du fluide du lieu de production vers le lieu d'utilisation. -Une pompe d'alimentation basse pression pour faire circuler l'eau et permettre un drainage de chaque circuit de la dalle d'un débit suffisant permettant l'élévation de 35 température de l'eau de quelques degrés ( ex : 200 litres par heure), à une pression de service de l'ordre de là 2 bars. -Un circuit électronique de pilotage muni d'une sonde de détection de présence de soleil et de deux capteurs de température fonctionnant de la façon suivante : après un temps de détection de luminosité du soleil la pompe met l'eau en circulation pendant une durée 40 suffisante pour établir le régime de fonctionnement. Si après le délai la température de retour est inférieure à la température d'entrée le cycle est interrompu et repart au début, dans le cas contraire la température de l'eau sortant du capteur est supérieure à la température de l'eau entrant dans le capteur, et le cycle continue. -Pour améliorer la performance du capteur, le revêtement sombre peut être du bitume ou 45 de l'émulsion de bitume. Celle ci peut être mise en oeuvre à température ambiante. La rupture de l'émulsion se fait en arrosant celle-ci avec une eau basique pour ne pas provoquer de collage du bitume et l'accrochage de poussières sur le bitume tout en gardant les propriétés d'adhésion de celui-ci sur la surface bétonnée à long terme, La prise de celui-ci est alors de manière immédiate et assure donc un bon coefficient d'échange thermique 50 -Pour être esthétique et dans le cas de volonté d'utiliser la surface du capteur comme terrasse, il est possible de remplacer le bitume par un carrelage sombre ce qui permet l'utilisation du capteur comme terrasse, à la condition de ne pas encombrer la surface exposée pour garder une performance de celui-ci. -Pour une utilisation sur une aire de stationnement de véhicules, le matériau isolant peut être du béton cellulaire en lieu et place du polystyrène ce qui augmente la capacité de portance et permet l'utilisation du capteur dans des voies d'accès au stationnement formant une couche suivante : matériau rocheux - béton cellulaire - béton revêtement - bitume noir. Le dispositif décrit précédemment a donné les performances suivantes : Capteur réalisé suivant la structure suivante matériaux rocheux-polystyrène-béton recouvert de bitume, pour réchauffage d'une piscine extérieure -Inclinaison 10 ° par rapport à l'horizontale -Orientation plein sud -Surface du capteur 135 m2 -Etat de surface du capteur légèrement dégradé -Météo ensoleillée à 12h 00 -Epoque de mesure : mois de Mai -Débit traversant 2.5 1/ seconde -Différence de température 3°Celsius -Température d'entrée 30° Celsius D'où une puissance totale fournie de 31.35 KW, soit 232 w/m2 de capteur Les applications de ce dispositif permettent de réaliser de grandes surfaces de captage de l'énergie solaire à un coût très faible et de fournir des quantités importantes de chaleur à des températures basses comme le réchauffement des piscines, le chauffage de serres ou de bâtiments à l'intersaison, ou le réchauffage d'un circuit primaire de pompe à chaleur.

Claims (2)

1. REVENDICATIONS1 Dispositif pour chauffer de l'eau par captage de la chaleur solaire caractérisé en ce qu'il comporte une dalle réceptrice 4 drainée par des nattes 8 de tuyaux 6 parcourues par de l'eau, générant une faible élévation de température sur une surface importante, constitué des couches successives suivantes : sol compacté 1, matériaux durs 2, matériaux isolants 3, béton 4 avec nattes de tuyaux de drainage 6, couche sombre absorbante 5.
2. 2 Dispositif selon la revendicationl caractérisé en ce que les tuyaux de drainage 6 sont en polyéthylène réticulé 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif est géré par un circuit électronique détectant la présence du soleil et assurant le captage des calories uniquement dans le cas où la température de l'eau sortant du capteur est supérieure à la température de l'eau entrant dans le capteur. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche sombre absorbante 5 est constituée de bitume, mis en oeuvre pur ou sous forme d'émulsion eau-bitume. 5 Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que la couche 20 sombre absorbante 5 est constituée de carrelage sombre pour pouvoir adapter le capteur sur une terrasse. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'isolant 3 est un isolant rigide type béton cellulaire pour adapter le dispositif sur une aire de stationnement de véhicules légers ou les voies d'accès à celle-ci. 25 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les tuyaux de drainage 6 sont disposés en nattes 8 de longueur compatible avec un débit permettant d'obtenir une élévation de quelques dégrés, de faible largeur, les nattes 8 pouvant être préfabriquées avec des tuyaux 6 en polyéthylène réticulé.