FR3008170A1

FR3008170A1 - SOLAR SENSOR COMPRISING VARIABLE EMISSIVITY SELECTIVE PROCESSING

Info

Publication number: FR3008170A1
Application number: FR1301606A
Authority: FR
Inventors: Jeremy Tillier; Emmanuel Ollier; Christophe Dubarry; Alexandre Pereira
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-01-09

Abstract

Capteur solaire (1) comprenant : - un substrat (2) conducteur thermique, muni d'une première face et d'une deuxième face, - un échangeur thermique (3) en contact thermique avec la première face du substrat (2), ledit échangeur thermique étant destiné à contenir un fluide caloporteur, - un traitement sélectif (4) recouvrant la deuxième face du substrat (2) et comprenant au moins une couche mince (5) ayant une émissivité augmentant avec la température (5).Solar collector (1) comprising: - a thermal conductive substrate (2), provided with a first face and a second face, - a heat exchanger (3) in thermal contact with the first face of the substrate (2), said heat exchanger intended to contain a heat transfer fluid, - a selective treatment (4) covering the second face of the substrate (2) and comprising at least one thin layer (5) having an emissivity increasing with temperature (5).

Description

0 0 8 1 70 1 Capteur solaire comprenant un traitement sélectif à émissivité variable. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un capteur solaire comprenant un traitement sélectif à émissivité variable. État de la technique Les capteurs solaires, aussi appelés capteurs solaires thermiques ou capteurs hélio-thermiques, sont des dispositifs permettant de récupérer l'énergie solaire et de la transmettre à un fluide caloporteur.0 0 8 1 70 1 Solar collector comprising selective treatment with variable emissivity. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The invention relates to a solar collector comprising a selective treatment with variable emissivity. STATE OF THE ART Solar collectors, also called solar thermal collectors or helio-thermal sensors, are devices making it possible to recover solar energy and to transmit it to a coolant.

Les capteurs solaires sont couramment utilisés dans des systèmes solaires combinés (SSC), la chaleur produite par les capteurs solaires servant à couvrir une partie des besoins en eau chaude sanitaire des habitations et/ou en chauffage.Solar collectors are commonly used in solar combined systems (SSC), the heat produced by solar collectors used to cover part of domestic hot water needs and / or heating.

Cependant, lorsque les apports en chaleur sont importants et la demande en eau chaude et/ou en chauffage est faible ou nulle, des montées en température se produisent dans lesdits systèmes. C'est, par exemple, le cas lors de départ en vacances pendant une période estivale ensoleillée. La température de l'eau chaude dans le ballon de stockage va, par exemple, osciller entre 80°C et 110°C selon l'heure de la journée ou de la nuit. Ces températures sont largement supérieures aux températures préconisées pour les installations fixes destinées au chauffage et à l'alimentation en eau chaude sanitaire des bâtiments d'habitation (température maximale de 50°C aux points de puisage dans les pièces destinées à la toilette).30 De plus, de telles températures engendrent des phénomènes de surchauffe pouvant entrainer l'apparition d'une surpression et détériorer l'installation. Différentes solutions sont actuellement utilisées pour maîtriser le problème des 5 surchauffes dans les systèmes solaires combinés. Une première solution consiste à utiliser des systèmes dits auto-vidangeables (« drain-back » en anglais). Le principe consiste à vidanger le capteur et la partie de la boucle solaire située à l'extérieur lorsque la pompe primaire s'arrête. Le circuit primaire doit impérativement être descendant du capteur vers le local 10 technique de vidange afin de permettre la vidange du capteur, par gravité. La présence d'air dans le circuit, résultant de la vidange, entraîne de forts risques de corrosion. Une autre solution consiste à utiliser le capteur comme un radiateur pendant la nuit afin de diminuer la température du stockage en dissipant la chaleur vers 15 l'extérieur. Une pompe primaire est enclenchée lorsque le stockage dépasse un certain niveau de température, et reste en fonctionnement jusqu'à ce que la température du stockage atteigne une valeur seuil. L'excédent d'énergie, i.e. de chaleur, peut aussi être dissipé grâce à une boucle de décharge, il peut s'agir, par exemple, d'un tuyau enterré. Le principal inconvénient de ces techniques 20 est la consommation électrique supplémentaire. Finalement, un vase d'expansion ayant un volume supérieur au volume de vaporisation du capteur solaire, peut être utilisé pour récupérer tout le fluide vaporisé en cas d'arrêt de la pompe primaire lorsque le ballon de stockage a atteint sa température maximale autorisée. Quand le système se refroidit, la 25 vapeur présente dans le capteur se condense et la pression dans le vase d'expansion permet de remplir à nouveau le circuit primaire. Les cycles de vaporisation et de condensation entraînent un vieillissement accéléré du fluide caloporteur.However, when the heat input is large and the demand for hot water and / or heating is low or zero, temperature rises occur in said systems. This is, for example, the case when going on holiday during a sunny summer period. The temperature of the hot water in the storage tank will, for example, oscillate between 80 ° C and 110 ° C depending on the time of day or night. These temperatures are much higher than the temperatures recommended for fixed installations intended for heating and supplying domestic hot water to residential buildings (maximum temperature of 50 ° C at points of drawdown in rooms intended for the toilet). In addition, such temperatures generate overheating phenomena that can cause the appearance of an overpressure and damage the installation. Various solutions are currently used to control the overheating problem in combined solar systems. A first solution is to use so-called self-draining systems ("drain-back" in English). The principle is to drain the sensor and the part of the solar loop located outside when the primary pump stops. The primary circuit must imperatively be descending from the sensor to the local 10 emptying technique to allow the emptying of the sensor, by gravity. The presence of air in the circuit, resulting from the emptying, entails strong risks of corrosion. Another solution is to use the sensor as a radiator overnight to decrease the storage temperature by dissipating heat to the outside. A primary pump is triggered when the storage exceeds a certain temperature level, and remains in operation until the storage temperature reaches a threshold value. Excess energy, i.e., heat can also be dissipated through a discharge loop, it can be, for example, a buried pipe. The main disadvantage of these techniques is the additional power consumption. Finally, an expansion vessel having a volume greater than the vaporization volume of the solar collector, can be used to recover all the vaporized fluid in case of stopping of the primary pump when the storage tank has reached its maximum allowed temperature. As the system cools, the vapor present in the sensor condenses and the pressure in the expansion vessel refills the primary circuit. The vaporization and condensation cycles cause an accelerated aging of the coolant.

La majorité de ces solutions engendre une consommation électrique supplémentaire et/ou un coût d'installation accrû, car elles nécessitent des éléments de circuit additionnels ou des éléments plus résistants.The majority of these solutions generate additional power consumption and / or increased installation cost because they require additional circuit elements or more resistant elements.

Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, de proposer un capteur solaire, simple et facile à mettre en oeuvre, 10 permettant d'éviter les phénomènes de surchauffe. Cet objet est atteint par un capteur solaire comprenant : un substrat conducteur thermique, muni d'une première face et d'une deuxième face, un échangeur thermique en contact thermique avec la première face du 15 substrat, ledit échangeur thermique étant destiné à contenir un fluide caloporteur, un traitement sélectif recouvrant la deuxième face du substrat et comprenant au moins une couche mince ayant une émissivité augmentant avec la température. 20 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 25 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, de manière schématique, en coupe, un capteur solaire selon un premier mode de réalisation, 30 - la figure 2 représente, de manière schématique, en coupe, un capteur solaire selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 3 représente l'évolution du coefficient d'extinction k en fonction des longueurs d'onde pour un film de VO2 à 20°C et à 70°C, - la figure 4 représente les rendements de conversion d'un capteur standard et d'un capteur solaire comprenant une couche mince ayant une émissivité variant 5 avec la température. Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention 10 Comme illustré à la figure 1, le capteur solaire 1 comprend : un substrat 2 conducteur thermique, muni d'une première face et d'une deuxième face, un échangeur thermique 3 en contact thermique avec la première face du substrat, ledit échangeur thermique 3 étant destiné à contenir un fluide 15 caloporteur, un traitement sélectif 4 recouvrant la deuxième face du substrat 2. Classiquement, un traitement sélectif est un revêtement, disposé sur le substrat, et configuré pour augmenter l'absorption du rayonnement solaire 20 incident et d'en limiter la ré-émission. La chaleur absorbée est alors transférée au fluide caloporteur via le substrat conducteur thermique. Par fluide caloporteur, on entend un fluide liquide ou gazeux permettant le transport de la chaleur. Le fluide caloporteur est, par exemple, de l'eau, un mélange d'eau et d'éthylène ou de propylène glycol. 25 Le traitement sélectif 4 comprend au moins une couche mince 5 ayant une émissivité variant avec la température. Par émissivité, on entend le rapport entre l'émission d'un corps réel et celle d'un 30 objet idéal, un corps noir, porté à la même température. Une surface S1 à la température T, émettra un rayonnement thermique deux fois plus intense qu'une surface S2 chauffée à la même température T, si l'émissivité de la surface S1 est deux fois plus grande que celle de la surface S2. Le contrôle de l'émissivité permet, avantageusement, de maîtriser l'intensité du rayonnement thermique émis par une surface.OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art and, in particular, to propose a solar collector, which is simple and easy to implement, making it possible to avoid overheating phenomena. This object is achieved by a solar collector comprising: a thermal conductive substrate, provided with a first face and a second face, a heat exchanger in thermal contact with the first face of the substrate, said heat exchanger being intended to contain a heat transfer fluid, a selective treatment covering the second face of the substrate and comprising at least one thin layer having an emissivity increasing with temperature. Other advantages and features will become more clearly apparent from the following description of particular embodiments of the invention given by way of non-limiting example and shown in the accompanying drawings, in which: FIG. 1 schematically represents, in section, a solar collector according to a first embodiment; FIG. 2 is a schematic sectional view of a solar collector according to a second embodiment, FIG. evolution of the extinction coefficient k as a function of the wavelengths for a VO2 film at 20 ° C. and at 70 ° C. FIG. 4 represents the conversion efficiencies of a standard sensor and a solar collector comprising a thin layer having a temperature-varying emissivity. DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION As illustrated in FIG. 1, the solar collector 1 comprises: a thermal conductive substrate 2, provided with a first face and a second face, a heat exchanger 3 thermal contact with the first face of the substrate, said heat exchanger 3 being intended to contain a heat-transfer fluid, a selective treatment 4 covering the second face of the substrate 2. Conventionally, a selective treatment is a coating, arranged on the substrate, and configured to increase the absorption of incident solar radiation and to limit the re-emission thereof. The heat absorbed is then transferred to the coolant via the thermal conductive substrate. By coolant is meant a liquid or gaseous fluid for the transport of heat. The coolant is, for example, water, a mixture of water and ethylene or propylene glycol. Selective treatment 4 comprises at least one thin layer having temperature varying emissivity. By emissivity is meant the relationship between the emission of a real body and that of an ideal object, a black body, brought to the same temperature. A surface S1 at temperature T will emit a thermal radiation twice as intense as a surface S2 heated to the same temperature T, if the emissivity of the surface S1 is twice as large as that of the surface S2. The control of the emissivity advantageously makes it possible to control the intensity of the thermal radiation emitted by a surface.

Par émissivité variant avec la température, on entend que l'émissivité de la couche mince 5 dépend de la température. Préférentiellement, la couche mince 5 a une émissivité qui augmente avec la température. Une telle couche mince a, par exemple, une émissivité Ei pour des températures inférieures à une température critique Tc et une émissivité £2 pour des températures supérieures à cette température critique de transition Tc. Avantageusement, Cl < £2, ce qui permet d'évacuer la chaleur par rayonnement au-dessus de la température critique. L'émissivité de la couche mince 5 varie en fonction de la température critique, et plus particulièrement l'émissivité de la couche mince 5 augmente quand la température de la couche mince 5 dépasse la température critique. La température critique est aussi appelée température de transition. La couche mince 5 est élaborée à partir d'un matériau ayant une émissivité variant avec la température. La couche mince 5 contient au moins 75% de matériau ayant une émissivité variant avec la température, et, de préférence, au moins 95% de matériau ayant une émissivité variant avec la température. Un matériau ayant une émissivité variant avec la température peut être un matériau thermochrome », c'est-à-dire un matériau qui a la propriété de changer ses indices optiques n, l'indice de réfraction, et k, le coefficient d'extinction, sous l'effet de la température, notamment dans le domaine spectrale du rayonnement infrarouge. La couche mince 5 a un coefficient d'extinction k qui augmente, dans le domaine de l'infra-rouge, avec la température qui augmente. Plus particulièrement, la couche mince 5 a un coefficient d'extinction k qui augmente, dans le domaine infra-rouge, lorsque la température atteint la température de transition : la couche mince a un coefficient d'extinction k1 au-dessous de la température de transition et un coefficient k2 au-dessus de la température de transition, avec ki<k2. Les matériaux thermochromes sont, par exemple, des matériaux organiques, comme les cristaux liquides ou les leuco-colorants. Le matériau thermochrome peut également être un oxyde. Préférentiellement, la couche mince 5 est en dioxyde de vanadium VO2, en Al2- xCrx03, (avec x compris entre 0,02 et 0,6, de préférence entre 0,1 et 0,4) en BiVO4 ou en Nb02.By emissivity varying with temperature, it is meant that the emissivity of the thin layer 5 depends on the temperature. Preferably, the thin layer 5 has an emissivity which increases with temperature. Such a thin layer has, for example, an emissivity Ei for temperatures below a critical temperature Tc and an emissivity β2 for temperatures above this critical transition temperature Tc. Advantageously, Cl <2, which makes it possible to evacuate the heat by radiation above the critical temperature. The emissivity of the thin layer 5 varies depending on the critical temperature, and more particularly the emissivity of the thin layer increases as the temperature of the thin layer 5 exceeds the critical temperature. The critical temperature is also called the transition temperature. The thin layer 5 is made from a material having a temperature-varying emissivity. The thin layer 5 contains at least 75% of material having a temperature-varying emissivity, and preferably at least 95% of material having temperature-varying emissivity. A material having a temperature-varying emissivity may be a thermochromic material, i.e. a material which has the property of changing its optical indices n, the refractive index, and k, the extinction coefficient under the effect of temperature, especially in the spectral range of infrared radiation. The thin layer 5 has an extinction coefficient k which increases, in the infrared field, with the increasing temperature. More particularly, the thin layer 5 has an extinction coefficient k which increases, in the infra-red domain, when the temperature reaches the transition temperature: the thin layer has an extinction coefficient k1 below the temperature of transition and a coefficient k2 above the transition temperature, with ki <k2. Thermochromic materials are, for example, organic materials, such as liquid crystals or leuco dyes. The thermochromic material may also be an oxide. Preferably, the thin layer 5 is VO2 vanadium dioxide, Al2-xCrx03, (with x between 0.02 and 0.6, preferably between 0.1 and 0.4) BiVO4 or Nb02.

Les oxydes thermochromes tels que Al2.xCrx03, BiVO4 ou Nb02 permettent de réaliser des capteurs solaires fonctionnant à des températures de transition assez élevées. Par exemple, Al2_xCrx03, permet d'obtenir une température de transition comprise entre -183°C, pour x = 0.58, et 377°C, pour x = 0.02, BiVO4 a une température de transition égale à 300°C, ou encore Nb02, a une température de transformation à 800°C. Préférentiellement, la couche mince 5 est en dioxyde de vanadium VO2. Avantageusement, ce matériau présente une transition de Mott à 68°C. Pour des températures inférieures à la température de transition de 68°C, l'oxyde est cristallisé dans sa phase monoclinique M1. Au-dessus de cette température, l'oxyde se transforme en phase R tétragonale. Les faibles déplacements atomiques, mis en jeu lors de la transition, conduisent à un recouvrement des orbitales 3d qui engendre un changement significatif des propriétés physiques, notamment électriques et optiques. La transformation de phase est totalement réversible et présente une faible hystérésis. La température de transition correspond à la température à laquelle le matériau change de structure cristalline, c'est-à-dire aussi la température à laquelle les propriétés optiques du matériau sont significativement modifiées.Thermochromic oxides such as Al2.xCrx03, BiVO4 or Nb02 make it possible to produce solar collectors operating at relatively high transition temperatures. For example, Al2_xCrx03, makes it possible to obtain a transition temperature of between -183 ° C., for x = 0.58, and 377 ° C., for x = 0.02, BiVO4 has a transition temperature equal to 300 ° C., or else NbO 2 at a transformation temperature of 800 ° C. Preferably, the thin layer 5 is VO2 vanadium dioxide. Advantageously, this material has a Mott transition at 68 ° C. For temperatures below the transition temperature of 68 ° C, the oxide is crystallized in its monoclinic M1 phase. Above this temperature, the oxide is transformed into a tetragonal R phase. The weak atomic displacements involved during the transition lead to a recovery of 3d orbitals, which generates a significant change in physical properties, especially electrical and optical properties. The phase transformation is completely reversible and has a low hysteresis. The transition temperature corresponds to the temperature at which the material changes crystalline structure, that is to say also the temperature at which the optical properties of the material are significantly modified.

Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche mince 5 est en dioxyde de vanadium dopé. Par dopé, on entend que le dioxyde de vanadium contient au moins 0,1% atomique d'élément dopant et au plus 20% atomique d'élément dopant. Avantageusement, le dopage de l'oxyde permet de modifier sa température de transition.According to a preferred embodiment, the thin layer 5 is doped vanadium dioxide. Doped means that the vanadium dioxide contains at least 0.1 atomic% of doping element and at most 20 atomic% of doping element. Advantageously, the doping of the oxide makes it possible to modify its transition temperature.

Préférentiellement, le dioxyde de vanadium est dopé avec de l'étain, de l'aluminium, du tungstène ou du molybdène. Les éléments dopants comme le tungstène ou le molybdène conduisent à une diminution de la température de transition tandis que le dopage par l'étain ou l'aluminium permet d'augmenter la température de transition de l'oxyde 10 thermochrome. Encore plus préférentiellement, le dioxyde de vanadium est dopé avec de l'étain ou de l'aluminium, ce qui permet d'augmenter sa température critique de 68°C jusqu'à 100°C, selon la concentration atomique de dopant. Les mesures de résistivité électrique permettent de déterminer aisément la 15 température critique du matériau. Un film en dioxyde de vanadium présente une variation de résistivité électrique d'au moins un ordre de grandeur lors de la transition. Préférentiellement, la variation de résistivité électrique est supérieure à 104 Q.cm lors de la transition. Préférentiellement, la couche mince en matériau thermochrome 5 a une 20 épaisseur comprise entre 10nm et 1000nm. Cette gamme d'épaisseur permet d'obtenir un revêtement sélectif présentant une importante variation de son émissivité et donc d'augmenter significativement les pertes de chaleur par réémission au-dessus de la température de transition. 25 Selon un mode de réalisation préférentiel et comme représenté sur la figure 2, le traitement sélectif 4 comporte au moins une couche mince additionnelle 6 ayant une émissivité variant avec la température et au moins une couche métallique 7, ladite couche métallique 7 étant disposée entre les deux couches minces 5 et 6, de manière à former un filtre interférentiel. 30 Préférentiellement, l'émissivité de la couche additionnelle 6 augmente avec la température.Preferably, the vanadium dioxide is doped with tin, aluminum, tungsten or molybdenum. Doping elements such as tungsten or molybdenum lead to a decrease in the transition temperature while doping with tin or aluminum makes it possible to increase the transition temperature of the thermochromic oxide. Even more preferably, the vanadium dioxide is doped with tin or aluminum, which makes it possible to increase its critical temperature from 68 ° C. to 100 ° C., depending on the atomic concentration of dopant. Electrical resistivity measurements make it easy to determine the critical temperature of the material. A vanadium dioxide film exhibits a change in electrical resistivity of at least one order of magnitude during the transition. Preferably, the variation of electrical resistivity is greater than 104 Ω.cm during the transition. Preferably, the thin layer of thermochromic material 5 has a thickness of between 10 nm and 1000 nm. This thickness range makes it possible to obtain a selective coating having a large variation in its emissivity and thus to significantly increase the heat losses by retransmission above the transition temperature. According to a preferred embodiment and as represented in FIG. 2, the selective treatment 4 comprises at least one additional thin layer 6 having a temperature-varying emissivity and at least one metal layer 7, said metal layer 7 being disposed between the two thin layers 5 and 6, so as to form an interference filter. Preferentially, the emissivity of the additional layer 6 increases with the temperature.

Avantageusement, le filtre interférentiel permet d'exploiter les multiples réflexions aux interfaces d'un empilement de matériaux d'indices optiques différents. Les réflexions aux interfaces induisent des déphasages donnant lieu à des interférences constructives ou destructives. L'optimisation des trajets optiques dans chaque couche permet d'obtenir un absorbeur sélectif, c'est-à-dire un absorbeur présentant une forte absorption du rayonnement solaire. La couche mince additionnelle 6 ayant une émissivité variable est en matériau thermochrome. Elle a une épaisseur comprise entre 10nm et 200nm. Cette gamme d'épaisseur permet la réalisation d'un filtre interférentiel présentant une absorption élevée du rayonnement solaire. Les deux couches minces en matériau thermochrome 5 et 6 sont dopées ou non dopées. Préférentiellement, les deux couches minces sont élaborées en un même matériau thermochrome et, encore plus préférentiellement, elles sont en dioxyde de vanadium. La présence des deux couches de V02, séparées par une fine couche métallique, permet d'obtenir un filtre interférentiel et d'optimiser l'absorption du rayonnement solaire. Selon un autre mode de réalisation, le traitement sélectif 4 du capteur solaire 1 20 est composé de différents matériaux thermochromes. Cette configuration permet, avantageusement, de changer les propriétés du traitement sélectif en fonction de différentes températures selon les applications envisagées. Avantageusement, un capteur solaire ayant un tel empilement permet d'avoir un rendement de conversion élevé en dessous d'une première température de 25 transition T1, un rendement de conversion intermédiaire entre la température T1 et une seconde température de transition T2, et enfin un rendement de conversion plus faible au-dessus de T2. La couche métallique 7 est, par exemple, en cuivre ou en argent. 30 Préférentiellement, la couche métallique 7 est en tungstène. La couche métallique 7 a une épaisseur comprise entre 10nm et 100nm. L'épaisseur de la couche métallique 7 est assez grande pour que la couche métallique soit continue et assez faible pour que le film métallique ne soit pas optiquement opaque.Advantageously, the interference filter makes it possible to exploit the multiple reflections at the interfaces of a stack of materials of different optical indices. The reflections at the interfaces induce phase shifts giving rise to constructive or destructive interferences. The optimization of the optical paths in each layer makes it possible to obtain a selective absorber, that is to say an absorber having a high absorption of solar radiation. The additional thin layer 6 having a variable emissivity is made of thermochromic material. It has a thickness of between 10 nm and 200 nm. This range of thickness allows the realization of an interference filter having a high absorption of solar radiation. The two thin layers of thermochromic material 5 and 6 are doped or undoped. Preferably, the two thin layers are produced from the same thermochromic material and, even more preferably, they are made of vanadium dioxide. The presence of the two layers of V02, separated by a thin metal layer, provides an interference filter and optimize the absorption of solar radiation. According to another embodiment, the selective treatment 4 of the solar collector 1 20 is composed of different thermochromic materials. This configuration advantageously makes it possible to change the properties of the selective treatment according to different temperatures depending on the applications envisaged. Advantageously, a solar collector having such a stack makes it possible to have a high conversion efficiency below a first transition temperature T1, an intermediate conversion efficiency between the temperature T1 and a second transition temperature T2, and finally a lower conversion efficiency above T2. The metal layer 7 is, for example, copper or silver. Preferably, the metal layer 7 is made of tungsten. The metal layer 7 has a thickness of between 10 nm and 100 nm. The thickness of the metal layer 7 is large enough so that the metal layer is continuous and low enough so that the metal film is not optically opaque.

Selon un mode de réalisation particulier, le traitement sélectif 4 comporte en plus une couche anti-reflet 8. La couche anti-reflet 8 est disposée de manière à former la couche externe du traitement sélectif 4, à l'opposé du substrat 2. La couche anti-reflet 8 permet d'augmenter l'absorption du rayonnement solaire du capteur solaire par diminution des pertes optiques par réflexion.According to a particular embodiment, the selective treatment 4 further comprises an antireflection layer 8. The antireflection layer 8 is arranged to form the outer layer of the selective treatment 4, opposite the substrate 2. anti-reflection layer 8 makes it possible to increase the solar radiation absorption of the solar collector by reducing the optical losses by reflection.

Avantageusement, la couche anti-reflet 8 est transparente dans le domaine de l'infrarouge afin d'obtenir une émissivité la plus faible possible en dessous de la température de transition des couches en oxyde(s) thermochrome(s). La couche anti-reflet 8 possède un indice de réfraction n compris entre l'indice de l'air et l'indice de la couche située en-dessous de la couche anti-reflet, dans la gamme 300nm-2000nm. L'épaisseur de la couche anti-reflet est comprise entre 10nm et 200nm. Préférentiellement, la couche anti-reflet 8 est en SiO2 ou en MgF2.Advantageously, the anti-reflection layer 8 is transparent in the infrared range in order to obtain the lowest possible emissivity below the transition temperature of the thermochromic oxide (s) layers. The antireflection layer 8 has a refractive index n between the index of air and the index of the layer below the antireflection layer, in the range 300nm-2000nm. The thickness of the anti-reflection layer is between 10 nm and 200 nm. Preferably, the anti-reflection layer 8 is SiO 2 or MgF 2.

Selon un autre mode de réalisation, la couche anti-reflet 8 est une couche à gradient d'indice. La couche anti-reflet 8 est, par exemple, un multi-couches en SiOXNY. x étant compris entre 0 et 2 et y étant compris entre 0 et 4/3 (5102 à Si3N4).According to another embodiment, the anti-reflection layer 8 is a graded index layer. The anti-reflection layer 8 is, for example, a multilayer of SiOXNY. x being between 0 and 2 and being between 0 and 4/3 (5102 to Si3N4).

Selon un autre mode de réalisation, la surface du matériau thermochrome est texturée de manière à obtenir les mêmes propriétés qu'une couche anti-reflet. La modification de la morphologie permet de modifier les caractéristiques optiques d'une surface. Avantageusement, la texturation permet de minimiser les pertes optiques par réflexion sur le capteur. L'homme du métier choisira la géométrie et les dimensions de la texturation en fonction des besoins. La texturation peut être, par exemple, sous la forme de pyramides ou de pointes.According to another embodiment, the surface of the thermochromic material is textured so as to obtain the same properties as an anti-reflection layer. The modification of the morphology makes it possible to modify the optical characteristics of a surface. Advantageously, the texturing makes it possible to minimize the optical losses by reflection on the sensor. The skilled person will choose the geometry and dimensions of the texturing as needed. The texturing may be, for example, in the form of pyramids or spikes.

L'utilisation d'une couche en matériau thermochrome texturée permet d'éviter de déposer une couche anti-reflet additionnelle. Le substrat 2 est un substrat conducteur thermique. Par conducteur thermique, 5 on entend que le substrat peut transférer de la chaleur à l'échangeur thermique contenant le fluide caloporteur afin de chauffer ledit fluide. Avantageusement, le substrat réfléchit le rayonnement infrarouge. Il permet d'obtenir une faible émission de rayonnement thermique. Préférentiellement, le substrat 2 est en aluminium. 10 Préférentiellement, le substrat est plan de manière à former un capteur plan. Les différentes couches du traitement sélectif 4 peuvent être déposées par toute technique connue de l'homme du métier. Il s'agit, par exemple, de 15 méthodes physiques telles que des méthodes par évaporation (effet Joule, canon à électrons), par évaporation et compactage (par bombardement ionique, par ionisation), par pulvérisation cathodique ou ionique ; ou encore de méthodes chimiques en phase vapeur telles que le dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour « Chemical Vapor Deposition »), le dépôt chimique en 20 phase vapeur à basse pression (ou LPCVD pour « Low Pressure Chemical Vapor Deposition »), le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD pour « Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition »). Les exemples suivants permettront de montrer les changements de propriétés 25 optiques de l'oxyde de vanadium lors de la transformation de phase. Exemple 1 La figure 3 représente l'évolution du coefficient d'extinction k en fonction des longueurs d'onde pour un film de VO2 à 20°C et à 70°C.The use of a textured thermochromic material layer makes it possible to avoid depositing an additional anti-reflection layer. The substrate 2 is a thermal conductive substrate. By thermal conductor is meant that the substrate can transfer heat to the heat exchanger containing the heat transfer fluid to heat said fluid. Advantageously, the substrate reflects the infrared radiation. It makes it possible to obtain a low emission of thermal radiation. Preferably, the substrate 2 is aluminum. Preferably, the substrate is planar so as to form a planar sensor. The different layers of the selective treatment 4 can be deposited by any technique known to those skilled in the art. These are, for example, physical methods such as evaporative methods (Joule effect, electron gun), evaporation and compaction (by ion bombardment, ionization), cathodic sputtering or ionic sputtering; or chemical vapor phase methods such as Chemical Vapor Deposition (CVD), Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). The following examples will show the changes in optical properties of vanadium oxide during phase transformation. Example 1 Figure 3 shows the evolution of the extinction coefficient k as a function of wavelengths for a VO2 film at 20 ° C and at 70 ° C.

Le coefficient d'extinction k représente la perte d'énergie du rayonnement électromagnétique dans un milieu. Ce coefficient dépend de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique traversant le milieu. Comme représenté sur la figure 3, le coefficient d'extinction k du VO2 est relativement faible dans l'infrarouge pour la phase basse température (20°C), il devient beaucoup plus élevé pour la phase haute température (70°C). Un traitement sélectif comprenant une couche mince de VO2 permet d'obtenir une faible émissivité en dessous de la température de transition et de présenter une émissivité plus élevée au-delà de cette température.The extinction coefficient k represents the energy loss of the electromagnetic radiation in a medium. This coefficient depends on the wavelength of the electromagnetic radiation passing through the medium. As shown in FIG. 3, the extinction coefficient k of VO2 is relatively low in the infrared for the low temperature phase (20 ° C.), it becomes much higher for the high temperature phase (70 ° C.). A selective treatment comprising a thin layer of VO2 makes it possible to obtain a low emissivity below the transition temperature and to have a higher emissivity beyond this temperature.

Exemple 2 Dans cet exemple, le substrat 2 est en aluminium et joue le rôle du réflecteur infrarouge. La couche anti-reflet 8 est une couche de silice SiO2. Le métal utilisé pour le filtre interférentiel est le tungstène. Le matériau thermochrome est du 15 VO2. Le capteur solaire 1 est composé de l'empilement suivant, depuis l'extérieur du traitement sélectif 4, i.e. depuis la couche anti-reflet 8 en SiO2, vers le substrat 2 en aluminium : SiO2 (114 nm) / VO2 (94 nm) / W (47nm) / VO2 (259nm) / Al (1mm). Les valeurs notées entre parenthèses représentent les épaisseurs des 20 différentes couches. Des simulations numériques ont été réalisées avec le logiciel OptiLayer afin de déterminer les réflectivités du capteur solaire en fonction des longueurs d'onde pour des températures inférieures à la température de transition du VO2 (60°C) et pour des températures supérieures à la température de transition du VO2 25 (80°C). Les résultats ont montré que la transition de phase réversible du VO2 modifie significativement les propriétés de l'absorbeur. A 60°C, l'absorption du rayonnement solaire est de 87,9% et l'émissivité est de 4,0%. A 80°C, l'absorption du rayonnement solaire est de 85,6% et l'émissivité augmente 30 jusqu'à 13,1%.Example 2 In this example, the substrate 2 is made of aluminum and plays the role of the infrared reflector. The anti-reflection layer 8 is a silica SiO 2 layer. The metal used for the interference filter is tungsten. The thermochromic material is VO2. The solar collector 1 is composed of the following stack, from outside the selective treatment 4, ie from the SiO 2 antireflection layer 8, to the aluminum substrate 2: SiO 2 (114 nm) / VO 2 (94 nm) / W (47 nm) / VO 2 (259 nm) / Al (1 mm). The values noted in parentheses represent the thicknesses of the different layers. Numerical simulations were performed with the OptiLayer software to determine the reflectivity of the solar collector as a function of wavelengths for temperatures below the transition temperature of VO2 (60 ° C) and for temperatures above transition of VO2 (80 ° C). The results showed that the reversible phase transition of VO2 significantly modifies the properties of the absorber. At 60 ° C, the absorption of solar radiation is 87.9% and the emissivity is 4.0%. At 80 ° C the absorption of solar radiation is 85.6% and the emissivity increases to 13.1%.

Exemple 3 La figure 4 représente la dépendance en température du rendement de conversion d'un capteur standard et celle d'un capteur solaire, comme décrit dans l'exemple 2, comprenant une couche en matériau thermochrome.Example 3 Figure 4 shows the temperature dependence of the conversion efficiency of a standard sensor and that of a solar collector, as described in Example 2, comprising a layer of thermochromic material.

Les deux capteurs possèdent la même absorption et la même émissivité à basse température, c'est-à-dire à une température inférieure à celle de la température de transition du V02. La température de stagnation d'un capteur solaire est atteinte lorsque les pertes thermiques s'annulent avec l'énergie accumulée par absorption du 10 rayonnement solaire. Les pertes thermiques du capteur sont de trois types : conduction, convection et rayonnement. Les pertes par conduction et convection peuvent être modifiées en jouant sur la géométrie et l'isolation du capteur. En ne considérant que les pertes par rayonnement, le rendement de conversion ric du capteur solaire est donné par : 15 Tic = a-(Ta4 - To4) Es avec : a l'absorption solaire et s l'émissivité du capteur, a et e sont des nombres sans 20 dimensions compris entre 0 et 1, a la constante de Stefan-Boltzmann, avec a = 5,67.10-8 W/m2/K4, Ta est la température du capteur, Es l'éclairement solaire au sol, Es = 1000W/m2 To la température ambiante, To = 30°C. 25 Es et To ont été choisis conformément aux préconisations de la norme NF EN 12975-2 relative aux installations solaires thermiques et leurs composants. Ces valeurs représentent une journée ensoleillée. La température dite de stagnation du capteur est donc atteinte lorsque le 30 rendement de conversion devient nul.Both sensors have the same absorption and emissivity at low temperature, i.e. at a lower temperature than the V02 transition temperature. The stagnation temperature of a solar collector is reached when the thermal losses cancel out with the accumulated energy by absorption of solar radiation. The thermal losses of the sensor are of three types: conduction, convection and radiation. The losses by conduction and convection can be modified by changing the geometry and the insulation of the sensor. Considering only the radiation losses, the conversion efficiency ric of the solar collector is given by: Tic = a- (Ta4-To4) Es with: a solar absorption and s emissivity of the sensor, a and e are non-dimensional numbers between 0 and 1, at the Stefan-Boltzmann constant, where a = 5.67 × 10 -8 W / m 2 / K 4, Ta is the sensor temperature, Es is the solar illuminance on the ground, Es = 1000W / m2 To room temperature, To = 30 ° C. Es and To were chosen in accordance with the recommendations of standard NF EN 12975-2 relating to solar thermal installations and their components. These values represent a sunny day. The so-called stagnation temperature of the sensor is thus reached when the conversion efficiency becomes zero.

La température de stagnation pour le capteur standard est de 192°C alors que celle pour un capteur ayant un traitement sélectif à émissivité variable est de 103°C. Le changement des propriétés de l'absorbeur au-dessus de la température de 5 transition du matériau thermochrome permet d'obtenir une forte diminution de la température de stagnation du capteur. Sur la figure 4, une forte chute de rendement peut être observée à 68°C pour le capteur tel que décrit dans l'exemple 2. Cette température correspond à la température de transformation de phase de l'oxyde VO2 thermochrome.The stagnation temperature for the standard sensor is 192 ° C while that for a sensor with variable emissivity selective treatment is 103 ° C. The change in the properties of the absorber above the transition temperature of the thermochromic material makes it possible to obtain a sharp decrease in the stagnation temperature of the sensor. In FIG. 4, a large yield drop can be observed at 68 ° C. for the sensor as described in Example 2. This temperature corresponds to the phase transformation temperature of the thermochromic VO 2 oxide.

10 Ce capteur à émissivité variable permet de diminuer la température de stagnation, en augmentant les pertes par rayonnement du capteur. Le contrôle des températures permet, avantageusement, de ne pas surchauffer le fluide caloporteur à base d'eau et de propylène-glycol et donc de ne pas le 15 dégrader. Ceci évite que le fluide caloporteur ne s'épaississe, qu'il ne devienne acide ou encore qu'il ne perde ses propriétés d'antigel. Les joints en caoutchouc présents dans le système solaire combiné, et notamment dans les pompes et soupapes, ne sont donc pas détériorés. Finalement, l'utilisation d'un capteur solaire à émissivité variable permet avantageusement d'empêcher le 20 vieillissement rapide du capteur solaire, augmentant ainsi sa durée de vie. Le capteur solaire comprenant un traitement sélectif à émissivité variable présente un bon rendement de conversion dans les basses températures, tout en évitant les problèmes liés aux surchauffes grâce à la modification des 25 propriétés intrinsèques de l'absorbeur lors de la transformation de l'oxyde thermochrome. Le traitement sélectif à émissivité variable permet d'apporter au capteur solaire plan une protection thermique intrinsèque, passive et réversible. Le capteur solaire plan est configuré pour avoir un coefficient d'absorption 30 élevé et une très faible émissivité en-dessous de la température de transition et pour avoir une absorption plus faible et une émissivité plus élevée au-dessus de la température de transition. Une fois installé, le capteur solaire ne nécessite aucune action humaine pour modifier ses propriétés optiques : les changements sont intrinsèques au traitement sélectif et notamment l'émissivité du traitement sélectif varie avec la température. Avantageusement, l'utilisation d'un tel traitement sélectif permet de ne pas utiliser, dans le système solaire combiné, des éléments additionnels tels que 10 des pompes, des vases d'expansion, des boucles de décharge, qui sont encombrantes et qui engendrent un surcoût d'installation important. Ce type de capteur est particulièrement adapté pour les dispositifs permettant de chauffer l'eau sanitaire ou encore des piscines.This variable emissivity sensor makes it possible to reduce the stagnation temperature by increasing the radiation losses of the sensor. The temperature control advantageously makes it possible not to overheat the heat transfer fluid based on water and propylene glycol and therefore not to degrade it. This prevents the heat transfer fluid from thickening, becoming acidic or losing its antifreeze properties. The rubber seals present in the combined solar system, and particularly in the pumps and valves, are therefore not deteriorated. Finally, the use of a variable emissivity solar collector advantageously makes it possible to prevent the rapid aging of the solar collector, thus increasing its life. The solar collector comprising a variable emissivity selective treatment has a good conversion efficiency in low temperatures, while avoiding the problems of overheating due to the modification of the intrinsic properties of the absorber during the transformation of the thermochromic oxide. . Selective treatment with variable emissivity makes it possible to provide the flat solar collector with intrinsic, passive and reversible thermal protection. The planar solar collector is configured to have a high absorption coefficient and a very low emissivity below the transition temperature and to have a lower absorption and a higher emissivity above the transition temperature. Once installed, the solar collector does not require any human action to modify its optical properties: the changes are intrinsic to the selective treatment and in particular the emissivity of the selective treatment varies with the temperature. Advantageously, the use of such a selective treatment makes it possible not to use, in the combined solar system, additional elements such as pumps, expansion vessels, discharge loops, which are bulky and which generate a significant installation cost. This type of sensor is particularly suitable for devices for heating sanitary water or swimming pools.

15 Le traitement sélectif du capteur solaire pourrait également être composé d'empilements différents comme un empilement comprenant une couche antireflet, une couche absorbante, un réflecteur infrarouge. Une couche à base d'oxyde thermochrome pourrait également être utilisée dans un capteur solaire de type composite diélectrique/métal sur réflecteur infrarouge.The selective treatment of the solar collector could also be composed of different stacks such as a stack comprising an antireflection layer, an absorbing layer, an infrared reflector. A thermochromic oxide-based layer could also be used in a dielectric / metal composite solar collector on an infrared reflector.

20 Avantageusement, ce type de capteur permet d'atteindre rapidement la température visée, en utilisant une surface de capteur réduite.Advantageously, this type of sensor makes it possible to quickly reach the target temperature, by using a reduced sensor surface.

Claims

REVENDICATIONS1. Solar collector (1) comprising: a thermal conductive substrate (2), provided with a first face and a second face, a heat exchanger (3) in thermal contact with the first face of the substrate (2), said heat exchanger being intended to contain a coolant, a selective treatment (4) covering the second face of the substrate (2), characterized in that the selective treatment (4) comprises at least one thin layer (5) having an emissivity increasing with temperature .

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the thin layer (5) is vanadium dioxide V02, Al2_xCrx03, BiVO4 or Nb02.

3. Sensor according to claim 2, characterized in that the thin layer (5) is doped vanadium dioxide.

4. Sensor according to claim 3, characterized in that the vanadium dioxide is doped with tin, aluminum, tungsten or molybdenum.

5. Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thin layer (5) has a thickness between 10 nm and 1000 nm. 25

6. Sensor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the selective treatment (4) comprises at least one additional thin layer (6) having a temperature-varying emissivity and at least one metal layer (7) said metal layer (7) being disposed between the thin layers (5, 6) so as to form an interference filter.

7. Sensor according to claim 6, characterized in that the two thin layers (5,6) are vanadium dioxide and in that the metal layer (7) is tungsten.

8. Sensor according to one of claims 6 and 7, characterized in that the additional thin layer (6) has a thickness between 10 nm and 200 nm.

9. Sensor according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the metal layer (7) has a thickness of between 10 nm and 100 nm.

10. Sensor according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the selective treatment (4) comprises an anti-reflection layer (8). 15

11. The sensor of claim 10, characterized in that the anti-reflection layer (8) is SiO2 or MgF2.

12. Sensor according to one of claims 10 and 11, characterized in that the anti-reflection layer (8) is a graded index layer. 20

13. Sensor according to claim 12, characterized in that the antireflection layer (8) is a multilayer SiOxNy.

14. Sensor according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the substrate (2) is aluminum.