WO1979000881A1

WO1979000881A1 - Solar radiation collector

Info

Publication number: WO1979000881A1
Application number: PCT/CH1979/000049
Authority: WO
Inventors: O Barbuti
Original assignee: Helind Sa; O Barbuti
Priority date: 1978-04-05
Filing date: 1979-04-02
Publication date: 1979-11-01
Also published as: EP0015945A1; CH620757A5; IT1096630B; IT7824448A0

Abstract

Solar radiation collector of the plane and fixed type. It employs a heat absorbing panel of which the active surface is formed by heat conductive thin plate (2) deeply rippled with ripplings of trapezoidal section and coated with smoky black. A second plate (3) preferably flat is welded to the first one and forms small channels where the heat carrier fluid circulates vertically. Hence, losses due to radiation emission and reflection are reduced and other losses due to radiation emission are avoided because of the absence of spots on the panel having a higher temperature than that of heat carrier fluid. The absorbing panel is inserted into a light coffer containing a block of insulating rigid foam (5) and is protected on the front by a thin, light transparent plate (6); the cost, the difficulty of transportation and the weight of the complete solar radiation collector are thus considerably reduced while the thermal efficiency is increased.

Description

Dans la plupart des ré alisations Industries d'absor - beurs plans d'énergie solaire (appelés communément "capteurs de rayonnement solaire") used s pour le ré chauffage direct de fluides, on peut constater un faible rendement, soit quand l'angle d 'incidence des rayons solaires est de valeur 0 c'est-a-dire quand les rayons tombent normalment à la surface active, soit quand l'angle d'incidence augmente et se rapproche de lavaleur de 90º .Bien plus, pour une valeur de l'angle d'incidence augmentant a partir de 30º , le rendement descend nettement et rapidement jusqu'à zé ro. En d'autres termes, pour des àngles augmentant de plus en plus, le rendement diminue beaucoup plus que ce à quoi on pouvait s'attendre par 1 'application de la simple loi du sinus dudit angle. Cela signifie que la diminution en plus doit être attribute e exclusivement à des raisons techniques de construction du capteur lui-même.

BATH ORIGINAL Si on considé re un capteur solaire fixe (ou qui ne s'o riente pas automatiquement suivant le deplacement apparent du soleil) la plus grande perte d'efficacité qu 'il subit, spé cia lement dans les heures matinales et dans celles de la fin d'a pres - midi, est pour la plus grande partie des cas à attribute aux facteurs suivants: a) reflexion partial des rayons solaires provoqué es par les surfaces brillantes (externe et interne) de la plaque(ou des plaques ) de verre qui couvrent habi tuellement la surface metallique du panneau absorber de chaleur; ces plaques, so it is applied to a certain distance du panneau afin d'pbtenir l'effet de serre; b) augmentation du trajet dans le milieu solide (verre) que doivent accomplir les ravons solaires pour en traverser la forteé paisseur au für et à mesure que l'angle d'incidence augmente de valeur; c) ré flexion diffuse de la surface plane du panneau ahsorbeur qui dé pend du tvpe de. treatment and preparation. emp loyé it; d) ombrage provoqué par les bords trop hauts du cadre cotenant le panneau absorber; e) rayonnement direct de la surface du panneau selon la loi de Boltzman, depending du fait qu'elle travaille à une temperature supé rieure à celle de l'ambiance environnante.

II ya also d'other facts qui maintientent le rendement d'un capteur de rayonnement solaire à une valeur basse, independent ndamment de la valeur de l'angle d'incidence des rayons solaires le principal qui se rencontre dans les panneaux de construction actual est celui de la distanceé norme entre eux des canaux creusé s dans la plaque ou soudé s sur celle-ci, qui transportent le fluide de "refroidissement" de la plaque, c'està - dire le fluide qui retire la chaleur de la plaque exposé e au soleil et assure l'échange avec la matiére du ré servoir d'accumulation.D ' une parts distance des canaux, il en resulte que une trés grande surface du panneau travaille à une temperature supé rieure de beaucoup de degre s à celle du liquide absorbeur. Toute cette surface rayonne une quantité d'energie qui,ré partiesur un spectre de fré quences bien plus basses que celles du specter solaire, se trouve en grande partie dispersé e, d'autant plus que le rayonnement d'energie renvoyé est proportionnel a. la quatriéme puissance de la valeur de la tempé rature absolute pré senté e par le corps chaud. Cetteé nergie "rejeté e" par rayonnement du panneau absorbeμr n'est pas transferé e au fluide à chauffer.

Le capteur de rayonnement solaire qui fait 1 'objet de la pré sente invention permet de remé dier aux inconvé nients enumé rés cidessus.

II se caracté rise par le fait qu'il comprend un panneau absorbeur constitué par a plaque avant mince thermiquement conductrice, à ondulations profondes et serré es, relié e à 1 'arriere à une autre plaque de faςon à former une sé rie dense depetits canaux parcourus par le fluideé changeur de chaleur.

Le dessin annexé represente une forme d'execution pré féré e du capteur selon l'invention, cette forme n'etant ni limitative ni impé rative. La figure 1 montre en perspective l'ensemble du. captain coupe transversalement pour montrer ses cortstituants elementa res ; la figure 2 montre le trajet des rayons solaires et leurs reflexions multiples sur les ondulations de la plaque d'absorption de chaleur selon les divers angles d'incidence de ces rayons; la figure 3 montre schematiquement le component du rayonnementé mis; les figures 5 et 6 montrent la comparison entre un panneau selon la pré sente invention (figure 5) et un panneau de type connu (figure 6) en ce qui concerne le gradient de tempé rature.

En ré férence à la figure 1, le capteur de rayonnement so laires qui fait 1 'objet de la pré sente invention esl constiitué principa lement par un panneau absorbeur l formé d'une plaque 2 suffisament conductrice de la chaleur à ondulations profondes et serré es , soudé e à une autre plaque de pré férence plane 3 qui peut être d 'epaisseur et de resistance plus grandes que la plaque ondulée et qui peut meme ne pas être bonne conduetrice de la chaleur.

Le panneau l est disposé dans un caisson ou une boite réceptrice 4 ré alisé e de pré férence en matére thermoplasticique obtenue par thermoformage sous vide et peut y être bloqué solidment par une mousse rigide 5 qui joue aussi le rôle d'insulator thermique. Ses dimensions peuvent être practical de 0,75 x 1,50 or de 1 x 2 m qui donnent les surfaces actives respectivement de 1 mé tre carré et de 2 mé tres carré s, en facilitant ainsi les calculs relatifs à 1 'installation.Dans les canaux formé s par les ondulations de la plaque 2 et par lä plaque 3 circule le fluide caloporteur, par exemple de l'eau, de 1 'ethyl,ène-glycol, de la glycé rine , de l'air ou un other gaz.

Le couvercle du caisson ou de la boat 4, available at. a certain distance du panneau 1, est constitué par a plaque transparente 6 qui protected ge contre les intempé ries et dé limite une chambre d'air thermiquement isolante en avant dudit panneau 1.

Ce couvercle est formé par a plaque fine en matiè re plastique légère, transparent pour all le spectre de frequences de l'énergie solaire et il peut être constitué par exemple en ré sine d'epoxyde plus ou moins renforcé e par des fibers transparentes, ou bien en acé tate de cellulose ou en d'autres matié res transparentes et rigides qui peuvent être accoulées a des films protecteurs et sé lectifs connus dans le commerce et opaques pour 1 'infra-rouge inferieur, cela pour l'obtention de l'effet de serre.

Les bords du couvercle 6 de la boite ré ceptrice peuvent also être transparent pour ne produce aucune ombre sur la surface du panneau actif quand le soleil est bas sur l'horizon. From the bottle reception sortent, maintenues en position par all le panneau 1 et par la mousse isolante 5, les bouches 7 de accordement des conduites d'entré e et de sortie du fluide caloporteur.

Le panneau absorber est avantageusement terminé ,aux deux extremes s auxquelles se presentent les ouvertures des petits canaux comme on l'ä montré sur les figures 4a et 4b, par un collecteur de fluide constitué par un canal 9 profilé de façon que son extrémité 10 soit soudé e à la plaque 3 et que son bord

11 soit soudé à la plaque ondulé e 2. La plaque 3 est plus courte que la plaque 2 pour laisser libre une bande des undulations pour l'entré e ou la sortie du fluide. Les deux extremes des canaux sont terminé es par une demi-boîte 12 (figure 4b) creusee avantageusement par emboutissage, portant une embouchure 7 pour le montage du tube d'amené e ou de depart du fluide. Elle s'encastre exterieurement sur le canal 9 grace a la fente 13 et elle est soudé e rigidement sur lui de façon etanche.

Le panneau 1 contains dans son caisson de protection est exposé au soleil avec an inclinaison convenable par rapport à un plan vertical EST -OUEST et de facon que les canaux des ondulations se trouvent toujours dans le sens NORTH -SUD, independent of fait que le plus grand côté du panneau soit parallé le ou orthogonal à la direction des canaux.

Sure figure 2 on a repré senté schématiquement la raison pour laquelle la plaque d'absorption de chaleur 2 captant le rayonnement solaire, en plus d'avoir subi un traitement superficiel idoine pour effectuer l'absorption directe maximal, est formé e avec une ondulation trapé zoidale. Comme on le voit d'apres le dessin, le vide compris entre a Ondulation et londulation adjacente a la même section transversale mais en Position renversé e. Sure figure on voit que ladite plaque 2 est en contact avec le fluide caloporteur 14 et avec la plaque plane 3 à laquelle eile est soudé e en ses points de contact. Cette dernié re est isolée par la matié re mauvaise conductrice 5. Sur la même figure, on an indiqué en 15 le parcours d'un rayon du rayonnement solaire tombant perpendiculairement au plan du capteur et ré flé chi successivement par les parois de 1 undulation. Le reste du rayonnement direct peut sortir de la plaque aprè s avoir subi jusqu'à quatre ré flexions. Toujours sur la figure 2 on a repré senté en 16 le trajet d'un rayon incident ayant une incline de 20 degré s: il peut ressortir seulement après three ré flexions.

Toujours sur la figure 2, on a repré senté en 17 et 18 les inclinaisons de 40 degré s et de 60 degré s respectivement et dans ce cas le rayonnement peut ressortir seulement apré s deux ré flexions.

Compte tenu du fait que, pour la presque totalité des angles d'incidence, les ré flexions partielles des rayons s'effectuent dans la direction d'autres points de la plaque d'absorption de chaleur deux ou trois fois de suite avant de se dissiper ,il en ré sulte que la quantité totale d'energie dissipé e par ré flexion est de valeur né gligeable et est due surtout à la surface horizontale 2' des crêtes des ondulations.

Sur la figure 3 on a repré senté la deuxième raison plus importante de la dispersion ré duite d'énergie due aux ondulations hautes et serré es de la plaque 2.

II est connu que le rayonnement d'energie par un corps chaud noir ( c'est-à-dire à une tempé rature superieure au zé ro absolu) vers l'environnement exté rieur dé pend principalement de la valeur absolue de sa tempé rature suivant une loi de propo - nationality à la quatriéme puissance de cette valeur.

En outre le rayonnement s'effectue pour chaque point de la surface du corps dans toutes les directions et en pratique sous un angle solide de 180 degré s si le point est situé sur une sur face plane. Si on se ré fere à la figure 3 et qu'on considé re pour simplifier le rayonnement seulement dans un plan orthogonal à la surface, on voit facilement que le point 19 proche du sommet de la crête rayonne un peu moins de la moitié de sonénergie vers le fond et vers l'autre paroi de la gorge. Le reste est dispersé vers l'exté rieur.

Sur la meme figure, on voit que le point 20, situe presque au fond de la gorge Rayonne les deux tiers de soné nergie vers le fond et vers la paroi opposé e de la gorge tandis qu'un tiers seulement est dispersé vers l'exté rieur le point 21, considered ré au fond de la gorge, disperse verse l'exté rieur moins d'un tiers de son rayonnement. Seuls les points disposes comme le point 22, sur l'extrémité plate de la crete, disperse toute leuré negie verse l'exté rieur de la plaque, mais la surface de ces extremetes est environ un huitiéme de la surface totale.

La troisiéme raison de la dispersion ré duite du panneau qui fait l'objet de la pré sente invention est repré senté e sur les figures 5 et 6 .Sur la figure 5 on a representé une coupe transversale du panneau 1 selon la presente invention et sur la figure 6 on a repré sent la coupe d'un panneau plan d'absorption de chaleur 23 muni de quelques canaux 24 de passage du fluide de refroidissement suivant la technique connue; ce panneau est represé nté à la memeé chelle que celui de la figure 5. Dans le cas de la figure 6, seul un sixieme de la surface totale de la plaque exposé e au rayonnement solaire est à contact direct avec le fluide absorbeur de chaleur tandis que, dans le cas de la figure 5, il ya bien cinq sixieme de la surface de la plaque ondulée en contact direct avec ledit fluide et le reste (un sixieme) est tré s proche de ce fluide.

Si on admet que la tempé rature du fluide qui circule dans les panneaux est la même, il est clair que dans le cas de la figure 5 la tempé rature de la plaque ondulé e du panneau 1, presque entiérement lé ché e inté rieurement par le fluide, seraé gale à celle du fluide, tandis que dans le panneau de 23 de la figure 6 la partie plane de la plaque 25 comprise entre deux canaux prendra sous l'effet d'un même rayonnement solaire une tempé rature beaucoup plusé levé e que celle du fluide qui parcourt les canaux et d'autant plusé levé e que le point considered ré se trouve plusé loigné de ces canaux. II s'établit ainsi un gradient de tempé ratureé levé entre la zone mé diane de la sruface 25 et les zones des canaux 24. Comme, ainsi qu'on l\'a dé jà indiqué , le rayonnement propre d'énergie d'un corps noir chaud dé pend principalement de sa tempé rature absolute et augmente proportionnellement à la quatrième puissance de cette tempé rature, l'energie rayonné e, c'est-à-dire perdue par le panneau plan 23, est bien supé rieure à celle du panel 1.

Another particularity of the panneau absorber is 1 object of the invention that is in the section of the tête 9 (figure 4a) and that the entrance and the fluid is high in the cell of the tube that arrives and the bouche of admission 7. Ainsi la tête constitue une chambre de volume notable dans laquelle s'annule 1 'énergie ciné tique acquise par le fluide circulant à grande vitesse dans le tube 7.

II en ré sulte a distribution uniforme du fluide froid qui remonte à la meme vitesse dans tous les canaux en effectuant son mouvement exclusivement sous l'action de la pression statique.

An other particularity importante de la pré sente invention est le traitement superficiel auquel est soumise la surface ondulee du panneau, c'est-à-dire celle qui doit absorber 1 'énergie du rayonnement solaire.

On a de ja. remarqué qu'un excellent "corps noir" , c'est-àdire un corps qui absorbe presque les 100% du rayonnement solaire, est constitué par du noir du fumé e, c'est-à-dire par du carbone amorphe en poudre impalpable .

Pour le cas spé cifique qui fait l'objet du pré sent exposé , on obtient un noir de fumé e qui adhé re de facon suffisamment tenace à la surface mé tallique du panneau en brûlant du camphre (ou une autre matiere organique convenable) à l 'air libre non forcé , c'est-à-dire avec faible oxygé nation.

Le panneau ondulé ,pré alablernent né ttoyé et refroidi par un moyen quelconque, est dé placé avec ses ondulations vers le bas d'un mouvement uniforme sur une goulotte étroite contenant le camphre en combustion et aussi longue que le petit cδte d panneau. Le jet de flamme qui léche la surface froide de la plaque ondulé ey dé pose uniformé ment une bande parfaite de noir de fumé e. Dans le cas d'un panneau de dimensions notable, il est logiquement plus opportun de faire dé placer, sous le panneau maintenu fixe et suspendu, le ré cipient de la substance organique en combustion plusieurs fois dans les deux sens.

Aprés un tel traitement, le panneau est introduced in le caisson ré cepteur 4-6 qui est scellé de façoné tanche. Avant scelllement, on introducing avantageusement une quantité approprié e d'une preparation hygroscopic destiné e à absorber le ré sidu éventuel d'humdité restant dans l'air ou dans la matiére isolante ä l'inté rieur du caisson ré cepteur.

Avec ce procé dé, on obtient de façon tré sé conomique un rendement d'absorption qui est supé rieur à celui de la majorité des systèmes compliqué s et.coûteux utilisé s jusqu'à pré sent pour ce but. Grace à 1 'inalté rabilité dans le temps du carbone amorphe soit aux sautes de tempé rature, soit aux rayonnements de all le spectre solaire et grace à la fermeture hermé tique du caisson pour la protection dans une ambiance parfaitement sè che, ce traitement conserve sa valeur plus que n'importe quel vernissage ou deposit galvanique ou autre expé rimenté jusqu'à pré sent.

Claims

REVENDICAΉONS MODEFIEES(re^es par le Bureau international le 29 August 1979 (29.08.79))

1. Capteur de rayonnement solaire caracté risé .par le fait que le profil des ondulations ci-dessus est tel que le rayonnement renvoyé par chacune d'elles retombe pour environ soixante pour cent sur la surface de l'ondulation adjacente.

2. Capteur de rayonnement solaire selon la revendication 1, caracté risé par le fait que chaque ondulation a une section transversale trapé zoidale et que le vide compris entre une ondulation et l'ondulation adjacente pré sente la même section transversale mais en Position renversé e.