Domaine technique de l'invention

La présente invention se rapporte à un capteur solaire. En particulier, la présente invention se rapporte à un capteur solaire dans lequel circule un fluide caloporteur spécifique.

Etat de la technique

II existe des capteurs solaires à concentration, dans lesquels les rayons du soleil sont réfléchis par un réflecteur sur un absorbeur. Cela permet d'utiliser un absorbeur de taille réduite par rapport à la taille totale du capteur, ce qui réduit les pertes de chaleur et augmente l'efficacité du capteur.

Dans un type de capteur solaire à concentration connu, le réflecteur utilisé est un réflecteur de section parabolique ou en arc de cercle, et s 'étendant selon une direction longitudinale. Un fluide caloporteur circule dans un tube centré sur l'axe focal du réflecteur.

Généralement, un système de pointeur solaire permet de faire tourner un sous-ensemble comprenant le réflecteur et le tube, en fonction de l'orientation du soleil. Ce type de capteur solaire présente plusieurs inconvénients. En effet, le sous- ensemble à faire tourner présente une masse importante, ce qui implique un couple de rotation élevé et donc l'utilisation d'un moteur relativement puissant. De plus, les capteurs existants de ce type sont dimensionnés pour des applications industrielles et ne conviennent pas pour des applications domestiques comme le chauffage de l'eau sanitaire.

Dans de rare cas, tous les composants du capteur solaire sont fixes. Le rendement de ce type de capteur est limité car le réflecteur n'est pas toujours dans la bonne orientation par rapport au soleil.

Résumé de l'invention

Un problème que la présente invention propose de résoudre est de fournir un capteur solaire qui ne présente pas au moins certains des inconvénients précités de l'art antérieur. En particulier, un but de l'invention est de fournir un capteur qui peut convenir pour une application domestique et qui présente un bon rendement. Un autre but de l'invention est de proposer un capteur solaire qui ne nécessite pas un moteur de puissance élevée. La solution proposée par un mode de réalisation de l'invention est un capteur solaire comprenant un bâti, un réflecteur de section parabolique et s'étendant parallèlement à un axe focal, et un tube apte à être relié à des tuyaux flexibles à ses deux extrémités pour la circulation d'un fluide caloporteur à travers ledit tube, ledit tube étant agencé le long de l'axe focal dudit réflecteur. Le réflecteur est mobile en rotation par rapport au bâti, autour dudit axe focal, et l'axe focal passe à l'intérieur d'une courbe comprenant ladite section parabolique et un segment de droite reliant les extrémités de ladite section parabolique. Le tube est réalisé en matériau transparent et présente un diamètre interne d'au moins 15 mm.

La rotation du réflecteur permet de suivre la variation de l'orientation du soleil en cours de journée, et donc d'améliorer le rendement du capteur solaire. Grâce à ce bon rendement, il est possible de dimensîonner le capteur solaire pour convenir à une application domestique, sans qu'il soit trop encombrant. Comme le tube est agencé le long de l'axe focal et que le réflecteur tourne autour de l'axe focal, le tube peut rester fixe lors de la rotation du réflecteur. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'utiliser un moteur puissant. De plus, la position de l'axe focal à l'intérieur de la parabole permet une bonne répartition du poids du réflecteur autour de son centre de rotation. Cela contribue à réduire la puissance motrice nécessaire.

De préférence, le bâti comprend une partie fixe destinée à être posée sur une surface de support, et une partie mobile, ladite partie mobile étant apte à pivoter par rapport à ladite partie fixe autour d'un axe horizontal, ledit tube étant fixe par rapport à ladite partie mobile, ledit réflecteur étant relié à ladite partie mobile de manière mobile en rotation.

La surface de support est par exemple le sol, un toit horizontal ou un toit incliné.

Avantageusement, ledit axe focal est orthogonal audit axe horizontal.

Grâce à ces caractéristiques, la partie mobile peut être positionnée en fonction de la longitude et de la saison pour orienter l'axe focal environ perpendiculairement aux rayons du soleil. Cependant, une précision élevée n'est pas nécessaire pour conserver un rendement du capteur solaire acceptable. Ainsi, la partie mobile peut par exemple être déplacée périodiquement, par exemple trimestriellement, de manière manuelle. En variante, une motorisation électrique peut être prévue pour positionner la partie mobile par rapport à la partie fixe sous le contrôle d'une unité de commande programmée. Par exemple, l'unité de commande ajuste automatiquement cette position autour de l'axe horizontal à partir d'une donnée de longitude du lieu et d'une horloge interne.

Avantageusement, ledit tube présente un diamètre interne d'au moins 15 mm. De préférence, ledit diamètre interne est d'au moins 35 mm.

Dans ce cas, on peut admettre un écart de quelques degrés entre l'orientation effective du réflecteur autour de l'axe focal et son orientation optimale. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un moteur et un dispositif de commande permettant de réaliser une rotation continue et précise.

Selon un mode de réalisation, le capteur solaire comprend un moteur apte à faire tourner ledit réflecteur autour dudit axe focal.

Avantageusement, ledit moteur est fixé à ladite partie mobile, ledit moteur étant apte à faire tourner ledit réflecteur par rapport à ladite partie mobile.

De préférence, le capteur solaire comprend un dispositif de commande apte à commander le moteur pour faire tourner le réflecteur. Le dispositif de commande peut par exemple faire tourner le moteur progressivement en cours de journée, en fonction de l'heure, et repositionner le réflecteur selon une orientation initiale en fin de journée.

Selon un mode de réalisation, le capteur solaire comprend un capteur de luminosité, ledit dispositif de commande étant apte à commander le moteur en fonction d'un signal provenant dudit capteur de luminosité.

Le capteur de luminosité permet un réglage fin de l'orientation du réflecteur, à partir d'une orientation déterminée en fonction de l'heure.

Selon un mode de réalisation, le capteur solaire comprend au moins un capteur de température apte à mesurer la température d'un fluide circulant dans ledit tube.

Le signal provenant du capteur de température peut être utilisé par le dispositif de commande pour commander une pompe faisant circuler le fluide et/ou le moteur. Cela permet, entre autres, d'éviter une surchauffe.

Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. Sur ces dessins :

- La figure 1 est une vue en perspective d'un capteur solaire selon un mode de réalisation de l'invention,

- La figure 2 est une vue en coupe du réflecteur du capteur solaire de la figure 1

Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention

Le capteur solaire 1 comprend un bâti 2, un réflecteur 7 et un tube 8. Il est destiné à chauffer un fluide caloporteur circulant dans le tube 8. Le capteur solaire 1 est par exemple placé au fond du jardin d'une habitation et ne nécessite donc pas de modification de la toiture. Il est relié au chauffe-eau de l'habitation. Ainsi, le fluide caloporteur chauffé peut à son tour chauffer de l'eau sanitaire dans le chauffe- eau domestique. Bien entendu, le capteur solaire 1 peut convenir pour d'autres applications.

Le bâti 2 présente une partie fixe et une partie mobile.

La partie fixe est destinée à reposer sur une surface plane, par exemple le sol, un toit horizontal ou un toit incliné. Dans l'exemple représenté, la partie fixe comprend quatre pieds 3 portant un cadre 4 de forme rectangulaire, et deux arceaux 5 fixés au cadre 4. En variante, la forme de la partie fixe peut être adaptable à la situation, par exemple à l'inclinaison du toit.

La partie mobile comprend un cadre 6 de forme rectangulaire. Comme le montre la figure 1, le petit côté inférieur du cadre 6 est relié à un petit côté du cadre 4, et le petit côté supérieur du cadre 6 est relié aux arceaux 5. Le cadre 6 peut pivoter par rapport à la partie fixe du bâti 2 autour d'un axe B horizontal, le petit côté supérieur du cadre 6 coulissant par rapport aux arceaux 5. Un mécanisme de verrouillage (non représenté) permet de fixer le cadre 6 dans une position désirée.

Le réflecteur 7 est relié au cadre 6. Il présente une paroi 9 réfléchissante concave s'étendant parallèlement à un axe A, et deux parois d'extrémité 10. L'axe A est orthogonal à l'axe B. Comme le montre la figure 2, la paroi 9 présente une section parabolique. De plus, on peut voir sur cette figure que le foyer de la parabole est situé à une hauteur inférieure à la hauteur de ses extrémités 15. Autrement dit, le foyer est situé à l'intérieur de la parabole. L'axe A précité passe par le foyer de la parabole et est donc l'axe focal A de la paroi 9. L'axe A passe donc à l'intérieure d'une courbe comprenant la parabole et un segment de droite 16 reliant les extrémités 15 la parabole.

Le tube 8 est fixe par rapport au cadre 6. Il s'étend le long de l'axe A. Une pompe et deux flexibles (non représentés) sont reliés à ses extrémités pour faire circuler le fluide caloporteur.

Le réflecteur 7 est mobile en rotation par rapport au cadre 6. Plus précisément, le réflecteur 7 peut tourner autour de l'axe A grâce à deux paliers (non représentés) reliant les parois d'extrémité 10 au cadre 6, au niveau de l'axe A.

Le capteur solaire 1 comprend aussi un moteur (non représenté) fixé à une plaque de support 11 solidaire du cadre 6. Le moteur permet de faire tourner le réflecteur 7 par rapport au cadre 6. Un dispositif de commande (non représenté) est relié au moteur et à la pompe et permet de faire fonctionner le capteur solaire 1.

Dans un mode de réalisation, le capteur solaire 1 peut aussi comprendre un capteur de luminosité et/ou deux capteurs de températures aptes à mesurer la température du fluide à l'entrée et à Ia sortie du tube 8.

Comme, en fonctionnement, le tube 8 peut atteindre une température élevée, on peut prévoir un tube de protection transparent, qui entoure le tube 8 à distance. En variante, on peut prévoir une plaque transparente sur la face ouverte du réflecteur 7, par exemple en polycarbonate. Ainsi, on limite les risques de contact avec le tube 8.

Le fonctionnement du capteur solaire 1 est le suivant.

Le capteur solaire 1 est placé dans un endroit exposé au soleil, par exemple au fond d'un jardin ou sur un toit. Si le réflecteur 7 est orienté correctement, les rayons du soleil sont réfléchis vers le tube 8, dans lequel a lieu une conversion énergétique qui chauffe le fluide caloporteur circulant dans le tube 8.

Ceci est illustré par la figure 2 qui représente la section de la paroi 9. Cette section présente la forme d'une parabole. Le tube 8 passe par le foyer de la parabole.

Sur la figure 2, un rayon incident 12 est réfléchi par la paroi 9 au niveau du point 13. Le rayon réfléchi 14 est dirigé vers le tube 8 car le rayon incident 12 est parallèle à l'axe y.

La figure 2 représente donc une situation optimale. En pratique, selon l'orientation du réflecteur 7 par rapport au soleil, les rayons incidents ne sont pas nécessairement parallèles à l'axe y. Toutefois, le capteur solaire 1 permet une rotation du capteur solaire 7 autour de l'axe A et autour de l'axe B, pour être au plus proche de cette situation optimale.

La position angulaire du réflecteur 7, autour de l'axe B, a une influence relativement limitée sur le rendement du capteur solaire 1. Idéalement, l'axe A devrait être perpendiculaire aux rayons du soleil. En pratique, on peut admettre un écart de 15° sans diminution inacceptable du rendement. Ainsi, il n'est pas nécessaire de changer l'inclinaison du cadre 6 lors du fonctionnement quotidien du capteur solaire 1. Par exemple, cette inclinaison est réglée lors de l'installation du capteur solaire 1, en fonction de la longitude où est installé le capteur solaire 1. Puis, cette inclinaison peut être changée périodiquement, par exemple tous les trois mois, pour tenir compte de la variation de la hauteur du soleil en fonction des saisons. Pour cela, un opérateur fait coulisser le petit côté supérieur du cadre 6 par rapport aux arceaux 5, avant de le fixer dans une nouvelle position. Le mécanisme de verrouillage permet par exemple de fixer le cadre 6 selon trois inclinaisons déterminées, correspondant respectivement à une orientation de l'axe A à 30°, 45° et 60° par rapport à l'horizontal. En variante, le mécanisme de verrouillage ou une motorisation électrique permet un réglage continu.

La position angulaire du réflecteur 7, autour de l'axe A, a elle une influence plus importante sur le rendement du capteur solaire 1. En effet comme on peut le déduire de la figure 2, une mauvaise orientation conduit le rayon réfléchi 14 à passer à côté du foyer. On peut admettre un certain écart tout en conservant un rendement acceptable, car le tube 8 présente un diamètre non nul et intercepte donc les rayons passant à proximité du foyer. L'écart admissible dépend notamment du diamètre interne du tube 8. Il peut être par exemple de 3.25°, dans un cas particulier de dimensionnement du capteur solaire 1. Comme l'orientation azimutale du soleil varie de 15° par heure, il apparaît important de faire pivoter le réflecteur 7 autour de l'axe A pour suivre l'orientation du soleil en cours de journée. Pour cela, le dispositif de commande précité commande le moteur pour faire tourner le réflecteur 7 progressivement, en fonction de l'heure. En fin de journée, le réflecteur 7 est replacé en position initiale pour le lendemain. Théoriquement, le moteur devrait faire tourner le réflecteur 7 continûment, de 15° par heure. Cependant, comme on peut admettre un écart de quelque degré entre l'orientation effective et l'orientation optimale du réflecteur 7, le moteur peut être commandé pour faire tourner le réflecteur de quelques degrés périodiquement, par exemple de 3,75° tous les quarts d'heure.

Dans un mode de réalisation, le dispositif de commande utilise le signal provenant du capteur de luminosité pour effectuer un réglage fin autour de la position prédéterminée en fonction de l'heure.

Dans un mode de réalisation, le dispositif de commande commande la pompe pour modifier la vitesse de circulation du fluide caloporteur dans le tube 8, en fonction de la température d'entrée et/ou de sortie. Cela permet d'adapter le débit à l'ensoleillement et d'éviter une surchauffe. Dans le même but, en cas de température excessive, le dispositif de commande peut commander le moteur pour faire tourner le réflecteur 7 de manière à le protéger du soleil.

Comme le réflecteur 7 doit pivoter et que le tube 8 est fixe par rapport au cadre 6, la masse à mettre en rotation n'est pas élevée. Un couple moteur élevé n'est donc pas nécessaire et le moteur peut être un moteur de faible puissance. Par exemple, le moteur peut être un moteur électrique alimenté en 24 V continu, d'une faible puissance (par exemple de 12 W), associé à un réducteur.

Grâce à la possibilité de double orientation du réflecteur 7, le capteur solaire

1 présente un bon rendement sans être très encombrant. Par exemple, le bâti 2 peut occuper une surface au sol de maximum 2 m ² , et le capteur solaire 1 peut fournir suffisamment de chaleur pour satisfaire les besoins d'eau chaude d'une habitation unifamiliale. Le capteur solaire 1 peut donc être dimensionné pour une application domestique.

Selon un exemple de dimensionnement, le bâti 2 est réalisé en aluminium et le cadre 4 a pour dimension 0.6 m x 1.5 m. Le réflecteur 7 présente une longueur de

2 m. Le tube 8 est réalisé en matériau transparent et présente une longueur de 2 m. L'écart admissible entre l'orientation effective du réflecteur 7 et l'orientation optimale autour de l'axe A ₅ sans baisse inacceptable du rendement, a été déterminé avec un tel dimensionnement Pour un diamètre interne du tube 8 de 26 mm, 36 mm ou 46 mm, l'écart admissible est respectivement de 0.2°, 3.25° et 4.5°. Le tube 8 présente donc de préférence un diamètre interne d'au moins 35 mm. Un tel diamètre présente en outre l'avantage d'éviter les turbulences dans le fluide caloporteur.

En fonctionnement, le tube transparent 8 contient un fluide caloporteur capable de s'échauffer en volume par absorption du rayonnement solaire. De nombreux fluides absorbants peuvent convenir pour cela. De préférence, le fluide est choisi de manière adaptée à la taille du tube pour pouvoir absorber sensiblement toute la puissance du rayonnement solaire réfléchi sur le tube par le réflecteur 7. Pour cela, le produit du diamètre du tube 8 par l'absorptivité énergétique du fluide dans le spectre du rayonnement solaire doit être suffisamment élevé. Inversement, ce produit ne doit pas être trop élevé pour que l'échauffement du fluide puisse être relativement homogène dans toute la section du tube. Un critère de sélection convenable est d'obtenir un produit compris entre 1 et 10, de préférence proche de 3.

Ainsi, pour un tube de diamètre supérieur ou égal à 35 mm, le fluide choisi présente de préférence une absorptivité énergétique moyenne dans le spectre du rayonnement solaire supérieure ou égale à 0,5 cm ^"1 .

Pour éviter la turbulence, la vitesse de l'écoulement dans le tube 8 ne doit pas dépasser un certain seuil. Par exemple, pour un tube de diamètre interne égal à 35 mm, une plage de vitesse satisfaisante est comprise entre 0 et environ 0,4 ms ^"1 . Cette plage correspond à un débit volumique compris entre 0 et 15001/h environ.

Pour un niveau d'ensoleillement donné, il existe une relation entre le débit volumique de fluide dans le tube 8, la longueur du tube 8, et réchauffement du fluide dans le capteur solaire 1. Pour le dimensionnement du tube 8 et du réflecteur 7, une longueur inférieure à 4m peut être préférée pour limiter l'emprise au vent du capteur

1. Une longueur de 2m s'est avérée satisfaisante pour une installation domestique destinée à la production d'eau chaude sanitaire. Dans une telle application, si le ballon d'eau chaude doit être maintenu à par exemple 80 ⁰ C, on a constaté que la température du fluide en sortie du capteur solaire devait être supérieure de quelques degrés à cette consigne, par exemple entre 85°C et 90 ⁰ C compte tenu des pertes pouvant exister dans le circuit de fluide caloporteur entre le capteur solaire et le ballon d'eau chaude. En effet, le ballon d'eau chaude peut être typiquement éloigné d'une ou quelques dizaines de mètres. Lorsque le fluide caloporteur est aqueux, une température inférieure à 100 ⁰ C est de préférence maintenue pour conserver une phase entièrement liquide.

Pour la réalisation du tube transparent 8, des critères pertinents sont la solidité mécanique, la transparence au rayonnement solaire, l'isolation thermique par conduction et la dilatation thermique. A cet égard, le choix du verre de borosilicate est avantageux. En particulier, ce verre présente une transparence élevée dans le proche infrarouge. Pour la tenue mécanique d'un tube de borosilicate d'une longueur de 2 m, une épaisseur de paroi 1,5 mm à 2,5 mm peut être choisie.

D'autres matières transparentes peuvent être envisagées pour le tube 8, par exemple les polycarbonates. Toutefois, cette matière présente une dilation thermique élevée, par exemple 5 fois plus grande qu'un bâti en aluminium, ce qui oblige à prévoir des dispositifs de compensation.

Un fluide caloporteur pouvant être utilisé dans le tube transparent 8 est une suspension de particules diffusantes dans un liquide modérément absorbant. Un tel fluide est décrit dans la demande PCT/FR2010/051293 déposée le 24 juin 2010 qui est incorporée ici par référence.

Le dispositif de commande précité peut être réalisé sous différentes formes, de manière unitaire ou distribuée, au moyen de composants matériels et/ou logiciels. Des composants matériels utilisables sont les circuits intégrés spécifiques ASIC, les réseaux logiques programmables FPGA ou les microprocesseurs. Des fonctions de ce dispositif de commande peuvent notamment être :

- Réglage d'inclinaison (site) du cadre 6 du bâti par rapport au sol, en fonction d'une horloge interne,

- Réglage de position (azimuth) du réflecteur 7 en fonction d'une horloge interne,

Sécurité active en cas de surchauffe du fluide caloporteur, - Démarrage et arrêt automatique de la pompe de circulation du fluide caloporteur en fonction de l'écart entre la température dans le tube 8 et une consigne. L'usage du verbe « comporter », « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n'exclut pas la présence d'autres éléments ou d'autres étapes que ceux énoncés dans une revendication. L'usage de l'article indéfini « un » ou « une » pour un élément ou une étape n'exclut pas, sauf mention contraire, la présence d'une pluralité de tels éléments ou étapes.

Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.