WO2020111920A1 - Chauffe-eau solaire à capteur plan vitré - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to solar water heating from solar panels and hot water storage tanks for domestic use.
  • thermosyphon solar water heater from the family of flat glass collectors (Figl): these are the simplest water heaters: the tank and the solar panel form a single compact unit. In general, the balloon is attached to the top of the solar panel.
  • thermosyphon solar water heater consists mainly of two components:
  • the panel, collector or solar thermal collector (4) It transforms solar energy into thermal energy.
  • the hot water tank, storage tank or accumulator (3) Very well insulated, it is the place of energy storage, it contains a sufficient quantity to meet the needs of the habitat in hot water.
  • the tank incorporates a heat exchanger (7) good thermal conductor, the input / output of the sensor is connected to this exchanger thus creating a closed circuit called 'primary circuit' (6+ 7) containing a fluid called 'heat transfer fluid', the heat transfer fluid heated by the sensor, and therefore less dense, naturally rises to the exchanger of the storage tank placed above the sensor, exchanges heat by conduction with water stored from the storage tank, cools down then descends to the sensor and the cycle begins again
  • the components of the sensor are:
  • the covering (10) is the element through which the maximum energy exchange takes place, it must therefore be transparent to allow the solar radiation to pass through which is transformed into heat in the absorber. The latter taking into account the temperatures reached, emits radiation in the infrared range, the cover must be opaque to this radiation and must therefore reflect it towards the absorber.
  • the most popular material that exists on the market and which allows these conditions to be fulfilled is glass.
  • the convective exchanges between the absorber and the cover vary with the distance between them.
  • the absorber (11) It is the part of the system that converts solar energy into thermal energy, it plays a very important role for the performance of a collector. It transforms the incident electromagnetic radiation (5) it receives into heat and transmits it in the form of heat to the heat transfer fluid. Generally it is made of a metal sheet, its main qualities are: Absorption factor as close as possible to the unit, emissivity in the infrared as low as possible, good thermal conductivity (Tabl). The sheet is covered with a conductive black paint (15) due to its physical property which allows total absorption, the surface of the paint must be irregular to reflect the non-absorbed rays towards the absorber.
  • Table Tubular circuit or collector (6) The tube is made of a very good thermal and sanitary conductive material, often copper (Tabl) is used.
  • Tabl copper
  • Figl-A Tickelmann mounting (6)
  • Figl-B mounting in (6)
  • Absorber collector connection The connection between the tubes which constitute the collector and the absorber is very important because through which the heat is transmitted (14), it is ensured by very precise laser welding (16).
  • the insulation (12) The role of the insulation is to maintain the high temperature reached by the absorber and to avoid thermal losses from the rear and sides of the sensor, the insulation optimizes the efficiency of the sensor, which allows the maximum amount of heat collected to be transferred to the circulating fluid. It is generally opaque to visible and infrared radiation.
  • the invention consists in manufacturing a more efficient and more effective CES in winter as in summer by taking inspiration from the CES thermosyphon.
  • the improvement to be made to this type of CES consists of responding to the following constraints:
  • the hot water temperature is reduced during the winter period from October to March when the duration of sunshine is reduced due to the natural movement of the earth around the sun and the clouds that cover the sky with a randomly.
  • the influence on the efficiency of the installation becomes more important when the clouds block the solar radiation at the times when the incidence of the luminous flux is normal during the day, the period during which the maximum heat transfer takes place.
  • the expected 50 ° C sufficient to satisfy a comfortable need for hot water, is not reached and the use of alternative energy (backup system) increases, which which implies an increase in the energy consumption bill intended for the production of domestic hot water.
  • Mfd mass of the fluid at the highest temperature (sensor output).
  • Klet K2 are respectively, linear pressure drop coefficient and Singular pressure drop coefficient, they depend on the accessories, connections and connections of the installation as well as the fluid dynamics inside the installation, VQ : Flow speed.
  • the flow rate of the heat transfer fluid depends on the amount of heat applied to the sensor and the temperature gradient from sensor to outlet / tank.
  • DR is the price to pay for transporting the thermal energy from the sensor to the tank, it is materialized with a heat loss during transport, thus the temperature of the heat transfer fluid on arrival of the tank is lower than that of departure .
  • the pressure losses characterize the resistance to the passage of water in the circuit.
  • the resistance to the flow is caused by the length of the pipes and the accidents of course, like the elbows, connection of tubes of different sections or the presence of the various accessories of adjustment or safety. If the pressure drops are too great, the water is braked and may even stop circulating. On the other hand, if the piping is too wide, the water circulates freely, but too slowly and the yield is poorer.
  • thermosyphon because of its simplicity, its cheaper installation cost compared to other types of CES and its adaptation to sunny countries. It must take into account the constraints already mentioned before to achieve better energy efficiency than the current one too. both in summer and in winter and reducing as much as possible uses non-green alternative energy to meet the domestic need for hot water.
  • thermosyphon CES thermosyphon CES
  • the tubular circuit of the sensor (20) is mounted in series to ensure a single and integral passage of sanitary cold water from its return (28) to its exit from the sensor (19) to the first storage tank for hot water (17).
  • the cold water (26) which replaces the hot water (21) drawn from the second tank (22) enters the system through the passing direction of the non-return valve (25 -b) and blocked by the second non-return valve (25-a) in order to force it to pass through the sensor (20) before reaching the first balloon (17).
  • this technique reduces
  • the absorber consists of two components: the tubular circuit (32) and the absorbent surface (30).
  • the tubular circuit (32) It is the intermediary between the sanitary water to be heated and the absorber, it consists of a round tube of sanitary copper with a diameter of 12 mm, its length depends on the useful absorbent surface of the sensor, rigid enough to withstand the high pressure of around 7 bars, bent with a serpentine shape, it also has very good thermal conductivity better than Aluminum (Tabl).
  • the absorbent surface (30) Constructed from a thin sheet of aluminum that has been bent along its length (31) so that the tubular circuit is housed in the bends.
  • Aluminum has a very good thermal conductivity (Tabl) cheaper than copper and available on the market.
  • Tubular circuit connection absorbent surface Since the heat transfer from the absorber to the domestic water to be heated is proportional to the contact surface, so instead of achieving it with laser welding (often expensive) ensuring just lines fine contact between tubular circuit / absorbent surface, we thought of ensuring it by a surface connection by bending the sheet of aluminum so that the tubular coil is housed in the sheet (Fig4). The more well the alignments of the aluminum sheet and the tubular circuit are aligned, the larger the contact surface. The more the depth of the curvatures increases, the more the contact surface increases the better the heat transfer from the absorber to the domestic water to be heated. The circuit is fixed with the sheet metal with bolts and wires (33), good tightening allows good adhesion, resulting in better heat transfer.
  • the primary framing (Fig5) The primary framing of the absorber (34) is made of wood. We chose wood because it is a good and rigid insulator, it will provide lateral insulation of the sensor and prevent heat transfer with the environment in addition to its main role which is the support of the window assembly and absorber.
  • the wooden planks are cut and assembled as shown in the figure (Fig4).
  • the absorber is then painted (tubular circuit + absorbent surface + primary frame) with a matt black paint to ensure maximum radiation absorption and minimum reflection.
  • our sensor will consist of a double transparent surface, front face (35) (facing the sun) and rear face. (36).
  • the rear face instead of being opaque insulating and passive, in the case of a conventional flat collector, will therefore be transparent insulating and active, receiving energy in the form of solar radiation.
  • the front panel glazing (facing the sun) of the collector, it is made of tempered glass, its hatched surface allows solar radiation to be diffused on the surface of the absorber.
  • the rear face glazing consists of lexan because of its very light weight relative to conventional glass, transparent, a poor thermal conductor, supports the ultraviolet of solar radiation and high temperature. With Silicon the two panes are glued and joined with the primary frame, made of wood, the absorber is mounted in it.
  • the domestic hot water storage tank consists of two commercial electric water heaters with total volume depending on the installation, mounted in series (17-22 Fig3). These balloons are intended for domestic use and they are already equipped with electrical resistances which will be used for our application to a backup system.
  • the support of the system must be rigid enough to support the total weight of all the components of the system made up of mirrors and two balloons under load and must offer the possibility of depositing and fixing the various components. Our choice therefore falls on the aluminum angle of width 30 * 30 mm and thickness 3 mm, the support (Fig7) consists of two sub-supports, the first (38) is used to install the balloons and the mirrors direct reflection (40) and the second (39) to install the sensor and the recovery mirrors (41). 2 -1 - e The mirrors
  • stainless steel sheet which will play the role of the mirror because of its maneuverability, resistance to corrosion, mechanical shock and climate change throughout the year, its reflective surface of around 70% by compared to a conventional mirror, its lighter weight and can be easily fixed on the system support.
  • the mirrors (40) (41) are fixed to the support of the system so that the reflected solar radiation (43) hits the transparent bottom part of the collector with maximum light flux during the winter period, in order to s approach the same efficiency of CES as in summer.
  • the positioning and fixing angle of the mirrors on the system support take into account the apparent path of the sun relative to the earth throughout the year and the position and the angle of deposition of the sensor fixed in two positions, one during the summer period (Fig8 -E), the other during the winter period (Fig8 -F).
  • the Azimuth and the Elevation Tab2 / Figl2.
  • simulation software we simulated the angle of incidence of the solar radiation of each day of the year and thus obtained the fixed and adequate positions and angles of the different mirrors which allow a reflection of the solar radiation which falls on the surface. low of the sensor (from 9:00 a.m.
  • a closed loop with the installation circuit (sensor + storage tanks), it cancels the thermal energy required to transport the hot water from the sensor to thermosiphon balloons and thus preserves the heat acquired by the sensor, it allows a considerable gain in terms of efficiency of the CES.
  • the circuit includes two temperature sensors DI (Figll) placed inside the second tank (22) to measure the temperature Tl of the water contained and D2 (Figll) in the middle of the solar collector, to measure the average temperature T2 of the water to be heated from the sensor. Every minute the microcontroller (Figll) reads the two temperature values and compares them, if Tl> T2 + 6 ° C the microcontroller sends a command which switches the transistor Q1 (Figll) to let the electric current pass through the circulator, this the latter starts and begins to transport the water heated by the sensor to the tank, if not the circulator is stopped.
  • thermosyphon ESCs Types of thermosyphon ESCs and its various components.
  • Fig2 The different components making up a flat glass sensor of a thermosyphon CES.
  • Fig3 Schematic diagram of the thermosyphon solar water heater with improved glass-plate collector.
  • Fig4 Absorber and primary framing of the solar water heater sensor with improved glazed plane sensor.
  • Fig5 Path of the sun and duration of the day in the city of Nouaceur in summer and winter.
  • Fig6 Glazing and secondary aluminum framing of the solar water heater sensor with improved glazed plane sensor.
  • Fig7 the sub-supports which support the various components of the solar water heater with improved glass-plate collector.
  • Fig8 Positions and angles for fixing the mirrors of the solar water heater with flat glass collector improved compared to the system supports by semester.
  • Fig9 Azimuth and elevation, parameters used for locating the position of the sun relative to the earth at a given location and time of the year.
  • FiglO Circulator Used to transport hot water to the CES tanks.
  • Figll Electric circuit controlling the operation of the solar water heater with glass-plate collector
  • Figl2 Overview of the solar water heater with improved glass-plate collector.

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Abstract

La présente invention concerne un chauffe-eau solaire (CES) pour la production d'eau chaude pour un usage domestique, ce CES s'inspire du CES à thermosiphon pour fabriquer un CES plus efficace et plus performant en hiver comme en été. Il est constitué de deux ballons de stockage d'eau chaude montés en série (17) (18) (22) pour avoir une température d'utilisation stable le maximum possible, équipé d'un système de guidage pour réchauffer l'eau froide d'arrivé en passant par les capteurs avant de rentrer dans le ballon de stockage d'eau chaude (25-a) (25-b), un capteur solaire récepteur de rayonnement solaire par ses double face transparente (35) (36), des miroirs en tôle d'inox qui réfléchissent le rayonnement solaire appliqué au capteur par sa face transparente arrière (36) et un circulateur intégré de faible consommation énergétique pour gagner en chaleur par annulation des pertes de charge qui caractérisent les résistances au passage de l'eau dans le circuit du CES (29).

Description

CHAUFFE-EAU SOLAIRE À CAPTEUR PLAN VITRÉ
Description de l'invention
Domaine technique
L'invention concerne le chauffage d'eau par énergie solaire à partir de panneau solaire et des réservoirs de stockage d'eau chaude pour usage domestique.
Technique antérieure
Il existe deux grandes familles de capteurs solaires thermiques destinées pour un usage domestique : les capteurs plans vitrés et les capteurs tubulaires :
Dans notre cas nous traitant le chauffe-eau solaire (CES) à thermosiphon de la famille des capteurs plans vitrés (Figl): ce sont les chauffe-eau les plus simples : le ballon et le panneau solaire forme un seul ensemble compact. En général, le ballon est fixé en haut du panneau solaire.
CES à thermosiphon :
En plus des accessoires et les systèmes d'appoint qui l'accompagne, le chauffe-eau solaire à thermosiphon est constitué principalement de deux composants :
Le panneau, collecteur ou capteur solaire thermique (4) : Il transforme l'énergie solaire en une énergie thermique.
Le réservoir d'eau chaude, ballon de stockage ou accumulateur (3) : Très bien isolé, c'est le lieu de stockage de l'énergie, il contient une quantité suffisante pour satisfaire les besoins de l'habitat en eau chaude.
1 - Principe de fonctionnement
1. Le transfert entre ballon (3) et capteur est effectué par gravité (la densité de l'eau chaude est inférieure à celle de l'eau froide). C'est la différence de pression entre le froid et le chaud qui est utilisée comme énergie de propulsion. C'est ce qu'on appelle le "principe de thermosiphon". Pour fonctionner, le capteur (générateur de chaleur) doit être situé en dessous du ballon (consommateur de chaleur).
2. Pour le type de CES où le ballon n'intègre pas un échangeur (A-Figl), c'est directement l'eau chaude sanitaire qui circule dans le panneau, l'eau sanitaire est chauffée à l'intérieur du capteur solaire. L'eau chaude située dans le capteur qui est en dessous est plus léger que l'eau froide située dans le ballon qui est au-dessus du capteur. La circulation par gravité débute dès que l'eau chaude, plus légère, monte. 3. A l'intérieur du ballon, l'eau le plus froide retombe au point le plus froid du circuit du capteur laissant de la place pour l'eau chaude chauffée par le collecteur.
4. Pour l'autre type (B-Figl), le ballon intègre un échangeur (7) bon conducteur thermique, l'entrée/sortie du capteur est raccordé à cet échangeur créant ainsi un circuit fermé nommé 'circuit primaire' (6+7) contenant un fluide nommé 'fluide caloporteur', le fluide caloporteur chauffé par le capteur, et donc moins dense, monte naturellement vers l'échangeur du ballon de stockage placé au- dessus du capteur, échange la chaleur par conduction avec l'eau stocké du ballon, se refroidit puis descend vers le capteur et le cycle recommence.
2 - Technologies des capteurs du CES à thermosiphon
Les composants du capteur sont :
La couverture (10) : La couverture ou vitrage est l'élément par lequel se fait le maximum d'échange d'énergie, elle doit être donc transparente pour laisser passer le rayonnement solaire qui se transforme en chaleur dans l'absorbeur. Ce dernier compte tenu des températures atteintes, émet des radiations dans le domaine de l'infrarouge, la couverture doit être opaque à ces radiations et doit donc les réfléchir vers l'absorbeur. La matière la plus répondus qui existe dans le marché et qui permet de réaliser ces conditions c'est le verre. Les échanges convectifs entre l'absorbeur et la couverture varient avec la distance qui les sépare. On distingue trois types de verres utilisés comme vitre pour le CES : Verre conventionnel, verre prismé, verre avec couches antireflet.
L'absorbeur (11): C'est la partie du système qui convertit l'énergie solaire en énergie thermique, il joue un rôle très important pour les performances d'un capteur. Il transforme en chaleur le rayonnement électromagnétique incident (5) qu'il reçoit et le transmet sous forme de chaleur au fluide caloporteur. Généralement il est constitué d'une tôle de métal, ses principales qualités sont : Facteur d'absorption aussi voisin que possible de l'unité, pouvoir émissif dans l'infrarouge aussi faible que possible, bonne conductivité thermique (Tabl). La tôle est couverte d'une peinture noir conductrice (15) du fait de sa propriété physique qui permet une absorption totale, la surface de la peinture doit être irrégulière pour réfléchir les rayons non absorbés vers l’absorbeur.
Figure imgf000004_0001
Tabl Circuit tubulaire ou collecteur (6) : Le tube est constitué d'un matériau très bon conducteur thermique et sanitaire, souvent on utilise le cuivre (Tabl). Pour le circuit du capteur de ce type de CES, on distingue deux types d'assemblage du circuit, montage Tickelmann (6)(Figl-A) et montage en (6)(Figl-B) .
Liaison collecteur absorbeur : La liaison entre les tubes qui constituent le collecteur et l'absorbeur est très importante car à travers laquelle la chaleur est transmise (14), elle est assurée par un soudage laser très précis (16).
L'isolant (12) : L'isolant a pour rôle de maintenir la haute température atteinte par l'absorbeur et éviter les pertes thermiques par l'arrière et les côtés du capteur, l'isolation optimise l'efficacité du capteur, ce qui permet à la quantité maximale de chaleur collectée d'être transférée au fluide en circulation. Il est en général opaque au rayonnement visible et à l’infrarouge.
Exposé de l'invention
L'invention consiste à fabriquer un CES plus efficace et plus performant en hiver comme en été en s'inspirant du CES à thermosiphon. L'amélioration à apporter à ce type de CES consiste à répondre au contraintes suivantes :
1 - Contraintes
1 - La température d'eau chaude est réduite pendant la période d'hiver d'Octobre à Mars où la durée d'ensoleillement est réduite à cause du mouvement naturel de la terre autour du soleil et des nuages qui couvrent le ciel d'une manière aléatoire. L'influence sur l'efficacité de l'installation devient plus importante lorsque les nuages bloquent le rayonnement solaire aux moments ou l'incidence du flux lumineux est normale au cours de la journée , la période pendant laquelle se fait le maximum de transfert de chaleur entre le capteur solaire et le ballon de stockage d'eau chaude , la 50°C attendue, suffisante pour satisfaire un besoin confortable en eau chaude n'est pas atteinte et le recourt à une énergie alternative(système d'appoint) augmente, ce qui implique une augmentation de la facture de consommation d'énergie destinée pour la production d'eau chaude sanitaire.
2 - Pendant l'hiver la température de l'eau froide (inférieur à 10°C) qui rentre dans le ballon et qui remplace l'eau chaude qui sort pour l'utilisation est très basse, refroidit rapidement la température de l'eau chaude stockée avant d'atteindre le besoin complet d'une utilisation (une douche par exemple).
3 - Le principe de fonctionnement du thermosiphon repose sur la poussée d'Archimède qui peut être écrite approximativement, en fonction de la température et les caractéristiques du fluide caloporteur, comme suit : B = rq b (T-TO) g
Avec : B : Force de poussée d'Archimède, pO: masse volumique à l'équilibre ,b : Coefficient de dilatation en, T : température du fluide départ capteur, T0 : température du fluide retour capteur, g : Gravité. Cette force engendre une pression hydro-motrice P égale à : P = H x (Mfr - Mfd)
Avec : P : pression hydro-motrice disponible, H : différence de hauteur en mètre entre l'axe du capteur et l'axe du ballon d'ECS , Mfr : masse du fluide à la température la plus basse (entrée capteur)
Mfd : masse du fluide à la température la plus haute (sortie capteur).
Pour qu'il y ait une circulation du fluide caloporteur, il faut que la pression hydro-motrice P soit supérieur à la perte des charges DR, qui peut être écrite sous la forme suivante : DR = ½( Kl + K2) p VQ2
Avec : Klet K2 : sont respectivement, coefficient de perte de charge linéaire et Coefficient de perte de charge singulière, ils dépendent des accessoires, raccordements et liaisons de l'installation ainsi que la dynamique du fluide à l'intérieur de l'installation, VQ : Vitesse débitante.
Ainsi pour un capteur donné, le débit d'écoulement du fluide caloporteur dépend de la quantité de chaleur appliqué sur le capteur et le gradient des températures départ capteur /sortie ballon.
DR est le prix à payer pour transporter l'énergie thermique du capteur jusqu'au ballon, il est matérialisé avec une perte de chaleur au cours du transport, ainsi la température du fluide caloporteur à l'arrivé du ballon est inférieure à celle de départ.
Les pertes de charge caractérisent les résistances au passage de l'eau dans le circuit. La résistance à l'écoulement est provoquée par la longueur des tuyaux et les accidents de parcours, comme les coudes, raccordement de tubes de sections différentes ou la présence des accessoires divers de réglage ou de sécurité. Si les pertes de charge sont trop importantes, l'eau est freinée et peut même ne plus circuler. Par contre, si la tuyauterie est trop large, l'eau circule librement, mais trop lentement et le rendement est moins bon.
Dans une journée nuageuse où le soleil n'apparait, fréquemment, que quelques minutes et avant l'arrivée du nuage prochain, il augmente la température à la sortie du capteur à une valeur adéquate pour l'utilisation mais pas suffisamment élevée pour assurer l'écoulement vers le ballon (ou écoulement avec un débit très faible). La chaleur n'atteint pas le ballon et reste prisonnière du capteur, la température de ce dernier diminue en l'absence du rayonnement solaire direct et au final la température attendue du ballon n'est pas atteinte.
2 - Structure de l'invention et processus de fabrication
On a choisi le CES à thermosiphon du fait de sa simplicité, son coût d'installation moins chère relativement aux autres types de CES et son adaptation aux pays ensoleiller. Il doit tenir compte des contraintes déjà cités auparavant pour aboutir à une efficacité énergétique meilleur que l'actuelle aussi bien en été qu'en hiver et réduire le maximum possible le recourt à une énergie alternative non verte pour satisfaire le besoin domestique en eau chaude.
2-1-Schéma de principe (Fig3)
2-1- a Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement est le même qu'un CES à thermosiphon décrit auparavant, sur lequel on a ajouté des composants pour répondre au contraintes déjà cités.
- Le circuit tubulaire du capteur (20) est monté en série pour assurer un passage unique et intégrale de l'eau froide sanitaire depuis sa rentrée (28) jusqu'à sa sortie du capteur (19) vers le premier ballon de stockage d'eau chaude (17).
- Lors d'un appel d'eau chaude pour une utilisation, l'eau froide (26) qui remplace l'eau chaude (21) tirée du deuxième ballon (22) rentre dans le système par le sens passant du clapet antiretour (25-b) et bloqué par le deuxième clapet antiretour (25-a) dans le but de le forcer à passer par le capteur (20) avant d'atteindre le premier ballon (17). En plein jours cette technique permet de réduire
considérablement (de l'ordre de 60%) la chute de température d'eau chaude du ballon occasionné par la rentrée d'eau froide dans ce dernier en comparaison avec une rentrée direct d'eau froide dans le ballon sans passage par le capteur, puisque l'eau froide dans son passage est chauffée par le capteur avant d'atteindre le ballon.
- Toujours dans le but de réduire la chute de température d'eau chaude dans le ballon occasionné par la rentrée d'eau froide lors d'une utilisation, on a pensé de séparer la capacité de stockage en deux ballons au lieu d'un seul et les montés en série (17) (22), l'eau à chauffer par le capteur (20) est tirée du deuxième ballon (22), évacuée ensuite après chauffage dans le premier ballon (17), selon la densité, l'eau le plus chaude est placée naturellement par gravité dans la partie haute du ballon (23) et le moins chaude (24) est placée dans la partie basse, de ce fait l'eau tirée du deuxième ballon (22) pour une utilisation ou un chauffage par le capteur (20) est remplacée à travers une liaison tubulaire (19) par l'eau chaude du premier ballon (23) (17) située dans la partie haute, ainsi la chute de température ne touche que le premier ballon (17), le deuxième ballon (22 ) quant à lui et toujours alimenté par l'eau le plus chaude du premier ballon (17). Avec cette méthode la température du deuxième ballon qui alimente le réseau d'eau chaude sanitaire reste pratiquement là même après une consommation, parfois augmente si la température du premier ballon (17) est suffisamment supérieure au deuxième (22).
2- 1 - b Le capteur
- L'absorbeur (Fig4) : L'absorbeur est constitué de deux composantes : le circuit tubulaire (32) et la surface absorbante (30). Le circuit tubulaire (32) : C'est l'intermédiaire entre l'eau sanitaire à chauffer et l'absorbeur, il est constitué d'un tube rond de cuivre sanitaire de diamètre 12 mm, sa longueur dépond de la surface absorbante utile du capteur, suffisamment rigide pour supporter la haute pression de l'ordre de 7 bars, cintré avec une forme serpentine, il possède aussi une très bonne conductivité thermique meilleure que l'Aluminium (Tabl).
La surface absorbante (30) : Construit d'une tôle fine d'aluminium qu'on a courbée le long de sa longueur (31) de telle sorte que le circuit tubulaire soit logé dans les courbures. L'aluminium possède une très bonne conductivité thermique (Tabl) moins chère que le cuivre et disponible sur le marché.
Liaison circuit tubulaire surface absorbante : Puisque le transfert de chaleur de l'absorbeur vers l'eau sanitaire à chauffer est proportionnel à la surface de contact, donc au lieu de la réaliser avec un soudage laser (souvent coûte chère) assurant ainsi juste des lignes fines de contact entre circuit tubulaire/surface absorbante, on a pensé de l'assurer par une liaison surfacique en courbant la tôle de l'aluminium de tel forme que le serpentin tubulaire soit logé dans la tôle (Fig4). Plus les courbures de la tôle d'aluminium et le circuit tubulaire sont bien alignés plus la surface de contact est grande. Plus la profondeur des courbures augmente, plus la surface de contact augmente meilleur est le transfert de chaleur de l'absorbeur vers l'eau sanitaire à chauffer. La fixation du circuit avec la tôle est assurée avec des boulons et fils de fer (33), un bon serrage permet une bonne adhérence d'où un meilleur transfert thermique.
- Le cadrage primaire (Fig5) : Le cadrage primaire de l'absorbeur (34) est fait du bois. On a choisi le bois car c'est un bon isolant et rigide, il va assurer l'isolation latérale du capteur et empêcher le transfert de chaleur avec l'ambiant en plus de son rôle principal qui est le support de l'ensemble vitres et absorbeur. Les planches de bois sont taillées et assemblées comme montré sur la figure (Fig4).
On peint par la suite l'absorbeur (circuit tubulaire + surface absorbante + cadre primaire) avec une peinture noire mate pour assurer une absorption de rayonnements maximal et une réflexion minimale.
- Le vitrage : Etant donné que le capteur acquière de la chaleur à partir du rayonnement solaire incident non pas de la température ambiante, en hiver, avec le passage nuageux fréquent qui affaiblit d'une manière considérable la puissance du rayonnements incidents directs qui frappent le capteur et le temps réduit du jour où apparaît le soleil sur les 24 heures suite à la position de la terre par rapport au soleil dans cette période de l'année (Fig6), ajoutant à cela la température plus basse de l'eau froide à chauffer, toutes ces contraintes ne peuvent qu'influencer négativement sur l'efficacité du CES.
De ce fait on a pensé à augmenter le flux de rayonnements solaire qui frappent le capteur, ainsi notre capteur sera constitué d'une double surface transparente, face avant (35) (face au soleil) et face arrière (36). La face arrière, au lieu d'être opaque isolante et passive, le cas d'un capteur plan classique, sera donc transparente isolante et active, réceptrice d'énergie sous forme de rayonnements solaire.
L'isolation est assurée avec une très bonne jointure et la couche d'air qui sépare le vitrage et l'absorbeur, l'air avec ça conductibilité thermique reste un bon isolant (Tab2).
Pour le vitrage de face avant (face au soleil) du capteur il est constitué du verre trempé, sa surface hachurée permet de diffuser le rayonnement solaire sur la surface de l'absorbeur. La vitrage face arrière est constitué du lexan du fait de son poids très léger relativement au verre conventionnel, transparent, un mauvais conducteur thermique, supporte l'ultraviolet du rayonnement solaire et la haute température. Avec le Silicon les deux vitres sont collées et jointées avec le cadre primaire, fait du bois, l'absorbeur est monté dedans.
- Cadrage secondaire(Fig8) : Le capteur est ensuite encadré avec un faut cadre en forme U
(37), fabriqué à partir de la tôle d'aluminium d'épaisseur 1.5 mm, la tôle est découpée avec les dimensions adéquates de sorte que le faut cadre s'emboîte parfaitement dans le cadre primaire, la fixation avec le cadre primaire est assuré avec une couche de silicone et des vis en Inox de 3cm de longueur vissés sur les bords de chaque pièce du faut cadre. Le but est de donner un aspect esthétique, ajouter plus d'étanchéité et de rigidité au capteur et éviter la rouille du cadre.
2 -1 - c Ballon de stockage d'eau chaude sanitaire
Le ballon de stockage d'eau chaude sanitaire est constitué de deux chauffe-eau électriques commerciaux de volume total suivant l'installation, monté en série (17-22 Fig3). Ces ballons sont destinés pour un usage domestique et ils sont déjà équipés de résistances électriques qui vont servir pour notre application à un système d'appoint. En ajoutant une couverture aux ballons sur le support système (Fig7), dont on a laissé place, d'un tissu imperméable résistant aux UV et intempéries, l'isolation s'améliore et les ballons sont ainsi protégés contre la corrosion tous en gardant un aspect esthétique convenable.
2-1 - d Support du système
Le support du système doit être suffisamment rigide pour supporter le poids total de l'ensemble des composants du système constitué des miroirs et deux ballons en charge et doit offrir la possibilité du dépôt et la fixation des différents composants. Notre choix tombe donc sur la cornière d'aluminium de largeur 30* 30 mm et d'épaisseur 3 mm, le support (Fig7) est constitué de deux sous-support, le premier (38) est utilisé pour installer les ballons et les miroirs de réflexion direct (40) et le deuxième (39) pour installer le capteur et les miroirs de récupération (41). 2 -1 - e Les miroirs
En hiver beaucoup de paramètres influencent sur l'efficacité du CES, parmi lesquels on cite la durée du jour la plus courte de l'année (durée d'ensoleillement réduite), la durée de nuit le plus long (un maximum de dissipation de chaleur vers l'ambiant pendant la nuit), une température très basse de l'ambiant qui tend à refroidir le capteur, l'eau très froide qui nécessite plus d'énergie pour le chauffer par le capteur, du vent froid qui tend aussi à refroidir le capteur. Avec ces conditions, il devient difficile à atteindre une température d'eau chaude adéquate pour l'utilisation, d'où l'utilité d'utilisation des miroirs qui vont récolter plus de rayonnements solaire à appliquer sur le capteur et augmenter ainsi l'énergie absorbée de ce dernier, transférée par la suite vers l'eau à chauffer.
On a choisi la tôle d'inox qui va jouer le rôle du miroir du fait de sa maniabilité, résistivité à la corrosion, aux chocs mécaniques et changement climatique le long de l'année, sa surface réfléchissante de l'ordre de 70% par rapport à un miroir conventionnel, son poids moins lourd et peut être fixée facilement sur le support du système.
Les miroirs (40) (41) sont fixés au support du système de telle sorte que les rayonnements solaire (43) réfléchis frappent sur la partie basse transparente du capteur avec un flux lumineux maximale pendant la période d'hiver, dans le but de s'approcher de la même efficacité du CES qu'en été.
Le positionnement et l'angle de fixation des miroirs sur le support système prennent en considération la trajectoire apparente du soleil par rapport à la terre le long de l'année et la position et l'angle de dépôt du capteur fixés sur deux positions, une pendant la période d'été (Fig8 -E), l'autre pendant la période d'hiver (Fig8 -F). Pour un point géographique donné on aura besoins de deux paramètres, l'Azimut et l'Elévation (Tab2/Figl2). Avec un logiciel de simulation, on a simulé l'angle d'incidence du rayonnement solaire de chaque jour de l'année et obtenir ainsi les positions et angles fixes et adéquates des diffèrent miroirs qui permettent une réflexion du rayonnement solaire qui tombe sur la surface basse du capteur (du 9h00 du matin jusqu'à 17h00 de l'après-midi) en fonction de sa position (une pendant la période d'été (Fig8 -E) , l'autre pendant la période d'hiver (Fig8 -F)), de tel sorte que le flux lumineux soit maximal pendant la période d'hiver . Plus on rajoute des miroirs, plus on augmente la température du capteur plus l'efficacité du CES est meilleur.
Figure imgf000011_0001
Tab2
2 -1- f Le circulateur
Situé sur la partie basse de l'installation (29), monté en boucle fermé avec le circuit de l'installation (capteur + ballons), il permet d'annuler l'énergie thermique nécessaire pour transporter l'eau chaude du capteur jusqu'aux ballons par thermosiphon et préservé ainsi la chaleur acquise par le capteur, il permet un gain considérable en terme d'efficacité du CES. Il existe sur le marché des circulateurs agroalimentaire qui consomment une faible énergie 10-20 Watt. Alimenté avec une tension de 12 V (avec un panneau solaire photovoltaïque ou par le secteur à travers un transformateur ou avec une batterie), peut débiter jusqu'à 111/min et supporter une pression ayant jusqu'à 10 bar et une température de 100 °C (FiglO), idéal pour notre application. Ce circulateur doit être accompagné de deux capteurs de température et un circuit électrique qui va piloter son fonctionnement, tous sont intégrés dans le capteur solaire.
Schéma du circuit : illustré dans la figure (Figll)
Principe de fonctionnement : Le circuit comporte deux capteurs de température DI (Figll) placé à l'intérieur du deuxième ballon (22) pour mesurer la température Tl de l'eau contenu et D2 (Figll) au milieu du capteur solaire, pour mesurer la température moyenne T2 de l'eau à chauffer du capteur. Chaque minute le microcontrôleur (Figll) lit les deux valeurs de température et les compares, si Tl > T2 +6°C le microcontrôleur envoi une commande qui commute le transistor Q1 (Figll) pour laisser passer le courant électrique à travers le circulateur, ce dernier se met en marche et commence à transporter l'eau chauffé par le capteur vers le ballon, si non le circulateur est à l'arrêt. Description sommaire des dessins
1- Entre eau froide
2- Sortie eau chaude
3- Ballon de stockage d'eau chaude
4- Capteur solaire
5- Rayonnement solaire incident
6- Circuit tubulaire
7- Echangeur
9- Jointure
8- Entré capteur
10- Vitrage
11 - Absorbeur
12 - Isolation
13 - Cadrant métallique
14 - Transfert thermique conductif.
15 - Peinture noire conductrice
16 - Soudage laser
17 - Premier ballon de stockage d'eau chaude
18 - Liaison de raccordement d'eau chaude du premier ballon avec le deuxième ballon
19 - Sortie de l'eau chauffé par le capteur vers le premier ballon
20 - Capteur plan vitré
21 - Sortie d'utilisation
22 - Deuxième ballon de stockage d'eau chaude
23 - Position d'eau chaude des ballons à l'équilibre thermique
24 - Position d'eau froide des ballons à l'équilibre thermique 5 - a - Clapet antiretour
5-b- Clapet antiretour
6 - Entre Eau froide sanitaire
7 - Eau sortie deuxième ballon pour réchauffement par le capteur solaire
8 - Entré capteur solaire
9 - Circulateur
0 - Surface absorbante en tôle d'aluminium
1 - Courbure d'une forme tubulaire
2 - Tube en cuivre
3 - Liaison circuit tubulaire/surface absorbante avec fil de fer et vis écrou
4 - Cadrage primaire en boit
5 - Vitrage face avant droit au soleil en verre prismé
36 - Vitrage face arrière en lexan
37 - Cadrage secondaire en aluminium
38 - Support des ballons et miroirs de réflexion direct
39 - Support capteur et miroir de récupération
40 - Miroirs de réflexion direct
41 - Miroir de récupération
42 - Capteur plan vitré
43 - Rayonnement solaire incident
Figl : Types des CES à thermosiphon et ses différents composants.
Figl-A- CES a circulation direct avec montage tickelmann de circuit tubulaire
Figl-B- CES avec échangeur intégré dans le ballon et montage de circuit tubulaire en 'S'
Fig2 : Les différents composants constituant un capteur plan vitré d'un CES à thermosiphon.
Fig3 : Schéma de principe du chauffe-eau solaire à thermosiphon à capteur plan vitré amélioré. Fig4 : Absorbeur et cadrage primaire du capteur du chauffe-eau solaire à capteur plan vitré amélioré.
Fig5 : Trajectoire du soleil et durée du jour de la ville de Nouaceur en été et en hiver.
Fig6 : Vitrage et cadrage secondaire d'aluminium du capteur du chauffe-eau solaire à capteur plan vitré amélioré.
Fig7 : les sous-support qui supportent les différents composants du chauffe-eau solaire à capteur plan vitré amélioré.
Fig8 : Positions et angles de fixation des miroirs du chauffe-eau solaire à capteur plan vitré amélioré par rapport aux supports du système par semestre.
Fig8 -E- Angle d'incidence et réflexion du rayonnement solaire par rapport aux miroirs, la ville de
Nouaceur le 25/06/2019 à 14h00 GMT+1
Fig8 -F- Angle d'incidence et réflexion du rayonnement solaire par rapport aux miroirs, la ville de Nouaceur le 01/01/2019 à 14h00 GMT+1
Fig9 : Azimut et élévation, paramètres utilisés pour le repérage de la position du soleil par rapport à la terre à un endroit et moment donné de l'année.
FiglO : Circulateur Utilisé pour transporter l'eau chaude vers les ballons du CES.
Figll : Circuit électrique pilotant le fonctionnement du chauffe-eau solaire à capteur plan vitré
amélioré.
Figl2 : Vue d'ensemble du chauffe-eau solaire à capteur plan vitré amélioré.

Claims

Revendications
1 - Chauffe-eau solaire sert à chauffer l'eau par énergie solaire pour usage domestique contenant :
- Une partie de stockage d'eau chaude sanitaire constituée de deux ballons de stockage montés en série (17) (18) (22) au lieu d'un seul ballon pour assurer la stabilité de la température de l'eau chaude pendant l'utilisation, l'eau chaude sortie des capteurs (19) rentre dans le premier ballon (17) par son 'arrivée d'eau froide' , le deuxième ballon (22) est alimenté en eau par la 'sortie d'eau chaude' du premier ballon (18), la 'sortie d'eau chaude' du deuxième ballon (21) est réservée pour l'utilisation et le capteur (20) est alimenté en eau froide à chauffer par T'arrivée d'eau froide' (27) du deuxième ballon.
- Une partie chauffante constituée d'un capteur solaire (20) suivant la capacité de l'eau chaude à stocker, montés en série et en boucle fermée avec les deux ballons de stockages , chaque capteur est vitré par ces deux face (35) (36), face avant direction du soleil vitrée en verre (35) et face arrière vitrée avec du lexan (36) transparent pour recevoir plus de rayonnements solaire sur la même surface absorbante et augmenter ainsi sa température rapidement et par conséquent un chauffage d'eau plus rapide avec moins de surface absorbante.
- Des surfaces réfléchissantes de rayonnement solaire matérialisées avec la tôle d'inox (40) (41) fixées sur le support système (Fig7) pour rayonner la surface transparente face arrière du capteur, la position et l'angle de fixation des tôles prend en considération la position et l'angle de dépôt du capteur (position d'hiver et position d'été ) et le mouvement du soleil autour de la terre dans la journée et le long des jours de l'année de tel sorte que le flux lumineux appliquées sur la surface basse du capteur soient maximale pendant l'hiver.
- Un circulateur (29) de faible consommation.
- Un système de guidage de l'eau froide d'arrivé (25-a) (25-b).
-Un support système (ballons + capteur + miroirs) (Fig7).
2 - Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, dans lequel les deux ballons (17) (22) sont montés en série et raccordés avec le circuit du CES selon le schéma de la figure (Fig3), le deuxième ballon alimenté par l'eau le plus chaude du premier ballon située dans sa partie haute (17) (23), permet une alimentation plus stable en eau chaude pour l'utilisation.
3 - Chauffe-eau solaire selon la revendication l,dans lequel le capteur solaire, est caractérisé par une surface absorbante constituée d'une tôle fine d'aluminium courbée le long de sa longueur (31) de tel sorte que le circuit tubulaire (32) soit logé dans cette dernière et que la liaison entre la surface absorbante et le circuit tubulaire est assurée par logement et fixation avec des fils de fer et vis écrou
(33).
4 - Chauffe-eau solaire selon la revendication 3, dans lequel le capteur solaire est caractérisé par une double surface transparente réceptrice de rayonnement solaire (35) (36), pour la même surface absorbante, face avant, direction du soleil (35) est constituée du verre trompé et la face arrière (36) avec du lexan.
5 - Chauffe-eau solaire selon la revendication 3 et 4, dans lequel le capteur solaire est cadré un premier cadrage en boit et un deuxième cadrage fait avec la tôle d'aluminium selon la forme et processus décrit sur les figures Fig4 (34), Fig6 (37).
6 - Chauffe-eau solaire selon la revendication 1 et 2, dans lequel on a ajouté un circulateur (29) de faible consommation qui joue un double rôle, d'une part il assure la circulation d'eau chaude entre le capteur, le premier ballon et le deuxième ballon, d'autre part il permet de gagner en énergie thermique en annulant les pertes de charge qui caractérisent les résistances au passage de l'eau dans le circuit du Chauffe-eau.
7 - Chauffe-eau solaire selon la revendication 6, dans lequel le circulateur est piloté par le circuit électrique dont le schéma est présenté dans la figure (Figll).
8 - Chauffe-eau solaire selon la revendication 1 et 4, dans lequel le capteur solaire est accompagné d'une surface réfléchissante matérialisée avec la tôle d'inox fixé sur le support du système pour réfléchir le rayonnement solaire vers la face transparente arrière du capteur (36).
9 - Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, dans lequel l'arrivé d'eau froide (26) qui alimente le ballon en eau froide en cas de consommation d'eau chaude est caractérisé par le passage par les capteurs solaires pour un réchauffement (en cas d'utilisation pendant la présence du soleil) avant de rentrer dans le ballon, ce système de guidage est assuré par le montage des deux clapets antiretour (25- a) (25-b) et a pour but le maintien de la température de l'eau chaude des ballons en cas d'utilisation en présence du soleil.
10 - Chauffe-eau solaire selon la revendication 1, dans lequel le support système caractérisé par le schéma de la figure (Fig7) sert pour l'installation des différentes composantes du CES.
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