FR2951813A1

FR2951813A1 - Collecteur solaire

Info

Publication number: FR2951813A1
Application number: FR0958609A
Authority: FR
Inventors: Julien Sellier; Rene Gy
Original assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Current assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-04-29
Also published as: WO2011048320A3; CN102834580A; WO2011048321A3; KR20120100935A; KR20120100936A; CN102834579A; FR2951811A1; WO2011048321A2; US20120204861A1; JP2013515227A; JP2013515226A; EP2491215A2; FR2951811B1; EP2491216A2; US20120199116A1; WO2011048320A2

Abstract

L'invention concerne un collecteur solaire, comprenant : - une feuille de verre (1), - un cadre métallique (2) ou une autre feuille de verre (1) et un cadre métallique (8), - un scellement entre la ou les feuilles de verre (1) et le cadre métallique (2, 8), - le cadre métallique (8) comprenant une paroi (80) déportée par rapport au scellement et/ou une paroi (80) reliée au scellement par un matériau faiblement conducteur thermiquement. L'invention permet de proposer un collecteur solaire qui soit compact, simple et améliore la transmission du rayonnement solaire.

Description

1 COLLECTEUR SOLAIRE

L'invention concerne un collecteur solaire. Les collecteurs solaires absorbent la chaleur provenant du rayonnement solaire grâce à un absorbeur. Un fluide caloporteur circule dans des tuyaux col-lecteurs de chaleur fixés à l'absorbeur. Les tuyaux permettent de transporter la chaleur vers l'utilisateur et de maintenir l'absorbeur à une température raisonnable. Un tel collecteur permet par exemple de chauffer de l'eau pour des applications domestiques, de fournir de l'énergie thermique à un groupe frigorifique afin de fabriquer de l'air conditionné, de dessaler de l'eau de mer ou de purifier une eau en vue de fournir une eau potable, ou encore de sécher des matériaux dans une installation industrielle. Il est connu par le document GB-A-2 261 247 un collecteur solaire comprenant un vitrage multiple sous lequel est disposé un absorbeur. Le vitrage multiple comprend au moins une paire de feuilles de verre espacées par un espaceur métallique soudé aux feuilles de verre via des bandes d'émail conducteur. Un inconvénient de ce collecteur solaire est que l'absorbeur et les tuyaux dans lesquels circule le fluide caloporteur sont disposés sous le vitrage multiple. L'épaisseur du collecteur solaire est alors importante, ce qui entraîne des diffi- cuités de manipulation lors de la pose. De plus, il est nécessaire d'ajouter une couche isolante thermiquement sous l'absorbeur et les tuyaux afin de minimiser les pertes thermiques. Ceci complexifie le collecteur solaire et augmente encore l'épaisseur du collecteur solaire. De plus, le rayonnement solaire doit traverser au moins deux feuilles de verre pour atteindre l'absorbeur, ce qui entraîne une transmission réduite du rayonnement solaire. Il y a donc un besoin pour un collecteur solaire qui soit compact, simple et améliore la transmission du rayonnement solaire vers l'absorbeur. Pour cela, l'invention propose un collecteur solaire, comprenant : - une feuille de verre munie d'une fritte métallique cuite, - un cadre métallique ou une autre feuille de verre munie d'une fritte métallique cuite et un cadre métallique, - un scellement par brasure entre la ou les fritte(s) métallique(s) et le cadre métallique, - un absorbeur et des tuyaux dans lesquels circule un fluide caloporteur, les tuyaux étant en contact avec l'absorbeur et l'absorbeur et les tuyaux étant disposés entre la feuille de verre et le cadre métallique ou entre les deux feuilles de verre.

Selon une autre particularité, le collecteur solaire comprend une seule feuille de verre et un cadre métallique, le cadre métallique étant muni d'un fond et le bord libre du cadre métallique étant brasé à la fritte métallique de la feuille de verre. Selon une autre particularité, le collecteur solaire comprend deux feuilles de verre et un cadre métallique, les bords du cadre métallique étant brasés aux frittes métalliques de chacune des deux feuilles de verre. Selon une autre particularité, le cadre métallique comprend une paroi dé-portée par rapport au scellement par brasure et/ou une paroi reliée au scellement par brasure par un matériau faiblement conducteur thermiquement.

Selon une autre particularité, la ou les feuille(s) de verre est (sont) trempée(s). Selon une autre particularité, l'alliage de brasure a une température de fusion comprise entre 100°C et 350°C. Selon une autre particularité, l'alliage de brasure est l'alliage Pb93,5Sn5Ag1,5. Selon une autre particularité, la fritte métallique cuite comprend entre 50% et 95% en masse de particules d'argent, le reste étant un liant vitreux comprenant du SiO2, du Bi2O3, du Na2O et du ZnO. Selon une autre particularité, le collecteur solaire est sous vide.

Selon une autre particularité, la feuille de verre est en verre extra-clair. Selon une autre particularité, la feuille de verre est munie d'une couche anti-reflet. Selon une autre particularité, chaque feuille de verre est assemblée à une feuille de verre supplémentaire via un intercalaire polymérique pour constituer un vitrage feuilleté. Un autre but de l'invention est de fournir un collecteur solaire comprenant : - une feuille de verre, - un cadre métallique ou une autre feuille de verre et un cadre métallique, - un scellement entre la ou les feuilles de verre et le cadre métallique, - le cadre métallique comprenant une paroi déportée par rapport au scelle- ment par brasure et/ou une paroi reliée au scellement par brasure par un matériau faiblement conducteur thermiquement.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont à présent être décrits en regard des dessins sur lesquels : • La figure 1 représente une vue en coupe d'un collecteur solaire selon un premier mode de réalisation de l'invention ; • La figure 2 représente une vue en coupe d'un collecteur solaire se- Ion un deuxième mode de réalisation de l'invention ; • La figure 3 représente une vue en coupe d'un collecteur solaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Les numéros de référence qui dont identiques sur les différentes figures représentent des éléments identiques ou similaires.

L'invention se rapporte à un collecteur solaire comprenant une feuille de verre munie d'une fritte métallique cuite. Le collecteur solaire comprend égale-ment une autre feuille de verre munie d'une fritte métallique cuite et/ou un cadre métallique. Un scellement par brasure est réalisé entre la ou les fritte(s) métallique(s) et le cadre métallique ou entre les frittes métalliques des deux feuilles de verre. Ainsi, le collecteur solaire est scellé de façon hermétique, ce qui permet en particulier de pouvoir maintenir un vide dans le collecteur solaire. Le collecteur solaire comprend également un absorbeur et des tuyaux dans lesquels circule un fluide caloporteur. Les tuyaux sont en contact avec l'absorbeur afin de maximiser les échanges thermiques entre l'absorbeur et le fluide caloporteur. De plus, l'absorbeur et les tuyaux sont disposés entre la feuille de verre et le cadre métallique ou entre les deux feuilles de verre. Ainsi, le collecteur solaire est compact puisque l'absorbeur et les tuyaux sont intégrés entre la feuille de verre et le cadre métallique ou entre les deux feuilles de verre. De plus, le collecteur solaire est simple car il évite l'utilisation d'une couche isolante supplémentaire. Et le rayonnement solaire n'a qu'une seule feuille de verre à traverser pour atteindre l'absorbeur, ce qui permet d'améliorer la transmission du rayonnement solaire jusqu'à l'absorbeur.

La figure 1 représente une vue en coupe d'un collecteur solaire selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le collecteur solaire comprend une feuille de verre 1 et un cadre métallique 2 scellé à la feuille de verre 1. Le scellement est réalisé par brasure à l'aide d'un alliage de brasure 4 via une fritte métallique 3 déposée sur la feuille de verre 1. Un tel scellement entre le verre et le métal résiste mécaniquement et reste étanche. Ce scellement est particulièrement avantageux lorsque le collecteur solaire est mis sous vide puisqu'il évite que le vide se dégrade au fil du temps.

La fritte métallique 3 est déposée sur le pourtour d'une face de la feuille de verre 1, de préférence par sérigraphie. Le dépôt par sérigraphie est en effet plus simple que le dépôt de couches minces dans le cadre d'une industrialisation. La fritte métallique 3 est séchée à 80°C. Puis la feuille de verre 1 munie de la fritte métallique 3 sont portées à une température comprise entre 400°C et 700°C afin de cuire la fritte métallique 3. Cette température de cuisson permet de ne pas endommager la feuille de verre 1. La feuille de verre 1 munie de la fritte métallique cuite est ensuite refroidie à température ambiante. Si la feuille de verre 1 du collecteur solaire est en verre trempé, la cuisson de la fritte métallique 3 est réalisée pendant la trempe thermique de la feuille de verre. La température de cuisson de la fritte est alors de préférence supérieure à 600°C, et le refroidissement se fait à l'aide d'une pluralité de buses injectant de l'air comprimé à proximité de ladite feuille de verre. La contrainte de surface finale du verre est alors par exemple de 120 MPa pour un verre de 4 mm d'épaisseur et la fritte d'argent est cuite.

Le collecteur solaire peut être destiné à être installé sur un toit, par exemple pour chauffer de l'eau pour des applications domestiques. Le fait que la feuille de verre 1 soit en verre trempé permet de renforcer les propriétés mécaniques du verre afin que la feuille de verre 1 résiste mieux aux intempéries, par exemple à la grêle, et aux contraintes mécaniques induites par la pression atmosphérique sur le collecteur solaire et par l'expansion thermique de la feuille de verre du collec- teur solaire.

Notons que l'étape de dépôt de la fritte métallique par sérigraphie sur le pourtour d'une face de la feuille de verre 1 s'intègre particulièrement bien dans une ligne industrielle de trempe thermique. La fritte métallique 3 cuite comprend entre 50% et 95% en masse de parti- cules d'argent, le reste étant un liant vitreux. La fritte métallique cuite est ainsi par exemple constituée de 94% en masse de particules d'argent et de 6% en masse de liant vitreux comprenant du SiO2, du Bi2O3, du Na2O et du ZnO. La fritte métallique 3 adhère parfaitement bien à la feuille de verre 1 et est ainsi particulièrement bien adaptée à la brasure avec un autre élément métalli- que, à savoir ici le cadre métallique afin de former un scellement hermétique. Le cadre métallique 2 comprend un fond 20 et un bord libre 21 destiné à être brasé à la fritte métallique 3. De préférence, le bord libre 21 et la fritte métallique 3 sont décapés avant la brasure, ce qui permet d'obtenir un meilleur scelle-ment.

Le fond 20 du cadre métallique est également métallique. Cela permet une plus grande facilité de fabrication. En effet le bord 21 et le fond 20 peuvent être faits d'une seule pièce, par exemple par emboutissage, ou bien soudés de manière conventionnelle. Le collecteur solaire comprend également un absorbeur 5 et des tuyaux 6 en contact avec l'absorbeur. L'absorbeur 5 est adapté à absorber le rayonnement solaire transmis à travers la feuille de verre 1. L'absorbeur 5 est par exemple une plaque métallique recouverte d'une couche basse-émissive. Le métal permet de bien absorber le rayonnement solaire, tandis que la couche basse-émissive per-met de réémettre le moins possible de rayonnement solaire vers l'extérieur du collecteur solaire. Un fluide caloporteur 7, par exemple de l'eau, circule dans les tuyaux 6. La chaleur provenant du rayonnement solaire qui traverse la feuille de verre 1 est transmise de l'absorbeur 5 aux tuyaux 6 puis au fluide caloporteur 7. L'absorbeur 5 et les tuyaux 6 sont disposés à l'intérieur du cadre métalli- que 2. Puis la fritte métallique 3 cuite de la feuille de verre 1 est brasée au bord libre 21 du cadre métallique 2 à l'aide d'un alliage de brasure afin de sceller le collecteur solaire. L'absorbeur 5 et les tuyaux 6 sont maintenus à distance des feuilles de verre par exemple à l'aide d'espaceurs (non représentés). Ces espa- ceurs permettent également de supporter la différence de pression entre l'air extérieur et le vide intérieur. L'alliage de brasure utilisé a de préférence une température de fusion comprise entre 100°C et 350°C. Cette température de fusion relativement basse permet, si la feuille de verre 1 est en verre trempé, de ne pas détremper le verre. De plus, elle permet de ne pas détériorer les propriétés de basse émissivité de l'absorbeur 5, et limite les contraintes mécaniques induites par la différence de coefficient d'expansion thermique entre le verre et le métal. Dans le cas où le collecteur solaire est mis sous vide, la mise sous vide est effectuée entre 100 et 300°C, après l'étape de brasure. En effet, la mise sous vide est plus efficace si elle se fait à haute température, ce qui permet d'accélérer la désorption et d'augmenter la pression à l'intérieur du collecteur solaire. Faire le vide au sein du collecteur solaire permet une excellente isolation entre l'absorbeur 5 et le milieu extérieur en coupant les transferts thermiques par convection et conduction dans l'air intérieur. L'efficacité du collecteur solaire obtenu en est grandement améliorée. De préférence, une température de fusion de l'alliage de brasure comprise entre 250 et 350°C est un bon compromis entre la nécessité de chauffer lors de la mise sous vide sans refondre l'alliage de brasure et la nécessité de ne pas trop chauffer pour ne pas détremper le verre. L'alliage de brasure est par exemple l'alliage Pb93,5Sn5Ag1.5, qui a une température de fusion de 300°C. La feuille de verre 1 peut par ailleurs comprendre une couche basse-émissive sur sa surface, de préférence à l'intérieur du collecteur solaire de façon à ce qu'elle ne se dégrade pas du fait des intempéries. Cette couche basse-émissive peut être déposée sur la feuille de verre avant ou après le dépôt de la fritte métallique. Le verre de la feuille de verre 1 peut être un verre extra clair afin de minimiser l'absorption du rayonnement solaire et ainsi maximiser sa transmission énergétique. La feuille de verre 1 peut également être munie d'une couche antireflet sur sa face extérieure.

Dans une installation sur une toiture de bâtiment, la feuille de verre 1 est tournée vers l'extérieur du bâtiment, tandis que le fond 20 du cadre métallique 2 est tourné vers le bâtiment. Ce premier mode de réalisation a l'avantage par rapport aux deuxième et troisième modes de réalisation, qui sont décrit plus bas, de n'avoir qu'un seul scellement par brasure, ce qui limite les risques de fuites. La figure 2 représente une vue en coupe d'un collecteur solaire selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le collecteur solaire comprend deux feuilles de verre 1 et un cadre métallique 8 sans fond. Le cadre métallique 8 sans fond sert d'espaceur entre les deux feuilles de verre 1. Les bords 81 du cadre métallique 8 sont chacun brasés à la fritte métallique 3 cuite d'une des feuilles de verre 1 pour réaliser le scellement du collecteur solaire. Les deux feuilles de verre 1 peuvent être en verre trempé. En variante, une seule des deux feuilles de verre - celle destinée à être traversée par les rayons directs du soleil - est en verre trempé. Dans une installation sur une toiture de bâtiment, l'une ou l'autre des deux feuilles de verre 1 peut être tournée vers l'extérieur du bâtiment, l'autre feuille de verre étant tourné vers le bâtiment.

Par ailleurs, tout ce qui a été dit pour le premier mode de réalisation reste valable pour ce deuxième mode de réalisation. Ce deuxième mode de réalisation a l'avantage de symétriser la structure, ce qui évite la flexion du collecteur lorsqu'il subit des variations de température à cause de la différence de coefficient d'expansion thermique entre le verre et le métal, par exemple pendant la mise sous vide ou durant l'utilisation. La figure 3 représente une vue en coupe d'un collecteur solaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Ce mode de réalisation est une variante du deuxième mode de réalisation. Seul le cadre métallique 8 diffère par rapport au deuxième mode de réalisation.

Le cadre métallique 8 est constitué d'une paroi 80 sensiblement perpendiculaire aux feuilles de verre 1 et de bords 81 rabattus sensiblement parallèlement aux feuilles de verre 1. Les bords 81 et la paroi 80 peuvent être faits d'une seule pièce, par exemple par emboutissage, ou bien les bords 81 peuvent être rapportés sur la paroi 80. Le troisième mode de réalisation comporte un cadre métallique spéciale-ment étudié pour limiter au maximum le chauffage du scellement par brasure pendant l'utilisation du collecteur solaire. En effet, les tuyaux 6 du collecteur solaire traversent la paroi 80 du cadre métallique de façon étanche afin d'entrer et de sortir du collecteur solaire. Or, les tuyaux sont à une température élevée, par exemple de l'ordre de 80°C pour des applications domestiques, et de l'ordre de 170°C pour des applications frigorifi- ques avec des machines à absorption à deux étages. La paroi 80 va donc être chauffée par les tuyaux 6. Il est avantageux de limiter les échanges thermiques entre la paroi 80 et le scellement par brasure 4 afin de ne pas dégrader ce der-nier, pour qu'il puisse rester étanche au vide le plus longtemps possible. Cela pour garantir la longévité du collecteur solaire.

Une première solution pour limiter les échanges thermiques entre la paroi 80 et le scellement par brasure 4 est que les bords 81, et éventuellement la paroi 80, du cadre métallique 8 soient faiblement conducteurs thermiquement, par exemple en étant réalisés en un matériau faiblement conducteur thermiquement, et/ou en ayant une épaisseur faible. Ainsi, les bords 81 et éventuellement la paroi 80 ont de préférence une conductivité thermique inférieure à 20 W/m/K, plus préférentiellement inférieure à 15 W/m/k, et idéalement inférieure à 1 W/m/K. Ils sont ainsi par exemple réalisés en acier inoxydable ou encore dans l'alliage référencé sous la marque Kovar®, qui a une conductivité thermique de 17 W/m/K. De même, l'épaisseur des bords 81 et éventuellement de la paroi 80 est de préfé- rence inférieure à 1 mm, plus préférentiellement inférieure à 0,5 mm). Une deuxième solution pour limiter les échanges thermiques entre la paroi 80 et le scellement par brasure 4 est que la paroi 80 du cadre métallique 8 est de déporter la paroi 80 à une distance d'au moins 1 cm, de préférence 2 cm, du scellement par brasure 4 à l'aide des bords 81.

Les première et deuxième solutions peuvent être associées sur un même cadre métallique pour diminuer encore les échanges thermiques entre la paroi 80 et le scellement par brasure 4.

Ainsi le deuxième mode de réalisation permet de proposer un collecteur solaire compact tandis que le troisième mode de réalisation permet d'optimiser la performance du collecteur solaire. Le fait de déporter la paroi du cadre métallique par rapport au scellement verre/métal et/ou de diminuer la conductivité thermique des bords du cadre métallique, en choisissant un matériau adapté et/ou en diminuant l'épaisseur des bords et éventuellement de la paroi du cadre métallique peut s'appliquer à un collecteur solaire dont la ou les feuilles de verre sont scellés au cadre métallique par une autre technique classique, à savoir une technique autre que par brasure via une fritte métallique. Le fait de déporter la paroi du cadre métallique par rapport au scellement verre/métal et/ou de diminuer la conductivité thermique des bords du cadre métallique, en choisissant un matériau adapté et/ou en diminuant l'épaisseur des bords et éventuellement de la paroi du cadre métallique peut s'appliquer au mode de réalisation de la figure 1. Les espaceurs (non représentés), qui permettent de supporter la différence de pression entre l'air extérieur et le vide intérieur, compensent la perte de résistance mécanique à la compression de la paroi 8 due à sa faible épaisseur et/ou au fait qu'elle est déportée, et l'empêchent ainsi de se plier sous l'effet du vide, afin de maintenir la structure du collecteur. Dans les trois modes de réalisation, chaque feuille de verre 1 peuvent être assemblée avec une feuille de verre supplémentaire via un intercalaire polymérique de manière à constituer un vitrage feuilleté. Il en résulte une sécurité renforcée pour les personnes vis-à-vis du risque d'implosion inhérent à tout système verrier sous vide.

Claims

REVENDICATIONS1. Collecteur solaire, comprenant : - une feuille de verre (1), - un cadre métallique (2) ou une autre feuille de verre (1) et un cadre métal- tique (8), - un scellement entre la ou les feuilles de verre (1) et le cadre métallique (2, 8), - le cadre métallique (8) comprenant une paroi (80) déportée par rapport au scellement et/ou une paroi (80) reliée au scellement par un matériau fai- blement conducteur thermiquement.
2. Collecteur solaire selon la revendication 1, comprenant en outre un absorbeur (5) et des tuyaux (6) dans lesquels circule un fluide caloporteur (7), les tuyaux (6) étant en contact avec l'absorbeur (5) et l'absorbeur (5) et les tuyaux (7) étant disposés entre la feuille de verre (1) et le cadre métallique (2) ou entre les deux feuilles de verre (1).
3. Collecteur solaire selon la revendication 1 ou 2, comprenant une seule feuille de verre (1) et un cadre métallique (2), le cadre métallique (2) étant muni d'un fond (20) et le bord libre (21) du cadre métallique (2) étant scellé à la feuille de verre (1).
4. Collecteur solaire selon la revendication 1 ou 2, comprenant deux feuil-les de verre (1) et un cadre métallique (8), les bords (81) du cadre métallique (8) étant scellés à chacune des deux feuilles de verre (1).
5. Collecteur solaire selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la ou les feuille(s) de verre (1) est (sont) trempée(s).
6. Collecteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, le collecteur solaire étant sous vide.
7. Collecteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la feuille de verre (1) est en verre extra-clair.
8. Collecteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la feuille de verre (1) est munie d'une couche anti-reflet.
9. Collecteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque feuille de verre (1) est assemblée à une feuille de verre sup-5 plémentaire via un intercalaire polymérique pour constituer un vitrage feuilleté.