Brevet FR2727790A1 — publié le 19960607

TITRE MODULE SOLAIRE HYBRIDE PHOTOVOLTAIQUE ET THERMIQUE FONCTIONNANT EN COGENERATION DE CHALEUR ET D' ENERGIE ELECTRIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un module solaire de caractère hybride, c'est à dire convertissant le rayonnement solaire, d'une part en énergie électrique et d'autre part en énergie thermique, cette dernière étant véhiculée au moyen d'un gaz caloporteur: ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE:. Depuis le développement des photopiles dans les années 1970-1980, des ensembles ont été proposée conjuguant séparement un capteur A effet de serre, avec des panneaux photovoltaïques, les dits ensembles étant capables de réchauffer de l'air mais en utilisant, en général, des surface vitrée distinctes. Pour résister aux intempéries, les dites surfaces doivent être de la qualité bâtiments donc d'un coût élevé. Par ailleurs, dans l'invention, le cout de la surface convertissant le rayonnement en chaleur est également économise puisque c'est le panneau de cellules photovoltaïques qui joue ce rôle. L'invention revendiquée vise la possibilité de faire circuler un gaz chaud d'une façon autonome c'est à dire en utilisant le seul courant produit par les photopiles. Elle permet la réalisation d'un module solaitre compact, produit en usine, dont les performances peuvent être garanties. Enfin le coût de l'installation d'un tel module se trouve largement réduit par rapport à celui de deux systèmes séparés. Par rapport au rendement des capteurs thermiques conventionnels un gain important est obtenu avec l'invention revendiquée. Ce gain résulte d'une double démarche: 10 L'invention utilise pour transmettre la chaleur entre un panneau et un gaz un système de "rideaux" en tôle perforée, le gaz passant en regime laminaire à travers les trous des dits "rideaux"; ce qui assure un coefficient d'échange considérablement augmenté tout en présentant une perte de charge très réduite. 20 L'invention introduit le gaz par la périphérie du module où sont situées naturellement les structures porteuses, difficiles à isoler, qui restent donc à température ambiante et l'invention prévoit, en outre, la sortie du dit gaz par la zone la plus chaude située en région centrale du module. Ces deux démarches, prises isolément, ne sont pas complètement nouvelles, l'un des auteurs du présent brevet a utilisé, dès 1966, des écrans en cuivre perforés dans des échangeurs fonctionnant à 1 degré Kelvin sous une pression absolue de 10 Pascal. Cette solution a été largement répandue depuis dans ce domaine particulier de température et de pression. La deuxième démarche est également de pratique courante, toujours dans le domaine cryogénique, où les supports des éléments situés à basse température sont parcourus par les vapeurs d'hélium évaporé qui s'opposent au flux de chaleur de l'ambiance vers les parties froides. Mais ces deux démarches ne se retrouvent pas associées, notamment à température ambiante, dans le domaine industriel. Et l'inefficacité notoire de la conduction solide sous de faibles gradients de température semble blême condamner l'utilisation de tôles perforées conduisant la chaleur dans leur plan. EXPOSE DE L'INVENTION Il a fallu la realisation de conditions très particulières pour que les deux demarches précitées, associées, concourent à la conception du "module solaire hybride", objet de la présente invention, rappelé en abrégé dans l'expose ci-dessous : le "module"). On verra plus loin que le dit module présente: a) les qualités requises d'un bon capteur solaire thermique à savoir: 1) une faible inertie thermique 2) un rendement thermique plus élevé que les capteurs thermiques traditionnels 3) une bonne tenue mécanique. 4) une légèreté et une facilité de mise en oeuvre qui sera appréciée 5) un accès et un entretien faciles 6) une forme compacte. 7) une simplicité de réalisation, donc un coût réduit. 8) une insensibilité inhérente au gel. b) des qualités favorables au rendement photovoltaïque: 1) guérison par la chaleur de la dégradation induite par la lumière ( effet Staebler-Wronsky ) des performances des photopiles au silicium amorphe hydrogéné, lesquelles se comportent ainsi cote si leur coefficient de température était positif. 2) possibilité d'utiliser des photopiles en couche minces sur support métalloplastique, peu coûteuses et peu fragiles. 3) protection par le verre contre les effets nuisibles des rayons ultra violets. Ce module comporte essentiellement un volume constitué par deux surfaces parallèles et des parois latérales, l'une des surfaces étant le siège d'un dégagement de chaleur l'autre une simple paroi. Entre ces deux surfaces une structure constituée de "rideaux" en tôle perforée assure l'échange thermique entre la surface ou a lieu le dégagement de chaleur et un gaz circulant en convection forcée entre les deux surfaces. Dans une réalisation particulière la surface où a lieu le dégagement de chaleur peut être un panneau rectangulaire de cellules photovoltaïques dans lesquelles l'énergie rayonnée provenant du soleil est convertie d'une part en énergie électrique, d'autre part en chaleur. Le gaz qui circule entre les deux surfaces peut être simplement de l'air et les "rideaux", à travers lesquels se fait l'échange thermique peuvent être en tôle d'aluminium de 0,5 à 1 millimètre d'épaisseur perforée de trous circulaires, d'un diamètre voisin de l'épaisseur de la dite tôle, à travers lesquels s'effectue 1 'échange thermique. Une partie de chaque "rideau" est thermiquement liée par collage ou par rapprochement étroit, au panneau de cellules photovoltaïques, tout en laissant un léger espace entre les parties deux "rideaux" successifs thermiquement liees au dit panneau de cellules photovoltaïques pour rendre les dits "rideaux" thermiquement indépendants. L'autre partie de chaque "rideau" rejoint la seconde surface constitutive de l'espace où circule le gaz, obligeant ce dernier à traverser successivement les dits "rideaux". Ces "rideaux" sont disposés parallèlement à l'axe longitudinal du module, au nombre d'une dizaine de chaque côté de l'axe; les deux "rideaux" symAtri- quement placés les plus proche de l'axe laissant entre eux un espace destiné à jouer le rôle de collecteur pour le gaz chaud. Les "rideaux" sont traversés successivement par le gaz suivant un parcours parallèle à la surface du panneau de cellules et perpendiculaire a l'axe longitudinal du module de façon à ce que le gaz entre L'ensemble de la partie du module participant à 1 'échange thermique est dimensionné pour que le passage du gaz s'y fasse en régime laminaire. Des moyens sont prévus pour faire circuler le gaz dans le module. A lavant et à l'arrière du module sont prévus des espaces clos de quelques centimètres d'épaisseur où l'air immobilisé joue le rôle d'isolant thermique: - à l'avant, ces espaces clos comportent une ou plusieurs parois de verre, éventuellement revêtues d'une couche antireflet pour améliorer leur transparence; les dites parois de verre étant destinées à produire l'effet de serre et à absorber les rayons ultraviolets. - à l'arrière, il y a un seul espace clos dont les parois sont tapissées avec un revêtement réfléchissant l'infrarouge; dans une variante, cet espace clos arrière peut être rempli d'un matériau isolant de faible inertie thermique; A l'entrée du gaz dans le module sont disposes des filtres destinés à empecher le colmatage des trous des "rideaux". Un ventilateur, dont le moteur est alimenté par le panneau photovoltaïque, est disposé à la sortie du dit module. Ce ventilateur sera de préférence entraîné par un moteur à aimant permanent; le débit du dit ventilateur sera alors pratiquement proportionnel au flux solaire incident ce qui réalisera une auto régulation de la température; en particulier on peut choisir le dit ventilateur muni d'un moteur à aimant permanent en sorte que l'élévation de température du gaz reste constante quelque soit 1 'ensoleillement. Si le gaz à chauffer est de l'air il sera prélevé, de préférence, dans le local où la température est en général supérieure à la température extérieure. A titre d'exemple un module solaire hybride suivant l'invention, - de 50 centimetres de large et de 1 mètre de long, - recevant un flux thermique de 500 watt/m2, - muni de "rideaux" reliant des surfaces espacees de 4 centimètres, les dits "rideaux" étant réalisés en tôle d'aluminium de 0,7 mm d'épaisseur percée de 500 trous de 0,7 mm de diamètre par cm2, - comportant côté soleil un espace clos de 4 cm d'épaisseur limité par une plaque de verre. - comportant à l'opposé un espace clos de 4 cm d'épaisseur revetu intérieurement d'une feuille réfléchissante en aluminium, - comportant un ventilateur alimenté par le panneau photovoltaïque, permet de réchauffer de 100C à 600C avec un rendement de thermique de 68 z et de propulser d'une façon autonome un débit d'air de 12 m3/h; si l'on prend l'air dans un local à chauffer dont la température est de l'ordre de 180C le rendement thermique passe à 70 t avec un débit de 15 )/h. Dans une variante le module solaire peut présenter une forme quelconque le flux gazeux qui le traverse se déplaçant perpendiculairement aux "rideaux" de la périphérie du dit module qui est A température ambiante, vers sa partie centrale où la température est la plus élevée. Dans une variante la paroi de verre limitant un espace clos à l'avant du dit module solaire hybride peut être la verrière d'une véranda qui présente par destination une qualité "bitument" mettant le dit module à l'abri des intempéries. Dans une variante une ou plusieurs des parois de verre disposées A l'avant du dit module solaire hybride peuvent être revêtues d'une couche antireflet pour en améliorer la transparence. Dans une variante les cellules du panneau photovoltaïques sont réalises en silicium amorphe hydrogéné ou autre matériau photovoltaïque se comportant comme s'il avait un coefficient de température positif. Dans une variante le panneau de cellules photovoltaïques peut hêtre remplace par une simple surface d'absorptivité voisine de l'unité, pouvant ou non recevoir un chauffage additionnel par effet joule. Dans une variante le gaz réchauffe peut autre un gaz autre que l'air PRESENTATION DES FIGURES La figure (1) représente en perspective, une coupe transversale de la partie du module photovoltaïque, objet de l'invention, où s'effectue l'échange thermique. La figure (2) représente, en coupe, le module suivant une variante de l'invention où la vitre avant est constituée par une verrière de véranda. La figure (3) représente schématiquement la circulation de l'air â travers les "rideaux" en tôle perforée. Le module photovoltaïque hybride comporte une partie centrale représentée sur la figure (1) où s'éffectuent les échanges thermique, cette partie centrale est prise en sandwich entre deux espaces clos ou l'air pratiquement immobilisé, joue le rôle d'isolant thermique. ces deux espaces clos sont visibles sur la figure (2) qui représente une variante de l'invention. Le mode de circulation du gaz, qui est spécifique de l'invention, est représenté schématiquement sur la figure (3). DESCRIPTION RETAILLER DE L'INVENTION. Sur la figure 1 qui représente en perspective une coupe transversale de la partie centrale du module, on distingue la paroi recevant le flux solaire la dite paroi étant constituée par un panneau rectangulaire qui intègre les cellules photovoltaïques et une deuxième paroi constituant avec les parois latérales , l'espace dans lequel circule le gaz à réchauffer dont le circuit est représente sur la figure 3 : le gaz pénètre par deux orifices et ressort par un manchon , orifices et manchon représentés sur la figure 3. Entre ces deux parois et sont situés des "rideaux" en tôle de bonne conductibilité thermique, perforée de trous au nombre d'environ 50 par cmt les dits "rideaux" étant parallèles a l'axe du module. Une partie de chacun des dits "rideaux" est collée ou en contact étroit avec le panneau de cellules photovoltaïques, les parties de deux "rideaux" successifs thermiquement liées au panneau photovoltaïque étant légèrement séparées pour rendre les dits "rideaux" thermiquement indépendants. La partie des "rideaux" non liée au panneau de cellules photovoltaïque est traversée perpendiculairement par le gaz qui se réchauffe progressivement en passant successivement d'un "rideau" au suivant.Le gaz va, des bords du module vers le centre du module où deux "rideaux" plus espacés forment un collecteur pour le gaz chaud . A la sortie de chaque rideau le gaz a pris une température qui ne diffère que tres peu de la température du panneau de cellules photovoltaïque auquel une partie du dit "rideau" est li thermiquement; de sorte que le gaz refroidit énergiquement le dit panneau sur ses bords qui restent A une température voisine de l'ambiante; alors que, dans son axe, le dit panneau se trouve porté a une température voisine de la température de sortie du gaz. Jointe A la présence d'espaces clos d'isolation de part et d'autre du module, représentés en et sur la figure (2), et d'espaces clos a chaque extrémité du module, représentés en sur la figure 3, cette conception a pour effet de réduire les pertes thermiques du module d'un facteur important et, en conséquence, d'augmenter le rendement thermique du module, lequel rendement, sous une irradiation solaire de 500 watt/m2, peut atteindre 70 8 en réchauffant de l'air qui entre a 200C pour sortir a 600C. Les parois latérales constituent avec la paroi arrière et le cadre du panneau de cellules photovoltaïques, une ossature pour le module a qui elle confère une grande rigidité sans accroître son inertie thermique. Le gaz accede aux deux premiers "rideaux" latéraux a travers deux filtres (non représentés) qui protègent contre le colmatage des trous des "rideaux". Ces filtres sont précédés par une grille plus grossiere (non représentée) destinée A arrêter les insectes, araignées etc... En partant des espaces latéraux et après avoir traversé l'ensemble des "rideaux" le gaz se trouve dans l'espace axial jouant le rôle de collecteur, pour finalement sortir par le manchon représenté sur la figure 3, où peut être disposé un ventilateur lequel ventilateur peut etre entraîné par un moteur A aimant permanent alimenté en courant par le panneau photovoltaïque, les caractéristiques conjuguées de ces deux derniers élements procurent au systeme une autorégulation de la température du gaz chaud. La forme rectangulaire du module décrit cidessus n'est pas exclusive. Le module peut affecter toute autre forme, non représentée, moyennant les adaptations appropriées pourvu que soit respecté le principe qui veut que le gaz se déplace entre les "rideaux" perpendiculairement a ces derniers, en entrant par la périphérie du module qui est A une température voisine de la température ambiante pour en sortir par la partie centrale où la température est la plus élevée, la surface des "rideaux" étant suffisante pour que la perte de charge A leur traversée reste très réduite. En résumé, le rayonnement solaire atteint les cellules photovoltaïques où il est converti d'une part en énergie électrique et d'autre part en chaleur, La dite chaleur est transmise à travers le panneau à la partie des dits "rideaux" liée thermiquement au panneau, les dits "rideaux" cédant a leur tour la dite chaleur au flux gazeux, au passage des trous . Mode de réalisation particulier: La figure 2 représente un module dans la variante préférée où la paroi du module qui reçoit le flux solaire est la verrière d'une véranda Entre cette verrière et le panneau de cellules photovoltaïque , distant, par exemple de 4 cm, se trouve un espace clos d'air pratiquement immobilisé qui joue le rôle un isolant thermique avec le monde extérieur . Les parois latérales du dit espace clos étant constituées par une structure présentant une certaine élasticité permettant au module de s'ajuster en permanence aux légers mouvements et dilatations relatives verrière/module, sans développer de contraintes mécaniques. Du coté opposé a la dite verrière une paroi constitue avec la partie centrale du module et l'arrière de ce dernier, un espace clos d'air pratiquement immobilisé qui joue le rôle d'isolant thermique par rapport au local où est situé le module, le dit espace clos etant tapisse intérieurement d'un revêtement réfléchissant pour l'infrarouge , par exemple une mince feuille d'aluminium. Dans une variante, non représentée, le dit espace clos est rempli d'un matériau isolant thermiquement, le dit matériau présentant une faible inertie thermique. Si ce matériau est une mousse plastique A cellules fermées, thermopolymérisée et présentant une peau durcie, il peut éventuellement participer A la tenue mécanique de l'ensemble du module.Aux deux extrémités du module des espaces clos représentés sur la figure 3, jouent un même rôle d'isolation que l'espace clos et sont traités avec la même technique. Dans une variante non représentée, un certain nombre de parois transparentes peuvent diviser le dit espace clos situé entre la verrière et le panneau de cellules photovoltaïques , en plusieurs espaces clos indépendant., parallèles au dit panneau de cellules photovoltaïque, dans le but d'accroitre 1'effet dit "de serre" qui consiste a bloquer les pertes par rayonnement infrarouge en interposant des surfaces qui leurs sont opaques, les dite. surfaces étant transparentes dans la gamme du visible. Dans une variante des descriptions précédentes tout ou partie des surfaces transparente peuvent être revêtues d'une couche antireflet pour en améliorer la transparence. APPLICATIONS INDUSTRIFTT-FS Le "module solaire hybride" sera habituellement utilisé avec des moyens de stockage de l'énergie électrique et des moyens de stockage du chaud et du froid appropriés, permettant détendre l'utilisation du module sur un cycle journalier, hebdomadaire, voire plus long, si des circonstances locales particulières le permettent. Le stockage de la chaleur et du froid se fera avantageusement en faisant parcourir au gaz traite ou a traiter par le module, des tuyaux en plastique ondulés, genre drains agricoles, de faible coût, qui seront enterrés des profondeurs de l'ordre du mitre dans un nol éventuellement conditionné pour en améliorer la diffusivité thermique et la chaleur spécifique volumetrique. On peut classer les lieux d'utilisation du "module solaire hybride", objet de la présente invention en: 10 - Lieux déjà connectés aux réseaux d'énergie: a) dans les locaux de vie présentant de larges surfaces vitrées com les véranda il existe, en été un problème récurrent de surchauffe. L'utilisation du module permettra d'aspirer l'air en provenance du stockage de froid et d 'apporter des calories au stockage de calories tout en accumulant le surplus d'énergie électrique pour pouvoir effectuer ces transferts et si nécessaire les transferts inverses pendant les périodes sans soleil. Le module solaire hybride donc d'assurer de façon complètement autonome et économique tout ou partie du conditionnement d'air des lieux de vie, en été, période pendant laquelle les conditionneurs d'air traditionnels sont particulierement énergie-voraces. b) dans les locaux temporairement inoccupés en hiver le risque de gel oblige a vidanger les canalisations et appareils hydrauliques ou A maintenir un chauffage dispendieux. Cette dernière solution implique un risque d'incendie toujours présent dans les lieux non surveillés pendant de longue periodes. Si le chauffage retenu est électrique il y a en plus le risque de défaillance du réseau ou celui d'une disjonction intempestive. 20 Lieux de vie connectés A aucun réseau: a) quelque soit la saison et en particulier A mi-saison le module solaire hybride accompagné de stockages modérés, peut prendre en charge le conditionnement des lieux habités en été et a mi-saison et apporter un appoint en hiver. b) outre son apport aux problemes thermiques des lieux habités, le module solaire hybride assisté d'une batterie d'accumulateurs, peut assurer l'alimentation électrique des moyens d'information, des automatismes et de l'informatique. c) dans les lieux qui se veulent absolument autonomes, a l'exception, suivant la géographie et l'exposition, d'un chauffage d'appoint plus ou moins important en hiver (bois, fuel ou propane), le module solaire hybride est la solution obligée car la plus économique. 30 en tous lieux, le module solaire hybride grâce A son rendement élevé à 600C et plus, permet la production d'eau chaude moyennant un échangeur air/eau approprié. 40 problèmes divers pour lesquels le module solaire hybride est une solution tout indiquée: a) au premier rang le séchage autonome des grains, du fourrage et autres productions végétales, notamment dans les pays sous développés. b) les stations de mesure a distance comportant des appareils ne supportant pas le gel: les pluviomètres, pour prendre un exemple évident, mais aussi le contrôle des eaux de source, des eaux polluées etc... Tous les appareils qui effectuent un contrôle optique a travers une vitre qui doit demeurer sèche REVENDICATIONS [1] Un module solaire hybride appelé ci après le module, caractérisé en ce qu'il comprend: a) une première surface, de préférence plane et de forme rectangulaire constituée par un panneau de cellules photovoltaïques, le dit panneau recevant directement ou indirectement le rayonnement solaire et, i) en réfléchissant une partie aussi minime que possible, ii) en convertissant une fraction en énergie électrique, iii) en absorbant le solde qui se trouve converti en chaleur, b) une seconde surface, parallèle a la précédente et de dimension egale ou voisine. c) des parois périphériques comportant des orifices et constituant avec les dites premiere et seconde surfaces un espace ou peut circuler un flux gazeux à réchauffer. d) entre les surfaces, des "rideaux" en tôle perforée, la dite tôle perforée étant en aluminium ou en cuivre ou en toute autre matière bonne conductrice de la chaleur et comportant des trous de préférence circulaires en nombre préférablement égal ou supérieur A 50 par cm2, les dits rideaux 1) comportant i) une partie liée thermiquement au panneau photovoltaïque les parties de deux "rideaux" successifs liées thermi quement au panneau photovoltaïque étant légèrement séparées les unes des autres pour les rendre thermique ment indépendantes. ii) une partie traversée par le flux gazeux laquelle partie rejoint la surface arrière. 2) étant i) disposés parallèlement A la longueur du module. ii) situés symétriquement de part et d'autre d'un espace axial, le dit espace constituant un collecteur du flux gazeux chaud. 3) étant traversés successivement par le flux gazeux, le dit flux gazeux entrant par les bords latéraux du module pour rejoindre le dit espace constituant un collecteur situé dans son axe. e) un dimensionnement général et un nombre de "rideaux" tels que le flux gazeux traverse le module en régime laminaire. f) des moyens pour faire circuler le dit flux gazeux, cette circulation se faisant en entrant par les bords latéraux du module où se trouvent les structures porteuses difficiles A isoler thermiquement et en sortant dans l'axe du module où la température est la plus élevée. g) A l'entrée du flux gazeux, sur les bords latéraux du module, deux filtres aisément démontables et a la sortie, dans l'axe, un manchon de raccordement destiné a relier le dit module au système de circulation du dit flux gazeux. h) des moyens pour connecter l'énergie électrique provenant de la conversion de rayonnement solaire par le panneau de cellules photovoltaïque, avec les points ou est utilisée la dite énergie électrique, et notamment des passages appropriés pour la sortie du courant électrique utilisé a l'extérieur du module. [2] Un module suivant la revendication [1] caractérisé: a) en ce qu'il présente une forme autre que rectangulaire b) en ce que le flux gazeux se déplace perpendiculairement aux rideaux de la périphérie du module qui est A température ambiante vers sa partie centrale où la température est la plus élevée. [3] Un module suivant les revendications [1], et/ou [2), comportant: a) une ou plusieurs surfaces transparentes qui limitent un ou plusieurs espaces A l'avant du panneau de cellules photovoltaïque et, a la périphérie du ou des dits espaces, des parois délimitant avec la ou les dites surfaces et le panneau de cellules photovoltaïques, un ou plusieurs volumes clos. b) une paroi limitant un espace a l'arrière du module, et A la périphérie du dit espace, des parois délimitant, avec la paroi arrière du module, un volume clos. Le dit volume étant soit i) tapissé intérieurement d'un revêtement peu émissif, comme par exemple une feuille mince d'aluminium. ii) garni d'un isolant thermique cellulaire ou de superisolation comme il en est utilisé dans les enceintes cryogéniques ou dans les combinaisons des cosmonautes. [4) Un module suivant la revendication [3] caractérisé en ce que: a) la surface transparente extérieure A l'avant du dit module solaire hybride est constituée par la verriere d'une véranda b) en ce que des parois latérales, constituées par un élément possédant une certaine élasticité, déterminent entre le dit module et la dite verrière un espace clos capable d'immobiliser l'air et de s'ajuster aux légers mouvements et dilatations entre le dit module et la dite verrière sans développer de contraintes mécaniques. [5] Un "Module solaire hybride" suivant la revendications (4) caractérisé en ce que toutes ou partie des surfaces transparentes traversées par le rayonnement solaire sont revêtues d'une couche anti reflet. [6] Un "nodule solaire hybride" suivant la revendication [4] et/ou [5] caractérisé en ce que les cellules du panneau photovoltaïque sont réalisées en silicium amorphe hydrogéné ou autre matériau photovoltaïque ayant un coefficient de température apparent positif. (7] Un "module solaire hybride" suivant la revendication [6] caractérisé en ce que la circulation du gaz dans le module est assurée par un ventilateur alimenté par le panneau photovoltaïque. [8] Un capteur purement thermique correspondant aux spécification d'un module suivant la revendication (3] dans lequel le panneau photovoltaïque est remplacé par une simple surface d'absorptivité voisine de l'unité, pouvant ou non recevoir un chauffage additionnel par effet joule.