Brevet FR2911997A1 — publié le 20080801

-1- L'invention concerne le refroidissement par un liquide des panneaux solaires photovoltaïques pour en augmenter l'efficacité électrique ainsi que la réalisation de panneaux solaires hybrides produisant simultanément de l'électricité et de l'eau chaude sanitaire. Problème à résoudre. Les capteurs solaires photovoltaïques produisent de l'électricité de manière proportionnelle à la quantité de lumière qu'ils reçoivent. Leur efficacité baisse avec l'augmentation de la température. Le rapport AP/P varie d'environ -0,3 % par degré Celsius à environ -0,5 % par degré Celsius en fonction des matériaux utilisés. Or, plus la quantité de lumière augmente, plus la température des cellules augmente. Deux phénomènes physiques en sont la cause. Tout d'abord l'air ambiant est plus chaud : de 35 à 50 C pour les régions qui présentent plus de 1.000 Watts/m2. Ensuite le capteur emmagasine de la chaleur jusqu'à l'équilibre : chaleur reçue égale chaleur perdue. La chaleur est perdue par convection naturelle. L'équilibre commence à s'établir lorsque le capteur a une température supérieure de 20 C par rapport l'air ambiant. La convection naturelle est défavorisée par la position du panneau face au soleil (horizontale à l'équateur) et souvent perturbée par le montage du capteur dans un cadre qui réduit la circulation naturelle de l'air. En résumé, dans les régions fortement ensoleillées, les capteurs dépassent les 60 degrés Celsius et perdent entre 10,5 % et 17,5 % de puissance par rapport à la puissance générée à 25 C. Dans le cas d'un capteur ayant une efficacité de 16 % à 25 C, la perte est d'au moins de 2,8 % soit une efficacité de 13,2 % à 60 C. Solutions actuelles. L'équilibre chaleur reçue = chaleur perdue peut être atteint pour un écart de température plus faible en augmentant la surface d'échange de chaleur sur la face arrière du capteur. La solution consiste en l'installation d'un dissipateur aluminium au dos du capteur. Au mieux, il est possible de gagner 1,5 % d'efficacité. L'orientation du panneau est alors définie par l'orientation du dissipateur suivant sa longueur ou sa largeur. Cette solution est inefficace pour les capteurs horizontaux. Enfin, la liaison entre le dissipateur et le capteur est délicate à réaliser compte tenu des surfaces importantes. Cette solution est intéressante si le coût du refroidisseur installé est inférieur au 35 coût de 1,5 % d'efficacité. L'utilisation de la convection forcée permet l'utilisation d'un dissipateur sur les capteurs horizontaux ou de gagner quelques dixièmes de pour cent d'efficacité supplémentaires sur les capteurs inclinés. Cette dernière technologie est moins sensible aux contraintes d'installation mais présente une consommation d'énergie. 40 Pour atteindre des températures bien inférieures à l'air ambiant ou/et pour utiliser les calories il faut utiliser l'eau du réseau, des nappes phréatiques, de l'eau -2- refroidie par le sol ou le circuit d'eau chaude sanitaire. Le critère d'acceptabilité de l'utilisation d'un liquide de refroidissement est alors : (a) Energie pour générer la circulation de l'eau Energie gagnée sur le panneau 45 solaire ou (b) Energie pour générer la circulation de l'eau Energie gagnée sur le panneau solaire + Energie thermique récupérée 50 Différents types de "plaques froides" utilisant principalement l'eau comme liquide de refroidissement pourraient être utilisés. Le régime de l'écoulement dans ces plaques froides est transitoire ou turbulent et, de ce fait, la perte de charge est telle que l'inéquation (a) précédente ne peut pas être atteinte et que l'inéquation (b) n'est pas aisée à atteindre. 55 L'invention permet de refroidir les panneaux solaires et donc de récupérer les calories avec très peu d'énergie pour déplacer le fluide réfrigérant. Pour ce faire, on aménage un espace entre la face arrière du panneau solaire (1) et un panneau de fond (2). Cette chambre peut aussi être réalisée entre une interface thermomécanique (25) et un panneau de fond (2) de manière à rendre la solution 60 de refroidissement indépendante du panneau solaire. Dans cet espace on fait circuler à faible vitesse un liquide réfrigérant qui de fait est sous forme d'une lame avec un régime d'écoulement laminaire. Cette lame de fluide est séparée en canaux (7) parallèles au sens de l'écoulement afin de minimiser l'influence de la convection naturelle et de garantir l'uniformité du refroidissement lorsque 65 l'écoulement est perpendiculaire à la gravité. Pour augmenter le transfert de la chaleur entre le panneau solaire ou l'interface thermomécanique et la lame de liquide de refroidissement, on brasse le fluide et sa couche limite avec une ou plusieurs des méthodes suivantes. Une pluralité de nervures (14) orientées dans le sens de l'écoulement provoque 70 un écoulement laminaire instationnaire. Une pluralité de réductions de l'épaisseur de la lame du liquide de refroidissement (15) rend instable la couche limite de l'écoulement laminaire. Une pluralité d'éléments sphériques (17) provoque un écoulement laminaire instationnaire. 75 Une pluralité d'ailettes (20) orientées de manière à changer localement la direction du fluide rend instable la couche limite de l'écoulement laminaire. Une pluralité de roues à aube (22) disposées perpendiculairement à l'écoulement rend cet écoulement instationnaire tout en rendant instable la couche limite de l'écoulement lorsqu'elles sont mises en rotation par ce dernier. -3- 80 Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente, en vue d'ensemble assemblée, de l'invention. La figure 2 représente, en vue d'ensemble éclatée, de l'invention. La figure 3 représente, en vue de détail, la zone de fixation et de guidage avec le panneau solaire ou l'interface thermomécanique et le moyen de définir de 85 l'épaisseur de la lame de liquide. La figure 4 représente, en vue d'ensemble, la chambre avec ses canaux de répartition. La figure 5 représente, en vue d'ensemble, la chambre avec ses canaux de répartition et la répartition du fluide. 90 La figure 6 représente, en vue de détail, les nervures de séparation des canaux. La figure 7 représente, en vue d'ensemble, la chambre avec les nervures pour déstabiliser l'écoulement laminaire. La figure 8 représente, en vue de détail, les nervures pour déstabiliser l'écoulement. 95 La figure 9 représente, en vue d'ensemble, la chambre avec des obstacles profilés pour modifier la couche limite La figure 10 représente, en vue de coupe le détail, des champs de vitesses. La figure 11 représente, en vue d'ensemble, la chambre avec les demi-sphères pour déstabiliser l'écoulement laminaire. 100 La figure 12 représente, en vue de détail, les demi-sphères pour déstabiliser l'écoulement laminaires. La figure 13 représente, en vue de détail, les tourbillons de Von Karman. La figure 14 représente, en vue d'ensemble, la chambre avec les ailettes. La figure 15 représente, en vue de détail, les ailettes. 105 La figure 16 représente, en vue de détail, les trajectoires de l'écoulement. La figure 17 représente, en vue d'ensemble éclatée, le système de brassage dynamique. La figure 18 représente, en vue de détail éclatée, le système de brassage dynamique. 110 La figure 19 représente, en vue de détail assemblée, le système de brassage dynamique. -4- La figure 20 représente, en vue de coupe, le principe de fonctionnement du système de brassage dynamique. La figure 21 représente, en vue d'ensemble éclatée, l'association de plusieurs 115 systèmes de brassage. La figure 22 représente, en vue d'ensemble éclatée, la solution intégrant une interface thermomécanique. Le panneau solaire (1) est refroidi par une lame de liquide de refroidissement fine ( Par mètre carré de panneau solaire, la chaleur à dissiper pourra atteindre 750 Watts. La densité de puissance est faible (0,75 W/cm2). Le liquide de refroidissement peut être, par exemple, de l'eau. Le débit d'eau par mètre carré sera de 40 à 60 grammes par seconde ou 2,4 à 3,6 litres par minute. 125 Dans ces conditions le nombre de Reynolds ne dépassera pas 120, l'écoulement est parfaitement laminaire. La perte de charge dynamique liée à cet écoulement est inférieure à 20 Pa par m2 de capteur. L'énergie pour garantir la circulation du fluide de refroidissement dans le dispositif 130 dépend alors surtout de la pression statique, car la perte de charge dynamique est négligeable en comparaison. Pour des panneaux horizontaux ou quasiment horizontaux, l'énergie de circulation sera très faible. La réalisation pratique de la lame de fluide de refroidissement consiste en un panneau plat (2) avec une bordure (4) qui assure l'épaisseur de la lame désirée. 135 On profitera aussi, par exemple, de rabattre les bords (5) autour du panneau solaire (1) ou de l'interface thermomécanique (25) afin de simplifier le montage en assurant un guidage. L'entrée (3) et la sortie (9) du liquide sont disposées sur une diagonale du panneau afin d'autoriser une installation suivant la longueur ou la largeur du 140 panneau solaire et d'exploiter ainsi des effets de la convection naturelle lorsque le panneau est incliné. Le panneau plat (2) avec ses bordures sera aisément injecté avec un moule sans aucun tiroir. Ce panneau sera lié mécaniquement par pincement ou collé sur le panneau 145 solaire (1). La surface (6) servira de support de joint ou de surface de collage. Ce panneau sera lié mécaniquement par pincement ou collé sur l'interface thermomécanique (25). Le soudage ou le brasage est possible lorsque le panneau de fond est en métal. La surface (6) servira de support de joint ou de surface de collage ou de surface de soudage ou brasage. -5- 150 Pour garantir un refroidissement uniforme de toute la surface du capteur dans toutes les positions de fonctionnement possibles, la lame de liquide laminaire sera divisée en canaux parallèles (7) dans le sens de l'écoulement, par exemple en respectant la taille d'une cellule photovoltaïque individuelle constituant le panneau solaire. Une zone (8) de distribution assurera la répartition uniforme du liquide 155 entre les canaux. Ces canaux ne changent pas le régime de l'écoulement puisque le Nombre de Reynolds de ce dernier reste inférieur à 120. Les nervures de séparation (11) garantiront l'épaisseur de la lame d'eau en cas d'utilisation d'un fluide en dépression. Avec un fluide en pression, on pourrait 160 constater des débits de fuite entre deux canaux. D'une part, ces derniers seront faibles et n'auront aucun impact sur le fonctionnement, et d'autre part, l'équilibre des pressions entre les différents canaux devrait interdire ces débits de fuite. Les nervures de séparation permettent l'économie de nervures extérieures de rigidification encombrantes. Ces nervures seront arrondies (10) afin de réduire la 165 zone de contact avec le panneau solaire et d'augmenter la surface d'échange de chaleur. L'écoulement laminaire réduit l'échange thermique en raison de l'existence d'une épaisse couche limite. Cet échange est d'autant plus faible lorsque le panneau est disposé horizontalement. La forte conductibilité thermique de l'eau 21 fois 170 supérieure à celle de l'air, par exemple, est un atout dans ce cas. Cependant, il peut être intéressant d'augmenter l'échange thermique tout en restant en écoulement laminaire pour conserver l'avantage énergétique. Des solutions statiques ou dynamiques qui provoquent un régime laminaire instationnaire, brassent la couche limite et permettent d'atteindre ces objectifs. 175 Les solutions suivantes pourront être utilisées de manière individuelle ou associées entre elles, pour adapter le système de refroidissement aux conditions spécifiques des cahiers des charges des clients. Au moins 4 solutions statiques peuvent être exploitées. Les solutions (A) et (B) génèrent des brassages bidimensionnels alors que les solutions (C) et (D) 180 génèrent des brassages tridimensionnels. Au moins une solution dynamique peut être exploitée (E). A) Génération de zones de développement de l'écoulement. Après une perturbation qui génère une instabilité dans un écoulement laminaire, c'est-à-dire un écoulement laminaire instationnaire, il existe une zone où 185 l'écoulement laminaire stable se développe. Cette zone est dîte longueur de développement. Pour provoquer un écoulement laminaire constamment instationnaire, il faut disposer une pluralité d'obstacles dans l'écoulement. Pour réduire au mieux la perte de charge, ces obstacles seront des nervures (14) orientées dans le sens de l'écoulement (12). La longueur de ces nervures sera, 190 par exemple, inférieure à la longueur de développement. L'espace (13) entre les nervures dans le sens de l'écoulement sera lui aussi inférieur à la longueur de développement applicable pour cette zone. -6- B) Compression et détente de la couche limite. Le dispositif consiste à disposer une pluralité d'obstacles (15) perpendiculaires au 195 sens de l'écoulement. Ces obstacles sont profilés pour réduire la perte de charge locale et ont pour objectif d'augmenter localement d'au moins deux fois la vitesse du fluide (16). L'épaisseur de la couche limite est modifiée localement. Cette modification créé une zone instable dans la couche limite qui se propage après l'obstacle. L'idéal est alors de répéter l'obstacle à chaque fois que la couche limite 200 est à nouveau stationnaire. Cette solution participe aussi à la rigidification du panneau dans l'axe perpendiculaire à l'écoulement. C) Création de tourbillons tridimensionnels de type Von Karman. Les tourbillons de Von Karman sont des tourbillons instationnaires créés dans un 205 écoulement laminaire par un obstacle cylindrique ou sphérique. Le dispositif consiste à implanter une pluralité de demi-sphères (17) qui occupent toute l'épaisseur de la lame de liquide. Ces obstacles vont provoquer un tourbillon tournant dans le sens des aiguilles d'une montre (18), suivi d'un tourbillon tournant dans le sens inverse (19). Ces tourbillons se détachent et se propagent jusqu'à la 210 stabilisation de l'écoulement laminaire. D) Création de tourbillons de bord de pale. A l'extrémité de chaque pale se créé un ou plusieurs tourbillons (21) résultats de l'interaction d'un écoulement dévié avec un écoulement non dévié. Le dispositif consiste à disposer une pluralité d'ailettes (20). La hauteur de ces ailettes sera 215 inférieure à l'épaisseur de l'écoulement. L'espace laissé entre l'extrémité de l'ailette et le panneau solaire sera supérieur à la couche limite afin de garantir une zone où l'écoulement n'est pas dévié. Avantageusement, l'orientation des ailettes sera faite de manière à réduire l'effet de la convection naturelle lorsque l'écoulement est perpendiculaire à la gravité. 220 E) Dispositif dynamique de brassage, la roue à aube. Plusieurs roues à aube (22) sont introduites dans la lame de fluide de refroidissement de manière perpendiculaire à l'écoulement. Le diamètre de ces roues sera de l'ordre de deux fois l'épaisseur de la lame de fluide. La moitié de chacune de ces roues à aube est positionnée dans un demi-guide cylindrique (23) 225 avec un jeu de fonctionnement autorisant une rotation aisée de cette dernière. Le maintien en place des roues à aube sera assuré, par exemple, par le panneau solaire (1) ou l'interface thermomécanique (25). Une autre solution de maintien pourra être assurée par clipsage de la roue à aube dans le guide cylindrique (23). Dans ce cas, ce dernier sera légèrement plus profond que le demi-diamètre. 230 La roue à aube comportera au moins deux pales, le maximum de pales étant défini lors de l'étude du cahier des charges du client. La largeur d'une pale est de l'ordre de la moitié de l'épaisseur de la lame de liquide de refroidissement. Un bord de pale affleure le bord de la roue à aube -7- Les pales entrainées par le fluide (12) provoquent la rotation (24) de la roue à 235 aube. Les pales passent près du panneau solaire ou de l'interface thermomécanique et brassent la couche limite car les vitesses du fluide vont varier périodiquement de 0 m/s à environ deux fois la vitesse en écoulement laminaire stationnaire. REVENDICATIONS 1) Dispositif de refroidissement d'un panneau solaire par une lame de liquide réfrigérant, caractérisé en ce que le régime d'écoulement de la lame de liquide est laminaire. 2) Dispositif de refroidissement d'un panneau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est dans un espace aménagé entre la face arrière du panneau solaire et un panneau de fond. 3) Dispositif de refroidissement d'un panneau solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est dans un espace aménagé entre un panneau de fond et une interface thermomécanique en liaison avec la face arrière du panneau solaire. 4) Dispositif de refroidissement d'un panneau solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lame de fluide est séparée en une pluralité de canaux parallèles au sens de l'écoulement. 5) Dispositif de brassage bidimensionnel statique inclus dans un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité de nervures disposées dans le sens de l'écoulement provoque un écoulement laminaire instationnaire. 6) Dispositif de brassage bidimensionnel statique inclus dans un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité de réductions de l'épaisseur de la lame du liquide de refroidissement rend instable la couche limite de l'écoulement laminaire. 7) Dispositif de brassage tridimensionnel statique inclus dans un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité d'éléments sphériques provoque un écoulement laminaire instationnaire. 8) Dispositif de brassage tridimensionnel statique inclus dans un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité d'ailettes orientées de manière à changer localement la direction du fluide rend instable la couche limite de l'écoulement laminaire. 9) Dispositif de brassage dynamique de l'écoulement inclus dans un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité de roues à aube disposées perpendiculairement à l'écoulement est mise en rotation par l'écoulement et le rend instationnaire tout en rendant instable la couche limite de l'écoulement laminaire. 10) Dispositif de brassage de l'écoulement inclus dans un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il associe de deux à cinq dispositifs selon les revendications 4 à 8.