Brevet FR2938566A1 — publié le 20100521

Dispositif de support de panneaux de cellules photovoltaïques et système de support de panneaux photovoltaïques 5La présente invention concerne un dispositif de fixation de cellules photovoltaïques. Plus particulièrement elle concerne un dispositif de support de panneaux de cellules photovoltaïques et une installation mettant en oeuvre ces panneaux, dans le cadre de la réglementation dite � intégration � de cellules photovoltaïques sur des toitures. Art antérieur Plusieurs fabricants ont étudié des systèmes de supports de cellules photovoltaïques pour toitures, afin de répondre aux normes d'intégrations, visant à remplacer les toitures par les 15panneaux de cellules photovoltaïques, notamment Schuco (marque déposée) et MSK (marque déposée). Mais ces solutions sont insuffisantes. Dans le cas de Schuco (marque déposée), les panneaux photovoltaïques sont posés sur un bac acier, ce qui n'est pas conforme à l'esprit de la réglementation � intégration �, puisqu'on ne 2Oremplace pas la couverture par le système photovoltaïque. Au contraire, on construit d'abord une toiture étanche sur laquelle on vient poser des panneaux. Schuco (marque déposée) propose également un système décliné des panneaux solaires thermiques à eau chaude, mais avec de fortes limitations d'usage (ne fonctionne que dans certaines conditions et entouré de toitures existantes). 25 MSK (marque déposée) propose un système qui présente l'avantage de proposer des panneaux dont le cadre aluminium est conçu pour assurer une première étanchéité. Mais le système MSK (marque déposée) est conçu pour des systèmes de petite taille, tels que des maisons individuelles. Il est conçu pour de petites longueurs, peu ventilées, avec peu 30d'évacuation d'eau et prévu pour se monter sur des charpentes bois spécifiquement conçues. La circulation des câbles n'est pas prévue. La solution d'étanchéité se fie à l'étanchéité entre panneaux photovoltaïques, mais ne prévoit pas de protection supplémentaire. L'isolation thermique n'est pas intégrée. 10 35Parmi les solutions existantes pour l'exigence française, hormis Schuco (marque déposée) et MSK (marque déposée) dont nous avons déjà parlé, on trouve essentiellement des systèmes de pose de panneaux en recouvrement comme pour des tuiles (Photowatt, Conergy). Ces systèmes sont tous mal intégrés. Ils posent des problèmes d'ombre portée et surtout ils ne supportent que de fortes pentes et de faibles contraintes mécaniques. Ils sont donc 5inutilisables sous les tropiques. Ils exigent de grands recouvrements et donc beaucoup de surfaces inutilisées. Ces systèmes ne permettent pas une ventilation performante. Ils sont plutôt conçus pour des maisons individuelles en France métropolitaine. Certaines réalisations existent, souvent peu satisfaisantes, et peu performantes, car, d'une part, 10i1 s'agit souvent de panneaux vitrés noirs montés au milieu d'une toiture existante en tuiles ou ardoises avec des problèmes évidents de raccordement (certains par exemple essaient d'imiter la pose en tuiles superposées). Il existe des problèmes évidents de performance en raison de l'accumulation de chaleur et des problèmes d'étanchéité. 15 Objet de l'invention La mise en oeuvre de systèmes photovoltaïques se heurte fréquemment à des problèmes de type architectural ou de type � technique de bâtiment �. En effet, la mise en place de capteurs 20photovoltaïques sur bâtiment pose de nombreux problèmes architecturaux et techniques. C'est ce qu'on appelle l'intégration. Il s'agit de savoir comment fixer les capteurs en respectant des normes de résistance neige et vent, en assurant l'étanchéité à l'air et à l'eau, en assurant 1"isolation thermique, la circulation des câbles électriques, la résistance à la dilatation tout en permettant la maintenance. 25I1 faut, en parallèle, garantir la performance du système photovoltaique, grâce au respect des pentes optimales (ce qui peut conduire à des pentes plus faibles que ce qu'admettent généralement les couvreurs), grâce au contrôle thermique, au nettoyage ou encore à l'absence d'ombres portées. Enfin, le système photovoltaïque émet de la chaleur, qui nuit à son rendement. Il faut donc, d'une part, évacuer cette chaleur et, d'autre part, dans certains cas, la 30récupérer pour le chauffage du bâtiment. Les six problématiques majeures sont : - l'étanchéité ; - la ventilation : 35- l'interface avec la charpente ; - la résistance mécanique ; - la simplicité de pose ; et - la récupération de la chaleur ; 5L es systèmes développés à l'étranger n'avaient pas pour but de � remplacer � la toiture ou la façade existante (puisque c'est une exigence née en France et qui aura des utilisations à l'international) mais plutôt de se poser dessus, ce qui est beaucoup plus simple. L'invention vise à permettre l'installation de panneaux de cellules photovoltaïques en prenant 10en compte les six problèmes énoncés, afin de permettre une intégration techniquement idéale en vue du remplacement des toitures classiques. L'invention se rapporte à un dispositif de support de panneaux de cellules photovoltaïques, constitué d'un profilé d'une hauteur comprise entre 5 et 25cm, comprenant un tronc central, 15deux gouttières symétriques par rapport au support et longeant le profilé sur toute sa longueur, un rail de maintien à la base et des moyens de fixation de deux panneaux de cellules photovoltaïques. Dans des modes de réalisation particuliers : 20- le rail de maintien à la base du tronc central est pris dans un isolant non-feu semi-rigide ; - l'isolant non-feu semi rigide est recouvert d'une feuille d'imperméabilité remontant le long du tronc central afin d'assurer un second niveau d'imperméabilité ; - deux gouttières sont placées en partie basse de tronc central du profilé pour permettre un support de chemins de câbles ; 25- des ouvertures situées sous les gouttières en partie haute, et au dessus des gouttières en partie basse, afin de permettre un passage de câbles transversal ; - des encoches situées sur les bords verticaux extérieurs des gouttières permettent de positionner des gouttières transversales afin de récolter les infiltrations d'eau au niveau des jonctions de plaque de cellules photovoltaïques. 30 L'invention se rapporte aussi à un système de support de panneaux photovoltaïques, mettant en oeuvre deux dispositifs de support de panneaux de cellules photovoltaïques, dans lequel les deux dispositifs de support de panneaux de cellules photovoltaïques sont installés parallèlement selon un espacement défini par la largeur de la plaque de cellules 35photovoltaïques à installer. 3 Dans des modes de réalisation particuliers : - une pièce de raccord permet de relier la zone d'aération à un dispositif d'extraction d'air afin de récupérer la chaleur produite par le fonctionnement des panneaux de cellules 5photovoltaïques ; - une pièce de raccord permet de relier la zone d'aération à un dispositif de soufflage d'air afin d'évacuer la chaleur produite par le fonctionnement des panneaux de cellules photovoltaïques. 1 OLe rail assure la fixation mécanique des éléments de couverture ou (le façade. Il repose sur des pannes de charpente transversales, dont l'écartement sera calculé en fonction des contraintes climatiques du lieu, ou sur des chevrons longitudinaux en cas de charpente traditionnelle en bois. Les panneaux photovoltaïques sont vissés sur le rail en partie haute, ce qui confère une très grande rigidité structurelle à l'ensemble ainsi qu'une garantie de non corrosion. 15Le système des rails permet d'obtenir une surface de pose des panneaux parfaitement plane, quelles que soient les déformations ou irrégularités de la charpente, grâce à un système de calage réglable à chaque point d'appui. Un réglage au laser sera systématiquement effectué lors de la pose des rails. Des résilients homologués sont placés aux points de contact entre le rail aluminium et les 20ouvrages en acier pour éviter les problèmes chimiques. Le rail est complété par des pièces de jonction en matière plastique permettant à la fois d'assurer la continuité des écoulements et d'absorber les dilatations thermiques. Dans le cas de l'usage de panneaux MSK (marque déposée), la plus grande partie de l'eau 25pluviale coule sur les panneaux et est récupérée par une gouttière en partie basse. Les canalisations latérales du rail récupèrent toutes les eaux résiduelles et les drainent jusqu'à la gouttière. Dans le cas de modules d'autres type, un système transversal de récupération des eaux entre panneaux permet de ramener tous les écoulements dans la canalisation principale. Aucune goutte d'eau ne peut donc créer de fuite. Pourtant, un second système assure une 30sécurité supplémentaire. La plaque isolante en partie basse est prise dans les profilés du rail principal ce qui permet qu'elle soit montée de façon étanche et constitue donc une seconde surface étanche complète. Cette plaque est constituée d'une isolant non-feu semi rigide, qui est prise entre 2 rails longitudinaux. Elle est recouverte d'une peau étanche qui la rend totalement imperméable. Cette plaque correspond à un produit du commerce, peut-être 35simplement transformé. La feuille étanche assure un recouvrement d'une plaque sur l'autre empêchant toute fuite ou remontée d'eau. C'est donc un système doublement étanche. L'étanchéité à l'air s'envisage de 2 façons. Étanchéité du bâtiment et étanchéité propre au système. 5L'étanchéité du bâtiment est assurée par la continuité de plaques isolantes sur toute la surface. L'étanchéité propre au système est ce qui permet de considérer tout l'espace entre 2 rails comme une gaine de ventilation. L'air est captif entre les rails, la sous face isolante et les panneaux en partie haute. L'étanchéité transversale est assurée par les rails. Au niveau des percements passe-câbles, un dispositif étanche est mis en place. La ventilation a pour but d'évacuer les calories produites par le système photovoltaïque, voire de les récupérer pour le chauffage du bâtiment. La hauteur de la lame d'air sous les panneaux permet une ventilation naturelle par convection lorsque cela est possible. Il faut simplement veiller à mettre en place des protections contre 15l'entrée d'eau pluviale aux extrémités. Lorsque le besoin de ventilation est plus important ou plus constant, on installe une ventilation mécanique. Le système comprend des pièces permettant de fermer les gaines créées entre les rails et de mettre en place soit des entrées d'air sur des gaines de soufflage ou d'aspiration extérieures, soit des ventilateurs type VMC (ventilation mécanique contrôlée). 2ODans tous les cas, il faudra veiller à la bonne filtration de l'air injecté dans le système. L'air chaud circulant dans la gaine d'extraction peut être utilisé pour le chauffage du bâtiment. Le système permet donc plusieurs configurations : ventilation naturelle à l'air libre, ventilation mécanique par aspiration ou par extraction, ou ventilation double flux. 25L'isolation thermique du bâtiment est assurée par la plaque isolante placée entre les rails en partie basse. La plaque isolante est prise dans les profilés du rail, mais elle assure également un recouvrement de la partie inférieure du rail, ce qui évite l'effet de condensation sur une paroi froide dans le cas d'un bâtiment chauffé. 30Cette plaque est enfilée dans les profilés du rail et peut être ensuite fixée mécaniquement, éventuellement via des pièces de calage. La toiture ou façade photovoltaïque améliore donc l'isolation du bâtiment par la mise en place d'une lame d'air ventilée de température souvent intermédiaire. Ce système sera efficace aussi bien pays chaud (protection contre la chaleur en toiture) qu'en pays froid (protection 35contre l'effet de paroi froide). L'air circulant dans la lame est, en fonction de l'ensoleillement, souvent légèrement chauffé par la chaleur photovoltaïque, la température finale dépendant également du débit de la ventilation. Le système permet de faire disparaître les effets de la dilatation, que celle-ci provienne de la 5charpente ou de l'échauffement des rails. La longueur des rails sera calculée en fonction des risques de dilatation de la charpente. Les pièces plastique qui assurent la jonction entre 2 rails permettent d'absorber par glissement un faible mouvement de dilation longitudinale. 10L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple de réalisation non limitatif, accompagné de figures représentant respectivement : - la figure 1 représente une vue de coupe d'un support de panneaux de cellules photovoltaïques selon un exemple de réalisation ; - la figure 2 représente une vue de coupe d'un support de panneaux de cellules 15photovoltaïques selon un autre exemple de réalisation - la figure 3 représente une vue de coupe d'un support de panneaux de cellules photovoltaïques selon un autre exemple de réalisation - la figure 4 représente une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un support de panneaux de cellules photovoltaïques avec des encoches pour gouttières transversales ; 20- la figure 5 représente une installation de plaques de cellules photovoltaïques avec extraction de l'air; - la figure 6 représente une installation de plaques de cellules photovoltaïques avec récupération de l'air. 25 La figure 1 représente un vue en coupe du dispositif, le support de cellules photovoltaïques est constitué d'un profilé, de longueur dimensionné en fonction des surfaces de toitures à couvrir et des contraintes mécaniques liées aux métaux employés. En tout état de cause la longueur d'un profilé sera au moins égale à la longueur d'une plaque de cellules photovoltaïques à 30installer. Le profilé est constitué d'un tronc central (1) d'une hauteur comprise entre 5 et 25 cm, l'homme du métier pourra déterminer une valeur par le calcul. Deux gouttières (2) sont positionnées de part et d'autre du tronc central (1), les rebords desdites gouttières remontant de telle sorte que les bords supérieurs n'entrent pas en contact avec les panneaux de cellules photovoltaïques (5) fixés sur la partie supérieure du tronc central (1). 35 La figure 2 représente un exemple de réalisation, reprenant la structure décrite en référence à la figure 1, mais dans lequel, deux gouttières intégrées ou rapportées (7) situées en partie basse, de part et d'autre du tronc principal (1) et de même longueur que la longueur du profilé permettent de créer un chemin de câble fixe. Le rail (3) est pris dans un isolant (14), une 5feuille d'étanchéité (17) est appliquée en surface supérieure de l'isolant et remonte le long du tronc central (1) sur une hauteur minimum de 2 cm. La figure 3, représente un autre exemple de réalisation dans lequel le tronc central (1) est percé en son milieu de trous (8) permettant de créer des traversées de câbles transversales. lOCes trous doivent être dimensionnés par l'homme du métier en fonction du diamètre du câble ou du regroupement de câbles à faire passer. Les parois internes des trous sont recouvertes d'un matériau de protection, par exemple d'un anneau plastique, afin d'éviter d'abîmer des câbles passants et d'assurer l'étanchéité. 15En référence à la figure 4, des encoches (9), d'une longueur de 5 à 20 cm et d'une hauteur égale au pli vertical de la partie haute des rebords des gouttières (2), ces encoches permettent de positionner des gouttières transversales (10) afin de récupérer l'eau qui pourrait filtrer à la jonction de deux plaques installées consécutivement sur un support. La position de ces encoches dépend de la longueur des plaques de cellules photovoltaïques installées. L'homme 20du métier pourra, par exemple, placer les encoches à intervalle régulier le long du support, de telle sorte que le milieu de l'encoche corresponde au point de jonction des deux plaques. La figure 5 représente une installation de panneaux de cellules photovoltaïques. Dans cet exemple de réalisation, une plaque d'isolant (14) est installée entre les rails. Deux supports 25(11) de plaques de cellules photovoltaïques (5) sont installés parallèlement, leurs rails respectifs (3) sont pris dans l'isolant (14) sur toute leur longueur. Ils sont fixés sur la charpente, éventuellement au moyen de pièces de calage. Les panneaux de cellules photovoltaïques sont installés et fixés sur la partie haute du tronc central de chacun des supports (11). Une pièce de raccordement (12) sera mise au bout de supports pour effectuer 3 Dune fermeture hermétique de l'espace formé par les deux support (11) et les plaques de cellules photovoltaïques (5). Cette pièce de raccordement est percée en son centre pour permettre de raccorder un réseau de ventilation (13) ou un moteur de soufflage (20) dans le cas ou il est nécessaire d'évacuer la chaleur, ou la pièce de raccordement pourra être raccordée à un réseau d'extraction de l'air (15) ou à un moteur d'extraction (16), comme 35illustré sur la figure 6 afin de permettre une récupération de la chaleur produite par le