Brevet FR2970562A1 — publié le 20120720

Capteur solaire hybride comportant un panneau de cellules photovoltaïques et un échangeur de chaleur à fluide caloporteur L'invention concerne un capteur solaire hybride comportant un panneau de cellules photovoltaïques et un échangeur de chaleur à fluide caloporteur destiné à être raccordé à un circuit de circulation de fluide caloporteur en vue du refroidissement des cellules photovoltaïques par le dit fluide caloporteur. De nombreuses études ont démontré que le rendement des cellules photovoltaïques se dégrade de façon significative lorsque ces to cellules se trouvent portées à des températures élevées. A titre d'exemple, il a été ainsi démontré qu'une cellule photovoltaïque produit de l'ordre de 0,5 °/° de puissance en moins par degré au-dessus de 25 °C. Selon cette étude, la puissance produite par une cellule photovoltaïque chute donc d'environ 20 °/° lorsque cette dernière est portée à une température de 70 °C. 15 Au vu de ces résultats, de nombreuses recherches ont été réalisées visant à adjoindre aux panneaux de cellules photovoltaïques des dispositifs de refroidissement de la température des dites cellules, et une solution a consisté à équiper les capteurs solaires d'échangeurs de chaleur à fluide caloporteur. Cette solution conduit, en effet, non seulement à augmenter 20 la performance effective de la partie photovoltaïque grâce au refroidissement des cellules, mais également à produire de l'énergie thermique, par réchauffement du fluide caloporteur, gazeux ou liquide, qui peut être utilisée à des fins diverses telles que : chauffage d'eau, génération d'électricité, source d'énergie calorifique pour appareil de climatisation... 25 Toutefois, malgré le nombre important d'études menées, ayant conduit au dépôt de multiples demandes de brevet, et malgré, en outre, l'engouement que suscite actuellement l'énergie solaire, aucune solution proposée ne connait, à ce jour, une exploitation effective et un succès commercial que laissaient augurer les avantages annoncés de ces techniques. 30 La raison principale de ce manque de succès résulte principalement du coût et de la complexité des capteurs solaires hybrides par rapport aux capteurs solaires classiques, qui s'avèrent quasiment annihiler le surcroit de performances obtenu. La présente invention vise à pallier cet inconvénient et a 35 pour principal objectif de fournir un capteur solaire hybride de conception très simple, conduisant à un surcoût très acceptable par rapport au coût d'un capteur solaire classique. Un autre objectif de l'invention est de permettre la fabrication de capteurs solaires hybrides à partir de capteurs solaires s classiques moyennant des modifications mineures de ces derniers. A cet effet, l'invention vise, un capteur solaire hybride comportant un panneau de cellules photovoltaïques et un échangeur de chaleur à fluide caloporteur destiné à être raccordé à un circuit de circulation de fluide caloporteur en vue du refroidissement des cellules photovoltaïques par le dit io fluide caloporteur et, selon l'invention, l'échangeur de chaleur de ce capteur solaire est constitué de deux plaques en un matériau thermiquement conducteur, solidarisées entre elles : - une plaque, dite inférieure, déformée de façon à être creusée d'un réseau de canaux s'étendant sur la majeure partie de la surface ls de la dite plaque inférieure, entre un raccord d'alimentation en fluide caloporteur et un raccord d'évacuation du dit fluide caloporteur, - et une plaque plane, dite supérieure, coiffant hermétiquement les canaux de la plaque inférieure, fixée en sous face du panneau de cellules photovoltaïques. 20 L'originalité de l'invention consiste donc dans la simplicité de la solution proposée qui a consisté à associer, au panneau de cellules photovoltaïques, un échangeur de chaleur monobloc : - de conception extrêmement simple réalisable selon des techniques largement éprouvées garantissant sa fiabilité et sa résistance aux 25 hautes pressions, - d'un encombrement réduit de façon optimale, du fait qu'il forme, par rapport au panneau solaire, une simple surépaisseur équivalente à l'épaisseur de deux plaques, soit dans la pratique une surépaisseur de l'ordre de 3 à 4 mm. 30 Du fait de son encombrement réduit et de son positionnement accolé au panneau solaire, un tel échangeur de chaleur peut ainsi être monté sur un capteur solaire classique actuel sans modification majeure de ce dernier, conduisant, en termes de surcoût, au seul surcoût engendré par la fourniture et la mise en place du dit échangeur de chaleur. Il est également à noter qu'en termes de performances, le transfert de chaleur est élevé du fait que ce transfert s'opère par conduction : les canaux véhiculant le fluide caloporteur sont, en effet, notamment délimités par une paroi plane en contact direct avec les cellules photovoltaïques. Toutefois, afin de parfaire les performances et de façon avantageuse selon l'invention, une plaque de matériau thermiquement isolant est accolée à la plaque inférieure de l'échangeur de chaleur, afin d'isoler ce dernier de l'extérieur. Dans le même but, et afin de parfaire le contact entre la io plaque supérieure de l'échangeur de chaleur et le panneau de cellules photovoltaïques, cette plaque supérieure est avantageusement solidarisée par collage au dit panneau de cellules photovoltaïques. De plus, du fait de la conception des canaux obtenus par déformation et donc d'une section relativement faible, par exemple de façon 15 avantageuse de l'ordre de dixièmes de cm2, l'épaisseur de fluide circulant dans ces canaux est elle-même faible, conduisant à une montée rapide en température de ce fluide et, donc, à une très faible inertie de l'échangeur de chaleur. Concernant la fabrication de l'échangeur de chaleur, selon 20 une technique avantageuse de fabrication, les deux plaques de l'échangeur de chaleur sont soudées entre elles par laminage, à l'exception des zones de la plaque supérieure correspondant à l'empreinte des canaux de fluide caloporteur, les dits canaux étant réalisés par déformation de la plaque inférieure par gonflage sous pression. 25 Par ailleurs, les deux plaques de l'échangeur de chaleur présentent avantageusement des dimensions planes conjuguées de celles du panneau de cellules photovoltaïques. Un tel ensemble panneau de cellules photovoltaïques/ échangeur de chaleur selon l'invention peut être avantageusement intégré dans 30 un caisson délimitant, avec la plaque inférieure de l'échangeur de chaleur, un volume rempli de la plaque de matériau thermiquement isolant. De plus, ce caisson comporte avantageusement un cadre présentant la forme d'une cornière dotée d'une âme prolongée d'une ailette orthogonale à la dite âme, de butée frontale du panneau de cellules 35 photovoltaïques. D'autres caractéristiques buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un capteur solaire hybride conforme à l'invention, - la figure 2 est une coupe transversale partielle, à échelle agrandie, de ce capteur solaire - et la figure 3 est une vue de dessus de la plaque to inférieure d'un échangeur de chaleur selon l'invention, représentée intégrée dans un caisson conforme à l'invention. Le capteur solaire selon l'invention représenté à titre d'exemple aux figures consiste en un capteur solaire hybride comportant un panneau de cellules photovoltaïques 1 de type classique, et un échangeur de 15 chaleur 9 à fluide caloporteur destiné à être raccordé à un circuit de circulation de fluide caloporteur en vue du refroidissement des cellules photovoltaïques par le dit fluide caloporteur. Ce panneau de cellules photovoltaïques 1 est classiquement équipé d'un boîtier électrique 2 positionné au contact de sa face 20 arrière, et de façon usuelle, est intégré dans un caisson 3 comportant un cadre présentant la forme d'une cornière dotée d'une âme 4 prolongée, d'une part, d'une aile 5 délimitant le fond du dit caisson, et d'autre part, d'une ailette 6 de butée frontale du panneau de cellules photovoltaïques 1. De plus, deux connecteurs électriques 7, 8 reliés au 25 boîtier électrique 2 sont accessibles sur un des côtés transversaux de ce cadre 3. L'échangeur de chaleur 9 de ce capteur solaire est, quant à lui, composé, selon l'invention, de deux plaques métalliques 11, 12 solidarisées entre elles, sensiblement de mêmes dimensions que le panneau 30 de cellules photovoltaïques 1, et présentant une échancrure 10 en regard du boîtier électrique 2. La première de ces plaques 11, dite plaque supérieure, consiste en une plaque plane solidarisée par collage au panneau de cellules photovoltaïques 1. La seconde de ces plaques 12, dite plaque inférieure, est quant à elle, déformée de façon à être creusée d'un réseau de canaux 15 s'étendant sur la majeure partie de la surface de la dite plaque inférieure, entre un raccord 18 d'alimentation en fluide caloporteur et un raccord 19 d'évacuation du dit fluide caloporteur, accessibles sur un des côtés transversaux du cadre 3. Tel que représenté à la figure 2, lors de la formation de chaque canal 15, la plaque inférieure 12 présente des ondulations de forme générale trapézoïdale formant alternativement une base 13 de solidarisation par soudage des deux plaques 11 et 12, et une base 14 délimitant un canal 15. lo Une technique de fabrication de cet échangeur de chaleur 9 peut consister : - à souder les deux plaques 11, 12 entre elles par laminage, à l'exception des zones de la plaque supérieure 11 correspondant à l'empreinte des canaux 15, enduites, à cet effet, d'un produit apte à empêcher 15 la soudure, - et à réaliser les canaux par déformation de la plaque inférieure 12 par gonflage sous pression. A titre d'exemple et tel que représenté à la figure 3, le réseau de canaux 15 peut consister en un réseau comportant deux branches 20 latérales longitudinales 16, 17 s'étendant chacune à partir d'un des raccords 18, 19, reliées par des branches transversales telles que 20, certaines de ces dernières étant elles-mêmes reliées par des tronçons de branches longitudinales telles que 21. Cette disposition et répartition des canaux 15 a pour but, 25 de façon usuelle, de réaliser un réseau de canaux 15 dans lequel le fluide caloporteur circule avec une pression sensiblement constante. En dernier lieu, une fois panneau de cellules photovoltaïques 1 échangeur de chaleur 9 intégré dans le caisson 3, le volume libre de ce dernier est rempli d'un matériau isolant adapté pour isoler 30 thermiquement l'échangeur de chaleur 9 par rapport à l'extérieur. Ce capteur solaire hybride peut être réalisé à faible coût par intégration dans un capteur solaire classique d'un échangeur de chaleur 9 selon l'invention et remplissage du volume libre du caisson de ce capteur par un matériau thermiquement isolant 22. 35 REVENDICATIONS1/ Capteur solaire hybride comportant un panneau de cellules photovoltaïques (1) et un échangeur de chaleur (9) à fluide caloporteur destiné à être raccordé à un circuit de circulation de fluide caloporteur en vue du refroidissement des cellules photovoltaïques par le dit fluide caloporteur, le dit capteur solaire étant caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (9) est constitué de deux plaques (11, 12) en un matériau thermiquement conducteur, solidarisées entre elles : - une plaque (12), dite inférieure, déformée de façon à être io creusée d'un réseau de canaux (15) s'étendant sur la majeure partie de la surface de la dite plaque inférieure, entre un raccord (18) d'alimentation en fluide caloporteur et un raccord (19) d'évacuation du dit fluide caloporteur, - et une plaque plane (11), dite supérieure, coiffant hermétiquement les canaux (15) de la plaque inférieure (12), fixée en sous face 15 du panneau de cellules photovoltaïques (1). 2/ Capteur solaire hybride selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux plaques (11, 12) de l'échangeur de chaleur (9) sont soudées entre elles par laminage, à l'exception des zones de la plaque supérieure (11) correspondant à l'empreinte des canaux (15) de fluide 20 caloporteur, les dits canaux étant réalisés par déformation de la plaque inférieure (12) par gonflage sous pression. 3/ Capteur solaire hybride selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la plaque supérieure (11) de l'échangeur de chaleur (9) est solidarisée par collage au panneau de cellules photovoltaïques (1). 25 4/ Capteur solaire hybride selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les deux plaques (11, 12) de l'échangeur de chaleur (9) présentent des dimensions planes conjuguées de celles du panneau de cellules photovoltaïques (1). 5/ Capteur solaire hybride selon l'une des revendications 1 30 à 4 caractérisé en ce que les canaux (15) de fluide caloporteur présentent une section de l'ordre de dixièmes de cm'. 6/ Capteur solaire hybride selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une plaque de matériau thermiquement isolant accolée à la plaque inférieure (12) de l'échangeur de 35 chaleur (9).7/ Capteur solaire hybride selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'ensemble panneau de cellules photovoltaïques (1)/ échangeur de chaleur (9) est intégré dans un caisson (3) délimitant, avec la plaque inférieure (12) de l'échangeur de chaleur (9), un volume rempli de la plaque de matériau thermiquement isolant (22). 8/ Capteur solaire hybride selon la revendication 7 caractérisé en ce que le caisson (3) comporte un cadre (4, 5) présentant la forme d'une cornière dotée d'une âme (4) prolongée d'une ailette (6) orthogonale à la dite âme, de butée frontale du panneau de cellules lo photovoltaïques (1).