Brevet FR2970492A1 — publié le 20120720

TUILE PHOTOVOLTAÏQUE COMPOSITE Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un élément de toiture en matériau transparent, et plus particulièrement à une tuile à emboîtement munie d'un module photovoltaïque. État de la technique Les modules photovoltaïques sont constitués de plusieurs cellules photovoltaïques connectées en série. Chaque cellule capte le rayonnement solaire et le convertit en électricité. Les modules photovoltaïques installés en toiture, appelés également panneaux solaires photovoltaïques, présentent généralement une surface de l'ordre d'un mètre carré. Ces panneaux peuvent se superposer à la couverture de toit, formée par exemple de tuiles, d'ardoises ou de tôles. Ils peuvent également remplacer plusieurs éléments de couverture. Lorsque la toiture d'un bâtiment est réalisée en tuiles, l'installation de panneaux photovoltaïques dégrade l'aspect esthétique du bâtiment. En effet, les panneaux s'accordent mal avec la géométrie des tuiles. Ainsi, plutôt que de remplacer plusieurs tuiles par un panneau, on substitue une tuile classique par une tuile photovoltaïque, c'est-à-dire une tuile munie d'un module photovoltaïque. La tuile photovoltaïque, de forme et de dimensions identiques à une tuile classique en terre cuite, s'adapte aux autres tuiles pour assurer l'étanchéité de la toiture. La demande de brevet W02010/007546, au nom de la demanderesse, décrit une tuile transparente en verre. La tuile présente, sur sa face inférieure, une zone plane destinée à recevoir un module photovoltaïque. Le module comprend des cellules photovoltaïques disposées entre un substrat avant transparent et un substrat arrière. Le substrat avant est rapporté sur la zone plane de la tuile. Ainsi, le module est protégé du milieu extérieur. La tuile est formée par moulage d'un verre transparent de type sodocalcique. Le module photovoltaïque est ensuite collé sur la face inférieure de la tuile par l'intermédiaire d'un polymère transparent, par exemple de l'éthylène-acétate de vinyle (EVA), du polyvinyle de butyral (PVB) ou un silicone. Pour pouvoir s'adapter aux tuiles classiques, la tuile photovoltaïque a des dimensions normalisées. Ses dimensions sont, par exemple, égales à celles de la tuile commercialisée sous la référence Alpha 10 par la société Imerys : 455 mm x 310 mm. On envisage, dans la demande de brevet susmentionnée, de doubler la surface de la tuile en verre. En d'autres termes, on remplace deux tuiles simples par une tuile double. Cela permet d'augmenter la surface couverte par le module photovoltaïque par rapport à la surface effective de la tuile. La puissance de la tuile photovoltaïque est alors améliorée. 1 o Toutefois, une tuile double est difficile à mouler. En effet, celle-ci requiert une quantité de verre trop importante pour les techniques de moulage usuelles. Lors du moulage d'une tuile double, le verre ne remplit pas tout l'espace du moule. La tuile double n'a donc pas la forme et les dimensions recherchées. Résumé de l'invention 15 On constate qu'on a besoin d'une tuile facilement réalisable et pouvant recevoir un module photovoltaïque de grande surface. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant une tuile à emboîtement en un matériau transparent à un rayonnement lumineux et comprenant deux flancs adjacents en un matériau de nature différente. 20 Selon un mode de réalisation, la tuile comprend un corps de tuile muni d'une structure d'accroche sur deux bords adjacents et un organe d'assemblage formant les flancs, solidarisé au corps par la structure d'accroche. On prévoit également un procédé de réalisation d'une tuile à emboîtement comprenant une étape de moulage d'un corps de tuile en matériau transparent 25 à un rayonnement lumineux et une étape de fixation d'un organe d'assemblage sur deux bords adjacents du corps de tuile. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation donnés à titre 30 d'exemples non limitatifs et illustrés à l'aide des dessins annexés, dans lesquels : 3 les figures 1 à 3 représentent, respectivement en coupe selon A-A, en vue de face et en coupe selon B-B, un premier mode de réalisation de tuile photovoltaïque composite ; et les figures 4 à 6 représentent, respectivement en coupe selon C-C, en vue de face et en coupe selon D-D, un second mode de réalisation de tuile photovoltaïque composite. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention Pour réaliser une tuile de taille double compatible avec les techniques de moulage usuelles, on divise la tuile en deux parties : un corps de tuile apte à recevoir un module photovoltaïque et un organe d'assemblage, solidaire du corps de tuile et destiné au recouvrement des tuiles. Le corps est obtenu par moulage d'un matériau transparent. Les dimensions du corps sont, de préférence, choisies de manière à utiliser la quantité maximale de matériau transparent compatible avec le procédé de moulage. L'organe d'assemblage, à base de matériau polymère, complète alors le corps de tuile en formant les flancs manquants de la tuile double. Les flancs à base de polymère sont disposés de manière que, lors de l'assemblage des tuiles, le corps de tuile corresponde sensiblement à la surface exposée à l'environnement extérieur, appelée également pureau. Ainsi, les flancs à base de polymère sont recouverts par les tuiles adjacentes. Ils ne sont donc pas exposés aux intempéries ou aux ultraviolets. En d'autres termes, le moulage du matériau transparent est limité au pureau de la tuile et la partie manquante de la tuile est formée, dans un second temps, avec un matériau distinct. On parvient ainsi à doubler la taille de la tuile sans être contraint pas les limitations du moulage. Les figures 1 à 3 représentent différentes vues d'un premier mode de réalisation d'une telle tuile, ou tuile composite. La figure 2 est une vue de la face supérieure de la tuile, c'est-à-dire la face exposée au rayonnement solaire, tandis que les figures 1 et 3 sont des vues en coupe, respectivement selon les axes A-A et B-B de la figure 2. La tuile composite comprend un corps de tuile 2 en un matériau transparent et un organe d'assemblage 4 en un matériau à base de polymère. L'organe 4 est fixé sur des bords adjacents du corps 2, de préférence le bord supérieur, en amont du toit, et le bord de gauche sur la figure 2. L'organe 4 en forme de « L » permet ainsi un montage classique des tuiles à emboîtement, c'est-à-dire de bas en haut et de droite à gauche. Un module photovoltaïque 6 peut être disposé sur la face inférieure du corps 2, comme cela est représenté sur les vues en coupe A-A et B-B. Le corps de tuile 2 présente un coefficient de transmission du rayonnement solaire élevé, par exemple entre 80 % et 98 % pour les longueurs d'onde comprises entre le proche ultraviolet et le proche infrarouge. Le matériau transparent est, de préférence, un verre blanc ayant une température de ramollissement comprise entre 500 °C et 800 °C, par exemple un verre de type sodocalcique. Par verre blanc, on entend un verre transparent contenant peu d'ions Fe2+ responsables de la couleur verte de certains verres. Le verre est dit extra-blanc lorsqu'il ne contient pas d'ions Fe2+. Le matériau du corps 2 peut être également un polymère comme le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou un polycarbonate. L'organe d'assemblage 4 comprend, de préférence, un polymère de type polyoléfine (polyéthylène, polypropylène...), de type polyester ou élastomère. Des fibres, en particulier des fibres de verre, peuvent être ajoutées au polymère pour améliorer ses caractéristiques mécaniques, notamment sa durabilité. La tuile composite comprend en outre des éléments de raccordement 8 et 8'. Ces éléments assurent l'emboîtement de la tuile avec les tuiles adjacentes de façon étanche. A titre d'exemple, l'organe 4 comprend, sur le côté gauche de la tuile, deux languettes 8 tandis que le corps 2 comprend à l'opposé deux rainures 8' de forme complémentaire. Sur les flancs inférieur (aval) et supérieur (amont), la tuile comprend respectivement une languette 10 agencée dans le corps 2 et une rainure 10' formée dans l'organe 4. La languette 10 forme le nez de tuile et la rainure 10' permet, le cas échéant, d'évacuer l'eau circulant entre deux tuiles adjacentes. La tuile est, de préférence, positionnée sur les liteaux de la charpente au moyen de deux butées 12 formées dans l'organe 4. A titre d'exemple, les dimensions de la tuile composite sont égales à 455 mm x 620 mm. Le corps de tuile mesure environ 400 mm x 570 mm, ce qui correspond à une quantité de verre de l'ordre de 6 kg. Le pureau est, de préférence, de type variable. On pourra aussi envisager un pureau fixe, par exemple avec des éléments de raccordement supplémentaires 10 et 10" représentés sur la figure 4. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, la fixation entre le corps 2 et l'organe 4 est réalisée par coopération de forme. Une structure d'accroche 14 est prévue sur les bords correspondants du corps 2. Elle est, de préférence, réalisée lors de la fabrication du corps de tuile, par moulage. Le matériau transparent est d'abord porté à une température de 1 o ramollissement, par exemple entre 700 °C et 1100 °C dans le cas d'un verre sodocalcique. Le verre ramolli est ensuite introduit dans un moule selon les techniques classiques de moulage. Puis, l'organe 4 est moulé sur la structure d'accroche 14 du corps 2. Cette opération de surmoulage consiste à injecter dans un moule contenant le corps 15 2, le polymère chauffé à une température de mise en forme. La température de mise en forme, largement supérieure à la température de transition vitreuse, permet l'écoulement du polymère dans le moule. Elle varie entre 150 °C et 280 °C selon la nature du polymère. Enfin, le module photovoltaïque 6 peut être fixé au corps de tuile 2. Il est, de 20 préférence, collé sur la face inférieure du corps 2 au moyen d'un polymère transparent comme l'éthylène-acétate de vinyle (EVA), le polyvinyle de butyral (PVB) ou un silicone. Le collage du module photovoltaïque 6 est, de préférence, réalisé lors de l'opération de surmoulage. Un empilement comprenant successivement le 25 module 6, une couche de colle transparente (en polymère thermoplastique : EVA, PVB, silicone) et le corps de tuile 2, est placé dans un moule d'injection. Le matériau de l'organe 4 est injecté dans le moule après avoir été préalablement chauffé. Une partie de la chaleur du matériau 4 est transférée à la couche de colle interposée entre le corps 2 et le module 6, provoquant ainsi 30 son ramollissement et sa réticulation. Le moule est avantageusement placé sous vide afin de réduire le piégeage d'air dans la couche de colle. Les figures 4 à 6 représentent un second mode de réalisation de tuile composite, respectivement en coupe selon l'axe C-C, en vue de face et en coupe selon l'axe D-D. Le corps de tuile 2 et l'organe d'assemblage 4 sont moulés séparément puis collés, de préférence à l'aide de la même colle que celle utilisée pour le module photovoltaïque 6 ou une colle à base de résine acrylate ou de polyuréthane. La colle est par exemple déposée sous la forme d'un film polymère, puis activée par des rayons ultraviolets ou par un traitement thermique à une température comprise 60 °C et 150 °C. 1 o Le collage de l'organe 4 et le collage du module 6 peuvent d'ailleurs être réalisés simultanément. On prévoit initialement un empilement comprenant successivement le corps 2, une couche de colle et le module 6. On dépose ensuite une couche de la même colle sur deux bords adjacents du corps 2 et on rapporte l'organe 4 sur ces bords. L'ensemble organe / corps / module est 15 placé sous vide puis chauffé à une température supérieure ou égale à 130 °C, ce qui provoque la réticulation de la colle. Dans les modes de réalisation des figures 1 à 6, l'interface entre le corps de tuile 2 et l'organe d'assemblage 4 est, de préférence, disposée pour être recouverte par les tuiles adjacentes lors du montage en toiture. L'interface est 20 alors protégée des intempéries, ce qui augmente la durabilité de la tuile composite. Les surfaces servant à la fixation entre le corps 2 et l'organe 4 sont, de préférence, rendues rugueuses pour augmenter la force d'adhérence entre les deux pièces. La rugosité de surface peut être augmentée par sablage ou lors 25 du moulage, par exemple en texturant la surface du moule. On pourra aussi améliorer le maintien entre le corps 2 et l'organe 4 en augmentant la rugosité d'une seule des deux pièces. On peut également envisager d'assembler le module photovoltaïque lors de la formation de la tuile composite. On utilise alors un empilement comprenant 30 successivement un substrat (comparable à ceux utilisés pour la fabrication des modules photovoltaïques), une première couche de colle, des cellules photovoltaïques reliées électriquement en série ou en série/parallèle, une seconde couche de colle et le corps de tuile 2. Cet empilement peut être placé dans un moule d'injection (surmoulage), dans lequel le polymère chauffé de l'organe 4 provoquera la réticulation des première et seconde couches de colle, et donc l'encapsulation des cellules photovoltaïques. Il pourra également être placé dans une enceinte sous vide et subir un traitement thermique, de manière à coller l'organe 4 sur le corps 2 et encapsuler les cellules photovoltaïques simultanément. De nombreuses variantes et modifications de la tuile composite apparaîtront à l'homme du métier. L'organe pourra être fixé sur le corps de tuile en combinant un collage et une structure d'accroche, afin d'améliorer davantage le maintien. La tuile composite pourra être associée à un module solaire thermique plutôt qu'à un module photovoltaïque, voire être utilisée sans module de manière à réaliser une toiture transparente. La tuile composite a été décrite en relation avec un organe d'assemblage 4 en polymère. Toutefois, d'autres matériaux pourront être utilisés pour l'organe 4. La terre cuite et le béton sont par exemple des alternatives moins chères aux polymères. En outre, l'écart des coefficients de dilatation thermique entre la terre cuite (ou béton) et le verre est moins élevé que l'écart des coefficients de dilatation thermique entre un polymère et le verre.20 REVENDICATIONS1. Tuile à emboîtement en un matériau transparent à un rayonnement lumineux, caractérisée en ce qu'elle comprend deux flancs adjacents en un matériau de nature différente. 2. Tuile selon la revendication 1, comprenant un corps de tuile (2) muni d'une structure d'accroche (14) sur deux bords adjacents et un organe d'assemblage (4) formant les flancs, solidarisé au corps (2) par la structure d'accroche. 3. Tuile selon la revendication 2, comprenant un module photovoltaïque (6) disposé sur une face du corps de tuile (2). 4. Tuile selon la revendication 1, dans laquelle le matériau transparent est un verre. 5. Tuile selon la revendication 1, dans laquelle le matériau des flancs est un polymère de type polyoléfine, polyester ou élastomère. 6. Procédé de réalisation d'une tuile à emboîtement comprenant une étape de moulage d'un corps de tuile (2) en matériau transparent à un rayonnement lumineux, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de fixation d'un organe d'assemblage (4) en un matériau de nature différente sur deux bords adjacents du corps de tuile (2). 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant une étape de fixation d'un module photovoltaïque (6) sur une face du corps de tuile (2). 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'organe d'assemblage (4) est formé par moulage autour d'une zone d'accroche (14) agencée dans le corps de tuile (2). 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'organe d'assemblage (4) est fixé par collage à l'aide d'une couche en silicone, en éthylène-acétate de vinyle ou en polyvinyle de butyral. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'organe d'assemblage (4) et le module photovoltaïque (6) sont fixés simultanément au corps de tuile (2) tpar collage à l'aide d'une couche en silicone, en éthylène-acétate de vinyle ou en polyvinyle de butyral.