Brevet FR2978815A1 — publié le 20130208

-1- MODULE PHOTOVOLTAÏQUE AVEC ÉCHANGEUR THERMIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des panneaux photovoltaïques avec échangeur thermique. Elle se rapporte plus particulièrement à un dispositif de module de capture solaire comprenant des cellules photovoltaïques et des échangeurs thermiques, l'ensemble étant disposé de façon à optimiser le rendement des cellules photovoltaïques et à transporter l'énergie calorifique de façon optimisée. Brève description de l'antériorité Traditionnellement, les modules de capture solaires constituant les panneaux solaires sont destinés à un usage photovoltaïque ou bien thermique. Il est pourtant évident que la combinaison des deux fonctions dans une même surface de panneaux permettrait de multiplier les possibilités d'installation de ce type de dispositifs sur les toits des habitations qui sont toujours limités en termes de surface notamment si l'on prend en considération l'orientation par rapport au soleil. Lorsque des modules comportant des cellules photovoltaïques et des moyens d'échange thermiques ne sont pas destinés à transmettre l'énergie thermique par effet caloporteur vers un chauffe eau par exemple mais à participer au refroidissement des cellules photovoltaïques afin d'augmenter le rendement de ces dernières. De plus, la plupart des panneaux utilisant des ensembles constitués de cellules photovoltaïques et d'échangeurs thermiques sont en général positionnés par couches planes. Par exemple, un module plan constitué de cellules photovoltaïques constitue une couche du dispositif et se superpose à un réseau tubulaire dans lequel circule dans un parallélépipède rectangle sous le plan de cellules photovoltaïques. Le brevet FR 2 924 864 (PROISY B.) par exemple décrit un dispositif présentant un ensemble de cellules photovoltaïques sur une première face destinée à être exposée au rayonnement solaire, un échangeur thermique sur une seconde face destiné au passage d'un fluide refroidissement constitué notamment de moyens de passage d'air pulsé. Des modules solaires que l'on pourra qualifier d'hybrides commencent à apparaître dans l'art antérieur et notamment à être commercialisés. Parmi la littérature, certains brevets décrivent des dispositifs qui tentent de répondre à cette problématique. -2- Le brevet FR 2 779 275 (GARABEDIAN G.) décrit un dispositif de module comprenant des cellules photovoltaïques couvrant les échangeurs thermiques transportant le fluide caloporteur. Dans ce cas, il s'agit encore d'une plaque de cellules photovoltaïques recouvrant la gaine comportant le fluide caloporteur et positionné en serpentin. Un des dispositifs vendus dans le commerce reprend cette approche en proposant des modules composés de cellules photovoltaïques sous la face desquels se trouve une plaque en aluminium couvrant un échangeur thermique, avec fluide caloporteur. L'ensemble peut répondre à des besoins en énergie électrique et en liquide à chauffer. Il en est de même avec les dispositifs décrits dans les brevets WO 01/99203 (LUTZ P.), WO 2007/129985 (TOH P. S.), WO 2008/044250 (AGUGLIA J.) ou encore WO 2008/125264 (VINCENZ M.). Le brevet EP 1 693 901 (BIUCCHI S., MANTONVANI M.) décrit un dispositif hybride constitué par une pièce dans laquelle les cellules photovoltaïques sont comprises dans une chambre circulaire fermée au centre de laquelle est disposé un dispositif conique réflecteur de lumière destiné à enfermer la plus grande quantité possible de photons afin de les répercuter sur les cellules qui recouvrent les parois de la pièce. Sur une partie des parois de la pièce peut également être disposé un échangeur thermique sans pour autant l'utiliser pour un refroidissement des cellules photovoltaïques ou pour optimiser la surface de fluide caloporteur en contact avec les rayons du soleil. Toutefois, si ces derniers dispositifs répondent à une problématique hybride, ils ne permettent pas d'obtenir une surface d'échange optimisée que ce soit au niveau des cellules photovoltaïques ou des serpentins transportant les fluides caloporteurs. En effet, à titre d'exemple et de comparaison, la plupart des capteurs solaires vendus actuellement dans le commerce pour deux mètres carrés de surface comprennent des serpentins caloporteurs de douze millimètres de diamètre pour une longueur de vingt mètres. En moyenne, la surface d'échange utile entre le soleil et le liquide caloporteur sera donc d'environ soixante quinze décimètres carrés. Il est plus qu'envisageable d'augmenter au moins de moitié cette surface de contact au soleil de façon à augmenter la rentabilité de tels dispositifs ou en diminuant la surface totale ou en augmentant la surface de serpentin en contact avec la chaleur du soleil, le tout dépendant d'une disposition nouvelle des éléments les uns par rapport aux autres. L'art antérieur ne permet donc pas de résoudre de manière satisfaisante le problème de l'optimisation des modules destinés à apporter une énergie électrique et calorifique à partir de l'ensoleillement naturel. Sommaire de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients, en proposant un dispositif de module de capture solaire comprenant des cellules photovoltaïques et des échangeurs thermiques, l'ensemble étant disposé de façon à optimiser le rendement des cellules photovoltaïques et à transporter l'énergie calorifique de façon optimisée. Il s'agit d'un dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique constitué de modules (2) de capture solaire comprenant des cellules photovoltaïques et des échangeurs thermiques. Chaque cellule photovoltaïque comprend trois parties formant un U, la partie centrale est constituée par une base plane (4) dont une face (4a) constituant un moyen de transformation photovoltaïque est destinée à être exposée au rayonnement solaire alors que la face opposée (4b) est destinée à être fixée sur un support constituant un moyen de transport de fluide caloporteur central (11), les deux parties latérales (3, 3') sont constituées chacune d'une face (3a, 3a') à l'intérieur du U constituant un moyen de transformation photovoltaïque destiné à être exposé au rayonnement solaire et d'une face (3b, 3b') à l'extérieur du U destinée à être en contact avec un moyen de transport de fluide caloporteur latéral (5). Préférentiellement, lesdits moyens de transport de fluide caloporteur (5, 11) conduisent un fluide caloporteur depuis un moyen de transport de fluide caloporteur d'arrivée (7) vers un moyen de transport du fluide caloporteur de départ (8) dudit dispositif (1). Selon un autre mode de réalisation, lesdits moyens d'arrivée (7) et de départ (8) de fluide caloporteur sont reliés entre eux par un échangeur thermique de refroidissement du fluide caloporteur de départ. Avantageusement, lesdits moyens de transport de fluide caloporteur central (11) et latéraux (5) constituent des moyens de refroidissement desdits moyens de transformation photovoltaïque (3, 4). Selon un mode préféré de réalisation, lesdits moyens de transport de fluide caloporteur central (11) et latéraux (5) sont constitués de tubes sensiblement plats sur toute leur longueur. Selon un mode avantageux de réalisation, l'intérieur en forme de U de chaque cellule photovoltaïque (3, 4) comprend un moyen de réflexion des rayons du soleil. Selon une variante, l'intérieur en forme de U de chaque cellule photovoltaïque (3, 4) comprend un moyen de réfraction des rayons du soleil. -4- Selon une autre variante, l'intérieur en forme de U de chaque cellule photovoltaïque (3, 4) comprend un moyen de réfraction et de réflexion des rayons du soleil. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de réalisation en se référent aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente une vue en coupe transversale de deux modules de capture solaire (2) selon l'invention ; - La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale partielle d'une des extrémités de deux modules de capture solaire (2) reliées au moyen de transport de fluide caloporteur « froid » (7) ; - La figure 3 représente une vue en coupe transversale d'un module entouré de deux moyens de refroidissement latéraux (5) et d'un moyen de refroidissement central (U) ; - La figure 4 représente un vue en coupe longitudinale d'un panneau selon l'invention ; - La figure 5 représente une vue en coupe transversale d'un module entouré de deux moyens de refroidissement latéraux (5) et d'un moyen de refroidissement central (11) ; Description détaillée des modes préférés de réalisation Pour optimiser le rendement de ce dispositif modulaire de capteur solaire hybride, il est donc nécessaire d'obtenir une surface d'échange supérieure à la surface d'ensoleillement reçue selon le plan sur lequel repose le dispositif. Toutefois, si la quantité de lumière absorbée dans la matière des cellules photovoltaïques sous forme de photons augmente, la température des cellules augmente également. Or pour être efficaces, les cellules photovoltaïques doivent être maintenues à une certaine température et ne pas dépasser une température maximum limite. C'est une des raisons pour laquelle le dispositif selon l'invention comprend un moyen de refroidissement thermodynamique des cellules photovoltaïques dont les performances en production d'électricité s'en trouvent améliorées. Chaque panneau photovoltaïque avec échangeur thermique selon un mode de réalisation de l'invention comprend un ensemble de modules (2) comprenant des moyens de transformation photovoltaïque (3a, 3a', 4a) et des moyens de transformation calorifique (5). -5- Chaque cellule photovoltaïque comprend trois parties longitudinales et planes. Ces trois parties sont reliées entre elles sur leurs côtés les plus longs. L'ensemble formant un U fermé à chaque extrémité. La partie centrale (4) est liée sur chacune de ses longueurs à une partie latérale (3, 3'). Ainsi, La base plane que constitue la partie centrale du « U » est-elle recouverte sur une face (4a) d'un film photovoltaïque chargé de recevoir les rayonnements solaires afin de les transformer en énergie électrique. En continuité de ce film photovoltaïque, les deux parties latérales (3, 3') sont recouvertes également sur toute leur surface de la face située du même côté (3a, 3a') que la face photovoltaïque de la partie centrale, d'un film photovoltaïque. La partie intérieure du « U » constitue ainsi un piège à rayonnement solaire dédié à la transformation de cette énergie solaire en électricité. La surface de captation du rayonnement solaire est ainsi augmentée par rapport à celle obtenue avec une surface plane qui serait l'équivalent de la surface occupée par la partie centrale du U. Chaque extrémité des « U » formés par les modules (2) est fermée. Leur face intérieure est recouverte d'une cellule photovoltaïque (12). Dans un mode de réalisation, les modules (2) constituant le panneau photovoltaïque avec échangeur thermique sont au nombre de six. Des moyens de transformation calorifiques latéraux (5) et centraux (11) constituent le châssis en forme de « U » de chacun des modules (2). Pour un panneau de six modules, on utilise ainsi six moyens de transformation calorifique centraux (11) constituant le fond des « U » et sept moyens de transformation calorifique latéraux (5) constituant les côtés de chaque « U ». Les moyens de transformation calorifique (5, 11) sont des tuyaux de cuivre aplatis creux à l'intérieur desquels circule un liquide caloporteur (6). Une fois aplatis, les tuyaux font une largeur de huit centimètres environ. Ça correspond sensiblement à la hauteur de passage du fluide caloporteur. L'épaisseur de se passage est alors d'environ deux millimètres. Il est parfaitement envisageable d'utiliser des tuyaux de hauteur différente tant qu'ils sont plats et permettent de remplir deux fonctions, celle de transport de fluide caloporteur et celle de châssis. La longueur de chacun des tuyaux (5,11) est d'environ trente trois centimètres. Le panneau forme un carré de trente trois centimètres sur trente trois centimètres. La surface occupée par le panneau est donc d'environ onze décimètres carrés pour une surface thermique exploitable quarante huit décimètres carrés. Dans un exemple de réalisation, le dispositif comprend cent vingt cellules solaires de 0,5 V pour 400 mA de 76 mm sur 46 mm. -6- Sur chacune des faces des tuyaux aplatis constituant le châssis sont collées les cellules photovoltaïques. Les parois latérales intérieures (3a, 3a') remplissent autant un rôle d'absorption et transformation des photons en électricité que de réflexion de ces photons vers la partie centrale (4a) permettant ainsi de concentrer une plus grande quantité de photons dans le module de transformation du rayonnement lumineux en énergie électrique. La largeur de chaque paroi latérale (3, 3') est identique et une fois et demi supérieure à la largeur de la partie centrale (4). La surface de chaque paroi est égale à une fois et demi la surface de la partie centrale. Il en résulte que la surface totale de cellules photovoltaïques est 4 fois supérieure à la surface disponible pour positionner le module complet composé par ces cellules photovoltaïques. La surface d'échange est donc supérieure à la surface d'ensoleillement reçue. Pour un mètre carré d'ensoleillement reçu, surface prise par un panneau photovoltaïque plan, le dispositif permet de disposer de quatre mètres carrés de surface d'échange. Les extrémités des tuyaux de transport du fluide caloporteur sont reliées d'un côté du panneau à un moyen de transport du fluide caloporteur froid (7) alors qu'elles sont reliées au moyen de transport du fluide caloporteur réchauffé (8) après passage au sein du dispositif. Lesdits moyens de transport de fluide sont des collecteurs constitués de tuyaux de cuivre de trente à trente deux millimètres de diamètre soudés à un élément de cuivre creux assurant l'étanchéité et le transport du fluide caloporteur vers les entrées et sorties de chacun des moyens de transport (5, 11) dudit fluide. À l'intérieur de chacun des U des cellules photovoltaïques sont positionnés des moyens de réflexion et de réfraction des rayons du soleil. Ceci afin d'emprisonner la plus grande quantité possible des rayons infrarouges transformables par les cellules photovoltaïques. Dans un cas de figure, un réflecteur en plastique rigide ou en verre ou tout autre matériau répondant à des propriétés connues de réflexion et/ou de réfraction du soleil et sensiblement transparent et convexe est posé au fond de chaque U. Dans un autre cas de figure, combiné ou non avec le réflecteur convexe, on un réflecteur plan est positionné de biais entre deux longueurs opposée d'une même diagonale du parallélépipède rectangle formé par le U. Dans une autre variante, le réflecteur peut consister un deux plaques rectangulaires reliées sur une de leur longueur et formant un V inversé (13) à l'intérieur du U. -7- L'ensemble peut ainsi être relié à un ballon d'eau utilisé classiquement dans la mise en oeuvre de chauffe eau solaire. Les cellules photovoltaïques seront, elles reliées à un moyen d'accumulation de l'énergie électrique. Les modifications non substantielles qui découleraient de façon évidente, pour l'homme de l'art, de l'utilisation ou de la fabrication du dispositif selon l'invention dont le brevet est ici requis sans en altérer les dispositions originales, n'en seraient que de simples équivalents techniques et entrent également dans le cadre de la présente invention.10 REVENDICATIONS1) Dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique constitué de modules (2) de capture solaire comprenant des cellules photovoltaïques et des échangeurs thermiques caractérisé en ce que chaque cellule photovoltaïque comprend trois parties formant un U, la partie centrale est constituée par une base plane (4) dont une face (4a) constituant un moyen de transformation photovoltaïque est destinée à être exposée au rayonnement solaire alors que la face opposée (4b) est destinée à être fixée sur un support constituant un moyen de transport de fluide caloporteur central (11), les deux parties latérales (3, 3') sont constituées chacune d'une face (3a, 3a') à l'intérieur du U constituant un moyen de transformation photovoltaïque destiné à être exposé au rayonnement solaire et d'une face (3b, 3b') à l'extérieur du U destinée à être en contact avec un moyen de transport de fluide caloporteur latéral (5). 2) Dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de transport de fluide caloporteur (5, 11) conduisent un fluide caloporteur depuis un moyen de transport de fluide caloporteur d'arrivée (7) vers un moyen de transport du fluide caloporteur de départ (8) dudit dispositif (1). 3) Dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits moyens d'arrivée (7) et de départ (8) de fluide caloporteur sont reliés entre eux par un échangeur thermique de refroidissement du fluide caloporteur de départ. 4) Dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de transport de fluide caloporteur central (11) et latéraux (5) constituent des moyens de refroidissement desdits moyens de transformation photovoltaïque (3, 4). 5) Dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de transport de fluide caloporteur central (11) et latéraux (5) sont constitués de tubes sensiblement plats sur toute leur longueur. 6) Dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'intérieur en forme de U de chaque cellule photovoltaïque (3, 4) comprend un moyen de réflexion des rayons du soleil.-9- 7) Dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'intérieur en forme de U de chaque cellule photovoltaïque (3, 4) comprend un moyen de réfraction des rayons du soleil. 8) Dispositif de panneau photovoltaïque à échangeur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'intérieur en forme de U de chaque cellule photovoltaïque (3, 4) comprend un moyen de réfraction et de réflexion des rayons du soleil.