Brevet FR2981202A1 — publié le 20130412

Panneau solaire hybride Domaine technique et état de l'art L'invention concerne une installation solaire, comprenant un panneau solaire comprenant panneau photovoltaïque apte à produire un courant électrique en fonction d'un rayonnement solaire, et un panneau thermique apte à récupérer une énergie thermique du rayonnement solaire qu'il reçoit. Un tel panneau solaire est communément appelé "panneau solaire hybride" est commence à se diffuser dans le commerce. Un panneau solaire hybride est notamment connu du document DE4306409 pour produire l'eau chaude sanitaire d'un bâtiment. L'énergie électrique est fournie à une pompe à chaleur qui chauffe l'eau du ballon d'eau chaude. L'énergie récupérée par le panneau thermique est utilisée pour chauffer l'eau d'un ballon d'eau chaude. Dans un panneau hybride, le panneau thermique récupère les pertes thermiques du panneau photovoltaïque, ce qui permet d'abaisser la température moyenne de fonctionnement du panneau photovoltaïque à environ 40 à 60°C, et donc d'améliorer le rendement du panneau photovoltaïque. Un panneau solaire hybride a ainsi un rendement moyen environ égal à la somme du rendement d'un panneau photovoltaïque et du rendement d'un panneau thermique ; il peut ainsi atteindre du rendement moyen de l'ordre 50 à 60%. Mais un tel rendement reste néanmoins faible. Description de l'invention L'invention propose une nouvelle installation solaire comprenant, en complément d'un panneau hybride tel que décrit ci-dessus, une pompe à chaleur apte à transférer de l'énergie du panneau thermique vers une source chaude de type ballon d'eau chaude. Le panneau hybride produit de l'électricité et capte l'énergie thermique du rayonnement qu'il reçoit. En complément, la pompe à chaleur selon l'invention pompe non seulement l'énergie thermique accumulée dans le panneau thermique, mais également l'énergie ambiante, provenant du soleil et de l'air ambiant au niveau du panneau hybride. En refroidissant le panneau hybride, la pompe à chaleur améliore encore le rendement électrique du panneau photovoltaïque, d'environ 0,48% par degré en moins. De plus, en aspirant l'énergie du panneau thermique, par exemple avec un coefficient de performance de l'ordre de 2 à 10, la pompe à chaleur améliore grandement le rendement du panneau thermique. Le rendement global de l'installation est ainsi largement amélioré. Des expériences ont ainsi montré qu'atteindre un rendement de 85 à 90% est tout à fait possible. De préférence, le panneau thermique est positionné sous le panneau photovoltaïque. Cette position est idéale pour récupérer au mieux les pertes thermiques du panneau photovoltaïque (donc refroidir le panneau photovoltaïque), et l'énergie thermique ambiante. De manière connue, une pompe à chaleur comprend : - un évaporateur adapté à vaporiser un fluide frigorifique à partir d'une énergie prélevée à une source froide, - un compresseur adapté à compresser le fluide frigorigène gazeux, - un condenseur adapté à liquéfier le fluide frigorigène compressé pour fournir une énergie à la source chaude, - un détendeur pour abaisser une pression du fluide frigorigène liquéfié. Dans la pompe à chaleur selon l'invention, la source froide est constituée par le panneau thermique. La pompe à chaleur aspire ainsi l'énergie thermique disponible au niveau du panneau thermique. Egalement, un moteur du compresseur est alimenté en énergie électrique par le panneau photovoltaïque. Ainsi, l'installation selon l'invention est totalement autonome, sans alimentation via un réseau de distribution d'énergie électrique. Selon un mode de réalisation, l'évaporateur de la pompe à chaleur est un échangeur à plaque dont un circuit de fluide amont est relié à un circuit de fluide du panneau thermique. Avec un tel évaporateur, un panneau thermique classique peut être utilisé. Pour optimiser le rendement de l'installation, les débits de fluide doivent être régulés en fonction des conditions climatiques, de la température du panneau thermique et du panneau photovoltaïque, de la consommation en eau chaude du ballon notamment. En particulier, le débit de fluide frigorifique dans l'évaporateur doit être régulé. Selon une variante, le débit de fluide dans l'évaporateur est régulé de sorte qu'un rendement électrique du panneau photovoltaïque soit maximum. Selon une autre variante, le débit du fluide frigorifique dans l'évaporateur est adapté de sorte qu'une température du panneau photovoltaïque soit inférieure de 10 à 20°C par rapport à une température ambiante, et de préférence supérieure au point de rosée (encore appelé température de rosée), c'est-à-dire à la température de condensation de l'humidité contenue dans l'air ambiant. Le point de rosée est notamment fonction du taux d'humidité de l'air ambiant. Ceci permet d'avoir un bon rendement du panneau photovoltaïque. Ceci permet d'avoir également un bon rendement du panneau thermique et de la pompe à chaleur également, avec un différentiel de température entre la source chaude (eau chaude sanitaire à environ 50à 60°C) et la source froide (panneau thermique à environ 20°C) optimisé. Dans un mode de réalisation particulier, l'installation comprend également un microcontrôleur auquel sont connectées des sondes de température et des sondes d'hygrométrie. En fonction de la température et du taux d'humidité mesurés de l'air ambiant, le microcontrôleur adapte le débit du fluide frigorifique dans l'évaporateur de sorte que la température du panneau photovoltaïque soit inférieure de 10 à 20°C par rapport à une température ambiante, et de préférence supérieure au point de rosée. De préférence encore, le microcontrôleur arrête le fonctionnement de l'installation solaire lorsque les conditions climatiques (température et humidité ambiantes) ne permettent pas d'obtenir pour l'installation un coefficient de performance supérieur ou égal à 2 et / ou lorsque l'irradiation solaire n'est pas suffisante pour le fonctionnement des cellules photovoltaïques (la nuit par exemple). Le débit du fluide vaporisé à l'entrée du compresseur doit également être régulé, de préférence de sorte qu'une température du fluide en sortie du compresseur soit de l'ordre de 60°C. Ceci permet d'obtenir une température dans le ballon d'eau chaude de l'ordre de 60°C, température optimale pour ce type d'installation. De préférence, le compresseur est positionné en partie basse du ballon d'eau chaude de sorte à récupérer des pertes thermiques du compresseur pour chauffer l'eau du ballon. De cette façon, on augmente encore le rendement global de l'installation. Enfin, l'installation selon l'invention peut comprendre un accumulateur électrique (communément appelé batterie) pour : - lorsque l'énergie électrique fournie par le panneau photovoltaïque est supérieure aux besoins en énergie électrique du compresseur, accumuler l'énergie électrique fournie par le panneau photovoltaïque, et - lorsque l'énergie électrique fournie par le panneau photovoltaïque est inférieure aux besoins en énergie électrique du compresseur, fournir de l'énergie électrique au compresseur. L'accumulateur permet de suppléer au manque éventuel de puissance électrique nécessaire pour la pompe à chaleur, pendant la nuit ou lors d'un temps couvert par exemple. On peut prévoir par exemple des accumulateurs pour une autonomie électrique de l'installation de trois jours. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'un exemple de réalisation d'une installation selon l'invention. Cet exemple est donné à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec le dessin annexé dans lequel la figure unique est un schéma de principe d'une installation selon l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention L'installation représentée sur la figure unique comprend essentiellement un panneau solaire photovoltaïque 1, un panneau solaire thermique 2 placé sous le panneau photovoltaïque au plus près de ce dernier, et une pompe à chaleur. Le panneau photovoltaïque est relié à un chargeur solaire 3 relié d'une part à une batterie d'accumulateurs 4 et d'autre part à un réseau de distribution d'électricité. Le chargeur 3 récupère l'énergie électrique produite par le panneau, gère la charge électrique de la batterie d'accumulateurs 4, alimente le compresseur et le dispositif de régulation en énergie électrique et transfère l'énergie électrique non utilisée par l'installation au réseau de distribution d'électricité. La pompe à chaleur comprend un évaporateur 10, un compresseur 20, un condenseur 30 et un détendeur 40. Le panneau thermique forme la source froide. Une sortie de la pompe à chaleur est reliée à un ballon d'eau chaude (non représenté) qui forme la source chaude de la pompe à chaleur. L'évaporateur 10 est dans l'exemple un échangeur à plaque, dont un circuit amont 11 est relié à un circuit de fluide 12 du panneau thermique par l'intermédiaire d'un circulateur 13 pour former un premier circuit de fluide. Un premier fluide circulant dans le panneau thermique et dans le circuit amont 11 de l'évaporateur est par exemple de l'eau glycolée, et le débit de fluide est adapté (via la commande du circulateur 13) de sorte que la température à l'entrée du panneau thermique soit d'environ 0°C pour une température ambiante de l'ordre de 20°C et la température à la sortie du panneau thermique soit de l'ordre de 15°C. Un circuit aval 14 de l'évaporateur est relié en série au compresseur, à un circuit amont 31 du condenseur et au détendeur pour former un deuxième circuit de fluide. Dans l'évaporateur 10, un deuxième fluide est vaporisé à l'aide de l'énergie fournie par le premier fluide. Le deuxième fluide est par exemple un gaz frigorifique, par exemple du gaz tétrafluoroéthane (R134) ou un mélange de gaz à base de fluor tel que le R407. En sortie de l'évaporateur, le deuxième fluide a par exemple une température de l'ordre de 15°C. Alimenté en énergie électrique par le panneau photovoltaïque, un moteur du compresseur 20 comprime le fluide vaporisé et élève ainsi sa pression et sa température. La température du fluide en sortie du compresseur est par exemple de l'ordre de 60°C. Dans le condenseur 30, le fluide compressé se liquéfie dans le circuit amont 31 du condenseur, en cédant son énergie au fluide circulant dans le circuit aval 32. Une entrée et une sortie du circuit aval 32 sont reliées respectivement au circuit de retour et au circuit d'entrée du ballon d'eau chaude. En entrant dans le circuit aval 32, le fluide a par exemple une température de l'ordre de 50°C ; le fluide se réchauffe dans le circuit aval 32 pour atteindre une température de l'ordre de 60°C en sortie, température souhaitée pour l'eau chaude du ballon d'eau chaude. Dans le détendeur 40, la pression du fluide liquéfié sortant du circuit amont 31 du condenseur 30 est abaissée. La température du fluide en sortie du détendeur est de l'ordre de 0°C. L'installation comprend également des moyens de pilotage et de régulation de l'installation, et notamment : - un moyen pour réguler le débit du premier fluide circulant dans le panneau thermique - un moyen pour réguler le débit du deuxième fluide et le taux de compression du compresseur, et - un moyen pour gérer la fourniture d'énergie électrique au compresseur et optimiser la charge de la batterie d'accumulateur. Le débit du premier fluide est régulé en fonction notamment des conditions climatiques que sont la température, l'ensoleillement, l'hygrométrie au niveau du panneau, etc. Le débit du premier fluide est régulé pour - optimiser la température de fonctionnement du panneau photovoltaïque pour optimiser son rendement, - sécuriser le fonctionnement du panneau photovoltaïque, notamment en garantissant une température du panneau photovoltaïque supérieure à la température du point de rosée, et en dégivrant le panneau si nécessaire. Le débit et le taux de compression du deuxième fluide sont régulés (via un régulateur 22) en fonction notamment du débit du premier fluide et des besoins en énergie pour maintenir la température dans le ballon d'eau chaude à la température souhaitée. Le débit du deuxième fluide est optimisé pour optimiser le rendement de la pompe à chaleur. L'énergie électrique fournie par le panneau photovoltaïque est fournie, en fonction de l'énergie disponible et dans l'ordre de priorité : - au compresseur de la pompe à chaleur, - à la batterie d'accumulateurs, - au réseau de distribution d'énergie électrique. Le ou les panneaux sont de préférence orientés pour un fonctionnement optimal de l'installation en période hivernale. Le ou les panneaux seront donc positionnés de préférence plein sud et de manière à avoir des rayons du soleil perpendiculaires aux panneaux en période hivernale. En période hivernale, l'énergie ambiante disponible est la plus faible de l'année et il est donc particulièrement important d'en récupérer la phis grande quantité. REVENDICATIONS1. Installation solaire, comprenant un panneau solaire comprenant panneau photovoltaïque apte à produire un courant électrique en fonction d'un rayonnement solaire, et un panneau thermique apte à récupérer une énergie thermique du rayonnement solaire qu'il reçoit, caractérisée en ce qu'elle comprend également une pompe à chaleur apte à transférer de l'énergie du panneau thermique vers une source chaude de type ballon d'eau chaude. 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle le panneau thermique est positionné sous le panneau photovoltaïque. 3. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la pompe à chaleur comprend : - un évaporateur adapté à vaporiser un fluide frigorifique à partir d'une énergie prélevée à une source froide constituée du panneau thermique, - un compresseur adapté à compresser le fluide frigorigène gazeux, un moteur du compresseur étant alimenté en énergie électrique par la couche photovoltaïque - un condenseur adapté à liquéfier le fluide frigorigène compressé pour fournir une énergie à la source chaude, - un détendeur pour abaisser une pression du fluide frigorigène liquéfié. 4. Installation selon la revendication 3, dans laquelle l'évaporateur est un échangeur à plaque dont un circuit de fluide amont est relié à un circuit de fluide du panneau solaire thermique. 5. Installation selon l'une des revendications 3 ou 4, comprenant également un moyen pour réguler un débit du fluide frigorifique dans l'évaporateur de sorte qu'une température du panneau photovoltaïque soit inférieure de 10 à 20°C par rapport à une température ambiante. 6. Installation selon la revendication 5, dans laquelle le moyen de régulation régule également le débit du fluide frigorifique dans l'évaporateur de sorte que la température du panneau photovoltaïque soit supérieure à un point de rosée de l'air ambiant. 7. Installation selon l'une des revendications 3 ou 4, comprenant également un moyen pour réguler un débit du fluide frigorifique dans l'évaporateur de sorte qu'un rendement électrique du panneau photovoltaïque soit maximum. 8. Installation selon l'une des revendications 3 à 7, comprenant également un moyen pour réguler un débit du fluide vaporisé à l'entrée du compresseur de sorte qu'une température du fluide en sortie du compresseur soit de l'ordre de 60°C. 9. Installation selon l'une des revendications 2 à 8, dans laquelle le compresseur est positionné en partie basse du ballon d'eau chaude de sorte à récupérer des pertes thermiques du compresseur pour chauffer l'eau du ballon. 10. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un accumulateur électrique, pour : - lorsque l'énergie électrique fournie par le panneau photovoltaïque est supérieure aux besoins en énergie électrique du compresseur, accumuler l'énergie électrique fournie par le panneau photovoltaïque, et- lorsque l'énergie électrique fournie par le panneau photovoltaïque est inférieure aux besoins en énergie électrique du compresseur, fournir de l'énergie électrique au compresseur.