Brevet FR3005813A1 — publié le 20141121

Panneau Solaire Hybride Description Domaine technique de l'invention L'invention à pour objet un panneau solaire hybride. L'invention concerne également un procédé pour refroidir les éléments photovoltaïques d'un panneau solaire hybride, ainsi qu'un 10 procédé de fabrication d'un tel panneau solaire. Elle concerne le domaine technique des échangeurs thermique pour le contrôle thermique de panneaux de panneaux solaires hybrides (capable de produire une énergie électrique et une énergie thermique), les dits échangeurs comprenant des moyens de circulation du fluide de refroidissement. 15 État de la technique 20 Les panneaux électriques photovoltaïques permettent de produire une énergie électrique à partir du rayonnement solaire. Ils comprennent une pluralité d'éléments photovoltaïques qui fonctionnent suivant le principe de l'effet photoélectrique. Généralement, plusieurs éléments sont reliés entre eux sur un panneau photovoltaïque, et plusieurs panneaux sont regroupés ensemble pour créer une installation solaire. Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommée sur place ou 25 alimenter un réseau de distribution. Les panneaux solaires photovoltaïque ne convertissent qu'une faible part du rayonnement solaire (aujourd'hui en dessous de 20%), le reste étant de la chaleur non utilisée. Cette chaleur est défavorable à la performance électrique des panneaux solaires, puisqu'on peut constater une diminution de l'efficacité de l'ordre de 0,5% par °C. C'est pourquoi il est doublement intéressant de refroidir les panneaux solaires photovoltaïques. En effet, non seulement l'efficacité des éléments photovoltaïques, mais les calories du refroidissement peuvent être utilisées dans des systèmes de chauffage plus ou moins complexe. On parle alors de panneaux solaires hybrides capable de 5 produire une énergie électrique et une énergie thermique. Généralement, un échangeur thermique est disposé en vis à vis de la face arrière des éléments photovoltaïques de façon à refroidir ces derniers. Les documents de brevets suivants décrivent un certain nombre d'échangeurs thermiques pour panneaux solaires : FR 2.319.585 (LIEBARD) ; FR 10 2.566.183 (LUCCIONI) ; FR 2.727.790 (CYTHELIA) ; US 4.361.717 (GILMORE) ; US 4.184.543 (KLEINE) ; US 7.076.965 (LASICH) ; DE 197.47.325 (SCHRENK) ; DE 10.2004.002.900 (MASCHKE) ou encore FR 2.967.817-Al (BROTTIER / MOUTERDE). Tous ces échangeurs permettent de refroidir les éléments photovoltaïques afin d'augmenter leur 15 rendement. Toutefois, ils présentent un certain nombre d'inconvénients : leur conception peut être relativement complexe et alourdissent les panneaux, ils permettent rarement de refroidir de manière uniforme les éléments photovoltaïques, les calories ne sont pas extraites de manière optimisée, il est nécessaire d'utiliser beaucoup d'énergie pour déplacer le fluide réfrigérant. De plus, ils comportent beaucoup de parties, souvent métalliques, qui contribuent à augmenter leur 20 coût de fabrication, sa complexité, et fonctionnent sous pression, de l'ordre de 2 à 3 bars, Cette dernière caractéristique, associée à une montée en température nécessaire des matériaux pour accomplir leur fonction, augmente encre les difficultés de fabrication, et réduit d'autant la durée de bon fonctionnement du produit complet, sauf à adopter des métaux coûteux, comme par exemple l'acier ixoxydable ou le cuivre. 25 Ces systèmes utilisent des solutions pour perturber l'écoulement , rendant ainsi les échanges thermiques plus efficaces, mais au détriment des pertes de charges, ajoutant ainsi une surconsommation des pompes de circulation, diminuant d'autant le rendement global de l'opération hybride. 30 Face à cet état de choses, le principal objectif de l'invention est de simplifier la conception des échangeurs pour panneaux solaires hybrides, de façon qu'ils puissent être fabriqués de manière industrielle, plus rapidement, et à moindre coûts. Parmi les autres objectifs à atteindre par l'invention on peut citer : une extraction optimisée des calories, une circulation de liquide de refroidissement très économe en énergie, un poids réduit au 5 niveau de l'échangeur et une quantité d'eau dans l'échangeur minimale, contribuant ainsi à ne pas solliciter exagérément la structure du panneau photovoltaïque, une durée de vie allongée. Divulgation de l'invention La solution proposée par l'invention est un panneau solaire hybride comprenant : 10 - Des éléments photovoltaïques comportant une face avant et une face arrière. - Une zone dite de distribution qui consiste à créer une pluralité de canaux de circulation de gouttes de liquide de refroidissement turbulentes. - Une zone dite d'échange ou les gouttes de liquide de refroidissement turbulentes 15 récupèrent la thermie au dos des éléments photovoltaïques. - Une zone de collecte ou le liquide de refroidissement est collecté par la seule force de gravité. 20 Ce panneau est remarquable en ce que la plaque intérieure regroupe les zones de distribution, d'échange et de collecte, et fait aussi office d'isolation. Préférentiellement, la dite plaque arrière est une pièce monobloc non métallique, et grâce à la pluralité de gouttes d'eau turbulentes, ne nécessite aucun élément dit « de perturbation ». la 25 circulation du fluide se fait à pression atmosphérique, ne nécessitant aucune technique d'assemblage coûteuse, ni le moindre gramme de métal. Cette plaque inférieure peut constituer non seulement la zone de distribution / échange / collecte, mais aussi tout ou partie du support isolant du panneau photovoltaïque, ce qui lui permet entre autre 30 de constituer une toiture isolée, voire un capot supérieur de réservoir de stockage d'eau chaude. La plaque inférieure comprend préférentiellement une zone supérieure de diffusion, qui crée la pluralité de goutte d'eau turbulentes, et possède l'originalité que les gouttes d'eau sont déposées directement sur la face arrière des cellules photovoltaïques, plus exactement sur le film de laminage plastique fin qui les protège (ex : dupont Tedlar ). Par ce fait, elle vont accélérer et tourner sur elles mêmes en chutant, suivant la force de gravité, transformant ainsi la face arrière des éléments photovoltaïques en échangeur thermique. A cet endroit, la plaque inférieure ne supporte aucune pression, et ne sert plus qu'a isoler la zone d'échange de l'air extérieur, voire à guider quelques gouttes qui n'auraient pas « collé » au dos des éléments photovoltaïques vers la zone de collecte. Ainsi, la plaque inférieure peut donc se retrouver simplement « pressée » contre le dos du panneau, un simple joint pouvant occulter les sorties de gouttes d'eau en dehors de la zone d'échange ou de 10 collecte. Pour optimiser l'échange thermique, la distance entre l'arrière des cellules photovoltaïque et la plaque d'échange est toujours inférieure ou égale à la taille de la goutte générée par la zone de distribution, forçant ainsi une goutte n'ayant pas « collé » au dos des éléments photovoltaïques à 15 échanger sa thermie par conduction, ce avant d'arriver dans la zone de collecte. La face arrière de la plaque arrière est naturellement dépourvue de système d'isolation, on fera simplement varier sa matière et son épaisseur pour s'adapter aux diverses zones de la planète. Éventuellement, un film de protection ultraviolet, ou une peinture sera utile si le matériau ne résiste 20 pas naturellement aux rayonnements ultraviolets (cas du polystyrène, par exemple) . On choisira préférentiellement un thermoplastique / plastique / composite de qualité alimentaire pour fabriquer la plaque arrière, afin d'éviter un double échangeur dans l'installation solaire, augmentant d'autant les performances thermiques. La disposition du système fait que la plaque 25 arrière ne contient pas de liquide si il n'y à pas d'échange, il n'existe donc aucun risque de gel, le système se vidange seul, par gravité. Préférentiellement, le boîtier de jonction électrique au dos du panneau photovoltaïque sera de taille minimale, de façon à ne pas perturber la zone d'échange, et situé dans une zone optimisée du 30 panneau ou il provoquera le minimum de gène , autant pour la facilité de câblage que pour la qualité des échanges thermiques. On utilisera une pompe pour apporter le liquide dans la zone d'échange, mais sa puissance sera limitée à la hauteur de relevage de l'eau, le processus entier se déroulant ensuite par gravité. Par exemple, pour un panneau dont l'entrée se trouve 2m plus haut que le stockage, environ 2-3w suffiront à relever l'eau, car la pression requise n'est que de 0,2 bars , et le pompage n'est pas forcement permanent : on pourra créer des cycles liés au delta T requis, balançant ainsi la demande électrique ou thermique du panneau en fonction de la saison et des besoins en électricité / eau chaude . Ainsi, pour optimiser le refroidissement des cellules photovoltaïques en saison chaude, on pourra 10 refroidir l'eau chaude du stockage en activant des cycles diurnes, permettant ainsi le lendemain une pleine journée de circulation d'eau sans surchauffe du stockage. Cette fonction, grâce à notre échange très économique en énergie, pourra être sélectionnée sans risque de bilan énergétique combiné médiocre. 15 Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un panneau solaire hybride dans lequel un échangeur thermique est disposé sous les éléments photovoltaïques dudit panneau, ledit procède constituant à : -Disposer une plaque de distribution / échange /collecte inférieure sous les dits éléments photovoltaïques, ladite plaque limitant une zone d'échange thermique par le biais de gouttes 20 turbulentes passant directement sur le dos des éléments photovoltaïques . -Créer sur ladite plaque une zone dite de distribution supérieure afin de disposer d'une pluralité de canaux de gouttes turbulentes minimisant ainsi les zones photovoltaïques non couvertes par l'échange thermique direct. Préférentiellement, on utilise un matériau isolant d'épaisseur variable, non métallique, thermo-formé, moulé ou collé. Description de la figure 25 30 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence au dessin annexé, réalisé à titre d'exemple indicatif, et non limitatif sur lequel la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un panneau solaire hybride conforme à l'invention. Modes de réalisation de l'invention. Le panneau solaire objet de l'invention est un panneau hybride, c'est à dire qu'il est capable de 10 produire une énergie électrique et une énergie thermique. Il est destiné à être utilisé seul, ou en combinaison avec d'autre panneaux similaires, de façon à ce que l'énergie électrique et thermique qu'elle produit soient exploitables par une habitation ou une installation. En se rapportant à la figure 1, le panneau solaire intègre des éléments photovoltaïques 1 comportant 15 une face avant et une face arrière, elle même laminée avec un film plastique mince. La face avant est laissée libre, de façon a ce qu'elle puisse recevoir le rayonnement solaire. La face arrière est en vis à vis d'une zone de distribution de gouttes de liquide de refroidissement 3, préférentiellement de l'eau, située en haut du panneau, au dessus de la zone d'échange. Les gouttes de liquide de refroidissement 4 glissent par gravité, restant attachées au dos des éléments photovoltaïques par le 20 principe de la tension superficielle des liquides, jusqu'à la zone de collecte 5. Le panneau solaire contient plusieurs éléments photovoltaïques connectés en série ou parallèle. Ces derniers peuvent contenir des cellules photovoltaïques, des couches minces photovoltaïques, etc. Les types d'éléments photovoltaïques étant bien connus de l'homme du métier, ils ne seront pas 25 détaillés ici avec plus de précision. En pratique, notre plaque arrière n'a pas besoin d'être fixée au panneau solaire, mais seulement maintenue en place, ou collée, sans besoin réel d'étanchéité. Seule la zone de collecte 5 se doit d'avoir un lien étanche avec la partie basse du dos des cellules photovoltaïques. De manière 30 préférentielle, cette zone 5 sera simplement incorporée dans le profilé qui sert de cadre au panneau, ou collée au dos des éléments photovoltaïques dans les procédés dit « frameless » (sans cadre ou profilé, technique utilisée sur les toits en intégration au bâti), en utilisant le même méthode que le collage du boîtier de jonction, soit un mastic ou colle adapté. La zone de distribution 3, qui peut par exemple être un simple tuyau de type « goutte à goutte », ou 5 usinée / moulée dans la plaque arrière 7, n'a pas plus besoin de fixation étanche, la simple projection des gouttes d'eau, voire leur glissement sur le dos des éléments photovoltaïques suffit en combinaison avec la gravité à emmener naturellement les gouttes vers la zone de collecte 5. Dans tous les cas, la plaque arrière 7 est située sous les éléments photovoltaïques 1 de manière à ne pas faire obstacle au rayonnement solaire. 10 Un fluide de refroidissement, qui est typiquement de l'eau, coule en gouttes le long de la face arrière des éléments photovoltaïques afin de récupérer leurs calories. Pour protéger électriquement les éléments photovoltaïques 1 du fluide de refroidissement, un isolant électrique de type film plastique mince (exemple : Dupont tedlar épaisseur 50 microns) fait l'interface avec la face arrière des dits 15 éléments. Il n'y à donc pas de contact direct entre les composants électriques des éléments photovoltaïques 1 et le fluide de refroidissement. Cette feuille fait de toute façon partie intégrante du process de fabrication des panneaux photovoltaïques, elle est laminée à chaud sous les cellules photovoltaïques, constituant la protection électrique, mécanique et anti corrosion. Bien que ce film soit plastique, son coefficient d'isolation est négligeable au vu de sa très faible épaisseur, de l'ordre 20 de 50 microns. La résistance thermique globale est donc faible, mais nous aidera tout de même à ne pas dépasser les températures de fusion du matériau de la plaque arrière, de l'ordre de 95°c, par exemple, pour le polystyrène extrudé haute température (XPS). Pour notre utilisation, le but est de rester dans des températures inférieures à 60°c, car au dessus le rendement des cellules retombe, et le coefficient d'isolation de la plaque arrière sera dosé en 25 fonction de ce critère et du climat. L'avantage d'utiliser un panneau photovoltaïque comme récepteur d'énergie thermique, c'est qu'au plus la différence de température entre le liquide de refroidissement et la température du dos des cellules photovoltaïques va augmenter, au plus les pertes thermiques vont augmenter (en particulier par conduction et rayonnement côté vitre), rendant le système auto-protégé d'une montée en température destructive. 30 En pratique, l'ensemble hybride photovoltaïque comprend trois zones principales : une zone de distribution du liquide de refroidissement, une zone d'échange thermique par gouttelettes 4, isolée par la plaque 7, et une zone de collecte dudit fluide 5. Les éléments photovoltaïques 1 sont préférentiellement regroupés au dessus de la zone d'échange 4, mais peuvent aussi être répartis au dessus des zones de distribution 3 et de captage 5. La zone d'échange 4 à par exemple une surface comprise entre 0,3 m2 et 5 m2. Comme représenté sur la figure 1, la plaque arrière 7 est monobloc, obtenue par usinage, thermoformage ou moulage d'un matériau non métallique, préférentiellement de qualité alimentaire et insensible à l'action de l'eau dans le temps. Préférentiellement, ladite plaque arrière fera aussi office de zone de distribution, et de zone de collecte, limitant l'investissement industriel à un élément monobloc rapporté sur un panneau photovoltaïque classique, très facile à insérer dans une chaîne de fabrication classique, voire à rajouter sous forme de kit après fabrication. La distance entre la plaque 7 et le dos des éléments photovoltaïques 1 sera minimale, de l'ordre de 1 à 2 mm maximum, de façon à être toujours inférieure ou égale à la moyenne de la taille des gouttelettes d'eau en circulation turbulente à l'intérieur de la zone d'échange 4. Cette distance sera maintenue par tout moyen physique, par exemple moulée sous forme d'entretoises dans la plaque 7, ou de séparateurs collés sur la plaque 7, en regard du dos des éléments photovoltaïques. Le nombre de canaux de diffusion de gouttes d'eau sera maximal, avec un espacement préférentiel 20 de 2cm. Ainsi, les éléments photovoltaïques, souvent au format 125x125mm, seront traversés par en moyenne 6 canaux de gouttes de liquide de refroidissement, ce qui leur assure un refroidissement optimal et uniforme, sans point chaud qui diminuerait le rendement global du panneau. Tout besoin d'élément de perturbation est ainsi éliminé, le seul déplacement des gouttes de liquide 25 de refroidissement, combiné de manière préférentielle à une variation de débit séquentielle de la pompe qui emmène le fluide de refroidissement dans la zone de distribution 3 suffit à rendre le passage des gouttes turbulentes aléatoire, et garantit ainsi la couverture de la totalité de la surface arrière des cellules photovoltaïques 1. 30 Dans la zone 2 de la figure 1, on schématise l'entrée du fluide, qui sera préférentiellement un raccord rapide, collé ou vissé sur la périphérie supérieure de la zone de distribution 3. Par analogie, dans la même figure 1, la zone 6 décrit la sortie du fluide de refroidissement, après le captage, qui sera préférentiellement de même facture que le raccord d'arrivée, et sera collé ou vissé, de manière étanche à la périphérie inférieure de la zone de captage. De manière préférentielle, on utilisera une boite de connexion aux dimensions minimales, de façon 5 à ne pas perturber le bon refroidissement de tous les éléments photovoltaïques. L'homme de l'art fera en ainsi en sorte de ne pas gêner le bon refroidissement des éléments photovoltaïques en le sélectionnant et le localisant de manière optimisée, par exemple dans un coin, ou sous un profilé. 10 15 20 25 REVENDICATIONS1. Panneau solaire hybride comprenant : - Des éléments photovoltaïques (1) comportant une face avant et une face arrière, - Une plaque arrière (7) disposée en vis à vis de la face arrière desdits éléments photovoltaïques (1) - Ladite plaque (7) comportant une zone de distribution de gouttes de liquide de refroidissement (3), et une zone de collecte de ces gouttes, et se caractérisant par le fait que les gouttes d'eau sont simplement isolées de l'air extérieur par sa présence. - La distribution des gouttes du liquide de refroidissement (4) se fait directement sur le dos des éléments photovoltaïques (1). Les gouttes descendent par gravité, protégées et isolées thermiquement par la plaque arrière (7) vers la zone de collecte (5) , le tout transformant le dos des éléments photovoltaïques en zone d'échange thermique. 2. Panneau solaire suivant la revendication précédente dans lequel la plaque arrière (7), de type monobloc, constitue à la fois la zone de distribution(3), de collecte(5) et l'isolation. 3. Panneau solaire suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le passage du liquide de refroidissement se fait sans pression et par simple gravité. 4. Panneau solaire suivant l'une des revendications précédentes dans lequel la plaque arrière, non métallique, est constituée par un matériau composite ou plastique, qui fait aussi office d'isolation. 30 5. Panneau solaire suivant l'une des revendications précédentes pour lequel il suffit de doser l'épaisseur de la plaque arrière pour régler le coefficient d'isolation. 25 6. Panneau solaire suivant l'une des revendications précédentes comportant un boîtier de jonction, dans lequel le boîtier de jonction est doté de dimensions minimales, de manière à disparaître hors de la surface des éléments photovoltaïque, pour se loger dans une partie technique du support des éléments photovoltaïques, comme le coin ou le profilé cadre. 15 20 25 30