Brevet FR3007938A1 — publié le 20150109

Chambre de culture hydroponique à éclairage naturel Description Domaine technique de l'invention L'invention à pour objet une chambre de culture hydroponique à éclairage naturel. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une chambre de culture hydroponique à 10 éclairage naturel. Elle concerne le domaine technique des chambres de culture de fourrage vert, ainsi que les photo bio-réacteurs permettant la culture, par exemple, des micro-algues. 15 État de la technique Les chambres de culture hydroponique ont été inventées originellement pour apporter du fourrage 20 vert dans les endroits ou leur culture est difficile en terre pour de nombreuses raisons : terre sableuse, pas assez de pluie ou d'eau pour l'arrosage, pas assez de surface de culture, pas assez de lumière, ou plus simplement besoin de produire tout l'année en condition climatiques défavorables. Cette petite révolution à permis de créer de l'élevage dans les zones arides du sahel, par exemple. 25 Généralement, une chambre de culture hydroponique se compose d'un espace clos et isolé, façon chambre froide, rempli de bacs ou les graines poussent dans un film d'eau (procédé dit « NFT » pour nutriment film technic), un éclairage artificiel à l'intérieur, et un groupe de climatisation à l'extérieur, permettant de contrôler la température et la quantité d'air, voire de co2 injecté dans la chambre. Ces machines permettent de fournir environ 20kg de fourrage par mètre carré et par jour, avec un usage d'eau environ 50 à 100 fois inférieur à une culture en sol naturel, soit environ 1,51/kg de fourrage. Les documents de brevets suivants décrivent un certain nombre de chambres de culture hydroponique : EP0062585 Al (DE MONBRISON) ; EP0043595 BI (BRADY) ; EP2369909 5 Al ( BUJ , PIN DUS) Tous ces dispositifs imposent l'utilisation de conditions maîtrisées de température et de lumière, et provoquent des consommations énergétiques importantes, de l'ordre de minimum 1Kw/h par mètre carré / jour, soit environ 25 à 50kw/h par jour pour les surfaces courantes de l'ordre de 20 à 50 m2. 10 Ces consommations sont principalement générées par l'éclairage et le renouvellement de l'air, ainsi que sa climatisation. En effet, la distribution de l'eau, cyclique et par pompe de petit volume, n'est pas gourmande au sens énergétique. Nous savons par contre, que la lumière du soleil est de l'ordre de lkw/m2 au soleil de midi, soit impossible à atteindre en lumière artificielle sans surconsommation, surchauffe, surcoût difficiles à gérer. Ces chambres incorporent des éclairages 15 dits « horticoles », avec une densité d'environ 400w par m2, qu'il faut comparer à leur rendement, difficilement supérieur à 20%..., cela chauffe beaucoup, et rend la climatisation encore plus gourmande. C'est l'éternel problème, soit on « ouvre » des fenêtres pour récupérer de la lumière solaire mais on risque la surchauffe par effet de serre, ou bien on ferme tout, mais il faut refroidir les pertes d'éclairage artificiel et payer la facture énergetique ! Il reste aussi des problèmes liés à 20 au spectre lumineux des ampoules artificielles, qui ont toujours du mal à épouser correctement celui du soleil. Face à cet état de choses, le principal objectif de l'invention est de permettre l'entrée de la lumière solaire tout en occultant l'effet de serre. 25 Parmi les autres objectifs à atteindre par l'invention on peut citer : une consommation énergétique très réduite pouvant atteindre l'énergie positive, une co-culture en symbiose avec des micro-algues, un prix de réalisation maîtrisé. 30 Divulgation de l'invention La solution proposée par l'invention est une chambre de culture hydroponique à éclairage naturel comprenant : - Des cloisons isolantes et porteuses, dotées d'une face externe au soleil et une face interne. - Une cloison isolante et porteuse formant toiture . - Une isolation au sol dans les régions ou cela sera utile. - Une Pluralité de tubes de lumière, constitués d'un cône récepteur de lumière à l'extérieur, d'une longueur supérieure à l'épaisseur des cloisons, de façon à ce que la capture de lumière soit bien dégagée de la cloison isolante. - Ces tubes de lumière seront préférentiellement remplis d'un liquide transparent, de l'eau de pluie, par exemple, additionnée d'un agent antibactérien pour éviter la formation d'algues et garder ainsi une excellente transparence au milieu. - Ils seront préférentiellement composé de plastique, pour ses capacités de dilation. - Ce système est remarquable dans le fait que la lumière traverse avantageusement ces tubes de lumière (presque deux fois plus de lumière qu'une simple vitre plate) , faisant office de fibres optiques géantes, mais aussi ne modifie pas l'isolation : le cône brise l'effet de serre, offrant une très faible surface en contact avec l'air, et ajoute son isolation à celle de l'eau, obligeant ainsi la thermie de l'air extérieur à traverser lmm de plastique, puis 30cm d'eau (aussi isolante qu'une plaque de verre de 60cm d'épaisseur), puis encore lmm de plastique. À cela se rajoutent des phénomènes comme la stratification (celle là même qui permet de stocker de l'eau froide et chaude dans un cumulus sans échange thermique ) et l'effet de film : l'eau sans turbulence à tendance à échanger sur 2mm d'épaisseur, puis à bloquer la vitesse de propagation thermique par conduction. La thermie à aussi plus de mal à traverser des milieux différents, le tout donne, sous condition d'insérer les tubes de plastique sans pont thermique, un ensemble homogène, tout autant isolant qu'une chambre froide. Pour aller plus loin dans la basse consommation, nous utilisons un extracteur double flux pour le renouvellement de l'air, doté d'un échangeur thermique air vicié / air pur d'un rendement de 90%. 30 Ainsi, notre air est renouvelé constamment, avec une perte par renouvellement de 10% de l'écart thermique air intérieur - air extérieur . Pour aller encore plus loin dans cette chasse aux joules, nous utilisons une technique simple de géothermie de surface. Préférentiellement, on fait passer de l'eau dans un tuyau de faible diamètre , enterré à 1,5m du sol, reparti en boucles sur une surface égale à deux fois la superficie de la chambre de culture.Un ventilo-convecteur diffuse les calories dans l'espace de culture, brassant au passage l'air intérieur pour en renforcer l'homogénéité. En été, ce système est auto-suffisant dans la plupart des zones, en hiver, on pourra lui ajouter une pompe à chaleur eau-eau pour relever les quelques degrés manquants. Ce système apporte un gain de l'ordre de 10 par rapport à une climatisation classique, en particulier en été dans les zones chaudes, ou les températures montent à 50 degrés, et mettent les pac classiques à dure épreuve. Comme nous n'allons pas nous arrêter dans un chemin aussi vertueux, nous utiliserons deux possibilités supplémentaires de nos tubes de lumière . - Des LED seront immergées dans la solution aqueuse, préférentiellement directement, et profiteront ainsi d'un double avantage : le rendement lumineux va monter, d'environ 30% grâce au refroidissement au coeur par la masse d'eau. Plus exactement, un peu comme les cellules photovoltaïques, la courbe de rendement lumineux des led est inversement proportionnelle à sa température de jonction, qui monte à 100°C, voire 120°C avec un refroidissement de qualité moyenne. - Autre avantage, on pourra grâce à la surface diffusante intérieure du tube de lumière se passer d'un coûteux diffuseur, qui occulterait au passage encore 10% de rendement lumineux. En effet, la réfraction lumineuse dans l'eau favorise la récolte et la distribution de lumière naturelle dans les tubes de lumière (effet entonnoir à photons + fibre optique), et la led sera autant avantagée par cet effet . Ces led seront bien surs utiles en saison hivernale pour faire un complément à des journées trop sombres, voire trop courtes. Elle pourront en outre servir à « doper » la croissance si nécessaire, en augmentant les données de base de la photosynthèse. La deuxième possibilité, c'est qu'on peut avantageusement créer une co-culture dans les tubes de 30 lumière, à l'intérieur de la solution aqueuse : des micro algues s'y plairont à souhait, sous condition de gérer l'apport nécessaire en air / co2, évacuer l'02 excédentaire de la photosynthèse, et enrichir l'eau avec suffisamment de nutriments, azote, fer etc... Préférentiellement, nous utiliserons les tubes latéraux pour l'utilisation photo bio-réacteur, et les tubes verticaux pour l'usage éclairage led. Bien sur, les tubes de lumière comprendront une entrée d'eau à minima, que l'on pourra boucher ou ouvrir pour le remplissage ou l'entretien de manière hermétique, plus des entrées - sorties pour l'usage photo bio-réacteur . Préférentiellement, l'isolant dans lequel on insère les tubes de lumière sera en matériau réflectif (par exemple polystyrène expansé), voire aluminisé pour ne pas perdre de lumière dans la réflexion contre sa paroi. Une autre méthode est d'aluminiser le tube de lumière sur la surface qui sera en contact avec la paroi isolante. Description des figures 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 aux dessin annexés, réalisé à titre d'exemple indicatif, et non limitatif sur lequel la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une telle chambre de culture hydroponique à éclairage naturel , la figure 2 détaille les tubes de lumière horizontaux (3) et verticaux (4), la figure 3 est une vue d'ensemble isometrique. Modes de réalisation de l'invention. La chambre de culture hydroponique à éclairage naturel est une machine à production de biomasse à très basse consommation énergétique, elle est destinée à la culture de produits utilisant la photosynthèse et nécessitant un milieu contrôlé pour optimiser la croissance et ou la qualité finale. Elle se destine autant à la production d'herbe de fourrage (ex : orge verte) pour l'élevage des animaux que la production de fruits, de légumes, en co-production avec des micro-algues ou non, toujours dans un but de production optimisée en terme consommation d'eau, d'énergie, et d'empreinte environnementale, et pour finir, de prix de revient. En se rapportant à la figure 1, la chambre de culture comprend des cloisons isolantes 2 comportant une face avant exposée aux rayons du soleil, et une face arrière à l'intérieur dirigée vers le milieu de culture . Les parois 2 posent pour les parties périphériques sur soit le sol naturel, soit une isolation au sol, et sont bardées régulièrement de tubes de lumière 3 et 4, horizontaux (3) pour les « murs », verticaux (4) pour le « plafond ». Leur epaisseur dependra du climat et du besoin, l'homme de l'art ajustera ainsi le matériau et sa 10 densité / épaisseur pour obtenir un résultat énergétique efficace. Les tubes de lumière horizontaux 3 qui pourront servir de photo bio-réacteur sont détaillés en figure 2, ou on voit bien le dispositif de remplissage hermétique 8, ainsi que l'entrée de fluide de circulation 7 et sa sortie 6. L'homme de l'art ajustera judicieusement le placement de ces orifices 15 afin que la circulation soit optimisée et la perte en ligne hydraulique faible. Un réservoir global et une ou plusieurs pompes de circulation permettront de récolter les micro-algues et d'en assurer la circulation souhaitée au vu de la variété en culture. Les tubes de lumière verticaux 4 seront traversés, préférentiellement au niveau du dispositif de 20 remplissage par l'alimentation de l'éclairage LED immergé, ce qui permettra aussi de le maintenir en place à la bonne hauteur pour que l'éclairement reparti soit optimal. Si nécessaire, nous pourrons substituer l'eau par , par exemple, de l'huile de silicone pour éviter la corrosion des leds. Le ventilo-convecteur associé à la boucle de géothermie de surface sera régulé par un thermostat, 25 l'extracteur d'air double flux sera ajusté pour que le renouvellement soit permanent mais limité au minimum indispensable. Un exemple de réalisation adapté aux zones tempérées sera composé de cloisons de polystyrène expansé de 12 à 20cm d'épaisseur, bardées de tubes de longueur 16 à 30cm, le tout sera soutenu par une structure porteuse, avantageusement la même qui supporte les bacs de culture. 30 Les cloisons seront protégées par une couche d'abs ou de pvc sur l'extérieur, de façon à les protéger des ultraviolets, ainsi que former une protection mécanique. Les trous de passage des tubes à lumière seront effectués sur ce complexage à l'aide d'une scie cloche, ou au robot d'usinage, sur la base du diamètre du tube vide. Le milieu liquide si utile sera apporté après l'assemblage, et l'expansion du plastique sous la pression permettra de bloquer les ponts thermiques automatiquement. Si les tubes sont remplis d'air, alors un mastic sera utile pour bloquer tout passage d'air qui pourrait affecter le coefficient d'isolation. Les tubes à lumière horizontaux, si utilisés comme photo bio réacteur seront chaînes entre eux, par un réseau d'entrées et de sorties séparées, en sen servant de la gravité pour éviter une quelconque surpression dans les dits tubes à lumière. Un bac de solution nutritive garni d'une souche sera alors pompé vers le départ de la chaîne, et s'écoulera par gravité pour retourner dans le bac, provoquant une mélange air eau par écoulement turbulent. Cette invention se prête facilement à une industrialisation qui concernera la mise à disposition de kits complets, ou de panneaux cloisons isolantes perforées dotées d'un systeme d'assemblage, et 15 livrées avec le nombre de tubes de lumière adequat. 20 25 30 REVENDICATIONS1. chambre de culture hydroponique à éclairage naturel comprenant : - Des cloisons isolantes (2) comportant une face extérieure et une face intérieure, - Une pluralité de tubes de lumière disposées à travers les dites cloisons isolantes, de manière horizontales et verticales (3 et 4) , de façon à ce que l'éclairement naturel à travers ces dits tubes de lumières soit suffisant pour envisager une culture utilisant la photosynthèse sans lumière artificielle. 2. chambre de culture hydroponique à éclairage naturel suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle les tubes de lumière peuvent contenir de l'eau, et dans ce cas sont utilisés aussi pour recevoir une éclairage de type led refroidi par directement par le liquide, et ou le fond du dit tube peut faire office de diffuseur lumineux pour cet éclairage. 3. chambre de culture hydroponique à éclairage naturel suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle on substitue à la climatisation une boucle géothermique de surface, la diffusion de la thermie s'effectuant à travers un ventiloconvecteur, éventuellement aidé par un appoint dans les périodes froides. 4. chambre de culture hydroponique à éclairage naturel suivant la revendication 3 dans laquelle le renouvellement de l'air se fait à travers un extracteur à double flux, permettant ainsi une substantielle économie énergétique. 5. Procédé de fabrication de chambre de culture hydroponique à éclairage naturel consistant à :- effectuer une pluralité de trous à travers des cloisons isolantes, préférentiellement porteuses. -Y glisser de manière étanche des tubes de lumière, garnis de liquide ou d'air, voire de culture biologique, afin de laisser rentrer la lumière sans affecter l'isolation globale. Les tubes seront disposés de manière horizontale sur les murs isolants, et verticale sur la cloison isolante disposée horizontalement faisant office de plafond.