Brevet FR3001988A1 — publié le 20140815

L'invention concerne un système de couverture de toiture présentant un panneau solaire complètement intégré, en particulier un panneau photovoltaïque intégré, ainsi qu'une toiture pourvue de tels éléments. Les modules solaires une fois assemblés sur la charpente de la toiture, assurent l'étanchéité de la toiture aux intempéries ainsi que la tenue aux charges de vent et de neige. Ces modules solaires constituent les éléments, comme les tuiles, de la toiture. Le domaine d'application de cette invention se limite aux toitures dont la charpente est capable de par sa conception de résister aux poids des panneaux solaire intégrés, en particulier des panneaux photovoltaïques. Il existe de nombreux types de capteurs solaires différents avec des systèmes de montage en toiture diversifiés. Les types de capteurs sont soit des capteurs thermiques plans à production d'eau chaude, soit des capteurs photovoltaïques purs ou hybrides c'est-à-dire capable de produire simultanément de l'énergie électrique et de la chaleur, généralement de l'eau chaude. Les systèmes de fixation de ces capteurs sont divers et en général permettent l'intégration dans une toiture neuve ou existante. Cependant chaque type de capteurs solaires possède son propre système d'intégration, qui n'est pas toujours compatible avec un autre système. La plupart des systèmes d'intégration concernent une intégration partielle sur une surface limitée de la toiture. Le but de la présente invention est de couvrir par ces éléments solaires intégrés l'ensemble d'un pan de toiture. Un autre but de cette invention est de pouvoir couvrir un pan de toiture par des éléments solaires intégrés assurant différentes fonctions, production en cogénération d'électricité et d'eau chaude, production d'eau chaude seule, et refroidissement de liquide, suivant les besoins énergétiques du bâtiment muni de cette toiture et ceci avec les mêmes éléments d'intégration. Un autre but de la présente invention est de proposer un tel dispositif qui peut être fabriqué en usine et standardisé afin de faciliter l'installation et ceci dans des conditions favorables d'exploitation. D'autres avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. Aussi, l'invention concerne un dispositif de couverture de toiture présentant un panneau solaire intégré, le dispositif comprenant : - Une partie A dite « couverture solaire » - Une partie B dite « module d'intégration » La partie A, « couverture solaire » peut être constituée soit d'un panneau photovoltaïque standard avec cadre (5), avec des cellules de type monocristalline ou poly-cristalline, soit d'un panneau standard bi-verre (6) de cellules photovoltaïques de type monocristalline ou poly- cristalline, soit de cellules photovoltaïques en feuille souple. Elle peut également être faite d'un cadre en profil adapté (7) muni d'un vitrage transparent (8). Ce vitrage transparent (8) peut être un verre ou plastique solaire, un verre ou plastique transparent à certaines longueurs d'onde spécialement pour certaines applications de refroidissement nocturne. La partie B, « module d'intégration », est constituée d'une plaque échangeur thermique (1), d'une plaque isolante (2), d'un cadre de coupure thermique (3) et d'une tôle métallique(4) formée de telle façon que les modules d'intégration s'assemblent par recouvrement assurant l'étanchéité de la toiture. Les dimensions du module d'intégration sont en longueur L de l'ordre de 1m à 1.8m et en largeur I de l'ordre de 0.5m à 1.2m. L'échangeur thermique (1), fait à partir d'une tôle plane ou se trouvent des canaux (10) de circulation d'un fluide caloporteur avec des tubulures (11) et (12) de sorties et d'entrées de ce fluide caloporteur. Une version de cet échangeur dite « simple » ne comporte qu'une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie de fluide caloporteur. Une autre version dite « échangeur pour panneau photovoltaïque » comporte les canaux (13), une ou plusieurs entrées ou sorties de fluide caloporteur (14) et (15), et une découpe (16) propre à laisser passer la boite de jonction électrique du panneau photovoltaïque. Cette version ne convient qu'à l'adjonction d'un panneau photovoltaïque collé sur la face (18) de l'échangeur, ce qui rend ce panneau photovoltaïque hybride, producteur de courant électrique simultanément avec de l'eau chaude. L'échangeur thermique (1) ne se limite pas à ce type de construction, il peut être fait à partir d'une tôle d'aluminium sur laquelle sont soudé des tubes de cuivre formant un circuit avec une ou des entrées, sorties de fluide caloporteur. La plaque isolante (2) est soit une mousse projetée ou une plaque de laine minérale. Elle est soit entière et recouvre la face arrière de l'échangeur (1), soit munie d'une découpe (19) propre à laisser passer la boite de jonction électrique d'un panneau photovoltaïque. Le cadre de coupure thermique (3) est constitué de profils (20), (21), soudés ou collés ensemble de façon à former un cadre. Ce cadre peut être renforcé par le profil (22). Pour éviter que l'échangeur thermique (1) perde de la chaleur vers l'extérieur à travers le cadre (3) et la tôle métallique (4) par conduction thermique des matériaux, le cadre (3) sera de préférence en matériau peu conducteur de la chaleur, tel que le bois, le plastique ou l'acier inoxydable. La hauteur h des profils (20), (21) est variable suivant la destination finale du module solaire, soit en capteur plan solaire ordinaire, soit en panneau photovoltaïque hybride. En ordre de grandeur, cette hauteur h varie de 15 à 60 mm. La tôle métallique (4) est faite d'une plaque mince métallique qui comporte aux deux bords dans le sens de la pente de la toiture, des canaux (30) et (31) propre à recevoir l'eau de pluie qui tombe sur la toiture et à la conduire vers les systèmes d'évacuation des eaux pluviales tels que gouttières. Les « modules d'intégration » s'emboitent les uns aux autres de telle façon que la pluie récoltée dans un canal (30) d'un module supérieur se déverse dans le canal (30) d'un autre module inférieur et que la pluie récoltée dans un canal (31) d'un module supérieur se déverse dans le canal (31) d'un autre module inférieur. Et ceci par recouvrement partiel des canaux (30) et (31) dans le sens de la pente de la toiture, du module supérieur sur le module inférieur. Les canaux d'évacuation d'eau (30) et (31) ont des profils (100) et (101) différents de telle façon que les canaux (30) et (31) de deux modules supérieur et inférieur dans le sens de la pente de la toiture se recouvrent partiellement et s'emboitent et que des modules adjacents se recouvrent et s'emboitent, afin d'assurer la continuité des canaux (30) et (31) et donc l'étanchéité de la toiture. La plaque mince comporte également des profils (104) inférieurs et (105) supérieurs de telle sorte qu'au cours de l'assemblage d'un module d'intégration supérieur avec un module d'intégration inférieur, les profils (104) et (105) s'emboitent l'un au-dessus de l'autre. A savoir que le profil (104) est au-dessus du profil (105). La tôle métallique (4) dispose d'appuis (40, 41, 42, 43) de telles façon que leurs surfaces respectives a, b, c et d soient dans le même plan (46). Le plan (45), parallèle à la surface (S) est au-dessus du plan (46), l'écartement entre (S) et le plan(46) est de l'ordre de 2 à 5 cm. Les plans (45) et (46) ne sont pas strictement parallèles dans le sens de la pente de la toiture, l'angle entre ces plans est de l'ordre de 0.1 à 0.2°. Le petit angle entre les plans (45) et (46) est nécessaire pour assurer l'emboitement correct des canaux (30) et (31) d'un module à l'autre. Les surfaces a, b, c, et d des appuis reposent sur l'ossature de la toiture qui peut être soit des pannes en bois ou métalliques associées à des chevrons selon l'architecture du bâtiment et son système constructif, ou des pannes reliés par des panneaux en bois ou métalliques, ou des plaques isolantes structurantes. Ces appuis assurent la rigidité des modules d'intégration aux charges climatiques et également quand le personnel effectue le montage des modules sur une toiture. C'est pour cette raison que le montage des modules d'intégration doit s'effectuer de bas en haut dans le sens de la pente de la toiture, puis au deuxième rang avec recouvrement latéral, de la même manière. Cette plaque mince (4) possède en partie inférieure une surface de déviation d'eau(50), ce qui permet à l'eau de pluie qui tombe sur la face (200) du panneau photovoltaïque, de s'écouler transversalement vers les canaux (30) et (31). La plaque mince (4) du module d'intégration est munie de perforations (60) en haut et en bas, (61, 63) dans les canaux (30) et (31), de joints (66) en haut, (67, 68) dans les canaux (30) et (31), et de bagues d'appui (69) de telle façon que les vis de fixation (70) serrent solidement les modules d'intégration sur l'ossature de la toiture. Ce serrage ne provoque pas de déformation de la plaque mince (4). L'ensemble de ce dispositif avec le recouvrement des profils (104) et (105) assure l'étanchéité et la tenue des modules sur l'ossature de la toiture. Il permet également de faire un démontage facile d'un module d'intégration lors du remplacement d'un module d'intégration défectueux. La plaque mince (4) possède des ouvertures (80, 81, 82, 83) dans le sens de la pente de la toiture qui servent à faire passer les câbles électriques et les tubes hydrauliques de fluide caloporteur d'un module d'intégration à un autre module d'intégration. L'assemblage de la plaque mince (4), du cadre de coupure thermique (3) et de l'échangeur (1) est réalisé par des collages étanches à l'eau (90) et (91) et des vis de façon à former un seul bloc B. Maintenant nous sommes en mesure de définir différents panneaux solaires sur le principe d'assemblage des parties A et B. La combinaison des différents éléments conduit à une première réalisation d'un panneau photovoltaïque hybride, à savoir la partie A composée soit d'un panneau photovoltaïque standard avec cadre, soit d'un panneau photovoltaïque bi-verre, soit d'un panneau photovoltaïque en feuille souple, assemblé par le collage (92) sur le bloc B constitué par l'échangeur (1), l'isolant (2), le cadre de coupure (3) et la plaque mince (4). La deuxième combinaison des éléments conduit à la confection d'un panneau solaire purement thermique producteur d'eau chaude par exemple pour chauffer l'eau d'une piscine à basse température. Pour ceci, la partie A est inexistante, et la partie B constituée de l'échangeur (1), de l'isolant (2), du cadre de coupure (3) et de la plaque mince (4). La surface (201) exposée au soleil de l'échangeur (1) est recouverte d'un revêtement absorbant les rayons solaires, noir ou sélectif aux infra-rouge. Une troisième construction est possible, c'est un capteur solaire purement thermique comme le précédent, mais muni d'un vitrage solaire (8), ce qui permet de produire de l'eau chaude à moyenne température, telle que pour de l'eau chaude sanitaire. Une quatrième réalisation possible est identique à la deuxième réalisation ci-dessus, à la différence que la surface (201) exposée au soleil est recouverte d'un revêtement n'absorbant pas les rayons solaires tel qu'une peinture blanche ou sélective (réfrigération radiative). Le but est au contraire de refroidir le fluide caloporteur de l'échangeur (1) particulièrement en période nocturne et d'autant plus que la toiture voit la voûte céleste lorsque l'inclinaison sur l'horizontale est faible. C'est un moyen naturel de renforcer le refroidissement de liquide. Une cinquième réalisation, identique à la quatrième, à la différence que l'on adjoint un vitrage spécial (300) extérieur avec des qualités de passage de longueur d'onde spécifique en relation avec le rayonnement de la voûte céleste, ce qui renforce le pouvoir de refroidissement du panneau complet. Nous avons donc des combinaisons différentes de panneaux solaires capables de produire de l'électricité, de la chaleur et du froid ou rafraîchissement. Il est donc possible maintenant de faire une toiture complète d'un bâtiment, à l'aide de ces modules solaires en combinant une ou plusieurs fonctions (électricité, eau chaude, eau froide) suivant les besoins énergétiques de ce bâtiment. Ces combinaisons se font sur un module de base (la partie B) identique pour toutes les fonctions, réalisant une toiture complète qui assure la tenue aux charges climatiques et l'étanchéité aux intempéries. La figure 1 représente les parties A « couverture solaire » et B « module d'intégration » du système. La figure 2 présente un vue de dessus et de dessous du « module d'intégration ». La figure 3 présente un éclaté du « module d'intégration » et ses constituants. La figure 4 présente les vues 4-a, 4-b et 4-c des différentes possibilités de la partie A, « couverture solaire ». La figure 5 représente l'échangeur thermique (1) dans deux versions différentes. La figure 6 représente l'isolant arrière (2) dans deux versions différentes. La figure 7 représente le cadre de coupure thermique (3). Les figures 8, 9, 10 et 11 représentent les détails de la plaque métallique (4) ainsi que la fonction d'étanchéité entre les modules. La figure 12 représente le montage et dispositif d'étanchéité entre deux modules d'intégration. Les figures 13 et 14 représentent en coupe le dispositif de fixation des modules d'intégration sur l'ossature de la toiture. La figure 15 représente en coupe le dispositif de fixation sur l'ossature de la toiture, dans les canaux. La figure 16 représente en coupe un capteur plat purement thermique. La figure 17 représente une vue de dessus d'un capteur plat purement thermique. La figure 18 est une coupe d'un capteur thermique muni d'un vitrage extérieur. La figure 19 montre une toiture à ossature panneau sandwich équipée de panneaux photovoltaïques hybrides. La figure 20 représente une toiture uniforme de panneaux photovoltaïques hybrides sur une ossature de toiture en pannes métalliques. La figure 21 représente une toiture complète mixte avec des panneaux photovoltaïques hybrides et des panneaux solaires thermiques. Si on se réfère à la figure 1, elle montre les deux parties A et B du système. A titre d'exemple on voit ici la partie A, panneau photovoltaïque simple en position supérieure, assemblée sur la partie B, plaque mince métallique emboutie ou pliée. Si on se réfère aux figures 2 et 3, on ne voit que la partie B dite module d'intégration avec les constituants, échangeur thermique plat (1), isolant arrière (2), cadre de coupure thermique (3) et la tôle métallique (4) pliée ou emboutie qui assure l'étanchéité des modules entre eux. Si on se réfère à la figure 4 on a un aperçu de la partie A dite couverture solaire, sous forme en 4-a d'un panneau photovoltaïque (5) avec cadre standard, en 4-b d'un panneau photovoltaïque bi-verre (6) sans cadre standard, en 4-c d'un cadre en aluminium (7) entourant un verre solaire (8) propre à diminuer les pertes thermiques vers l'extérieur. Si on réfère à la figure 5, on voit une version de l'échangeur (1) dite simple pour des capteurs purement thermiques avec, une circulation de fluide caloporteur dans des canaux (10) et des entrées et sorties de ce fluide caloporteur (11) et (12). En partie inférieure du dessin on voit une version de ce même échangeur pour des panneaux photovoltaïques, ce qui oblige à laisser un passage (16) pour la boite de raccordement électrique. Un fluide caloporteur circule dans les canaux (13) et des sorties et entrées de ce fluide (14) et (15) assurent le raccordement à un circuit hydraulique. En se référant à la figure 6, elle décrit deux versions de la plaque isolante (2) à l'arrière de l'échangeur (1), plaque qui peut être simplement un isolant mousse projeté. Dans la version pour panneau photovoltaïque est prévue une découpe (19). La figure 7 représente le cadre de coupure thermique (3) sous forme de profilés (20, 21) pleins ou creux soudés/collés avec un profilé (22) de renfort. La figure 8 représente la plaque mince métallique (4) formée par pliage/emboutissage. On aperçoit les trous de passage (60, 61, 63) des vis de montage du module sur l'ossature de la toiture. Le même système de plaque mince (4) du module d'intégration est utilisé pour différents types de panneaux solaires fixés sur l'ossature de la toiture. La figure 9 représente la tôle métallique (4) avec les appuis (40,41, 42, 43) dont les surfaces a, b, c, et d sont en contact avec l'ossature de la toiture dans un même plan (46), légèrement incliné dans le sens de la pente de la toiture par rapport à un plan (45) parallèle à la surface (S). On y voit également les ouvertures (80, 81, 82, 83) qui laissent le passage à la câblerie électrique et à la tuyauterie hydraulique d'un module à l'autre et des circuits électriques et hydrauliques (non représentés ici). La figure 10 montre les détails de la superposition des profils (101) des canaux (31) assurant la continuité de l'étanchéité entre les modules d'intégration supérieur et inférieur dans le sens de la pente de la toiture. La figure 11 montre l'assemblage sur l'ossature de la toiture des tôles métalliques (4) de quatre modules dans le sens transversal et longitudinal. Le chevauchement partiel des tôles métalliques (4) assurent l'étanchéité de la toiture à la façon de tuiles classiques. La figure 12 détaille les profils (104) et (105) de la tôle métallique (4) et leur chevauchement partiel qui assure l'étanchéité de la toiture. On y voit également le dévoiement (50) qui dévie l'eau de pluie tombée sur la surface (200) vers les canaux latéraux (30) et (31). La figure 13 permet de voir le détail des fixations des panneaux sur l'ossature de la toiture avec les trous de passage de vis (60, 61), les joints (66), l'entretoise (69) et les vis de fixation (70) non représentées ici. La figure 14 détaille les fixations dans les canaux (30) et (31) avec les passages de vis (62), les joints (67, 68) ainsi que la vis de fixation (70) sur l'ossature de la toiture. La figure 15 représente un type de module solaire complet, ici un panneau photovoltaïque hybride capable de produire simultanément de l'eau chaude et du courant électrique. Le collage (92) entre l'échangeur (1) et le panneau photovoltaïque assure le transfert de chaleur et la tenue mécanique de l'ensemble du module solaire de ce type. La figure 16 représente un autre type de module solaire, ici un capteur thermique pur sans aucune couverture. On y voit les encollages étanches à l'eau (90) et (91) entre les pièces (1), (3) et(4). La figure 17 montre ce capteur thermique pur en vue de dessus ou la surface externe (201) de l'échangeur (1) peut recevoir un traitement noir ou noir sélectif pour des modules de chauffage solaire, ou un traitement blanc ou sélectif pour des modules de refroidissement auquel l'exposition de la toiture à la voûte céleste nocturne contribue. La figure 18 est un autre système de capteur purement thermique, par exemple avec une face (201) noire, muni d'un vitrage extérieur assurant moins de pertes thermiques du capteur vers l'extérieur. Ce type de capteur convient bien pour faire de l'eau chaude sanitaire. La figure 19 est un exemple de montage de panneaux solaires photovoltaïques hybrides sur une ossature en plaque sandwich isolante et structurante. On y voit également tous les accessoires annexes de cette toiture tels que rives, et gouttières qui s'adaptent facilement à ce type de panneaux. La figure 20 est un exemple de panneaux photovoltaïques hybrides montés sur une ossature en pannes métalliques. La figure 21 est un autre exemple de toiture mixte ou l'on a monté des panneaux photovoltaïques hybrides et des panneaux purement thermiques. Le système de montage et les tôles 4 des modules sont identiques pour ces deux types de panneaux solaires.35 REVENDICATIONS1) Dispositif de couverture de toiture présentant un panneau solaire intégré caractérisé en ce qu'il comporte une construction en deux parties distinctes assemblées, la partie A dite « couverture solaire », et la partie B « module d'intégration », et qu'il constitue les éléments complètement intégrés d'une couverture de toiture. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie A, « couverture solaire », est soit un panneau photovoltaïque avec cadre (5), uniquement producteur d'énergie électrique, soit un panneau photovoltaïque bi-verre sans cadre (6), soit un panneau photovoltaïque souple, soit un vitrage solaire (8) et son cadre. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la partie B, « module d'intégration » est constitué par une tôle métallique (4) déformée par pliage ou emboutissage, d'un cadre de coupure thermique (3) et d'un échangeur thermique plat (1), assemblés en une structure unique indissociable. 4) Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que la tôle métallique (4) comporte o Des appuis (40, 41, 42, 43), dont les surfaces finales (a, b, c, d) sont dans un même plan (45), qui servent à rigidifier cette pièce et à être en contact avec l'ossature de la toiture. o Des canaux latéraux (30, 31) dans le sens de la pente de la toiture qui récoltent et drainent les eaux pluviales vers les gouttières de la toiture. o Des canaux latéraux (30,31) de formes différentes de telle façon qu'ils s'emboitent par recouvrement lors du montage des modules d'intégration afin d'assurer l'étanchéité de la toiture et la continuité de l'écoulement des eaux de pluie vers les gouttières. o Un dévoiement (50) afin de dévier les eaux de pluie vers les canaux latéraux (30,31). o Un système de trous perforés (60, 61, 63), de joints (66, 67, 68) et de bagues d'appui (69) afin de pouvoir fixer par des vis (70) les modules d'intégration à l'ossature de la toiture. 5) Dispositif selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la tôle métallique (4) est munie d'ouvertures (80, 81, 82, 83) pour le passage des câbles électriques et de la tuyauterie hydraulique. 9 3001988 6) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cadre de coupure thermique (3) est fait de profils assemblés (20, 21,22), plein ou creux, en matériau peu conducteur de chaleur tels que le bois, le plastique ou l'acier inoxydable. 7) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur thermique plat (1) peut s'adapter à différents types de panneaux solaires : capteur solaire purement thermique sans trou de passage (16), ou capteur photovoltaïque muni d'un trou de passage (16) afin de loger la boite de raccordement électrique de ce panneau. 8) Dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ensemble des parties A et B une fois assemblées sur une même structure permet d'obtenir différents types de panneaux solaires à savoir : - Panneaux solaires purement producteurs d'électricité - Panneaux solaires producteurs simultanément de chaleur et d'électricité - Panneaux solaires purement thermiques capables de produire de l'eau chaude à basse et moyenne température. - Panneaux solaires purement thermiques capables de refroidir un fluide caloporteur. 9) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de panneaux d'intégration constitue les éléments étanches d'une toiture complète, les autres éléments rives, gouttière, s'adaptant aux modules. 10) couverture de Toiture de bâtiment caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un Dispositif de couverture de toiture tel que revendiqué dans une des revendications de 3 à 9. 11) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de panneaux d'intégration se monte facilement par emboitement des éléments et se fixe à l'ossature par des vis standard (70).