Brevet FR3017199A1 — publié le 20150807

Dispositif solaire de transfert de chaleur La présente invention concerne le domaine des dispositifs pour le transfert de chaleur et fonctionnant au moyen du rayonnement solaire. Plus particulièrement la présente invention concerne des dispositifs utilisables pour le chauffage ou le refroidissement d'une enceinte close comme une chambre, une habitation ou un silo de conservation de denrées. L'art antérieur connaît des panneaux solaires notamment photovoltaïques, composés de cellules photo-électriques connectées électriquement en série pour produire un courant électrique à partir du rayonnement solaire. Ces cellules élémentaires peuvent être, notamment des jonctions u P/N » ou photodiodes « PIN » ou des phototransistors réalisés notamment dans un matériau semi-conducteur dopé comme le Silicium, dans ses différentes phases connues : amorphe, monocristalline ou poly cristalline. D'autres matériaux photo-électriques peuvent aussi constituer ces cellules élémentaires. Pour des applications diurnes de rafraîchissement ou de chauffage, il est envisageable d'utiliser directement cette énergie pour le chauffage ou le rafraîchissement journalier d'une enceinte, en connectant un panneau solaire à un moyen connu de chauffer ou rafraîchir l'enceinte. Pour des applications journalières de rafraîchissement ou de chauffage d'une durée d'au moins 24h, un moyen de stockage thermique de l'électricité s'avère, en pratique, nécessaire pour compenser les diminutions de performances nocturnes d'équipements électriques alimentés par des panneaux solaires. 25 Une solution envisageable, en pratique, dans l'art antérieur consiste par exemple, à utiliser une batterie d'accumulateurs électriques, à titre de moyen de stockage de l'énergie électrique produite par un panneau solaire. Avec une batterie, il suffit, en effet, d'alimenter électriquement par la batterie, un élément quelconque de transfert de la chaleur pour chauffage ou rafraîchissement, comme un 30 radiateur ou une climatisation, pour pouvoir, de jour comme de nuit, stabiliser la température d'une enceinte ou limiter les variations de température à l'intérieur de l'enceinte. Toutefois, s'agissant d'un élément chimique, une batterie d'accumulateurs électriques induit de nombreux inconvénients, dont l'un des principaux est un nombre de cycles de charge et décharge 35 limité. Par ailleurs, l'art antérieur connaît aussi des panneaux à effet Peltier, présentant une première plaque plane et une seconde plaque plane, les deux plaques étant usuellement en céramique et séparées par des jonctions à effet Peltier qui sont spatialement disposées entre les plaques et électriquement 40 disposées en série pour être capables de transférer de la chaleur entre la première et la seconde plaque, via les jonctions, sous l'effet d'un courant électrique traversant les jonctions. Toutefois, le transfert de chaleur est conditionné par le passage du courant électrique, leur association avec un panneau solaire ne constitue pas dans l'art antérieur une réponse à un usage 45 nocturne du courant produit par des panneaux solaires, pour des applications de rafraîchissement ou de chauffage. L'art antérieur connaît par ailleurs, des matériaux de bonne diffusivité thermique, de bonne effusivité 50 thermique et mais aussi des matériaux à changement ou transition de phase aptes à absorber et à conserver la chaleur ou le froid, ou diffuser une température constante pendant des périodes de temps importantes. Les matériaux à transition de phase, sont par exemple des corps purs ou des mélanges eutectiques de corps purs, dont la fusion et la solidification s'effectuent à température constante. Pour des 55 applications à température contrôlée ou dirigée dans une chambre ou enceinte close, ces matériaux sont bien adaptés et sont caractérisés notamment par leur température de fusion, exprimée en degré20 Celsius ou degré Kelvin(unité SI), et par leur chaleur latente de fusion ou enthalpie de fusion exprimée en kilojoule par kilogramme ou en kilojoules par mole (unité SI). Dans les matériaux à transition de phase, existent des matériaux « réfrigérants » ou « rafraîchissants » qui permettent d'abaisser la température d'une enceinte close, par rapport à une température extérieure. Pour cela, on les solidifie par refroidissement en dessous de leur température de congélation, puis on les dispose dans l'enceinte close. Typiquement, ces matériaux réfrigérants ont une température de fusion ( ou de congélation) inférieure à la température de congélation de l'eau, soit 0° Celsius. Les matériaux réfrigérants eutectiques sont notamment des liquides mise dans des plaques ou des gels réfrigérants mis dans des poches. Ces matériaux sont utiles pour la conservation au froid de denrées comestibles. Dans les matériaux à transition de phase, existent aussi des matériaux « chauffants » qui permettent d'augmenter la température d'une enceinte close, par rapport à une température extérieure. Pour cela, on les liquéfie par chauffage au-dessus de leur température de fusion puis on les dispose dans l'enceinte close. Typiquement, ces matériaux chauffants ont une température de fusion ( ou de congélation) supérieure à la température normale du corps, soit 37° Celsius. Les matériaux chauffants eutectiques sont notamment des liquides ou des gels chauffants. Une température typique de fusion de tels matériaux est 65°Celsius, pour la conservation au chaud de plats cuisinés préparés. Ainsi, un matériau à transition de phase s'utilise à une température initiale telle que la température de fusion ou point de fusion du matériau est intermédiaire entre la température ambiante et la température initiale. Pour une plage donnée de variation quotidienne de température ambiante, notamment à l'extérieur et pour une exposition au soleil dépendant de la latitude, les matériaux à transition de phase à température constante seront des matériaux réfrigérants si leur point de fusion est en-dessous de la plage et des matériaux chauffants si leur point de fusion est au-dessus de la plage. Les matériaux à transition de phase peuvent être aisément formés en panneaux accumulateurs de chaleur ou de froid, par découpe pour des solides ou par remplissage dans une poche pour des gels ou des liquides. Aux fins de la présente demande, l'expression « panneau accumulateur de chaleur » sera considérée synonyme de « panneau accumulateur de chaleur ou de froid ». Toutefois, le transfert de chaleur pour les matériaux à transition de phase n'étant pas conditionné par le passage d'un courant électrique, leur association avec un panneau solaire ne constitue pas dans l'art antérieur une réponse à un usage nocturne du courant produit par des panneaux solaires pour des applications de rafraîchissement ou de chauffage. Dans ce contexte, l'invention concerne Un dispositif de transfert de chaleur qui comprend un panneau solaire, un panneau à effet Peltier et un panneau accumulateur de chaleur, dans lequel le panneau solaire est connecté électriquement au panneau à effet Peltier et dans lequel le panneau à effet Peltier est en contact thermique avec le panneau accumulateur de chaleur. Dans des variantes : le dispositif de transfert de chaleur est un dispositif de rafraîchissement dans lequel le panneau à effet Peltier est connecté électriquement au panneau solaire, dans un sens de connexion pour lequel l'émission d'un courant par le panneau solaire sous l'effet d'un ensoleillement provoque un transfert de chaleur depuis le panneau accumulateur de chaleur, via le panneau à effet Peltier.50 le dispositif de transfert de chaleur est un dispositif de chauffage dans lequel le panneau à effet Peltier est connecté électriquement au panneau solaire, dans un sens de connexion pour lequel l'émission d'un courant par le panneau solaire sous l'effet d'un ensoleillement provoque un transfert de chaleur vers le panneau accumulateur de chaleur, via le panneau à effet Peltier. le panneau solaire est un panneau solaire photovoltaïque. le panneau accumulateur de chaleur comprend un matériau réfrigérant le panneau solaire photovoltaïque comprend du Silicium. le matériau réfrigérant est un gel eutectique réfrigérant. 15 L'invention concerne aussi une utilisation d'un dispositif comme ci-dessus, pour transférer de la chaleur entre l'intérieur et l'extérieur d'une enceinte, comprenant les étapes suivantes : - disposer le panneau accumulateur de chaleur à l'intérieur de l'enceinte ; 20 - disposer le panneau à effet Peltier en contact thermique avec l'enceinte ; - disposer le panneau solaire en un lieu exposé au rayonnement solaire. Aux fins de la présente invention: 25 « contact thermique » : désigne une disposition spatiale de deux corps pour laquelle de la chaleur peut être échangée par conduction thermique entre les deux corps. 10 L'invention sera mieux comprise en liaison avec la liste des figures, précisée ci-dessous et en référence aux numéros indiqués sur ces figures, mentionnés entre parenthèses dans le texte, liste dans laquelle : La figure 1 représente un dispositif de rafraîchissement d'un panneau accumulateur de chaleur, dans lequel un panneau solaire est soumis à une illumination du soleil et produit un courant I sous l'effet de l'illumination, le courant I pénètre dans un panneau à effet Peltier par une première borne « + » et en ressort par une seconde borne «-», et le courant I transfère une quantité de chaleur -Q négative, correspondant à un prélèvement de chaleur depuis le panneau accumulateur de chaleur, via le panneau à effet Peltier. La figure 2 représente un dispositif de chauffage du panneau accumulateur de chaleur, dans lequel le panneau solaire est soumis à l'illumination et produit un courant I sous l'effet de l'illumination, le courant I pénètre dans le panneau à effet Peltier, par la seconde borne «- » et en ressort par la première borne «+», et le courant I transfère la quantité de chaleur +0 opposée de la quantité correspondant à un apport de chaleur vers le panneau accumulateur de chaleur, via le panneau à effet Peltier. Dans ces figures, le transport du courant I, ou connexion électrique, est effectué par de simples fils électriques afin de constituer un circuit électrique fermé contenant le panneau solaire et le panneau à effet Peltier. Une inversion du sens du courant dans le panneau à effet Peltier peut donc être obtenue en croisant les fils reliant le panneau solaire au panneau à effet Peltier. Le premier fil relié à la borne + du module Peltier sera dessoudé ou déconnecté puis reconnecté à la borne - et le second fil relié à la borne - du module Peltier sera dessoudé ou déconnecté puis reconnecté à la borne + pour effectuer cette opération d'inversion. Usuellement, les fils d'un panneau Peltier du commerce sont de couleur différente ce qui facilite d'autant une telle opération. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, en référence à la figure 1, un panneau solaire photovoltaïque (1) ou module photovoltaïque réalisé dans un matériau semi-conducteur qui est du silicium est utilisé. Par exemple, un panneau de 1m2 ( un mètre carré ) donne une puissance électrique de 100 à 200W selon les fabricants soit un rendement entre 10 et 20%. La stabilité de ces performances est garantie sur une période de 20 ans à 25 ans et sur une plage de température correspondant à une perte de rendement de 0,4% par degré Celsius (°C) autour de 25°C. Les modules à base de silicium ou Silicium sont les plus usuellement utilisés, avec ceux à base de tellurure de cadmium, dans les centrales solaires photovoltaïques. Tout matériau apte à convertir l'énergie solaire en courant électrique sera considéré comme un moyen équivalent à un panneau solaire au sens de la présente invention. On distingue pour le silicium: le silicium monocristallin : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe en plastique ou en verre. le silicium polycristallin : les capteurs sont à base de polycristaux de silicium, sont notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais ont un rendement un peu plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique. le silicium amorphe : les panneaux « étalés » sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présenté en bandes souples. Le rendement est plus faible que ceux des panneaux en silicium cristallin. Pour le tellurure de cadmium : les capteurs sont à base de couches minces de tellurure de cadmium placées sur un support de verre ; ils sont sensiblement moins coûteux à fabriquer que ceux en silicium, ils ont un rendement (10 % à 12 %) plus faible que celui du silicium monocristallin, mais plus élevé que ceux en silicium amorphe. Il est entendu que le panneau solaire (1) peut être réalisé soit d'un seul tenant, soit par un grand nombre de cellules solaires, qui sont connectées électriquement en série. Un module ou panneau à effet Peltier (2) est aussi utilisé dans ce premier mode de réalisation. Ce type de module est courant dans l'art antérieur. Les modules Peltier sont nommés ainsi car ils mettent en oeuvre la thermoélectricité et plus précisément l'effet Peltier. Un module est alimenté par un courant et présente deux faces, une première face ou face froide et une seconde face ou face chaude. La dénomination chaude ou froide est conventionnelle car l'effet Peltier est réversible au sens où si un courant électrique le traverse dans un sens, avec un courant donné, en entrant par une borne « » du Peltier et en ressortant par une borne «-»,une quantité de chaleur Q traverse le Peltier dans une direction allant de l'une de ses faces à l'autre face, via les jonctions Peltier .La face perdant de la chaleur via le module Peltier se refroidit et elle est nommée face froide. Symétriquement, si le sens du courant est inversé dans le Peltier, par exemple en intervertissant les branchements du panneau solaire au module Peltier, la direction d'écoulement de la chaleur est aussi inversée, la face froide ou refroidie devient la face chaude ou réchauffée et inversement. Un module Peltier est usuellement constitué d'une batterie ou ensemble de « couples » ou de jonctions à effet Peltier, qui sont mises en série électriquement pour améliorer la capacité du Peltier à refroidir, c'est-à-dire augmenter la valeur absolue de la quantité de chaleur Q ci-dessus. Il est entendu qu'un panneau à effet Peltier peut être réalisé soit d'un seul tenant, soit par un grand nombre de cellules, à effet Peltier, plus petites, connectées électriquement en série. Enfin, il est utilisé un panneau accumulateur de chaleur (3). Un tel panneau est par exemple constitué par un matériau à transition de phase sur la plage de fonctionnement en température de ce premier mode. Préférentiellement le panneau accumulateur sera réalisé par une poche contenant un gel eutectique à une température de fusion donnée, que le Peltier est susceptible d'atteindre sur sa paroi « froide », afin de profiter de la chaleur latente de fusion du gel et de sa chaleur spécifique pour pouvoir prélever une grande quantité de chaleur par ce gel, au passage par cette température. Compte-tenu du sens de parcours du courant sous illumination du panneau solaire, la paroi froide étant supposée celle qui perd une quantité de chaleur -Q, pour ce sens de parcours du courant dans le module ou panneau à effet Peltier, on dispose le panneau accumulateur en contact thermique, c'est-à-dire selon un contact mécanique permettant un transfert de chaleur par conduction avec la face ou paroi froide, des pièces intermédiaires peuvent être interposées entre les éléments en contact thermique tant que la conduction thermique reste possible entre les éléments devant être en contact thermique . On observe alors un refroidissement du panneau accumulateur Il est entendu qu'un panneau accumulateur de chaleur ou de froid peut être réalisé soit d'un seul tenant, soit par un grand nombre de cellules accumulatrices de chaleur ou de froid, de plus petite taille, qui sont disposées chacune en contact thermique avec le panneau Peltier. La température de la face froide dépend de l'intensité du courant électrique traversant le Peltier et cette intensité dépend de la surface du panneau solaire. Dans le cas où un gel eutectique de température de transition donnée est utilisé, on dimensionnera la surface du panneau solaire pour que la température de la face « froide » du panneau à effet Peltier soit inférieure à la température de transition de phase du gel ou température de fusion du gel pour un ensoleillement donné. Lorsque l'invention est utilisée avec une enceinte, le volume du gel ou du matériau inerte thermiquement sera choisi pour qu'une température donnée minimale soit maintenue dans l'enceinte sur une période de 24h pour un ensoleillement donné du panneau solaire. L'invention sera ainsi particulièrement adaptée à la réalisation d'une chambre refroidie ou de chambres refroidies, par rapport à la température ambiante dans des pays fortement ensoleillés où de telles chambres rafraîchies ou refroidies pourront améliorer la conservation des aliments ou des denrées produits localement en favorisant l'économie locale et son agriculture. Afin de réaliser une chambre selon l'invention, des murs isolants thermiquement comme des murs en terre crue pourront être surmontés d'un panneau à effet Peltier servant de toit pour former une chambre close. Du gel eutectique contenu dans des poches réfrigérantes pourra être placé en hauteur intérieurement et au contact thermique du toit, c'est-à-dire de façon à permettre une transmission de la chaleur, par conduction, entre le toit et le gel des poches. Dans une variante équivalente, le toit pourra être réalisé dans un matériau conduisant la chaleur au moins dans une partie en contact thermique avec le module Peltier et le panneau à effet Peltier sera mis en contact thermique avec le toit, le gel ou panneau accumulateur de chaleur ou de froid étant disposé à l'intérieur de la chambre, en contact thermique avec le panneau Peltier et le toit via le Peltier. Le toit étant conducteur pour la chaleur au moins dans sa partie en contact thermique avec le module Peltier, le toit pourra être entre le module accumulateur de chaleur ou de froid et le module Peltier ou le module Peltier pourra être ente le toit et le module accumulateur, sans sortir de l'enseignement de l'invention. Toute disposition relative du module Peltier, du toit et du module accumulateur de chaleur dans laquelle la chaleur peut être transférée par conduction entre le Peltier et le module accumulateur, pour être évacuée à l'extérieur de la chambre, notamment via le toit, sera aussi conforme à l'invention dans ce premier mode et dans le second mode décrit ci-dessous. La quantité de gel pourra être ajustée en fonction du volume de la chambre à rafraîchir et de la diminution de température à atteindre par rapport à l'extérieur de la chambre. Pour un volume donné de la chambre, on pourra ainsi pour des conditions climatiques ajuster la quantité de gel nécessaire, la surface d'échange du panneau Peltier et la surface du panneau solaire par de simples opérations 20 d'exécution, en étant certain d'obtenir un rafraîchissement dont l'amplitude nocturne sera fonction de la quantité de chaleur stockée dans le gel durant le jour, grâce à l'ensoleillement du lieu d'implantation de la chambre, ici chambre froide.. 25 Un panneau solaire pourra être connecté électriquement et ensoleillé, on vérifiera aisément si la paroi intérieure du panneau Peltier est plus froide que la paroi extérieure et si ce n'est pas le cas, on pourra inverser les branchements du panneau solaire sur le panneau à effet Peltier pour inverser le sens du courant dans le module Peltier ou panneau à effet Peltier dans une opération d'inversion mentionnée ci-dessus par croisement des fils électriques reliant le panneau solaire ou module solaire, au module 30 Peltier. Dans un second mode de réalisation, en référence à la figure 2, le sens de parcours du courant photoélectrique produit par le panneau solaire (1) dans le module à effet Peltier (2) est inversé par rapport 35 au premier mode. Cette opération peut être, à nouveau, effectuée aisément à partir du circuit du premier mode en croisant les fils électriques reliant le module solaire (1) au module Peltier(2) par rapport aux branchements de ces fils dans le premier mode. Un tel branchement permet non plus de prélever une quantité de chaleur -Q au module accumulateur 40 de chaleur (3) mais au contraire de le réchauffer par une quantité de chaleur 1-Q. Un tel mode de réalisation permet de réaliser une enceinte chauffante pour la réalisation de laquelle un toit sera réalisé en surplomb de murs isolants thermiquement de la même façon que dans le premier mode. Une habitation dans un pays froid pourra bénéficier de ce second mode de réalisation 45 de l'invention comme chauffage complémentaire. Dans ces deux modes, l'utilisation d'un dispositif selon l'invention pour transférer de la chaleur entre l'intérieur et l'extérieur d'une enceinte, silo, glacière, chambre ou habitation, comprendra les étapes suivantes : 50 - disposer le panneau accumulateur de chaleur à l'intérieur de l'enceinte - disposer le panneau à effet Peltier en contact thermique avec l'enceinte - disposer le panneau solaire en un lieu exposé au rayonnement solaire Avec une enceinte, l'invention sera dimensionnée de façon à limiter les fluctuations de température 55 pour que l'enceinte munie du panneau accumulateur ait une inertie thermique acceptable sur une période de 12h ou de même durée que la nuit au lieu d'installation de l'enceinte.15 L'invention est susceptible d'application industrielle dans le domaine de la conservation des aliments ou denrées au frais au moyen de chambres froides dans des pays chauds disposant d'un fort ensoleillement ou pour le chauffage complémentaire d'habitation, dans des pays froids. Elle est plus généralement susceptible d'applications industrielles dans tous les domaines où des transformations de caractéristiques sont directement liées à des évolutions de température. Cela concerne par exemple les produits pharmaceutiques thermosensibles. De même l'invention concerne des matériaux, des corps dont les caractéristiques ne doivent pas changer ou changer le moins possible. L'invention peut ainsi servir à constituer des morgues ou des ateliers de préparation. Enfin l'invention peut également concerner des lieux ou des températures spécifiques peuvent être recherchées dans des plages de températures accessibles à des milieux vivants. L'invention pourra ainsi par exemple être appliquée à un sauna. REVENDICATIONS1. Dispositif de transfert de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend un panneau solaire (1), un panneau à effet Peltier(2) et un panneau accumulateur de chaleur(3), en ce que le panneau solaire est connecté électriquement au panneau à effet Peltier(2) et en ce que le panneau à effet Peltier(2) est en contact thermique avec le panneau accumulateur de chaleur(3). 2. Dispositif de transfert de chaleur selon la revendication 1 dans lequel le panneau à effet Peltier (2) est connecté électriquement au panneau solaire(1), dans un sens de connexion pour lequel l'émission d'un courant par le panneau solaire(1) sous l'effet d'un ensoleillement provoque un transfert de chaleur depuis le panneau accumulateur de chaleur(3), via le panneau à effet Peltier(2), permettant le rafraîchissement du panneau accumulateur de chaleur(3) 3. Dispositif de transfert de chaleur selon la revendication 1 dans lequel le panneau à effet Peltier(2) est connecté électriquement au panneau solaire(1), dans un sens de connexion pour lequel l'émission d'un courant par le panneau solaire(1) sous l'effet d'un ensoleillement provoque un transfert de chaleur vers le panneau accumulateur de chaleur(3), via le panneau à effet Peltier(2), permettant le chauffage du panneau accumulateur de chaleur(3) 4. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le panneau solaire est un panneau solaire photovoltaïque. 5. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le panneau accumulateur de chaleur comprend un matériau inerte thermiquement 6. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel le panneau solaire photovoltaïque comprend du Silicium. 7. Dispositif selon la revendication 5 dans lequel le panneau accumulateur de chaleur comprend une poche contenant un gel eutectique. 8. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 1 pour transférer de la chaleur entre l'intérieur et l'extérieur d'une enceinte, comprenant les étapes suivantes : - disposer le panneau accumulateur de chaleur à l'intérieur de l'enceinte - disposer le panneau à effet Peltier en contact thermique avec l'enceinte - disposer le panneau solaire en un lieu exposé au rayonnement solaire