Brevet FR3033628A1 — publié le 20160916

Dispositif de production d'énergie solaire optimisé en fonction des saisons La présente invention se rapporte aux panneaux solaires thermiques et/ou 5 photovoltaïques qui sont séparés par des espaces de transparence et qui sont agencés les uns par rapport aux autres de manière à optimiser la production de calories et/ou d'électricité et à contrôler le rayonnement solaire qui les traverse. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 Les panneaux solaires peuvent être positionnés en hauteur afin de créer en dessous un espace qui peut soit ne jamais recevoir le rayonnement solaire direct soit ne recevoir qu'une partie seulement du rayonnement solaire, cette transparence au rayonnement solaire est alors fonction de l'écartement entre les panneaux, de leur orientation et de la hauteur du soleil. On connaît déjà des dispositions particulières 15 de panneaux solaires qui permettent de laisser passer davantage de lumière l'hiver que l'été, ceci afin de réguler l'éclairage et/ou la température à l'intérieur des bâtiments et des serres agricoles. On remarque toutefois que pour remplir cette propriété de régulation de la lumière en fonction de la hauteur du soleil, il est nécessaire d'orienter les panneaux d'une manière non optimale pour leur production 20 calorifique ou électrique, et aussi parfois d'accepter que les panneaux se fassent de l'ombre les uns les autres à certaines heures de la journée et pour certaines saisons, ce qui diminue les performances desdits panneaux solaires. BUT DE L'INVENTION 25 L'invention a pour but de décrire un dispositif comprenant des panneaux solaires, ledit dispositif ayant un pourcentage de transparence au rayonnement solaire qui est inversement proportionnel à la hauteur du soleil et dont la production calorifique et/ou électrique est améliorée grâce à une accumulation de rayonnement solaire à la surface desdits panneaux. 30 RESUME DE L'INVENTION 3033628 2 Par la suite les termes de « transparence » et de « réflexion » se comprennent comme une transparence et une réflexion « visuelle » c'est-à-dire qui concerne en majorité la lumière visible du spectre solaire. L'invention a pour objet un dispositif modulaire, dont chaque module 5 comprend au moins un panneau solaire disposé de façon sensiblement horizontale et au moins une plaque de verre transparente, caractérisé en ce que : (i) chaque plaque de verre est disposée au droit d'un panneau solaire et en élévation par rapport à lui et présente une face orientée vers le Sud si le dispositif est situé dans l'hémisphère Nord ou une face 10 orientée vers le Nord si le dispositif est situé dans l'hémisphère Sud, et (ii) l'axe (N) perpendiculaire à ladite face orientée est incliné d'un angle (A) inférieur à 440 sous la position du soleil lorsque celui-ci passe au méridien du lieu au plus bas de sa trajectoire saisonnière, et 15 (iii) chaque panneau solaire et chaque plaque de verre est dimensionné et agencé de manière qu'une partie du rayonnement solaire incident traverse ladite plaque de verre et qu'une autre partie du rayonnement solaire soit réfléchie par ladite plaque de verre en direction dudit panneau solaire, de sorte que chaque panneau solaire 20 reçoive à la fois le rayonnement direct du soleil et le rayonnement réfléchi par une plaque de verre. Plusieurs dispositifs unitaires de ce type peuvent avantageusement être juxtaposés, et séparés par des espaces de transparence, pour former une ombrière, 25 notamment pour serre agricole. Les panneaux solaires des différents dispositifs sont alors alignés pour former une surface sensiblement plane et horizontale. Avantageusement, la position relative des dispositifs est réglable et en ce que la distance entre deux dispositifs est ajustable, ce qui permet d'obtenir des ombrières dont le degré de transparence est ajustable en fonction des besoins, 30 notamment en fonction des cultures sous serre. 3033628 3 La structure et la disposition des dispositifs ont pour effet qu'en fonction des angles d'incidence du rayonnement solaire, le coefficient de réflexion des plaques de verre transparentes va augmenter progressivement au cours de l'année en même temps que va augmenter la hauteur du soleil lors de son passage au méridien du lieu, ce qui va d'une part progressivement augmenter l'accumulation de lumière à la surface des panneaux solaires par réflexion sur lesdites plaques de verre, et va d'autre part réduire progressivement la transparence dudit dispositif. Inversement, le coefficient de réflexion des plaques de verre transparentes va diminuer progressivement au cours de l'année en même temps que va diminuer la hauteur du soleil lors de son passage au méridien du lieu, ce qui va d'une part progressivement diminuer l'accumulation de lumière à la surface des panneaux solaires par réflexion sur ladite plaque de verre, et va d'autre part augmenter progressivement la transparence dudit dispositif. Chaque plaque de verre est en verre minéral ou en verre organique, ses deux faces sont polies ce qui permet d'avoir une réflexion directe importante de la lumière sous des angles d'incidences forts, et une grande transparence sous des angles d'incidence faibles par rapport à la perpendiculaire (la normale) à la plaque. La juxtaposition de ladite plaque de verre avec un panneau solaire permet de rediriger une partie au moins de la lumière reçue par la plaque vers la surface active dudit panneau et ainsi de produire une accumulation de lumière solaire qui augmente les performances de production électrique. La quantité de lumière réfléchie par la plaque de verre vers le panneau et aussi la transparence du dispositif sont fonction de l'angle d'incidence des rayons solaires qui varie avec la hauteur du soleil. La hauteur moyenne du soleil par rapport à l'horizon est fonction principalement des saisons ce qui fait que la plaque de verre sera plus ou moins transparente et réfléchissante en fonction des saisons. Afin que la transparence soit plus importante l'hiver lorsque le soleil est bas et que la transparence soit plus faible l'été lorsque le soleil est haut, il est nécessaire d'orienter la plaque de verre de telle sorte que les angles d'incidence augmentent progressivement entre la position du soleil la plus basse et sa position la plus haute. Lorsque la plaque de verre est orientée au Sud dans l'hémisphère Nord, (et l'inverse dans l'hémisphère Nord) la différence angulaire entre la position la plus basse et la plus haute du soleil à son passage au méridien vaut 46° ; la position la 303 362 8 4 plus basse par rapport à l'horizon vaut 900 - la latitude du lieu. L'orientation optimale de la normale à la plaque de verre est donc la position la plus basse du soleil ou une position qui est inférieure sans que cette position provoque le dépassement du rayonnement solaire au-delà d'un axe parallèle à la surface de la plaque de verre 5 lorsque le soleil est dans sa position la plus haute. Cette contrainte est respectée lorsque la normale à la plaque de verre ne descend pas de plus de 90° - 46° = 44° au dessous de la position la plus basse du soleil. Cette position limite, en fonction du lieu géographique, peut se situer au-dessus ou au dessous de l'horizon. Les panneaux solaires se positionnent par rapport aux plaques de verre de 10 manière d'une part à recevoir le maximum de rayonnement direct du soleil et d'autre part de manière à recevoir un maximum de lumière réfléchie par la plaque de verre. Les panneaux solaires se positionnent les uns par rapport aux autres en laissant un espace de transparence entre eux de manière à ce que le dispositif laisse passer la quantité de lumière solaire calculée pour le type d'application choisie. Par exemple 15 pour un simple effet d'ombrage saisonnier la surface globale des panneaux solaires peut représenter 50% de la surface totale du dispositif. Pour une application agricole qui demande beaucoup plus de lumière, la surface globale des panneaux solaires peut ne représenter qu'entre 20% et 30% de la surface totale. La réduction de la surface active des panneaux solaires est alors en partie compensée par un effet 20 d'accumulation du rayonnement solaire par réflexion sur les plaques de verre ce qui apporte un surplus de production calorifique ou d'électricité annuel d'environ 15%. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les panneaux solaires sont alignés pour former une surface sensiblement plane et horizontale. Avantageusement, la position relative des dispositifs unitaires est réglable et 25 en la distance entre deux dispositifs est ajustable, ce qui permet de régler le degré de transparence de l'ensemble. Dans un autre mode de réalisation particulier, les panneaux solaires sont alignés pour former une surface sensiblement plane et verticale. Dans un autre mode de réalisation particulier, les panneaux solaires sont 30 semi-transparents, cette semi transparence pouvant résulter soit d'une juxtaposition de zones photovoltaïques opaques séparées par des zones de transparence totale 303 362 8 soit de surfaces photovoltaïques intrinsèquement semi-transparentes comme par exemple des dépôts de silicium amorphe de très faibles épaisseurs. Dans un mode de réalisation particulier ledit dispositif est positionné au-dessus et/ou en façade d'une serre agricole de manière à former une ornbrière. En 5 comparaison avec les dispositifs photovoltaïques existants qui alternent seulement des panneaux solaires opaques avec des espaces de transparence, ce mode particulier de réalisation a l'avantage de produire sous la serre agricole des surfaces d'ombrage total moins importantes car l'atténuation de la lumière solaire se fait en partie par la semi-transparence des plaques de verre. On sait en effet que certaines 10 plantes supportent mal les effets d'ombrage total et qu'il est préférable de générer dans la serre agricole une lumière diffuse. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les panneaux solaires et les plaques de verres sont alignés en hauteur selon une disposition en « escalier », de sorte qu'une partie au moins du rayonnement solaire qui se réfléchit 15 sur la multitude de plaques de verre se dirige vers un panneau solaire unique provoquant ainsi un effet de concentration solaire sur ledit panneau solaire unique. Cette concentration solaire permet de multiplier la production calorifique ou électrique dudit panneau solaire unique et donc de diminuer le coût de l'énergie produite. Cet alignement en « escalier » est particulièrement intéressant lorsqu'il 20 s'agit de façades d'immeubles et que les plaques de verre sont les vitrages utilisés pour les fenêtres. Dans un autre mode de réalisation particulier, les plaques de verre sont traitées de manière à réfléchir en grande partie le rayonnement Ultra-Violet et/ou le rayonnement Infra-Rouge, ce qui n'enlève rien à la transparence visuelle des plaques 25 de verre mais augmente d'autant l'efficacité de production des panneaux solaires. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des figures 1 à 6 indexées. 30 La figure 1 est un graphique qui représente la variation du coefficient de transmission et de réflexion d'un rayonnement solaire à la surface d'une plaque de verre en fonction de l'angle d'incidence du rayonnement sur la plaque de verre. 3033628 6 La figure 2 est un schéma de principe en coupe d'une plaque de verre faisant apparaître les effets de la réflexion et de la transmission du rayonnement solaire sur la plaque de verre selon la figure 1; La figure 3 est un schéma de principe en coupe transversale du 5 dispositif selon l'invention; La figure 4 est une vue en coupe d'un mode particulier de réalisation dans lequel les plaques de verre et les panneaux solaires sont disposés en « escalier ». La figure 5 est une vue en trois dimensions d'un exemple de réalisation dans lequel le dispositif est positionné comme ombrière sur une serre agricole. 10 La figure 6 est une vue en trois dimensions d'un exemple de réalisation dans lequel le dispositif est positionné en « escalier » et en façade d'un immeuble. Le schéma de la figure 1 représente en coupe la transmission (T), la réflexion (R) et l'absorption (S) d'un rayon lumineux qui éclaire une plaque de verre 15 (2). Le graphique correspondant fait évoluer en abscisse l'angle d'incidence dudit rayon lumineux par rapport à la normale (N) à ladite plaque de verre (2) ; cet angle d'incidence pouvant varier de 00 à 90°.En ordonnée on observe le pourcentage correspondant de transmission (T) et de réflexion (R) dudit rayon lumineux. On remarque que le coefficient de réflexion (R) grandit très vite à partir d'une incidence 20 supérieure à 60°. Le schéma montre un exemple dans lequel une incidence de 30° provoque une transmission de 90%, une réflexion de 8% et une absorption (S) dans le verre (2) de 2%. La figure 2 représente la position (3) du soleil au Sud lors de son passage au méridien au moment du solstice d'été et sa position (4) au moment du solstice 25 d'hiver (4). La hauteur du soleil varie entre ces positions suivant une amplitude angulaire (11) qui vaut 46°. La position la plus basse vaut 90° - la latitude du lieu - 23° et la position la plus haute vaut la latitude lieu 90° - la latitude du lieu + 23°. Une plaque de verre (2) transparente et lisse est orientée vers le Sud si le dispositif est situé dans l'hémisphère Nord (et l'inverse si le dispositif est situé dans 30 l'hémisphère Sud). L'axe (N) qui est perpendiculaire à ladite plaque de verre (2) est orienté sous la position la plus basse du soleil (4) et forme un angle « A » avec ladite position la plus basse du soleil (4). Ledit angle « A » est compris entre 0° et 440. 3033628 Cette caractéristique angulaire permet d'avoir des angles d'incidences (de A à B) du rayonnement solaire (8,5) sur la plaque de verre (2) qui sont progressivement croissants au fur et à mesure (11) que la hauteur du soleil augmente, et sans que l'angle maximum «B» (qui vaut A + 46°) ne dépasse les 900. Ainsi on peut constater 5 que plus la hauteur du soleil est importante et plus le pourcentage de réflexion sur la plaque de verre (2) est important et inversement pour le pourcentage de transmission. Les rayons solaires les plus bas (8) traversent davantage (9) la plaque de verre (2) alors que les rayons solaires les plus haut (5) traversent moins (6) ladite plaque de verre (2). Dans tous les cas les rayons réfléchis (10,7) s'orientent 10 vers la surface d'un panneau solaire (1) qui est juxtaposé à ladite plaque (2). Ledit panneau solaire (1) reçoit donc à la fois le rayonnement direct du soleil et le rayonnement réfléchi par ladite plaque de verre (2) ce qui augmente sa moyenne annuelle de production d'électricité. Le dispositif permet d'une part de laisser passer plus de lumière (9) lorsque le soleil est bas (4), c'est-à-dire lorsqu'il dans sa position 15 la moins lumineuse, et d'autre part de laisser passer moins de lumière (6) lorsque le soleil est haut (3), c'est-à-dire lorsque le soleil est dans sa position la plus lumineuse. La plaque de verre (2) régule globalement la luminosité de l'espace situé derrière ou sous elle (2) tout en permettant au panneau photovoltaïque (1) de produire plus d'électricité que si ladite plaque de verre (2) était absente. 20 La figure 3 représente le dispositif qui comprend une pluralité de panneaux solaires (1a, lb, lc ... lx) qui sont séparés par des espaces de transparence, et qui comprend également une pluralité de plaques de verre transparentes (2a, 2b, 2c ... 2x) qui sont juxtaposées aux dits panneaux solaires (1a,lb,lc...1x). Lesdites plaques de verre (2a,. .,2x) sont orientées suivant les caractéristiques du descriptif de la 25 figure 2 précédente de sorte que durant le déplacement progressif du soleil (11) au cours des saisons et au cours de la journée, les rayons solaires issus des positions du soleil les plus basses (8) traverseront (9) davantage lesdites plaques de verre (2a, .. 2x) que les rayons solaires (6) issus des positions du soleil les plus hautes (5). La figure 4 montre un mode de réalisation particulier dans lequel les plaques 30 de verre et les panneaux solaires (21a, 21b, 21c,.. 21x) sont positionnés en « escalier » de sorte que le rayonnement solaire (8a, 8b, 8c, .. 8x) qui se réfléchit sur lesdites plaques de verre atteint en partie (5a, 9a, 7a) lesdits panneaux solaires 3033628 et se concentre en partie (10a, 10b, 10c, .. 10x) sur un panneau solaire unique (1x) dont la taille est de préférence calculée pour qu'il reçoive ledit rayonnement réfléchi quelque soit la position (11) du soleil (4,3) au cours de son déplacement saisonnier. L'avantage de ce mode de réalisation réside dans l'économie de surface des capteurs 5 solaires puisque un panneau solaire au moins reçoit une accumulation de rayonnement solaire. La figure 5 représente un exemple concret de réalisation. Une serre agricole (G) située sous une latitude de 45° Nord est recouverte par une surface photovoltaïque semi-transparente et sensiblement horizontale qui est composée de 10 bandes de panneaux solaires photovoltaïques (1a, lb, lc,...1x) de 60 cm de large et de 25 m de long. Les bandes de panneaux solaires (1a, lb, lc,...1x) sont espacées les unes des autres d'une distance d' 1,20 mètre ce qui correspond à une couverture moyenne de panneaux opaques de 33% et une transparence globale de 66%. Des bandes de plaques de verre (2a, 2b, 2c, .. 2x) de 25 m de long et de 1,60 m de 15 hauteur sont juxtaposées perpendiculairement aux bandes de panneaux solaires (la, lb, lc,...1x). Les surfaces Sud desdites plaques de verre (2a, 2b, 2c, ..2x) sont orientées vers le Sud et la perpendiculaire N à leurs surfaces est à l'horizontale (l'angle A entre ladite perpendiculaire N et la position la plus basse du soleil (4) vaut 90°- 45°- 23° = 22° qui est un angle inférieur à 44°, ainsi même la position la plus 20 haute du soleil (3) formera avec la perpendiculaire (N) à la surface de la plaque de verre un angle inférieur à 90° (exactement inférieur à 22° + 46° = 68°), ainsi le rayonnement solaire éclaire majoritairement la face Sud des plaques de verre (2a,2b,2c,..2x) avec une transparence qui est moindre pendant les mois les plus chauds entre Mai et Septembre. Les plantations sous serre reçoivent l'été un 25 rayonnement direct du soleil qui est atténué par la réflectivité importante des plaques de verre (2a, 2b, 2c, ..2x), et inversement pendant les mois d'hiver. Par ailleurs grâce à la réflexion de la lumière (3,4) sur les plaques de verre (2a, 2b, 2c,. .2x) les bandes de panneaux solaires photovoltaïques (1a, lb, lc,...1x) produisent un surplus d'électricité de 15% en moyenne sur l'année, par rapport à un 30 dispositif sans les plaques de verre. La figure 6 est un autre exemple concret de réalisation. Un immeuble d'habitation comprend au moins une façade (F) orientée au Sud et 3 étages équipés 3033628 de fenêtres (2a, 2b, 2x) inclinées vers le sol d'un angle de 200. Les rebords de fenêtre sont recouverts de panneaux solaires photovoltaïques (1a,lb, lx) qui reçoivent une partie du rayonnement solaire ,direct (12) et une partie du rayonnement réfléchi (13) par les fenêtres qui sont des plaques de verre 5 transparentes (2a, 2b, 2x) traitées en surface par une couche mince qui est réflective aux Ultra-violets et aux Infra-Rouges. Le panneau solaires le plus bas (1x) a une largeur supérieure aux autres panneaux solaires (1a,lb) afin de recevoir une partie du rayonnement solaire (13) qui est réfléchi par les vitres (2a, 2b, 2x) des étages supérieurs, même lorsque la hauteur du soleil varie en fonction des saisons. Cette 10 disposition en « escalier » est particulièrement intéressante d'un point de vue économique car l'énergie solaire qui est réfléchie par les fenêtres (visible, Ultra-Violette et Infra-Rouge) n'est pas perdue mais récupérée par un panneau solaire unique (1x) qui reçoit donc une accumulation de rayonnement solaire (12,13). D'autre part les fenêtres, de part leur inclinaison et leur coefficient de réflexion qui 15 est fonction de l'angle d'incidence des rayons solaires, perdent d'autant plus de leur transparence que le soleil est haut, c'est-à-dire d'autant plus qu'il est nécessaire de réduire l'énergie thermique qui entre dans les habitations. Dans un mode de réalisation particulier les vitres des fenêtres sont à la verticale et la façade Sud est légèrement inclinée vers le Nord tout en respectant une disposition en forme d' 20 « escalier ». AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant à une multitude de panneaux solaires juxtaposés à une multitude de plaques de verre de 25 faire varier la transparence du dispositif au rayonnement solaire d'une manière proportionnellement inverse à la hauteur du soleil, et de produire une quantité d'énergie calorifique et/ou électrique améliorée grâce à une accumulation de rayonnement solaire à la surface desdits panneaux solaires. REVENDICATIONS1 - Dispositif comprenant au moins un panneau solaire (1a, lb, lc...1x) 5 disposé de façon sensiblement horizontale et au moins une plaque de verre transparente (2a, 2b, 2c, .. 2x), caractérisé en ce que : (iv) chaque plaque de verre (2a, 2b, 2c, .. 2x) est disposée au droit d'un panneau solaire (1a, lb, lc...1x) et en élévation par rapport à lui et présente une face orientée vers le Sud si le dispositif est situé dans 10 l'hémisphère Nord ou une face orientée vers le Nord si le dispositif est situé dans l'hémisphère Sud, et (v) l'axe (N) perpendiculaire à ladite face orientée est incliné d'un angle (A) inférieur à 440 sous la position du soleil (4) lorsque celui-ci passe au méridien du lieu au plus bas de sa trajectoire saisonnière, et 15 (vi) chaque panneau solaire et chaque plaque de verre est dimensionné et agencé de manière qu'une partie du rayonnement solaire incident soit réfléchie par ladite plaque de verre en direction dudit panneau solaire, de sorte que chaque panneau solaire (1) reçoive à la fois le rayonnement direct du soleil et le rayonnement réfléchi par une 20 plaque de verre (2). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les panneaux solaires (1a,lb,lc,lx) sont de type thermique et/ou de type photovoltaïque et les plaques de verre (2a,2b,2c,2x) sont en verre minéral ou en verre organique. 25 3 - Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits panneaux solaires (1a, lb, lc, lx) sont semi-transparents, cette semi transparence pouvant résulter soit d'une juxtaposition de zones photovoltaïques opaques séparées par des zones de transparence totale soit de surfaces 30 photovoltaïques intrinsèquement semi-transparentes comme par exemple des dépôts de silicium amorphe de très faibles épaisseurs. 3033628 11 ' 4 - Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques de verre (2a,2b,2c,2x) sont traitées de manière à réfléchir en grande partie le rayonnement Ultra-Violet et/ou le rayonnement Infra-Rouge. 5 - Ombrière, notamment pour serre agricole, caractérisée en ce qu'elle utilise plusieurs dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, séparés par des espaces de transparence, les panneaux solaires des différents dispositifs étant alignés pour former une surface sensiblement plane et horizontale. 6 - Ombrière selon la revendication 5, caractérisé en ce que la position relative des dispositifs est réglable et en ce que la distance (d) entre deux dispositifs est ajustable. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites plaques de verre (2a, 2b, 2c, 2x) sont les vitres d'un immeuble. 8 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits panneaux solaires (1a,1b,1x) et lesdites plaques de verres (2a,2b,2x) sont alignés en escalier dans le sens de la hauteur, de sorte qu'une partie au moins du rayonnement solaire (8a,8b,8c,8x) qui se réfléchit sur la multitude de plaques de verre (2a,2b,2c,2x) se concentre sur un panneau solaire unique (lx).25