Brevet FR3045597A1 — publié le 20170623

VITRAGE DONT LA TRANSPARENCE AUX INFRA-ROUGES S'ADAPTE A LA HAUTEUR DU SOLEIL La présente invention se rapporte aux vitrages à contrôle solaire. ETAT DE LA TECHNIQUE Afin de minimiser les besoins énergétiques des bâtiments et obtenir un bon confort thermique, il est courant d'utiliser des vitrages spéciaux, appelés vitrages à contrôle solaire ou vitrages à faible émissivité (Low-e en langage anglo-saxon). Ces vitrages ont un facteur solaire très bas (g L'inconvénient des vitrages spéciaux à contrôle solaire est que la réflexion de l'énergie solaire infra-rouge (le contrôle solaire) vers l'extérieur de l'habitat est indépendante de la saison. La réduction de l'apport énergétique solaire fonctionne aussi bien en hiver qu'en été alors qu'il serait très avantageux de contrôler cet apport énergétique en fonction des besoins. Des vitrages à contrôle solaire automatisé existent déjà mais ils utilisent des matériaux 25 sophistiqués très chers de type cristaux liquides commandés électriquement ou des films opacifiant qui se teintent plus ou moins en fonction de la luminosité ou de la chaleur. En outre ces vitrages ne convertissent pas le surplus d'énergie infra-rouge en électricité. BUT DE L'INVENTION 30 L'invention a pour but de décrire une structure de vitrage à moindre coût de fabrication dont le coefficient de transmission des infra-rouges solaires varie en fonction des saisons, ce qui va permettre de laisser passer une partie de l'énergie solaire infra-rouge en hiver afin d'apporter de la chaleur au local et de réfléchir l'énergie solaire infra-rouge en été afin de réduire la surchauffe du même local. D'autre part il serait avantageux de capturer et de convertir en électricité l'énergie infra-rouge 35 qui ne traverse pas le vitrage, ce qui participerait à l'amélioration du bilan énergétique des bâtiments. RESUME DE L'INVENTION 3045597 2 On définit ci-après le terme « vitrage » par un assemblage d'une ou de plusieurs vitres, en verre cristallin ou en verre organique, éventuellement courbes, de toutes formes, avec des structures de maintien ou de consolidation de tous types et utilisant tous types de matériaux, lesdites vitres étant intégrées dans tous types de bâtiments, de véhicules de transport, d'appareils contenant des 5 fenêtres, des portes ou des ouvertures. On définit ci-après le terme « infra-rouges proches » et plus simplement le terme « infrarouges » par la gamme des longueurs d'ondes qui sont comprises entre 0,7 et 2,1 microns et le terme « infra-rouges lointains » par les longueurs d'ondes supérieures à 2,1 microns. Il est important de constater qu'il est en général souhaitable de limiter d'autant plus le 10 rayonnement infra-rouge du soleil que celui-ci est haut au-dessus de l'horizon. Le lien entre la température de l'air extérieur et la hauteur du soleil se vérifie assez bien quelle que soit la saison et quel que soit le lieu géographique. Le vitrage selon l'invention tient compte de cette remarque et permet de faire varier le pourcentage de transmission du rayonnement infra-rouge du soleil en fonction de la hauteur du soleil par rapport à l'horizon. 15 Le vitrage selon l'invention est majoritairement transparent à la lumière visible et comprend au moins une première face plane et une deuxième face plane, lesdites faces planes sont parallèles entre elles et sur chacune d'elles ont été déposées des bandes en couches minces d'un matériau transparent à la lumière visible. Lesdites bandes en couches minces sont disposées les unes par rapport aux autres pour former un réseau de bandes parallèles entre elles. Le vitrage selon l'invention 20 se caractérise en ce que le coefficient de transmission du rayonnement infra-rouge desdites bandes de couches minces est inférieur au coefficient de transmission du rayonnement infra-rouge de l'espace compris entre ladite première face plane et ladite deuxième face plane. La lumière visible incidente passe au travers dudit vitrage et pour une partie traverse lesdites bandes en couches minces sans perte globale d'intensité. Mais le rayonnement infra-rouge, au passage dudit vitrage, va rencontrer soit les bandes de la première face et être réfléchi ou absorbé, soit rencontrer les bandes de la deuxième face et être également réfléchi ou absorbé, soit ne rencontrer aucune des bandes et passer au travers dudit vitrage sans être ni absorbé ni réfléchi. La proportion du rayonnement infra-rouge qui traverse le vitrage sans rencontrer lesdites bandes, et donc sans être intercepté, dépend de plusieurs paramètres dont des paramètres fixes: la largeur des bandes, la distance entre les bandes, la distance entre ladite première face et ladite deuxième face, et un paramètre variable : la hauteur du soleil au dessus de l'horizon. On peut montrer par exemple que lorsque le vitrage est en position verticale et que les bandes infra-rouges sont en position horizontale avec cette particularité que chaque bande de ladite première face est positionnée en regard de chaque bande correspondante de ladite deuxième face, alors le vitrage est au maximum de sa transparence aux infra-rouges lorsque le soleil est à l'horizon et au minimum de transparence lorsque le soleil est au maximum de sa hauteur. Le maximum de la hauteur du soleil au-dessus de l'horizon se produit au solstice d'été lors du passage du soleil au méridien du lieu (au Sud lorsqu'on est dans l'hémisphère Nord). Le réglage des paramètres fixes du vitrage, notamment la distance entre ladite première face et ladite deuxième 3045597 3 face, permet de régler la transparence aux infra-rouges du vitrage pour que celle-ci soit à sa valeur la plus faible au moment du solstice d'été et la plus importante lorsque le soleil est à l'horizon. Ainsi le contrôle de la transparence au rayonnement infra-rouge se fera aussi bien durant les heures de la journée en fonction de la hauteur du soleil que durant les saisons en fonction de la hauteur maximale 5 du soleil. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la distance entre ladite première et ladite deuxième face, la largeur desdites bandes de couches minces et la distance entre lesdites bandes de couches minces sont telles que, pour une position fixe dudit vitrage, la transparence moyenne dudit vitrage au rayonnement infra-rouge émis par le soleil est d'autant plus faible que la 10 position du soleil est élevée au-dessus de l'horizon. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdites bandes de couches minces ne sont pas visibles à l'oeil nu. Cette non visibilité est rendue possible par exemple en choisissant un coefficient de transparence des espaces vitrés situés entre lesdites bandes infra-rouges qui soit sensiblement identique à celui desdites bandes infra-rouges, soit en réalisant des bandes dont la 15 largeur est inférieure à cent microns. Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, l'espace compris entre ladite première face et ladite deuxième face est rempli d'un gaz, éventuellement de l'air, ou d'un verre minéral ou organique. Dans le cas où ledit espace est du verre dont l'indice de réfraction est de l'ordre de 1.5, il se produit un phénomène de réfraction du rayonnement infra-rouge entre les deux faces, ce 20 qui dévie l'angle d'incidence dudit rayonnement avant son passage au travers de ladite deuxième face. Un léger décalage sur le positionnement des bandes de la deuxième face par rapport au positionnement des bandes de la première face est alors nécessaire pour rétablir le coefficient désiré de transmission des infra-rouges suivant la hauteur du soleil. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il peut être intéressant que ledit 25 vitrage comprenne en outre sur certaines de ses faces des revêtements qui rendent lesdites faces réfléchissantes et/ou absorbantes pour une partie du spectre solaire. Il est par exemple intéressant de traiter au moins une des faces du vitrage contre le rayonnement ultra-violet. Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, lesdites bandes de couches minces sont composées d'un empilement de plusieurs couches minces dont les coefficients de 30 réflexion et/ou d'absorption sont différents quant au rayonnement infra-rouge. Ainsi il peut être intéressant d'avoir les bandes de la première face, c'est-à-dire celles qui reçoivent en premier le rayonnement solaire, composées d'une première couche mince plutôt réflective aux infra-rouges et d'une deuxième couche mince plutôt absorbante aux infra-rouges, de sorte que le rayonnement infrarouge qui est réfléchi par les bandes de la seconde face soit absorbé par la couche absorbante des 35 bandes de la première face et non de nouveau réfléchi par lesdites bandes de la première face vers ladite seconde face, ce qui dans ce cas aurait l'inconvénient et rendre le vitrage globalement plus transparent aux infra-rouges. Dans un mode particulier de réalisation, lesdites bandes de couches minces sont positionnées à l'horizontale. Ce cas particulier est particulièrement intéressant lorsque les vitrages 3045597 4 doivent être intégrés dans une façade d'immeuble, une serre agricole, une toiture de bâtiment, une véranda, un véhicule de transport, un mobilier urbain, un écran ou un panneau d'affichage, c'est-à-dire lorsque le vitrage est de préférence en position verticale. Dans un mode particulier de réalisation avantageux, ledit vitrage contient des cellules 5 photovoltaïques non visibles à l'oeil nu ; c'est le cas par exemple de micro cellules photovoltaïques en bande dont la largeur est inférieure à 100 microns. Dans un mode de réalisation particulier encore plus avantageux, lesdites bandes de couches minces ont la propriété de rediriger l'énergie du rayonnement infra-rouge, et éventuellement ultraviolet, dans l'épaisseur dudit vitrage par des réflexions multiples de type saut d'indice de réfraction sur 10 les faces dudit vitrage, et vers des cellules photovoltaïques positionnées en périphérie dudit vitrage de manière à transformer l'énergie dudit rayonnement infra-rouge en électricité photovoltaïque. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des figures 1 à 4 15 indexées. La figure 1 représente en coupe une vitre (1) selon l'invention et le trajet du rayonnement solaire (5) lorsque le soleil (S) est plutôt bas au-dessus de l'horizon (H). La figure 2 représente en coupe la vitre (1) de la figure 1 précédente et le trajet du rayonnement solaire (8) lorsque le soleil (S) est plutôt haut au-dessus de l'horizon (H). 20 La figure 3 représente le cas particulier où l'espace (2) entre les deux faces (21,22) du vitrage (1) est rempli d'air. La figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation particulier dans lequel le rayonnement infra-rouge est redirigé vers la périphérie du vitrage (1) et transformé en électricité par des cellules photovoltaïque (13). 25 Le vitrage (1) selon l'invention est composé d'au moins deux faces planes parallèles (21,22) recouvertes chacune d'un réseau de bandes parallèles (3,4) qui absorbent ou réfléchissent le rayonnement infra-rouge (5) du soleil (S). L'axe longitudinal desdites bandes infra-rouges est de préférence positionné à l'horizontale. La distance entre les deux faces (21,22) équivaut dans cette exemple à l'épaisseur de la vitre (1) et l'espace entre ces deux faces est rempli de verre minéral ou de 30 verre organique, le verre et les bandes sont très transparents à la lumière visible. Le positionnement en hauteur du premier réseau de bandes (3) par rapport au second réseau de bandes (4) est choisi pour que l'angle Al que fait le rayonnement infra-rouge (5) avec l'horizontale (H) produise un maximum de transmission du rayonnement infra-rouge (6) au travers de la vitre (1) lorsque le soleil (S) est bas sur l'horizon, donc lorsque l'angle Al est faible. En effet une partie du rayonnement infra- 35 rouge (5) est réfléchi (7) par les bandes (3) de la première face (21) vers l'extérieur de la vitre (1) et l'autre partie (6) traverse la vitre (1) en interceptant très peu ou pas du tout les bandes (4) de la seconde face (22) car ces dites bandes (4) sont dans l'ombre des bandes (3) de la première face (21). Le coefficient de transmission du rayonnement infra-rouge (5) au travers de la vitre (1) dans cette configuration (soleil bas) dépend alors du rapport entre la surface globale des bandes (3) de la 3045597 5 première face (21) et la surface totale de la première face (21). Ce coefficient de transmission des infra-rouges peut être supérieur à 50%. La figure 2 reprend les mêmes caractéristiques de la vitre (1) de la figure 1 précédente, mais cette fois le soleil (S) est en position haute, c'est-à-dire que l'angle A2 que fait le rayonnement solaire 5 (8) par rapport à l'horizon (H) est supérieur à l'angle Al que faisait le rayonnement solaire (5) lorsque le soleil (S) était en position basse. La position la plus haute du soleil (S) se présente lorsque le soleil passe au méridien du lieu (au Sud) au moment du solstice d'été. Le rayonnement infra-rouge (8) est réfléchi en partie par le réseau de bandes (3) de la première face (21), dans la même proportion que lorsque le soleil était en position plus basse (figure 1), mais cette fois le rayonnement infra-rouge est 10 intercepté (absorbé ou réfléchi, 10) en partie ou en totalité par les bandes (4) de la seconde face (22), ce qui fait qu'une très faible partie du rayonnement infra-rouge (8) traverse la vitre (1) alors que ladite vitre (1) reste très transparente au rayonnement visible (9). Lorsque la hauteur du soleil (S) est comprise entre sa valeur la plus basse (Al = 0 à l'horizon H) et sa valeur la plus haute (A2 = 90 - latitude du lieu , à midi au solstice), la transparence 15 de la vitre (1) au rayonnement infra-rouge varie progressivement d'une valeur maximale à une valeur minimale, ces dites valeurs étant fonction de la largeur des bandes (3,4) et de la distance entre les deux réseaux de bandes. La figure 3 représente un mode particulier de réalisation dans lequel le vitrage (1) est composé de deux vitres parallèles (11,12) séparées par une lame d'air (2). Cette configuration est 20 souvent appelée un « double » vitrage et a l'avantage d'être beaucoup plus isolant thermiquement qu'un simple vitrage. Dans cette configuration, ladite première face (21) et ladite seconde face (22) qui supportent respectivement le premier réseau de bandes (3) et le second réseau de bandes (4) sont positionnées sur les faces numéro deux et numéro trois du double vitrage, étant entendu que la numérotation des faces commence par la face extérieure du vitrage qui reçoit en premier le 25 rayonnement solaire. L'autre intérêt de cette configuration est que les bandes infra-rouges (3,4) sont des couches minces souvent assez sensibles à l'humidité et que le fait de les positionner dans l'espace protégé du double vitrage augmente leur durée de vie. La figure 4 représente un mode de réalisation particulier qui permet de transformer en électricité le rayonnement infra-rouge (5) réfléchi par les bandes (3,4). La technique utilisée pour 30 absorber les infra-rouges puis les réémettre dans une plage de longueurs d'ondes un peu différentes est déjà connue (Brevet US 2014/0283896 Al). Le rayonnement réémis se propage dans l'épaisseur d'une plaque transparente par réflexions totales multiples sur les parois de ladite vitre et jusqu'aux bordures situées en périphérie où sont positionnées des cellules photovoltaïques (13) qui transforment l'énergie de radiation en électricité. Le mode de réalisation de la figure 4 est nouveau car le matériau 35 qui permet le saut de fréquence des infra-rouges n'est pas réparti uniformément à la surface du vitrage, mais est réparti suivant un réseau de bandes parallèles (3,4) disposées sur deux faces parallèles (21,22) du vitrage (1), ce qui permet audit vitrage (1) d'être plus ou moins transparent aux infra-rouges (5) en fonction de l'angle d'incidence desdits rayons infra-rouges (5) et de transformer en 3045597 6 électricité le rayonnement infra-rouge réémis (14,15) grâce à des cellules photovoltaïques (13) positionnées en périphérie sur les bords du vitrage (1). EXEMPLE DE REALISATION 5 Un exemple de réalisation est représenté schématiquement par la figure 3 : Un double vitrage (1) est composé de vitres (11 et 12) en verre minéral clair de 4 mm d'épaisseur et espacées de 9 mm. Un matériau transparent à la lumière visible, réfléchissant 85% du rayonnement infra-rouge proche et comprenant des particules d'argent nanométriques, est déposé en couches minces de 2 microns et forme un réseau de bandes parallèles (3,4) de 9 mm de large et 10 espacées de 9 mm. Lesdites bandes (3,4) sont positionnées à l'horizontale sur les deux faces intérieures (21,22) du double vitrage (1) de sorte que les bandes (3) de la première face (21) sont décalées en hauteur d'une valeur de 2 mm par rapport aux bandes (4) de la deuxième face (22). On montre alors que le coefficient de transmission du rayonnement solaire infra-rouge dudit double vitrage (1) diminue environ de 60% à 15% lorsque, à une latitude de 45 degrés, lorsque le 15 soleil passe de sa position la plus basse à sa position la plus haute (solstice d'été), ce qui permet de réguler l'apport calorifique du rayonnement solaire qui traverse le vitrage en fonction des saisons et de limiter les déperditions de chaleur (infra-rouges lointains) grâce au faible coefficient de transmission thermique du double vitrage. 20 AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant, d'une manière passive, et à moindre coût, de faire varier le coefficient de transmission des infra-rouges solaires d'un vitrage en fonction des saisons, ceci afin de laisser passer une partie de l'énergie solaire infra-rouge en hiver et de réfléchir une grande partie de l'énergie solaire infra-rouge en été afin de réguler la température 25 des bâtiments. 30 35 REVENDICATIONS1 - Vitrage (1) majoritairement transparent à la lumière visible comprenant au moins une première face plane (21) et une deuxième face plane (22) séparées entre elles par un espace (2), 5 lesdites faces planes (21 et 22) étant parallèles entre elles et sur chacune d'elles étant déposées des bandes en couches minces (3 et 4) d'un matériau transparent à la lumière visible, lesdites bandes de couches minces (3,4) étant disposées les unes par rapport aux autres pour former un réseau de bandes parallèles entre elles, caractérisé en ce que le coefficient de transmission du rayonnement infra-rouge desdites bandes de couches minces (3,4) est choisi inférieur au coefficient de transmission 10 du rayonnement infra-rouge dudit l'espace (2). 2 - Vitrage (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre ladite première (21) et ladite deuxième (22) face, la largeur desdites bandes de couches minces et la distance entre lesdites bandes de couches minces sont choisies telles que, pour une position fixe dudit 15 vitrage (1), la transparence moyenne dudit vitrage au rayonnement infra-rouge (5) émis par le soleil (S) est d'autant plus faible que la position du soleil est élevée au-dessus de l'horizon (H). 3 - Vitrage (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites bandes de couches minces (3,4) ne sont pas visibles à l'oeil nu, par exemple en choisissant un 20 coefficient de transparence des espaces vitrés situés entre lesdites bandes infra-rouges qui soit sensiblement identique à celui desdites bandes infra-rouges. 4 - Vitrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace (2) compris entre ladite première face (21) et ladite deuxième face (22) est rempli d'un gaz, 25 éventuellement de l'air, ou par un verre minéral ou organique. - Vitrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit vitrage (1) comprend en outre sur certaines de ses faces des revêtements qui rendent lesdites faces réfléchissantes et/ou absorbantes à une partie du spectre solaire. 30 6 - Vitrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites bandes de couches minces (3,4) sont composées d'un empilement de plusieurs couches minces dont les coefficients de réflexion et/ou d'absorption du rayonnement infra-rouge sont différents entre eux. 35 7 - Vitrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites bandes de couches minces (3,4) sont positionnées à l'horizontale. 3045597 8 8 - Vitrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit vitrage (1) contient des cellules photovoltaïques non visibles à l'oeil nu, comme par exemple des micro cellules photovoltaïques en bandes dont la largeur est inférieure à cent micromètres. 5 9 - Vitrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites bandes de couches minces (3,4) ont la propriété de rediriger l'énergie du rayonnement infra-rouge (5), et éventuellement du rayonnement ultra-violet, dans l'épaisseur dudit vitrage (1) par des réflexions multiples de type saut d'indice de réfraction sur les faces dudit vitrage (1) et vers des cellules photovoltaïques (13) positionnées en périphérie dudit vitrage (13), de manière à transformer l'énergie dudit rayonnement infra-rouge (5) en électricité photovoltaïque. 10 - Vitrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit vitrage (1) est intégré dans une façade d'immeuble, une serre agricole, une toiture de bâtiment, une véranda, un véhicule de transport, un mobilier urbain, un écran ou un panneau d'affichage. 20 25