Brevet FR3067822A1 — publié le 20181221

VITRAGE PHOTOVOLTAÏQUE DONT LA TRANSPARENCE AUX INFRA- ROUGES PROCHES S'ADAPTE A LA HAUTEUR DU SOLEIL La présente invention se rapporte aux vitrages photovoltaïques semi 5 transparents à la lumière visible permettant un contrôle de la transparence aux rayonnements infra-rouge solaire. ETAT DE LA TECHNIQUE Afin de minimiser les besoins énergétiques des bâtiments et obtenir un bon 10 confort thermique il est courant d'utiliser des vitrages spéciaux, appelés vitrages à contrôle solaire ou vitrage à faible émissivité (Low-e en terminologie anglo-saxonne) qui en été et en intersaison grâce à un facteur solaire très bas (g On définit ci-après le terme de « surface photovoltaïque » par toutes surfaces opaques ou semi transparentes ayant la propriété de transformer un rayonnement lumineux, visible et/ou invisible, en électricité. Une telle surface photovoltaïque peut par exemple être constituée de cellules en silicium cristallin ou en silicium amorphe ou en un empilement de couches minces actives comme par Io exemple du CIGS (cuivre, indium, gallium et sélénium), elles peuvent être opaques ou semi-transparentes, visibles ou invisibles ou inférieures à 100 microns. On utilise aussi ci-après les initiales « CTRIRP » pour traduire le terme : Coefficient de Transmission pour les Rayonnements Infra Rouge Proches. Il est important de constater qu'il est en général souhaitable de limiter 15 d'autant plus le 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 photovoltaïque selon l'invention tient compte de cette remarque et permet de faire varier le pourcentage de transmission du rayonnement infra-rouge du soleil en 20 fonction de sa hauteur par rapport à l'horizon. Le vitrage photovoltaïque selon l'invention comprend au moins une première face plane et une deuxième face plane parallèles entre elles, la première face plane comportant des bandes parallèles d'un matériau photovoltaïque et la deuxième face plane comportantdes bandes de couches minces d'un matériau transparent à la 25 lumière visible et de faible Coefficient de Transmission pour les Rayonnements Infra-Rouges Proches (CTRIRP), lesdites bandes de la première face et de la seconde face étant disposées les unes par rapport aux autres pour former un réseau de bandes parallèles entre elles, et ledit vitrage photovoltaïque étant caractérisé en ce que le coefficient de transmission pour les rayonnements infra-rouges proches (CTRIRP) 30 desdites bandes de couches minces de la seconde face est inférieur au coefficient de transmission pour les rayonnements infra-rouges proches (CTRIRP) de l'espace compris entre ladite première face plane et ladite deuxième face plane. 4 La lumière visible incidente n'est absorbée que par les bandes photovoltaïques. Le pourcentage de transmission de cette lumière visible au travers du vitrage reste sensiblement constant et indépendant de l'angle d'incidence du rayonnement solaire entrant. Mais le rayonnement infra-rouge contenu dans le 5 rayonnement solaire global incident et qui aura traversé la première face en passant entre les bandes photovoltaïques, va rencontrer soit les bandes de faible CTRIRP de la deuxième face et être réfléchi ou absorbé, soit passer au travers desdites bandes de faible CTRIRP et passer au travers dudit vitrage sans être ni absorbé ni réfléchi. La proportion du rayonnement infra-rouge qui traverse le vitrage sans io rencontrer lesdites bandes de faible CTRIRP, 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 15 et que les bandes de faible CTRIRP 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 20 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 face, permet de régler la transparence aux infra-rouges proche du vitrage pour que celle-ci soit à sa valeur la plus faible au 25 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 proche 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 du soleil. Dans un mode de réalisation particulier la distance entre ladite première et 30 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 proche 5 émis par le soleil est d'autant plus faible que la position du soleil est élevée au-dessus de l'horizon. Dans un mode de réalisation particulier lesdites bandes à faible CTRIRP ne sont pas visibles à 1'c:el' nu. Cette non visibilité est rendue possible par exemple en 5 choisissant un coefficient de transparence visuelle qui soit sensiblement identique pour lesdites bandes à faible CTRIRP et pour les espaces qui les séparent, ou en réalisant des bandes à faible CTRIRP dont la largeur est inférieure à cent microns. Dans un autre mode de réalisation particulier l'espace compris entre ladite première face et ladite deuxième face est rempli d'un gaz, éventuellement de l'air, ou io 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 proche entre les deux faces ce 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 15 rapport au positionnement des bandes photovoltaïques de la première face est alors nécessaire pour rétablir le coefficient désiré de transmission du rayonnement infrarouges proche suivant la hauteur du soleil. Dans un mode de réalisation particulier il peut être intéressant que ledit vitrage comprenne en outre sur certaines de ses faces des revêtements qui rendent 20 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 lesdites bandes photovoltaïques ont leur face non active, celle qui est tournée vers la seconde face, 25 qui est recouverte d'un revêtement qui absorbe le rayonnement infra-rouge proche. Ainsi le rayonnement infra-rouge proche qui est réfléchi par les bandes de faible CTRIRP de la seconde face sera absorbé par ledit revêtement absorbant et non de nouveau réfléchi par lesdites bandes photovoltaïques de la première face vers ladite seconde face, ce qui dans ce cas aurait l'inconvénient de rendre le vitrage 30 globalement plus transparent aux infra-rouges proche. Dans un mode particulier de réalisation lesdites bandes photovoltaïques et lesdites bandes de faible CTRIRP sont positionnées à l'horizontal. Ce cas particulier est particulièrement intéressant lorsque les vitrages 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. 5 Dans un mode particulier de réalisation avantageux ledit vitrage contient des cellules 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. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des deux figures indexées. La figure 1 est un schéma en coupe d'un vitrage photovoltaïque (9) selon l'invention avec le trajet du rayonnement solaire (7) lorsque le soleil (S) est plutôt bas au-dessus de l'horizon (H) et avec le trajet du rayonnement solaire (5) lorsque le 15 soleil (S) est plutôt haut au-dessus de l'horizon (H). La figure 2 est un schéma en coupe d'un exemple particulier de réalisation de type double vitrage. Le vitrage photovoltaïque (9) selon l'invention est composé d'au moins deux faces planes parallèles (1,2) recouvertes chacune d'un réseau de bandes parallèles 20 (3,4). La première face (1) comprend un réseau de bandes photovoltaïques (3) qui absorbent et transforment en électricité une partie du rayonnement solaire. La deuxième face (2) comprend un réseau de bandes (4) majoritairement transparentes au rayonnement visible et majoritairement réfléchissantes pour le rayonnement infrarouge proche (5). L'axe longitudinal desdites bandes (3,4) est de préférence 25 positionné à l'horizontale. L'espace (8) entre ces deux faces (1,2) est rempli soit d'un gaz comme l'air, soit de verre minéral ou de verre organique. La distance entre les deux faces (1,2) équivaut sensiblement, dans cet exemple, à la largeur des bandes photovoltaïques (3) et des bandes (4) à faible CTRIRP (Coefficient de Transmission pour les Rayonnements Infra-Rouges Proches). 30 Le positionnement en hauteur du premier réseau de bandes (3) par rapport au second réseau de bandes (4) est choisi pour que l'angle A2 que fait le rayonnement infra-rouge (6) avec l'horizontale (H) produise un maximum de 7 transmission du rayonnement infra-rouge (7) au travers du vitrage (9) lorsque le soleil (S) est bas sur l'horizon, donc lorsque l'angle A2 est faible. En effet une partie du rayonnement solaire (6) traverse la première face (1) du vitrage (9) en interceptant très peu ou pas du tout les bandes à faible CTRIRP (4) de la seconde 5 face (2) car ces dites bandes (4) sont dans l'ombre des bandes (3) de la première face (1). Le coefficient de transmission du rayonnement infra-rouge proche (CTRIRP) au travers du vitrage (9) dans cette configuration (soleil bas) dépend alors du rapport entre la surface globale des bandes (3) de la première face (1) et la surface io totale de la première face (1). Ce coefficient de transmission des infra-rouges proches peut être supérieur à 50%. Lorsque le soleil (S) est en position haute, l'angle Al que fait le rayonnement solaire (5) par rapport à l'horizon (H) est supérieur à l'angle A2 que faisait le rayonnement solaire (6) 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 (5) est absorbé en partie par le réseau de bandes photovoltaïques (3) de la première face (1), dans la même proportion que lorsque le soleil (S) était en position plus basse (A2) mais cette fois le rayonnement infra-rouge (5) est intercepté (principalement réfléchi) par les bandes (4) de la seconde face (2) ce qui fait qu'une très faible partie du rayonnement infra-rouge (5) traverse le vitrage (9) alors que ledit vitrage (9) reste en grande partie transparent au rayonnement visible qui traverse les bandes (4) à faible CTRIRP. Lorsque la hauteur du soleil (S) est comprise entre sa valeur la plus basse (A2 = 0 à l'horizon H) et sa valeur la plus haute (Al = 90 - latitude du lieu, à midi au solstice) la transparence du vitrage (9) au rayonnement infra-rouge proche 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 (3 et 4). La figure 2 représente un mode particulier de réalisation dans lequel le 30 vitrage (9) est composé de deux vitres parallèles (11,12) séparées par une lame d'air (8). Cette configuration est souvent appelée un « double » vitrage et a l'avantage d'être beaucoup plus isolant thermiquement qu'un simple vitrage. Dans cette 8 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. 5 L'autre intérêt de cette configuration est que les bandes à faible CTRIRP (4) sont des couches minces souvent assez sensibles à l'humidité et que le fait de les positionner dans l'espace protégé à l'intérieur du double vitrage augmente leur durée de vie. EXEMPLE DE REALISATION io Un exemple de réalisation est représenté schématiquement par la figure 2 : Un double vitrage photovoltaïque (9) est composé de deux 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 15 de 2 microns d'épaisseur en formant un réseau de bandes parallèles (4) de 9 mm de large et espacées de 9 mm. Lesdites bandes (4) réfléchissent le rayonnement infrarouge proche et sont positionnées à l'horizontale sur la face interne (22) de la deuxième vitre (12). Des bandes parallèles photovoltaïques (3) en silicium amorphe de 9 mm de 20 large et espacées de 9 mm sont déposées à l'horizontale sur la face interne (21) de la première vitre (11). Les bandes photovoltaïques (3) de la première face (21) sont décalées en hauteur par rapport aux bandes réfléchissantes infra-rouges (4) de la deuxième face (22) d'une valeur de 2 mm. On montre alors que le coefficient de transmission du rayonnement solaire 25 infra-rouge dudit double vitrage (9) diminue environ de 60% à 15% lorsque, à une latitude de 45 degrés, le 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. 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 proches d'un vitrage photovoltaïque en fonction des saisons, ceci afin de laisser passer une partie de l'énergie solaire infra-rouge en hiver et de 5 réfléchir une grande partie de l'énergie solaire infra-rouge en été afin de réguler la température des bâtiments. 10 10 REVENDICATIONS- Vitrage photovoltaïque (9) en partie transparent à la lumière visible comprenant au moins une première face plane (1) et une deuxième face plane (2) parallèles entre elles, la première face plane (1) comportant des bandes parallèles d'un matériau photovoltaïque (3) et la deuxième face plane comportant des bandes parallèles de couches minces (4) d'un matériau transparent à la lumière visible et de faible Coefficient de Transmission pour les Rayonnements Infra-Rouges Proches (CTRIRP), lesdites bandes (3,4) de la première face (3) et de la seconde face (4) io étant disposées les unes par rapport aux autres pour former un réseau de bandes parallèles entre elles, et ledit vitrage photovoltaïque (9) est caractérisé en ce que le Coefficient de Transmission pour les Rayonnements Infra-Rouges Proches (CTRIRP) desdites bandes de couches minces (4) de la seconde face (2) est inférieur au Coefficient de Transmission pour les Rayonnements Infra-Rouges Proches (CTRIRP) 15 de l'espace (8) compris entre ladite première face plane (1) et ladite deuxième face plane (2). 2 - Vitrage photovoltaïque (9) selon la revendication 1,caractérisé en ce que la distance entre ladite première (1) et ladite deuxième (2) face, la largeur desdites 20 bandes (3,4) et la distance entre chacune desdites bandes (3,4) sont telles que pour une position fixe dudit vitrage (9) la transparence moyenne dudit vitrage (9) au rayonnement infra-rouge proche (5,6,7) émis par le soleil (S) est d'autant plus faible que la position du soleil (S) est élevée au-dessus de l'horizon (H). 25 3 - Vitrage photovoltaïque (9) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites bandes de couches minces (4) à faible CTRIRP ne sont pas visibles à l'oeil nu, par exemple en choisissant un coefficient de transparence visuelle qui soit sensiblement identique pour lesdites bandes à faible CTRIRP (4) et pour les espaces qui les séparent. 30 4 - Vitrage photovoltaïque (9) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace (8) compris entre ladite première face (1) et ladite li deuxième face (2) est rempli d'un gaz, éventuellement de l'air, ou d'un verre minéral ou organique. 5 - Vitrage photovoltaïque (9) selon l'une des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que ledit vitrage (9) comprend en outre sur certaines de ses faces des revêtements qui rendent lesdites faces réfléchissantes et/ou absorbantes à une partie du Spectre solaire. 6 - Vitrage photovoltaïque (9) selon l'une des revendications précédentes, io caractérisé en ce que lesdites bandes photovoltaïques (3) ont leur face non active, celle qui est tournée vers la seconde face (2), qui est recouverte d'un revêtement qui absorbe le rayonnement infra-rouge proche. 7 - Vitrage photovoltaïque (9) selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que leetes bandes photovoltaïques (3) sont de nature cristalline et/ou de nature amorphe, ou constituées d'un empilement de couches minces actives comme par exemple du C1GS (cuivre, indium, gallium et sélénium), ou opaques ou semi-transparentes, visibles ou invisibles, ou en bandes dont la largeur est inférieure à 100 microns. 20 8 - Vitrage photovoltaïque (9) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites bandes (3,4) sont positionnées à l'horizontale. 9 - Vitrage photovoltaïque (9) selon l'une des revendications précédentes, 2$ caractérisé en ce que redit vitrage (9) 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.