CA2409368A1

CA2409368A1 - Cadre orientable muni d'un capteur thermique ou d'un capteur photovoltaique

Info

Publication number: CA2409368A1
Application number: CA002409368A
Authority: CA
Inventors: Jacques Lambey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2001-11-22
Also published as: JP2003533893A; AU2001262443A1; WO2001088312A1; EP1282755A1

Abstract

L'invention concerne un cadre (3) susceptible de recevoir sur l'une au moins de ses deux faces principales un capteur thermique ou photovoltaïque, caractérisé en ce que ledit cadre est orientable selon une plage de progression continue ou selon un mode pas à pas par rapport à l'éclairement solaire.

Description

2 PCT/FRO1/01514 CADRE ORIENTABLE MUNI D'UN CAPTEUR THERMIQUE OU D'UN
CAPTEUR PHOTOVOLTAòQUE
L'invention concerne le domaine technique de l'équipement des habitations individuelles et collectives, et plus spécifiquement, celui de la récupération d'énergie, notamment d'origine solaire.
Elle concerne ainsi un cadre orientable, susceptible de recevoir un capteur thermique ou photovoltaïque, et dont l'orientation est fonction de la course à la fois journalière 1o et saisonnière du soleil.
Dans le cadre des productions d'énergie ëlectrique et thermique, Ia mise en couvre de paimeaux est, à ce jour, largement connue. Ces pamleaux sont traditionnellement intégrés dans une toiture, voire posés sur le sol. De fait, ils présentent une inclinaison constante, certes quelques fois optimisée, par rapport à l'éclairement solaire. Par voie de conséquence, en fonction de l'heure considérée de la journée et de la saison, ces parnleaux sont très loin de développer les rendements nomizlaux pour lesquels ils sont conçus.
2o Les études effectuées ont pu lnontrer qu'il convenait de prévoir une inclinaison moyenne d'un tel paiuleau par rapport à la verticale de 30° en hiver, et de 60° en été.
De fait, des panneaux ont été réalisés permettant cette double inclinaison.
Cependant, cette double inclinaison fonctionne selon la rëgle du tOtlt ou rien, c'est à
dire qu'il n'y a pas de positions intei~nédiaires entre ces deux positions extrêmes, ni de quelconques progressions. Par voie de conséquence, si certes les rendements énergétiques sont améliorés, ils sont très loin d'être optimisés.
L'objectif de l'invention est de pemettre une optimisation de cette récupération d'énergie, qu'elle soit d'origine électrique par transformation photovoltaïque, ou par 3o simple accumulation thermique.
A cet effet, elle propose un cadre susceptible de recevoir sur l'une au moins de ses deux faces principales un capteur thermique ou photovoltaïque, caractérisé en ce que ledit cadre est orientable selon une plage de progression continue ou pas à
pas par rapport à l'éclairement solaire.

Avantageusement, cette orientation est réalisée au moyen d'un organe actionné
automatiquement.
La progression pas à pas, pour des périodes typiques d'une dizaine de minutes, permet ainsi de tenir compte de la course du soleil, sa~.is poz~r autant nécessiter un mécanisme relativement fastidieux à mettre au point pour assurer une progression en mode continue, en synchronisme avec ladite course du soleil.
L'organe actionneur peut être constitué d'un vérin électrique agissant directement au niveau du cadre ou par l'intermédiaire de compas, notamment symétriques, dont l'une des branches est solidaire du cadre, dans ce cas arüculée au niveau de l'un de ses cotés sur un bâti, et dont l'autre est solidaire du bâti, sur lequel est articulé ledit cadre.
Le cadre en question peut en outre est translaté linéairement et, être utilisé
comme volet coulissant ou oscillo-battant, afin de remplir en outre les fonctions d'occultation traditionnelle de la lumière pour l'habitat au niveau duquel il est mis en place.
Le cadre peut également être mis en oeuvre au niveau des dispositifs de couverture solaire pour piscines et autres bassins.
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressorüront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées.
La figure 1 est une représentation schématique en vue latérale d'un cadre orientable articulé conformément à l'invention.
La figure 2 est une vue de face du cadre en question selon l'une des formes de 3o réalisation de l'invention.
La figure 3 est une représentation schématique d'un cadre oscillant, faisant office de volet, et constituant une variante de la figure 1.
La figure 4 est une représentation schématique en perspective d'une autre forme de réalisation de l'invention, mettant en ouvre un cadre pour volet oscillo-battant, en position ouverte, dont la figure 5 est une vite de détail du mécanisme de fonctionnement des lames élémentaires constitutives.

3 La figure 6 est une vue analogue à la figure 4, mais représentée en position semi-fennée.
La figure 7 est une vue latérale de la figure 6.
La figure 8 est une vue en section d'un cadre muni d'uri capteur thermique.
s La figure 9 est une vue de détail d'un tel capteur thermique.
La figure 10 est une vue latérale de volet oscillo-battaxit muni d'un tel capteur thermique.
La figure 11 est une représentation schématique de plusieurs cadres conformes à
l'invention, munis de capteurs thermiques ou photovoltaïques associés entre eux, et constituant un ensemble de couverture, notamment pour piscines ou bassins.
La figure 12 est une vue du capteur en position sensiblement verticale.
Ainsi que déjà précisé, l'invention a plus spécifiquement trait à l'habitat collectif ou individuel, et est notamment destinée à être mise en ouvre , selon une première forme de réalisation au niveau des volets, munis de capteurs photovoltaïques, voire de capteurs thermiques.
S'agissant de ces volets, il en existe différents systèmes, simples ou doubles, à
ouverhire manuelle ou motorisée. Parmi les différents types de modèles disponibles, on coimaît les volets oscillants, oscillo-battants, et oscillo-coulissants, tous pouvant également être simple ou double à ouverture et à oscillation manuelles ou motorisées.
De fait, différentes combinaisons peuvent être envisagées, sans qu'il y ait lieu de rentrer ici dans Ie détail.
Le volet (2) conforme à l'invention, comporte donc tuz cadre (3) orientable, et en l'espèce, articulé au niveau d'une fenêtre par un axe d'al-ticulation horizontal (5). Ce cadre (3) reçoit sur sa face supérieure un module photovoltaïque (1), s'étendant sensiblement sur toute sa surface. Traditionnellement, un tel module est composé de cellules photovoltaïques, dont la fonction est de transformer l'énergie hunineuse en un courant électrique. Lorsque ladite énergie hunineuse pénëtre dans Ie matériau 3o serai-conducteur - constitutif des cellules, les photons porteurs de l'énergie électro-magnétique permettent aux électrons de se libërer et ainsi de constituer un courant électrique. De tels modules photovoltaïques sont en soi bien connus, de sorte qu'il n'y a pas lieu ici de le décrire en détail. Il convient néanmoins de préciser qu'est traditiomlellement associé à de tels modules un convertisseur - onduleur assurant la liaison avec le réseau électrique. Ainsi, un module fixe incliné à 60 °
par rapport à la vertical et présentant une surface de 0,5 m2, représentant envron 36 cellules de 100 cm2, produit 50 Watts crête sous tm rayonnement de 1 000 W/ma.

4 Selon l'invention, le module (1) est solidarisé au cadre (3) par tout moyen, et notamment une résine, ou tout système de collage on de fixation mécanique traditionnelle.
Le volet de type battant est susceptible de recevoir uxz module sur châeune de ses deux faces, afin de recevoir le rayoimement en position ouverte et en position fermée.
Le volet peut être réalisé en tout matériau, notamment en bois, matériau composite tel que résine de synthèse, en PVC, voire métallique.
1o A ce volet est associé un organe d'orientation ou d'inclinaison, destiné à
conserver un mgle sensiblement de 90° entre la surface du module photovoltaïque qu'il reçoit et le rayonnement solaire, en tenant compte de l'éclairement journalier et saisonnier.
Cet organe est soit manuel soit motorisé. A cet effet, le volet, ainsi que déjà dit, est solidarisé au cadre (3), notamment métallique. Le cadre est monté sur des pivots (5) ou un axe d'articulation, solidaires notamment du mur du tableau de la fenêtre considérée. Par ailleurs, deux compas symétriques (6) relient le cadre au mur, ainsi qu',on peut bien l'observer sur les figures 1 et 2. Ces compas sont actionnés au moyen d'un vérin (7), électrique notamment, de telle sorte à induire l'écartement ou 2o au contraire le rapprochement du cadre (3) par rapport au mur, et ce, de manière continue ou en mode pas à pas. Dans ce dernier cas, un moteur approprié induit un déplacement du cadre, par exemple toutes les dix minutes.
Lorsque l'on met en ouvre des volets doubles de grande dimension, chaque compas est actionné par des vérins électriques (7), placés verticalement de chaque côté du tableau de la fenêtre (mode de rëalisation non représenté). Les deux vérins agissent 'simultanément sur des compas qui se déplient sous l'effet de la pression. Les vérins électriques peuvent être commandés par une horloge programmée. Ils permettent ainsi de lever facilement les volets au cours de la journée et de les maintenir sensiblement selon un plan orienté à 90 ° par rapport au rayonnement solaire.
Corollairement, ces vérins asswent leur fermeW re en fm de journée.
Pour les volets simples, un seul vérin électrique suffit et agit sur les deux compas simultanément. Il est alors orienté sensiblement horizontalement, en haut du tableau, ainsi que cela apparaît par ailleurs sur les figures 1 et 2.

On a représenté en relation avec la figure 3 une variante de réalisation de celle précédemment décrite. Dans celle-ci, l'ouverture ou la fennett~re du cadre (3) s'effectue par le biais d'tu1 vérin électrique (10), agissant au niveau d'un axe d'articulation (8), duquel s'étendent deux axes (9, 11), respectivement en direction

5 du cadre et en direction de la fenêtre. Les axes (9,11) sont eux-même montés articulés au niveau du Iieu de solidarisation à la fenêtre et au cadre.
Dans une autre forme.de réalisation représentée en relation avec les fgures 4 à 7, on met en oeuvre des volets oscïllo-battants, susceptibles de coulisser au niveau du bord 1o supérieur de la fenêtre considërée. Un cadre métallique (12), de la taille du tableau de la fenêtre, est installé sur les gonds pré-existants. Ce cadre (12) reçoit un cadre support (40) de type oscillant, et équipé de deux volets photo-générateurs de type battant (13, 14). Chacun de ces deux volets est en fait composé d'une ou de plusieurs rangées de Iames ou modules solaires (35), montés chacun sur un cadre (3), orientable et commandé simultanément notamment par uxi vérin électrique ou un micromoteur, commandé par une horloge.
Ainsi, le support (40) est incliné manuellement à l'instar de persiennes, alors que Ies modules sont orientés automatiquement, en mode continu ou pas à pas, comme dans le mode de réalisation précédent, par le vérin ou le micro-moteur, par exemple agissant sur une chaîne (36), sur laquelle sont montés des bras de levier (37), eux-mêmes agissant sur les lames (35) par l'intermédiaire d'un axe d'articulation (38) (voir figure 5).
On a représenté sur la figure 6 les volets en position fermée. Pour ce faire, les cadres portant les modules (35) coulissent au niveau du bord supérïeur du cadre (12).
Grâce à ces différents volets munis donc de panneaux à orientation automatisée, des rendements élevés de production d'énergie électrique sont susceptibles d'être obtenus tout en conservant la fonctionnalité des volets. Avantageusement, la plage horaire de programmation de l'inclinaison est située en France entre 10 h et 16 h, c'est à dire la période qui reçoit environ 90% du rayonnement journalier.
La valeur moyenne du rayonnement global reçu pendant une journée dont l'ensoleillement est discontinu par des volets oscillants programmés conformément à
l'inventïon, est d'environ deux fois supérieure à celle d'un module fixe incliné à 60°, par rapport à la verticale, quï est l'inclinaison moyenne d'une toiture.

6 Ainsi, Ie système d'oscillation conforme à l'invention permet de quasiment doubler le rendement à surface équivalente. Un tel système s'avère également adapté
aux régions montagneuses, où Ia neige recouvre une borure partie de l'hiver, les toits, alors que le rayom~.ement solaire est élevé. Ce système est en outre facilement réalisable et engendre des coûts de revient relativement bas. En outre, chacun des modules est susceptible de s'intégrer à tout bâtiment, sans engendrer de surcoût d'étanchéité. Enfin, de tels modules sont facilement accessibles et leur maintenance est simplifiée.
1o Dans Lme autre forme de réalisation représentée en détail en relation avec les figures 8 à 10, on remplace le module photovoltaïque par un capteur thermique.
L'objectif est d'utiliser l'énergie thermique développée par le soleil de l'exposition quotidienne.
Chacun des capteurs thermiques, représentés plus en détail au niveau de la figure 9 est composé d'un coffre (21) métallique, par exemple réalisé en acier galvanisé ou en alliage à base d'alzuninium, doublé à l'intérieur par un isolant thermique (20), typiquement constitué de mousse en polyuréthane. Ce coffre (21) comporte un absorbeur ihennique (19), réalisé en cuivre soudé à un Wbe de cuivre d'environ mm de diamètre, et dans lequel circule un fluide caloporteur. Une plaque de verre trempée (17) recouvre le coffre (21).
2o En position, fermée, le volet muni d'un tel capteur thermique, occulte la fenêtre, à
l'instar de volets traditionnels, et présentent à l'extérieur la face arrière du coffre, qui peut recevoir un matériau ou une couleur adaptée à la teinte du bâtiment.
L'ouverture des volets battants s'effectue manuellement, Les faisant pivoter sur Leurs gonds. Les capteurs thermiques se trouvent alors exposés à Ia lumiére solaire. Pour accroître leur rendement, il suffit de pousser manuellement ou électriquement le cadre oscillant (16) qui peut prendre une inclinaison voisine de 45° -C. La température du fluide caloporteur circulant dans les tubes (19) s'élève alors sous l'effet du rayonnement solaire, et la chaleur emmagasinée dans le coffre (21).
3o Le fluide caloporteur circulent dans les tubes (19) transporte les calories stockées vers un ballon d'eau chaude sanitaire du logement ou vers un circuit de chauffage. Le principe demeure toujours le même s'agissant de la variation d'inclinaison des volets ainsi équipés. L'ouverture et Slll'tOtlt l'oscillation des volets sont motorisées pour présenter une orientation programmable fonction de l'ensoleillement. De la même manière que précédemment, l'objectif est de maintenir l'orientation du plan vitré (17) sensiblement perpendiculairemént à la direction du rayonnement solaire, de telle sorte à accumuler le maximum d'énergie solaire thermique.

7 On a représenté plus en détail en relation avec la figure 10, ce mode de fonctionnement. Le cadre métallique (18) est axticulé en (23) au niveau du tableau de la fenêtre (26). Un vérin électrique (24) actionne un compas (25), sur injonction d'une horloge intégrée ou autre (non représentée). L'une des branches dudit compas est fixée au mur, alors que l'autre est solidarisée au cadre oscillant (18).
Ces volets réunissent trois fonctions - occulter les fenêtres ou les baies vitrées ;
- produire le jour de 30 à 70 % de l'eau chaude d'une habitation en fonction de 1o l'ensoleillement régional ;
- isoler thermiquement les fenêtres, dont les déperditions sont élevées, notamment la nuit.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, reprësentée plus en détail en liaison avec les figures 11 et 12, le cadre conforme à l'invention est destiné
à être mis en oeuvre au niveau d'une couverture pour piscine ou bassin. De telles couvertures sont généralement mises en eeuvre afin de concentaer la chaleur émise par le soleil dans l'eau, et ainsi élever la température de celle-ci, outre de limiter les déperditions de chaleur Ia nuit.
Selon l'invention, cette couverture est équ ipée d'une pluralité de capteurs solaires , thermiques ou photovoltaïques, montés sur des cadres oscillants, eux-mêmes montés sur des chariots propres à permettre le déplacement des cadres et leur agencement au dessus de la piscine. Ces chariots (30) sont donc susceptibles de se déplacer de part et d'autre du bassin.
Ainsi, les capteurs thermiques solidarisés au cadre, à l'instar de ce qui a déjà étë
décrit, absorbent la chaleur du rayonnement solaire et la transmettent à un fluide caloporteur süué au fond de la piscine, voire à l'eau d'un ballon d'eau chaude 3o sanitaire, ou même encore au circuit de chauffage d'tuze habitation.
Lorsque Ia couverture est équipée de capteurs photovoltaïques, ceux-ci produisent un courant électrique continu, susceptible d' alimenter les locaux techniques de la piscine, voire être régulé et transformé en courant alternatif pour être utilisé sur un réseau de distribution d' électricité.

8 Chacun des cadres (3), monté sur un chariot (30) mobile sur des roulettes (32), est relié par une toile souple et amovible (31), reliant le cadre d'm chariot au chariot consécutif afin de constituer une certaine continuité de la couverture ainsi réalisée.
Les cadres (3), recevant un capteur thermique ou photovoltaïque sur sa face supérieure, est susceptible d'être incliné en continu ou selon un mode pas à
pas au moyen d'organes spécifiques du type de ceux précédenunent décrits, afin de recevoir le maximum de rayotmement solaire, la course de cette inclinaison étant avantageusement motorisée, à l'instar de ce qui a été indiqué précédemment.
1o Chaque module photovoltaïque est par exemple composé d'un réseau de cellules solaires au silicium cristallin disposées en nappe et reliées entre elles.
Cette nappe de cellules est encapsulée dans une résine thermoplastique EVA (éthylène-vinyl-acétate) qui les protège de l'humiditë, les rend stables aux U.V. et assure leur isolement électrique. Deux feuilles de verre maintiennent en sandwich cette nappe, l'épaisseur totale de l'ensemble en résultant étant voisine de 45 mm. Un cadre aluminium supporte les modules et repose sur un axe (33) rendu mobile par un quart de cercle identique à celui des capteurs.
En fonction de la dimension du module, celui-ci est incliné manuellement ou 2o électriquement soit par un vérin qui le tracte, soit par un moteur qui entraîne une chaine solidaire du capteur. Le rendement des modules est amélioré-par la programmation de l'inclinaison, qui induit l'orientation du module constamment perpendiculaire par rapport au rayonnement solaire.
Pour recouvrir parfaitement la piscine tous les capteurs sont placés horizontalement, les chariots se trouvant de fait alignés le long du bassin. Ils sont susceptibles de servent en outre de garde-corps. En fonction de la programmation, les capteurs se relèvent au cours de la journée afin de suivre la coLtrse du soleil.
Corollairement, les toiles (31) situées entre chaque capteur ou module assurent la protéction du bassin.
Dans le cas des capteurs thermiques mis en place au niveau des cadres (3), la température du fluide caloporteur s'élève sous (effet du rayonnement solaire et de la chaleur emmagasinée dans le coffre (supérieure à 100°C en été). Le fluide caloporteur circule et transporte les calories stockées vers Peau du bassin ou le ballon d'eau chaude sanitaire dü logement ou vers un circuit de chauffage. On a pu montrer que I O m2 de, capteurs fournissent entre 50 à 70 % des besoins en eau chaude d'une habitation.

9 Dans le cas de 10 m2 de modules photovoltaïques exposés au sud, on a également pu montrer que (électricité produite représente entre 30 à 50 % des besoins en électricité
d'une habitation hors chauffage.
Le principe similaire des capteurs thermiques et des modules photovoltaïques permet de réunir les deux types sur la même couverhire d'une piscine, en alternant par exemple, capteurs thermiques et capteurs photovoltaïques.
Une surface de couverture d'environ 30 m2 produit suffisamment d'énergie pour 1o répondre à la totalité des besoins d'une habitation du sud de la France.
Lors de (utilisation de la piscine, il convient de retirer cette couverture. A
cet effet, chaque capteur est positionné dans une position proche de la verticale. Puis les chariots (30) sont déplacés en commençant par le dernier, un guide fixé au sol de chaque coté du bassin maintenant les roues selon une direction parallèle au bassin, à
l'instar de rails, afin que les chariots demeurent parallèles. Une différence de longueur permet de les encastrer les uns contre les autres et d'occuper ainsi un . minimum d'espace à l'extrémité du bassin.
2o On conçoit dès lors tout l'intérêt du dispositif conforme à l'invention, dans le cadre de Ia recherche d'une optimisation de l'exploitation de l'énergie solaire, énergie gratuite pennettant de limiter les dégagements de gaz polluants, à l'origine de l'effet de serre et de ses conséquences.
Ce dispositif est de conception aisée, et compte tenu de sa facilité
d'adaptation aux supports existants, s'avère tout à fait avantageux en termes d'économie d'énergie.

Claims

REVENDICATIONS

1. Cadre (3) susceptible de recevoir sur l'une au moins de ses deux faces principales un capteur thermique, ledit cadre étant orientable par rapport à
l'éclairement solaire, caractérisé:
o en ce que l'orientation du cadre est susceptible d'être réalisée selon une plage de progression continue ou selon un mode pas à pas ;
o en ce que l'orientation du cadre est réalisée au moyen d'un organe actionné automatiquement, constitué par au moins un vérin électrique (7, 24);
o et en ce que le cadre est susceptible d'être translaté linéairement et, être utilisé comme volet coulissant, oscillo-battant ou oscillo-coulissant, afin de remplir en outre les fonctions d'occultation traditionnelle de la lumière pour l'habitat au niveau duquel il est mis en place.

2. Cadre (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe actionneur de l'orientation du cadre agit directement au niveau du cadre ou par l'intermédiaire de compas (6, 25), notamment symétriques, dont l'une des branches est solidaire du cadre (3), dans ce cas articulée au niveau de l'un de ses cotés sur un bâti, et dont l'autre est solidaire dudit bâti, sur lequel est articulé le cadre.

3. Cadre (3) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est intégré dans un volet à panneaux multiples, chacun des panneaux (35) compostant un cadre (3) orientable.