FR2977981A1

FR2977981A1 - Dispositif de refroidissement d'un panneau photovoltaique

Info

Publication number: FR2977981A1
Application number: FR1156458A
Authority: FR
Inventors: Noel Payovitch
Original assignee: TOITECH
Current assignee: TOITECH
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-01-18

Abstract

L'objet de l'invention est un dispositif de refroidissement d'au moins un panneau photovoltaïque (10) prévu au-dessus d'une paroi (20) d'étanchéité, l'espace entre ladite paroi (20) d'étanchéité et chacune des extrémités supérieure et inférieure du panneau photovoltaïque (10) étant dégagé de manière à produire sous le panneau un flux d'air par convection orienté selon la pente (12) du toit, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'atomisation (22), intercalés entre le panneau (10) et la paroi (20) d'étanchéité, aptes à générer des fines gouttelettes dont le diamètre est inférieur à 0,5 mm et à les injecter selon une direction comportant une composante selon la pente (12) du toit.

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN PANNEAU PHOTOVOLTAÏQUE

La présente invention se rapporte à un dispositif de refroidissement d'un panneau photovoltaïque. Les panneaux photovoltaïques sont utilisés pour produire à partir d'un flux lumineux de l'électricité. La production électrique dépendant des périodes d'ensoleillement, il est essentiel que les panneaux photovoltaïques aient un rendement optimal pendant ces périodes propices à la production. Or, lorsqu'ils sont exposés à un fort rayonnement lumineux, la température des panneaux photovoltaïques dépasse 60°C et peut atteindre 90 °C ce qui tend à réduire le rendement des panneaux qui peut chuter de l'ordre de 25%.

Afin de réduire l'élévation de température des panneaux photovoltaïques, on peut asperger la face supérieure des panneaux photovoltaïques avec de l'eau pour les refroidir. Selon un mode de réalisation connu, il est possible d'utiliser des rampes d'arrosage produisant une aspersion d'eau au-dessus des panneaux 15 photovoltaïques sous formes de gouttelettes. Même si ce système permet de réduire la température des panneaux, il ne donne pas pleinement satisfaction car l'aspersion génère au-dessus ou au niveau de la surface du panneau photovoltaïque arrosé un milieu non homogène ce qui perturbe le flux lumineux et donc altère le rendement dudit panneau. Selon un 20 autre inconvénient, les panneaux photovoltaïques peuvent comprendre au niveau de leurs surfaces supérieures des traitements de surface pour améliorer leurs performances qui peuvent être impactées par la présence d'un film d'eau. Enfin, des gouttes d'eau peuvent provoquer par un effet loupe un échauffement localisé très important qui peut endommager les cellules du panneau. Le document US-4.003.365 décrit une autre solution consistant à asperger la face arrière du panneau. Toutefois, cette solution nécessite un volume dégagé relativement important à l'arrière du panneau si bien qu'elle ne peut pas être mise en oeuvre lorsque les panneaux sont intégrés à une toiture. Selon un autre inconvénient, cette solution nécessite de mettre en mouvement un volume d'eau important pour refroidir correctement le panneau. Le document US-4.13.253 propose une autre solution qui consiste à pulvériser de l'eau dans une cavité prévue à l'arrière du panneau photovoltaïque et à générer à l'arrière du panneau un flux d'air. Au contact de l'air chaud, l'eau pulvérisée s'évapore. Cette solution permet d'améliorer l'efficacité du procédé de refroidissement en raison de l'évaporation de l'eau qui refroidit l'air qui lui-même refroidit la face arrière du panneau.

Le dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé est relativement complexe car il nécessite de gérer deux fluides, l'eau et l'air. Le document EP-1.912.262 propose une autre solution qui consiste à placer sous le panneau un bac avec des cloisons longitudinales et un système d'extraction d'air à une extrémité. Une rampe d'aspersion est prévue à l'autre extrémité.

Selon ce document, la rampe d'aspersion est disposée sous le bac et comprend des gicleurs passant à travers des trous ménagés au niveau du fond du bac. Comme pour le document précédent, en contact avec l'air chaud, l'eau pulvérisée s'évapore et refroidit l'air qui circule entre le bac et le panneau. Même si cette solution permet de simplifier la solution décrite dans le document US-4.13.253, elle n'est pas pleinement satisfaisante car les risques de fuite sont importants et la maintenance, par exemple en cas de fuites, difficile dans la mesure où la rampe d'aspersion est disposée sous le bac.

La rampe d'aspersion ne peut pas être intégrée dans le bac car elle doit être relativement éloignée de la paroi arrière du panneau de manière à permettre l'évaporation de l'eau au contact de l'air circulant entre le bac et le panneau photovoltaïque.

Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif performant de refroidissement d'un panneau photovoltaïque. Selon un autre objectif, le dispositif de refroidissement de l'invention limite les risques de fuite et simplifie les éventuelles opérations de maintenance.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'au moins un panneau photovoltaïque prévu au-dessus d'une paroi d'étanchéité, l'espace entre ladite paroi d'étanchéité et chacune des extrémités supérieure et inférieure du panneau photovoltaïque étant dégagé de manière à produire sous le panneau un flux d'air par convection orienté selon la pente du toit, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'atomisation d'un fluide de refroidissement, intercalés entre le panneau et la paroi d'étanchéité, aptes à générer des fines gouttelettes dont le diamètre est inférieur à 0,5 mm et à les injecter selon une direction comportant une composante selon la pente du toit. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective illustrant un dispositif selon l'invention intégré à une toiture, - les figures 2A et 2B sont des schémas illustrant l'orientation des moyens d'atomisation par rapport à la pente du toit, - la figure 3 est une coupe d'une variante selon l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective d'un panneau photovoltaïque rapporté sur un caisson selon une variante de l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective depuis une extrémité d'un caisson selon l'invention, - la figure 6 est une coupe d'une traverse supportant des moyens d'atomisation, - la figure 7 est une vue en perspective illustrant un détail d'un caisson selon l'invention, et - la figure 8 est une vue en perspective d'une partie d'un caisson selon l'invention illustrant les moyens d'atomisation non recouverts par un panneau.

Sur les figures, on a représenté en 10 un panneau photovoltaïque rapporté sur un toit. Le toit est représenté de manière schématique. La pente du toit est définie par l'orientation des flèches 12, la pointe des flèches indiquant le sommet du toit. La surface supérieure du panneau photovoltciique (visible par les rayons lumineux) est référencée 14 alors que la face arrière est référencée 16. Au niveau de la face arrière 16, le panneau photovoltciique comprend des raccordements électriques venant en saillie par rapport à la face arrière 16. Le panneau, le toit, les raccordements électriques ne sont pas plus détaillés car ils sont connus de l'homme du métier.

Selon l'invention, un caisson 18 est intercalé entre le panneau photovoltaïque et le toit. Ce caisson 18 est fixé sur le toit et assure sur le plan mécanique la fonction d'interface entre le toit et le panneau photovoltciique. Il comprend au moins une paroi 20 intercalée entre le toit et le panneau photovoltaïque assurant la fonction de barrière d'étanchéité.

Selon l'invention, le dispositif de refroidissement comprend des moyens d'atomisation 22 du fluide de refroidissement disposés entre la face arrière 16 et la paroi 20 du caisson.

Les moyens d'atomisation 22 comprennent au moins une rampe 24 le long de laquelle sont répartis des gicleurs 26 permettant d'atomiser un fluide et plus particulièrement de l'eau. Selon l'invention, les fines gouttelettes sortant des gicleurs 26 ont un diamètre inférieur à 0,5 mm. Cette dimension des gouttelettes favorise leur changement de phase au contact de la face arrière 16 du panneau photovoltaïque. Lors de ce changement de phase à l'état gazeux, le fluide absorbe des calories. Ce phénomène d'évaporation permet à partir de la même quantité de fluide d'évacuer une plus grande quantité de chaleur. Ainsi, il est possible de réduire fortement la quantité d'eau nécessaire pour réguler la température du panneau par rapport aux solutions de l'art antérieur. Avantageusement, des moyens sont prévus pour asservir l'atomisation du fluide de refroidissement, par exemple en fonction de la température du panneau, d'une plage horaire ou autre.

En parallèle, un flux d'air s'écoule entre la face arrière 16 et la paroi 20 du caisson. Avantageusement, ce flux d'air est obtenu naturellement par convection, le panneau 10 étant incliné et l'espace délimité par ledit panneau 10 et la paroi 20 du caisson étant débouchante au niveau de l'extrémité supérieure du panneau et de l'extrémité inférieure. Ainsi, le flux d'air pénètre entre le panneau 10 et la paroi 20 du caisson au niveau de l'extrémité inférieure du panneau 10 et sort au niveau de l'extrémité supérieure du panneau. Selon l'invention, il n'est pas nécessaire d'utiliser un moyen mécanique pour générer le flux d'air ce qui tend à limiter le besoin en énergie pour refroidir les panneaux.

De préférence, pour que le système soit intégré à la toiture et ne soit pas en saillie, il est nécessaire que l'espace entre la paroi 20 du caisson et la face arrière 16 du panneau soit le plus petit possible, et de préférence inférieur à 15 cm.

Compte tenu du faible volume entre la face arrière 16 du panneau et la paroi 20 du caisson, pour limiter la saturation de l'air en vapeur d'eau, il est nécessaire d'augmenter la vitesse et/ou le débit du flux d'air. Selon un point important de l'invention, les moyens d'atomisation 22 injectent le fluide de refroidissement selon une direction 28 qui comprend une composante selon la pente du toit 12 qui correspond à la direction du flux d'air obtenu par la convection naturelle. De préférence, la direction 28 est parallèle à la pente du toit. Selon un premier mode de réalisation illustré sur la figure 2A, la rampe 24 des moyens d'atomisation est perpendiculaire à la pente 12 du toit et les gicleurs 26 sont répartis le long d'une génératrice et orientés vers le haut du toit. Dans cette configuration, la rampe 24 est disposée proche de l'extrémité inférieure du panneau. Cet agencement permet d'accélérer le flux d'air en partie inférieure et d'accroître l'effet de convection.

Avantageusement, lorsqu'au moins deux panneaux sont disposés selon la pente du toit, un espacement 29 est prévu entre l'extrémité inférieure du panneau du haut et l'extrémité supérieure du panneau du bas pour favoriser l'évacuation de l'air circulant sous le panneau et limiter ainsi sa saturation en vapeur d'eau. Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 2B, la rampe 24 peut ne pas être perpendiculaire à la pente 12 du toit mais être sécante. Dans ce cas, les gicleurs peuvent injecter le fluide de refroidissement perpendiculairement à la rampe soit selon une direction avec une composante selon la pente du toit. En variante, les gicleurs 26 peuvent être rapportés sur la rampe 24 de manière à injecter le fluide de refroidissement selon une direction parallèle à la pente 12 du toit. Selon les variantes, la rampe 24 peut être rigide et se présenter sous la forme d'un tube ou être souple et se présenter sous la forme d'un tuyau.

Le dispositif de refroidissement peut s'installer sur les nouvelles installations ou sur les installations existantes qui comprennent au moins une paroi 20 sous la forme par exemple d'une sous-couche étanche. Selon une solution minimale, le dispositif de refroidissement comprend des moyens d'atomisation, intercalés entre la face arrière 16 du panneau et une paroi 20 d'étanchéité, aptes à générer des fines gouttelettes dont le diamètre est inférieur à 0,5 mm et à les injecter selon une direction 28 comportant une composante selon la pente du toit, l'espace entre la paroi 20 d'étanchéité et chacun des extrémités supérieure et inférieure du panneau étant dégagé de manière à produire sous le panneau un 1 o flux d'air par convection. Sur les figures 3 à 8, on a représenté un mode de réalisation préféré d'un caisson selon l'invention. Ce caisson 18 comprend essentiellement une tôle 30 qui forme la paroi 20 d'étanchéité. Cette tôle 30 comprend au niveau de chaque bord longitudinal 15 (parallèles à la pente 12 du toit) une forme en créneau 32 en saillie formant une surface d'appui pour chacun des bords d'un panneau photovoltaïque. Entre ces deux formes en créneau 32, la tôle 30 comprend également des formes en créneau 34 dont la hauteur est moins importante que les formes en créneau 32 qui servent de surface d'appui pour le panneau photovoltaïque. Ainsi, la surface 20 supérieure des formes en créneau 34 est distante de la face arrière 16 du panneau 10. Ainsi, la tôle 30 comprend des chenaux entre les formes en créneau 32 et 34 permettant de canaliser les condensats vers le bas. Les bords longitudinaux de la tôle 30 ont des formes qui coopèrent de manière à ce que les bords de deux tôles adjacentes s'imbriquent l'un dans l'autre et se 25 chevauchent afin d'assurer l'étanchéité. Comme illustré sur la figure 5, l'un des bords longitudinaux 32.1 (à gauche sur la figure 5) a une forme en U ouvert vers le bas alors que l'autre bord longitudinal 32.2 (à droite sur la figure 5) a, dans le prolongement de la forme en créneau, une forme en U ouvert vers le haut. Ainsi, comme illustré sur la figure 3, pour deux tôles 30 adjacentes, l'extrémité libre du bord droit 32.2 d'une première tôle est disposée sous l'extrémité libre du bord gauche 32.1 de la tôle adjacente.

Cette solution permet d'obtenir une étanchéité satisfaisante entre deux tôles adjacentes disposées selon la direction perpendiculaire à la pente 12 du toit. Avantageusement, l'aire recouverte par la tôle 30 est supérieure à celle d'un panneau photovoltaïque de manière à ce que les bords longitudinaux 32.1 et 32.2 se chevauchent et que le bord inférieur d'une tôle 30 recouvre le bord supérieur de la tôle disposée de manière adjacente selon la pente du toit juste en dessous d'elle. Les formes en créneau contribuent à faciliter l'agencement des tôles 30 les unes par rapport aux autres. Ainsi, un module illustré sur la figure 4 est constitué d'une tôle 30 formant un 15 caisson et d'un panneau photovoltaïque 10. Avantageusement, les moyens utilisés pour fixer le module sur le toit sont disposés au niveau des zones des tôles qui se chevauchent et qui ne sont pas recouvertes par les panneaux et restent accessibles. Ces éléments de fixation ainsi que les moyens d'étanchéité associés ne sont pas plus détaillés car ils sont 20 connus de l'homme du métier. Le caisson 18 comprend en plus de la tôle 30 au moins une traverse 36 qui s'étend d'un bord latéral à l'autre. Avantageusement, le caisson 18 comprend deux traverses 36, une prévue au niveau de l'extrémité supérieure du panneau et une autre au niveau de l'extrémité inférieure. 25 Ces traverses 36 offrent des surfaces d'appui contre lesquelles est susceptible de se plaquer la face arrière 16 du panneau. Dans ce cas, les surfaces d'appui des formes en créneau 32 et celles des traverses 36 sont sensiblement coplanaires.

A cet effet, les formes en créneau 32 comprennent des décrochements pour loger les extrémités des traverses 36. En variante, les traverses 36 pourraient être sensiblement plates aux extrémités de manière à ne créer qu'une faible surépaisseur lorsque les extrémités sont plaquées contre la surface d'appui des formes en créneau 32. Selon une autre caractéristique de l'invention, le caisson 18 comprend des moyens pour maintenir les moyens d'atomisation 22. Avantageusement, une traverse 36, et plus particulièrement celle proche de l'extrémité inférieure du panneau, assure la fonction de maintien des moyens d'atomisation.

Comme illustré en détails sur la figure 6, la traverse 36 se présente sous la forme d'un profilé avec une section avec une partie centrale en U qui forme une rainure 38 dans laquelle peut se loger les moyens d'atomisation. Avantageusement, les branches 40, 40' de la partie centrale en U sont prolongées par des ailes 42, 42' sensiblement perpendiculaires aux branches du U. Les ailes 42, 42' sont destinées à être intercalées entre les surfaces d'appui des formes en créneau 32 et la face arrière 16 du panneau. Ainsi, lorsque le panneau est rapporté sur le caisson, la rainure 38 est fermée par le panneau 10 alors que lorsque ce dernier n'est pas mis en place ou retiré la rainure 38 est ouverte rendant accessible les moyens d'atomisation. Cet agencement facilite la mise en place et la maintenance des moyens d'atomisation. L'une des branches 40 de la traverse 36 comprend une pluralité d'orifices 44, répartis sur sa longueur, permettant de loger les gicleurs 26 et de laisser passer le fluide de refroidissement. De préférence, les orifices 44 ont des formes permettant de maintenir les 25 gicleurs 26 par coincement. Avantageusement, au moins l'une des extrémités de la traverses 36 s'étend de part et d'autre d'une forme en créneau 32. Cet agencement permet à la rainure 38 de déboucher à l'extérieur du volume délimité par la tôle, les formes en créneau 32 et le panneau 10. Ainsi, les moyens d'atomisation 22 peuvent être alimentés par un conduit logé dans la forme en U ouverte vers le haut du bord longitudinal 32.2. Le panneau 10 est solidarisé au caisson 18 par tous moyens appropriés. La face 5 arrière 16 du panneau peut être plaquée et collée contre les surfaces d'appui des bords longitudinaux 32 en forme de créneau et des traverses 36. Selon un avantage de l'invention, la tôle 30 ne comprend aucun orifice destiné aux moyens d'atomisation 22. Avantageusement, la tôle 30 du caisson ne comprend qu'un seul orifice 46 destiné 10 aux raccordements électriques du panneau 10. Cet orifice 46 permet de faire communiquer la zone située au-dessus de la tôle avec celle située au-dessous. Comme illustré sur la figure 7, l'orifice 46 est réalisé au niveau de la surface supérieure d'un bossage 48 formé dans la tôle 30. Ce bossage offre tout autour de l'orifice 46 une surface d'appui susceptible d'être en contact avec la face 15 arrière 16 du panneau. Cet agencement permet d'isoler les raccordements électriques de la zone humide située entre le caisson 18 et le panneau 10. Selon une autre caractéristique de l'invention, des ailettes 50 sont rapportées au niveau de la face arrière 16 du panneau. Ces ailettes 50 permettent d'augmenter la surface au niveau de laquelle sont susceptible de se vaporiser les fines 20 gouttelettes et la surface d'échange thermique entre le panneau et l'air contenu entre la face arrière du panneau et le caisson. Selon un mode de réalisation économique, les ailettes 50 sont réalisées à l'aide d'au moins un ruban adhésif à base d'un matériau conducteur de la chaleur (par exemple à base d'un alliage d'aluminium), plissé ou gaufré, puis collé contre la 25 face arrière 16 du panneau comme illustré sur la figure 3.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement d'au moins un panneau photovoltaïque (10) prévu au-dessus d'une paroi (20) d'étanchéité, l'espace entre ladite paroi (20) d'étanchéité et chacune des extrémités supérieure et inférieure du panneau photovoltaïque (10) étant dégagé de manière à produire sous le panneau un flux d'air par convection orienté selon la pente (12) du toit, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'atomisation (22), intercalés entre le panneau (10) et la paroi (20) d'étanchéité, aptes à générer des fines gouttelettes dont le diamètre est inférieur à 0,5 mm et à les injecter selon une direction (28) comportant une composante selon la pente (12) du toit.
2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'atomisation (22) injectent les fines gouttelettes selon une direction (28) parallèle à la pente (12) du toit.
3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'atomisation (22) sont disposés proche de l'extrémité inférieure du panneau (10).
4. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'atomisation (22) sont disposés dans une rainure (38) d'un profilé fermée par le panneau (10), ledit profilé comportant une pluralité d'orifices (44) permettant de laisser passer le fluide de refroidissement.
5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'atomisation (22) comprennent au moins une rampe (24) le long de laquelle sont répartis des gicleurs (26) aptes à se loger dans les orifices (44).
6. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un caisson (18)comportant une tôle (30) qui forme la paroi (20) d'étanchéité et qui comprend au niveau de chaque bord longitudinal une forme en créneau (32) en saillie formant une surface d'appui pour chacun des bords d'un panneau photovoltciique.
7. Dispositif de refroidissement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le caisson comprend au moins une traverse (36) qui relie les deux formes en créneau (32).
8. Dispositif de refroidissement selon la revendication 7, caractérisé en ce que les surfaces d'appui des formes en créneau (32) et celles des traverses (36) sont sensiblement coplanaires et en ce qu'au moins une des extrémités d'une traverse (36) s'étend de part et d'autre d'une forme en créneau (32).
9. Module comportant un panneau photovoltaïque et un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des ailettes (50) rapportées au niveau de la face arrière (16) du panneau.
10. Module selon la revendication 9, caractérisé en ce que les ailettes (50) sont réalisées à l'aide d'au moins un ruban adhésif à base d'un matériau conducteur de la chaleur, plissé ou gaufré, puis collé contre la face arrière (16) du panneau.20