FR3080951A1

FR3080951A1 - Installation solaire de production d'energie electrique et de chaleur

Info

Publication number: FR3080951A1
Application number: FR1853942A
Authority: FR
Inventors: Jacques Bernier; Jean Paul Bernier
Original assignee: BERNIER DEV
Current assignee: BERNIER DEV
Priority date: 2018-05-07
Filing date: 2018-05-07
Publication date: 2019-11-08
Anticipated expiration: 2038-05-07
Also published as: FR3080951B1

Abstract

La présente invention concerne une installation solaire de production d'énergie électrique et de chaleur au moyen de générateurs thermoélectriques fonctionnant selon l'effet Seebeck. Elle est constituée d'une part par un ensemble de générateurs thermoélectriques installés dans un capteur solaire plan ou dans des tubes sous vide afin de capter le rayonnement solaire et d'autre part par un dispositif de refroidissement récupérant la chaleur produite vers un circuit d'air ou de liquide. L'écart de température entre les deux dispositifs génère la production de courant électrique. La chaleur récupérée par le dispositif de refroidissement est à un niveau de température suffisant pour assurer directement le chauffage des bâtiments ou la production d'eau chaude sanitaire.

Description

Le domaine de l’invention est celui de la production d’énergie, en particulier à partir du rayonnement solaire.

Plus précisément, l’invention concerne une installation solaire de production d’énergie électrique et de chaleur basée sur l’effet Seebeck.

L’invention trouve notamment une application pour la production locale d’énergie électrique et de chaleur, éventuellement combinées, à l’échelle d’un ilôt urbain ou d’un quartier, d’une exploitation agricole ou industrielle. Elle s’adresse en particulier aux habitants des pays en voie de développement mais surtout aux bâtiments dits à énergie positive (BEPOS) et à la rénovation thermique des bâtiments existants.

2. Art antérieur

On connaît des systèmes produisant de l’énergie électrique à partir de l’énergie solaire mettant en œuvre un cycle de Rankine, destinés à fournir des puissances élevées. Ces systèmes de production d’électricité connus sont équipés de miroirs solaires et d’un concentrateur, qui porte le fluide de travail, en l’occurrence de l’eau, à haute température et d’une turbine à gaz.

Un inconvénient des systèmes connus à cycle de Rankine est qu’ils nécessitent une maintenance importante.

On connaît également des systèmes solaires photovoltaïques produisant directement de l’énergie électrique à partir de l’énergie solaire. Ces techniques ne permettent pas l’utilisation directe de la chaleur dégagée par les capteurs, elles requièrent l’utilisation d’une pompe à chaleur qui va alors consommer une très grande partie de l’énergie électrique produite par les cellules photovoltaïques.

Pour accompagner le développement du photovoltaïque, on a extrait de plus en plus de terres rares, matériau de base des modules photovoltaïques. Ceci a des conséquences pour l’environnement : pollution des eaux pour les prélèvements et les procès de fabrication, effet de serre lié aux consommations importantes d’énergie pour l’extraction des minerais et la fabrication des modules.

Cependant, compte tenu de la rareté des matériaux utilisés pour la fabrication des modules, il est vraisemblable que l’on assiste dans les prochaines années, à une hausse rapide des coûts de revient des modules photovoltaïques.

Un autre inconvénient de la technique photovoltaïque est le recyclage des panneaux photovoltaïques en fin de vie.

Par ailleurs, dans les pays en voie de développement, le vol des panneaux photovoltaïques est très fréquent car ils sont faciles d’utilisation et faciles à dérober.

En revanche, les systèmes de production d’énergie électrique solaire utilisant l’effet Seebeck seront moins souvent la cible des pillards car d’une part ils sont méconnus et d’autre part ils comportent deux parties séparées captage de chaleur solaire et rejet de chaleur.

3. Objectifs de l’invention

C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir une installation de captage d’énergie solaire ne présentant pas les défauts des installations connues.

Plus précisément, l’invention a pour objectif de fournir une installation solaire de production d’énergie électrique et de chaleur utilisant l’effet Seebeck, qui soit peu coûteuse et d’un rendement convenable.

Le premier objectif de l’invention est de proposer une installation solaire destinée aux bâtiments dits à énergie positive en assurant les fonctions chauffage, production électrique et même climatisation.

Un objectif de l’invention est notamment, dans au moins un mode de réalisation particulier de l’invention, de fournir une installation à même de produire de l’électricité avec un rendement de l’ordre de 10% de la chaleur captée et de récupérer en même temps les 90% restants sous forme de chaleur produite à une température comprise entre 35°C et 60°C. Cela permettra d’utiliser l’invention pour la climatisation solaire gratuite par refroidissement adiabatique, sans faire appel à une autre énergie extérieure.

Un autre objectif de l’invention est de proposer une installation de production d’énergie électrique et de chaleur qui soit simple à mettre en œuvre et facile à exploiter.

L’invention a également pour objectif de fournir une installation de production d’énergie électrique et thermique sans impact sur l’effet de serre.

4. Exposé de l’invention

Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite sont atteints à l’aide d’une installation solaire de production d’énergie électrique et de chaleur fonctionnant selon l’effet Seebeck comprenant un ou plusieurs ensembles de capteurs solaires plans ou sous vide et/ou à concentration ainsi que des générateurs thermoélectriques associés à un ou plusieurs dispositifs de refroidissement.

En d’autres termes, l’invention concerne d’une installation solaire de production d’énergie électrique et de chaleur fonctionnant selon l’effet Seebeck comprenant des capteurs solaires chauffant des plaques de générateurs thermoélectriques assemblées entre elles et composées de matériaux conducteurs différents et un système de refroidissement. L’écart de température entre les systèmes de captage et de refroidissement engendre un courant électrique.

Ainsi, de façon inédite, l’invention propose de placer d’une part un ensemble de générateurs thermoélectriques dans un capteur solaire afin d’élever la température de la face chaude des thermo éléments Seebeck et d’autre part un système de refroidissement de la face froide par l’air extérieur, le sol, l’eau ou autre source de refroidissement, en récupérant de préférence la chaleur produite. Les deux ensembles sont reliés électriquement entre eux et avec l’utilisation, l’écart de température entre les deux dispositifs générant la production de courant électrique.

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, les deux matériaux conducteurs constituant le générateur thermoélectrique seront le fer et le nickel, ce qui présente l’avantage d’un faible coût de fabrication tout en présentant des performances thermoélectriques intéressantes de 20 pV/K.

Le tellurure de bismuth pourra être utilisé car il donne des performances thermoélectriques supérieures de 200 pV/K.

Dans un autre mode de réalisation de l’invention, des rendements plus importants pourront être obtenus grâce à la mise en oeuvre de certains oxydes ou des chalcogénures, de métalloïdes, ou de semi-conducteurs au sein des générateurs thermoélectriques.

Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le couple de matériaux du module thermoélectrique de refroidissement peut être un liquide plus un matériau solide.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les générateurs thermoélectriques sont reliés en série, formant un module, et sont placés à l’intérieur d’un capteur solaire plan ou sous vide, la face supérieure du module assurant le captage de l’énergie solaire et la face inférieure du module assurant son refroidissement.

Les plaques installées dans le capteur solaire étant assemblées en série avec celles du refroidisseur, ceci permet d’augmenter la tension du courant, d’abaisser l’intensité du courant continu et l’impédance du circuit.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, un ensemble de couples thermoélectriques reliés électriquement en série formant un module chaud est raccordé par des liaisons électriques à un second ensemble de couples thermoélectriques reliés électriquement en série qui forment un module froid, ou module de refroidissement.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le capteur solaire est un capteur plan vitré de conception similaire à celle des capteurs solaires classiques à la différence que la plaque à circulation d’eau est remplacée par une plaque de couples thermoélectriques revêtus d’une couche absorbant le rayonnement solaire.

Avantageusement, un ou plusieurs générateurs thermoélectriques installés dans un tube sous vide captent l’énergie solaire alors qu’un ou plusieurs couples thermoélectriques de refroidissement installés dans un coffre assurent le chauffage d’un flux d’air ou d’un liquide, ce qui présente l’avantage d’augmenter le rendement énergétique, grâce à l’augmentation de température, d’éviter toute perte de chaleur par convection, et d’empêcher toute corrosion des thermo-éléments.

Plusieurs tubes sous vide sont installés côte à côte en fonction de la puissance électrique et de la puissance calorifique désirée.

Selon un aspect particulier de l’invention, les tubes sous vide sont les mêmes que ceux fabriqués en série pour la réalisation des capteurs solaires à caloduc.

Dans un autre mode de réalisation, des miroirs concentrateurs seront utilisés afin de limiter le nombre de capteurs sous vide et d’augmenter la température de la face chaude des générateurs thermoélectriques. Ils focaliseront la chaleur solaire vers un ou plusieurs tubes sous vide selon l’invention.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le module chaud, comportant les couples thermoélectriques de captage solaire (capteurs plans ou tubes sous vide), est placé en partie supérieure, à l’intérieur d’un capteur solaire plan, le module de refroidissement, comportant les couples thermoélectriques de refroidissement, étant placé en partie inférieure du capteur solaire, le module chaud, encore appelé module de captage, et le module de refroidissement étant séparés avec interposition d’un isolant thermique. Cette solution monobloc simplifie la mise en œuvre et permet de récupérer la chaleur émise par le dispositif de refroidissement.

Selon un aspect particulier de l’invention, le module de refroidissement assure le chauffage d’air entrant en EA et sortant en SA ou le chauffage d’un liquide entrant en EL et sortant en SL d’un échangeur en condition d’échange thermique avec le module de refroidissement.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le module chaud est placé à l’intérieur d’un capteur solaire à tube sous vide, le module de refroidissement est placé sous le capteur solaire, et les modules chaud et de refroidissement sont reliés entre eux par des liaisons électriques qui traversent un fente longitudinale du tube en verre du tube sous vide, et l’étanchéité du tube sous vide est assurée par une résine de remplissage ou du verre fondu.

Selon un aspect particulier de l’invention le dessous du tube sous vide comporte un matériau réfléchissant le rayonnement.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les liaisons électriques entre le module chaud et le module de refroidissement sont formées du même matériau que celui des composants du module chaud et du module de refroidissement auxquels elles sont raccordées.

Selon un aspect particulier de l’invention, chaque tube sous vide comprend un générateur thermoélectrique dont la face supérieure capte le rayonnement solaire, la sous face du générateur thermoélectrique étant en relation d’échange thermique avec un dispositif de refroidissement.

Selon un aspect particulier de l’invention, chaque générateur thermoélectrique est placé dans un boîtier comportant un fourreau chauffé par un caloduc et un système de refroidissement, le caloduc étant préalablement chauffé dans un capteur sous vide.

Selon un aspect particulier de l’invention les tubes sous vide comportent un bouchon étanche et un dispositif permettant de faire le vide dans le tube.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les générateurs thermoélectriques sont agencés en modules placés en partie haute du capteur solaire et alimentés en chaleur par l’intermédiaire d’un serpentin ou d’un caloduc.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les générateurs thermoélectriques sont agencés en modules refroidis par un circuit d’eau et/ou d’air.

5.

Liste des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante des modes de réalisation de l’invention, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs des dessins annexés parmi lesquels :

• La figure 1 représente un couple thermoélectrique de deux matériaux ;

• La figure 2 représente la configuration de plaques de couples thermoélectriques simples utilisées avec un capteur plan ;

• La figure 3 est une variante de la figure 2 avec séparation entre les plaques de captage solaire et celles de refroidissement;

• La figure 4 représente un capteur solaire utilisant la configuration de plaques de la figure 3 avec refroidissement à air;

• La figure 5 représente un capteur solaire utilisant la configuration de plaques de la figure 3 avec refroidissement à eau;

• La figure 6 représente un capteur solaire utilisant la configuration de plaques de la figure 2 avec refroidissement à air;

• La figure 7 représente un capteur solaire à couple thermoélectrique à tube sous vide selon l’invention ;

• La figure 8 représente un système de capteurs solaires à couples thermoélectriques à tubes sous vide selon l’invention ;

• La figure 9 représente un capteur solaire sous vide à couples thermoélectriques cylindrique et son système de refroidissement;

• La figure 10 représente la vue en coupe de la figure 9;

• Les figures 11 à 13 représentent un générateur solaire thermoélectrique installé dans un tube de capteur solaire sous vide avec son circuit de refroidissement;

• Les figures 14 à 16 représentent une variante des figures 11 à 13 ;

• La figure 17 représente un générateur thermoélectrique avec capteur solaire sous vide à double tube avec caloduc ;

• La figure 18 est une variante de la figure 17 ;

• La figure 19 représente un assemblage de générateurs thermoélectriques à tubes sous vide ;

• Les figures 20, 21 et 22 représentent un capteur solaire plan dont les générateurs thermoélectriques sont placés en partie haute, leur face chaude étant alimentée en chaleur solaire par un caloduc ou un serpentin de type caloduc superposé alors que leur face froide sera refroidie par un circuit d’air et/ou d’eau.

• Les figures 23 et 24 représentent un capteur solaire à tubes sous vide dont les générateurs thermoélectriques sont placés en partie haute, leur face chaude étant alimentée en chaleur solaire par un caloduc.

6. Description détaillée de l’invention

L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés.

La figure 1 représente un couple thermoélectrique composé de deux matériaux différents, l’un de type positif (1), comme par exemple le fer, l’autre de type négatif (2) comme par exemple le nickel. Les deux matériaux sont des feuilles rectangulaires assemblées, en contact thermique et électrique avec la plaque de liaison (3), en cuivre par exemple, qui le reliera au reste de l’installation. Le matériau (3) est raccordé à un conducteur (5), en cuivre par exemple, qui le reliera au reste de l’installation. Le couple thermoélectrique formé et ses raccordements sont dénommés (10) sur la figure 1.

La figure 2 représente la configuration de plaques de couples, encore appelés générateurs, thermoélectriques simples utilisés qui seront ensuite intégrés dans un capteur solaire. Un ensemble de couples thermoélectriques (10i, W2, 103, IO4..., 10n-i, 10_n) qui sont reliés électriquement en série, forment le module (A) délimité par des pointillés sur la figure 2. Le dit module comporte une liaison électrique d’entrée (12) et une liaison électrique de sortie (13) entre lesquelles le module (A) produira un courant électrique lorsque la face supérieure du module (A) se trouvera à une température plus élevée que celle de la face inférieure du dit module, ce qui correspond tout à fait à la production d’énergie électrique par effet Seebeck.

La figure 3 représente la configuration de plaques de couples thermoélectriques avec séparation entre les plaques de captage solaire et celles de refroidissement utilisées avec un capteur plan qui seront ensuite intégrés dans un capteur solaire. Un ensemble de couples thermoélectriques (10i, 103, IO5..., 10_n) sont reliés électriquement en série et forment le module chaud (AC) délimité par des pointillés sur la figure 3. Un second ensemble de couples thermoélectriques (IO2, W4, 106..., 10_n-i) sont reliés électriquement en série et forment le module de refroidissement (AF) délimité par des pointillés sur la figure 3. Des liaisons électriques (11i, 112, 113, 1l4-..11n-i, 11 n) assureront le raccordement entre les matériaux composants le module (AC) et ceux du module (AF). Ces liaisons (11i, 112, 113, 1l4...11n-i, 11 n) seront réalisées dans un matériau bon conducteur du courant électrique mais de préférence mauvais conducteur de la chaleur comme par exemple l’acier inoxydable ; à défaut elles seront réalisées en cuivre. Le module (AF) comporte une liaison électrique d’entrée (12) et une liaison électrique de sortie (13) entre lesquelles les deux modules de couples thermoélectriques (AC) et (AF) produiront un courant électrique lorsque la face supérieure du module (AC) se trouvera à une température plus élevée que celle de la face inférieure du module (AF), ce qui correspond tout à fait à la production d’énergie électrique par effet Seebeck.

La figure 4 représente en coupe un capteur solaire plan utilisant la configuration de plaques de couples thermoélectriques de la figure 3 avec refroidissement par air. Le système est constitué d’un coffre isolé thermiquement (15), semblable à ceux utilisés classiquement pour les capteurs thermiques de chauffe eau solaires. Une vitre (14) permet d’assurer l’effet de serre à l’intérieur du coffre (15). Le module de couples thermoélectriques de captage (AC) est placé à l’intérieur du coffre et aura une taille correspondante au coffre (15) de l’ordre de 2m x 1m. Le module de captage (AC) sera revêtu d’une fine couche (17) à même d’absorber la plus grande partie du rayonnement solaire pénétrant par la vitre (14). Ce revêtement (17) sera en général de couleur noire et de préférence sélectif afin de réémettre le minimum d’énergie en rayonnement infrarouge ; il sera également isolant électrique. La chaleur solaire sera transmise par conduction à la face supérieure du module (AC) et en élèvera ainsi la température. Des liaisons électriques (11i, 112, 113, 1l4-..11n-i, 11 n) relient le module de captage (AC) au module de refroidissement (AF). Entre les deux modules (AC) et (AF) sera interposé un isolant thermique (16) dont le rôle est de séparer la partie chaude (AC) de la partie froide (AF). Le module de refroidissement (AF) sera parcouru par un flux d’air entrant en (EA) dans le capteur et sortant en (SA). Le flux d’air réchauffé dans le capteur sera utilisé pour le chauffage des locaux par exemple. De l’énergie électrique est également produite entre les liaisons électriques (12, 13).

La disposition avec séparation des modules de captage (AC) et de refroidissement (AF) pourra s’appliquer également avec un dispositif de refroidissement à eau du module (AF) comme représenté sur la figure 6.

La figure 5 représente une variante de la figure 4 où le module de refroidissement (AF) comporte un échangeur à liquide (16). La face supérieure du module de captage (AC) est munie d’un revêtement (17) absorbant le rayonnement solaire. La chaleur non transformée en électricité par les modules (AC, AF) assure le réchauffage d’un liquide qui entre en (EL) et sort en (SL) de l’échangeur (26) placé en partie basse du capteur solaire. Ce dernier est en condition d’échange thermique avec la partie inférieure du module de couples thermoélectriques (AF).

La figure 6 représente une variante plus économique de la figure 4 où les modules de captage et de refroidissement forment le même module (A) comme représenté figure 2. La face supérieure du module est munie d’un revêtement (17) absorbant le rayonnement solaire. La chaleur non transformée en électricité par le module (A) assure le réchauffage de (EA) à (SA) du flux d’air circulant en partie basse du capteur. Dans une variante, non représentée par un dessin, le moyen de refroidissement du module (A) sera réalisé au moyen d’un échangeur similaire à celui de la figure 5.

La figure 7 représente un capteur solaire thermoélectrique à tube sous vide selon l’invention. Le couple thermoélectrique (18) est constitué d’une bande en forme de fine lamelle constituée d’un composant type P et en sous face d’un composant type N. Le couple thermoélectrique sera par exemple composé d’une lamelle de fer (composant type P) nickelée sur une face (composant type N). Un tube en verre (40) renferme un couple thermoélectrique de captage (18) revêtu d’une fine couche sélective (non représentée sur la figure) permettant une meilleure captation du rayonnement et limitant la réémission de chaleur de la plaque (18). Le tube est fermé d’un côté par un bouchon étanche (20) ; le vide d’air a été fait dans le tube (40) par exemple par l’extrémité (19) du tube avant sont soudage. La liaison électrique (21) sera brasée sur le matériau thermoélectrique N et la liaison électrique (22) sera brasée sur le matériau thermoélectrique P. Celles ci sont reliées aux connecteurs électriques (23, 24), ces derniers traversant de façon étanche le bouchon (20). Dans ce type de réalisation, la température du couple thermoélectrique du capteur d’énergie solaire (B) peut atteindre 200°C voire plus. Les connecteurs (23, 24) seront reliés à des couples thermoélectriques de refroidissement.

La figure 8 représente un assemblage de capteurs solaires thermoélectriques à tubes sous vide selon l’invention. Les couples thermoélectriques de capteurs à tubes sous vide (Ba, Bb, B_c, Bd.....B_n) sont reliés en série à des couples thermoélectriques de refroidissement (1_a 2_a, 1b 2b, 1_c 2_c...1n 2_n) par des pontages (34_a, 35b, 34b, 35_c....34_n-i, 35_n). Les couples thermoélectriques de refroidissement sont installés à l’intérieur d’un coffre (36) et assurent le chauffage d’un flux d’air ou d’un liquide, non représentés sur la figure. L’ensemble (M) formé par l’assemblage de capteurs solaires thermoélectriques (B_a, Bb, B_c, Bd.....B_n) et de couples thermoélectriques de refroidissement (1_a 2_a, 1b 2b, 1_c 2_c...1n 2_n) pourra être multiplié en plusieurs ensembles afin de fournir la puissance électrique et la tension désirées. Une feuille de matériau réfléchissant le rayonnement infra rouge (non représentée sur la figure) pourra être placé à l’arrière de chaque ensemble (M) afin de limiter les pertes par rayonnement de la partie arrière des capteurs (B_a, Bb, B_c, Bd.....B_n).

La figure 9 et la figure 10 représentent un élément de captage solaire sous vide à couples thermoélectriques (AC) et son système de couples thermoélectriques de refroidissement (AF) similaires à ceux représentés sur la figure 3. Les couples thermoélectriques de captage (AC) sont placés à l’intérieur d’un tube en verre (40) dont l’intérieur est mis sous vide d’air (V) par l’intermédiaire, par exemple d’une valve (42) traversant le bouchon (41). La face supérieure du module de captage (AC) est soumise à l’ensoleillement ; un revêtement sélectif sur cette face permettra d’élever le rendement de captation de l’énergie solaire. Le tube (40) comportera une fente longitudinale destinée à permettre le passage des liaisons électriques entre les thermo éléments du module de captage (AC) et du module de refroidissement (AF). Les liaisons électriques (111, 112, 113, 114... 11n-i, 11 n) reliant le module de captage (AC) au module de refroidissement (AF) traversent la fente longitudinale du tube en verre (40). L’étanchéité du tube sous vide sera assurée par une résine de remplissage ou du verre fondu (43). Le module de refroidissement (AF) sera placé à l’extérieur sous le tube en verre (40) ; il sera refroidi au moyen d’air ou par un échangeur à circulation de liquide, non représentés mais déjà décrits dans les figures 4 et 5. Un film réflecteur (44) pourra être collé sous le tube (40) fin de réémettre vers le module (AC) le rayonnement infrarouge émis par la face arrière de celui-ci.

Les figures 11 à 13 représentent un mode préféré de l’invention où le générateur solaire thermoélectrique (A) est installé dans un tube sous vide (40) avec en sous face le circuit de refroidissement (52, 53, 54). Le soleil traverse le verre du tube (40), ses rayons viennent frapper la surface absorbante (17) du générateur thermoélectrique (A) et en élève la température jusqu’à 250°C, voire plus si on utilise des miroirs concentrateurs. Le tube en verre (40) aura par exemple un diamètre de mm et une longueur de 2 m. Le générateur thermoélectrique (A) est collé sur une plaque métallique conductrice de la chaleur (54), en laiton par exemple, sur laquelle est brasé un tube en U (51, 52) en cuivre par exemple de diamètre 10 à 14 mm destiné à récupérer la chaleur dégagée par le générateur thermoélectrique (A). Le fluide de refroidissement circulant dans le tube en U (52, 53) pourra être de l’air ou un liquide et assurera ainsi la fonction chauffage à une température comprise entre 35°C et 65°C. Un bouchon (41) assurera l’étanchéité au vide du tube (40) il sera traversé de façon étanche par une valve ou un tube (42) permettant le tirage au vide dans le tube (40). Deux sorties électriques (50, 51) du générateur thermoélectrique (A) seront reliées au circuit d’utilisation du courant généré ; leur passage du bouchon (41) se fera de façon étanche. De même le passage des tubes (52, 53) au travers du bouchon (41) se fera de façon étanche. La réalisation du bouchon (41) utilisera les matériaux usuels des tubes fluorescents ou autres. Plusieurs tubes seront installés côte à côte afin d’obtenir les puissances électrique et thermique désirées.

Les figures 14 à 16 représentent une variante des figures 11 à 13 avec un tube de refroidissement droit (61) brasé sur la plaque (54). Le tube (61) pourra être de forme ronde de diamètre de l’ordre de 20 mm mais aussi carré, rectangulaire ou autre ou autre. Cette conception impose d’utiliser un tube en verre (60) et deux bouchons (62, 63) aux extrémités. Le passage du tube (61) des sorties électriques (50, 51) du générateur thermoélectrique (A) et de la valve ou du tube (42) permettant le tirage au vide dans le tube (40), s’effectuera de façon étanche au passage des cloisons (62, 63). Plusieurs tubes seront installés sur un châssis (non représentés) afin d’obtenir les puissances électrique et de chauffage souhaités.

La figure 17 représente un générateur thermoélectrique avec capteur solaire sous vide à double tube avec caloduc. Le tube sous vide (70) est à double paroi, le vide étant réalisé entre celles ci. Le tube (70) est d’un modèle identique à ceux des capteurs sous vide avec caloduc réalisés en grande série. Une partie du tube caloduc (71) est placé dans le tube sous vide (70) où il récupère la chaleur solaire, l’autre partie est glissée dans un fourreau (73) avec lequel il est en contact thermique afin de transmettre par conduction la chaleur récupérée au générateur thermoélectrique (A). Ce dernier dégrade le niveau de température de la chaleur captée et la transmet via une plaque (74) au dispositif de refroidissement (75, 76). Le générateur thermoélectrique (A) produit en même temps un courant continu aux bornes (80, 81). L’ensemble (73, 74, 75, 76) est placé dans un boîtier avec isolant thermique (77). Dans ce mode de réalisation, le caloduc (71) et le tube sous vide (70) sont facilement remplaçables pour la maintenance. Le tube sous vide (70) récupère le rayonnement solaire (S) et une plaque réfléchissante (72) placée à l’arrière du tube (70) permet de récupérer la partie de la chaleur solaire en la transmettant par rayonnement vers le tube caloduc (71).

La figure 18 est une variante de la figure 17 dans laquelle chaque tube sous vide (78) est à simple enveloppe et comporte à l’intérieur un tube caloduc (79) qui transmettra la chaleur solaire (S) vers le fourreau (73). Le passage du caloduc (79) sur le tube (78) sera réalisé de façon étanche afin de le conserver sous vide.

La figure 19 représente un assemblage de générateurs thermoélectriques à tubes sous vide similaires à celui représenté sur la figure 17. Des liaisons électriques (82, 83) relient en série (ou en parallèle) les différents générateurs thermoélectriques (A) associés à chaque tube (70i, 702, 703,...70_n). Le système de refroidissement des générateurs thermoélectriques comporte une entrée de fluide (75) air ou liquide et une sortie (76) de fluide réchauffé. Un coude (84) situé à l’extrémité de l’ensemble du système permet la circulation du fluide et de récupérer la chaleur dégagée par l’ensemble de générateurs thermoélectriques.

Les figures 20, 21 et 22 représentent un capteur solaire plan dont les générateurs thermoélectriques (A) sont placés en partie haute, leur face chaude étant alimentée en chaleur solaire par un caloduc ou un serpentin (85,86) de type caloduc superposé. Le rayonnement solaire traverse la vitre (14) puis est capté par la plaque absorbante (87) qui sera de préférence en cuivre et à surface sélective. La plaque (87) est en contact thermique avec un serpentin de tubes (85, 86) qui enferment un fluide à changement de phase liquide/vapeur, du butane par exemple, qui entrera en ébullition dans le serpentin (86) et se condensera dans la partie haute (85) du serpentin en cédant la chaleur captée à la plaque (88), de préférence en cuivre et en contact thermique avec les générateurs thermoélectriques (A). Des caloducs similaires à ceux de la figure 23 pourront remplacer le serpentin (85, 86). Les générateurs thermoélectriques (A) et les dispositifs de refroidissement (90,97) seront placés dans l’isolation thermique du cadre (15) du capteur solaire afin de limiter toutes les pertes thermiques.

Sur les figures 20 et 21, la face froide des générateurs thermoélectriques (A) est en contact thermique avec le système de refroidissement composé de la plaque (89) sur laquelle sont soudés le ou les tubes d’un circuit de refroidissement par eau (90).

Sur la figure 22, la face froide des générateurs thermoélectriques (A) est en contact thermique avec le système de refroidissement composé d’un radiateur (97) et de deux bouches d’entrée et de sortie d’air (99). Le radiateur (97) est par exemple en aluminium et comporte des ailettes qui sont balayées par l’air de refroidissement à l’aide d’un ventilateur extérieur, non représenté sur la figure 22. Le radiateur (97) pourra également intégrer un tube de refroidissement similaire à celui des figures 20 et 21 permettant par exemple d’utiliser la chaleur récupérée pour chauffer de l’eau chaude sanitaire ou une piscine.

Les figures 23 et 24 représentent un capteur solaire à tubes sous vide (40) dont les générateurs thermoélectriques (A) sont placés en partie haute, leur face chaude étant alimentée en chaleur solaire par un tube caloduc (93). La plaque (91) absorbant le rayonnement solaire est en contact thermique avec le caloduc (93) luimême en contact thermique, dans sa partie haute, avec la plaque conductrice de chaleur (92). Le tube caloduc est rempli d’un fluide en changement de phase liquide/vapeur (94), par exemple du butane, qui va entrer en ébullition en partie basse en absorbant la chaleur transmise par la plaque (91) et qui va la transférer au générateur thermoélectrique (A) via la plaque conductrice (92) en se condensant en partie haute du caloduc. La face froide du générateur thermoélectrique (A) est refroidie via une plaque conductrice (95) elle-même en contact thermique avec la boucle de tube (96) permettant d’évacuer la chaleur à l’extérieur du tube sous vide (40).

Claims

1. installation solaire de production d’énergie électrique et de chaleur fonctionnant selon l’effet Seebeck comprenant un ou plusieurs ensembles de capteurs solaires plans ou sous vide et/ou à concentration et des générateurs thermoélectriques (10i, 102, 103, IO4..., 10_n-i, 10_n) associés à un ou plusieurs dispositifs de refroidissement.

2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que lesdits générateurs thermoélectriques (10i, 102, IO3, IO4..., 10_n-i, 10_n) sont reliés en série, formant un module (A), et sont placés à l’intérieur d’un capteur solaire plan (14, 15) ou sous vide (D, E), la face supérieure du module (A) assurant le captage de l’énergie solaire et la face inférieure du module (A) assurant son refroidissement.

3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’un ensemble de couples thermoélectriques (10i, 103, IO5..., 10_n) reliés électriquement en série formant un module chaud (AC) est raccordé par des liaisons électriques (11i, 112, 113, 114... 11n-i, 11 n) à un second ensemble de couples thermoélectriques (IO2, 10₄,

106..., 10_n-i) reliés électriquement en série qui forment un module de refroidissement (AF).

4. Installation selon la revendication 3 caractérisée en ce que le module chaud (AC) est placé en partie supérieure, à l’intérieur d’un capteur solaire plan (14, 15), le module de refroidissement (AF) étant placé en partie inférieure du capteur solaire, les modules chaud (AC) et de refroidissement (AF) étant séparés avec interposition d’un isolant thermique (16).

5. Installation selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le module de refroidissement (AF) assure le chauffage d’air entrant en (EA) et sortant en (SA) ou le chauffage d’un liquide entrant en (EL) et sortant en (SL) d’un échangeur (26) en condition d'échange thermique avec le module (AF).

6. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’un ou plusieurs générateurs thermoélectriques (18) installés dans un tube sous vide (B) captent l’énergie solaire alors qu’un ou plusieurs couples thermoélectriques de refroidissement (1_a 2_a, 1b 2b, 1_c 2_c...1n 2_n) installés dans un coffre (36) assurent le chauffage d’un flux d’air ou d’un liquide.

7. Installation selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que le module chaud (AC) est placé, à l’intérieur d’un capteur solaire à tube sous vide (C), le module de refroidissement (AF) étant placé sous le capteur solaire (C), les modules chaud (AC) et de refroidissement (AF) étant reliés entre eux par des liaisons électriques (11i, 112, 113, 1l4-..11n-i, 11 n) qui traversent une fente longitudinale du tube en verre du tube sous vide (40) et en ce que l’étanchéité du tube sous vide est assurée par une résine de remplissage ou du verre fondu (43).

8. Installation selon la revendication 7 caractérisée en ce que le dessous du tube sous vide (40, 70, 78), comporte un matériau (44, 72) réfléchissant le rayonnement.

9. Installation selon l’une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que chaque tube sous vide (40, 60) comprend un générateur thermoélectrique (A) dont la face supérieure (17) capte le rayonnement solaire (S), la sous face du générateur thermoélectrique (A) étant en relation d’échange thermique avec un dispositif de refroidissement (52, 53, 54, 61).

10. Installation selon la revendication 9 caractérisée en ce que chaque générateur thermoélectrique (A) est placé dans un boîtier (77) comportant un fourreau (73) chauffé par un caloduc (71, 79) et un système de refroidissement (75, 76, 84), le caloduc (71, 79) étant préalablement chauffé dans un capteur sous vide (70, 78).

11. Installation selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que les tubes sous vide (40, 60) comportent un bouchon étanche (20, 41, 62, 63) et un dispositif (19, 42), permettant de faire le vide dans le tube (40, 60, 70, 78).

12.Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les générateurs thermoélectriques sont agencés en modules (A) placés en partie haute du capteur solaire et alimentés en chaleur par l’intermédiaire d’un serpentin (85, 86) ou d’un caloduc (93).

13.Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les générateurs thermoélectriques sont agencés en modules (A) refroidis par un circuit d’eau (90, 96) et/ou d’air.