FR3137929A1 - Générateur d'eau atmosphérique alimenté par l'énergie solaire photovoltaïque - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif photovoltaïque générateur d'eau atmosphérique, comprenant : -un générateur photovoltaïque (2) ; - un dispositif humidificateur d'air (H) comprenant un compartiment de stockage (4) de la vapeur d'eau atmosphérique ; - un condenseur (89) de l’air humidifié par le dispositif humidificateur (H) ; - un module de gestion (3) de la puissance électrique produite par le générateur photovoltaïque (2), configuré pour alimenter en priorité le condenseur (89) dès que la puissance (P) disponible est supérieure à la puissance (P0) requise par le condenseur (89), et pour alimenter le dispositif humidificateur d'air (H) avec une puissance électrique P1 variable, correspondant au surplus de puissance électrique photovoltaïque disponible à un instant donné et qui n'est pas consommée par le condenseur (89). Figure pour l’Abrégé : figure 2
Description
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine des générateurs d'eau atmosphérique alimentés en électricité par l'énergie solaire photovoltaïque.
La présente invention se rapporte au domaine des générateurs d'eau atmosphérique alimentés en électricité par l'énergie solaire photovoltaïque.
Un générateur d'eau atmosphérique est un dispositif qui extrait la vapeur d'eau contenue dans l'air, généralement en abaissant la température de l'air jusqu'à atteindre la température de condensation ou « point de rosée ». Cette température de condensation est fonction de nombreux paramètres dont la concentration de vapeur d'eau dans l'air, le taux d'humidité relatif, la pression atmosphérique. Pour abaisser la température de l'air, donc créer du froid, on utilise généralement des dispositifs de type « pompe à chaleur » qui utilisent un cycle de compression, détente et condensation, ou des dispositifs qui utilisent des cellules thermoélectriques.
Afin d'améliorer le rendement des générateurs d'eau atmosphérique, il existe des dispositifs qui améliorent les échanges thermiques entre les zones chaudes et les zones froides des « pompes à chaleur », ou des dispositifs qui utilisent l'énergie solaire thermique ou photovoltaïque. Mais l'énergie solaire est variable et intermittente et les dispositifs générateurs de chaud et de froid ne sont généralement pas adaptés à cette contrainte énergétique. Des dispositifs connus de générateurs d'eau atmosphérique particulièrement intéressants utilisent une roue à adsorption qui contient un élément qui adsorbe l'humidité de l'air à la température ambiante et qui la restitue à une température supérieure. Cet élément adsorbant est par exemple le gel de silice (hydroxyde de silicium Si(OH)4)), qui est un déshydratant. Ce procédé de génération d’eau nécessite donc dans un premier temps de chauffer de l'air et de l’envoyer sur l’élément adsorbant pour récupérer l'humidité qui a été stockée dans le déshydratant, de façon à obtenir un flux d’air chaud et humide. Puis dans un deuxième temps il est nécessaire de refroidir le flux d'air chaud et humide pour condenser sa vapeur d'eau. L'intérêt de ce dispositif est de pouvoir ainsi récupérer de la vapeur d'eau contenue dans l'air même lorsque son taux d'humidité est faible, notamment inférieur à 20%.
Par ailleurs, l'humidité relative de l'air ambiant augmente lorsque la température baisse, et il pourrait alors être intéressant de faire fonctionner les générateurs d'eau atmosphérique de préférence la nuit quand la température ambiante est plus fraîche, plutôt que le jour. Toutefois cela n'est pas possible lorsque le générateur d'eau est alimenté en électricité par des panneaux solaires photovoltaïques, car ceux-ci ne produisent de l'électricité qu'avec l'énergie du soleil, donc le jour, et il serait trop coûteux d'utiliser des batteries électriques pour faire fonctionner de cette manière les générateurs d'eau la nuit.
Un exemple de dispositif connu est décrit dans le document WO 2022/074682 A1. Il tente de résoudre en partie ce dilemme en faisant un stockage thermique de l'énergie solaire le jour en élevant la température d'un liquide caloporteur qui sera ensuite utilisé pour chauffer le déshydratant qui a, dans un premier temps, stocké la vapeur d'eau atmosphérique. Cette solution a l'avantage de faire fonctionner le dispositif de génération d'eau même durant la nuit grâce au stockage thermique de l'énergie solaire du jour précédent. Mais ce dispositif ne décrit pas de procédé pour faire du froid d'une manière dynamique, c'est à dire pour produire à tout moment des températures inférieures à la température ambiante. Ce qui aurait pourtant pour avantage d'améliorer le phénomène de condensation, notamment lorsque la température de l'air extérieur est relativement élevée, ce qui est souvent le cas, même la nuit, dans beaucoup de pays chauds.
En résumé, on peut donc dire que les générateurs d'eau atmosphérique connus qui fonctionnent à l'énergie solaire ne profitent pas complètement des conditions environnementales idéales puisque qu'ils ne fonctionnent qu'avec un rayonnement solaire thermique sans génération de froid, éventuellement complété par un dispositif de stockage de l'humidité dans des réservoirs de déshydratants et un stockage de la chaleur qui reste assez coûteux. En outre, ils ne fonctionnent que le jour, alors que le taux d'humidité dans l'air est généralement plus important la nuit.
Le dispositif objet de la présente invention a notamment pour but de résoudre les problèmes précédemment exposés qui ne sont pas résolus par les dispositifs de génération d’eau atmosphérique connus dans l’état de la technique.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif utilisant à la fois des panneaux solaires photovoltaïques agencés pour être aptes à produire du chaud et du froid, et un stockage tampon de l'humidité dans des produits déshydratants pour augmenter la concentration du taux d'humidité dans l'air qui sera traité par un extracteur d’humidité ou condenseur.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif capable à la fois de minimiser le problème de la variabilité de l'énergie solaire photovoltaïque grâce à une gestion intelligente de la production et de l’utilisation d'électricité photovoltaïque et de n’avoir besoin que d'une puissance électrique minimale pour le fonctionnement optimal des générateurs d'eau atmosphérique en comparaison avec la puissance électrique nécessaire dans les dispositifs déjà connus.
Le dispositif (S) objet de l'invention est un générateur d'eau atmosphérique dont la fonction est d'extraire l'eau contenue dans l'air ambiant et qui fonctionne à l'énergie solaire. Il comprend un générateur photovoltaïque alimentant en électricité un dispositif humidificateur d’air et un condenseur de vapeur d’eau atmosphérique, ainsi qu’un module de gestion de la puissance électrique produite par le générateur photovoltaïque et utilisée par les dispositifs humidificateur et condenseur.
Le générateur photovoltaïque possède une puissance électrique crête qui vaut Pc et une puissance de production potentielle à un instant donné qui vaut P et qui est variable dans le temps en fonction de l’ensoleillement.
En effet un générateur photovoltaïque transforme l'énergie d'irradiation du soleil en une puissance électrique qui est sensiblement proportionnelle à l'intensité de cette irradiation lumineuse. Comme l'intensité lumineuse du soleil est variable à cause de sa hauteur dans le ciel et des passages nuageux imprévisibles, la puissance électrique potentielle P que peut fournir le générateur photovoltaïque est de même variable dans le temps.
Le dispositif humidificateur d'air a pour fonction d'augmenter en valeur absolue la quantité d’eau (c’est-à-dire un certain nombre de grammes d’eau contenue dans un volume donné d’air, indépendamment des autres paramètres tels que la température) contenue dans l'air qui le traverse. Comme l'air est un gaz dont le poids varie en fonction de sa température et que sa capacité à contenir de la vapeur d'eau dépend aussi de sa température, on définit aussi un taux d'humidité relatif de l'air comme le rapport entre le contenu en vapeur d'eau de l'air et sa capacité maximale à en contenir à une température donnée. Le dispositif humidificateur d'air comprend :
a) un compartiment de stockage de la vapeur d'eau atmosphérique contenant un matériau solide ou liquide apte à adsorber puis à désorber la vapeur d'eau. Ce matériau joue le même rôle qu'uneéponge qui peut absorber de l'eau puis la restituer à la demande. Ce matériau adsorbant/ désorbant est considéré comme un déshydratant lorsqu'il absorbe l'eau contenue dans l'air.
b) un dispositif extracteur de la vapeur d'eau contenue dans le compartiment de stockage, ce dispositif extracteur comportant un moyen de chauffage d’un flux d'air entrant dirigé vers l’entrée du compartiment de stockage et un moyen de refroidissement du flux d'air sortant ayant traversé le compartiment de stockage et qui s'est chargé en humidité au contact du matériau déshydratant. Le dispositif extracteur est alimenté en énergie électrique par le générateur photovoltaïque et fonctionne avec le surplus de puissance électrique P1 qui est variable dans le tempset qui correspond à la différence entre la puissance P délivrée par le générateur photovoltaïque et la puissance P0 nécessaire pour faire fonctionner le condenseur. Il est en effet nécessaire d'apporter de l'énergie calorifique au matériau déshydratant pour qu'il restitue son eau au flux d'air entrant dont l'humidité absolue va donc augmenter dans le même sens que la température dudit matériau déshydratant. L'énergie nécessaire pour chauffer le matériau déshydratant provient du générateur photovoltaïque qui va fournir une puissance électrique P1 variable dans le temps. La puissance de chauffe P1 étant variable, le taux d'humidité absolue (quantité d’eau en grammes) de l'air sortant du compartiment de stockage sera également variable mais supérieur à celui de l'air entrant dans ce compartiment. Le refroidissement de l'air sortant du compartiment de stockage de la vapeur d’eau par le moyen de refroidissement est une étape thermique préparatoire à l'opération suivante qui est la condensation de la vapeur d'eau au moyen d'un générateur de froid faisant partie du condenseur.
Le condenseur de vapeur d'eau atmosphérique aspire le flux d'air préalablement humidifié par le dispositif humidificateur. Il est alimenté en énergie électrique par le générateur photovoltaïque et fonctionne avec une puissance électrique de consommation P0 qui est comprise entre des valeurs P0max et P0min. Contrairement à l'opération d'humidification de l'air précédente dont la puissance électrique consommée P1 pouvait être nulle (dans ce cas le flux d’air entrant dans le dispositif de stockage est à une température égale à celle de l'air ambiant), le condenseur a besoin d'une puissance d'alimentation électrique minimum supérieure ou égale à un seuil P0min positif pour fonctionner. En effet le condenseur comprend un moyen de refroidissement et un moyen de chauffage qui sont liés par des échanges thermiques et électriques par exemple de type « pompe à chaleur » dont les réglages, les automatismes et les asservissements nécessitent un minimum de puissance électrique P0min pour se coordonner. Il existe bien des dispositifs générateurs de chaud et de froid qui peuvent fonctionner avec une puissance d'alimentation électrique très faible proche de zéro, comme ceux fonctionnant avec des composants thermoélectriques à effet Pelletier, mais les performances énergétiques de ces dispositifs sont bien inférieures à celles des dispositifs à base de compresseurs.
Le module de gestion (3) de la puissance électrique produite par le générateur photovoltaïque (2) commande l'alimentation en électricité du dispositif condenseur (89) de vapeur d'eau atmosphérique et du dispositif (H) humidificateur d'air. Le module de gestion (3) comprend au moins un moyen de mesurer la puissance électrique potentielle P que peut fournir le générateur photovoltaïque (2) à chaque instant T, et un moyen de mesurer la puissance électrique P0 consommée à cet instant T par le dispositif condenseur (89). Le module de gestion (3) est configuré pour être apte à calculer la puissance P1 représentative de la différence entre la puissance P potentielle de production du générateur photovoltaïque (2) à chaque instant et la puissance réellement consommée P0 à cet instant par le dispositif condenseur (89), ce surplus de puissance P1 vaut donc P1 = P – P0.
Le dispositif (S) selon l’invention est caractérisé en ce que le module de gestion (3) est configuré pour mesurer en temps réel la puissance P que peut produire le générateur photovoltaïque (2) et pour alimenter en priorité le condenseur (89) avec la puissance P0 requise pour son fonctionnement, dès lors que la puissance P produite par le générateur photovoltaïque (2) est supérieure à ladite puissance P0, et pour alimenter le dispositif humidificateur d'air (H) avec une puissance électrique P1 variable, correspondant au surplus de puissance électrique photovoltaïque disponible à un instant donné et qui n'est pas consommée par le condenseur (89).
La puissance électrique P1 correspond donc à la puissance électrique variable qui reste disponible en production par le générateur photovoltaïque (2) et qui n'a pas été consommée par le dispositif (89) condenseur de vapeur d'eau. Le module de gestion (3) commande également l'arrêt des deux dispositifs condenseur (89) et humidificateur (H) lorsque la puissance potentielle P du générateur (2) est inférieure à la puissance minimum de fonctionnement (P0min) requise par le condenseur (89).
Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif (56) extracteur de la vapeur d'eau contenue dans le compartiment (4) de stockage ou le dispositif (89) condenseur de la vapeur atmosphérique, comporte un module thermodynamique de type « pompe à chaleur » utilisant un cycle de compression, condensation, détente et évaporation.
Alternativement, le dispositif (56) extracteur de vapeur d’eau utilise des cellules thermoélectriques à effet Pelletier, ou une résistance électrique chauffante et un refroidissement à air (au moyen d'un ventilateur), et le dispositif condenseur (89) de la vapeur atmosphérique fonctionne au moyen d'un cycle d'adsorption et de désorption de la vapeur d'eau connu et matérialisé sous le nom de « roue d'adsorption ».
Dans mode de réalisation particulier, le dispositif (56) extracteur de vapeur d'eau est choisi pour pouvoir fonctionner avec une puissance électrique variable de type PWM (« Pulse Width Modulation »), ce qui est le cas par exemple si le dispositif extracteur (56) comprend des résistances thermiques à effet Joule ou des ventilateurs à moteur à courant continu.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le matériau déshydratant (15) contenu dans le compartiment (4) de stockage est pris parmi : le gel de silice, le chlorure de calcium, le charbon actif, un zéolithe, un hydrogel, un glycol, ou un mélange de ceux-ci, sans que cette liste ne soit restrictive car de nombreux matériaux déshydratants sont possibles qui ont des caractéristiques d’adsorption et de désorption particulières, notamment en fonction de paramètres environnementaux comme la température et le pourcentage d'humidité relative de l'air avec lequel ils sont mis en contact.
Dans un mode de réalisation avantageux, le module de gestion (3) de puissance est configuré de manière que, pendant des périodes T1,T2,T3 durant lesquelles le dispositif (89) condenseur de la vapeur d'eau atmosphérique et le dispositif (56) d'extraction de la vapeur d'eau sont à l'arrêt du fait d’une puissance photovoltaïque potentielle instantanée P trop faible pour les alimenter (P étant inférieure à P0), ladite puissance électrique photovoltaïque P est dirigée vers et consommée par d’autres appareils électriques (C1,C2,C3,C4) autres que le dispositif d’extraction (56) et le condenseur (89), avec une puissance électrique globale de consommation P2 qui sera inférieure ou égale à P. Cela conviendra par exemple pour la charge de batteries électriques, ou pour le procédé de stockage de la vapeur d'eau atmosphérique qui se fait au moyen de ventilateurs électriques qui pulsent l'air ambiant au travers du compartiment (4) de stockage. Ce stockage se fera durant une autre période (T) choisie de préférence au cours de la nuit.
Dans un mode de réalisation, le dispositif (56) d’extraction de la vapeur d'eau contenue dans le compartiment (4) ou le condenseur (89) de la vapeur atmosphérique comporte un module thermodynamique de type pompe à chaleur utilisant un cycle de compression, condensation, détente et évaporation, ou comporte des cellules thermoélectriques à effet Pelletier, ou comporte une résistance électrique chauffante et un refroidissement à air (ventilateur), et le condenseur (89) de la vapeur atmosphérique fonctionne au moyen d'un cycle d'adsorption et de désorption de la vapeur d'eau.
Dans un autre mode de réalisation, le module (3) de gestion, qui est apte à calculer la puissance P1 représentative de la différence entre la puissance P potentielle de production du générateur photovoltaïque (2) à chaque instant et la puissance réellement consommée P0 à cet instant par le dispositif condenseur (89), le module de gestion (3) comprend un capteur d'intensité de courant continu à effet Hall (21) qui mesure en temps réel la différence entre d'une part l'intensité électrique produite par une cellule photovoltaïque témoin (22) représentative de la puissance potentielle P que peut produire le générateur (2) et d'autre part l'intensité électrique réellement produite par le générateur photovoltaïque (2), cette différence étant représentative du surplus de puissance P1 qui sera attribué par le module de gestion (3) pour l'alimentation non prioritaire du dispositif humidificateur (H).
Dans un autre mode de réalisation intéressant du point de vue des économies d'énergie, le flux d'air entrant (10) dans le dispositif (H) humidificateur d'air est préalablement chauffé par des capteurs solaires thermiques ou hybrides thermiques et photovoltaïques (2). Dans ce cas l'énergie solaire thermique issue des capteurs thermiques ou hybrides préchauffera l'air entrant (10) seulement si l'humidificateur (H) et le condenseur (89) sont en fonctionnement, c'est-à-dire seulement si la puissance photovoltaïque (P) est supérieure à la puissance de fonctionnement minimale (P0) du condenseur (89).
Dans un autre mode de réalisation, le condenseur (89) de la vapeur atmosphérique est configuré pour envoyer des flux d'air chaud vers le moyen d’injection et de chauffage (5) afin de réchauffer l'air entrant dans le compartiment (4) de stockage, ou pour envoyer des flux d’air froid vers le moyen d’extraction et de refroidissement (6) afin de refroidir l'air sortant du compartiment (4) de stockage.
Le moyen d’injection et de chauffage (5) de l’air ambiant est disposé de manière à réchauffer l’air ambiant (10) et à l’injecter (11) dans le compartiment de stockage (4) ;
Dans un autre mode de réalisation, l’humidificateur (H) comporte un moyen de chauffage de l'intérieur du compartiment (4) de stockage, sous la forme d’une résistance électrique chauffante ou d’un générateur d'ondes électromagnétiques apte à irradier le déshydratant (15) au moyen d'ondes par exemple de type infra-rouge ou de type micro-onde (dont la fréquence est de l'ordre de 2,4 GHz).
Dans un autre mode de réalisation, le flux d'air entrant (10) dans le dispositif (H) humidificateur d'air est chargé en humidité au moyen d'une conduite d'air (18) comprenant des ouvertures d'aspiration (19) positionnées au-dessus ou dans un environnement végétalisé (17). En effet l'air (20) qui se trouve à proximité des végétaux se charge de l'humidité qui s'évapore des plantes (17), aussi bien le jour lorsque la température augmente et favorise l'évaporation naturelle des plantes, que la nuit lorsque la température baisse et fait augmenter le taux relatif d'humidité de l'air. Le dispositif (non illustré dans les figures) qui permet de recharger en humidité le compartiment (4) de stockage, aura également avantage à aspirer l'air humide (20) à proximité des plantes (17) au moyen de cette conduite d'air (18) pour augmenter son efficacité.
Un mode particulier de réalisation et d’utilisation du dispositif (S) selon l’invention concerne un environnement végétalisé (17), éventuellement sous serre, ou dont les plantes sont positionnées sur une toiture (16) ou en façade d'un immeuble (non illustré), et dont l'eau d'arrosage est, pour une partie au moins, l'eau de condensation (7) générée par le dispositif (S) générateur d'eau atmosphérique solaire.
Un autre mode de réalisation et d’utilisation du dispositif (S) permet de gagner de la place au niveau des surfaces de collecte de l'énergie solaire, notamment lorsque celles-ci sont positionnées en milieu urbain ou en toiture, en juxtaposant lesdits panneaux solaires photovoltaïques (2) et ladite conduite d'air (18) qui aspire l'air humide (20) issu de l’environnement végétalisé (17) afin de créer entre eux (2 et 18) des échanges thermiques aptes à préchauffer l'air humidifié (20) qui entre (10) dans le dispositif (H) humidificateur d'air. Cette combinaison entre une surface photovoltaïque (2) qui s'échauffe au soleil et une conduite d'air (18) qui s'échauffe au contact de ladite surface photovoltaïque (2) est un système hybride avantageux car il permet de réduire la surface globale de capture de l'énergie solaire tout en conservant son efficacité et cela même lorsque la place disponible est limitée.
Un autre mode de réalisation et d’utilisation du dispositif (S) permet de le faire fonctionner en site isolé sans aucune connexion électrique avec un réseau de distribution électrique public. Dans ce cas le module (3) de gestion est configuré pour pouvoir mesurer ou calculer en temps réel les valeurs de puissance P0, P1 et P2 sans l'aide d'une connexion avec un quelconque réseau de distribution électrique public.
Enfin dans un autre mode de réalisation amélioré, le compartiment (4) de stockage de la vapeur d’eau atmosphérique est formé par plusieurs compartiments contenant un matériau (15) apte à adsorber ou à désorber la vapeur d'eau atmosphérique, chacun desdits compartiments pouvant fonctionner, individuellement ou en interconnexion entre eux, en mode d'adsorption ou de désorption, en fonction du taux l'humidité de l'air qui sort desdits compartiments ou en fonction du poids de la vapeur d'eau stockée dans les différents compartiments. En effet le fonctionnement de base du dispositif (S) ne prévoit qu'un seul compartiment (4) de stockage de l'humidité dans des matériaux adsorbants (15). Or il peut être intéressant d'effectuer le stockage de l'humidité dans un compartiment secondaire pendant que le compartiment principal est en train de se décharger de son humidité, puis d'inverser les compartiments dès que l'un des deux est plein ou vide. Cette procédure, qui peut s'étendre à plusieurs compartiments secondaires, permet de faire fonctionner le dispositif (S) générateur d'eau atmosphérique durant tout le temps durant lequel l'ensoleillement (1) est suffisant pour alimenter en puissance électrique (P0) le condenseur (89) et avec une pré-humidification par le dispositif humidificateur (H) dont l'efficacité est assurée par l'importance de la charge en humidité des différents compartiments en fonctionnement. La mesure de la charge en humidité d'un compartiment de stockage de vapeur d’eau (4) donné peut s'effectuer simplement par la mesure de son poids, comparativement à son poids à sec.
DECRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention est maintenant décrite plus en détail à l'aide des figures 1 à 5 indexées, dans lesquelles :
L'invention est maintenant décrite plus en détail à l'aide des figures 1 à 5 indexées, dans lesquelles :
- la est un graphe représentant l’évolution en fonction du temps de la puissance électrique P que peut produire un générateur photovoltaïque (2) au cours d’une journée ;
- la
- la
- la
- la
On se réfère à la . La puissance crête Pc d’un générateur photovoltaïque (2) comme celui représenté en est définie comme la puissance que peut produire le générateur photovoltaïque (2) lorsqu'il est éclairé par un rayonnement solaire de 1000 Watts par mètre carré perpendiculairement à sa surface. La puissance potentielle P que peut produire le générateur photovoltaïque (2) au cours d'une journée dépend de la puissance d'irradiation solaire, qui est une donnée variable dans le temps.
Cette puissance électrique potentielle P est utilisée (zone en noir) pour alimenter en électricité un dispositif condenseur (89) de la vapeur d'eau atmosphérique ( ) qui fonctionne avec une puissance P0 qui peut varier entre une valeur minimum P0min et une valeur maximum P0max qui dépendent du dispositif condenseur (89).
Lorsque la puissance potentielle P est supérieure à P0 (correspondant aux zones du graphe hachurées horizontalement) le surplus de puissance qui vaut P1 = P – P0 est utilisé pour alimenter en électricité le dispositif humidificateur (H) de l'air atmosphérique, donc le dispositif réchauffeur (5), le dispositif refroidisseur (6) et le dispositif de ventilation (non représenté car pouvant être positionné à divers endroits sur le flux d’air (10),(11),(12),(13) ou (14).
Lorsque la puissance électrique P est inférieure à la puissance de fonctionnement P0 du dispositif condenseur (89), alors le dispositif condenseur (89) et le dispositif humidificateur (H) sont arrêtés (correspondant aux zones T1, T2, T3 du graphe de la ). La puissance P de production du générateur vaut alors P2 (correspondant aux zones hachurées de lignes verticales) et elle est utilisée pour alimenter des appareils annexes à puissance de fonctionnement de préférence variable, comme une batterie électrique ou la charge en humidité dudit compartiment de stockage (4) qui se fera de préférence durant la nuit au moyen d'un flux d'air frais qui traversera ledit compartiment (4). La recharge en humidité de l'humidificateur (H) doit se faire de préférence avec de l'air ambiant dont la température est inférieure à celle de son fonctionnement en journée, donc principalement la nuit et au moyen d'un ventilateur alimenté en électricité par les batteries qui se seront chargées lorsque la puissance P ne sera pas suffisante pour alimenter le condenseur (89) et l'humidificateur (H) en période T1, T2, T3 sur la . De plus il ne serait pas judicieux de continuer à alimenter l'humidificateur (H) avec de l'air ambiant en journée car le compartiment (4) se refroidirait alors qu'une période de fonctionnement (zones en noir) pourrait arriver de nouveau et elle devra réchauffer le déshydratant qui se sera refroidi. Ces périodes de chauffage suivies de refroidissement suivies de chauffageoccasionneraient des pertes d'énergie qui pourraient diminuer l'efficacité du dispositif, alors qu'une opération de recharge en humidité la nuit permet de bénéficier (en continu) d'un air plus frais et avec moins de dépense énergétique (uniquement un ventilateur, celui qui pourrait être associé au dispositif de chauffage (5) , et avec une sortie d'air (12) cette fois plus sec et qui serait orienté (au moyen d'une vanne à trois voies) vers l'extérieur et non vers le dispositif de refroidissement (6) et ni vers le condenseur (89).
La est un schéma représentatif des éléments principaux du dispositif (S) générateur d'eau atmosphérique solaire selon l'invention. L'énergie solaire (1) est transformée en électricité par un générateur photovoltaïque (2) qui alimente en électricité à la fois un dispositif (89) condenseur de la vapeur d'eau atmosphérique via une ligne d’alimentation (31) et un dispositif humidificateur (H) de l'air atmosphérique (10) via une ligne d’alimentation (32). Le dispositif (H) humidificateur comprend un compartiment (4) qui contient un matériau (15) adsorbant et désorbant de la vapeur d'eau en fonction de sa température. Le compartiment (4) possède une entrée d’un flux d'air chaud (11) qui a été chauffé par un moyen de chauffage (5) comme par exemple une résistance électrique, et une sortie d'air chaud et humide (12). L'air chaud de l'entrée (11) s'est chargé en humidité en passant au travers du matériau (15) adsorbant/désorbant et ressort en air chaud et humide (12). Le flux d'air sortant (12) est alors refroidi (13) par un moyen de refroidissement (6) et est aspiré par le condenseur (89) qui comprend d’une part un moyen de refroidissement (8) permettant de condenser la vapeur d'eau sur une surface froide pour obtenir de l’eau (7), et qui comprend d’autre part un moyen (9) pour extraire l'air chaud (14) du dispositif. Les moyens (8,9) peuvent faire partie d'un dispositif de type « pompe à chaleur » qui fonctionne par exemple à l'aide d'un compresseur et dont la recherche de performances nécessite une alimentation électrique dont la puissance varie entre une valeur minimale P0min et une valeur maximale P0max. Les moyens de refroidissement (6) et de chauffage (5) de l'humidificateur (H) peuvent faire partie d'un dispositif (56) dont l'alimentation électrique est compatible avec une puissance électrique variable, comme par exemple des résistances électriques chauffantes par effet Joule et un refroidissement par un échangeur air/air extérieur à l'aide de ventilateurs électriques. Alternativement on peut utiliser des cellules thermoélectriques à effet Pelletier alimentées par une tension de type PWM (Pulse Width Modulation).
Les puissances électriques (P0,P1,P2) consommées par les différents modules (89, 56) sont gérées par un module de gestion (3) qui mesure ou calcule en temps réel les différentes puissances P0, P1, P2. Ceci permet de ne mettre en marche le condenseur (89) et l'humidificateur (H) que lorsque la puissance potentielle P est suffisante pour alimenter le condenseur (89) (c’est-à-dire lorsque P>P0). En outre, le module de gestion (3) est configuré pour contrôler le surplus de puissance variable P1 qui vaut P1 = P - P0, et pour alimenter l'humidificateur (H) avec le surplus de puissance P1 disponible, de manière à tirer le maximum de puissance (P) du générateur photovoltaïque (2).
La est une représentation graphique de l'évolution de la capacité d'adsorption du gel de silice (en grammes d'eau pour 100 grammes de gel de silice) à une température de 25°C et en fonction de l'humidité relative. On constate que la capacité d'adsorption est relativement proportionnelle à l'humidité relative. Avec un maximum d’adsorption de 33 g pour 100 g à 80 % d'humidité relative.
La est une autre représentation graphique de l'évolution de la capacité d'adsorption du gel de silice (en grammes d'eau pour 100 grammes de gel) en fonction de la température. On constate que la capacité d'adsorption est inversement proportionnelle à la température avec un minimum d'adsorption vers 90°C qui correspond à un taux d'adsorption d'environ 2 grammes d'eau pour 100 grammes de gel de silice. D’où la nécessité de chauffer le gel de silice contenu dans le réservoir (4) à l’aide du moyen de chauffage (5) pour extraire l’eau du gel de silice.
La représente un mode particulier d’utilisation du dispositif (S) selon l’invention, dans lequel le générateur photovoltaïque (2) est un générateur hybride (photovoltaïque et thermique) et est positionné dans un environnement végétalisé (17). L'environnement végétalisé (17) est par exemple situé sur une toiture (16) et l'air humide (20) créé par les végétaux (17) est aspiré par des orifices (19) positionnés le long d'une conduite (18) qui est accolée au panneau solaire photovoltaïque (2) de sorte que la chaleur du rayonnement solaire (1) qui apparaît à la surface dudit panneau photovoltaïque (2) est transmise par conduction à un flux d'air humide entrant (20) qui circule à l'intérieur de ladite conduite (18) et qui s’échauffe avant de circuler (10) et d'entrer dans le dispositif humidificateur (H). Le flux d'air humide (20) est préchauffé par le panneau solaire hybride (2) et est chauffé une nouvelle fois par un moyen de chauffage (5) alimenté en électricité par le générateur photovoltaïque (2) avec une puissance électrique variable P1 qui est fonction du rayonnement solaire (1) du moment. Le flux d'air humide (10) traverse le compartiment (4) de l’humidificateur (H), puis est refroidi par un moyen de refroidissement (6) avant d'entrer dans le dispositif (89) pour obtenir de l’eau de condensation (7). Le module de gestion (3) commande l'alimentation électrique en puissance variable du dispositif d'humidification (H) et l'alimentation électrique en puissance fixe du dispositif (89) de condensation, suivant une logique qui est que la puissance électrique (P0) dédiée au condenseur (89) est prioritaire, et que le surplus de puissance restant (P1) est alloué à l'humidificateur (H). Dans ce mode de réalisation particulier, l'eau de condensation (7) est utilisée pour arroser la végétation (17) sur une toiture (16), créant ainsi un recyclage économique de l'eau d'arrosage. Le dispositif générateur d'eau atmosphérique selon ce mode de réalisation comprend des appareils électriques annexes (C1,C2,C3,C4) alimentés éventuellement par le générateur photovoltaïque (2) et servant si nécessaire au fonctionnement d'applications supplémentaires (non représentées) comme la charge d'une batterie électrique, une pompe de relevage pour l'arrosage en toiture, la circulation des flux d'air par ventilateur, l'éclairage des locaux, le traitement de l'eau de condensation pour la rendre potable.
Dans un mode de réalisation pratique, un générateur d'eau d'atmosphérique (S) selon l'invention comprend :
- 25 m2de panneaux photovoltaïques (2) d'une puissance crête de Pc = 5 kWc.
- Un onduleur (non représenté) qui transforme le courant continu des panneaux photovoltaïques (2) en un courant alternatif de 230 V en mode d'autoconsommation (sans raccordement à un réseau électrique public).
Le dispositif est situé sous une latitude de 21° S (à l'Ile de La Réunion).
Les panneaux photovoltaïques (2) reçoivent une luminosité globale par jour équivalente à 6h d'ensoleillement à 1000 W/m2, soit une production journalière d'environ 6 x 5 kWc = 30 kWh lorsque la totalité de l'énergie électrique produite est consommée.
Un compartiment (4) d'humidification de l'air ambiant contient 200 kilogrammes de gel de silice en billes de 3 mm de diamètre et peut adsorber 20% de son poids en eau à 20°C et seulement 7% de son poids en eau à 65°C, et peut donc restituer 13% de son eau grâce à cette augmentation de température, soit 26 litres d'eau.
Un condenseur (89) de vapeur d'eau de type déshumidificateur fonctionne avec une puissance électrique moyenne d'environ P0 = 2,2 kW et produit 2 litres d'eau (7) par heure lorsque l'air ambiant est à 20°C et à 60% d'humidité relative, et lorsqu'il fonctionne sans l'humidificateur (H) durant les 6 heures de fonctionnement il produit donc 2 x 6 = 12 litres d'eau.
Lorsque l’humidificateur (H) fonctionne grâce au surplus de puissance P1 obtenu à l’aide du module de gestion (3), alors le condenseur (89) avec la même puissance de fonctionnement de 2,2 kW condense 4 litres d'eau (7) par heure, soit 24 litres durant les 6 heures de fonctionnement.
Le surplus d'énergie photovoltaïque P1 non consommé par le condenseur (89) aura servi à chauffer l'air d'entrée du compartiment de stockage (4) de vapeur d’eau de 20°C jusqu'à 65°C afin de restituer en sortie 4 litres de vapeur d'eau par heure au niveau du condenseur (89), soit le double de ce qu'il aurait condensé dans les conditions normales de température et d'humidité relative de l'air ambiant et sans le dispositif d'humidification (H). Cela a été rendu possible grâce au module (3) de gestion de l'énergie photovoltaïque qui a su donner la priorité de l’utilisation de la production électrique P au déshumidificateur/condenseur (89) et utiliser le surplus d'énergie restant P1 pour le fonctionnement de l'humidificateur (H). Sans cette gestion selon l'invention, la totalité de l'énergie photovoltaïque potentielle P n'aurait pas pu être consommée avec un maximum d'efficacité pour cette application de génération d'eau atmosphérique solaire (S).
En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en proposant un dispositif qui résout le problème de la variabilité de l'énergie solaire grâce à une gestion intelligente de la production d'électricité photovoltaïque qui est redistribuée en partie pour la condensation de l'eau atmosphérique et en partie pour concentrer l’humidité de l'air ambiant pendant les périodes de faible ensoleillement, voire pendant la nuit, grâce à un dispositif de stockage de l'humidité combiné avec un module de gestion (3) qui répartit de façon optimale l’énergie d’alimentation entre le condenseur et l’humidificateur.
En conséquence, le dispositif (S) selon l’invention permet de produire davantage d’eau par unité de surface photovoltaïque disponible. Le supplément d’eau est obtenu à faible coût, puisque le dispositif (S) n’ajoute aux systèmes connus que des composants peu chers, non polluants, présentant une longue durée de vie, et recyclables à l’infini, comme c’est le cas pour le gel de silice.Le surplus de puissance photovoltaïque obtenu et utilisé grâce à la gestion intelligente par le module de gestion (3) est de l’ordre de 30-40 %, est ici utilisé pour générer de l’eau, alors que ce surplus de puissance disponible est typiquement non utilisé et donc gaspillé dans les systèmes existants.
L’invention est particulièrement utile notamment dans les pays du Sud qui sont en voie de développement et ont besoin de systèmes capables de produire de façon optimisée de l’énergie électrique et de l’eau potable. L’invention est plus généralement utile lorsque le générateur photovoltaïque est positionné en site isolé, sans aucune connexion électrique avec un réseau public de distribution d'électricité.
Claims (15)
- Dispositif (S) générateur d'eau atmosphérique alimenté par l'énergie solaire (1) et comprenant :
- un générateur photovoltaïque (2) dont la puissance électrique de production P est variable dans le temps (T) en fonction de l’ensoleillement (1) ;
- un dispositif humidificateur d'air (H) comprenant :
a) un compartiment de stockage (4) de la vapeur d'eau atmosphérique contenant un matériau déshydratant (15) solide ou liquide apte à adsorber et à désorber de la vapeur d'eau, le compartiment de stockage (4) comportant une entrée d’air et une sortie d’air ;
b) un moyen d’injection et de chauffage (5) de l’air ambiant disposé de manière à réchauffer l’air ambiant (10) et à l’injecter (11) dans le compartiment de stockage (4) ;
c) un moyen d’extraction et de refroidissement (6) du flux d’air (12) disponible en sortie du compartiment de stockage (4) et qui s’est chargé en humidité au contact du matériau déshydratant (15), l’ensemble constitué par le moyen d’injection et de chauffage (5) et par le moyen d’extraction et de refroidissement (6) formant un dispositif (56) d'extraction de la vapeur d'eau. - un condenseur (89) de vapeur d'eau atmosphérique, qui aspire le flux d'air (13) préalablement humidifié par le dispositif humidificateur d’air (H) ;
- un module de gestion (3) de la puissance électrique produite par le générateur photovoltaïque (2) et utilisée pour alimenter électriquement le dispositif (H) humidificateur d’air et le dispositif condenseur (89) ;
caractérisé en ce que le module de gestion (3) de la puissance électrique est configuré pour mesurer en temps réel la puissance P que peut produire le générateur photovoltaïque (2) et pour alimenter en priorité le condenseur (89) avec la puissance P0 requise pour son fonctionnement, dès lors que la puissance P produite par le générateur photovoltaïque (2) est supérieure à ladite puissance P0, et pour alimenter le dispositif humidificateur d'air (H) avec une puissance électrique P1 variable, correspondant au surplus de puissance électrique photovoltaïque disponible à un instant donné et qui n'est pas consommée par le condenseur (89). - Dispositif (S) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance électrique P1 variable disponible pour le dispositif humidificateur (H) vaut sensiblement P1 = P – P0 où P désigne la puissance électrique instantanée que pourrait produire le générateur photovoltaïque (2) au regard de la puissance du rayonnement solaire qu'il reçoit, et P0 désigne la puissance, sensiblement fixe, nécessaire au fonctionnement du condenseur (89).
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le condenseur (89) de la vapeur atmosphérique est configuré pour envoyer des flux d'air chaud vers le moyen d’injection et de chauffage (5) afin de réchauffer l'air entrant dans le compartiment (4) de stockage, ou pour envoyer des flux d’air froid vers le moyen d’extraction et de refroidissement (6) afin de refroidir l'air sortant du compartiment (4) de stockage.
- Dispositif (S) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un moyen de chauffage de l'intérieur du compartiment (4) de stockage, sous la forme d’une résistance électrique chauffante ou d’un générateur d'ondes électromagnétiques apte à irradier le déshydratant (15) au moyen d'ondes par exemple de type infra-rouge ou de type micro-onde dont la fréquence est de l'ordre de 2,4 GHz.
- Dispositif (S) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (56) d’extraction de la vapeur d'eau contenue dans le compartiment (4) ou le condenseur (89) de la vapeur atmosphérique comporte un module thermodynamique de type pompe à chaleur utilisant un cycle de compression, condensation, détente et évaporation, ou comporte des cellules thermoélectriques à effet Pelletier, ou comporte une résistance électrique chauffante et un refroidissement à air (ventilateur), et le condenseur (89) de la vapeur atmosphérique fonctionne au moyen d'un cycle d'adsorption et de désorption de la vapeur d'eau.
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d’injection et de chauffage (5) de l’air ambiant et le moyen d’extraction et de refroidissement (6) du flux d’air (12) sont aptes à fonctionner avec une puissance électrique variable de type PWM (« Pulse Width Modulation »).
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau (15) contenu dans le compartiment de stockage (4) est pris parmi : le gel de silice, le chlorure de calcium, le charbon actif, des zéolithes, des hydrogels, des glycols.
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de gestion (3) de puissance est configuré de manière que, pendant des périodes (T1,T2,T3) durant lesquelles le condenseur (89) et le dispositif (56) d'extraction de la vapeur d'eau sont à l'arrêt du fait d’une puissance photovoltaïque P trop faible pour les alimenter (P étant inférieure à P0), ladite puissance électrique photovoltaïque P est consommée, au moins pour une partie notée P2, pour la charge de batteries électriques, ou pour l’alimentation de ventilateurs pulsant l'air ambiant à travers le compartiment de stockage (4) durant une autre période (T) choisie de préférence au cours de la nuit.
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de gestion (3) comprend un capteur d'intensité de courant continu à effet Hall (21) qui mesure en temps réel la différence entre d'une part l'intensité électrique produite par une cellule photovoltaïque témoin (22) représentative de la puissance potentielle de la production P du générateur photovoltaïque (2) et d'autre part l'intensité électrique réellement produite par le générateur photovoltaïque (2), cette différence étant représentative du surplus de puissance P1 qui sera attribué à l'alimentation non prioritaire du dispositif humidificateur d’air (H).
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux d'air (10) entrant dans le dispositif (H) humidificateur d’air est préalablement chauffé par des capteurs solaires thermiques ou hybrides thermiques et photovoltaïques.
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux d'air (10) entrant dans le dispositif (H) humidificateur d'air est chargé en humidité au moyen d'une conduite d'air (18) comprenant des ouvertures d'aspiration d’air (19) positionnées au-dessus ou dans un environnement végétalisé (17).
- Dispositif (S) selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'environnement végétalisé (17) est constitué de plantes positionnées sur une toiture (16) ou en façade d'un immeuble, et une partie au moins de l'eau de condensation (7) générée par le dispositif (S) est utilisée pour l’arrosage desdites plantes.
- Dispositif (S) selon l’une des revendications 11 à 12, caractérisé en ce que lesdits panneaux solaires photovoltaïques (2) et ladite conduite d'air (18) qui aspire l'air humide (20) issu de l’environnement végétalisé (17) sont juxtaposés afin de créer entre eux des échanges thermiques aptes à préchauffer l'air humidifié (20) qui entre dans le dispositif (H) humidificateur d'air.
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est installé en site isolé sans aucune connexion électrique avec un réseau de distribution électrique public.
- Dispositif (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compartiment de stockage (4) comprend plusieurs compartiments contenant un matériau (15) apte à adsorber ou à désorber la vapeur d'eau atmosphérique, chacun desdits compartiments pouvant fonctionner, individuellement ou en interconnexion entre eux, en mode d'adsorption ou de désorption, en fonction du taux l'humidité de l'air qui sort desdits compartiments ou en fonction du poids de la vapeur d'eau stockée dans les différents compartiments.
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