WO2007141431A2 - Multilayer thermal energy collecting device for photon converter of atmospheric and solar radiation - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to multilayer thermal energy collecting devices used to supply the heat source of a heat exchanger and / or to improve the electrical power supplied by a photovoltaic generator (PV). It relates particularly to such devices which operate with a heat reserve and which comprise at least one heat exchanger and a photonic converter using one or more radiative processes among the heat production by absorption of solar radiation, the electricity production by photovoltaic conversion. solar radiation and radiative cooling by infrared radiation (IR) on space.
  • IR infrared radiation
  • infrared radiation means photon radiation having a wavelength greater than 0.8 ⁇ m.
  • visible radiation means photonic radiation having a wavelength of between 0.4 ⁇ m and 0.8 ⁇ m.
  • solar radiation means radiation from the sun and including the visible.
  • atmospheric radiation means radiation from the sky including infrared radiation.
  • atmospheric window means atmospheric radiation band corresponding to infrared wavelengths between 8 ⁇ m and 13 ⁇ m.
  • the atmospheric emissivity in this band varies in particular as a function of the water content of the atmosphere and cloudiness.
  • ambient air temperature means the dry temperature of the ambient air recorded under ventilated shelter.
  • spectrally selective surface [8 ⁇ m-13 ⁇ m] refers to an ideally radiating surface such as a black body in the wavelength band between 8 ⁇ m and 13 ⁇ m and reflecting the visible and infrared radiation outside this region. bandaged.
  • Atmosphere means photothermal converter using radiative cooling by infrared radiation on space and atmosphere.
  • photothermal converter of solar radiation means photothermal converter using radiative heating by absorption of solar radiation in the wavelength band of visible radiation.
  • active converter operating temperature refers to the temperature of the converter when it produces heat energy and feeds the heat source of a heat exchanger or the temperature of the converter when produces cooling energy and feeds the heat sink of a heat exchanger.
  • the first embodiment relates to devices in which the heat flux absorbed by the converter is less than the heat flux that would emit the same converter to the ambient air temperature, in which case the temperature of the converter is less than 'ambiant air.
  • it is customary to cover the converter with a layer thermally insulating and transparent to IR radiation at least in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" in order to limit the convective and transmissive heat input on the converter while allowing the latter to be cooled by infrared radiation in the "atmospheric window" [8 ⁇ m-13 ⁇ m].
  • the second embodiment relates to multilayer devices in which the heat flux absorbed by the converter is greater than the heat flux that would emit the same converter at the ambient air temperature, in this case, the operating temperature of the converter. is higher than the ambient air temperature.
  • it is customary not to cover the transparent thermal insulation layer in order to promote cooling of the converter by convection and transmission with the ambient air.
  • Photothermal converters of atmospheric radiation have an operating temperature that depends not only on the transparency of the atmosphere in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]", but also on its temperature. This has the effect of continuously varying the temperature of the converter because the temperature of the atmosphere varies continuously. Subsequently, the temperature of the cold source of the heat exchanger also varies, because the converter directly feeds the latter by thermal transmission. In addition, when the sky is overcast or the water content is high, the performances of the radiative cooling on the space decrease, because the emissivity of the atmosphere in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" increases when its content in water increases. In this case, the converter can no longer supply the heat sink of the heat exchanger with sufficient power.
  • the heat reserve is heated by diurnal forced circulation in a heat exchanger in close contact with the converter to promote thermal exchange by transmission. It serves as a coolant to heat the space. It allows the smoothing of the temperature of the hot spring, and the feeding of the latter at night or when the sky is overcast.
  • the thermal reserve is cooled by night forced circulation in a heat exchanger in close contact with the converter to promote heat exchange by transmission. It serves as coolant to cool the space. It allows the smoothing of the temperature of the cold source and the feeding of the latter during the day or when the sky is covered.
  • the sensible heat and the density of a liquid are such that it is used, to smooth the temperature of the latter and ensure the supply of the hot spring at night or when the sky is covered, or to ensure the feeding the cold source during the day or when the sky is overcast, to use necessarily large thermal capacities which also require a lot of energy for their brewing.
  • This device comprises a heat exchanger and a photothermal converter of solar radiation consisting of a panel whose active face ideally reflects infrared radiation and has an emission factor that is close to that of a black body in the visible.
  • the panel is oriented towards the sun to optimize the incident solar energy flow and thus promote the heating of the converter, because the effects of incident solar radiation cause a heating of the converter all the more important that the incident solar flux is large.
  • This panel is in close contact with a heat exchanger to optimize the heat flow by transmission and thus ensure the supply of the heat source of the heat exchanger.
  • the photothermal converters keeping these spectral properties at temperatures such as 800 0 K, are rare and expensive.
  • photothermal converters of solar radiation have an operating temperature which depends on the incident solar irradiance and the ambient air temperature. This has the effect of continuously varying the temperature of the converter, because the incident solar illumination, the ambient air temperature continuously vary. Subsequently the temperature of the heat source of the heat exchanger also varies because the converter is in close contact with the heat exchanger. In addition, at night or on cloudy days, the photothermal conversion performance of the solar radiation is respectively zero or very weak because the direct solar irradiance is zero at night and very low in overcast conditions. In this case, the converter can no longer supply the heat source of the heat exchanger with sufficient power.
  • US Patent 2005/0061312 (Szymocha), March 24, 2005 discloses a multilayer device comprising a latent heat storage layer, a transparent layer, a photothermal converter of solar radiation separated from the transparent layer by a layer of 'air.
  • This solution allows, thanks to the latent heat storage layer, the smoothing of the temperature of the hot source, and the supply of the latter, at night or when the sky is covered.
  • the air layer makes it possible to isolate the device from heat losses by convection transmission with the ambient air.
  • the thermal losses by infrared radiation on the space via the converter or the transparent layer remain very important, especially in a weakly emissive atmosphere or having a low radiation temperature.
  • the increase of the solar field by the choice of the zone of implantation of these devices is accompanied by a decrease of the emissivity of the atmosphere, particularly in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]", because the emissivity of the atmosphere decreases when its water content or cloudiness increases and a decrease in the radiation temperature of the atmosphere especially at night, consecutively the heat losses by infrared radiation on the space and the atmosphere are more important, which counterbalances the choice of an establishment in an area where the solar field is very important.
  • EP-A-1 162 659 (MERCK PATENT GMBH) 12 December 2001 describes a thermal reserve in latent heat of high thermal conductivity, used for the (de) storage of heat at constant temperature in the field of protection against heating of semiconductor devices such as PV cells.
  • JP 11 108467 (NOMOTO SO) October 7, 1997 discloses a PV generator using a multilayer heat removal device comprising a convective type heat exchanger and a latent heat composite heat reserve.
  • PV panels are expensive and fragile, and the direct solar flux does not bring them to saturation with regard to photovoltaic conversion. It is therefore customary, to increase the electrical power of a photovoltaic panel of a given size, to concentrate the light solar on the active side of the cells that cover it.
  • the effects of the solar flux coming from the concentrator are the same as those of the direct solar flux and therefore lead to an additional heating of the solar panel, the greater the higher the concentration and, consequently, a decrease in the photovoltaic efficiency, because the performances of a cell degrade when its operating temperature increases. This counterbalances the effect of using a concentrator.
  • the solar deposit depends on the water content and cloudiness of the atmosphere. It is therefore preferable to install these devices in clear and dry areas corresponding for example to the desert, semi-desert or altitude zones to optimize the incident solar radiation and thus the production of electrical energy and / or heat of the converter, because the latter depends on the incident solar radiation.
  • the increase of the solar field by the choice of the implantation zone of these devices is accompanied by a reduction of the emissivity of the atmosphere because the emissivity of the latter decreases when its water content or its cloudiness increases. Consequently, it is harmful that these devices are not designed to optimize the diurnal cooling of the converter by infrared radiation on the space and the atmosphere when the device produces electrical energy and limit for example night heat losses. by infrared radiation on the atmosphere and space when the device also feeds the hot source of a heat exchanger at night.
  • the present invention proposes a multilayer thermal energy collector device comprising at least one heat exchanger (3), a composite heat storage layer.
  • latent material (2) consisting of expanded natural graphite (GNE) compressed and impregnated with a phase change material (PCM), and a photovoltaic or photothermal converter (1), characterized in that the device uses a technique for managing the radiative cooling by infrared radiation applied to the photothermal conversion of atmospheric, solar radiation and photovoltaic conversion of solar radiation in a clear and dry atmosphere with high transparency and low emissivity in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]".
  • the device operates at a temperature close to the phase change temperature of the MCP and between 250 0 K and 800 0 K.
  • the device operates in a two-cycle cycle, a time of evacuation of heat by infrared radiation on the space and the atmosphere and / or convection - transmission with the ambient air, materialized by the solidification to constant MCP temperature, a time of absorption of heat by absorption of solar radiation, atmospheric and / or by convection - transmission with the ambient air, materialized by the constant temperature melting of the MCP.
  • the device comprises at least one additional layer constituting the active face (4) of the converter (1) radiating ideally as a black body in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" towards the zenith or in a zenith angle between 0 ° and 30 ° when used to supply the cold source of the heat exchanger (2) or to increase the electric power supplied by a PV generator.
  • the active face (4) of the converter (1) is a spectrally selective surface in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" when the device is used to feed the cold source of the heat exchanger if, for a given dimension and an identical active operating temperature of the converter (1), such an active face (4) radiates more energy than an active face (4) that radiates like a black body over the entire infrared spectrum and reflects the visible.
  • the converter is a metallic panel reflecting visible and infrared radiation such as a polished aluminum panel covered with a spectrally selective layer in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" such that a Silicon monoxide (SIO) coating in l ⁇ m thickness, such as a magnesium monoxide (MGO) coating with a thickness of 1.1 mm, such as a 0.54 mm thick layer of lithium fluoride (LiF) or such as a polyvinylfluoride film (PVF Tedlar) in thickness of 125 .mu.m.
  • SIO Silicon monoxide
  • MGO magnesium monoxide
  • PVF Tedlar polyvinylfluoride film
  • the active face (4) of the converter (1) radiates ideally as a black body over the entire infrared spectrum and reflects the visible to produce cold (3) if, for a given dimension and a temperature of identical active operation of the converter (1), such an active face (4) radiates more energy than an active face (4) which would be spectrally selective in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]".
  • the converter (1) is a metal panel reflecting visible and infrared radiation such as a polished aluminum panel covered with a highly emissive layer of infrared radiation such as a layer of alumina ( AL 2 O 3 ) in a thickness of 10 ⁇ m or 15 ⁇ m or a layer of white paint rich in titanium dioxide (TiO 2 ).
  • a metal panel reflecting visible and infrared radiation such as a polished aluminum panel covered with a highly emissive layer of infrared radiation such as a layer of alumina ( AL 2 O 3 ) in a thickness of 10 ⁇ m or 15 ⁇ m or a layer of white paint rich in titanium dioxide (TiO 2 ).
  • the device comprises a concentrator layer of solar radiation transparent to visible radiation and to infrared radiation engraved in Fresnel step (7) disposed at above the converter to concentrate the incident solar radiation on the latter, the transparency of the concentrator layer (7) infrared radiation allowing the converter to radiate freely to the space by infrared radiation much of the heat induced by the absorption of solar radiation.
  • the converter (1) consists of one or more PV cells whose active face (4) is covered with a film transparent to solar radiation which radiates ideally as a black body in the infrared spectrum.
  • the converter (1) is covered with a Dupont Teflon® FEP, Dupont Teflon® TPFE or Dupont Tefzel®T 2 film in a thickness of 62 ⁇ m.
  • the device comprises an additional layer (5) of high thermal resistance covering the active face of the converter (1), transparent to infrared radiation in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" to reduce the heat input by transmission - convection with the outside air and favor the evacuation of heat by infrared radiation on the space and the atmosphere, when the active operating temperature of the converter is lower than the ambient air and when the device supplies the cold source of the heat exchanger.
  • Such a layer (5) is constituted by way of non-limiting example of one or more blades of dry air with a thickness of 19 mm, separated by walls (10) of low density polyethylene in a thickness generally between 50 and 200 ⁇ m or by chalcogenide glass walls, in this case to obtain lower temperatures and optimized the useful cold power, the dry air blade can be replaced by vacuum, excellent thermal insulation.
  • the device comprises an additional layer (5) of high thermal resistance covering the active face of the converter (1) reflecting the infrared radiation and transmitting the solar radiation to reduce the thermal losses by infrared radiation on space and space. and by convection-transmission with the outside air and allow the heating of the converter by absorption of solar radiation when the device supplies the hot source of the heat exchanger (3) at a temperature higher than the air ambient, consisting of one or more blades of dry air of thickness 19 mm or vacuum of the same thickness separated by walls (10) of glass transparent to solar radiation, one of these walls (10) at least , being covered by way of nonlimiting example of a TiO2 / Ag / TiO2 triple layer coating in which each of the layers has a thickness of 18 nm.
  • Such multilayer walls and their associated manufacturing method are described in US Patent 4,822,120 (FAN ETAL) April 18, 1989.
  • the device comprises an additional layer of removable thermal insulation (8) made of a low thermal conductivity material covered on its outer face (12) with a film reflecting the visible and infrared radiation.
  • This layer (8) is arranged on the device when the operating temperature of the converter (1) becomes greater than the phase change temperature of the MCP to reduce the heat input by absorption of the atmospheric and / or solar radiation and to reserve the most much of the latent heat of fusion of the MCP to the supply of the cold source of the heat exchanger (3) when the device supplies the cold source of the heat exchanger (3).
  • the layer (8) is removed when a spectrally identical surface to the active face (4) of the converter (1) radiating under the same conditions as the converter (1) and in an identical device not comprising the thermal insulation layer removable (8) reaches a temperature lower than the phase change temperature of the MCP.
  • the device comprises an additional layer of removable thermal insulation (8) made of a low thermal conductivity material covered on its inner face (11) with a film reflecting the infrared radiation.
  • This layer is disposed on the device when the operating temperature of the converter (1) becomes lower than the phase change temperature of the MCP to reduce thermal losses via the converter (1) by infrared radiation on the space and the atmosphere and reserving most of the latent heat of solidification of the MCP to the supply of the heat source of the heat exchanger (3) when the device feeds the hot source of the heat exchanger (3).
  • the layer (8) is removed when a spectrally identical surface to the active face (4) of the converter (1) radiating under the same conditions as the converter (1) and in an identical device not comprising the removable insulation layer (8) reaches a temperature above the phase change temperature of the MCP.
  • the phase change temperature of the MCP is greater than the active operating temperature of the converter (1) to allow it to solidify when the device supplies the cold source of the heat exchanger (2).
  • the phase change temperature of the MCP is lower than the active operating temperature of the converter (1) to allow its melting when the device supplies the heat source of the heat exchanger (3).
  • the latent heat storage layer (2) is a composite of high thermal conductivity and high energy density placed in close contact with the converter (1) and the heat exchanger (3) to promote exchanges by heat transmission and in that its thermal resistance and its mass allow it to maintain the temperature of the converter (1) and the heat exchanger (3) at a level close to the phase change temperature of the MCP.
  • the latent heat storage composite layer (2) is made with expanded natural graphite (GNE) compressed to 150 kg / m 3 and impregnated with a phase change material such as an alkane or a mixture of alkanes and has an energy density of the order of 150KJ / Kg and a thermal conductivity of the order of 25W / mK in a direction of space.
  • GNE expanded natural graphite
  • the photonic converter (1) and the heat exchanger (3) are then positioned perpendicular to its axis of greater thermal conductivity to promote heat exchange by transmission.
  • it has, in addition to greater density energy efficiency, a simpler implementation.
  • FIG. 1 is a view, a sectional view, of a multilayer thermal energy collector device used to supply the cold source of a finned tubular heat exchanger and forced water circulation in the case where the Active operating temperature of the converter is lower than the ambient air temperature.
  • FIG. 2 a view, under the same conditions, of a multilayer thermal energy collector device used: a) To non-simultaneously supply the cold source and the hot source of a finned tubular heat exchanger (b) Either to supply the cold source of a finned and forced-flow tubular heat exchanger in the case where the active operating temperature of the converter is greater than the temperature of the ambiant air.
  • Figure 3 a view in the same conditions of a multilayer thermal energy collector device used to supply the hot source of a finned tubular heat exchanger and forced water circulation.
  • FIG. 4 a view, under the same conditions, of a multilayer thermal energy collector device used to improve the electric power supplied by a PV generator and supplying the hot source of a finned tubular heat exchanger with forced water circulation.
  • the present invention therefore consists in arranging the latent heat storage composite layer (2) in close contact with the converter (1) and the heat exchanger (3) so as to promote thermal exchange by transmission.
  • a multilayer device such as represented in FIG. 1, comprising a photothermal converter of the radiation of the spectrally selective atmosphere in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" constituted by way of non-limiting example of a polished aluminum panel covered with a layer of silicon monoxide (SIO) in l ⁇ m thickness constituting the active face (4) of the converter (1).
  • SIO silicon monoxide
  • Such a device further comprises two additional thermal insulation layers:
  • the first (5) covers the converter (X). It is transparent to IR radiation at least in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]".
  • the second (6), located under the heat exchanger is made of a low thermal conductivity material such as extruded polystyrene 10cm thick covered on its outer face (13) of a film reflecting the visible radiation and infrared.
  • the active face of the converter (4) is oriented as much as possible towards the zenith to optimize the radiative cooling.
  • the latter (4) is rapidly cooled by IR radiation on the space through the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" to a temperature slightly lower than the phase change temperature of the MCP contained in the storage layer.
  • latent heat (2) When this temperature is reached, the MCP solidifies at a constant temperature.
  • part of the cold induced by IR radiation on the space also supplies, via the latent heat storage layer (2) of low thermal resistance, the cold source of the heat exchanger (3).
  • the device is covered with a removable thermal insulation layer (8) manufactured in a material of low thermal conductivity coated on its outer face (11) with a film reflecting the IR and solar radiation.
  • a removable thermal insulation layer (8) manufactured in a material of low thermal conductivity coated on its outer face (11) with a film reflecting the IR and solar radiation. This has the effect of limiting convection and transmission heat gains with the ambient air and absorption of solar radiation and / or atmospheric. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage layer (2) to the supply of the cold source of the heat exchanger (3).
  • the device when the device is only used to supply the heat sink of a heat exchanger (3) and the active operating temperature of the converter (1) is greater than the ambient air temperature, it is generally used a multilayer device as shown in FIG. 2, comprising a photothermal converter (1) for the radiation of the atmosphere and of the space in direct contact with the ambient air, reflecting the visible radiation and radiating like a black body at least in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ nn]" constituted by way of non-limiting example of a polished aluminum panel covered with a layer of alumina in a thickness of 10 ⁇ m constituting the active face (4) of the converter (1).
  • a multilayer device as shown in FIG. 2, comprising a photothermal converter (1) for the radiation of the atmosphere and of the space in direct contact with the ambient air, reflecting the visible radiation and radiating like a black body at least in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ nn]" constituted by way of non-limiting example of a polished aluminum panel covered with a layer of alumina
  • a part of the cold induced by transmission - convection with the ambient air and IR radiation on the space and the atmosphere also feeds by transmission via the latent heat storage layer (2) of low thermal resistance, the cold source of the heat exchanger (3).
  • the device is covered with a removable thermal insulation layer (8) manufactured in a material of low thermal conductivity coated on its outer face (11) with a film reflecting the IR and solar radiation. This has the effect of limiting convection and transmission heat gains with the ambient air and absorption of solar radiation and / or atmospheric. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage layer (2) to the supply of the cold source of the heat exchanger (3).
  • a removable thermal insulation layer (6) is put in place under the heat exchanger. It is made of a material of low thermal conductivity such as extruded polystyrene in a thickness of 10 cm and covered on its outer face (13) with a film reflecting the visible and red radiation. This has the effect of limiting the contribution of convective heat transfer and with Vû ambient sr. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the merger of the latent heat storage layer (2) to the supply of the cold source of the heat exchanger (3).
  • a multilayer device as shown in FIG. 2 is generally used and comprises a photothermal converter.
  • radiation of the atmosphere and the sun (1) radiating ideally as a black body in the visible and infrared to allow the daytime heating of the converter by absorption of solar radiation and the night radiative cooling of the converter by infrared radiation on the space and atmosphere constituted by way of non-limiting example of a PPO resin plate (polypheniloxide) constituting the active face (4) of the converter (1).
  • the converter (1) cools rapidly during the heat removal time corresponding to the night and dry period, to a temperature slightly below the temperature phase change of the MCP, by IR radiation on the atmosphere and space and / or transmission - convection with ambient air. When it reaches this temperature, the MCP solidifies at constant temperature.
  • a part of the cold induced by transmission - convection with the ambient air and IR radiation on the space and the atmosphere also feeds by transmission via the latent heat storage layer (2) of low thermal resistance, the cold source of the heat exchanger (3),
  • the device is covered with a removable thermal insulation layer (8) made of a material of low thermal conductivity coated on its inner face (11) with a film reflecting the IR radiation and on its outer surface (12) with a radiation reflecting film IR and visible.
  • a removable insulation layer (6) is placed under the heat exchanger. It is made of a material of low thermal conductivity such as extruded polystyrene 10cm thick covered on its outer face (13) of a film reflecting the visible and infrared radiation. This has the effect of limiting the heat input by convection radiation and transmission with the ambient air. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage layer (2) to the supply of the cold source of the heat exchanger (3).
  • the converter (1) heats up to a temperature slightly higher than the phase change temperature of the MCP by absorption of solar radiation during the heating time. absorption of heat corresponding to the diurnal and clear periods. This has the effect of melting the latent heat storage composite layer (2) at a constant temperature. At the same time, part of the heat induced by the absorption of solar radiation at the converter (1) also feeds via transmission via the latent heat storage layer (2) of high thermal conductivity, the hot source of the heat exchanger. heat (3).
  • the removable thermal insulation layer (8) is arranged on the converter (1) to limit heat losses by convection with ambient air and IR radiation to space and atmosphere. This has the effect of reserving a large part of the heat release materialized by the solidification of the MCP to the supply of the heat source of the heat exchanger (3).
  • a removable thermal insulation layer (6) is placed beneath the heat exchanger. It is constituted in a material of low thermal conductivity such as extruded polystyrene 10cm thick covered on its inner side with a film reflecting the infrared radiation. This has the effect of limiting thermal losses by convection and transmission with ambient air and infrared radiation. Subsequently, this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage layer (2) g the supply of the heat sink of the heat exchanger (3). ;
  • a multilayer device as shown in FIG. 3 is generally used and comprises a photothermal converter of the solar radiation (1) consisting of a panel whose active face (4) weakly emitting infrared radiation radiates ideally as a black body in the visible formed by way of non-limiting example of black chrome. This has the effect of promoting heating of the converter by absorption of solar radiation and reduction of thermal losses by IR radiation on the atmosphere and space, particularly in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]".
  • the active face of the converter (4) is oriented towards the sun so as to optimize heating of the converter (1) by absorption of solar radiation. This has the effect of melting the latent heat storage layer (2), because the phase change temperature of the latter (2) is lower than the operating temperature of the converter (1).
  • part of the heat induced by the absorption of solar radiation at the converter (1) also feeds via transmission via the latent heat storage layer (2) of high thermal conductivity, the hot source of the heat exchanger. heat (3).
  • the supply of the hot source of the heat exchanger (3 ) is ensured by the release of heat materialized by the solidification at constant temperature, of the latent heat storage composite layer (2).
  • Such a device comprises two additional layers:
  • the first (5) covers the converter (1). It is transparent to visible radiation and reflects IR radiation.
  • this layer (5) consists of two blades of dry air (9) with a thickness of 19 mm separated by walls (10) made of transparent glass visible to the visible radiation. at least one of them being covered with a TiO 2 ZAg / TiO 2 triple-layer coating in which each of the layers has a thickness of 18 nm.
  • the second (6), located under the heat exchanger is made of a low thermal conductivity material.
  • this layer (6) may consist of extruded polystyrene 10cm thick covered on its inner side with a film reflecting infrared radiation.
  • the insulating nature of the air blades makes it possible to reduce the temperature of the upper wall (10) of the device and thus the thermal losses by infrared radiation on the space and the atmosphere of said wall, as well as the thermal losses by convection. , transmission between the converter (1) and the ambient air.
  • the glass wall covered with a TiO 2 ZAg / TiO 2 triple-layer coating reflecting the infrared radiation and transparent to visible radiation allows the solar heating of the converter and considerably limits its cooling by infrared radiation on the space. As a result, the heat output of the device is increased.
  • the solar breather is increased on the converter (1) with an additional layer transparent to solar radiation and etched in Fresnel step (7). ) so as to concentrate the solar flux on the converter (1).
  • the use of other concentrators is possible, for example that of flat, parabolic or cylindroparabolic reflective concentrators or of different shape, combined or not with a Fresnel lens, but these concentrators are often more expensive and more cumbersome.
  • an additional layer of removable thermal insulation (8) manufactured in a material of low thermal conductivity coated on its inner face (11) with a film reflecting the IR radiation. It is removed during the day, in clear weather to ensure the illumination of the converter (1) and consecutively allow its heating above the phase change temperature of the MCP. This has the effect of melting the latent heat storage layer (2). At the same time, part of the heat induced by the absorption of solar radiation at the converter (1) also feeds via transmission via the latent heat storage layer (2) of high thermal conductivity, the hot source of the heat exchanger. heat (3).
  • a multilayer device is generally used as represented in FIG. , comprising a concentrator layer of solar radiation etched Fresnel step transparent to visible radiation and infrared radiation in particular in the "atmospheric window [8 ⁇ m-13 ⁇ m]" (7), and a photovoltaic converter of solar radiation and photothermal radiation of the space and atmosphere (1) consisting of a panel covered with one or more PV cells whose active face (4) is covered with a film transparent to visible radiation and radiating ideally as a black body constituted by way of non-limiting example of a Dupont Tefzel®T 2 film with a thickness of 62 ⁇ m constituting the active face (4) of the converter (1).
  • the concentrating layer of the solar radiation (7) is positioned above the converters so as to concentrate the solar radiation on the active face (4) of the converter (1).
  • the concentrator layer (7) can be made from a sheet of high density polyethylene which is as thin as possible so as to increase its transparency, since the latter decreases as its thickness increases.
  • ambient air can flow freely between the converter and the concentrating layer of solar radiation (7). This favors in certain proportion the heat evacuation by convection and transmission with the ambient air and makes it possible to optimize in the same proportion the concentrated solar flux in order to increase the electric power supplied by the converter (1).
  • the converter (1) is oriented towards the sun so as to optimize its illumination.
  • the latter (1) heats up quickly by absorption of solar radiation to a temperature slightly higher than the phase change temperature MCP contained in the latent heat storage layer (2).
  • the MCP melt at constant temperature. This has the effect of considerably slowing down the heating of the converter (1), because the thermal resistance and the mass of the latent heat storage composite layer (2) make it possible to maintain the temperature of the converter at a level close to the temperature of change of heat. phase of the MCP.
  • part of the heat induced by heating the active face (4) of the converter (1) also feeds via transmission via the latent heat storage composite layer (2) of low thermal resistance, the heat source of the exchanger heat (3).
  • such a device comprises two additional layers:
  • the first is a removable thermal insulation layer (8) which covers the active face of the device when the temperature of the converter (1) is lower than the phase change temperature of the MCP and when the amount of heat removed via the The exchanger is sufficient to solidify the latent heat storage layer (2) alone.
  • This removable thermal insulation layer (8) is covered on its inner face (11) with a film reflecting IR radiation and is made of a material of low thermal conductivity. This has the effect of limiting thermal losses by convection and transmission with ambient air, and by IR radiation to space and to the atmosphere. Subsequently, it allows to reserve a greater part of the heat release materialized by the solidification of the latent heat storage composite layer (2) to the supply of the hot source of the heat exchanger (3).
  • the removable thermal insulation layer (8) is removed during the day to ensure the illumination of the converter and consecutively allow its heating and the production of electrical energy.
  • the second (6) is located under the heat exchanger (3). It consists of a material of low thermal conductivity.
  • this layer (6) may consist of extruded polystyrene 10cm thick covered on its inner side with a film reflecting infrared radiation.

Abstract

The invention concerns a multilayer thermal energy collecting device comprising at least one heat exchanger (3), a composite latent heat storage layer (2) and a photovoltaic or photothermal converter (1). The invention is mainly characterized in that it uses the technique of management of radiative cooling via infrared radiation on space and atmosphere applied to the photothermal conversion of atmospheric and solar radiation and to the photovoltaic conversion of solar radiation, in particular in a clear and dry atmosphere having high clearness and low emissivity in the band of photonic wavelengths ranging between 8μm and 13μm.

Description

La présente invention se rapporte aux dispositifs multicouches collecteurs d'énergie thermique utilisés pour alimenter la source thermique d'un échangeur de chaleur et/ou améliorer la puissance électrique fournie par un générateur photovoltaïque (PV). Elle concerne particulièrement de tels dispositifs qui fonctionnent avec une réserve thermique et qui comprennent au moins un échangeur de chaleur et un convertisseur photonique exploitant un ou plusieurs procédés radiatifs parmi la production de chaleur par absorption du rayonnement solaire, la production d'électricité par conversion photovoltaïque du rayonnement solaire et le refroidissement radiatif par rayonnement infrarouge (IR) sur l'espace. The present invention relates to multilayer thermal energy collecting devices used to supply the heat source of a heat exchanger and / or to improve the electrical power supplied by a photovoltaic generator (PV). It relates particularly to such devices which operate with a heat reserve and which comprise at least one heat exchanger and a photonic converter using one or more radiative processes among the heat production by absorption of solar radiation, the electricity production by photovoltaic conversion. solar radiation and radiative cooling by infrared radiation (IR) on space.
Au sens de la présente invention et des revendications qui s'y rapportent, les expressions suivantes sont définies comme suit :For the purposes of the present invention and the claims relating thereto, the following terms are defined as follows:
L'expression « Rayonnement infrarouge » signifie rayonnement photonique ayant une longueur d'onde supérieure à 0,8μm.The term "infrared radiation" means photon radiation having a wavelength greater than 0.8 μm.
L'expression « Rayonnement visible » signifie rayonnement photonique ayant une longueur d'onde comprise entre 0,4μm et 0,8μm.The expression "visible radiation" means photonic radiation having a wavelength of between 0.4 μm and 0.8 μm.
L'expression « Rayonnement solaire » signifie rayonnement issu du soleil et incluant le visible. L'expression « Rayonnement atmosphérique » signifie rayonnement du ciel incluant le rayonnement infrarouge.The term "solar radiation" means radiation from the sun and including the visible. The term "atmospheric radiation" means radiation from the sky including infrared radiation.
L'expression « fenêtre atmosphérique » signifie bande du rayonnement atmosphérique correspondant aux longueurs d'ondes infrarouges comprises entre 8μm et 13μm. L'émissivité atmosphérique dans cette bande varie en particulier en fonction de la teneur en eau de l'atmosphère et de la nébulosité.The term "atmospheric window" means atmospheric radiation band corresponding to infrared wavelengths between 8 μm and 13 μm. The atmospheric emissivity in this band varies in particular as a function of the water content of the atmosphere and cloudiness.
L'expression « température de l'air ambiant » signifie température sèche de l'air ambiant enregistrée sous abri ventilé.The term "ambient air temperature" means the dry temperature of the ambient air recorded under ventilated shelter.
L'expression « surface spectralement sélective [8μm-13μm] » se réfère à une surface rayonnant idéalement comme un corps noir dans la bande des longueurs d'ondes comprises entre 8μm et 13μm et réfléchissant le rayonnement visible et infrarouge à l'extérieur de cette bande.The expression "spectrally selective surface [8 μm-13 μm]" refers to an ideally radiating surface such as a black body in the wavelength band between 8 μm and 13 μm and reflecting the visible and infrared radiation outside this region. bandaged.
L'expression « convertisseur photothermique du rayonnement deThe expression "photothermal converter of the radiation of
L'atmosphère » signifie convertisseur photothermique utilisant le refroidissement radiatif par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère. L'expression « convertisseur photothermique du rayonnement solaire » signifie convertisseur photothermique utilisant le chauffage radiatif par absorption du rayonnement solaire dans la bande des longueurs d'ondes du rayonnement visible. L'expression « température de fonctionnement actif du convertisseur » se réfère à la température du convertisseur lorsqu'il produit de l'énergie calorifique et qu'il alimente la source chaude d'un échangeur de chaleur ou à la température du convertisseur lorsqu'il produit de l'énergie frigorifique et qu'il alimente la source froide d'un échangeur de chaleur."Atmosphere" means photothermal converter using radiative cooling by infrared radiation on space and atmosphere. The expression "photothermal converter of solar radiation" means photothermal converter using radiative heating by absorption of solar radiation in the wavelength band of visible radiation. The term "active converter operating temperature" refers to the temperature of the converter when it produces heat energy and feeds the heat source of a heat exchanger or the temperature of the converter when produces cooling energy and feeds the heat sink of a heat exchanger.
II est connu d'utiliser le refroidissement radiatif par rayonnement infrarouge sur l'espace pour alimenter la source froide d'un échangeur de chaleur dans un dispositif décrit dans un brevet tel que U. S 3,043,112 Method and means for producing réfrigération by sélective radiation, 10 juillet 1962. Ce dispositif comprend un convertisseur photothermique du rayonnement de l'atmosphère constitué d'un panneau en contact étroit avec un échangeur de chaleur de manière à optimiser les transferts de chaleur par transmission et dont la face active spectralement sélective dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » est séparée d'une lame d'air sec et d'un film transparent au rayonnement infrarouge.It is known to use infrared radiative cooling on the space to supply the heat sink of a heat exchanger in a device described in a patent such as U.S. 3,043,112 Method and means for producing refrigeration by selective radiation, July 10, 1962. This device comprises a photothermal converter of the radiation of the atmosphere consisting of a panel in close contact with a heat exchanger so as to optimize the heat transfer by transmission and whose spectrally selective active face in the "window atmospheric [8μm-13μm] "is separated from a blade of dry air and a film transparent to infrared radiation.
Des comptes-rendus de l'Académie des Sciences, Paris tels que CR. Acad. Sc. Paris, t.256, N°9, 25 février 1963, 2013-2015 (F. TROMBE) ou tel que CR. Acad. Sc. Paris, t.258, 8 juin 1964, 5685-5688 (F. TROMBE, M et Mme LE PHAT VINH) décrivent des expériences dans des dispositifs similaires sur les grands abaissements de température dépassant 36°C en dessous de la température ambiante, obtenus par le rayonnement du corps noir sur l'espace.Reports from the Academy of Sciences, Paris such as CR. Acad. Sc. Paris, t.256, No. 9, February 25, 1963, 2013-2015 (F. TROMBE) or such as CR. Acad. Sc. Paris, t.258, June 8, 1964, 5685-5688 (F. TROMBE, M and Mrs LE PHAT VINH) describe experiments in similar devices on large temperature decreases exceeding 36 ° C below room temperature , obtained by the radiation of the black body on the space.
Il est connu que les performances du refroidissement radiatif par rayonnement infrarouge sur l'espace sont d'autant plus importantes que l'atmosphère présente une grande transparence dans la « fenêtre atmosphérique [8μm- 13μm] ». Il est donc d'usage pour augmenter les performances des convertisseurs photoniques utilisant un tel procédé de refroidissement radiatif, d'implanter ces derniers dans les régions réputées sèches à ciel clair. En effet, ces régions bénéficient d'une atmosphère présentant une grande transparence dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ».It is known that the performance of radiative cooling by infrared radiation on space is all the more important that the atmosphere has a high transparency in the "atmospheric window [8μm-13μm]". It is therefore customary to increase the performance of photonic converters using such a radiative cooling process, to implant these in the known dry regions to clear sky. Indeed, these regions benefit from an atmosphere with a high degree of transparency in the "atmospheric window [8 μm-13 μm]".
Il est connu que la transparence de l'atmosphère dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » diminue lorsque l'angle zénithal augmente, parallèlement son émissivité se rapproche de celle d'un corps noir. Il est donc d'usage, pour optimiser le refroidissement radiatif par rayonnement IR sur l'espace, d'orienter la face active du convertisseur le plus possible vers le zénith ou de dévier la fraction du rayonnement atmosphérique ne provenant pas du zénith en vue de limiter l'échauffement du convertisseur par absorption du rayonnement atmosphérique.It is known that the transparency of the atmosphere in the "atmospheric window [8 μm-13 μm]" decreases as the zenith angle increases, while its emissivity approaches that of a black body. It is therefore customary, to optimize the radiative cooling by IR radiation on the space, to orient the active face of the converter as much as possible towards the zenith or to deflect the fraction of atmospheric radiation not coming from the zenith with a view to limit the heating of the converter by absorption of atmospheric radiation.
Il est connu d'utiliser des convertisseurs photothermiques du rayonnement de l'espace et de l'atmosphère constitués des panneaux dont la face active spectralement sélective rayonne idéalement comme un corps noir dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » et réfléchit idéalement le rayonnement solaire et infrarouge à l'extérieure de cette fenêtre en vue d'alimenter la source froide d'un échangeur de chaleur à une température inférieure à l'air ambiant. Cependant pour de petits abaissements de températures (généralement comprises entre 00C et 100C en dessous de la température ambiante) la puissance rayonnée par un corps noir est supérieure à celle que rayonnerait une surface spectralement sélective telle que décrite ci dessus. Conséquemment, cette solution ne s'avère pas optimisée pour les petits abaissements de températures, car dans ce cas un corps noir offre une puissance frigorifique supérieure à celle d'un corps spectralement sélectif dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ».It is known to use photothermal converters of space and atmosphere radiation consisting of panels whose spectrally selective active surface radiates ideally as a black body in the "atmospheric window [8 μm-13 μm]" and ideally reflects the solar and infrared radiation outside this window to supply the cold source of a heat exchanger at a lower temperature than the ambient air. However, for small temperature decreases (generally between 0 0 C and 10 0 C below ambient temperature) the power radiated by a black body is greater than that radiated by a spectrally selective surface as described above. Consequently, this solution is not optimized for small temperature decreases, because in this case a blackbody offers a cooling capacity greater than that of a spectrally selective body in the "atmospheric window [8μm-13μm]".
Il est connu que les dispositifs multicouches exploitant le refroidissement radiatif sont mis en œuvre selon deux principaux modes de réalisation.It is known that multilayer devices exploiting radiative cooling are implemented according to two main embodiments.
Le premier mode de réalisation concerne les dispositifs dans lesquels le flux de chaleur absorbé par le convertisseur est inférieur au flux de chaleur qu'émettrait le même convertisseur à la température de l'air ambiant, dans ce cas la température du convertisseur est inférieure à l'air ambiant. Dans ce mode de réalisation, il est d'usage de recouvrir le convertisseur d'une couche thermiquement isolante et transparente au rayonnement IR au moins dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » en vue de limiter les apports de chaleur convectifs et transmissifs sur le convertisseur tout en permettant le refroidissement de ce dernier par rayonnement infrarouge dans ia « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ».The first embodiment relates to devices in which the heat flux absorbed by the converter is less than the heat flux that would emit the same converter to the ambient air temperature, in which case the temperature of the converter is less than 'ambiant air. In this embodiment, it is customary to cover the converter with a layer thermally insulating and transparent to IR radiation at least in the "atmospheric window [8μm-13μm]" in order to limit the convective and transmissive heat input on the converter while allowing the latter to be cooled by infrared radiation in the "atmospheric window" [8μm-13μm].
Le deuxième mode de réalisation concerne les dispositifs multicouches dans lesquels le flux de chaleur absorbé par le convertisseur est supérieur au flux de chaleur qu'émettrait le même convertisseur à la température de l'air ambiant, dans ce cas, la température de fonctionnement du convertisseur est supérieure à la température de l'air ambiant. Dans ce mode de réalisation, il est d'usage de ne pas recouvrir la couche transparente d'isolation thermique en vue de favoriser le refroidissement du convertisseur par convection et par transmission avec l'air ambiant.The second embodiment relates to multilayer devices in which the heat flux absorbed by the converter is greater than the heat flux that would emit the same converter at the ambient air temperature, in this case, the operating temperature of the converter. is higher than the ambient air temperature. In this embodiment, it is customary not to cover the transparent thermal insulation layer in order to promote cooling of the converter by convection and transmission with the ambient air.
Les convertisseurs photothermiques du rayonnement atmosphérique ont une température de fonctionnement qui dépend non seulement de la transparence de l'atmosphère dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] », mais aussi de sa température. Cela a pour effet de faire varier continuellement la température du convertisseur car la température de l'atmosphère varie continuellement. Consécutivement, la température de la source froide de l'échangeur thermique varie aussi, car le convertisseur alimente directement cette dernière par transmission thermique. En outre lorsque le ciel est couvert ou que la teneur en eau est importante, les performances du refroidissement radiatif sur l'espace diminuent, car l'émissivité de l'atmosphère dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » augmente quand sa teneur en eau augmente. Dans ce cas, le convertisseur ne peut généralement plus alimenter la source froide de l'échangeur de chaleur en puissance suffisante.Photothermal converters of atmospheric radiation have an operating temperature that depends not only on the transparency of the atmosphere in the "atmospheric window [8μm-13μm]", but also on its temperature. This has the effect of continuously varying the temperature of the converter because the temperature of the atmosphere varies continuously. Subsequently, the temperature of the cold source of the heat exchanger also varies, because the converter directly feeds the latter by thermal transmission. In addition, when the sky is overcast or the water content is high, the performances of the radiative cooling on the space decrease, because the emissivity of the atmosphere in the "atmospheric window [8 μm-13 μm]" increases when its content in water increases. In this case, the converter can no longer supply the heat sink of the heat exchanger with sufficient power.
Il est connu, pour assurer la climatisation des espaces intérieurs de vie ou de travail, implantés dans les régions sèches à ciel clair, d'utiliser un dispositif exploitant le refroidissement radiatif nocturne, le chauffage radiatif par absorption du rayonnement solaire et le stockage en chaleur sensible tel que décrit dans la publication Heating Expériments with Radiative Cooling System du périodique scientifique Building and Environment, Vol 31, No. 6, pp.509- 517 1996 ou. Ce dispositif est particulièrement adapté aux régions qui sont suffisamment chaudes en été pour justifier une climatisation en réfrigération et suffisamment froides en hiver pour justifier une climatisation en chauffage. Il comprend une surface sélective qui rayonne comme un corps noir dans le spectre solaire et IR. Cela a pour effet de chauffer le convertisseur, le jour, par absorption du rayonnement solaire et de refroidir le convertisseur, la nuit, par rayonnement IR vers l'espace et l'atmosphère.It is known, for the air conditioning of indoor living or working spaces, located in the dry areas in clear skies, to use a device exploiting the nocturnal radiative cooling, the radiative heating by absorption of solar radiation and the storage in heat Sensitive as described in the publication Heating Experiments with Radiative Cooling System of the Scientific Periodical Building and Environment, Vol 31, No. 6, pp. 509-517. This device is particularly adapted to regions that are hot enough in summer to justify cooling air conditioning and cold enough in winter to justify heating air conditioning. It includes a selective surface that radiates as a black body in the solar spectrum and IR. This has the effect of heating the converter, day, by absorption of solar radiation and cool the converter at night, by IR radiation to space and atmosphere.
Dans le cas de la climatisation en chauffage, la réserve thermique est chauffée par circulation forcée diurne dans un échangeur de chaleur en contact étroit avec le convertisseur pour favoriser les échanges thermiques par transmission. Elle sert de liquide caloporteur pour chauffer l'espace. Elle permet le lissage de la température de la source chaude, et l'alimentation de cette dernière la nuit ou lorsque le ciel est couvert.In the case of air-conditioning in heating, the heat reserve is heated by diurnal forced circulation in a heat exchanger in close contact with the converter to promote thermal exchange by transmission. It serves as a coolant to heat the space. It allows the smoothing of the temperature of the hot spring, and the feeding of the latter at night or when the sky is overcast.
Dans le cas de la climatisation en réfrigération, la reserve thermique est refroidie par circulation forcée nocturne dans un échangeur de chaleur en contact étroit avec le convertisseur pour favoriser les échanges thermiques par transmission. Elle sert de liquide caloporteur pour refroidir l'espace. Elle permet le lissage de la température de la source froide et l'alimentation de cette dernière le jour ou lorsque le ciel est couvert.In the case of cooling air conditioning, the thermal reserve is cooled by night forced circulation in a heat exchanger in close contact with the converter to promote heat exchange by transmission. It serves as coolant to cool the space. It allows the smoothing of the temperature of the cold source and the feeding of the latter during the day or when the sky is covered.
Cependant la chaleur sensible et la densité d'un liquide sont telles qu'il est d'usage, pour lisser la température de ce dernier et assurer l'alimentation de la source chaude la nuit ou lorsque ciel est couvert, ou pour assurer l'alimentation de la source froide le jour ou lorsque le ciel est couvert, d'utiliser des capacités thermiques nécessairement volumineuses qui demandent en outre beaucoup d'énergie pour leur brassage.However, the sensible heat and the density of a liquid are such that it is used, to smooth the temperature of the latter and ensure the supply of the hot spring at night or when the sky is covered, or to ensure the feeding the cold source during the day or when the sky is overcast, to use necessarily large thermal capacities which also require a lot of energy for their brewing.
Il est connu pour alimenter la source chaude d'un échangeur thermique d'utiliser un dispositif multicouche exploitant le chauffage radiatif par absorption du rayonnement solaire. Ce dispositif comprend un échangeur de chaleur et un convertisseur photothermique du rayonnement solaire constitué d'un panneau dont la face active réfléchit idéalement le rayonnement infrarouge et possède un facteur d'émission qui se rapproche de celui d'un corps noir dans le visible. Le panneau est orienté vers le soleil pour optimiser le flux d'énergie solaire incident et favoriser ainsi l'échauffement du convertisseur, car les effets du rayonnement solaire incident provoquent un échauffement du convertisseur d'autant plus important que le flux solaire incident est grand. Ce panneau est en contact étroit avec un échangeur thermique pour optimiser le flux chaleur par transmission et assurer ainsi l'alimentation de la source chaude de l'échangeur de chaleur. Les convertisseurs photothermiques, gardant ces propriétés spectrales à des températures telles que 8000K, sont rares et chers.It is known to supply the heat source of a heat exchanger to use a multilayer device exploiting the radiative heating by absorption of solar radiation. This device comprises a heat exchanger and a photothermal converter of solar radiation consisting of a panel whose active face ideally reflects infrared radiation and has an emission factor that is close to that of a black body in the visible. The panel is oriented towards the sun to optimize the incident solar energy flow and thus promote the heating of the converter, because the effects of incident solar radiation cause a heating of the converter all the more important that the incident solar flux is large. This panel is in close contact with a heat exchanger to optimize the heat flow by transmission and thus ensure the supply of the heat source of the heat exchanger. The photothermal converters, keeping these spectral properties at temperatures such as 800 0 K, are rare and expensive.
II est connu que les convertisseurs photothermiques du rayonnement solaire ont une température de fonctionnement qui dépend de l'éclairement solaire incident et de la température de l'air ambiant. Cela a pour effet de faire varier continuellement la température du convertisseur, car l'éclairement solaire incident, la température de l'air ambiant varient continuellement. Consécutivement la température de la source chaude de l'échangeur de chaleur varie aussi car le convertisseur est en contact étroit avec l'échangeur de chaleur. En outre, la nuit ou par temps couvert, les performances de la conversion photothermique du rayonnement solaire sont respectivement nulles ou bien très affaiblies, car l'éclairement solaire direct est nul la nuit et très faible par temps couvert. Dans ce cas, le convertisseur ne peut généralement plus alimenter la source chaude de l'échangeur de chaleur en puissance suffisante.It is known that photothermal converters of solar radiation have an operating temperature which depends on the incident solar irradiance and the ambient air temperature. This has the effect of continuously varying the temperature of the converter, because the incident solar illumination, the ambient air temperature continuously vary. Subsequently the temperature of the heat source of the heat exchanger also varies because the converter is in close contact with the heat exchanger. In addition, at night or on cloudy days, the photothermal conversion performance of the solar radiation is respectively zero or very weak because the direct solar irradiance is zero at night and very low in overcast conditions. In this case, the converter can no longer supply the heat source of the heat exchanger with sufficient power.
Pour pallier ces inconvénients, le brevet US 2005/0061312 (Szymocha), 24 mars 2005 décrit un dispositif multicouche comprenant une couche de stockage en chaleur latente, une couche transparente, un convertisseur photothermique du rayonnement solaire séparé de la couche transparente par une couche d'air. Cette solution permet, grâce à la couche de stockage en chaleur latente, le lissage de la température de la source chaude, et l'alimentation de cette dernière, la nuit ou lorsque le ciel est couvert. En outre la couche d'air permet d'isoler le dispositif des déperditions thermiques par convection transmission avec l'air ambiant. Cependant les déperditions thermiques par rayonnement infrarouge sur l'espace via le convertisseur ou la couche transparente restent très importantes, notamment dans une atmosphère faiblement émissive ou possédant une faible température de radiation.To overcome these disadvantages, US Patent 2005/0061312 (Szymocha), March 24, 2005 discloses a multilayer device comprising a latent heat storage layer, a transparent layer, a photothermal converter of solar radiation separated from the transparent layer by a layer of 'air. This solution allows, thanks to the latent heat storage layer, the smoothing of the temperature of the hot source, and the supply of the latter, at night or when the sky is covered. In addition, the air layer makes it possible to isolate the device from heat losses by convection transmission with the ambient air. However, the thermal losses by infrared radiation on the space via the converter or the transparent layer remain very important, especially in a weakly emissive atmosphere or having a low radiation temperature.
En outre il est d'intérêt d'installer ces dispositifs dans des zones claires et sèches correspondant par exemple au zones désertiques, semi désertiques ou d'altitude pour optimiser le rayonnement solaire incident et donc l'échauffement du convertisseur, car le gisement solaire dépend de la teneur en eau et de la nébulosité de l'atmosphère.In addition it is of interest to install these devices in clear and dry areas corresponding for example to the desert, semi desert or altitude to optimize the incident solar radiation and therefore the heating of the converter, because the solar field depends the water content and cloudiness of the atmosphere.
Cependant, l'augmentation du gisement solaire par le choix de la zone d'implantation de ces dispositifs, s'accompagne d'une diminution de l'émissivité de l'atmosphère, particulièrement dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] », car l'émissivité de l'atmosphère diminue lorsque sa teneur en eau ou sa nébulosité augmente et d'une diminution de la température de radiation de l'atmosphère notamment la nuit, consécutivement les pertes de chaleur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère sont plus importantes, ce qui contrebalance le choix d'une implantation dans une zone où le gisement solaire est très important.However, the increase of the solar field by the choice of the zone of implantation of these devices, is accompanied by a decrease of the emissivity of the atmosphere, particularly in the "atmospheric window [8μm-13μm]", because the emissivity of the atmosphere decreases when its water content or cloudiness increases and a decrease in the radiation temperature of the atmosphere especially at night, consecutively the heat losses by infrared radiation on the space and the atmosphere are more important, which counterbalances the choice of an establishment in an area where the solar field is very important.
Il est connu, pour augmenter la puissance électrique d'un générateur PV d'utiliser un dispositif de protection contre réchauffement car les performances d'une cellule se dégradent lorsque sa température de fonctionnement augmente.It is known to increase the electrical power of a PV generator to use a device for protection against heating because the performance of a cell degrade when its operating temperature increases.
Le brevet EP-A-I 162 659 (MERCK PATENT GMBH) 12 décembre 2001 décrit une réserve thermique en chaleur latente de grande conductivité thermique, utilisée pour le (dé)stockage de chaleur à température constante dans le domaine de la protection contre l'échauffement des dispositifs à semi conducteur telles que les cellules PV. Le brevet JP 11 108467 (NOMOTO SO) 7 octobre 1997 décrit un générateur PV utilisant un dispositif multicouche d'évacuation de chaleur comprenant un échangeur de chaleur de type convectif et une réserve thermique composite en chaleur latente.EP-A-1 162 659 (MERCK PATENT GMBH) 12 December 2001 describes a thermal reserve in latent heat of high thermal conductivity, used for the (de) storage of heat at constant temperature in the field of protection against heating of semiconductor devices such as PV cells. JP 11 108467 (NOMOTO SO) October 7, 1997 discloses a PV generator using a multilayer heat removal device comprising a convective type heat exchanger and a latent heat composite heat reserve.
Les panneaux PV sont des organes coûteux et fragiles, en outre le flux solaire direct ne les amène nullement à saturation en ce qui concerne la conversion photovoltaïque. Il est donc d'usage, pour augmenter la puissance électrique d'un panneau photovoltaïque de dimension donnée, de concentrer la lumière solaire sur la face active des cellules qui le recouvrent. Les effets du flux solaire provenant du concentrateur sont les mêmes que ceux du flux solaire direct et entraînent donc un échauffement supplémentaire du panneau solaire d'autant plus grand que la concentration est plus grande et, consécutivement, une baisse du rendement photovoltaïque, car les performances d'une cellule se dégradent lorsque sa température de fonctionnement augmente. Ce phénomène contrebalance donc l'effet de l'utilisation d'un concentrateur. Le brevet US-3 999 283 (DEAN ET AL) 28 décembre 1976, décrit un générateur PV à concentration comprenant un dispositif d'évacuation de la chaleur tel qu'un échangeur de chaleur à ailettes de refroidissement convectif. Le brevet US 5,498,297 (O'NEILL et AL) 12 Mars 1996, décrit un dispositif similaire dans lequel la cellule PV est encapsulée et fixée à l'échangeur à ailette de refroidissement par un film Tefzel adhésif notamment résistant, étanche et transparent.PV panels are expensive and fragile, and the direct solar flux does not bring them to saturation with regard to photovoltaic conversion. It is therefore customary, to increase the electrical power of a photovoltaic panel of a given size, to concentrate the light solar on the active side of the cells that cover it. The effects of the solar flux coming from the concentrator are the same as those of the direct solar flux and therefore lead to an additional heating of the solar panel, the greater the higher the concentration and, consequently, a decrease in the photovoltaic efficiency, because the performances of a cell degrade when its operating temperature increases. This counterbalances the effect of using a concentrator. U.S. Patent No. 3,999,283 (DEAN ET AL), December 28, 1976, discloses a concentrator PV generator comprising a heat-removal device such as a convective cooling fin heat exchanger. US Patent 5,498,297 (O'NEILL et al.) Mar. 12, 1996, discloses a similar device in which the PV cell is encapsulated and attached to the cooling fin exchanger by a particularly strong, waterproof and transparent Tefzel adhesive film.
Le gisement solaire dépend de la teneur en eau et de la nébulosité de l'atmosphère. Il est donc préférable d'installer ces dispositifs dans des zones claires et sèches correspondant par exemple aux zones désertiques, semi désertiques ou d'altitude pour optimiser le rayonnement solaire incident et donc la production d'énergie électrique et/ou calorifique du convertisseur, car cette dernière dépend du rayonnement solaire incident.The solar deposit depends on the water content and cloudiness of the atmosphere. It is therefore preferable to install these devices in clear and dry areas corresponding for example to the desert, semi-desert or altitude zones to optimize the incident solar radiation and thus the production of electrical energy and / or heat of the converter, because the latter depends on the incident solar radiation.
En outre, l'augmentation du gisement solaire par le choix de la zone d'implantation de ces dispositifs s'accompagne d'une diminution de l'émissivité de l'atmosphère car l'émissivité de cette dernière diminue lorsque sa teneur en eau ou sa nébulosité augmente. Consécutivement il est dommageable que ces dispositifs ne soit pas conçus en vue d'optimiser le refroidissement diurne du convertisseur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère lorsque le dispositif produit de l'énergie électrique et de limiter par exemple les déperditions thermiques nocturne par rayonnement infrarouge sur l'atmosphère et l'espace lorsque le dispositif alimente aussi la source chaude d'un échangeur de chaleur la nuit.In addition, the increase of the solar field by the choice of the implantation zone of these devices is accompanied by a reduction of the emissivity of the atmosphere because the emissivity of the latter decreases when its water content or its cloudiness increases. Consequently, it is harmful that these devices are not designed to optimize the diurnal cooling of the converter by infrared radiation on the space and the atmosphere when the device produces electrical energy and limit for example night heat losses. by infrared radiation on the atmosphere and space when the device also feeds the hot source of a heat exchanger at night.
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention propose un dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique comprenant au moins un échangeur de chaleur (3), une couche composite de stockage en chaleur latente (2), constituée de graphite naturel expansé (GNE) compressé et imprégné d'un matériau à changement de phase (MCP), et un convertisseur photovoltaïque ou photothermique (1), caractérisé en ce que le dispositif utilise une technique de gestion du refroidissement radiatif par rayonnement infrarouge appliquée à la conversion photothermique du rayonnement atmosphérique, solaire et à la conversion photovoltaïque du rayonnement solaire dans une atmosphère claire et sèche présentant une grande transparence et une faible émissivité dans la « fenêtre atmosphérique [8μm- 13μm] ».To overcome these drawbacks, the present invention proposes a multilayer thermal energy collector device comprising at least one heat exchanger (3), a composite heat storage layer. latent material (2), consisting of expanded natural graphite (GNE) compressed and impregnated with a phase change material (PCM), and a photovoltaic or photothermal converter (1), characterized in that the device uses a technique for managing the radiative cooling by infrared radiation applied to the photothermal conversion of atmospheric, solar radiation and photovoltaic conversion of solar radiation in a clear and dry atmosphere with high transparency and low emissivity in the "atmospheric window [8μm-13μm]".
Selon une autre caractéristique, le dispositif fonctionne à une température proche de la température de changement de phase du MCP et comprise entre 2500K et 8000K.According to another characteristic, the device operates at a temperature close to the phase change temperature of the MCP and between 250 0 K and 800 0 K.
Selon une autre caractéristique le dispositif fonctionne dans un cycle à deux temps, un temps d'évacuation de chaleur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère et/ou par convection - transmission avec l'air ambiant, matérialisé par la solidification à température constante du MCP, un temps d'absorption de chaleur par absorption du rayonnement solaire, atmosphérique et/ou par convection - transmission avec l'air ambiant, matérialisé par la fusion à température constante du MCP.According to another characteristic, the device operates in a two-cycle cycle, a time of evacuation of heat by infrared radiation on the space and the atmosphere and / or convection - transmission with the ambient air, materialized by the solidification to constant MCP temperature, a time of absorption of heat by absorption of solar radiation, atmospheric and / or by convection - transmission with the ambient air, materialized by the constant temperature melting of the MCP.
Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte au moins une couche supplémentaire constituant la face active (4) du convertisseur (1) rayonnant idéalement comme un corps noir dans la « fenêtre atmosphérique [8μm- 13μm] » vers le zénith ou dans un angle zénithal compris entre 0° et 30° lorsqu'il est utilisé pour alimenter la source froide de l'échangeur de chaleur (2) ou pour augmenter la puissance électrique fournie par un générateur PV.According to another characteristic, the device comprises at least one additional layer constituting the active face (4) of the converter (1) radiating ideally as a black body in the "atmospheric window [8μm-13μm]" towards the zenith or in a zenith angle between 0 ° and 30 ° when used to supply the cold source of the heat exchanger (2) or to increase the electric power supplied by a PV generator.
Selon une autre caractéristique, la face active (4) du convertisseur (1) est une surface spectralement sélective dans la « fenêtre atmosphérique [8μm- 13μm] » lorsque le dispositif est utilisé pour alimenter la source froide de l'échangeur de chaleur si, pour une dimension donnée et une température de fonctionnement actif identiques du convertisseur (1), une telle face active (4) rayonne plus d'énergie qu'une face active (4) qui rayonnerait comme un corps noir sur tout le spectre infrarouge et réfléchirait le visible. A titre d'exemple non limitatif le convertisseur est un panneau métallique réfléchissant le rayonnement visible et infrarouge tel qu'un panneau d'aluminium poli recouvert d'une couche spectralement sélective dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » tel qu'un revêtement de monoxyde de silicium (SIO) en épaisseur de lμm, tel qu'un revêtement de monoxyde de magnésium (MGO) en épaisseur de 1,1mm, tel qu'un revêtement de fluorure de lithium (LiF) en épaisseur de 0,54mm ou tel qu'un film de polyvinylfluorure (PVF Tedlar) en épaisseur de 125μm. Les publications des périodiques scientifiques Applied Optics, Vol.23, No.3, 370-372 (P. BERDAHL), 1 février 198 ; Thin Solid Film, 90 (1982) 187-190 (CG. GRANQVIST, A.HJORTSBERG AND T.S. ERIKSSON) ; J. Appl. PHYs. 52 (6), June 1981, Radiative cooling to low températures : General considération and application to selectively emitting SIO films 190 (CG. GRANQVIST, A.HJORTSBERG) décrivent des techniques de mise en œuvre et d'optimisation de l'épaisseur de couches fines sur des substrats métalliques en vue d'obtenir une surface spectralement sélective dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ».According to another characteristic, the active face (4) of the converter (1) is a spectrally selective surface in the "atmospheric window [8μm-13μm]" when the device is used to feed the cold source of the heat exchanger if, for a given dimension and an identical active operating temperature of the converter (1), such an active face (4) radiates more energy than an active face (4) that radiates like a black body over the entire infrared spectrum and reflects the visible. By way of nonlimiting example, the converter is a metallic panel reflecting visible and infrared radiation such as a polished aluminum panel covered with a spectrally selective layer in the "atmospheric window [8 μm-13 μm]" such that a Silicon monoxide (SIO) coating in lμm thickness, such as a magnesium monoxide (MGO) coating with a thickness of 1.1 mm, such as a 0.54 mm thick layer of lithium fluoride (LiF) or such as a polyvinylfluoride film (PVF Tedlar) in thickness of 125 .mu.m. The publications of scientific periodicals Applied Optics, Vol.23, No.3, 370-372 (P. BERDAHL), February 1, 198; Thin Solid Film, 90 (1982) 187-190 (CG GRANQVIST, A. HJORTSBERG AND TS ERIKSSON); J. Appl. PHYs. 52 (6), June 1981, Radiative Cooling to Low Temperatures: General Consideration and Application to Selectively Emitting SIO films 190 (CG GRANQVIST, A. HJORTSBERG) describe techniques for implementing and optimizing the thickness of layers. thin on metal substrates to obtain a spectrally selective surface in the "atmospheric window [8μm-13μm]".
Selon une autre caractéristique, la face active (4) du convertisseur (1) rayonne idéalement comme un corps noir sur tout le spectre infrarouge et réfléchit le visible en vue de produire du froid (3) si, pour une dimension donnée et une température de fonctionnement actif identiques du convertisseur (1), une telle face active (4) rayonne plus d'énergie qu'une face active (4) qui serait spectralement sélective dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ».According to another characteristic, the active face (4) of the converter (1) radiates ideally as a black body over the entire infrared spectrum and reflects the visible to produce cold (3) if, for a given dimension and a temperature of identical active operation of the converter (1), such an active face (4) radiates more energy than an active face (4) which would be spectrally selective in the "atmospheric window [8μm-13μm]".
A titre d'exemple non limitatif le convertisseur (1) est un panneau métallique réfléchissant le rayonnement visible et infrarouge tel qu'un panneau d'aluminium poli recouvert d'une couche très émissive du rayonnement infrarouge tel qu'une couche d'alumine (AL2O3) en épaisseur de lOμm ou 15μm ou d'une couche de peinture blanche riche en dioxyde de titane (TiO2).By way of nonlimiting example, the converter (1) is a metal panel reflecting visible and infrared radiation such as a polished aluminum panel covered with a highly emissive layer of infrared radiation such as a layer of alumina ( AL 2 O 3 ) in a thickness of 10 μm or 15 μm or a layer of white paint rich in titanium dioxide (TiO 2 ).
Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte une couche concentratrice du rayonnement solaire transparente au rayonnement visible et au rayonnement infrarouge gravée en échelon de Fresnel (7) disposée au dessus du convertisseur pour concentrer le rayonnement solaire incident sur ce dernier, la transparence de la couche concentratrice (7) au rayonnement infrarouge permettant au convertisseur de rayonner librement vers l'espace par rayonnement infrarouge une grande partie de la chaleur induite par l'absorption du rayonnement solaire. Dans ce cas le convertisseur (1) est constitué d'une ou plusieurs cellule PV dont la face active (4) est recouverte d'un film transparent au rayonnement solaire qui rayonne idéalement comme un corps noir dans le spectre infrarouge. A titre d'exemple non limitatif, le convertisseur (1) est recouvert d'un film Dupont Teflon® FEP, Dupont Teflon® TPFE ou Dupont Tefzel®T2 en épaisseur de 62μm.According to another characteristic, the device comprises a concentrator layer of solar radiation transparent to visible radiation and to infrared radiation engraved in Fresnel step (7) disposed at above the converter to concentrate the incident solar radiation on the latter, the transparency of the concentrator layer (7) infrared radiation allowing the converter to radiate freely to the space by infrared radiation much of the heat induced by the absorption of solar radiation. In this case the converter (1) consists of one or more PV cells whose active face (4) is covered with a film transparent to solar radiation which radiates ideally as a black body in the infrared spectrum. By way of non-limiting example, the converter (1) is covered with a Dupont Teflon® FEP, Dupont Teflon® TPFE or Dupont Tefzel®T 2 film in a thickness of 62 μm.
Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte une couche supplémentaire (5) de grande résistance thermique recouvrant la face active du convertisseur (1), transparente au rayonnement infrarouge dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » pour réduire les apports de chaleur par transmission - convection avec l'air extérieur et favoriser l'évacuation de chaleur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère, lorsque la température de fonctionnement actif du convertisseur est inférieure à l'air ambiant et lorsque le dispositif alimente la source froide de l'échangeur de chaleur. Une telle couche (5) est constituée à titre d'exemple non limitatif d'une ou de plusieurs lames d'air sec en épaisseur de 19 mm, séparées par des parois (10) de polyéthylène basse densité en épaisseur généralement comprise entre 50 et 200μm ou par des parois de verre de chalcogénure, dans ce cas pour obtenir des températures plus basses et optimisé la puissance froid utile, la lame d'air sec peut être remplacée par du vide, excellent isolant thermique.According to another feature, the device comprises an additional layer (5) of high thermal resistance covering the active face of the converter (1), transparent to infrared radiation in the "atmospheric window [8μm-13μm]" to reduce the heat input by transmission - convection with the outside air and favor the evacuation of heat by infrared radiation on the space and the atmosphere, when the active operating temperature of the converter is lower than the ambient air and when the device supplies the cold source of the heat exchanger. Such a layer (5) is constituted by way of non-limiting example of one or more blades of dry air with a thickness of 19 mm, separated by walls (10) of low density polyethylene in a thickness generally between 50 and 200μm or by chalcogenide glass walls, in this case to obtain lower temperatures and optimized the useful cold power, the dry air blade can be replaced by vacuum, excellent thermal insulation.
Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte une couche supplémentaire (5) de grande résistance thermique recouvrant la face active du convertisseur (1) réfléchissant le rayonnement infrarouge et transmettant le rayonnement solaire pour réduire les déperditions thermiques par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère et par transmission- convection avec l'air extérieur et permettre le chauffage du convertisseur par absorption du rayonnement solaire lorsque le dispositif alimente la source chaude de l'échangeur de chaleur (3) à une température supérieure à l'air ambiant, constituée d'une ou de plusieurs lames d'air sec en épaisseur de 19 mm ou de vide en même épaisseur séparées par des parois (10) de verre transparent au rayonnement solaire, l'une de ces parois (10) au moins, étant recouverte à titre d'exemple non limitatif d'un revêtement triple couche de type TiO2/Ag/TiO2 où chacune des couches présente une épaisseur de 18nm. De telles parois multicouches et leur procédé de fabrication associé sont décrites dans le brevet US 4,822,120 (FAN ETAL) 18 avril 1989.According to another characteristic, the device comprises an additional layer (5) of high thermal resistance covering the active face of the converter (1) reflecting the infrared radiation and transmitting the solar radiation to reduce the thermal losses by infrared radiation on space and space. and by convection-transmission with the outside air and allow the heating of the converter by absorption of solar radiation when the device supplies the hot source of the heat exchanger (3) at a temperature higher than the air ambient, consisting of one or more blades of dry air of thickness 19 mm or vacuum of the same thickness separated by walls (10) of glass transparent to solar radiation, one of these walls (10) at least , being covered by way of nonlimiting example of a TiO2 / Ag / TiO2 triple layer coating in which each of the layers has a thickness of 18 nm. Such multilayer walls and their associated manufacturing method are described in US Patent 4,822,120 (FAN ETAL) April 18, 1989.
Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte une couche supplémentaire d'isolation thermique amovible (8) constituée dans un matériau de faible conductivité thermique recouverte sur sa face extérieure (12) d'un film réfléchissant le rayonnement visible et infrarouge. Cette couche (8) est disposée sur le dispositif lorsque la température de fonctionnement du convertisseur (1) devient supérieure à Ia température de changement de phase du MCP pour réduire les apports de chaleur par absorption du rayonnement atmosphérique et/ou solaire et réserver la plus grande partie de la chaleur latente de fusion du MCP à l'alimentation de la source froide de l'échangeur de chaleur (3) lorsque le dispositif alimente la source froide de l'échangeur de chaleur (3). La couche (8) est retirée lorsqu'une surface spectralement identique à la face active (4) du convertisseur (1) rayonnant dans les mêmes conditions que le convertisseur (1) et dans un dispositif identique ne comportant pas la couche d'isolation thermique amovible (8) atteint une température inférieure à la température de changement de phase du MCP.According to another characteristic, the device comprises an additional layer of removable thermal insulation (8) made of a low thermal conductivity material covered on its outer face (12) with a film reflecting the visible and infrared radiation. This layer (8) is arranged on the device when the operating temperature of the converter (1) becomes greater than the phase change temperature of the MCP to reduce the heat input by absorption of the atmospheric and / or solar radiation and to reserve the most much of the latent heat of fusion of the MCP to the supply of the cold source of the heat exchanger (3) when the device supplies the cold source of the heat exchanger (3). The layer (8) is removed when a spectrally identical surface to the active face (4) of the converter (1) radiating under the same conditions as the converter (1) and in an identical device not comprising the thermal insulation layer removable (8) reaches a temperature lower than the phase change temperature of the MCP.
Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte une couche supplémentaire d'isolation thermique amovible (8) constituée dans un matériau de faible conductivité thermique recouverte sur sa face intérieure (11) d'un film réfléchissant le rayonnement infrarouge. Cette couche est disposée sur le dispositif lorsque la température de fonctionnement du convertisseur (1) devient inférieure à la température de changement de phase du MCP pour réduire les déperditions thermiques via le convertisseur (1) par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère et réserver la plus grande partie de la chaleur latente de solidification du MCP à l'alimentation de la source chaude de l'échangeur de chaleur (3) lorsque le dispositif alimente la source chaude de l'échangeur de chaleur (3). La couche (8) est retirée lorsqu'une surface spectralement identique à la face active (4) du convertisseur (1) rayonnant dans les mêmes conditions que le convertisseur (1) et dans un dispositif identique ne comportant pas la couche d'isolation amovible (8) atteint une température supérieure à la température de changement de phase du MCP.According to another characteristic, the device comprises an additional layer of removable thermal insulation (8) made of a low thermal conductivity material covered on its inner face (11) with a film reflecting the infrared radiation. This layer is disposed on the device when the operating temperature of the converter (1) becomes lower than the phase change temperature of the MCP to reduce thermal losses via the converter (1) by infrared radiation on the space and the atmosphere and reserving most of the latent heat of solidification of the MCP to the supply of the heat source of the heat exchanger (3) when the device feeds the hot source of the heat exchanger (3). The layer (8) is removed when a spectrally identical surface to the active face (4) of the converter (1) radiating under the same conditions as the converter (1) and in an identical device not comprising the removable insulation layer (8) reaches a temperature above the phase change temperature of the MCP.
Selon une autre caractéristique, la température de changement de phase du MCP est supérieure la température de fonctionnement actif du convertisseur (1) pour permettre sa solidification lorsque le dispositif alimente la source froide de I' échangeur de chaleur (2).According to another characteristic, the phase change temperature of the MCP is greater than the active operating temperature of the converter (1) to allow it to solidify when the device supplies the cold source of the heat exchanger (2).
Selon une autre caractéristique, la température de changement de phase du MCP est inférieure à la température de fonctionnement actif du convertisseur (1) pour permettre sa fusion lorsque le dispositif alimente la source chaude de l'échangeur de chaleur (3).According to another characteristic, the phase change temperature of the MCP is lower than the active operating temperature of the converter (1) to allow its melting when the device supplies the heat source of the heat exchanger (3).
Selon une autre caractéristique, la couche de stockage en chaleur latente (2) est un composite de grande conductivité thermique et de haute densité énergétique placé en contact étroit avec le convertisseur (1) et l'échangeur de chaleur (3) pour favoriser les échanges de chaleur par transmission et en ce que sa résistance thermique et sa masse lui permettent de maintenir la température du convertisseur (1) et de l'échangeur de chaleur (3) à un niveau proche de la température de changement de phase du MCP.According to another characteristic, the latent heat storage layer (2) is a composite of high thermal conductivity and high energy density placed in close contact with the converter (1) and the heat exchanger (3) to promote exchanges by heat transmission and in that its thermal resistance and its mass allow it to maintain the temperature of the converter (1) and the heat exchanger (3) at a level close to the phase change temperature of the MCP.
À titre d'exemple non limitatif, la couche composite de stockage en chaleur latente (2) est réalisée avec du graphite naturel expansé (GNE) compressé à 150Kg/m3 et imprégné d'un matériau à changement de phase tel qu'un alcane ou un mélange d'alcanes et possède une densité énergétique de l'ordre de 150KJ/Kg et une conductivité thermique de l'ordre de 25W/m.K dans une direction de l'espace. Le convertisseur photonique (1) et l'échangeur de chaleur (3) sont alors positionnés perpendiculairement à son axe de plus grande conductivité thermique pour favoriser les échanges de chaleur par transmission. Au regard des autres capacités thermiques connues dans l'art et de même conductivité thermique, elle présente, outre une plus grande densité énergétique, une mise en œuvre plus simple. Ces avantages, et notamment sa grande conductivité thermique associée à sa haute densité énergétique et à un large éventail de choix de matériaux à changement de phase, permettent la mise en œuvre dans une gamme importante de températures, de systèmes de stockage thermique fixes, simples, adaptables, efficaces, et peu volumineux en comparaison des autres systèmes de stockage en chaleur sensible ou latente. Le brevet EP-A-I 162 659 (MERCK PATENT GMBH) 12 décembre 2001 et la publication du périodique scientifique International Journal of Heath and Mass Transfer 44(2001) 2727-2737 (X.PY) décrivent des techniques de mise en œuvre de la matrice GNE à des taux de compression différents imprégnée de différents types de MCP.By way of nonlimiting example, the latent heat storage composite layer (2) is made with expanded natural graphite (GNE) compressed to 150 kg / m 3 and impregnated with a phase change material such as an alkane or a mixture of alkanes and has an energy density of the order of 150KJ / Kg and a thermal conductivity of the order of 25W / mK in a direction of space. The photonic converter (1) and the heat exchanger (3) are then positioned perpendicular to its axis of greater thermal conductivity to promote heat exchange by transmission. With regard to the other thermal capacities known in the art and of the same thermal conductivity, it has, in addition to greater density energy efficiency, a simpler implementation. These advantages, and in particular its high thermal conductivity associated with its high energy density and a wide range of choice of phase change materials, allow the implementation in a wide range of temperatures, simple fixed thermal storage systems, adaptable, efficient, and bulky compared to other sensitive or latent heat storage systems. EP-AI 162 659 (MERCK PATENT GMBH) 12 December 2001 and the publication of the scientific journal International Journal of Heath and Mass Transfer 44 (2001) 2727-2737 (X.PY) describe techniques for implementing the matrix. GNE at different compression rates impregnated with different types of MCP.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d "exemple non limitatif au regard des figures annexées qui représentent selon l'invention:Other features and advantages of the invention will become clear in the following description given by way of non-limiting example with reference to the appended figures which represent according to the invention:
- La figure 1, une vue, une vue en coupe, d'un dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique utilisé pour alimenter la source froide d'un échangeur de chaleur tubulaire à ailettes et à circulation d'eau forcée dans le cas où la température de fonctionnement actif du convertisseur est inférieure à la température de l'air ambiant.- Figure 1 is a view, a sectional view, of a multilayer thermal energy collector device used to supply the cold source of a finned tubular heat exchanger and forced water circulation in the case where the Active operating temperature of the converter is lower than the ambient air temperature.
- La figure 2, une vue, dans les mêmes conditions, d'un dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique utilisé : a) Soit pour alimenter de manière non simultanée la source froide et la source chaude d'un échangeur de chaleur tubulaire à ailettes à circulation d'eau forcée, b) Soit pour alimenter la source froide d'un échangeur de chaleur tubulaire à ailettes et à circulation d'eau forcée dans le cas où la température de fonctionnement actif du convertisseur est supérieure à la température de l'air ambiant. - La figure 3, une vue dans les mêmes conditions d'un dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique utilisé pour alimenter la source chaude d'un échangeur de chaleur tubulaire à ailettes et à circulation d'eau forcée.FIG. 2, a view, under the same conditions, of a multilayer thermal energy collector device used: a) To non-simultaneously supply the cold source and the hot source of a finned tubular heat exchanger (b) Either to supply the cold source of a finned and forced-flow tubular heat exchanger in the case where the active operating temperature of the converter is greater than the temperature of the ambiant air. - Figure 3, a view in the same conditions of a multilayer thermal energy collector device used to supply the hot source of a finned tubular heat exchanger and forced water circulation.
- La figure 4, une vue, dans les mêmes conditions, d'un dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique utilisé pour améliorer la puissance électrique fournie par un générateur PV et alimenter la source chaude d'un échangeur de chaleur tubulaire à ailettes et à circulation d'eau forcée.FIG. 4, a view, under the same conditions, of a multilayer thermal energy collector device used to improve the electric power supplied by a PV generator and supplying the hot source of a finned tubular heat exchanger with forced water circulation.
La présente invention consiste donc à disposer la couche composite de stockage en chaleur latente (2) en contact étroit avec le convertisseur (1) et l'échangeur de chaleur (3) de manière à favoriser les échanges thermiques par transmission. Lorsque le dispositif est uniquement utilisé pour alimenter la source froide d'un échangeur thermique (3) et que la température de fonctionnement actif du convertisseur (1) est supérieure à la température de l'air ambiant, on utilise généralement un dispositif multicouche tel que représenté en figure 1, comprenant un convertisseur photothermique du rayonnement de l'atmosphère spectralement sélectif dans la « fenêtre atmosphérique [8μm- 13μm] » constitué à titre d'exemple non limitatif d'un panneau d'aluminium poli recouvert d'une couche de monoxyde de silicium (SIO) en épaisseur de lμm constituant la face active (4) du convertisseur (1). Cela à pour effet de réduire les apports de chaleur par absorption du rayonnement atmosphérique et solaire et de favoriser le refroidissement radiatif du convertisseur dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » en dessous de la température ambiante.The present invention therefore consists in arranging the latent heat storage composite layer (2) in close contact with the converter (1) and the heat exchanger (3) so as to promote thermal exchange by transmission. When the device is only used to supply the heat sink of a heat exchanger (3) and the active operating temperature of the converter (1) is greater than the ambient air temperature, a multilayer device such as represented in FIG. 1, comprising a photothermal converter of the radiation of the spectrally selective atmosphere in the "atmospheric window [8 μm-13 μm]" constituted by way of non-limiting example of a polished aluminum panel covered with a layer of silicon monoxide (SIO) in lμm thickness constituting the active face (4) of the converter (1). This has the effect of reducing the heat input by absorption of atmospheric and solar radiation and to promote the radiative cooling of the converter in the "atmospheric window [8μm-13μm]" below the ambient temperature.
Un tel dispositif comprend en outre deux couches d'isolation thermique supplémentaires :Such a device further comprises two additional thermal insulation layers:
- La première (5) recouvre le convertisseur (X). Elle est transparente au rayonnement IR au moins dans la «fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ».- The first (5) covers the converter (X). It is transparent to IR radiation at least in the "atmospheric window [8μm-13μm]".
Elle est constituée de deux lames d'air sec (9) d'une épaisseur de 19 mm séparées par des parois de polyéthylène basse densité en épaisseur de 30μm (10) transparentes à la lumière IR.It consists of two blades of dry air (9) with a thickness of 19 mm separated by walls of low density polyethylene 30μm thick (10) transparent to IR light.
- La seconde (6), située sous l'échangeur de chaleur est constituée d'un matériau de faible conductivité thermique tel que du polystyrène extrudé en épaisseur de 10cm recouvert sur sa face extérieure (13) d'un film réfléchissant le rayonnement visible et infrarouge.- The second (6), located under the heat exchanger is made of a low thermal conductivity material such as extruded polystyrene 10cm thick covered on its outer face (13) of a film reflecting the visible radiation and infrared.
Cela a pour effet de réduire les apports de chaleur sur le dispositif par convection, transmission avec l'air ambiant tout en permettant au convertisseur (1) d'émettre vers l'espace dans la «fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] », sous atmosphère sèche et claire à une température inférieure à l'air ambiant.This has the effect of reducing the heat input to the device by convection, transmission with the ambient air while allowing the converter (1) to emit to the space in the "atmospheric window" [8μm-13μm], under a dry, clear atmosphere at a temperature below ambient air.
Durant le temps d'évacuation de chaleur correspondant aux périodes claires, sèches, et nocturnes, la face active du convertisseur (4) est orientée le plus possible vers le zénith pour optimiser le refroidissement radiatif. Cette dernière (4) se refroidit rapidement par rayonnement IR sur l'espace à travers la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » jusqu'à une température légèrement inférieure à la température de changement de phase du MCP contenu dans la couche de stockage en chaleur latente (2). Lorsqu'il atteint cette température, le MCP entre en solidification à température constante. Parallèlement, une partie du froid induit par rayonnement IR sur l'espace alimente aussi par transmission, via la couche de stockage en chaleur latente (2) de faible résistance thermique, la source froide de l'échangeur de chaleur (3). Durant le temps d'absorption de chaleur correspondant aux périodes couvertes, humides, ou diurnes, lorsque température du convertisseur devient supérieure à la température de changement de phase du MCP, le dispositif est recouvert d'une couche d'isolation thermique amovible (8) fabriquée dans un matériau de faible conductivité thermique recouverte sur sa face extérieure (11) d'un film réfléchissant le rayonnement IR et solaire. Cela a pour effet de limiter les apports de chaleur par convection et transmission avec l'air ambiant et absorption du rayonnement solaire et/ou atmosphérique. Consécutivement cela permet de réserver une plus grande partie de l'absorption de chaleur matérialisée par la fusion de la couche de stockage en chaleur latente (2) à l'alimentation de la source froide de l'échangeur de chaleur (3).During the heat dissipation time corresponding to the clear, dry, and nocturnal periods, the active face of the converter (4) is oriented as much as possible towards the zenith to optimize the radiative cooling. The latter (4) is rapidly cooled by IR radiation on the space through the "atmospheric window [8 μm-13 μm]" to a temperature slightly lower than the phase change temperature of the MCP contained in the storage layer. latent heat (2). When this temperature is reached, the MCP solidifies at a constant temperature. At the same time, part of the cold induced by IR radiation on the space also supplies, via the latent heat storage layer (2) of low thermal resistance, the cold source of the heat exchanger (3). During the heat absorption time corresponding to the covered, wet, or diurnal periods, when the temperature of the converter becomes greater than the phase change temperature of the MCP, the device is covered with a removable thermal insulation layer (8) manufactured in a material of low thermal conductivity coated on its outer face (11) with a film reflecting the IR and solar radiation. This has the effect of limiting convection and transmission heat gains with the ambient air and absorption of solar radiation and / or atmospheric. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage layer (2) to the supply of the cold source of the heat exchanger (3).
Dans une variante, lorsque le dispositif est uniquement utilisé pour alimenter la source froide d'un échangeur de chaleur (3) et que la température de fonctionnement actif du convertisseur (1) est supérieure à la température de l'air ambiant, on utilise généralement un dispositif multicouche tel que représenté en figure 2, comprenant un convertisseur (1) photothermique du rayonnement de l'atmosphère et de l'espace en contact direct avec l'air ambiant, réfléchissant le rayonnement visible et rayonnant comme un corps noir au moins dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μnn] » constitué à titre d'exemple non limitatif d'un panneau d'aluminium poli recouvert d'une couche d'alumine en épaisseur de lOμm constituant la face active (4) du convertisseur (1). Cela à pour effet de réduire les apports de chaleur par absorption du rayonnement solaire et d'optimiser le refroidissement radiatif du convertisseur par rayonnement infrarouge sur l'atmosphère et sur l'espace. Durant le temps d'évacuation de la chaleur, la face active du convertisseur (4) est orientée le plus possible vers le zénith pour optimiser le refroidissement radiatif. Cette dernière (4) se refroidit rapidement jusqu'à une température légèrement inférieure à la température de changement de phase du MCP, par transmission - convection avec l'air ambiant et par rayonnement IR sur l'atmosphère et sur l'espace. Lorsqu'elle atteint cette température, le MCP entre en solidification à température constante. Parallèlement, une partie du froid induit par transmission - convection avec l'air ambiant et rayonnement IR sur l'espace et l'atmosphère alimente aussi par transmission via la couche de stockage en chaleur latente (2) de faible résistance thermique, la source froide de l'échangeur de chaleur (3). Durant le temps d'absorption de chaleur correspondant aux périodes couvertes, humides, ou diurnes, lorsque température du convertisseur devient supérieure à la température de changement de phase du MCP, le dispositif est recouvert d'une couche d'isolation thermique amovible (8) fabriquée dans un matériau de faible conductivité thermique recouverte sur sa face extérieure (11) d'un film réfléchissant le rayonnement IR et solaire. Cela a pour effet de limiter les apports de chaleur par convection et transmission avec l'air ambiant et absorption du rayonnement solaire et/ou atmosphérique. Consécutivement cela permet de réserver une plus grande partie de l'absorption de chaleur matérialisée par la fusion de la couche de stockage en chaleur latente (2) à l'alimentation de la source froide de l'échangeur de chaleur (3).In a variant, when the device is only used to supply the heat sink of a heat exchanger (3) and the active operating temperature of the converter (1) is greater than the ambient air temperature, it is generally used a multilayer device as shown in FIG. 2, comprising a photothermal converter (1) for the radiation of the atmosphere and of the space in direct contact with the ambient air, reflecting the visible radiation and radiating like a black body at least in the "atmospheric window [8μm-13μnn]" constituted by way of non-limiting example of a polished aluminum panel covered with a layer of alumina in a thickness of 10 μm constituting the active face (4) of the converter (1). This has the effect of reducing heat gains by absorption of solar radiation and to optimize the radiative cooling of the converter by infrared radiation on the atmosphere and on space. During the heat removal time, the active face of the converter (4) is oriented as much as possible towards the zenith to optimize the radiative cooling. The latter (4) cools rapidly to a temperature slightly below the phase change temperature of the MCP, by convection - convection with ambient air and by IR radiation on the atmosphere and space. When it reaches this temperature, the MCP solidifies at constant temperature. At the same time, a part of the cold induced by transmission - convection with the ambient air and IR radiation on the space and the atmosphere also feeds by transmission via the latent heat storage layer (2) of low thermal resistance, the cold source of the heat exchanger (3). During the heat absorption time corresponding to the covered, wet, or diurnal periods, when the temperature of the converter becomes greater than the phase change temperature of the MCP, the device is covered with a removable thermal insulation layer (8) manufactured in a material of low thermal conductivity coated on its outer face (11) with a film reflecting the IR and solar radiation. This has the effect of limiting convection and transmission heat gains with the ambient air and absorption of solar radiation and / or atmospheric. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage layer (2) to the supply of the cold source of the heat exchanger (3).
En outre si la température de l'air ambiant devient supérieure à la température de fonctionnement de l'échangeur de chaleur une couche d'isolation thermique amovible (6) est mise en place sous l'échangeur de chaleur. Elle est constituée dans un matériau de faible conductivité thermique tel que du polystyrène extrudé en épaisseur de 10cm et recouverte sur sa face extérieure (13) d'un film réfléchissant le rayonnement visible et jftjtarouge. Cela a pour effet de limiter les apports de chaleur par convection et transmission avec Vû'sr ambiant. Consécutivement cela permet de réserver une plus grande partie de l'absorption de chaleur matérialisée par la fusion de la couche de stockage en chaleur latente (2) à l'alimentation de la source froide de l'échangeur de chaleur (3).In addition, if the temperature of the ambient air becomes greater than the operating temperature of the heat exchanger, a removable thermal insulation layer (6) is put in place under the heat exchanger. It is made of a material of low thermal conductivity such as extruded polystyrene in a thickness of 10 cm and covered on its outer face (13) with a film reflecting the visible and red radiation. This has the effect of limiting the contribution of convective heat transfer and with Vû ambient sr. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the merger of the latent heat storage layer (2) to the supply of the cold source of the heat exchanger (3).
Dans une autre variante, lorsque le dispositif est utilisé pour alimenter de manière non simultanée la source froide et la source chaude d'un échangeur de chaleur (3), on utilise généralement un dispositif multicouche tel que représenté en figure 2 et comprenant un convertisseur photothermique du rayonnement de l'atmosphère et du soleil (1) rayonnant idéalement comme un corps noir dans le visible et l'infrarouge pour permettre le chauffage diurne du convertisseur par absorption du rayonnement solaire et le refroidissement radiatif nocturne du convertisseur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère constitué à titre d'exemple non limitatif d'une plaque de résine PPO (polypheniloxyde) constituant la face active (4) du convertisseur (1). Lorsque le dispositif est utilisé pour alimenter la source froide de l'échangeur de chaleur, le convertisseur (1) se refroidit rapidement durant le temps d'évacuation de chaleur correspondant au période nocturne et sèche, jusqu'à une température légèrement inférieure à la température de changement de phase du MCP, par rayonnement IR sur l'atmosphère et sur l'espace et/ou transmission - convection avec l'air ambiant. Lorsqu'elle atteint cette température, le MCP entre en solidification à température constante. Parallèlement, une partie du froid induit par transmission - convection avec l'air ambiant et rayonnement IR sur l'espace et l'atmosphère alimente aussi par transmission via la couche de stockage en chaleur latente (2) de faible résistance thermique, la source froide de l'échangeur de chaleur (3), Durant le temps d'absorption de chaleur correspondant aux périodes couvertes, humides, ou diurnes, lorsque température du convertisseur devient supérieure à la température de changement de phase du MCP, le dispositif est recouvert d'une couche d'isolation thermique amovible (8) fabriquée dans un matériau de très faible conductivité thermique recouvert sur sa face intérieure (11) d'un film réfléchissant le rayonnement IR et sur sa face extérieure (12) d'un film réfléchissant le rayonnement IR et visible.In another variant, when the device is used to non-simultaneously supply the cold source and the hot source of a heat exchanger (3), a multilayer device as shown in FIG. 2 is generally used and comprises a photothermal converter. radiation of the atmosphere and the sun (1) radiating ideally as a black body in the visible and infrared to allow the daytime heating of the converter by absorption of solar radiation and the night radiative cooling of the converter by infrared radiation on the space and atmosphere constituted by way of non-limiting example of a PPO resin plate (polypheniloxide) constituting the active face (4) of the converter (1). When the device is used to power the cold source of the heat exchanger, the converter (1) cools rapidly during the heat removal time corresponding to the night and dry period, to a temperature slightly below the temperature phase change of the MCP, by IR radiation on the atmosphere and space and / or transmission - convection with ambient air. When it reaches this temperature, the MCP solidifies at constant temperature. At the same time, a part of the cold induced by transmission - convection with the ambient air and IR radiation on the space and the atmosphere also feeds by transmission via the latent heat storage layer (2) of low thermal resistance, the cold source of the heat exchanger (3), During the heat absorption time corresponding to the covered, wet, or diurnal periods, when the temperature of the converter becomes higher than the phase change temperature of the MCP, the device is covered with a removable thermal insulation layer (8) made of a material of low thermal conductivity coated on its inner face (11) with a film reflecting the IR radiation and on its outer surface (12) with a radiation reflecting film IR and visible.
Cela a pour effet de limiter les apports de chaleur par convection et transmission avec l'air ambiant et absorption du rayonnement solaire et/ou atmosphérique. Consécutivement cela permet de réserver une plus grande partie de l'absorption de chaleur matérialisée par la fusion de la couche de stockage en chaleur latente (2) à l'alimentation de la source froide de l'échangeur de chaleur (3).This has the effect of limiting convection and transmission heat gains with the ambient air and absorption of solar radiation and / or atmospheric. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage (2) at the supply of the cold source of the heat exchanger (3).
En outre si la température de l'air ambiant devient supérieure à la température de fonctionnement de l'échangeur de chaleur une couche d'isolation amovible (6) est mise en place sous l'échangeur de chaleur. Elle est constituée dans un matériau de faible conductivité thermique tel que du polystyrène extrudé en épaisseur de 10cm recouvert sur sa face extérieure (13) d'un film réfléchissant le rayonnement visible et infrarouge. Cela a pour effet de limiter les apports de chaleur par rayonnement convection et transmission avec l'air ambiant. Consécutivement cela permet de réserver une plus grande partie de l'absorption de chaleur matérialisée par la fusion de la couche de stockage en chaleur latente (2) à l'alimentation de la source froide de l'échangeur de chaleur (3). Lorsque le dispositif est utilisé pour alimenter la source chaude de l'échangeur de chaleur (3), le convertisseur (1) se réchauffe à une température légèrement supérieure à la température de changement de phase du MCP par absorption du rayonnement solaire durant le temps d'absorption de la chaleur correspondant aux périodes diurnes et dégagées. Cela a pour effet de faire fondre à température constante la couche composite de stockage en chaleur latente (2). Parallèlement, une partie de la chaleur induite par l'absorption du rayonnement solaire au niveau du convertisseur (1) alimente aussi par transmission via la couche de stockage en chaleur latente (2) de grande conductivité thermique, la source chaude de l'échangeur de chaleur (3). Durant le temps d'évacuation de la chaleur correspondant aux périodes nocturnes, couvertes, lorsque la température du convertisseur (1) atteint une température inférieure à la température de changement de phase du MCP, la couche d'isolation thermique amovible (8) est disposée sur le convertisseur (1) en vue de limiter les déperditions thermiques par convection avec l'air ambiant et rayonnement IR vers l'espace et l'atmosphère. Cela a pour effet de réserver une grande partie du dégagement de chaleur matérialisée par la solidification du MCP à l'alimentation de la source chaude de l'échangeur de chaleur (3).In addition, if the ambient air temperature becomes greater than the operating temperature of the heat exchanger, a removable insulation layer (6) is placed under the heat exchanger. It is made of a material of low thermal conductivity such as extruded polystyrene 10cm thick covered on its outer face (13) of a film reflecting the visible and infrared radiation. This has the effect of limiting the heat input by convection radiation and transmission with the ambient air. Consecutively this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage layer (2) to the supply of the cold source of the heat exchanger (3). When the device is used to supply the heat source of the heat exchanger (3), the converter (1) heats up to a temperature slightly higher than the phase change temperature of the MCP by absorption of solar radiation during the heating time. absorption of heat corresponding to the diurnal and clear periods. This has the effect of melting the latent heat storage composite layer (2) at a constant temperature. At the same time, part of the heat induced by the absorption of solar radiation at the converter (1) also feeds via transmission via the latent heat storage layer (2) of high thermal conductivity, the hot source of the heat exchanger. heat (3). During the evacuation time of the heat corresponding to the nocturnal, covered periods, when the temperature of the converter (1) reaches a temperature lower than the phase change temperature of the MCP, the removable thermal insulation layer (8) is arranged on the converter (1) to limit heat losses by convection with ambient air and IR radiation to space and atmosphere. This has the effect of reserving a large part of the heat release materialized by the solidification of the MCP to the supply of the heat source of the heat exchanger (3).
En outre si la température de l'air ambiant devient inférieure à la température de fonctionnement de l'échangeur de chaleur une couche d'isolation thermique amovible (6) est mise en place sous l'échangeur de chaleur. Elle est constituée dans un matériau de faible conductivité thermique tel que du polystyrène extrudé en épaisseur de 10cm recouvert sur sa face intérieure d'un film réfléchissant le rayonnement infrarouge. Cela a pour effet de limiter les déperditions thermiques par convection et transmission avec l'air ambiant et rayonnement infrarouge. Consécutivement cela permet de réserver une plus grande partie de l'absorption de chaleur matérialisée par la fusion de la couche de stockage en chaleur latente (2) g l'alimentation de la source froide de l'échangeur de chaleur (3). ;In addition, if the temperature of the ambient air becomes lower than the operating temperature of the heat exchanger, a removable thermal insulation layer (6) is placed beneath the heat exchanger. It is constituted in a material of low thermal conductivity such as extruded polystyrene 10cm thick covered on its inner side with a film reflecting the infrared radiation. This has the effect of limiting thermal losses by convection and transmission with ambient air and infrared radiation. Subsequently, this allows to reserve a greater part of the heat absorption materialized by the melting of the latent heat storage layer (2) g the supply of the heat sink of the heat exchanger (3). ;
Lorsque le dispositif multicouche est uniquement utilisé pour alimenter la source chaude de l'échangeur de chaleur (3), on utilise généralement un dispositif multicouche tel que représenté en figure 3 et comprenant un convertisseur photothermique du rayonnement solaire (1) constitué d'un panneau dont la face active (4) faiblement émissive du rayonnement infrarouge rayonne idéalement comme un corps noir dans le visible constituée à titre d'exemple non limitatif de chrome noir. Cela a pour effet de favoriser réchauffement du convertisseur par absorption du rayonnement solaire et réduction des déperdition thermique par rayonnement IR sur l'atmosphère et l'espace en particulier dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ». Durant le temps d'absorption de chaleur, correspondant aux périodes diurne et claires, la face active du convertisseur (4) est orientée vers le soleil de manière à optimiser réchauffement du convertisseur (1) par absorption du rayonnement solaire. Cela a pour effet de faire fondre la couche de stockage en chaleur latente (2), car la température de changement de phase de cette dernière (2) est inférieure à la température de fonctionnement du convertisseur (1). Parallèlement, une partie de la chaleur induite par l'absorption du rayonnement solaire au niveau du convertisseur (1) alimente aussi par transmission via la couche de stockage en chaleur latente (2) de grande conductivité thermique, la source chaude de l'échangeur de chaleur (3).When the multilayer device is only used to supply the heat source of the heat exchanger (3), a multilayer device as shown in FIG. 3 is generally used and comprises a photothermal converter of the solar radiation (1) consisting of a panel whose active face (4) weakly emitting infrared radiation radiates ideally as a black body in the visible formed by way of non-limiting example of black chrome. This has the effect of promoting heating of the converter by absorption of solar radiation and reduction of thermal losses by IR radiation on the atmosphere and space, particularly in the "atmospheric window [8μm-13μm]". During the heat absorption time, corresponding to the diurnal and light periods, the active face of the converter (4) is oriented towards the sun so as to optimize heating of the converter (1) by absorption of solar radiation. This has the effect of melting the latent heat storage layer (2), because the phase change temperature of the latter (2) is lower than the operating temperature of the converter (1). At the same time, part of the heat induced by the absorption of solar radiation at the converter (1) also feeds via transmission via the latent heat storage layer (2) of high thermal conductivity, the hot source of the heat exchanger. heat (3).
Durant le temps d'évacuation de chaleur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère et convection transmission avec l'air ambiant, correspondant au périodes nocturnes ou couverte, l'alimentation de la source chaude de l'échangeur de chaleur (3) est assurée par le dégagement de chaleur matérialisé par la solidification à température constante, de la couche composite de stockage en chaleur latente (2).During the time of evacuation of heat by infrared radiation on the space and the atmosphere and convection transmission with the ambient air, corresponding to the nocturnal or covered periods, the supply of the hot source of the heat exchanger (3 ) is ensured by the release of heat materialized by the solidification at constant temperature, of the latent heat storage composite layer (2).
Un tel dispositif comprend deux couches supplémentaires :Such a device comprises two additional layers:
- La première (5) recouvre le convertisseur (1). Elle est transparente au rayonnement visible et réfléchit le rayonnement IR. À titre d'exemple non limitatif, cette couche (5) est constituée de deux lames d'air sec (9) d'une épaisseur de 19 mm séparées par des parois (10) réalisées dans du verre transparent au rayonnement visible l'une d'entre elles au moins étant recouverte d'un revêtement triple couches de type TiO2ZAg/ TiO2 où chacune des couches présente une épaisseur de 18nm.- The first (5) covers the converter (1). It is transparent to visible radiation and reflects IR radiation. By way of nonlimiting example, this layer (5) consists of two blades of dry air (9) with a thickness of 19 mm separated by walls (10) made of transparent glass visible to the visible radiation. at least one of them being covered with a TiO 2 ZAg / TiO 2 triple-layer coating in which each of the layers has a thickness of 18 nm.
- La seconde (6), située sous l'échangeur de chaleur est constituée d'un matériau de faible conductibilité thermique. À titre d'exemple non limitatif, cette couche (6) peut être constituée de polystyrène extrudé en épaisseur de 10cm recouverte sur sa face intérieure d'un film réfléchissant le rayonnement infrarouge.- The second (6), located under the heat exchanger is made of a low thermal conductivity material. By way of non-limiting example, this layer (6) may consist of extruded polystyrene 10cm thick covered on its inner side with a film reflecting infrared radiation.
Le caractère isolant des lames d'air permet de réduire la température de la paroi (10) supérieure du dispositif et ainsi les déperditions thermique par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère de la dite paroi, mais aussi les déperditions thermiques par convection, transmission entre le convertisseur (1) et l'air ambiant. En outre la paroi de verre recouverte d'un revêtement triple couches de type TiO2ZAg/ TiO2 réfléchissant le rayonnement infrarouge et transparente au rayonnement visible, permet le chauffage solaire du convertisseur et limite considérablement son refroidissement par rayonnement infrarouge sur l'espace. Consécutivement, la puissance calorifique du dispositif est augmentée.The insulating nature of the air blades makes it possible to reduce the temperature of the upper wall (10) of the device and thus the thermal losses by infrared radiation on the space and the atmosphere of said wall, as well as the thermal losses by convection. , transmission between the converter (1) and the ambient air. In addition, the glass wall covered with a TiO 2 ZAg / TiO 2 triple-layer coating reflecting the infrared radiation and transparent to visible radiation, allows the solar heating of the converter and considerably limits its cooling by infrared radiation on the space. As a result, the heat output of the device is increased.
Lorsque le flux solaire direct incident est insuffisant pour alimenter la source chaude de l'échangeur thermique (3), on augmente l'éclaïrement solaire sur le convertisseur (1) avec une couche supplémentaire transparente au rayonnement solaire et gravée en échelon de Fresnel (7) de manière à concentrer le flux solaire sur le convertisseur (1). L'usage d'autres concentrateurs est possible comme par exemple celui de concentrateurs réfléchissants plans, paraboliques ou cylindroparaboliques ou de forme différente, combinés ou non avec une lentille de Fresnel, mais ces concentrateurs sont souvent plus coûteux et plus encombrants. Cela a pour effet d'augmenter la température du convertisseur (1), car les effets de flux solaire concentré sont (es mêmes que ceux du flux solaire direct et provoquent un échauffement du convertisseur (1) d'autant plus grand que la concentration est grande. La nuit ou par temps couvert, lorsque la température du convertisseur est inférieure à la température de changement de phase du MCP, les déperditions thermiques du dispositif sont supérieures aux apports de chaleur et sont d'autant plus importantes que la température de changement de phase du MCP et de la face active du dispositif est élevée, que la température de l'air ambiant est faible et que l'atmosphère est sèche et présente une faible émissivité en particulier dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ». Pour limiter ces déperditions thermiques et ainsi améliorer les performances du dispositif, on installe sur ce dernier une couche supplémentaire d'isolation thermique amovible (8) fabriquée dans un matériau de faible conductivité thermique recouverte sur sa face intérieure (11) d'un film réfléchissant le rayonnement IR. Elle est retirée le jour, par temps clair pour assurer l'éclairement du convertisseur (1) et consécutivement permettre son échauffement au dessus de la température de changement de phase du MCP. Cela a pour effet de faire fondre la couche de stockage en chaleur latente (2). Parallèlement, une partie de la chaleur induite par l'absorption du rayonnement solaire au niveau du convertisseur (1) alimente aussi par transmission via la couche de stockage en chaleur latente (2) de grande conductivité thermique, la source chaude de l'échangeur de chaleur (3).When the incident direct solar flux is insufficient to supply the heat source of the heat exchanger (3), the solar breather is increased on the converter (1) with an additional layer transparent to solar radiation and etched in Fresnel step (7). ) so as to concentrate the solar flux on the converter (1). The use of other concentrators is possible, for example that of flat, parabolic or cylindroparabolic reflective concentrators or of different shape, combined or not with a Fresnel lens, but these concentrators are often more expensive and more cumbersome. This has the effect of increasing the temperature of the converter (1), because the effects of concentrated solar flux are the same as those of the direct solar flux and cause a heating of the converter (1) even greater than the concentration is At night or in cloudy weather, when the temperature of the converter is lower than the phase change temperature of the MCP, the thermal losses of the device are greater than the heat inputs and are all the more important that the temperature of change of the MCP phase and the active face of the device is high, the ambient air temperature is low and the atmosphere is dry and has low emissivity, particularly in the "atmospheric window [8μm-13μm]". limit these thermal losses and thus improve the performance of the device, it is installed on the latter an additional layer of removable thermal insulation (8) manufactured in a material of low thermal conductivity coated on its inner face (11) with a film reflecting the IR radiation. It is removed during the day, in clear weather to ensure the illumination of the converter (1) and consecutively allow its heating above the phase change temperature of the MCP. This has the effect of melting the latent heat storage layer (2). At the same time, part of the heat induced by the absorption of solar radiation at the converter (1) also feeds via transmission via the latent heat storage layer (2) of high thermal conductivity, the hot source of the heat exchanger. heat (3).
Dans une variante, lorsque le dispositif est utilisé non seulement pour alimenter la source chaude de l'échangeur de chaleur (3) mais aussi pour augmenter la puissance électrique d'un générateur PV, on utilise généralement un dispositif multicouche tel que représenté en figure 4, comprenant une couche concentratrice du rayonnement solaire gravée en échelon de Fresnel transparente au rayonnement visible et au rayonnement infrarouge notamment dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » (7), et un convertisseur photovoltaïque du rayonnement solaire et photothermique du rayonnement de l'espace et de l'atmosphère (1) constitué d'un panneau recouvert d'une ou plusieurs cellules PV dont la face active (4) est recouverte d'un film transparent au rayonnement visible et rayonnant idéalement comme un corps noir constitué à titre d'exemple non limitatif d'un film Dupont Tefzel®T2 en épaisseur de 62μm constituant la face active (4) du convertisseur (1).In a variant, when the device is used not only to supply the heat source of the heat exchanger (3) but also to increase the electrical power of a PV generator, a multilayer device is generally used as represented in FIG. , comprising a concentrator layer of solar radiation etched Fresnel step transparent to visible radiation and infrared radiation in particular in the "atmospheric window [8μm-13μm]" (7), and a photovoltaic converter of solar radiation and photothermal radiation of the space and atmosphere (1) consisting of a panel covered with one or more PV cells whose active face (4) is covered with a film transparent to visible radiation and radiating ideally as a black body constituted by way of non-limiting example of a Dupont Tefzel®T 2 film with a thickness of 62 μm constituting the active face (4) of the converter (1).
La couche concentratrice du rayonnement solaire (7) est positionnées au dessus du convertisseurs de manière à concentrer le rayonnement solaire sur la face active (4) du convertisseur (1).The concentrating layer of the solar radiation (7) is positioned above the converters so as to concentrate the solar radiation on the active face (4) of the converter (1).
Cela a pour effet d'augmenter la température du convertisseur (1) car les effets de flux solaire concentré sont les mêmes que ceux du flux solaire direct et provoquent un échauffement du convertisseur (1) d'autant plus grand que la concentration est grande. Cela permet donc au convertisseur (1) d'alimenter la source chaude de l'échangeur de chaleur (3) et de produire de l'électricité.This has the effect of increasing the temperature of the converter (1) because the effects of concentrated solar flux are the same as those of the direct solar flux and cause a heating of the converter (1) even larger than the concentration is large. This allows the converter (1) to supply the heat source of the heat exchanger (3) and produce electricity.
Parallèlement cela a aussi pour effet de favoriser le refroidissement du convertisseur (1) par rayonnement IR sur l'espace et sur l'atmosphère car le rayonnement infrarouge et d'autant plus important que la température du convertisseur est grande et que la couche concentratrice (7) et transparente au rayonnement infrarouge dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ». Consécutivement, cela permet pour une température donnée une augmentation du taux de concentration du flux solaire incident dans la limite de la température maximale de fonctionnement du convertisseur (1) en vue d'augmenter la puissance électrique fournie par le convertisseur (1). À titre d'exemples non limitatifs, on peut réaliser la couche concentratrice (7) à partir d'une feuille de polyéthylène haute densité épaisseur la plus fine possible de manière à augmenter sa transparence, car cette dernière diminue quand son épaisseur augmente. En outre, en vue de permettre le refroidissement convectif du convertisseur l'air ambiant peur circuler librement entre le convertisseur et la couche concentratrice du rayonnement solaire (7). Cela favorise dans certaine proportion l'évacuation de chaleur par convection et transmission avec l'air ambiant et permet d'optimiser dans la même proportion le flux solaire concentré en vue d'augmenter la puissance électrique fournie par le convertisseur (1).At the same time, it also favors the cooling of the converter (1) by IR radiation on the space and on the atmosphere because the infrared radiation is all the more important as the temperature of the converter is large and the concentrator layer ( 7) and transparent to infrared radiation in the "atmospheric window [8μm-13μm]". Subsequently, this makes it possible for a given temperature to increase the concentration rate of the incident solar flux within the limit of the maximum operating temperature of the converter (1) in order to increase the electrical power supplied by the converter (1). As non-limiting examples, the concentrator layer (7) can be made from a sheet of high density polyethylene which is as thin as possible so as to increase its transparency, since the latter decreases as its thickness increases. In addition, in order to allow convective cooling of the converter ambient air can flow freely between the converter and the concentrating layer of solar radiation (7). This favors in certain proportion the heat evacuation by convection and transmission with the ambient air and makes it possible to optimize in the same proportion the concentrated solar flux in order to increase the electric power supplied by the converter (1).
Durant le temps d'absorption de chaleur, le convertisseur (1) est orienté vers le soleil de manière à optimiser son éclairement. Ce dernier (1) s'échauffe donc rapidement par absorption du rayonnement solaire jusqu'à une température légèrement supérieure à la température de changement de phase du MCP contenu dans la couche de stockage en chaleur latente (2). Lorsqu'il atteint cette température, le MCP entre en fusion à température constante. Cela à pour effet de ralentir considérablement réchauffement du convertisseur (1), car la résistance thermique et la masse de la couche composite de stockage en chaleur latente (2) permettent de maintenir la température du convertisseur à un niveau proche de la température de changement de phase du MCP.During the heat absorption time, the converter (1) is oriented towards the sun so as to optimize its illumination. The latter (1) heats up quickly by absorption of solar radiation to a temperature slightly higher than the phase change temperature MCP contained in the latent heat storage layer (2). When it reaches this temperature, the MCP melt at constant temperature. This has the effect of considerably slowing down the heating of the converter (1), because the thermal resistance and the mass of the latent heat storage composite layer (2) make it possible to maintain the temperature of the converter at a level close to the temperature of change of heat. phase of the MCP.
Parallèlement, une partie de la chaleur induite par réchauffement de la face active (4) du convertisseur (1) alimente aussi par transmission via la couche composite de stockage en chaleur latente (2) de faible résistance thermique, la source chaude de l'échangeur de chaleur (3).At the same time, part of the heat induced by heating the active face (4) of the converter (1) also feeds via transmission via the latent heat storage composite layer (2) of low thermal resistance, the heat source of the exchanger heat (3).
Pendant le temps d'évacuation de chaleur, lorsque la température de fonctionnement du convertisseur (1) est inférieure à la température de changement de phase du MCP ce dernier se solidifie en cédant de la chaleur par convection, transmission et rayonnement via le convertisseur (1).During the heat removal time, when the operating temperature of the converter (1) is lower than the phase change temperature of the MCP, the latter solidifies by yielding heat by convection, transmission and radiation via the converter (1). ).
Pour améliorer ses performances thermiques un tel dispositif comprend deux couches supplémentaires :To improve its thermal performance, such a device comprises two additional layers:
- La première est une couche d'isolation thermique amovible (8) qui recouvre la face active du dispositif lorsque la température du convertisseur (1) est inférieure à la température de changement de phase du MCP et lorsque la quantité de chaleur évacuée via l'échangeur est suffisante pour solidifier à elle seule la couche de stockage en chaleur latente (2). Cette couche d'isolation thermique amovible (8) est recouverte sur sa face intérieure (11) d'un film réfléchissant le rayonnement IR et elle est fabriquée dans un matériau de faible conductivité thermique. Cela a pour effet de limiter les déperditions thermiques par convection et transmission avec l'air ambiant, et par rayonnement IR vers l'espace et vers l'atmosphère. Consécutivement cela permet de réserver une plus grande partie du dégagement de chaleur matérialisé par la solidification de la couche composite de stockage en chaleur latente (2) à l'alimentation de la source chaude de l'échangeur chaleur (3). La couche d'isolation thermique amovible (8) est retirée le jour pour assurer l'éclairement du convertisseur et consécutivement permettre son échauffement et la production d'énergie électrique. - La seconde (6) est située sous l'échangeur de chaleur (3). Elle est constituée d'un matériau de faible conductivité thermique. À titre d'exemple non limitatif, cette couche (6) peut être constituée de polystyrène extrudé en épaisseur de 10cm recouverte sur sa face intérieure d'un film réfléchissant le rayonnement infrarouge.- The first is a removable thermal insulation layer (8) which covers the active face of the device when the temperature of the converter (1) is lower than the phase change temperature of the MCP and when the amount of heat removed via the The exchanger is sufficient to solidify the latent heat storage layer (2) alone. This removable thermal insulation layer (8) is covered on its inner face (11) with a film reflecting IR radiation and is made of a material of low thermal conductivity. This has the effect of limiting thermal losses by convection and transmission with ambient air, and by IR radiation to space and to the atmosphere. Subsequently, it allows to reserve a greater part of the heat release materialized by the solidification of the latent heat storage composite layer (2) to the supply of the hot source of the heat exchanger (3). The removable thermal insulation layer (8) is removed during the day to ensure the illumination of the converter and consecutively allow its heating and the production of electrical energy. - The second (6) is located under the heat exchanger (3). It consists of a material of low thermal conductivity. By way of non-limiting example, this layer (6) may consist of extruded polystyrene 10cm thick covered on its inner side with a film reflecting infrared radiation.
Cela a pour effet de réduire les déperditions thermiques via l'échangeur (3) par convection et transmission avec l'air ambiant. Consécutivement cela permet d'augmenter la quantité de chaleur alimentant la source chaude de l'échangeur (3). En outre, lorsque la source chaude de l'échangeur de chaleur (3) est insuffisamment sollicitée durant le temps d'évacuation de chaleur assurant la solidification de la couche de stockage en chaleur latente (2), le dispositif n'est pas recouvert de la couche amovible d'isolation thermique (8). Cela permet au convertisseur (1) de se refroidir par rayonnement IR sur l'espace et sur l'atmosphère et par convection - transmission avec l'air ambiant pour assurer la solidification de la couche composite de stockage en chaleur latente (2). This has the effect of reducing heat losses via the exchanger (3) by convection and transmission with ambient air. As a result, it increases the amount of heat supplied to the heat source of the heat exchanger (3). In addition, when the heat source of the heat exchanger (3) is insufficiently stressed during the heat removal time ensuring the solidification of the latent heat storage layer (2), the device is not covered with the removable thermal insulation layer (8). This allows the converter (1) to be cooled by IR radiation on the space and the atmosphere and by convection - transmission with the ambient air to ensure the solidification of the latent heat storage composite layer (2).

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique comprenant au moins un échangeur de chaleur (3), une couche composite de stockage en chaleur latente (2) imprégnée d'un matériau à changement de phase (MCP) et un convertisseur photovoltaïque ou photothermique (1), caractérisé en ce que le dispositif exploite une technique de gestion du refroidissement radiatif par rayonnement infrarouge sur l'espace appliquée à la conversion photothermique du rayonnement atmosphérique, du rayonnement solaire, et à la conversion photovoltaïque du rayonnement solaire, implanté dans une atmosphère claire et sèche présentant une grande transparence et une faible émissivité dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] », en ce que la face active rayonne comme un corps noir dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μmJ », et en ce qu'il comporte une couche supplémentaire d'isolation thermique amovible (8).A multilayer thermal energy collector device comprising at least one heat exchanger (3), a latent heat storage composite layer (2) impregnated with a phase change material (PCM) and a photovoltaic or photothermal converter ( 1), characterized in that the device uses a technique for managing radiative cooling by infrared radiation on the space applied to the photothermal conversion of atmospheric radiation, solar radiation, and the photovoltaic conversion of solar radiation, implanted in an atmosphere clear and dry having a high transparency and low emissivity in the "atmospheric window [8μm-13μm]", in that the active surface radiates like a black body in the "atmospheric window [8μm-13μmJ", and in that it comprises an additional layer of removable thermal insulation (8).
2. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique selon la revendications 1, caractérisé en ce que le dispositif fonctionne à une température proche de la température de changement de phase du MCP et comprise entre 2500K et 8000K.2. multilayer thermal energy collector device according to claim 1, characterized in that the device operates at a temperature close to the phase change temperature of the MCP and between 250 0 K and 800 0 K.
3. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique selon la revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le convertisseur (1) est un convertisseur photothermique du rayonnement de l'atmosphère dont la face active (4) rayonne vers le zénith dans un angle compris entre 0° et 30° pour réduire les apports de chaleur par absorption du rayonnement de la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ».3. multilayer thermal energy collector device according to claims 1 and 2, characterized in that the converter (1) is a photothermal converter of the radiation of the atmosphere whose active face (4) radiates towards the zenith in an angle included between 0 ° and 30 ° to reduce heat gains by absorbing radiation from the "atmospheric window [8μm-13μm]".
4. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la face active (4) du convertisseur (1) rayonne idéalement comme un corps noir sur tout le spectre infrarouge et réfléchit le visible en vue de produire du froid (3) si, pour une dimension donnée et une température de fonctionnement actif identiques du convertisseur (1), une telle face active (4) rayonne plus d'énergie qu'une face active (4) qui serait spectralement sélective dans la « fenêtre atmosphérique [8μm~13μm] ».4. multilayer thermal energy collector device according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the active face (4) of the converter (1) radiates ideally as a black body over the entire infrared spectrum and reflects the visible in view to produce cold (3) if, for a given dimension and an identical active operating temperature of the converter (1), such an active face (4) radiates more energy than an active face (4) which would be spectrally selective in the "atmospheric window [8μm ~ 13μm]".
5. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la face active (4) du convertisseur (1) est une surface spectralement sélective dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » en vue de produire du froid si, pour une dimension donnée et une température de fonctionnement actif identiques du convertisseur (1), une telle face active (4) rayonne plus d'énergie qu'une face active (4) qui rayonnerait comme un corps noir sur tout le spectre infrarouge et réfléchirait le visible.5. multilayer thermal energy collector device according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the active face (4) of the converter (1) is a spectrally selective surface in the "atmospheric window [8μm-13μm]" in to produce cold if, for a given dimension and an identical active operating temperature of the converter (1), such an active face (4) radiates more energy than an active face (4) which radiates like a black body over the entire infrared spectrum and reflect the visible.
6. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique selon les revendications, 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le convertisseur (1) est un convertisseur photothermique du rayonnement de l'atmosphère et du soleil rayonnant idéalement comme un corps noir dans le visible et l'infrarouge pour permettre le chauffage diurne du convertisseur par absorption du rayonnement solaire et le refroidissement radiatif nocturne du convertisseur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère lorsque le dispositif alimente de manière non simultanée la source chaude et la source froide de l'échangeur de chaleur (3).6. Multilayer thermal energy collector device according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the converter (1) is a photothermal converter of the radiation of the atmosphere and the sun radiating ideally as a black body in the visible and the infrared to allow diurnal heating of the converter by absorption of solar radiation and nocturnal radiative cooling of the converter by infrared radiation on space and atmosphere when the device feeds non-simultaneously the hot source and the cold source of the heat exchanger (3).
7. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique, selon les revendications 1, 2, et 3 caractérisé en ce que le convertisseur (1) est un convertisseur photothermique du rayonnement atmosphérique et photovoltaïque du rayonnement solaire constitué d'un panneau recouvert d'une ou plusieurs cellules PV dont la face active est recouverte d'un film transparent au rayonnement visible et rayonnant idéalement comme un corps noir dans le spectre infrarouge,Multilayer thermal energy collecting device, according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the converter (1) is a photothermal converter of atmospheric radiation and photovoltaic solar radiation consisting of a panel covered with one or more PV cells whose active face is covered with a film transparent to visible radiation and radiating ideally as a black body in the infrared spectrum,
8. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique selon la revendication 1, 2, 3, 4 et 5 caractérisé en ce qu'il comporte au moins une parois (10) séparée du convertisseur par une lame de vide ou d'air sec de grande résistance thermique et transparente au moins dans « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] » pour réduire les apports de chaleur par transmission - convection avec l'air extérieur et favoriser l'évacuation de chaleur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère lorsque la température de fonctionnement actif du convertisseur est inférieure à à l'air ambiant.8. multilayer thermal energy collector device according to claim 1, 2, 3, 4 and 5 characterized in that it comprises at least one wall (10) separated from the converter by a vacuum blade or dry air large thermal and transparent resistance at least in "atmospheric window [8μm-13μm]" to reduce heat transfer by transmission - convection with the outside air and to favor the evacuation of heat by infrared radiation on the space and the atmosphere when the active operating temperature of the converter is lower than the ambient air.
9. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique selon les revendications 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une parois (10) séparée du convertisseur par une lame de vide ou d'air sec de grande résistance thermique pour réduire la température de la dite paroi, une telle paroi (10) réfléchissant le rayonnement infrarouge et transmettant le rayonnement solaire pour réduire les déperditions thermique du dispositif par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère et par transmission-convection avec l'air extérieur et permettre le chauffage du convertisseur par absorption du rayonnement solaire lorsque le dispositif alimente la source chaude de l'échangeur de chaleur (3) à une température supérieure à l'air ambiant.9. multilayer thermal energy collector device according to claims 1, characterized in that it comprises at least one wall (10) separated from the converter by a vacuum blade or dry air of high thermal resistance to reduce the temperature of said wall, such a wall (10) reflecting the infrared radiation and transmitting the solar radiation to reduce the thermal losses of the device by infrared radiation on the space and the atmosphere and by convection-transmission with the outside air and allow the heating the converter by absorption of solar radiation when the device supplies the heat source of the heat exchanger (3) at a temperature higher than the ambient air.
10. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique , selon les revendications 1, 2, 3, 5, et 6 caractérisé en ce qu'il comporte une couche supplémentaire concentratrice du rayonnement solaire (7), constituée d'un panneau gravé en échelon de Fresnel, transparent au rayonnement IR et au rayonnement solaire disposée sur la face supérieure du dispositif pour concentrer le flux solaire sur la face active convertisseur (1) et favoriser son refroidissement radiatif par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère dans la « fenêtre atmosphérique [8μm-13μm] ». 10. multilayer thermal energy collector device according to claims 1, 2, 3, 5, and 6 characterized in that it comprises an additional layer concentrating solar radiation (7), consisting of a panel engraved in echelon Fresnel, transparent to the IR radiation and solar radiation arranged on the upper face of the device for concentrating the solar flux on the active converter face (1) and to promote its radiative cooling by infrared radiation on the space and the atmosphere in the "window atmospheric [8μm-13μm].
11. Selon une autre caractéristique le dispositif fonctionne dans un cycle à deux temps, un temps d'évacuation de chaleur par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère et/ou par convection - transmission avec l'air ambiant, matérialisé par la solidification à température constante du MCP, un temps d'absorption de chaleur par absorption du rayonnement solaire, atmosphérique et/ou par convection - transmission avec l'air ambiant, matérialisé par la fusion à température constante du MCP.11. According to another characteristic, the device operates in a two-cycle cycle, a time of evacuation of heat by infrared radiation on the space and the atmosphere and / or by convection - transmission with the ambient air, materialized by the constant temperature solidification of MCP, a time of absorption of heat by absorption of solar radiation, atmospheric and / or convection - transmission with ambient air, materialized by the melting at constant temperature of the MCP.
12. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique, selon les revendications l à 11 caractérisé en ce que la couche composite de stockage en chaleur latente (2) est placée en contact étroit avec le convertisseur photonique (1) et l'échangeur de chaleur (3) pour favoriser les échanges thermiques par transmission et en ce que sa résistance thermique et sa masse lui permettent de maintenir la température du convertisseur (1) et de l'échangeur de chaleur (3) à un niveau proche de la température de changement de phase du MCP.Multilayer thermal energy collecting device according to claims 1 to 11, characterized in that the latent heat storage composite layer (2) is placed in close contact with the photonic converter (1) and the heat exchanger ( 3) to promote thermal exchange by transmission and in that its thermal resistance and its mass allow it to maintain the temperature of the converter (1) and the heat exchanger (3) to a level close to the temperature of change of phase of the MCP.
13. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique, selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 11 et 12 caractérisé en ce que la température de fonctionnement actif du convertisseur est inférieure à la température de changement de phase du MCP pour permettre la solidification du MCP durant le temps de refroidissement lorsque le dispositif alimente la source froide de l'échangeur de chaleur.13. Multilayer thermal energy collector device according to claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 11 and 12 characterized in that the active operating temperature of the converter is lower than the temperature of change of the MCP to allow solidification of the MCP during the cooling time when the device feeds the cold source of the heat exchanger.
14. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique, selon les revendications 1, 6, 7, 9, 10, 11 et 12 caractérisé en ce que la température de fonctionnement actif du convertisseur est supérieure à la température de changement de phase du MCP pour permettre la fusion duThermal energy collector multilayer device according to claims 1, 6, 7, 9, 10, 11 and 12 characterized in that the active operating temperature of the converter is greater than the phase change temperature of the MCP to enable the merger of
MCP durant le temps de réchauffement lorsque le dispositif alimente la source chaude de l'échangeur de chaleur.MCP during the warm-up time when the device is supplying the hot source of the heat exchanger.
15. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique, selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 11, 12 et 13 caractérisé en ce qu'une couche supplémentaire d'isolation thermique amovible (8) constituée dans un matériau de faible conductivité thermique recouverte sur sa face extérieure d'un film réfléchissant le rayonnement solaire et infrarouge est disposée sur le dispositif lorsque la température de fonctionnement du convertisseur devient supérieure à la température de changement de phase du MCP pour réduire les apports de chaleur par absorption du rayonnement atmosphérique et/ou solaire et réserver la plus grande partie de la chaleur latente de fusion du MCP à l'alimentation de la source froide de l'échangeur de chaleur, la dite couche d'isolation amovible (8) étant retirée lorsqu' une surface spectralement identique à la face active du convertisseur (1) rayonnant dans les mêmes conditions que le convertisseur (1) et dans un dispositif identique ne comportant pas la couche d'isolation thermique amovible (8) atteint une température inférieure à la température de changement de phase du MCP.15. Multilayer thermal energy collector device according to claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 11, 12 and 13, characterized in that an additional layer of removable thermal insulation (8) made of a material of low thermal conductivity coated on its outer surface with a film reflecting solar and infrared radiation is disposed on the device when the operating temperature of the converter becomes greater than at the phase change temperature of the MCP to reduce the heat gains by absorption of atmospheric and / or solar radiation and to reserve most of the latent heat of fusion of the MCP to the supply of the heat sink of the exchanger of heat, said removable insulation layer (8) being removed when a spectrally identical surface to the active face of the converter (1) radiating under the same conditions as the converter (1) and in an identical device not including the removable thermal insulation layer (8) reaches a temperature below the phase change temperature of the MCP.
16. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique, selon les revendications 1, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 14 caractérisé en ce qu'une couche supplémentaire d'isolation thermique amovible (8) constituée dans un matériau de faible conductivité thermique recouverte sur sa face intérieure d'un film réfléchissant le rayonnement infrarouge est disposée sur le dispositif lorsque la température de fonctionnement du convertisseur devient inférieur à la température de changement de phase du MCP pour réduire les déperditions thermiques via le convertisseur (1) par rayonnement infrarouge sur l'espace et l'atmosphère et réserver la plus grande partie de la chaleur stockée lors de la fusion du MCP pendant le temps d'échauffement à l'alimentation de la source chaude de l'échangeur de chaleur lorsque le dispositif alimente la source chaude de l'échangeur de chaleur (3), la dite couche d'isolation amovible (8) étant retirée lorsqu' une surface spectralement identique à la face active (4) du convertisseur (1) rayonnant dans les mêmes conditions que le convertisseur (1) et dans un dispositif identique ne comportant pas la couche d'isolation amovible (8) atteint une température supérieure à la température de changement de phase du MCP. 16. multilayer thermal energy collector device according to claims 1, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 14 characterized in that an additional layer of removable thermal insulation (8) formed in a low material thermal conductivity coated on its inner side with a film reflecting the infrared radiation is disposed on the device when the operating temperature of the converter becomes lower than the phase change temperature of the MCP to reduce thermal losses via the converter (1) by infrared radiation over the space and the atmosphere and reserve most of the heat stored during the melting of the MCP during the warm-up time at the supply of the heat source of the heat exchanger when the device powers the heat source of the heat exchanger (3), said removable insulation layer (8) being removed when a surface spectrally identical to the active ace (4) of the converter (1) radiating under the same conditions as the converter (1) and in an identical device not comprising the removable insulation layer (8) reaches a temperature above the phase change temperature of the MCP.
17. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique, selon les revendications 1 à 16 caractérisé en ce que le dispositif comporte une couche supplémentaire d'isolation thermique (6) constituée dans un matériau de faible conductivité thermique pour réduire les fuites thermiques entre l'échangeur de chaleur (3) et l'ambiance.17. multilayer thermal energy collector device according to claims 1 to 16 characterized in that the device comprises an additional layer of thermal insulation (6) made of a low thermal conductivity material to reduce heat leakage between the heat exchanger of heat (3) and the mood.
18. Dispositif multicouche collecteur d'énergie thermique, selon l'une quelconque des revendication 1 à 17 caractérisé en ce que la couche composite de stockage en chaleur latente (2) est un corps anisotrope composé de graphite naturel expansé (GNE) et d'un matériau à changement de phase (MCP) d'une densité énergétique d'au moins 150KJ/Kg et d'une conductivité thermique directionnelle d *au moins 25W/m. 18. multilayer thermal energy collector device according to any one of claims 1 to 17 characterized in that the latent heat storage composite layer (2) is an anisotropic body composed of expanded natural graphite (GNE) and a phase change material (PCM) of an energy density of at least 150KJ / Kg and a directional thermal conductivity at least 25W * / m.
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