WO2010063944A1 - Toiture solaire - Google Patents

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WO2010063944A1
WO2010063944A1 PCT/FR2009/052360 FR2009052360W WO2010063944A1 WO 2010063944 A1 WO2010063944 A1 WO 2010063944A1 FR 2009052360 W FR2009052360 W FR 2009052360W WO 2010063944 A1 WO2010063944 A1 WO 2010063944A1
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hot water
solar
roof
photovoltaic device
glass substrates
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PCT/FR2009/052360
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Didier Jousse
Jean-Pierre Douche
Chantal Sergent
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Saint-Gobain Glass France
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Definitions

  • the invention relates to a solar roof comprising devices able to capture solar energy to provide electrical and thermal energy, such as photovoltaic systems generating electricity and solar collectors respectively used for hot water production. .
  • a photovoltaic module is generally formed of a photovoltaic panel integrating the photovoltaic cells, and a metal frame surrounding and carrying the panel, this frame also incorporating the cables for electrical distribution.
  • the photovoltaic panel is designed at least on its front face facing the outside environment, with a glass substrate.
  • the panel comprises a glass substrate thus constituting its front face, a plastic film or a glass substrate constituting its rear face; between the substrates of front face and rear face are inserted one or more polymeric spacers and a photovoltaic element, formed by a stack of semiconductor materials taken between two metal electrodes.
  • the materials semiconductors are for example based on crystalline silicon or thin layers.
  • sensors are in particular in the form of modules, comprising a transparent cover, such as a glass substrate, and an absorber.
  • the absorber is an element in which circulates a heat transfer fluid, such as simply water to be heated.
  • the transparent cover passes solar radiation to the absorber to heat the circulating fluid, and advantageously confines the infrared radiation, thus minimizing the cooling of the absorber.
  • thermal insulation is arranged at the rear and on the periphery of the module.
  • thermal modules providing hot air are known.
  • the US patent application US 2006/0118163 proposes not only to have photovoltaic modules on a roof, but also thermal modules hot air.
  • These hot air thermal modules or sensors comprise substrates that leave pass solar energy, and a space where air is confined to be warmed by said energy.
  • Distribution ducts are connected to these modules to capture the hot air, and ensure the supply of air to be heated in the confinement space.
  • thermal modules can be used for the production of hot air, they can not meet the need for hot water production since the air / water exchangers would require a considerable exchange surface and would not allow not reach the temperatures required for domestic hot water, especially sanitary.
  • these photovoltaic modules and solar thermal collectors hot air and / or hot water.
  • they lead to a substantial investment for a home.
  • individuals choose rather efficient insulation of their home, possibly associated with one or other of the thermal and electrical energy supply solutions described above, but rarely accumulate these solutions.
  • the invention therefore aims to provide a solar roof incorporating at least one photovoltaic device and at least one solar thermal sensor for producing hot water, this roof providing the following advantages: - reduced installation costs, the provision of a performance-efficient unit producing, thanks to the solar thermal collector and the exclusive configuration of the roof, without requiring additional independent heating systems, very hot water directly useful to the needs health,
  • the subject of the invention is a solar roof comprising at least one photovoltaic device, comprising a front structure and a rear structure, and at least one solar thermal sensor capable of delivering hot water, called solar water collector.
  • hot having a front structure and a rear structure, the respective front structures of the photovoltaic device and the hot water solar collector consisting of glass substrates forming a cover which has an upper face, intended to be facing the external environment, and an opposite inner face, the respective rear structures of the photovoltaic device and the hot water solar collector being arranged under the cover, facing the inner face, characterized in that said glass substrates are devoid of metal frames and associated with each other, possibly being separated by other glass substrates, called substrates s, to form a unitary and uniform glass cover.
  • this roof combines several energy recovery systems able to produce electricity and hot water.
  • the configuration of the front structures of photovoltaic devices and solar collectors thanks to glass substrates similar in their shape and appearance, provides a coating, or cover, having a unitary surface continuity without appearance difference, at least at the area surrounding the photovoltaic devices and the solar thermal collectors, and preferably over the entire area. area of the roof.
  • the solar photovoltaic devices and solar hot water solar collectors are devoid of metal frames, which allows a better energy efficiency of the solar roof.
  • metal frames surrounding photovoltaic devices and solar collectors constitute stopping points for aeraulic flow within the solar roof, in natural or forced convection.
  • the absence of metal frames significantly reduces thermal bridges and promotes a homogeneous heat exchange within the roof. This results in seamless coupling between photovoltaic devices and solar collectors.
  • this cover by glass substrates is simple to put in place, just like any usual cover type tiles or slates. Specialists able to fix the solar collectors have only to take care of mounting the rear structures of said devices and sensors, while separately the roofer realizes the roof covering of the entire roof.
  • the roof has a slope defining a ridge, and comprising an upper part near the ridge, and a part lower opposite, the or each photovoltaic device being arranged in the lower part, while the or each solar hot water sensor is disposed in the upper part.
  • the roof advantageously comprises, under the inner face of the cover and perpendicular to its surface, two thermal insulation barriers which are arranged laterally and on either side of the or each solar hot water sensor. , for example at a distance of 5 cm, and so as to leave open the zone extending towards the photovoltaic device or devices.
  • the air under the roof is advantageously hot; its heat is notably provided thanks to the solar radiation crossing the glass roof, and to the heating of the photovoltaic devices.
  • the insulation barriers thus allow, by their configuration and their specific arrangement which does not obstruct the air coming from the zone where the photovoltaic devices are located, to confine the hot air around the hot water solar collector, reducing its thermal losses and thus guaranteeing very hot water.
  • the barriers extend beyond the hot water solar collector, in particular to a distance of between 10 and 50 cm.
  • This zone at the front of the solar hot water collector ensures a temperature gradient between the air entering this zone and the edge of the sensor. otherwise avoiding a turbulence regime that would result in the cooling of the air in this area.
  • the roof comprises means for forced convection of airflow circulating under the roof.
  • These means including in particular one or more air extractors, are able to regulate the flow of air flowing under the roof to guarantee, on the one hand, a ventilation of the photovoltaic devices, avoiding their too much heating, and, d on the other hand, a forced supply of hot flow to the or each hot water solar collector.
  • the extractors have a selectively adjustable flow rate depending on their zone of location and / or according to the climatic conditions. The regulation is in particular obtained from the speed of rotation of the motors of the extractors, this speed of rotation being able to be controlled automatically by a variable speed drive.
  • three air extractors will be arranged under the roof. They will preferably respectively be arranged, when two thermal insulation barriers are provided near the hot water solar collector, in the zone of the hot water sensor, called the central zone, and in the two adjacent zones on either side. said barriers.
  • a low air speed under the photovoltaic devices of the order of 0.1 m / s is enough to keep them at a low temperature, and the system will be configured to direct the calories to the area of the hot water solar collector.
  • Vi is between 0 and 0.1 m / s
  • V 2 is between 0.1 and 0.3 m / s.
  • the photovoltaic device can be separated from the solar hot water sensor by a transition zone, the roof having in this zone glass substrates, called transition substrates.
  • a particularly troublesome disadvantage for existing photovoltaic devices is the rise in temperature which greatly degrades their efficiency.
  • the transition zone is advantageous for allowing a ventilation effect of the photovoltaic device or devices which thus do not undergo overheating because, if not of too close proximity to the hot water solar collector (s).
  • This transition zone has the function of ensuring that the speed of the air under the photovoltaic devices or modules remains uniform even when the speeds Vi and V 2 will be very different. It has a minimum dimension that is between 10 and 50 cm, depending on the configuration of the roof: slope, thickness of the air space under the roof, mounting system. It will be preferable to take higher values and enlarge the area so as to obtain a better decoupling of the velocities between Vi and v 2 , on the one hand, and the speed of the air under the photovoltaic devices, on the other hand go. In practice, the size of this zone may correspond to the portion of the roof that is not covered by the substrates of photovoltaic devices and solar hot water collectors.
  • this transition zone is advantageously used to include complementary energy recovery systems that are thermal air heat sensors capable of generating hot air.
  • These hot air sensors comprise a front structure constituted by the transition glass substrates, and a rear structure under the cover comprising a reflective element of the light energy.
  • the photovoltaic device (s), the hot water solar collector (s) and the hot air thermal collector (s) are each respectively distributed on one third of the roof.
  • the rear structure of the or each photovoltaic device comprises at least one support substrate associated with the front structure, photovoltaic cells being arranged between the front structure and the support substrate or substrates of the rear structure.
  • the rear structure of the or each hot water solar collector comprises an absorber arranged at a distance h 2 from the front structure of said sensor, as well as a thermal insulator disposed under the absorber, in contrast of the cover and contiguous to the absorber or at a distance hi from the absorber such that hi is less than h 2 , hi and h 2 being preferably such that the size hi + h 2 is between 10 and 100 mm, in particular between 30 and 50 mm.
  • the glass substrates of the or each photovoltaic device and the or each hot water solar collector, and the transition glass substrates are formed of hardened monolithic glass or laminated glass. They can alternatively be double glazed, except for photovoltaic devices.
  • the glass substrates of the or each photovoltaic device and the or each hot water solar collector, and the transition glass substrates, are fixed together by fastening means, such as hooks.
  • the glass substrates of the or each photovoltaic device and / or the or each hot water solar collector, and optionally the transition glass substrates, comprise functional coatings of anti-reflective type, and / or low-emissive.
  • the roof is arranged on a frame to which are associated the rear structure of the hot water solar collector, and optionally the rear structure of hot air thermal collectors whose front structure consists of transition substrates.
  • the frame advantageously comprises thermal insulation means, which comprise a film capable of reflecting heat and arranged opposite the inner face of the cover. This heat reflecting film may be the heat insulator of the absorber of the hot water and hot air sensors.
  • FIG. 1 is a perspective view of a roof according to the invention associated with a frame
  • FIGS. 2a and 2b are partial sectional views of Figure 1 according to two embodiments of assembly of the cover of the roof;
  • FIG. 3 is a schematic top view of the roof of Figure 1;
  • FIG. 4 is a side view and in section along the axis C-C of Figure 3;
  • FIG. 5 illustrates a sectional view and from above of Figure 1;
  • - Figure 6 is a partial elevational view with a section along the axis B-B of Figure 3.
  • FIG. 1 illustrates a solar roof 1 according to the invention mounted on the frame 1A of a dwelling not shown.
  • the frame is understood by all the means of support and help in fixing the roof.
  • the roof 1 preferably has a slope, like most roofs, defining a ridge 12.
  • the roof 1 comprises a cover 2 formed by the combination of a plurality of glass substrates 20, 21 and 22 planes, giving an appearance of unitary surface and continuous.
  • the cover 2 has an upper face 10 facing the external environment and intended to receive the light energy, and an inner face 11 opposite, facing the frame 1A.
  • the glass substrates 20 to 22 form only part of the cover, the remainder may consist of conventional coating means, such as tiles or slates.
  • the glass substrates will be integrated so as to be coplanar with the other covering means to establish a substantially planar surface coating.
  • the glass substrates 20 to 22 do not have a metal frame so as to avoid thermal bridges.
  • the glass substrates are composed of hardened monolithic glass, or laminated glass comprising for example a glass sheet, a spacer made of a polymer material, and another glass sheet or a plastic film. It is also possible to consider insulating glass, except for photovoltaic devices.
  • the composition of the glass substrates will in particular be chosen according to the destination of the substrate, as for use for photovoltaic devices (substrates 20), a hot water sensor (substrates 22), and a simple transition cover or hot air sensors (substrates 21).
  • the glass substrates are arranged relative to one another by overlapping in the manner of tiles or slates. They are assembled together by fastening means 23, such as hooks illustrated in Figure 2a.
  • fastening means 23 such as hooks illustrated in Figure 2a.
  • the roof needs an air supply, in particular to ensure the ventilation of the photovoltaic devices.
  • the air introduced between the tiles in the overlap area will be directly used.
  • the substrates are associated by not shown fastening means other than hooks and have, in their connection, air seals 24.
  • fastening means other than hooks and have, in their connection, air seals 24.
  • an air intake preferably at the level of the gutter located at the opposite free end of the ridge.
  • the glass substrates 20 to 22 advantageously comprise functional layers, such as an antireflection coating to minimize reflection losses and / or maximize the penetration of solar radiation.
  • the antireflection coating is preferably arranged on the two opposite faces of the substrates 21.
  • a low-emission coating can be provided to prevent thermal losses by reflecting the infrared passed through the substrates, and to confine them under the roof.
  • the low-emitting coating being disposed on the face opposite to that facing the external environment can replace an antireflection coating.
  • the glass substrates 20 to 22 can be screen printed on the face opposite to that facing the external environment, with a black frame to enhance the aesthetic unity of the entire cover 2, and possibly mask some elements arranged under the lower face 11 of the cover.
  • the solar roof 1 comprises at least one photovoltaic device 3 and at least one solar thermal collector 4 capable of delivering hot water.
  • the invention provides for placing the hot water sensor (s) 4 in the upper part (1B) of the roof, near the ridge (12), area where the heat is greatest, while the photovoltaic devices 3 are arranged in the lower part 1 C so as to minimize their overheating, otherwise lowering their efficiency.
  • the photovoltaic device (s) 3 and the hot water sensor (s) 4 may be adjacent, or preferably, as illustrated in FIG. 3, separated by a 1D transition zone.
  • Each solar hot water sensor 4 is arranged closer to the ridge 12, however away from the edges of the roof so as to eliminate losses by thermal conduction if the sensor was in contact with the ridge; a few centimeters are enough for this purpose.
  • each photovoltaic device 3 comprises a front structure 30 and a rear structure 31.
  • the front structure 30 consists of a glass roofing substrate 20
  • the rear structure 31 consists of photovoltaic cells of known type based on deposited semiconductor materials, during manufacture, on a support substrate made of glass or other material. These cells can even be encapsulated in glass.
  • the rear structure 31 is then attached in situ against the glass substrate 20.
  • the front structure 30 comprises a glass substrate 20 and the thin-film photovoltaic cells, while the rear structure 31 transparent, preferably glass, is reported against the front structure, especially during the installation of the roof.
  • the front structure 30 and the rear structure 31 form, in manufacture, a one-piece assembly incorporating the photovoltaic cells.
  • a plurality of substrates 20 form the structure 30, while the rear structure 31 is formed of a single surface extending under and associated with the plurality of substrates 20, the photovoltaic cells being integrated between the front and rear structures, preferably integral with the rear structure during manufacture.
  • the absorber 42 comprises an element in which circulates a heat transfer fluid.
  • This element may be made of plastic, such as EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) or PER (High Density Polyethylene Crosslinked), coated with an absorbent layer, preferably black.
  • the element is made of copper, welded to an absorbent sheet of solar radiation, itself of copper for example or aluminum, coated with an absorbent layer also black.
  • the absorber 42 is arranged at a distance h 2 from the canopy structure 40 so as to create an air gap 44 above the absorber.
  • the absorber is carried by the frame suspended or placed.
  • the thermal insulation 43 used to limit the heat losses can be arranged against the absorber, on the opposite side to that facing the front structure (not shown). Nevertheless, the thermal insulation 43 is preferably disposed at a distance hi from the absorber 42 as illustrated in FIG. 4, so as to create a space 45 for circulating the flow of air under the absorber so as to double the exchange surface between the hot air and the absorber.
  • the absorber must be quite close to the glass structure 40 because the heating of the fluid is obtained above all by heating the absorbent sheet of solar radiation. However, the presence of the air gap 44 of height h 2 makes it possible in a lower sunlight to heat the absorber by heat exchange with the hot air circulating in this zone.
  • the height hi is less than or equal to the height h 2
  • the size hi + h 2 is between 10 and 100 mm, in particular between 30 and 50 mm.
  • each solar hot water sensor 4 In order to, on the one hand, best contain the hot air in zones 44 and 45 to maximize the function of each solar hot water sensor 4 and, on the other hand, to provide effective ventilation around each device photovoltaic 3 to avoid overheating, it is preferable to have flow insulation barriers 46 and 47, visible by transparency in Figure 3, which extend perpendicular to the roof from the inner face 11 of the glass roof 2 and on each lateral side of the sensor 4, from the ridge towards the photovoltaic devices. This arrangement of the barriers ensures an opening on the area 1 C of the photovoltaic devices.
  • thermal insulation barriers are fixed to the rafters of the frame and for example made of insulating foam EPDM. They are preferably black in color, identical to that of the other elements of the absorber type 42 for the aesthetics of the roof.
  • Figure 5 is a schematic top view of the various elements, or associated with the roof at its rear structure. Are illustrated the barriers 46 and 47 arranged at a distance b, transversely to the slope of the roof, the hot water sensor 4, preferably greater than 5 cm. They preferably extend beyond the sensor 4 of a magnitude c, in the direction of the slope of the roof, of the order of 10 to 50 cm to provide a zone of temperature gradient between the transition zone 1 D and the bottom of the hot water solar collector 4. When a transition zone 1 D is provided, it extends between the end of the insulation barriers 46 and 47 and the photovoltaic devices 3 on a size d minimum rather between 10 and 50 cm.
  • the roof of the house with the roof of the invention comprises thermal insulation means which are arranged at the level of the frame at a distance from the roof.
  • FIG. 4 illustrates these thermal insulation means 13 which, in known manner, make it possible to isolate the interior of the house from cold and heat from the outside, and to reduce heat losses inside the house. housing.
  • the thermal insulation means 13 comprise successively, stacked from the opposite of the roof and in the direction thereof, an insulating mattress 13a based on thermal insulation fibers, of the mineral fiber or vegetable or animal type, or polystyrene base, and a vapor barrier film 13b whose face ensuring waterproofness is facing the roof.
  • a film 13c reflecting far infrared radiation is disposed on the vapor barrier film, a film 13c reflecting far infrared radiation.
  • This film has the advantage of returning the heat into the space between the thermal insulation means 13 of the roof 1 and contributes to the warming of the air in the zone 45 whose heat is captured by the absorber 42. It will be advantageous to use the Tyvek Reflex® material from Dupont de Nemours, which combines the elements 13b and 13c.
  • a porous black material 13d made of EPDM or felt, which would give the entire roof a black color in order to uniformly color the roof by transparency through the glass roof 2.
  • This material has the capacity to absorb solar radiation and increases the thermal efficiency of the or each solar hot water sensor 4 in the absence of hot air sensors 6.
  • convection means comprising air extractors are advantageously installed near the ridge 12 and under the roof, as shown in FIG. 6.
  • FIG. 6 there are provided in particular two lateral extractors 50 and 51 and a central extractor 52 according to the size of the roof.
  • the central extractor is arranged in the zone of the hot water solar collector 4, while the lateral extractors 50 and 51 are disposed respectively on either side of the insulating barriers 46 and 47.
  • the recovered hot air can also be recycled by supplying heat pump systems or air-water heat exchangers for the production of low temperature hot water for domestic heating, including seasonal storage systems preferably. arranged in the ground.
  • the photovoltaic devices 3 of the hot water solar collector (s) 4 may not be too close, providing a transition zone 1D as illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • transition zone may be added hot air heat sensors 6 of known type, visible in Figure 4, which absorb solar radiation and exchange effectively with the surrounding air.
  • the transition glass substrates 21 in this zone 1 D constitute the front structures 60 before the hot air heat sensors 6.
  • the absorbers 61 of the sensors 6 are arranged at a distance from the lower face 11 of the cover 2 and the thermal insulation means 13, or can be supported directly by the insulation means 13. The same distances hi and h 2 as those related to the absorber 42 of the hot water sensor 4 can be established.
  • these absorbers 61 of air sensors are constituted by the black material 13d when it is provided.
  • the hot air produced under the roof and entering the zone 1 B is particularly significant, which guarantees a very hot water for the each hot water sensor 4, directly usable for sanitary needs, unlike conventional hot water sensors.
  • the presence of the hot air extractors essentially the central extractor 52, ensures by controlled air suction a suitable cooling of the solar hot water sensor 4.
  • This regulation by the flow rate of the extractors and according to their zone of location makes it possible to modify the speeds of the air according to the zones of the roof.
  • the front structures of photovoltaic devices and hot water solar collectors provide a homogeneous glazing cover 2.
  • the mounting of this front structure is easily controllable, since it is simply to cover the roof with glass substrates. This implementation is carried out by the roofer without the necessary intervention of more specialized companies.
  • the configuration of the roof and the arrangement of the photovoltaic device (s) and the hot water sensor (s) make it possible to supply electricity and hot or even very hot water for supplying electrical and electrical needs. thermal housing.
  • the air extractors form complementary means that are effective in the energy performance of the roof. Their flow will be adapted according to the geographical zone of the house and the climate involving more or less sunshine. The flow rate will affect the speed of the air flow which may furthermore be different depending on the extraction zones. The flow rate regulation will advantageously be obtained by means of automated control means such as a variable speed drive and temperature sensors arranged in the appropriate areas.

Abstract

Cette toiture solaire (1 ) comprend au moins un dispositif photovoltaïque (3), comportant une structure avant (30) et une structure arrière (31 ), et au moins un capteur solaire (4) apte à délivrer de l'eau chaude, comportant une structure avant (40) et une structure arrière (41 ). Les structures avant respectives (30, 40) du dispositif photovoltaïque (3) et du capteur solaire (4) sont constituées de substrats verriers (20, 22) formant une couverture qui présente une face supérieure, destinée à être en regard de l'environnement extérieur, et une face opposée intérieure (11 ), les structures arrière respectives (31, 41 ) du dispositif photovoltaïque (3) et du capteur solaire (4) étant agencées sous la couverture, en regard de la face intérieure (11 ). Les substrats verriers (20, 22) sont dépourvus de cadres métalliques et associés entre eux, en étant éventuellement séparés par d'autres substrats verriers (21 ) de transition, de manière à former une couverture verrière unitaire et uniforme.

Description

TOITURE SOLAIRE
L'invention concerne une toiture solaire comportant des dispositifs aptes à capter l'énergie solaire pour fournir de l'énergie électrique et thermique, tels que des systèmes photovoltaïques générant de l'électricité et respectivement des capteurs solaires utilisés pour une production d'eau chaude.
Depuis quelques années, pour des raisons économiques, un intérêt certain quant à l'usage de l'énergie solaire s'est développé pour assurer en partie les besoins de consommation en électricité et /ou eau chaude, des habitations ou locaux commerciaux.
Pour fournir des besoins en électricité, il est connu de disposer sur les toitures des modules photovoltaïques comprenant des cellules photovoltaïques couplées en série les unes aux autres et générant un courant continu lorsqu'elles sont exposées à la lumière.
Un module photovoltaïque est généralement formé d'un panneau photovoltaïque intégrant les cellules photovoltaïques, et d'un cadre métallique entourant et portant le panneau, ce cadre intégrant par ailleurs les câbles pour la distribution électrique. Le panneau photovoltaïque est conçu au moins sur sa face avant en regard de l'environnement extérieur, avec un substrat verrier. A titre d'exemple, le panneau comprend un substrat verrier constituant donc sa face avant, un film plastique ou un substrat verrier constituant sa face arrière ; entre les substrats de face avant et face arrière sont insérés un ou plusieurs intercalaires polymères et un élément photovoltaïque, formé par un empilement de matériaux semi-conducteurs pris entre deux électrodes métalliques. Les matériaux semi-conducteurs sont par exemple à base de silicium cristallin ou de couches minces.
Pour les besoins spécifiques en eau chaude, en particulier pour une utilisation sanitaire et éventuellement de chauffage au sol ou mural, il est également connu de doter les toits de capteurs solaires. Ces capteurs se présentent notamment sous forme de modules, comprenant une couverture transparente, tel qu'un substrat verrier, et un absorbeur. L'absorbeur est un élément dans lequel circule un fluide caloporteur, tel que simplement de l'eau à réchauffer. La couverture transparente laisse passer le rayonnement solaire jusqu'à l'absorbeur pour chauffer le fluide y circulant, et confine avantageusement le rayonnement infrarouge, minimisant ainsi le refroidissement de l'absorbeur. En outre, afin d'éviter les déperditions thermiques de l'absorbeur, une isolation thermique est agencée à l'arrière et sur la périphérie du module.
Toutefois, selon l'ensoleillement ou certaines conditions de températures, telles que les conditions hivernales, ces capteurs solaires sont incapables de fournir une eau suffisamment chaude. Aussi est-il nécessaire de coupler la production d'eau à une installation complémentaire de chauffage de l'eau par le gaz ou l'électricité, ce qui au final engendre des coûts de production pas toujours rentables au regard du coût d'achat et d'installation de ces capteurs.
Par ailleurs, on connaît d'autres systèmes utilisant la ressource énergétique solaire tels que des modules thermiques fournissant de l'air chaud. A cet effet, la demande de brevet américain US 2006/0118163 propose non seulement de disposer des modules photovoltaïques sur un toit, mais également des modules thermiques à air chaud. Ces modules ou capteurs thermiques à air chaud comportent des substrats laissant passer l'énergie solaire, et un espace où de l'air est confiné pour être réchauffé grâce à ladite énergie. Des conduits de distribution sont connectés à ces modules pour capter l'air chaud, et assurer l'alimentation en air à réchauffer dans l'espace de confinement.
Cependant, si de tels modules thermiques peuvent être utilisés à la production d'air chaud, ils ne peuvent répondre à des besoins en production d'eau chaude dans la mesure où les échangeurs air/eau nécessiteraient une surface d'échange considérable et ne permettraient pas d'atteindre les températures requises pour l'eau chaude domestique, notamment sanitaire.
Il peut être envisagé d'agencer en combinaison sur les toits, ces modules photovoltaïques et capteurs solaires thermiques à air chaud et/ou à eau chaude. Toutefois, tels que configurés actuellement, ils conduisent à un investissement conséquent pour une habitation. En pratique, les particuliers choisissent plutôt une isolation performante de leur habitation, associée éventuellement à l'une ou l'autre des solutions de fourniture en énergie thermique et électrique décrites plus haut, mais cumulent rarement ces solutions.
De plus, ces modules photovoltaïques et capteurs solaires thermiques, bien que pouvant être intégrés à la toiture et rapportés sans être en saillie de la toiture, n'offrent pas une unité esthétique sur l'ensemble de la surface du toit.
L'invention a donc pour but de proposer une toiture solaire incorporant au moins un dispositif photovoltaïque et au moins un capteur solaire thermique de production d'eau chaude, cette toiture procurant les avantages suivants : - des coûts d'installation réduits, la fourniture d'un ensemble à rendement performant produisant, grâce au capteur solaire thermique et à la configuration exclusive de la toiture, sans nécessiter de systèmes complémentaires de réchauffement indépendants, une eau très chaude directement utile aux besoins sanitaires,
- une minimisation des pertes thermiques,
- une garantie esthétique.
A cet effet, l'invention a pour objet une toiture solaire comprenant au moins un dispositif photovoltaïque, comportant une structure avant et une structure arrière, et au moins un capteur solaire thermique apte à délivrer de l'eau chaude, dit capteur solaire à eau chaude, comportant une structure avant et une structure arrière, les structures avant respectives du dispositif photovoltaïque et du capteur solaire à eau chaude étant constituées de substrats verriers formant une couverture qui présente une face supérieure, destinée à être en regard de l'environnement extérieur, et une face opposée intérieure, les structures arrière respectives du dispositif photovoltaïque et du capteur solaire à eau chaude étant agencées sous la couverture, en regard de la face intérieure, caractérisée en ce que lesdits substrats verriers sont dépourvus de cadres métalliques et associés entre eux, en étant éventuellement séparés par d'autres substrats verriers, dits substrats de transition, de manière à former une couverture verrière unitaire et uniforme.
Ainsi, cette toiture combine plusieurs systèmes de récupération d'énergie aptes à produire de l'électricité et de l'eau chaude.
En outre, la configuration des structures avant des dispositifs photovoltaïques et des capteurs solaires, grâce à des substrats verriers similaires dans leur forme et leur apparence, fournit un revêtement, ou couverture, présentant une continuité de surface unitaire sans différence d'aspect, au moins au niveau de la zone rassemblant les dispositifs photovoltaïques et les capteurs solaires thermiques, et de préférence sur toute la superficie de la toiture.
Les toitures ne présenteront plus, comme c'est le cas actuellement, des disparités de hauteur et d'aspect au niveau de l'intégration de ces systèmes de récupération d'énergie.
De plus, conformément à l'invention, les dispositifs photovoltaïques et capteurs solaires à eau chaude de la toiture solaire sont dépourvus de cadres métalliques, ce qui permet une meilleure efficacité énergétique de la toiture solaire. En effet, des cadres métalliques entourant les dispositifs photovoltaïques et les capteurs solaires constituent des points d'arrêt pour l'écoulement aéraulique au sein de la toiture solaire, en convection naturelle ou forcée. L'absence de cadres métalliques permet de diminuer de manière significative les ponts thermiques et favorise un échange thermique homogène au sein de la toiture. Il en résulte un couplage sans discontinuité entre les dispositifs photovoltaïques et les capteurs solaires.
Enfin, cette couverture par des substrats verriers est simple à mettre en place, tout comme n'importe quelle couverture usuelle du type à tuiles ou ardoises. Les spécialistes aptes à fixer les capteurs solaires n'ont qu'à s'occuper de monter les structures arrière desdits dispositifs et capteurs, tandis que séparément le couvreur réalise la couverture de l'ensemble de la toiture.
De préférence, la toiture présente une pente définissant un faîtage, et comprenant une partie supérieure à proximité du faîtage, et une partie inférieure opposée, le ou chaque dispositif photovoltaïque étant agencé dans la partie inférieure, tandis que le ou chaque capteur solaire à eau chaude est disposé dans la partie supérieure.
Cette répartition des zones d'emplacement des dispositifs photovoltaïques et des capteurs solaires à eau chaude permet d'augmenter le rendement de l'ensemble.
Et pour optimiser ce rendement, la toiture comporte avantageusement, sous la face intérieure de la couverture et perpendiculairement à sa surface, deux barrières d'isolation thermiques qui sont agencées latéralement et de part et d'autre du ou de chaque capteur solaire à eau chaude, par exemple à une distance de 5 cm, et de manière à laisser ouverte la zone s'étendant en direction du ou des dispositifs photovoltaïques.
En effet, l'air se trouvant sous la toiture est avantageusement chaud ; sa chaleur est notamment procurée grâce au rayonnement solaire traversant la couverture verrière, et au réchauffement des dispositifs photovoltaïques. Les barrières d'isolation permettent donc, par leur configuration et leur agencement spécifique qui ne fait pas obstacle à l'air en provenance de la zone où se situent les dispositifs photovoltaïques, de confiner l'air chaud autour du capteur solaire à eau chaude, réduisant ses pertes thermiques et garantissant ainsi une eau très chaude.
De préférence, les barrières s'étendent au delà du capteur solaire à eau chaude, en particulier jusqu'à une distance comprise entre 10 et 50 cm. Cette zone en façade du capteur solaire à eau chaude assure un gradient de température entre l'air entrant dans cette zone et le bord du capteur évitant sinon un régime de turbulence qui aurait pour conséquence le refroidissement de l'air dans cette zone.
Avantageusement, la toiture comporte des moyens de convection forcée de flux d'air circulant sous la toiture. Ces moyens, comprenant en particulier un ou plusieurs extracteurs d'air, sont aptes à réguler le flux d'air circulant sous la toiture pour garantir, d'une part, une ventilation des dispositifs photovoltaïques, évitant leur trop fort échauffement, et, d'autre part, un apport forcé de flux chaud vers le ou chaque capteur solaire à eau chaude. Les extracteurs ont un débit réglable sélectivement selon leur zone d'emplacement et/ou selon les conditions climatiques. La régulation est en particulier obtenue à partir de la vitesse de rotation des moteurs des extracteurs, cette vitesse de rotation pouvant être commandée de manière automatisée par un variateur de vitesse.
En particulier, trois extracteurs d'air seront agencés sous la toiture. Ils seront de préférence respectivement disposés, lorsque deux barrières d'isolation thermique seront prévues à proximité du capteur solaire à eau chaude, dans la zone du capteur à eau chaude, dite zone centrale, et dans les deux zones adjacentes de part et d'autre desdites barrières.
Dans ce cas, il sera avantageux d'établir des débits d'extraction tels que la vitesse v2 de l'air dans la zone centrale du capteur solaire à eau chaude, et la vitesse Vi dans chacune des zones adjacentes présentent des valeurs différentes avec un ratio v2/vi adaptable suivant les conditions climatiques, la saison, ou l'heure de la journée.
En début de journée ou par climat froid, une faible vitesse de l'air sous les dispositifs photovoltaïques de l'ordre de 0,1 m/s suffit à les maintenir à basse température, et le système sera configuré de manière à diriger les calories vers la zone du capteur solaire à eau chaude. Seront en particulier envisagées les valeurs suivantes : Vi est compris entre 0 et 0,1 m/s, et V2 est compris entre 0,1 et 0,3 m/s.
A midi ou en période d'été, il est nécessaire d'établir une vitesse sous les dispositifs photovoltaïques supérieure à 0,3 m/s, et cela grâce à une vitesse vi> 0,3 m/s, la vitesse v2 étant ajustée de manière à gérer la température dans le capteur solaire à eau chaude. Si celle-ci est inférieure à 800C, on pourra appliquer une vitesse V2 inférieure ou égale à Vi. Mais lorsque cette température dépasse 800C, une vitesse v2 supérieure à Vi sera appliquée pour ventiler l'absorbeur à eau chaude et éviter une surchauffe qui pourrait sinon entraîner l'endommagement de l'appareil.
Ces différentes situations seront gérées par un automate de régulation, en disposant des capteurs de température aux endroits appropriés.
Comme exprimé plus haut, le dispositif photovoltaïque peut être séparé du capteur solaire à eau chaude par une zone de transition, la toiture présentant dans cette zone des substrats verriers, dit substrats de transition.
Un inconvénient particulièrement gênant pour les dispositifs photovoltaïques existants est l'élévation de température qui dégrade fortement leur rendement. La zone de transition est avantageuse pour permettre un effet de ventilation du ou des dispositifs photovoltaïques qui ainsi ne subissent pas de surchauffe en raison sinon d'une trop proche proximité du ou des capteurs solaires à eau chaude.
Cette zone de transition a pour fonction d'assurer que la vitesse de l'air sous les dispositifs ou modules photovoltaïques reste uniforme même lorsque les vitesses Vi et V2 seront très différentes. Elle a une dimension minimum qui est comprise entre 10 et 50 cm, selon la configuration du toit : pente, épaisseur de la lame d'air sous la toiture, système de montage. Il sera préférable de prendre des valeurs plus élevées et d'élargir la zone de manière à obtenir un meilleur découplage des vitesses entre Vi et v2, d'une part, et la vitesse de l'air sous les dispositifs photovoltaïques, d'autre part. En pratique, la dimension de cette zone pourra correspondre à la partie de la toiture qui n'est pas couverte par les substrats des dispositifs photovoltaïques et des capteurs solaires à eau chaude.
Lorsque la toiture présente une convexion forcée de flux d'air, cette zone de transition est avantageusement utilisée pour inclure des systèmes de récupération d'énergie complémentaires que sont des capteurs thermiques à air chaud aptes à générer de l'air chaud. Ces capteurs à air chaud comportent une structure avant constituée par les substrats verriers de transition, et une structure arrière sous la couverture comprenant un élément réfléchissant de l'énergie lumineuse.
Avantageusement, le ou les dispositifs photovoltaïques, le ou les capteurs solaires à eau chaude et le ou les capteurs thermiques à air chaud sont répartis chacun respectivement sur un tiers de la toiture.
Selon une autre caractéristique, la structure arrière du ou de chaque dispositif photovoltaïque comporte au moins un substrat de support associé à la structure avant, des cellules photovoltaïques étant agencées entre la structure avant et le ou les substrats de support de la structure arrière. Selon encore une autre caractéristique, la structure arrière du ou de chaque capteur solaire à eau chaude comporte un absorbeur agencé à une distance h2 de la structure avant dudit capteur, ainsi qu'un isolant thermique disposé sous l'absorbeur, à l'opposé de la couverture et de manière accolée à l'absorbeur ou à une distance hi de l'absorbeur telle que hi est inférieure à h2, hi et h2 étant de préférence telles que la grandeur hi+h2 est comprise entre 10 et 100 mm, en particulier entre 30 et 50 mm.
Les substrats verriers du ou de chaque dispositif photovoltaïque et du ou de chaque capteur solaire à eau chaude, et les substrats verriers de transition, sont formés de verre monolithique trempé ou de verre feuilleté. Ils peuvent en variante être en double vitrage, hormis pour les dispositifs photovoltaïques.
Les substrats verriers du ou de chaque dispositif photovoltaïque et du ou de chaque capteur solaire à eau chaude, et les substrats verriers de transition, sont fixés entre eux par des moyens de fixation, tels que des crochets.
Les substrats verriers du ou de chaque dispositif photovoltaïque et/ou du ou de chaque capteur solaire à eau chaude, et éventuellement les substrats verriers de transition, comportent des revêtements fonctionnels de type antireflet, et/ou bas-émissif.
La toiture est disposée sur une charpente à laquelle sont associées la structure arrière du capteur solaire à eau chaude, et éventuellement la structure arrière de capteurs thermiques à air chaud dont la structure avant est constituée des substrats de transition. La charpente comporte avantageusement des moyens d'isolation thermique, qui comprennent un film apte à réfléchir la chaleur et disposé en regard de la face intérieure de la couverture. Ce film apte à réfléchir la chaleur peut constituer l'isolant thermique de l'absorbeur des capteurs à eau chaude et à air chaud.
La présente invention est maintenant décrite à l'aide d'exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l'invention, et à partir des illustrations ci-jointes, dans lesquelles : - La figure 1 est une vue en perspective d'une toiture selon l'invention associée à une charpente ;
- Les figures 2a et 2b sont des vues partielles en coupe de la figure 1 selon deux modes de réalisation d'assemblage de la couverture de la toiture ; - La figure 3 est une vue schématique de dessus de la toiture de la figure 1 ;
- La figure 4 est une vue de côté et en coupe selon l'axe C-C de la figure 3 ;
- La figure 5 illustre une vue en coupe et de dessus de la figure 1 ; - La figure 6 est une vue partielle en élévation avec une coupe selon l'axe B-B de la figure 3.
La figure 1 illustre une toiture solaire 1 selon l'invention montée sur la charpente 1A d'une habitation non illustrée. La charpente s'entend par tous les moyens de soutènement et d'aide à la fixation de la toiture. La toiture 1 présente de préférence une pente, comme la plupart des toitures, définissant un faîtage 12.
La toiture 1 comporte une couverture 2 formée par l'association d'une pluralité de substrats verriers 20, 21 et 22 plans, donnant un aspect de surface unitaire et continue. La couverture 2 présente une face supérieure 10, en regard de l'environnement extérieur et destinée à recevoir l'énergie lumineuse, et une face intérieure 11 opposée, en regard de la charpente 1A.
En variante, les substrats verriers 20 à 22 ne forment qu'une partie de la couverture, le reste pouvant être constitué de moyens usuels de revêtement, tels que des tuiles ou des ardoises. Les substrats verriers seront toutefois intégrés de façon à être coplanaires avec les autres moyens de couverture pour établir un revêtement de surface sensiblement plan.
Les substrats verriers 20 à 22 ne présentent pas de cadre métallique de manière à éviter les ponts thermiques.
Les substrats verriers sont composés de verre monolithique trempé, ou de verre feuilleté comprenant par exemple une feuille de verre, un intercalaire en matière polymère, et une autre feuille de verre ou un film en matière plastique. Il est également possible d'envisager des vitrages isolants, hormis pour les dispositifs photovoltaïques. La composition des substrats verriers sera en particulier choisie selon la destination du substrat, quant à une utilisation pour des dispositifs photovoltaïques (substrats 20), un capteur à eau chaude (substrats 22), et une couverture simple de transition ou des capteurs à air chaud (substrats 21 ).
En référence à la figure 2a, dans une configuration préférée, les substrats verriers sont disposés les uns par rapport aux autres par chevauchement à la manière de tuiles ou d'ardoises. Ils sont assemblés entre eux par des moyens de fixation 23, tels que des crochets illustrés sur la figure 2a. On peut citer à titre d'exemple le mode de fixation des tuiles verrières photovoltaïques commercialisées par la société SOLARWOOD.
Selon l'invention, la toiture a besoin d'une alimentation en air, en particulier pour assurer la ventilation des dispositifs photovoltaïques. Lorsqu'un tel assemblage des substrats n'est pas étanche, l'air s'introduisant entre les tuiles dans la zone de chevauchement sera ainsi directement utilisé.
Sur la variante de la figure 2b, les substrats sont associés par des moyens de fixation non représentés autres que des crochets et présentent, au niveau de leur liaison, des joints d'étanchéité à l'air 24. Afin de fournir une alimentation en air, il sera nécessaire de prévoir une prise d'air, de préférence au niveau de la gouttière se situant à l'extrémité libre opposée du faîtage.
Il est également possible d'envisager une combinaison de modes de fixation distincts, et d'associer les substrats sans ou avec étanchéité. Dans tous les cas, il est nécessaire de prévoir une ou des arrivées d'air depuis l'extérieur, entre les substrats lorsqu'il n'y a pas d'étanchéité, et/ou au niveau d'une ou de prises d'air spécifiques agencées de préférence en partie basse de la toiture.
Les substrats verriers 20 à 22 comportent avantageusement des couches fonctionnelles, telles qu'un revêtement antireflet pour minimiser les pertes en réflexion et/ou maximiser la pénétration du rayonnement solaire. Pour une application relative au capteur à air chaud, le revêtement antireflet est de préférence disposé sur les deux faces opposées des substrats 21. De même, un revêtement bas-émissif peut être prévu pour éviter les déperditions thermiques en réfléchissant les infrarouges ayant traversé les substrats, et les confiner sous la toiture. Le revêtement bas-émissif en étant disposé sur la face opposée à celle en regard de l'environnement extérieur peut remplacer un revêtement antireflet.
Enfin, les substrats verriers 20 à 22 peuvent être sérigraphiés sur la face opposée à celle en regard de l'environnement extérieur, avec un cadre noir pour renforcer l'unité esthétique de l'ensemble de la couverture 2, et masquer éventuellement certains éléments disposés sous la face inférieure 11 de la couverture.
Comme schématisé sur la figure 3 par des zones hachurées, la toiture solaire 1 comporte au moins un dispositif photovoltaïque 3 et au moins un capteur solaire thermique 4 apte à délivrer de l'eau chaude.
De manière avantageuse, lorsque la toiture présente une pente, l'invention prévoit de disposer le ou les capteurs à eau chaude 4 dans la partie supérieure 1 B de la toiture, à proximité du faîtage 12, zone où la chaleur est la plus importante, tandis que les dispositifs photovoltaïques 3 sont disposés dans la partie inférieure 1 C de manière à minimiser leur surchauffe, abaissant sinon leur rendement.
Le ou les dispositifs photovoltaïques 3, et le ou les capteurs à eau chaude 4, peuvent être adjacents, ou bien de préférence, comme illustré sur la figure 3, séparés par une zone de transition 1 D.
Chaque capteur solaire à eau chaude 4 est agencé au plus près du faîtage 12, toutefois à distance des bords de la toiture de manière à éliminer les pertes par conduction thermique si le capteur était au contact du faîtage ; quelques centimètres suffisent à cet effet.
Tel que visible sur la figure 4, chaque dispositif photovoltaïque 3 comporte une structure avant 30 et une structure arrière 31.
Selon le mode de fabrication du dispositif photovoltaïque, plusieurs configurations peuvent être envisagées.
Ainsi, la structure avant 30 est constituée par un substrat verrier 20 de couverture, tandis que la structure arrière 31 est constituée de cellules photovoltaïques de type connu à base de matériaux semi-conducteurs déposés, lors de la fabrication, sur un substrat de support en verre ou en un autre matériau. Ces cellules peuvent même être encapsulées dans du verre. La structure arrière 31 est alors rapportée sur place contre le substrat verrier 20.
En variante, la structure avant 30 comporte un substrat verrier 20 et les cellules photovoltaïques en couches minces, tandis que la structure arrière 31 transparente, de préférence en verre, est rapportée contre la structure avant, notamment lors de l'installation de la toiture.
Dans une autre variante encore, la structure avant 30 et la structure arrière 31 forment, à la fabrication, un ensemble monobloc intégrant les cellules photovoltaïques.
Il est aussi envisageable qu'une pluralité de substrats 20 forme la structure 30, tandis que la structure arrière 31 est formée d'une surface unique s'étendant sous et associée à la pluralité de substrats 20, les cellules photovoltaïques étant intégrées entre les structures avant et arrière, de préférence solidaires de la structure arrière à la fabrication.
Chaque capteur solaire à eau chaude 4 comprend, comme montré sur la figure 4, une structure avant 40 constituée par un ou plusieurs substrats verriers 22 de couverture, et une structure arrière 41 comportant un absorbeur 42 et un isolant thermique 43. On parlera de plusieurs capteurs solaires à eau chaude si plusieurs absorbeurs sont utilisés.
L'absorbeur 42 comporte un élément dans lequel circule un fluide caloporteur. Cet élément peut être en matière plastique, telle qu'en EPDM (Éthylène Propylène Diène Monomère) ou en PER (Polyéthylène Réticulé haute densité), revêtu d'une couche absorbante, de préférence de couleur noire. En variante, l'élément est en cuivre, soudé à une feuille absorbante du rayonnement solaire, elle-même en cuivre par exemple ou en aluminium, revêtue d'une couche absorbante également de couleur noire.
L'absorbeur 42 est agencé à une distance h2 de la structure avant verrière 40 de manière à créer une lame d'air 44 au-dessus de l'absorbeur.
L'absorbeur est porté par la charpente de manière suspendue ou posée.
L'isolant thermique 43 servant à limiter les déperditions de chaleur peut être agencé contre l'absorbeur, sur la face qui est opposée à celle en regard de la structure avant (non illustré). Néanmoins, l'isolant thermique 43 est de préférence disposé à une distance hi de l'absorbeur 42 telle qu'illustré sur la figure 4, de façon à créer un espace 45 de circulation de flux d'air sous l'absorbeur de manière à doubler la surface d'échange entre l'air chaud et l'absorbeur. L'absorbeur doit être assez proche de la structure verrière 40 car le chauffage du fluide est avant tout obtenu par réchauffement de la feuille absorbante du rayonnement solaire. Toutefois la présence de la lame d'air 44 de hauteur h2 permet lors d'un plus faible ensoleillement d'assurer le chauffage de l'absorbeur par échange thermique avec l'air chaud circulant dans cette zone.
La présence de l'espace 45 en dessous de l'absorbeur permet grâce à une circulation d'air chaud de chauffer l'absorbeur, également au niveau de sa face inférieure. De préférence, la hauteur hi est inférieure ou égale à la hauteur h2, et la grandeur hi+h2 est comprise entre 10 et 100 mm, en particulier comprise entre 30 et 50 mm.
Afin, d'une part, de confiner au mieux l'air chaud dans les zones 44 et 45 pour maximiser la fonction de chaque capteur solaire à eau chaude 4 et, d'autre part, d'assurer une ventilation efficace autour de chaque dispositif photovoltaïque 3 pour ne pas le surchauffer, il est préférable de disposer des barrières d'isolation de flux 46 et 47, visibles par transparence sur la figure 3, qui s'étendent perpendiculairement à la toiture depuis la face intérieure 11 de la couverture verrière 2 et de chaque côté latéral du capteur 4, depuis le faîtage en direction des dispositifs photovoltaïques. Cet agencement des barrières garantit une ouverture sur la zone 1 C des dispositifs photovoltaïques.
Ces barrières d'isolation thermique sont fixées aux chevrons de la charpente et par exemple constituées de mousse isolante en EPDM. Elles sont de préférence de couleur noire, identique à celle des autres éléments du type l'absorbeur 42 pour l'esthétique de la toiture. La figure 5 est une vue schématique de dessus des différents éléments, de ou associés à la toiture au niveau de sa structure arrière. Sont illustrées les barrières 46 et 47 agencées à une certaine distance b, transversalement à la pente du toit, du capteur à eau chaude 4, de préférence supérieure à 5 cm. Elles s'étendent de préférence au-delà du capteur 4 d'une grandeur c, dans le sens de la pente du toit, de l'ordre de 10 à 50 cm pour fournir une zone de gradient de température entre la zone de transition 1 D et le bas du capteur solaire à eau chaude 4. Lorsqu'une zone de transition 1 D est prévue, celle-ci s'étend entre l'extrémité des barrières d'isolation 46 et 47 et les dispositifs photovoltaïques 3 sur une grandeur d minimum plutôt comprise entre 10 et 50 cm.
Bien entendu, le toit de l'habitation doté de la toiture de l'invention comporte des moyens d'isolation thermique qui sont agencés au niveau de la charpente à distance de la toiture. La figure 4 illustre ces moyens d'isolation thermique 13 qui, de manière connue, permettent d'isoler l'intérieur de l'habitation du froid et de la chaleur depuis l'extérieur, et de diminuer les pertes thermiques à l'intérieur de l'habitation.
Les moyens d'isolation thermique 13 comportent successivement, empilés depuis l'opposé de la toiture et en direction de celle-ci, un matelas isolant 13a à base de fibres d'isolation thermique, du type fibres minérales ou végétales ou animales, ou à base de polystyrène, et un film pare-vapeur 13b dont la face assurant l'étanchéité à l'eau est en regard de la toiture.
Selon l'invention, est disposé sur le film pare-vapeur, un film 13c réfléchissant le rayonnement infrarouge lointain. Ce film a l'avantage de renvoyer la chaleur dans l'espace séparant les moyens d'isolation thermique 13 de la toiture 1 et participe au réchauffement de l'air dans la zone 45 dont la chaleur est captée par l'absorbeur 42. On utilisera avantageusement le matériau Tyvek Reflex® de la société Dupont de Nemours qui associe les éléments 13b et 13c.
On peut également disposer, par-dessus ou à la place du film réfléchissant 13c, un matériau noir poreux 13d en EPDM ou en feutre, qui donnerait la couleur noire à l'ensemble du toit pour uniformiser la couleur du toit par transparence au travers de la couverture verrière 2. Ce matériau a la capacité d'absorber le rayonnement solaire et permet d'augmenter l'efficacité thermique du ou de chaque capteur solaire à eau chaude 4 en l'absence de capteurs à air chaud 6.
Il est important de ne pas surchauffer l'espace environnant les dispositifs photovoltaïques 3 pour ne pas abaisser leur rendement. Il est ainsi réalisé selon l'invention une convection forcée de flux d'air pour assurer une ventilation efficace des dispositifs.
A cet effet, des moyens de convection comportant des extracteurs d'air sont avantageusement installés à proximité du faîtage 12 et sous la toiture, comme montré sur la figure 6.
En référence à la figure 6, il est prévu en particulier deux extracteurs latéraux 50 et 51 et un extracteur central 52 selon la dimension du toit. L'extracteur central est agencé dans la zone du capteur solaire à eau chaude 4, tandis que les extracteurs latéraux 50 et 51 sont disposés respectivement de part et d'autre des barrières d'isolation 46 et 47.
Cela permet idéalement d'extraire l'air chaud sous la toiture, et par l'arrivée d'air froid depuis l'extérieur, en particulier au niveau de la zone de jonction non étanche entre les substrats verriers, d'assurer une ventilation autour des dispositifs photovoltaïques. De plus, l'air chaud récupéré peut par ailleurs être recyclé en alimentant des systèmes de pompes à chaleur ou d'échangeurs air-eau pour la production d'eau chaude basse température pour le chauffage domestique, y compris des systèmes de stockage saisonnier préférentiellement agencés dans le sol.
Tel que déjà exprimé plus haut, on peut ne pas disposer trop près les dispositifs photovoltaïques 3 du ou des capteurs solaires à eau chaude 4, en prévoyant une zone de transition 1 D telle qu'illustrée sur les figures 3 et 4.
Au niveau de cette zone de transition peuvent être ajoutés des capteurs thermiques à air chaud 6 de type connu, visibles sur la figure 4, qui permettent d'absorber le rayonnement solaire et d'échanger efficacement avec l'air environnant. Les substrats verriers 21 de transition dans cette zone 1 D, constituent les structures avant 60 avant des capteurs thermiques à air chaud 6.
Les absorbeurs 61 des capteurs 6 sont disposés à distance de la face inférieure 11 de la couverture 2 et des moyens d'isolation thermique 13, ou peuvent être supportés directement par les moyens d'isolation 13. Les mêmes distances hi et h2 que celles liées à l'absorbeur 42 du capteur à eau chaude 4 peuvent être établies.
En variante, ces absorbeurs 61 de capteurs à air sont constitués par le matériau noir 13d lorsque celui-ci est prévu.
L'air chaud produit sous la toiture et rentrant dans la zone 1 B est particulièrement significatif, ce qui garantit une eau très chaude pour le ou chaque capteur à eau chaude 4, directement utilisable pour les besoins sanitaires, à la différence des capteurs à eau chaude conventionnels.
Par ailleurs, si l'eau est trop chaude, la présence des extracteurs d'air chaud, essentiellement l'extracteur central 52, assure par une aspiration régulée de l'air un refroidissement adapté du capteur solaire à eau chaude 4. Cette régulation par le débit des extracteurs et selon leur zone d'emplacement permet de modifier les vitesses de l'air en fonction des zones de la toiture.
Ainsi, selon l'invention, les structures avant des dispositifs photovoltaïques et des capteurs solaires à eau chaude fournissent une couverture verrière 2 homogène. Le montage de cette structure avant est aisément maîtrisable, puisqu'il s'agit simplement de couvrir le toit par des substrats verriers. Cette mise en œuvre est réalisée par le couvreur sans intervention nécessaire d'entreprises davantage spécialisées.
En outre, la configuration de la toiture et l'agencement du ou des dispositifs photovoltaïques et du ou des capteurs à eau chaude permettent de fournir de l'électricité et de l'eau chaude, voire même très chaude, pour alimenter en besoins électriques et thermiques l'habitation.
Enfin, les extracteurs d'air forment des moyens complémentaires efficaces à la performance énergétique de la toiture. Leur débit sera adapté en fonction de la zone géographique de l'habitation et du climat impliquant un ensoleillement plus ou moins fort. Le débit agira sur la vitesse du flux d'air qui pourra en outre être différent selon les zones d'extraction. La régulation des débits sera avantageusement obtenue grâce à des moyens de commande automatisée tels qu'un variateur de vitesse et des capteurs de température disposés dans les zones appropriées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Toiture solaire (1 ) comprenant au moins un dispositif photovoltaïque (3), comportant une structure avant (30) et une structure arrière (31 ), et au moins un capteur solaire à eau chaude (4), comportant une structure avant (40) et une structure arrière (41 ), les structures avant respectives (30, 40) du dispositif photovoltaïque (3) et du capteur solaire à eau chaude (4) étant constituées de substrats verriers respectifs (20, 22) formant une couverture (2) qui présente une face supérieure (10), destinée à être en regard de l'environnement extérieur, et une face opposée intérieure (11 ), les structures arrière respectives (31 , 41 ) du dispositif photovoltaïque (3) et du capteur solaire à eau chaude (4) étant agencées sous la couverture (2), en regard de la face intérieure (11 ), caractérisée en ce que lesdits substrats verriers (20, 22) sont dépourvus de cadres métalliques et associés entre eux, directement ou en étant séparés par d'autres substrats verriers (21 ) dits de transition, de manière à former une couverture verrière (2) unitaire et uniforme.
2. Toiture selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle présente une pente définissant un faîtage (12), et comprenant une partie supérieure (1 B) à proximité du faîtage, et une partie inférieure (1 C) opposée, le ou chaque dispositif photovoltaïque (3) étant agencé dans la partie inférieure, tandis que le ou chaque capteur solaire à eau chaude (4) est disposé dans la partie supérieure.
3. Toiture selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte, sous la face intérieure (11 ) de la couverture (2) et perpendiculairement à sa surface, deux barrières d'isolation thermiques (46, 47) qui sont agencées latéralement et de part et d'autre du capteur solaire à eau chaude (4), et de manière à laisser ouverte la zone s'étendant en direction du dispositif photovoltaïque (3).
4. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de convection forcée de flux d'air circulant sous la toiture, notamment des extracteurs dont le débit est réglable sélectivement selon leur zone d'emplacement et/ou selon les conditions climatiques.
5. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif photovoltaïque (3) est séparé du capteur solaire à eau chaude (4) au niveau d'une zone de transition
(1 D) comportant des capteurs thermiques à air chaud (6) aptes à générer de l'air chaud et dont la structure avant (60) est constituée par lesdits substrats verriers de transition (21 ).
6. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure arrière (31 ) du dispositif photovoltaïque comporte au moins un substrat de support associé à la structure avant (30), des cellules photovoltaïques étant agencées entre la structure avant et le ou les substrats de support de la structure arrière.
7. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure arrière (41 ) du capteur solaire à eau chaude (4) comporte un absorbeur (42) agencé à une distance h2 de la structure avant (40) dudit capteur ainsi qu'un isolant thermique (43) disposé sous l'absorbeur, à l'opposé de la couverture (2) et de manière accolée ou à une distance hi de l'absorbeur, hi et h2 étant telles que la grandeur hi+h2 est comprise entre 10 et 100 mm, en particulier entre 30 et 50 mm.
8. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ou les dispositifs photovoltaïques (3), le ou les capteurs solaires à eau chaude (4) et un ou des capteurs thermiques à air chaud (6) sont répartis chacun respectivement sur un tiers de la toiture.
9. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les substrats verriers (20, 22) et les substrats verriers de transition (21 ) sont formés de verre monolithique trempé ou de verre feuilleté, ou de double vitrage hormis pour le ou les dispositifs photovoltaïques.
10. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les substrats verriers (20, 22) et les substrats verriers de transition (21 ) sont fixés entre eux par des moyens de fixation (23), tels que des crochets.
11. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les substrats verriers (20, 22), et éventuellement les substrats verriers de transition (21 ), comportent des revêtements fonctionnels de type antireflet, et/ou bas-émissifs.
12. Toiture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est disposée sur une charpente (1A) à laquelle sont associées la structure arrière (41 ) du capteur solaire à eau chaude (4), et éventuellement la structure arrière (61 ) de capteurs thermiques à air chaud (6) dont la structure avant (60) est constituée des substrats de transition (21 ).
13. Toiture selon la revendication 12, caractérisée en ce que la charpente (1A) comporte des moyens d'isolation thermique (13), qui comprennent un film apte à réfléchir la chaleur (13c) disposé en regard de la face intérieure (11 ) de la couverture (2), qui est apte à constituer un isolant thermique pour les absorbeurs du ou de chaque capteur solaire à eau chaude (4) et capteur thermique à air chaud (6).
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