WO2023217423A1 - Panneau solaire photovoltaïque et thermique - Google Patents

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WO2023217423A1
WO2023217423A1 PCT/EP2023/053512 EP2023053512W WO2023217423A1 WO 2023217423 A1 WO2023217423 A1 WO 2023217423A1 EP 2023053512 W EP2023053512 W EP 2023053512W WO 2023217423 A1 WO2023217423 A1 WO 2023217423A1
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WO
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solar panel
hybrid solar
profile
heat exchanger
wall
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/053512
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English (en)
Inventor
Laetitia Brottier
Jerome Mouterde
Original Assignee
Dualsun
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    • F24S2080/03—Arrangements for heat transfer optimization

Definitions

  • the present invention relates to a photovoltaic and thermal (hybrid) solar panel.
  • the invention also relates to the assembly of the heat exchanger of such a hybrid panel, this exchanger being particularly easy to assemble and disassemble, in particular for the replacement of defective parts.
  • the invention relates to the technical field of heat exchangers for the thermal control of hybrid solar panels.
  • a hybrid solar panel works with both photovoltaic sensors (to produce electricity) and thermal sensors (to produce heat).
  • photovoltaic cells On the upper side of the panels, on the sun side, photovoltaic cells produce electricity from solar rays.
  • thermal solar collectors capture the heat emitted by the sun.
  • Photovoltaic solar panels produce electrical energy from solar radiation. They include a plurality of photovoltaic elements (cells or thin layers) which operate according to the principle of the photoelectric effect.
  • Photovoltaic solar panels convert only a relatively small portion of solar radiation into electricity, the rest being unused heat. This heat is unfavorable for the electrical performance of the solar panels since we can see a reduction in the efficiency of the photovoltaic elements with the temperature of approximately -0.45%/°C. This is why it is doubly interesting to cool photovoltaic solar panels. In Indeed, not only does the efficiency of photovoltaic elements increase, but the cooling calories can be used in more or less complex heating systems. We are then talking about hybrid solar panels capable of simultaneously producing electrical energy and thermal energy.
  • a heat exchanger is placed opposite the rear face of the photovoltaic module so as to cool the latter.
  • Patent document WO 2012/069750 proposes a hybrid solar panel composed of a heat exchanger comprising a heat exchange zone in contact with the photovoltaic elements.
  • This exchange zone has elements making it possible to disrupt the flow of a cooling fluid.
  • this configuration requires quite complex manufacturing of the exchanger, but above all a significant cost.
  • the exchanger is preferably made of metal (stainless steel), further increasing the cost as well as the weight of the panel.
  • Document EP 2284910 is also known in which the proposed device consists of the photovoltaic module and a heat exchanger placed opposite the rear face of said module. At least the upper face of the exchanger is made of plastic, thus reducing costs and the weight of the panel.
  • the proposed exchanger includes a heat exchange zone placed under the photovoltaic module and in which a cooling fluid flows. This fluid moves in internal channels extending from a fluid inlet zone to an discharge zone.
  • the present invention is intended to be applied or used with a heat pump so that the heat transfer fluid, circulating in the heat exchanger of the hybrid solar panel, is colder than the air.
  • the invention intends to remedy the disadvantages of hybrid panels of the prior art.
  • an objective of the invention is to simplify the design of exchangers for hybrid solar panels so as to reduce manufacturing and assembly costs.
  • Another objective of the invention is to propose a heat exchanger whose configuration makes it possible to obtain optimized energy efficiency for operation as a cold source for a brine/water heat pump.
  • An additional objective of the invention is to improve heat exchanges firstly between the heat exchanger and the ambient air, but also between the heat exchanger and the photovoltaic module.
  • the main objective is the loss in the air-heat transfer fluid exchange and a secondary objective aims to cool the photovoltaic module in the heat transfer fluid-photovoltaic module exchange.
  • Another objective of the invention is to be installable on a roof, so that it is necessary to lighten the hybrid solar panel and to have dimensions compatible with roof installation systems (also known as mounting systems) classic in the photovoltaic sector.
  • Yet another objective of the invention lies in the fact that the hybrid solar panel must be usable as a cold source for a brine/water heat pump, in particular, it is necessary to maintain a stable pressure, of reduce pressure losses in the channels and improve the homogeneity of fluid circulation.
  • a photovoltaic module comprising a front face and a rear face
  • a heat exchanger in particular for the dissipation of thermal energy coming from the photovoltaic module, comprising a lower face and an upper face, said upper face being arranged opposite the rear face of the photovoltaic module, the exchanger thermal comprising at least one circulation conduit for the transport of a heat transfer fluid as well as two collectors, one inlet and the other outlet, respectively for the introduction and evacuation of the heat transfer fluid circulating in the conduit traffic,
  • the elastic element adapted to exert a compressive force against the lower face of the exchanger so that said exchanger is pressed against the rear face of the photovoltaic module, the elastic element is supported against at least one support element , said support element being in connection with the frame so that at least part of the compressive force exerted by the elastic element on the support element is taken up by said frame, the support element is arranged under the exchanger and extends across the width and/or length of said exchanger.
  • the heat exchanger comprises at least one monobloc profile resulting from extrusion, said profile comprising a wall forming the above lower and upper faces of the heat exchanger, and in that said profile comprises : - a plurality of longitudinal fins extending substantially perpendicularly from the lower face of the heat exchanger or the said wall, and
  • this one-piece structure of the profile allows operators easy and rapid assembly and disassembly of the heat exchanger.
  • the heat exchange zone of the exchanger is made up solely of this one-piece profile.
  • the heat exchange zone of the exchanger is conventionally made up of a plurality of single-piece profiles and the operator only has to change one or more of said profiles to carry out its maintenance.
  • the thermal energy dissipating means (the fins) is separate from the pipe, or portion of the pipe, transporting the heat transfer fluid.
  • the pipe, or portion of pipe is not positioned at a distance from the wall of the profile (the pipe is here directly connected to it), in particular by considering this pipe or portion of pipe on or in the extension of the fins .
  • a particularly interesting aspect of the invention lies in the modular aspect of the heat exchanger equipped with this one-piece profile, constituting in itself the heat exchange zone, comprising both the energy dissipating means and the conduit carrying the heat transfer fluid.
  • the heat exchanger is conventionally composed of a plurality of one-piece profiles joined together to cover the heat exchange zone of a photovoltaic module.
  • This operation due to the one-piece nature of the profile or modular nature of the heat exchanger (the “heat exchange zone” module being reduced or limited to a single part), is particularly easy and quickly carried out.
  • heat transfer fluid means any type of fluid, with a liquid or gaseous base (or a mixture of the two, or even nanofluids consisting of nanometric metallic particles in suspension), presenting physicochemical properties making it capable of recovering thermal energy at a heat exchange zone and then returning it to a so-called release or dissipation zone.
  • halogenated fluids two-phase “liquid- steam”
  • carbon dioxide type gas two-phase "liquid-solid”
  • aqueous solutions based on inorganic salts such as calcium chloride, potassium carbonate or even aqueous solutions based on inorganic salts such as as calcium chloride, potassium carbonate.
  • photovoltaic module refers to the part of the hybrid panel capable of capturing the energy coming from light rays for its transformation into electrical energy.
  • the wall of the profile is uninterrupted and forms a square or rectangle.
  • the wall of the profile or of the heat exchanger forming the heat exchange zone does not have any hole, orifice, cutout of any kind and advantageously has a corresponding shape - at least partially when several profiles are necessary to cover the heat exchange zone - that of the photovoltaic module.
  • the shape of the profile is advantageously adapted to the junction boxes, that is to say the locations of the latter, used to recover the electrical energy supplied by the photovoltaic module.
  • a cutout is made in a profile to accommodate the junction box(es).
  • the above-mentioned one-piece profile is made of aluminum.
  • the hybrid solar panel comprises at least two support elements arranged under the exchanger, which support elements are in the form of bars installed at regular intervals along the length and/or width of said exchanger.
  • the support elements consist of metal bars, advantageously aluminum, fixed at their two ends opposite the rigid frame.
  • these aluminum metal bars consist of hollow profiles, of rectangular section or cross-section having at least two sections/cuts, hence excellent mechanical resistance, in particular low deflection under compression, while being particularly light.
  • the above collectors are made of copper or aluminum, preferably aluminum.
  • galvanic insulation sleeves are used at the connection.
  • the advantage of using aluminum to make the collectors lies in particular in the absence of these galvanic sleeves.
  • the profile comprises at least two circulation conduit portions.
  • the profile comprises three or even four or more conduit portions, depending on the specific dimensions of the profile.
  • the above-mentioned circulation conduit is fixed to the collectors via a connection portion fixed to said collectors, said connection portion also being fixed to the circulation conduit, the fixings being advantageously mechanical, by fitting, and/or welded.
  • connection portions fixed to the collectors and to the conduit are fixed mechanically by fitting, with the additional help of a seal, or welded, or even welded on one side (for example with the collector) and mechanically fitted on the other (for example with the conduit).
  • the connection portion is made of aluminum, brass or copper or an alloy based on copper and brass, or even stainless steel. Again, if this connection is made of brass or copper while the profile is made of aluminum, the connection includes galvanic insulation - typically in the form of a sleeve - to protect from or against corrosion.
  • connection portion is bent so that the two collectors are arranged in such a way as to be included entirely outside the interior volume formed by the aforesaid rigid frame, in other words these collectors exceed the plane containing the interior face of the rigid frame.
  • connection portion extends substantially linearly so that the two collectors are arranged in such a way as to be included entirely in the interior volume formed by the aforesaid rigid frame, in other words not to exceed the plane containing the interior face of the rigid frame.
  • the above elastic element consists of a corrugated Q-shaped metal blade, advantageously fixed mechanically under pressure on or against the wall of the profile.
  • this metal strip has at least one glue (or bonding) point at one of its ends.
  • the collectors are connected to an inter-panel connection module allowing the connection of the exchangers of a plurality of hybrid solar panels.
  • said panel comprises a plurality of elastic elements distributed along the length of each support element.
  • the heat exchanger comprises a plurality of said profiles arranged next to each other.
  • the elastic elements are distributed homogeneously over the entire surface of the lower face of the exchanger.
  • the wall of the profile is perfectly kept constantly pressed against the rear face of the photovoltaic module.
  • FIG. 1 is a schematic sectional representation of the different layers forming the photovoltaic module.
  • FIG. 2 is a schematic view from the rear of the hybrid solar panel on which we see in particular support elements, elastic elements as well as the rigid frame.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view, according to the section of plane B visible in Figure 2, on which we see the interaction of the profile according to the invention with a support element and the photovoltaic module.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view, according to the section of plane B visible in Figure 2, on which we see only the heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic view in which we see the rear of the hybrid solar panel according to the invention.
  • FIG. 6 is a figure identical to Figure 5 in which we see precisely the conduits or portions of conduit connecting the inlet and outlet or evacuation collectors on either side.
  • FIG. 7 is a view of a portion of a profile on which we see in particular a support element constraining three elastic elements acting under pressure on the lower face of the profile.
  • FIG. 8a is a schematic profile view of an elastic element according to the invention.
  • FIG. 8b is a schematic perspective view of an elastic element according to the invention.
  • FIG. 9 is a schematic view of a collector, inlet or outlet, according to a first embodiment in which elbow connectors are provided to connect said collector to each conduit or portion of conduit of the heat exchanger.
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of an elbow fitting according to this first embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic view of a collector, inlet or outlet, according to a second embodiment in which linear connections are provided to connect said collector to each conduit or portion of conduit of the heat exchanger.
  • FIG. 12 is a schematic view of an inter-panel connection module for connecting a heat exchanger of a first panel to a heat exchanger of a second panel.
  • FIG. 13 is a schematic sectional view of a support element.
  • FIG. 14 is a schematic representation of an alternative embodiment of the one-piece profile and the fins extending over said profile.
  • FIG. 15 is another representation of the variant illustrated in [Fig. 14] in which the fins are modified.
  • the solar panel P object of the invention is a hybrid panel, that is to say it is capable of simultaneously producing electrical energy and thermal energy. It is intended to be used alone or in combination with other similar panels, so that the electrical and thermal energy it produces can be used by a home or an energy system.
  • the solar panel P comprises a photovoltaic module 1 having a front face 12 and a rear face 11.
  • the front face 12 is left free so that it can receive solar radiation.
  • Around 80% of the solar energy received is dissipated in the panel P.
  • the presence of a heat exchanger 2 placed opposite the rear face 11 of the photovoltaic module 1 makes it possible to recover the heat accumulated or dissipated in the photovoltaic module 1.
  • the photovoltaic module 1 comprises at least one, and advantageously several photovoltaic elements 1a placed in the same plane.
  • the latter are electrically connected to each other, in series or in parallel, and are generally encapsulated, for example in a thermoplastic polymer 1 b, 1c such as ethylene vinyl acetate (EVA) or even silicone to form the photovoltaic module 1
  • a thermoplastic polymer 1 b, 1c such as ethylene vinyl acetate (EVA) or even silicone to form the photovoltaic module 1
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • the front face 12 of the photovoltaic module 1 exposed to the radiation is covered with a transparent plate 1 d, such as for example a glass plate.
  • a layer 1e of electrical insulating material called a “backsheet” is added to the rear face 11 of the photovoltaic module 1.
  • This layer 1e provides, in addition to electrical insulation, a sealing function between the photovoltaic module 1 and the heat exchanger 2.
  • This layer 1e can, for example, be a polyvinyl fluoride film or a glass plate , and makes it possible to prevent rain and/or humidity in the ambient air from coming into direct contact with the photovoltaic module 1, thus avoiding any electrical problem, such as for example false contacts or short circuits.
  • the heat exchanger 2 is located under the photovoltaic module 1 so as not to obstruct solar radiation.
  • the exchanger is preferably in direct contact with the backsheet. However, in the embodiment shown in Figure 4, a layer 7 of pasty and/or malleable material is added and inserted between the rear face 11 of the photovoltaic module 1 and the upper face 21a of the heat exchanger 2.
  • the use of a pasty and/or malleable material 7 makes it possible to maintain the photovoltaic module 1 and the heat exchanger 2 in contact despite possible deformations of the latter, while avoiding the presence of air between these two elements.
  • the thickness of layer 7 can vary from 0.1 mm to 1 cm (centimeter), preferably less than 1 mm, so as to have a thin layer 7 allowing heat to pass despite the fact of using a material thermal insulator.
  • the material used is preferably a gel, but can also be in the form of a viscoelastic material, a glue, a polymer, or any other form suitable to those skilled in the art.
  • the heat exchanger 2 has three main zones: an arrival zone ZA of the cooling fluid, a heat exchange zone ZE and an evacuation zone ZV of said fluid.
  • the photovoltaic module 1 is preferably positioned opposite the exchange zone ZE, but can also be located at least partially above the arrival zones ZA and evacuation zones ZV.
  • the exchange zone ZE can for example represent from 70% to 100%, preferably at least 85% or even at least 95%, of the surface of the photovoltaic module 1.
  • the cooling fluid which can typically consist of glycol water, circulates in the heat exchanger 2 in order to recover the calories from the photovoltaic module 1. It is conveyed via a circuit of supply and always circulates in the same direction in the exchanger 2, from the arrival zone ZA to the evacuation zone ZV via the heat exchange zone ZE.
  • the heat exchanger 2 is composed of a rectangular, or even square, wall 33 and collectors 3a, 3b.
  • the collectors 3a, 3b respectively form the arrival zones ZA and evacuation zones ZV, while the exchange zone ZE is constituted by the profile(s) 30.
  • the hydraulic diameter of the collectors 3a, 3b is advantageously greater than that of the conduits or portions of conduit 31 so that their pressure loss is lower than that of the conduits 31. So when the cooling fluid arrives in the arrival zone ZA, it will first fill the latter before entering the conduits 31. Likewise, the fluid will be able to evacuate without constraint in the evacuation zone ZV. The fluid will thus circulate in the conduits 31, homogeneously, without preferential circuit and throughout the entire heat exchange zone ZE.
  • the heat exchanger 2 does not protrude from the plane C formed by the rigid frame 6, that is to say the line or the plane C joining the lower lateral ends of the frame 6 on the side where the heat exchanger 2 is fixed.
  • the support element(s) 4 are fixed at their opposite ends directly or indirectly to the rigid frame 6.
  • This support element(s) 4 advantageously do not protrude from the plane or line C, otherwise said these support elements 4 do not protrude outside the frame 6.
  • FIG. 4 to 6 also illustrate one or more junction boxes 40 intended to recover the electrical energy recovered or generated by the photovoltaic module 1. These junction boxes 40 are advantageously located at a distance in particular from the conduit or the portion of conduit 31 so that there is no risk of contact between these boxes 40 and a conduit 31 in which a fluid circulates.
  • a particularity of the hybrid solar panel according to the invention lies in the heat exchanger 2 and its modularity, namely the fact that the heat exchange zone ZE of the heat exchanger 2 is formed by a one-piece profile, from extrusion, comprising both the conduit or portion of conduit 31 and the heat dissipating means, that is to say the fins 32. In doing so, the heat dissipating means 32, the wall 33 and the conduit or the conduit portion 31 form a single homogeneous assembly, made of a single material.
  • the heat exchanger 2 appears as a “harp” due to the parallel alignment of the energy dissipating means 32 and the conduit 31 between the two collectors 3a, 3b extending perpendicular to said means 32 and said conduit 31.
  • thermal energy dissipating means 32 An important aspect of the heat exchanger 2 according to the invention lies in the mechanical nature of the thermal energy dissipating means 32, that is to say that this means 32 consists of a passive structural element requiring no energy to be implemented. This thermal energy dissipating means 32 operates essentially by thermal conduction through the material of the profile 30.
  • FIG. 6 illustrates more precisely the path of the heat transfer fluid within the conduit or the portion of conduit 31.
  • six profiles 30 are necessary to cover the heat exchange zone ZE and each profile 30 comprises two conduits or portions of conduit 31.
  • the junction boxes 40 are positioned or located between two profiles 30, a wallless space 33 being dedicated to these junction boxes 40.
  • an advantageous feature of the invention lies in the fact that the conduits or portions of conduit 31 extend parallel to the thermal energy dissipating means 32.
  • FIGs 8a and 8b illustrate an embodiment of the elastic element 15 consisting here of a substantially omega blade having a certain elasticity.
  • This metal blade is advantageously metallic, for example consisting of a sheet metal, having a thickness of 1 mm to 10 mm, preferably of 1 mm to 3 mm.
  • These strips or blades 15 thus have two relatively flat ends intended to rest on the lower surface 21 b of the wall 33 of the profile 30.
  • These blades or strips 15 advantageously have a width slightly less than the inter-fin space, i.e. the distance between two contiguous fins.
  • these elastic elements 15 have the primary function of ensuring, in cooperation with the support elements 4, the constant pressing of the heat exchange wall 33 against the photovoltaic module 1.
  • the elements 15 advantageously comprise lugs or protuberances 16 intended to come into pressure against the fins 32.
  • the elastic element 15 is mechanically fixed - without any other force - by simple contact or friction with or against the profile 30.
  • only one end of the elastic element 15 is thus fixed with these lateral protuberances/lugs 16 so as to be able to deform elastically under the action of the support element.
  • These elastic elements 15 can otherwise be glued at least one of their flat ends to the wall 33 using tape or any other similar means allowing the elastic element 15 to be fixed.
  • FIGS 9 and 10 illustrate an embodiment of the invention in terms of the production of the collectors 3a, 3b and their connections with the conduits or portions of conduit 31.
  • the collectors 3a, 3b are located outside the plane C defined by the lower lateral limits of the rigid frame 6.
  • the connection between the conduits or portions of conduit 31 and the collectors 3a, 3b consists of an elbow connector 35 forming an arc of circle d 'about or approximately 90°.
  • This elbow connector 35 is on the one hand welded to the collectors 3a, 3b and on the other hand fixed by fitting to the end of the conduit or the conduit portion 31 of the profile 30. A seal ensures the tightness of this fixing mechanical by fitting.
  • the collectors 3a, 3b are connected to an inter-panel connection 50 for the circulation of the heat transfer fluid between all the heat exchangers 2 of the different panels P when the system comprises a plurality of panels P according to the invention.
  • collectors 3a, 3b are present in the plane C or in other words do not protrude outside this plane C. This mode of realization is visible on the figure 11.
  • connections 36 are linear, that is to say that these connections 36 extend linearly from one of the collectors 3a or 3b to the end of a conduit or a portion of conduit 31.
  • Each collector 3a, 3b has at its two ends an elbow end which allows said end of the collector 3a or 3b to be connected to the inter-panel connection 50.
  • the support element 4 advantageously consists of a hollow or empty metal profile.
  • This support element 4 advantageously has a cross section defining a figure eight or in other words two contiguous rectangular sections.
  • Such a configuration of the support element 4 gives it optimal mechanical strength so as not to exceed this plane C despite the elastic compression constraints, great lightness and a certain elasticity.
  • this support element 4 is made of aluminum.
  • FIGS 14 and 15 illustrate a variant embodiment of the profile 30.
  • the profile 30 comprises, in addition to the wall 33, a closing counter-wall 60 to form circulation conduits 31 for the heat transfer fluid.
  • This counter-closing wall 60 extends from the wall 33, in other words the wall 33 is extended by this counter-closing wall 60 so as to form a plurality of circulation conduits 31.
  • each profile 30 comprises over its entire width a plurality of circulation conduits 31 which allows the heat transfer fluid to circulate in the immediate vicinity of the photovoltaic module 1, like the mode of execution shown in Figure 7.
  • the heat transfer fluid circulates over the entire contact section of the profile 30 with the photovoltaic module 1, this which makes it possible to further optimize the caloric/thermal exchanges between the photovoltaic module 1 and the heat transfer fluid.
  • the fins 32 consist of elements of linear section or forming a triangle or other polygon, or even wavy or offset fins.
  • the fins 32 are advantageously obtained independently of the wall 33 and its closing counter-wall 60 but they 32 are then brazed or welded or assembled by others known techniques (glued, screwed, riveted, clinched, etc.) to these latter 33, 60 so as to form a one-piece structure.
  • the profile 30 is obtained, with its fins 32, according to a one-step manufacturing process, either by extrusion or coextrusion, or the one-piece profile 30 is obtained by following two steps manufacturing/assembly: a first step of production by extrusion on the one hand of the wall 33, possibly of its closing counter-wall 60, and on the other hand of the fins 32 then a second step of welding or brazing or other assemblies known mechanical/chemical (gluing, screwing, riveting, clinching, etc.) of the fins 32 on the wall 33 or its closing counter-wall 60.
  • the expression “extending from the wall 33” in connection with the fins 32 is understood only for this variant of the profile. 30 shown in Figures 14 and 15, via the closing counter-wall 60 extending or extending from the wall 33.
  • the fins 32 extend indirectly from of the wall 33, or via the closing counter-wall 60.
  • the wall 33 of the profile 30 has a thickness of between 0.3 mm (millimeter) and 8 mm, preferably between 0.5 mm and 3 mm,
  • the elastic elements 15 for pressing the wall 33 against the photovoltaic module 1 may be different from those mentioned above, both in shape, nature and dimensions,
  • the glass 1d can be replaced by a material called "frontsheet", transparent, flexible, resistant to ultraviolet, based for example on fluoropropylene such as tetrafluoroethylene or ETFE,
  • the layers 1 b, 1 c of encapsulating material are not necessarily the same, or may even not exist.

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Abstract

L'invention concerne un panneau solaire hybride (P) comportant au moins un profilé (30) monobloc issu d'extrusion, ledit profilé (30) comprenant une paroi formant les susdites faces inférieure et supérieure de l'échangeur thermique, et en ce que ledit profilé (30) comporte : - une pluralité d'ailettes (32) longitudinales s'étendant sensiblement perpendiculairement à partir de la face inférieure de l'échangeur thermique ou de la susdite paroi, et - au moins une portion du conduit de circulation (31) reliée directement à la face inférieure de l'échangeur thermique ou de la susdite paroi, la portion du conduit de circulation (31) s'étendant sensiblement parallèlement aux ailettes (32) longitudinales.

Description

Description
Titre : Panneau solaire photovoltaïque et thermique.
[Domaine technique.
[1] La présente invention a pour objet un panneau solaire photovoltaïque et thermique (hybride). L’invention se rapporte également au montage de l’échangeur thermique d’un tel panneau hybride, cet échangeur étant particulièrement facile à monter et à démonter, notamment pour le remplacement de pièces défectueuses.
[2] L’invention concerne le domaine technique des échangeurs thermiques pour le contrôle thermique de panneaux solaires hybrides. Un panneau solaire hybride fonctionne à la fois avec des capteurs photovoltaïques (pour produire de l’électricité) et avec des capteurs thermiques (pour produire de la chaleur). Sur la face supérieure des panneaux, côté soleil, des cellules photovoltaïques produisent de l’électricité à partir des rayons solaires. Sur la face inférieure, des capteurs solaires thermiques captent la chaleur émise par le soleil.
Etat de la technique.
[3] Les panneaux solaires photovoltaïques permettent de produire une énergie électrique à partir du rayonnement solaire. Ils comprennent une pluralité d'éléments photovoltaïques (cellules ou couches minces) qui fonctionnent selon le principe de l'effet photoélectrique.
[4] Généralement, plusieurs éléments photovoltaïques sont reliés entre eux sur un panneau solaire photovoltaïque, et plusieurs panneaux sont reliés pour créer une installation solaire. Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution.
[5] Les panneaux solaires photovoltaïques ne convertissent qu'une relativement faible part du rayonnement solaire en électricité, le reste étant de la chaleur non utilisée. Cette chaleur est défavorable à la performance électrique des panneaux solaires puisqu'on peut constater une diminution de l’efficacité des éléments photovoltaïques avec la température d'environ -0.45%/°C. C'est pourquoi il est doublement intéressant de refroidir les panneaux solaires photovoltaïques. En effet, non seulement l'efficacité des éléments photovoltaïques croît, mais les calories du refroidissement peuvent être utilisées dans des systèmes de chauffage plus ou moins complexes. On parle alors de panneaux solaires hybrides capables de produire simultanément une énergie électrique et une énergie thermique.
[6] Généralement, un échangeur thermique est disposé en vis-à-vis de la face arrière du module photovoltaïque de façon à refroidir ce dernier.
[7] Le document brevet WO 2012/069750 (SOLAIRE 2G) propose un panneau solaire hybride composé d'un échangeur thermique comprenant une zone d'échange thermique en contact avec les éléments photovoltaïques. Cette zone d'échange présente des éléments permettant de perturber l'écoulement d'un fluide de refroidissement. De fait, cette configuration nécessite une fabrication assez complexe de l'échangeur, mais surtout un coût important. De plus, l'échangeur est préférentiellement fabriqué en métal (inox) augmentant encore le coût ainsi que le poids du panneau.
[8] On connaît également le document EP 2284910 dans lequel le dispositif proposé se compose du module photovoltaïque et d'un échangeur thermique placé en vis- à-vis de la face arrière dudit module. Au moins la face supérieure de l'échangeur est fabriquée en matière plastique diminuant ainsi les coûts ainsi que le poids du panneau. L'échangeur proposé comporte une zone d'échange thermique disposée sous le module photovoltaïque et dans laquelle s'écoule un fluide de refroidissement. Ce fluide se déplace dans des canaux internes s'étendant depuis une zone d'arrivée du fluide jusqu'à une zone d'évacuation.
[9] On connaît enfin les documents WO 2008/003109 ainsi que les documents EP3408869 et WO 2017162993 au nom de la demanderesse. Ces derniers panneaux hybrides présentent des intérêts techniques, mais leurs capacités à refroidir le module photovoltaïque peuvent être améliorées, tout comme éventuellement leurs facilités de montage et démontage.
[10] La présente invention entend s’appliquer ou s’utiliser avec une pompe à chaleur de sorte que le fluide caloporteur, circulant dans l’échangeur thermique du panneau solaire hybride, est plus froid que l’air. Ainsi, dans de tels systèmes, on récupère une partie de la chaleur de l’air qui constitue une source d’énergie thermique.
[11] Dans ce cadre, on connaît le document WO 2018033409 qui divulgue une solution particulièrement coûteuse. On connaît également le document
EP 3270084, mais le montage d’un tel système est très complexe car il faut d'abord installer les extrudés, les raccorder un à un, puis poser le module photovoltaïque.
[12] L’invention entend remédier aux inconvénients des panneaux hybrides de l’art antérieur.
[13] En particulier, un objectif de l'invention est de simplifier la conception des échangeurs pour panneaux solaires hybrides de façon à diminuer les coûts de fabrication et de montage.
[14] Un autre objectif de l'invention est de proposer un échangeur thermique dont la configuration permet d'obtenir un rendement énergétique optimisé pour un fonctionnement comme source froide de pompe à chaleur eau glycolée/eau.
[15] Un objectif supplémentaire de l'invention est d'améliorer les échanges thermiques en premier lieu entre l'échangeur thermique et l’air ambiant, mais également entre l'échangeur thermique et le module photovoltaïque. Autrement dit, dans le dispositif selon l’invention, l’objectif principal est la déperdition dans l’échange air-fluide caloporteur et un objectif secondaire vise à refroidir le module photovoltaïque dans l’échange fluide caloporteur-module photovoltaïque.
[16] Un autre objectif de l'invention est d’être installable en toiture, de sorte qu’il est nécessaire d'alléger le panneau solaire hybride et d’avoir des encombrements compatibles avec des systèmes d’installation en toiture (dit aussi systèmes de montage) classiques dans le secteur photovoltaïque.
[17] Encore un autre objectif de l'invention réside dans le fait que le panneau solaire hybride doit être utilisable comme source froide d’une pompe à chaleur eau glycolée/eau, en particulier, il est nécessaire de maintenir une pression stable, de diminuer les pertes de charge dans les canaux et d'améliorer l'homogénéité de la circulation du fluide.
Présentation de l’invention. [18] Il a ainsi été constaté par la demanderesse, après diverses expériences et manipulations, qu’il était particulièrement avantageux de réaliser un échangeur thermique incorporant une zone d’échange thermique contiguë au module photovoltaïque directement relié d’une part à un moyen dissipateur de chaleur et d’autre part aux conduits ou portion de conduit dans lesquels circulent un fluide caloporteur, la zone d’échange thermique de l’échangeur étant constituée d’un unique ensemble se présentant sous la forme d’une structure monobloc.
[19] Ainsi, la solution proposée par l’invention concerne un panneau solaire hybride comportant :
- un module photovoltaïque comportant une face avant et une face arrière,
- un échangeur thermique, notamment pour la dissipation de l’énergie thermique provenant du module photovoltaïque, comportant une face inférieure et une face supérieure, ladite face supérieure étant disposée en vis-à-vis de la face arrière du module photovoltaïque, l’échangeur thermique comportant au moins un conduit de circulation pour le transport d’un fluide caloporteur ainsi que deux collecteurs, l’un d’entrée et l’autre de sortie, respectivement pour l’introduction et l’évacuation du fluide caloporteur circulant dans le conduit de circulation,
- un cadre rigide encadrant le module photovoltaïque et l'échangeur thermique,
- au moins un élément élastique adapté pour exercer une force de compression contre la face inférieure de l'échangeur de sorte que ledit échangeur soit plaqué contre la face arrière du module photovoltaïque, l'élément élastique prend appui contre au moins un élément d'appui, ledit élément d'appui étant en liaison avec le cadre de sorte qu'au moins une partie de la force de compression exercée par l'élément élastique sur l'élément d'appui soit reprise par ledit cadre, l'élément d'appui est disposé sous l'échangeur et s'étend dans la largeur et/ou la longueur dudit échangeur.
[20] Le procédé est remarquable en ce que l’échangeur thermique comprend au moins un profilé monobloc issu d’extrusion, ledit profilé comprenant une paroi formant les susdites faces inférieure et supérieure de l’échangeur thermique, et en ce que ledit profilé comporte : - une pluralité d’ailettes longitudinales s’étendant sensiblement perpendiculairement à partir de la face inférieure de l’échangeur thermique ou de la susdite paroi, et
- au moins une portion du conduit de circulation reliée directement à la face inférieure de l’échangeur thermique ou de la susdite paroi, la portion du conduit de circulation s’étendant sensiblement parallèlement aux ailettes longitudinales.
[21] Grâce à la structure monobloc du profilé, on dispose d’une zone d’échange thermique reliant directement - d’où une dissipation thermique par conduction particulièrement efficace/améliorée - tant les ailettes agissant comme dissipateur thermique que les conduits, ou portions de conduits, pour le transport d’un fluide caloporteur.
[22] D’un point de vue de l’assemblage du panneau solaire hybride selon l’invention, cette structure monobloc du profilé permet aux opérateurs un montage et démontage facile et rapide de l’échangeur thermique. En effet, la zone d’échange thermique de l’échangeur est constituée uniquement de ce profilé monobloc. Bien entendu, la zone d’échange thermique de l’échangeur est classiquement constituée d’une pluralité de profilés monoblocs et l’opérateur n’a qu’à changer un ou plusieurs desdits profilés pour opérer sa maintenance.
[23] En outre, cette structure monobloc de la zone d’échange thermique lui confère une résistance mécanique particulièrement intéressante.
[24] Avantageusement, le moyen dissipateur d’énergie thermique (les ailettes) est distinct de la conduite, ou portion de conduite, transportant le fluide caloporteur. Autrement dit, la conduite, ou portion de conduite, n’est pas positionnée à distance de la paroi du profilé (la conduite y est ici reliée directement), en particulier en envisageant cette conduite ou portion de conduite sur ou dans le prolongement des ailettes.
[25] Un aspect particulièrement intéressant de l’invention réside dans l’aspect modulaire de l’échangeur thermique doté de ce profilé monobloc, constituant à lui seul la zone d’échange thermique, comportant à la fois le moyen dissipateur d’énergie et le conduit transportant le fluide caloporteur. Par souci de simplification, l’échangeur thermique est classiquement composé d’une pluralité de profilés monobloc accolés les uns aux autres pour couvrir la zone d’échange thermique d’un module photovoltaïque. Or, s’il est nécessaire de remplacer tout ou partie de l’échangeur thermique, en particulier au niveau de sa zone d’échange thermique, il suffit d’enlever l’élément d’appui et de remplacer le ou les profilés considérés. Cette opération, de par le caractère monobloc du profilé ou modulaire de l’échangeur thermique (le module « zone d’échange thermique » étant réduit ou limité à une pièce unique), est particulièrement aisée et rapidement exécutée.
[26] On entend par l’expression « sensiblement perpendiculaire » en lien avec les ailettes le fait que ces dernières s’étendent à 90° ± 15° (soit en formant un angle compris entre 75° et 105°) par rapport à la paroi (= zone d’échange thermique) du profilé (également désignée en tant que face inférieure de l’échangeur thermique), de préférence à 90° ± 5° (soit en formant un angle compris entre 85° et 95°) par rapport à la paroi, de façon encore plus préférée à 90° par rapport à la paroi du profilé.
[27] On entend par l’expression « sensiblement parallèle » en lien avec la portion de conduit, ou le conduit, par rapport aux ailettes longitudinales le fait que l’angle d’extension entre ce conduit et ces ailettes est compris entre 0° ± 15°, de préférence compris entre 0° ± 5°, de façon encore plus préférée d’un angle de 0°.
[28] On entend par l’expression « fluide caloporteur » tout type de fluide, avec une base liquide ou gazeuse (ou un mélange des deux, voire des nanofluides consistant en des particules métalliques nanométriques en suspension), présentant des propriétés physico-chimiques le rendant apte à récupérer de l’énergie thermique au niveau d’une zone d’échange thermique puis à la restituer dans une zone dite de libération ou de dissipation. A titre d’exemple non limitatif, on peut citer comme exemples l’eau, l’eau glycolée, ou encore d’autres fluides caloporteurs susceptibles d’être utilisés dans un panneau hybride selon l’invention les fluides halogénés (diphasique « liquide-vapeur »), du gaz de type dioxyde de carbone (diphasique « liquide-solide »), des solutions aqueuses à base de sels inorganiques tels que le chlorure de calcium, le carbonate de potassium ou encore des solutions aqueuses à base de sels inorganiques tels que le chlorure de calcium, le carbonate de potassium. [29] Dans la suite, l’expression de « module photovoltaïque » renvoie à la partie du panneau hybride apte à capter l’énergie provenant des rayons lumineux pour sa transformation en énergie électrique.
[30] L’expression « fluide caloporteur » est équivalente à l’expression « fluide de refroidissement ».
[31] D’autres caractéristiques avantageuses de l’appareil objet de l’invention sont listées ci-dessous. Chacune de ces caractéristiques peut être considérée seule ou en combinaison avec les caractéristiques remarquables définies ci-dessus. Chacune de ces caractéristiques contribue, le cas échéant, à la résolution de problèmes techniques spécifiques définis plus avant dans la description et auxquels ne participent pas nécessairement les caractéristiques remarquables définies ci-dessus. Ces dernières peuvent faire l’objet, le cas échéant, d’une ou plusieurs demandes de brevet divisionnaires :
[32] De préférence, la paroi du profilé est ininterrompue et forme un carré ou rectangle.
[33] Autrement dit, la paroi du profilé ou de l’échangeur thermique formant la zone d’échange thermique ne présente aucun trou, orifice, découpe d’aucune sorte et présente avantageusement une forme correspondante - au moins partiellement lorsque plusieurs profilés sont nécessaires pour couvrir la zone d’échange thermique - à celle du module photovoltaïque.
[34] La forme du profilé est avantageusement adaptée aux boites de jonction, c’est-à-dire aux emplacements de ces dernières, servant à récupérer l’énergie électrique fournie par le module photovoltaïque. Eventuellement une découpe est réalisée dans un profilé pour accueillir la ou les boîtes de jonction.
[35] Avantageusement, le susdit profilé monobloc est en aluminium.
[36] Avantageusement, le panneau solaire hybride comporte au moins deux éléments d'appui disposés sous l'échangeur, lesquels éléments d'appui se présentent sous la forme de barres installés à intervalles réguliers dans la longueur et/ou largeur dudit échangeur.
[37] Sur la figure 2, on note qu’il y a cinq éléments d’appui avantageusement fixés au cadre rigide, mais bien entendu on peut envisager un plus grand nombre de tels éléments d’appui ou au contraire un nombre plus réduit, soit un unique élément d’appui, en fonction en particulier des dimensions de la zone d’échange thermique.
[38] De préférence, les éléments d’appui consistent en des barres métalliques, avantageusement en aluminium, fixées à leurs deux extrémités opposées au cadre rigide.
[39] Avantageusement, ces barres métalliques en aluminium consistent en des profilés creux, de section ou de coupe rectangulaire présentant au moins deux sections/coupes, d’où une excellente résistance mécanique, en particulier une flèche faible sous compression, tout en étant particulièrement légères.
[40] Une telle réalisation d’un élément d’appui est représentée schématiquement à titre d’exemple sur la figure 13 annexée.
[41] Avantageusement, les susdits collecteurs sont en cuivre ou en aluminium, de préférence en aluminium. Dans l’hypothèse où les collecteurs sont en cuivre, des manchons d’isolation galvanique sont utilisés au niveau du raccord. L’avantage de l’utilisation d’aluminium pour réaliser les collecteurs réside notamment dans l’absence de ces manchons galvaniques.
[42] Avantageusement, le profilé comprend au moins deux portions de conduit de circulation.
[43] On peut ainsi prévoir que le profilé comprend trois voire quatre ou plus de portions de conduit, en fonction des dimensions propres du profilé.
[44] De préférence, le susdit conduit de circulation est fixé aux collecteurs par l’intermédiaire d’une portion de raccord fixée auxdits collecteurs, ladite portion de raccord étant également fixée au conduit de circulation, les fixations étant avantageusement mécaniques, par emmanchage, et/ou soudée.
Avantageusement les portions de raccord fixées aux collecteurs et au conduit sont fixées mécaniquement par emmanchage, avec l’aide complémentaire d’un joint d’étanchéité, ou bien soudées, ou encore soudées d’un côté (par exemple avec le collecteur) et mécaniquement emmanchées de l’autre (par exemple avec le conduit). [45] Avantageusement, la portion de raccord est en aluminium, en laiton ou en cuivre ou en alliage à base de cuivre et de laiton, ou encore acier inoxydable. A nouveau, si ce raccord est en laiton ou cuivre alors que le profilé est en aluminium, le raccord comporte une isolation galvanique - typiquement sous la forme d’un manchon - pour protéger de ou contre la corrosion.
[46] Selon un premier mode d’exécution de l’invention, la portion de raccord est coudée de sorte que les deux collecteurs sont disposés de telle manière à être compris intégralement à l’extérieur du volume intérieur formé par le susdit cadre rigide, autrement dit ces collecteurs dépassent le plan contenant la face intérieure du cadre rigide.
[47] Selon un second mode d’exécution de l’invention, la portion de raccord s’étend sensiblement linéairement de sorte que les deux collecteurs sont disposés de telle manière à être compris intégralement dans le volume intérieur formé par le susdit cadre rigide, autrement dit à ne pas dépasser le plan contenant la face intérieure du cadre rigide.
[48] Avantageusement, le susdit élément élastique consiste en une lame métallique ondulée en Q, avantageusement fixé mécaniquement en pression sur ou contre la paroi du profilé.
[49] Selon une possibilité complémentaire ou alternative à cette fixation dite mécanique, on peut prévoir que cette lame métallique présente au moins un point de colle (ou de collage) à l’une de ses extrémités.
[50] Très avantageusement, les collecteurs sont raccordés à un module de raccord inter-panneau permettant le raccordement des échangeurs d’une pluralité de panneaux solaires hybrides.
[51] Avantageusement, ledit panneau comprend une pluralité d’éléments élastiques répartis dans la longueur de chaque élément d’appui.
[52] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’échangeur thermique comprend une pluralité de susdits profilés disposés les uns à côté des autres.
[53] Avantageusement, les éléments élastiques sont répartis de manière homogène sur toute la surface de la face inférieure de l’échangeur. [54] Ainsi, la paroi du profilé est parfaitement maintenue constamment plaquée contre la face arrière du module photovoltaïque.
Brève description des figures.
[55] D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d’un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence aux dessins annexés, réalisés à titre d’exemples indicatifs et non limitatifs et sur lesquels :
[Fig. 1] est une représentation schématique en coupe des différentes couches formant le module photovoltaïque.
[Fig. 2] est une vue schématique depuis l’arrière du panneau solaire hybride sur laquelle on voit en particulier des éléments d’appui, des éléments élastiques ainsi que le cadre rigide.
[Fig. 3] est une vue schématique en coupe, selon la coupe du plan B visible sur la figure 2, sur laquelle on voit l’interaction du profilé selon l’invention avec un élément d’appui et le module photovoltaïque.
[Fig. 4] est une vue schématique en coupe, selon la coupe du plan B visible sur la figure 2, sur laquelle on voit uniquement l’échangeur thermique selon l’invention.
[Fig. 5] est une vue schématique sur laquelle on voit l’arrière du panneau solaire hybride selon l’invention.
[Fig. 6] est une figure identique à la figure 5 sur laquelle on voit précisément les conduits ou portions de conduit reliant de part et d’autre les collecteurs d’entrée et de sortie ou d’évacuation.
[Fig. 7] est une vue d’une portion d’un profilé sur laquelle on voit en particulier un élément d’appui contraignant trois éléments élastiques agissant en pression sur la face inférieure du profilé.
[Fig. 8a] est une vue schématique de profil d’un élément élastique selon l’invention.
[Fig. 8b] est une vue schématique en perspective d’un élément élastique selon l’invention. [Fig. 9] est une vue schématique d’un collecteur, d’entrée ou de sortie, selon un premier mode d’exécution dans lequel des raccords coudés sont prévus pour reliés ledit collecteur à chaque conduit ou portion de conduit de l’échangeur thermique.
[Fig. 10] est une vue schématique en coupe d’un raccord coudé selon ce premier mode d’exécution.
[Fig. 11] est une vue schématique d’un collecteur, d’entrée ou de sortie, selon un deuxième mode d’exécution dans lequel des raccords linéaires sont prévus pour reliés ledit collecteur à chaque conduit ou portion de conduit de l’échangeur thermique.
[Fig. 12] est une vue schématique d’un module de raccord inter-panneau pour le raccordement d’un échangeur thermique d’un premier panneau à un échangeur thermique d’un second panneau.
[Fig. 13] est une vue schématique en coupe d’un élément d’appui.
[Fig. 14] est une représentation schématique d’une variante de réalisation du profilé monobloc et des ailettes s’étendant sur ledit profilé.
[Fig. 15] est une autre représentation de la variante illustrée sur la [Fig. 14] dans laquelle les ailettes sont modifiées.
Description des modes de réalisation.
[56] Le panneau solaire P objet de l'invention est un panneau hybride, c'est-à-dire qu'il est capable de produire simultanément une énergie électrique et une énergie thermique. Il est destiné à être utilisé seul ou en combinaison avec d'autres panneaux similaires, de façon à ce que l'énergie électrique et thermique qu'il produit soient exploitables par une habitation ou un système énergétique.
[57] En se rapportant en particulier aux figures 1 à 3 , le panneau solaire P comporte un module photovoltaïque 1 présentant une face avant 12 et une face arrière 11 . La face avant 12 est laissée libre de façon à ce qu'elle puisse recevoir le rayonnement solaire. Environ 80% de l'énergie solaire reçue est dissipée dans le panneau P. La présence d'un échangeur thermique 2 placé en vis-à-vis de la face arrière 11 du module photovoltaïque 1 permet de récupérer la chaleur accumulée ou dissipée dans le module photovoltaïque 1 .
[58] Sur la figure 1 , le module photovoltaïque 1 comporte au moins un, et avantageusement plusieurs éléments photovoltaïques 1a placés dans un le même plan. Ces derniers sont reliés électriquement entre eux, en série ou en parallèle, et sont généralement encapsulés, par exemple dans un polymère thermoplastique 1 b, 1c tel que l'éthylène acétate de vinyle (EVA) ou encore le silicone pour former le module photovoltaïque 1. La face avant 12 du module photovoltaïque 1 exposée au rayonnement est recouverte d'une plaque transparente 1 d, comme par exemple une plaque de verre.
[59] Une couche 1e de matériau isolant électrique appelée « backsheet » est ajoutée sur la face arrière 11 du module photovoltaïque 1 . Cette couche 1e assure, en plus de l'isolation électrique, une fonction d'étanchéité entre le module photovoltaïque 1 et l'échangeur thermique 2. Cette couche 1e peut, par exemple, être un film de fluorure de polyvinyle ou une plaque de verre, et permet d'empêcher la pluie et/ou l'humidité de l'air ambiant d'entrer en contact direct avec le module photovoltaïque 1 , évitant ainsi tout problème électrique, comme par exemple des faux contacts ou des courts-circuits.
[60] Si l’on envisage un échangeur thermique non métallique ou au moins les parties en contact avec le module photovoltaïque comme non métalliques, il est toutefois possible de supprimer la couche 1e de matériau isolant électrique. Dans ce cas particulier, la face arrière 11 est constituée par la couche d'encapsulation 1 b. La fonction d'étanchéité et d'isolant électrique est alors reprise par l'échangeur thermique 2, qui couvre alors toute la surface du module photovoltaïque 1 .
[61 ] Ces différents éléments 1a, 1 b, 1c, 1 d, 1e sont empilés sous forme de sandwich et sont généralement maintenus ensemble par l’encapsulant, en général via une réticulation par un procédé de laminage à chaud.
[62] L'échangeur thermique 2 est situé sous le module photovoltaïque 1 de manière à ne pas faire obstacle au rayonnement solaire. [63] L’échangeur est préférentiellement en contact direct avec le backsheet. Cependant, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, une couche 7 de matériau pâteux et/ou malléable, est ajoutée et insérée entre la face arrière 11 du module photovoltaïque 1 et la face supérieure 21a de l'échangeur thermique 2.
[64] L'utilisation d'un matériau 7 pâteux et/ou malléable permet de maintenir le module photovoltaïque 1 et l'échangeur thermique 2 en contact malgré les déformations éventuelles de ce dernier, tout en évitant la présence d'air entre ces deux éléments. L'épaisseur de la couche 7 peut varier de 0,1 mm à 1 cm (centimètre), de préférence inférieur à 1 mm, de manière à avoir une fine couche 7 permettant de laisser passer la chaleur malgré le fait d'utiliser un matériau isolant thermique. Le matériau utilisé est préférentiellement un gel, mais peut aussi se présenter sous la forme d'un matériau viscoélastique, d'une colle, d'un polymère, ou encore toute autre forme convenant à l'homme du métier.
[65] L'échangeur thermique 2 comporte trois zones principales : une zone d'arrivée ZA du fluide de refroidissement, une zone d'échange thermique ZE et une zone d'évacuation ZV dudit fluide. Le module photovoltaïque 1 est préférentiellement positionné en vis-à-vis de la zone d'échange ZE, mais peut aussi se trouver au moins partiellement au-dessus des zones d'arrivée ZA et d'évacuation ZV. La zone d'échange ZE peut par exemple représenter de 70% à 100%, préférentiellement au moins 85% voire au moins 95%, de la surface du module photovoltaïque 1 .
[66] Le fluide de refroidissement, qui peut consister typiquement en de l'eau glycolée, circule dans l'échangeur thermique 2 afin de récupérer les calories issues du module photovoltaïque 1. Il est acheminé par l'intermédiaire d'un circuit d'alimentation et circule toujours dans le même sens dans l'échangeur 2, depuis la zone d'arrivée ZA jusqu'à la zone d'évacuation ZV en passant par la zone d'échange thermique ZE.
[67] L'échangeur thermique 2 est composé d'une paroi 33 rectangulaire, voire carrée, 33 et de collecteurs 3a, 3b. Les collecteurs 3a, 3b forment respectivement les zones d'arrivée ZA et d'évacuation ZV, alors que la zone d'échange ZE est constituée par le ou les profilés 30. [68] Le diamètre hydraulique des collecteurs 3a, 3b est avantageusement supérieur à celui des conduits ou portions de conduit 31 de sorte que leur perte de charge est inférieure à celle des conduits 31 . Ainsi lorsque le fluide de refroidissement arrive dans la zone d'arrivée ZA, il va d'abord remplir cette dernière avant de pénétrer dans les conduits 31 . De même, le fluide va pouvoir s'évacuer sans contrainte dans la zone d'évacuation ZV. Le fluide va ainsi circuler dans les conduits 31 , de manière homogène, sans circuit préférentiel et dans la totalité de la zone d'échange thermique ZE.
[69] Comme cela est illustré sur les figures 3 et 4, l’échangeur thermique 2 ne dépasse pas du plan C formé par le cadre rigide 6, c’est-à-dire la ligne ou le plan C rejoignant les extrémités latérales inférieures du cadre 6 du côté où est fixé l’échangeur thermique 2.
[70] Ainsi, le ou les éléments d’appui 4 sont fixés au niveau de leurs extrémités opposées directement ou indirectement au cadre rigide 6. Ce ou ces éléments d’appui 4 ne dépassent avantageusement pas du plan ou de la ligne C, autrement dit ces éléments d’appui 4 ne sont pas protubérants hors du cadre 6.
[71] Si l’on considère le panneau P depuis le module photovoltaïque 1 qui est placé au-dessus de tous les autres éléments, on trouve dans l’ordre le module photovoltaïque 1 puis en option la couche 7 puis l’échangeur thermique 2. Si l’on considère uniquement l’échangeur thermique 2, on trouve au-dessus la paroi 33 directement en contact avec la couche 7 et/ou la face arrière 11 du module photovoltaïque 1 , puis les ailettes 32 et le conduit ou la portion de conduit 31 , éventuellement un ou plusieurs éléments élastiques 15 et enfin l’élément d’appui 4 qui contraint le ou les éléments élastiques 15 à plaquer le profilé 30 contre le module photovoltaïque 1 de sorte que la zone d’échange ZE soit contigüe.
[72] Les figures 4 à 6 illustrent également une ou plusieurs boites de jonction 40 destinées à récupérer l’énergie électrique récupérée ou générée par le module photovoltaïque 1 . Ces boites de jonction 40 sont avantageusement situées à distance en particulier du conduit ou de la portion de conduit 31 de sorte qu’il n’y a aucun risque de contact entre ces boites 40 et un conduit 31 dans lequel circule un fluide. [73] Une particularité du panneau solaire hybride selon l’invention réside dans l’échangeur thermique 2 et sa modularité, à savoir le fait que la zone d’échange thermique ZE de l’échangeur thermique 2 est formée par un profilé monobloc, issu d’extrusion, comportant à la fois le conduit ou la portion de conduit 31 et le moyen dissipateur de chaleur, c’est-à-dire les ailettes 32. Ce faisant, le moyen dissipateur de chaleur 32, la paroi 33 et le conduit ou la portion de conduit 31 forment un ensemble homogène unique, fait d’une seule matière.
[74] Selon une interprétation, l’échangeur thermique 2 selon l’invention se présente comme une « harpe » de par l’alignement parallèle du moyen dissipateur d’énergie 32 et le conduit 31 entre les deux collecteurs 3a, 3b s’étendant perpendiculairement audit moyen 32 et audit conduit 31 .
[75] Un aspect important de l’échangeur thermique 2 selon l’invention réside dans la nature mécanique du moyen dissipateur d’énergie thermique 32, c’est-à-dire que ce moyen 32 consiste en un élément structurel passif ne nécessitant aucune énergie pour être mis en œuvre. Ce moyen dissipateur d’énergie thermique 32 fonctionne essentiellement par conduction thermique à travers la matière du profilé 30.
[76] La figure 6 illustre plus précisément le trajet du fluide caloporteur au sein du conduit ou de la portion de conduit 31 . Dans cet exemple de réalisation, six profilés 30 sont nécessaires pour couvrir la zone d’échange thermique ZE et chaque profilé 30 comporte deux conduits ou portions de conduit 31 . Les boites de jonction 40 sont positionnées ou situées entre deux profilés 30, un espace sans paroi 33 étant dédié à ces boites de jonction 40.
[77] Selon une autre formulation, une particularité avantageuse de l’invention réside dans le fait que les conduits ou portions de conduit 31 s’étendent parallèlement au moyen dissipateur d’énergie thermique 32.
[78] L’élément d’appui 4 est fixé avantageusement sur le cadre rigide 6, soit directement soit indirectement via un élément fixe relié au cadre 6. Cette dernière solution illustre la figure 7 annexée.
[79] Les figures 8a et 8b illustrent un mode d’exécution de l’élément élastique 15 consistant ici en une lame sensiblement en oméga présentant une certaine élasticité. Cette lame métallique est avantageusement métallique, par exemple consistant en une tôle, présentant une épaisseur de 1 mm à 10 mm, de préférence de 1 mm à 3 mm. Ces bandes ou lames 15 comportent ainsi deux extrémités relativement planes destinées à venir reposer sur la surface inférieure 21 b de la paroi 33 du profilé 30. Ces lames ou bandes 15 présentent avantageusement une largeur légèrement inférieure à l’espace inter-ailettes, soit la distance entre deux ailettes contiguës. Ainsi, ces éléments élastiques 15 ont pour fonction première d’assurer, en coopération avec les éléments d’appui 4, le plaquage constant de la paroi 33 d’échange thermique contre le module photovoltaïque 1 .
[80] Ces éléments élastiques 15 sont avantageusement insérés en force au niveau d’au moins une de leurs extrémités planes sur la paroi 33.
[81] En effet, les éléments 15 comportent avantageusement des ergots ou protubérances 16 destinées à venir en pression contre les ailettes 32. Ce faisant, l’élément élastique 15 est fixé mécanique - sans autre force - par simple contact ou friction avec ou contre le profilé 30. Avantageusement, seule une extrémité de l’élément élastique 15 est ainsi fixée avec ces protubérances/ergots latérales 16 de manière pouvoir se déformer élastiquement sous l’action de l’élément d’appui.
[82] Ces éléments élastiques 15 peuvent sinon être collés au niveau d’au moins une de leurs extrémités planes sur la paroi 33 grâce à un scotch ou tout autre moyen analogue permettant la fixation de l’élément élastique 15.
[83] Les figures 9 et 10 illustrent un mode d’exécution de l’invention au niveau de la réalisation des collecteurs 3a, 3b et de leurs liaisons avec les conduits ou portions de conduit 31. Sur ces deux figures, les collecteurs 3a, 3b sont situés hors du plan C défini par les limites latérales inférieures du cadre rigide 6. De ce fait, la liaison entre les conduits ou portions de conduit 31 et les collecteurs 3a, 3b consiste en un raccord coudé 35 formant un arc de cercle d’environ ou d’approximativement 90°.
[84] Ce raccord coudé 35 est d’une part soudé aux collecteurs 3a, 3b et d’autre part fixé par emmanchement à l’extrémité du conduit ou de la portion de conduit 31 du profilé 30. Un joint d’étanchéité assure l’étanchéité de cette fixation mécanique par emmanchement. Les collecteurs 3a, 3b sont reliés à un raccord inter-panneau 50 pour la circulation du fluide caloporteur entre tous les échangeurs thermiques 2 des différents panneaux P lorsque le système comprend une pluralité de panneaux P selon l’invention.
[85] Dans une version alternative au mode d’exécution représenté sur les figures 9 et 10, on peut également prévoir que les collecteurs 3a, 3b sont présents dans le plan C ou autrement dit ne dépassent hors de ce plan C. Ce mode de réalisation est visible sur la figure 11 .
[86] Dans ce mode d’exécution, les raccords 36 sont linéaires, c’est-à-dire que ces raccords 36 s’étendent linéairement depuis l’un des collecteurs 3a ou 3b jusqu’à l’extrémité d’un conduit ou d’une portion de conduit 31 . Chaque collecteur 3a, 3b comporte à ses deux extrémités un embout coudé qui permet de raccorder ladite extrémité du collecteur 3a ou 3b au raccord inter-panneau 50.
[87] Comme illustré sur la figure 13, l’élément d’appui 4 consiste avantageusement en un profilé métallique creux ou vide. Cet élément d’appui 4 présente avantageusement une section transversale définissant un huit ou autrement dit deux sections rectangulaires contiguës. Une telle configuration de l’élément d’appui 4 lui confère une résistance mécanique optimale pour ne pas dépasser du ce plan C malgré les contraintes de compression élastique, une grande légèreté et une certaine élasticité. Avantageusement, cet élément d’appui 4 est en aluminium.
[88] Les figures 14 et 15 illustrent une variante de réalisation du profilé 30. Selon cette variante, le profilé 30 comprend, outre la paroi 33, une contre-paroi de fermeture 60 pour former des conduits de circulation 31 pour le fluide caloporteur. Cette contre-paroi de fermeture 60 s’étend à partir de la paroi 33, autrement dit la paroi 33 est prolongée par cette contre-paroi de fermeture 60 de manière à former une pluralité de conduit de circulation 31 . De manière avantageuse, chaque profilé 30 comprend sur toute sa largeur une pluralité de conduits de circulation 31 ce qui permet au fluide caloporteur de circuler à proximité immédiate du module photovoltaïque 1 , à l’instar du mode d’exécution représenté sur la figure 7. Ainsi, dans cette variante, le fluide caloporteur circule sur toute la section de contact du profilé 30 avec le module photovoltaïque 1 , ce qui permet d’optimiser encore les échanges caloriques/thermiques entre le module photovoltaïque 1 et le fluide caloporteur.
[89] Dans cette variante, comme illustré sur ces figures 14 et 15, les ailettes 32 consistent en des éléments de section linéaire ou formant un triangle ou autre polygone, ou encore des ailettes ondulée ou avec décalage. Dans cette dernière hypothèse, lorsque les ailettes 32 présentent une section triangulaire ou encore en accordéon, les ailettes 32 sont avantageusement obtenues indépendamment de la paroi 33 et de sa contre-paroi de fermeture 60 mais elles 32 sont alors brasées ou soudées ou assemblées par autres techniques connues (collées, vissées, rivetées, clinchées...) à ces derniers 33, 60 de manière à former une structure monobloc.
[90] Il faut noter que, de manière générale, le profilé 30 est obtenu, avec ses ailettes 32, selon un procédé de fabrication en une étape, soit par extrusion ou coextrusion, ou alors le profilé monobloc 30 est obtenu en suivant deux étapes de fabrication/assemblage : une première étape de réalisation par extrusion d’une part de la paroi 33, éventuellement de sa contre-paroi de fermeture 60, et d’autre part des ailettes 32 puis une deuxième étape de soudage ou brasage ou autre assemblages mécanique/chimique connus (collage, vissage, rivetage, clinchage,... ) des ailettes 32 sur la paroi 33 ou sa contre-paroi de fermeture 60. Uniquement dans le cadre de la variante de réalisation du profilé 30 représentée sur les figures 14 et 15, plus particulièrement dans le cas de la figure 15, on peut éventuellement envisager, à la place d’une extrusion ou coextrusion, la fabrication ou l’obtention des ailettes 32 par laminage, emboutissage et/ou pliage, ces dernières étant ensuite soudées/brasées/assemblées à la contre- paroi de fermeture 60. Dans cette dernière hypothèse, le profilé 30 est essentiellement obtenue par extrusion et une fois les ailettes 32 soudées/brasées/assemblées à la contre-paroi de fermeture 60, le profilé 30 dans son ensemble (paroi 33, contre-paroi de fermeture 60 et ailettes 32) forme bien un ensemble monobloc.
[91] Il faut également noter ici que, dans le cadre de la présente invention, l’expression « s’étendant à partir de la paroi 33 » en lien avec les ailettes 32 s’entend, uniquement pour cette variante de réalisation du profilé 30 représentée sur les figures 14 et 15, par l’intermédiaire de la contre-paroi de fermeture 60 prolongeant ou s’étendant à partir de la paroi 33. Autrement dit, spécifiquement dans ce mode de réalisation, les ailettes 32 s’étendent indirectement à partir de la paroi 33, soit via la contre-paroi de fermeture 60.
[92] Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
[93] L’agencement des différents éléments et/ou moyens et/ou étapes de l’invention, dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, ne doit pas être compris comme exigeant un tel agencement dans toutes les implémentations. En tout état de cause, on comprendra que diverses modifications peuvent être apportées à ces éléments et/ou moyens et/ou étapes, sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l’invention. En particulier:
- Il peut y avoir ou non une couche 7, de préférence sans la couche 7, entre le module photovoltaïque et l’échangeur thermique 2,
- la paroi 33 du profilé 30 présente une épaisseur comprise entre 0,3 mm (millimètre) et 8 mm, de préférence entre 0,5 mm et 3 mm,
- les éléments élastiques 15 pour le plaquage de la paroi 33 contre le module photovoltaïque 1 peuvent être différents de ceux mentionnés ci-dessus, tant en forme, en nature qu’en dimensions,
- dans le module photovoltaïque 1 , le verre 1d peut être remplacé par un matériau appelé « frontsheet », transparent, souple, résistant aux ultraviolets, à base par exemple de fluoropropylène tel que le tétrafluoroéthylène ou ETFE,
- les couches 1 b, 1 c de matériau encapsulant ne sont pas forcément les mêmes, voire peuvent ne pas exister.
[94] L’usage du verbe « comporter », « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n’exclut pas la présence d’autres éléments ou d’autres étapes que ceux énoncés dans une revendication. [95] Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication. ]

Claims

Revendications
[Revendication 1] [Panneau solaire hybride (P) comportant :
- un module photovoltaïque (1 ) comportant une face avant (12) et une face arrière (11 ),
- un échangeur thermique (2), notamment pour la dissipation de l’énergie thermique provenant du module photovoltaïque (1 ), comportant une face inférieure (21 b) et une face supérieure (21 a), ladite face supérieure (21a) étant disposée en vis-à-vis de la face arrière (11 ) du module photovoltaïque (1 ), l’échangeur thermique (2) comportant au moins un conduit de circulation (31 ) pour le transport d’un fluide caloporteur ainsi que deux collecteurs (3a, 3b), l’un d’entrée et l’autre de sortie, respectivement pour l’introduction et l’évacuation du fluide caloporteur circulant dans le conduit de circulation (31 ),
- un cadre rigide (6) encadrant le module photovoltaïque (1 ) et l'échangeur thermique (2),
- au moins un élément élastique (15) adapté pour exercer une force de compression contre la face inférieure (21 b) de l'échangeur (2) de sorte que ledit échangeur (2) soit plaqué contre la face arrière (11 ) du module photovoltaïque (1 ), l'élément élastique (15) prend appui contre au moins un élément d'appui (4), ledit élément d'appui (4) étant en liaison avec le cadre (6) de sorte qu'au moins une partie de la force de compression exercée par l'élément élastique (15) sur l'élément d'appui (4) soit reprise par ledit cadre (6), l'élément d'appui (4) est disposé sous l'échangeur (2) et s'étend dans la largeur et/ou la longueur dudit échangeur (2), caractérisé en ce que l’échangeur thermique (2) comprend au moins un profilé (30) monobloc issu d’extrusion, ledit profilé (30) comprenant une paroi (33) formant les susdites faces inférieure (21 b) et supérieure (21a) de l’échangeur thermique (2), et en ce que ledit profilé (30) comporte :
- une pluralité d’ailettes (32) longitudinales s’étendant sensiblement perpendiculairement à partir de la susdite paroi (33), et
- au moins une portion du conduit de circulation (31 ) reliée directement à la susdite paroi (33), la portion du conduit de circulation (31 ) s’étendant sensiblement parallèlement aux ailettes (32) longitudinales.
[Revendication 2] Panneau solaire hybride (P) selon la revendication 1 , dans lequel la paroi (33) du profilé (30) est ininterrompue et forme un carré ou rectangle.
[Revendication 3] Panneau solaire hybride (P) selon la revendication 1 , dans lequel la paroi (33) du profilé (30) est prolongée par une contre-paroi de fermeture (60) de manière à définir une pluralité de portions de conduit de circulation (31 ).
[Revendication 4] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le susdit profilé (30) monobloc est en aluminium.
[Revendication 5] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit panneau comporte au moins deux éléments d'appui (4) disposés sous l'échangeur (2), lesquels éléments d'appui (4) se présentent sous la forme de barres installées à intervalles réguliers dans la longueur et/ou largeur dudit échangeur (2).
[Revendication 6] Panneau solaire hybride (P) selon la revendication 5, dans lequel les éléments d’appui (4) consistent en des barres métalliques, avantageusement en aluminium, fixées à leurs deux extrémités opposées au cadre rigide (6).
[Revendication 7] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les susdits collecteurs (3a, 3b) sont en cuivre ou en aluminium, de préférence en aluminium.
[Revendication 8] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le profilé (30) comprend au moins deux portions de conduit de circulation (31 ).
[Revendication 9] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le susdit conduit de circulation (31 ) est fixé aux collecteurs (3a, 3b) par l’intermédiaire d’une portion de raccord (35, 36) fixée auxdits collecteurs (3a, 3b), ladite portion de raccord (35, 36) étant également fixée au conduit de circulation, les fixations étant avantageusement mécanique, par emmanchage, et/ou soudée.
[Revendication 10] Panneau solaire hybride (P) selon la revendication 8, dans lequel la portion de raccord (35, 36) est en aluminium, en laiton ou en cuivre ou en alliage à base de cuivre et de laiton, ou encore acier inoxydable.
[Revendication 11] Panneau solaire hybride (P) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la portion de raccord (35) est coudée de sorte que les deux collecteurs (3a, 3b) sont disposés de telle manière à être compris intégralement à l’extérieur du volume intérieur formé par le susdit cadre rigide (6), autrement dit ces collecteurs (3a, 3b) dépassent le plan (C) contenant la face intérieure du cadre rigide (6).
[Revendication 12] Panneau solaire hybride (P) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la portion de raccord (36) s’étend sensiblement linéairement de sorte que les deux collecteurs (3a, 3b) sont disposés de telle manière à être compris intégralement dans le volume intérieur formé par le susdit cadre rigide (6), autrement dit à ne pas dépasser le plan (C) contenant la face intérieure du cadre rigide (6).
[Revendication 13] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le susdit élément élastique (15) consiste en une lame métallique ondulée en Q, avantageusement fixé mécaniquement en pression sur ou contre la paroi (33) du profilé (30).
[Revendication 14] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les collecteurs (3a, 3b) sont raccordés à un module de raccord inter-panneau (50) permettant le raccordement des échangeurs (2) d’une pluralité de panneaux solaires hybrides (P).
[Revendication 15] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit panneau (P) comprend une pluralité d’éléments élastiques (15) répartis dans la longueur de chaque élément d’appui (4).
[Revendication 16] Panneau solaire hybride (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’échangeur thermique (2) comprend une pluralité de susdits profilés (30) disposés les uns à côté des autres. ]
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