FR2978298A1

FR2978298A1 - Module de production d'energie photovoltaique et thermique a partir du rayonnement solaire, et installation equipee de tels modules.

Info

Publication number: FR2978298A1
Application number: FR1156527A
Authority: FR
Inventors: Frederic Duong
Original assignee: Suez Environnement SAS
Current assignee: Suez International SAS
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2013-01-25
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: FR2978298B1

Abstract

Module de production d'énergie photovoltaïque et thermique à partir du rayonnement solaire, qui comprend un caisson (1) comportant : une première paroi (2) exposée au rayonnement solaire, et constituée pour partie d'un panneau photovoltaïque (3) et, pour une autre partie, d'une plaque (4) qui laisse passer la lumière, en particulier une plaque transparente ou translucide ; au moins une deuxième paroi (5) écartée de la surface intérieure de la première paroi, la face interne (5a) de cette deuxième paroi étant sombre ; une entrée (6) pour de l'air frais en vue d'une circulation d'air à l'intérieur du caisson, et une sortie (7) pour l'air réchauffé ; un moyen de stockage de chaleur (S) ayant une capacité thermique massique supérieure à celle de la deuxième paroi (5) est disposé en regard d'au moins une zone de la plaque, et l'air circule dans l'espace compris entre, d'une part, la première paroi (2), et, d'autre part, la deuxième paroi (5) et le moyen de stockage de chaleur (S).

Description

MODULE DE PRODUCTION D'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE ET THERMIQUE A PARTIR DU RAYONNEMENT SOLAIRE, ET INSTALLATION EQUIPEE DE TELS MODULES.

L'invention est relative à un module de production d'énergie photovoltaïque et thermique à partir du rayonnement solaire, du genre de ceux qui comprennent un caisson comportant : - une première paroi exposée au rayonnement solaire, et constituée pour partie i o d'un panneau photovoltaïque et, pour une autre partie, d'une plaque qui laisse passer la lumière, en particulier une plaque transparente ou translucide, - au moins une deuxième paroi écartée de la surface intérieure de la première paroi, la face interne de cette deuxième paroi étant sombre, - une entrée pour de l'air frais en vue d'une circulation d'air à l'intérieur du 15 caisson entre la paroi externe équipée de cellules photovoltaïques et la paroi interne qui capte les rayons solaires et les transforme en rayonnement infrarouge (chaleur), - et une sortie pour l'air réchauffé située du côté opposé à l'entrée d'air. US 6018123 montre un module de production d'énergie de ce genre. 20 II est souhaitable d'améliorer la production d'énergie thermique, sous forme d'air réchauffé, en particulier pendant les heures où le rayonnement solaire est faible ou nul, notamment la nuit, et d'améliorer la production d'énergie électrique provenant du panneau photovoltaïque. L'invention a pour but, surtout, de fournir un module de production 25 d'énergie du genre défini précédemment qui permet d'obtenir les améliorations évoquées ci-dessus. Selon l'invention, un module de production d'énergie à partir du rayonnement solaire, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce qu' un moyen de stockage de chaleur ayant une capacité thermique massique 30 supérieure à celle de la deuxième paroi est disposé en regard d'au moins une zone de la plaque, et en ce que l'air circule dans l'espace compris entre, d'une part, la première paroi, et, d'autre part, la deuxième paroi et le moyen de stockage de chaleur. Le moyen de stockage de chaleur qui a accumulé de la chaleur 35 pendant les heures où le soleil rayonne restitue cette chaleur longtemps après la fin du rayonnement solaire, notamment pendant la nuit. Ce moyen de stockage permet ainsi d'étaler sur plusieurs heures la production d'air réchauffé à une température souhaitée, et d'écrêter le pic de rayonnement solaire.

En outre, l'air qui circule contre la face interne du panneau photovoltaïque en assure le refroidissement, ce qui contribue à améliorer le rendement des cellules photovoltaïques et la production d'énergie électrique. De préférence, le moyen de stockage de chaleur comporte un matériau qui change de phase ou d'état, avec absorption d'une chaleur latente, à une température comprise entre la température atteinte lorsque le soleil rayonne et celle obtenue en absence du rayonnement solaire, en particulier la nuit, de sorte que la chaleur latente est alors restituée. Le matériau à changement de phase ou d'état peut être constitué par i o un hydrate de sel, en particulier choisi parmi la forme déca-hydratée de sulfate de sodium (ou sel de Glauber), l'acétate trihydrate de sodium, l'hydroxyde de baryum monohydraté ou octohydraté. Le moyen de stockage de chaleur peut comporter, éventuellement en combinaison avec le matériau à changement de phase ou d'état, une masse 15 de matériau à capacité thermique massique supérieure à celle de la deuxième paroi, en particulier une masse de sable humide ou de sol humide mis en oeuvre dans une enveloppe étanche.. De préférence, la face intérieure de la deuxième paroi, et la face du moyen de stockage de chaleur tournée vers la plaque, forment un corps noir, 20 au moins sur une partie. Une isolation thermique est avantageusement prévue sur la face opposée de la deuxième paroi et/ou du moyen de stockage de chaleur. Le caisson peut avoir la forme d'un parallélépipède, en particulier rectangle, dont une grande face constitue la première paroi tournée vers le 25 rayonnement solaire, et dont l'autre grande face correspond à la deuxième paroi, le moyen de stockage de chaleur étant disposé dans le prolongement de la deuxième paroi. Le caisson peut être disposé suivant l'hypoténuse de la section droite en triangle rectangle d'une forme prismatique, la plaque transparente 30 étant disposée vers une extrémité de l'hypoténuse. Le moyen de stockage de chaleur peut être constitué par une masse de matériau, en particulier du sable humide ou du sol humide contenu dans un volume étanche, située dans l'angle opposé du triangle, des éléments conducteurs de la chaleur absorbée par la face interne, de préférence noire, du moyen de stockage plongeant dans la 35 masse de matériau pour transmettre la chaleur captée. L'entrée d'air peut être située en partie basse de la section droite en triangle rectangle, tandis que la masse de matériau du moyen de stockage de chaleur est située dans l'angle supérieur du triangle.

L'invention est également relative à une installation de production d'électricité et d'énergie thermique, en particulier de production d'eau chaude, comportant au moins un module tel que défini précédemment. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est une section transversale verticale d'un module de production d'énergie selon l'invention. Fig. 2 est une section droite d'une variante de réalisation du module de l'invention et Fig. 3 est un diagramme illustrant la variation de l'énergie moyenne rayonnée par le soleil en fonction de l'heure portée en abscisse au cours du mois de juin. En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir un module M1 de production d'énergie à partir du rayonnement solaire qui comprend un caisson 1 en forme de parallélépipède, de préférence rectangle. Le caisson 1 comporte une première paroi 2 exposée au rayonnement et constituée pour partie d'un panneau photovoltaïque 3 et, pour une autre partie, d'une plaque 4 qui laisse passer la lumière. La plaque 4 est de préférence transparente, ce terme « transparente » englobant une plaque translucide. La plaque 4 peut être constituée d'une plaque en verre, ou d' un film souple, ou d'une plaque en polycarbonate qui laisse passer un maximum de lumière. La plaque 4 peut avantageusement être constituée de panneaux translucides en polycarbonate double peau. Le panneau 3 est composé de cellules photovoltaïques juxtaposées, opaques, entre lesquelles se trouvent cependant des interstices transparents de sorte qu'une faible partie du rayonnement solaire peut traverser le panneau 3, alors qu'au niveau de la plaque 4 la quasi-totalité du rayonnement solaire traverse cette plaque. Le caisson 2 comporte au moins une deuxième paroi 5 écartée de la surface intérieure de la première paroi. La face interne 5a de la deuxième paroi est sombre, de préférence noire, pour absorber le rayonnement solaire qui pénètre à l'intérieur du module. Une entrée d'air 6 pour de l'air frais est prévue, notamment suivant un côté ouvert du caisson 1. Une sortie d'air 7 est disposée sur un autre côté du caisson pour que l'air entre, circule et sorte du module, comme illustré par les flèches 8.1, 8.2, 8.3. Le module M1 comporte un moyen de stockage de chaleur S ayant une capacité thermique massique supérieure à celle de la paroi 5. Ce moyen de stockage S est disposé en regard d'au moins une zone de la plaque 4, et de préférence en regard de la totalité de la plaque 4 de manière à recevoir le rayonnement solaire représenté par les flèches 9.1, 9.2 qui traversent la plaque 4. Le moyen de stockage S comporte une face intérieure 10 formant corps noir, notamment en étant revêtue d'une couche noire pour absorber un maximum d'énergie lumineuse. L'énergie thermique absorbée est transmise par conduction au moyen de stockage S. La face intérieure 10 du moyen de stockage S est sensiblement coplanaire avec la face 5a de la deuxième paroi 5 ou sensiblement dans son prolongement. Dans l'exemple non limitatif de Fig. 1, le moyen de stockage S est logé dans une partie d'épaisseur réduite de la paroi 5. Une isolation thermique 11 est prévue, au moins au niveau du moyen de stockage S, du côté opposé à la face intérieure 10. Cette isolation thermique 11 peut s'étendre avantageusement sur toute la face externe de la deuxième paroi 5.

Le moyen de stockage de chaleur S peut comporter un matériau A qui change de phase ou d'état, avec absorption d'une chaleur latente, à une température comprise entre la température atteinte lorsque le soleil rayonne et celle obtenue en absence de rayonnement solaire, en particulier la nuit, de sorte que la chaleur latente absorbée est alors restituée.

Le matériau à changement de phase ou d'état peut être constitué par un hydrate de sel, en particulier choisi parmi la forme déca-hydratée de sulfate de sodium (ou sel de Glauber), l'acétate trihydrate de sodium, l'hydroxyde de baryum monohydraté ou octohydraté. La température de fusion du sulfate de sodium sous forme déca- hydratée est d'environ 32°C. Le rapport volume d'eau/volume de sulfate de sodium décahydraté, pour une même capacité thermique de stockage est d'environ 3,5. La capacité thermique volumique du sulfate de sodium est d'environ 60 kWh/m3. Dans le cas de l'acétate de sodium, la température de fusion (libération de l'eau du trihydrate) est d'environ 58°C et le rapport volume d'eau/volume d'acétate pour une même capacité thermique est d'environ 7,75-8,8. La comparaison des capacités thermiques de différentes matières est donnée dans le tableau qui suit. Matière Capacité Densité Capacité Conductivité Eau thermique kg/dm3 thermique W/mK massique 1,00 volumique 0,59 Wh.°C.kg Wh.°C.dm3 1,16 1,16 Sable sec 0,19 1,60 0,31 0,33 Sable humide 0,50 1,85 0,93 1,88 Sol sec 0,23 1,50 0,35 0,50 Sol humide 0,50 1,80 1,00 1,90 Acier 0,13 7,80 1,03 45,00 En se reportant à Fig. 2 on peut voir une variante de réalisation d'un module M2 de production d'énergie selon l'invention. Ce module M2 comporte un caisson 1' dont la première paroi 2 est semblable à celle du caisson M1 de Fig. 1. Les éléments identiques ou semblables à ceux du caisson M1 seront désignés par les mêmes références éventuellement affectées du signe ` sans que leur description soit reprise. i o Le caisson 1' est disposé suivant l'hypoténuse d'une forme prismatique 12 à section droite en triangle rectangle. L'entrée d'air 6 est située en partie basse et la sortie d'air 7 est située en partie haute. La plaque 4 laissant passer la lumière est disposée vers le haut, et le moyen de stockage S de chaleur est constitué par une masse 13 de matériau de capacité thermique 15 massique supérieure à celle de la deuxième paroi 5'. La masse 13 est constituée en particulier de sable humide ou de sol humide situé dans l'angle supérieur du triangle, et contenu dans un volume étanche. Des éléments 14 conducteurs de la chaleur, en particulier des barres ou des tubes cylindriques, sont enfoncés dans la masse 13 de matériau, généralement 20 perpendiculairement à la face oblique du prisme formant l'hypoténuse. Les éléments conducteurs 14 peuvent être constitués de lames de métal tel que l'acier, l'aluminium ou d'un matériau mélangé avec du carbure de silicium SiC (taux de SiC de 500/0 à 950/0). Ces éléments 14 améliorent la diffusion de la chaleur captée par la face 10 formant corps noir, dans la masse 13 où elle est 25 stockée. La deuxième paroi 5' du caisson 1' comprend une face interne 5a' pouvant être formée par une tôle peinte en noir vers l'intérieur, et la portion en contact de la surface oblique d'une masse 15 de matériau, située sous la masse 13. La masse 15 peut être constituée de sol naturel ou de sable qui peuvent être humides ou secs. L'utilisation d'un matériau saturé d'eau nécessite la mise en oeuvre d'une enveloppe étanche.

Une isolation thermique 11' est prévue sur la face verticale de la forme prismatique 12, principalement au niveau de la masse 13 située dans l'angle supérieur. La disposition de Fig. 2 peut être obtenue par l'installation d'un module M2 sur une pente naturelle, bien exposée au soleil, par exemple dans 1 o une région vallonnée. Le fonctionnement des modules est le suivant. Le rayonnement solaire tombe sur la paroi 2. Le panneau photovoltaïque 3 transforme une partie de cette énergie rayonnée en énergie électrique. L'air qui circule au contact direct de la face interne du panneau 3 15 refroidit les cellules photovoltaïques, ce qui permet d'améliorer leur rendement. Au niveau de la plaque 4, le rayonnement solaire vient chauffer la face 10 et le moyen de stockage S, qui accumule la chaleur captée. L'air qui circule depuis l'entrée 6 vers la sortie 7 se réchauffe sous le panneau 3, puis essentiellement au niveau de la plaque 4 et de la face 10.

20 A titre d'exemple, non limitatif, l'air peut entrer à une température de 10°C et sortir à une température de 40°C. Le moyen de stockage S accumule de la chaleur pendant toute la période de rayonnement diurne. Cette chaleur est ensuite progressivement restituée, en l'absence de rayonnement, notamment la nuit.

25 Le fonctionnement du module M2 de Fig.2 est semblable, le stockage de chaleur ayant lieu dans la masse 13 de matériau. Le diagramme de Fig. 3 traduit l'effet du moyen de stockage de chaleur selon l'invention. La courbe 16 représente, pour une orientation sud, l'énergie solaire incidente moyenne portée en ordonnée en kWh/m2 en fonction 3o du temps porté en abscisse, entre 4 h et 20 h heures solaires, pour le mois de juin. L'énergie rayonnée est portée en ordonnée en kWh/m2. La courbe 17 en tirets illustre l'énergie restituée grâce au moyen de stockage S, en fonction du temps. Cette courbe 17 est en quelque sorte aplatie relativement à la courbe 16, et s'étale sur une durée supérieure à celle du 35 rayonnement. La récupération d'énergie solaire à l'aide de panneaux thermiques classiques peut varier de 0 jusqu'à 500 kWh/m2 par an selon la position des panneaux, l'heure et la saison. L'invention permet de stocker une partie de l'énergie et de la restituer pendant les périodes qui ne sont pas ensoleillées, notamment la nuit. Selon l'invention, pour une même production d'énergie thermique sous forme d'air réchauffé, pendant 24 h, la surface de la plaque 4 pourra être réduite ; en conséquence, la surface du panneau photovoltaïque 3 pourra être augmentée, d'où une amélioration de l'efficacité globale de récupération d'énergie solaire. La zone du module située sous le panneau photovoltaïque 3, et comprise entre ce panneau et la face 5a, 5a' peut être considérée comme une i o zone de co-génération photovoltaïque/aéraulique, tandis que la zone comprise entre la plaque 4 et le moyen de stockage S de chaleur est une zone essentiellement thermique aéraulique. Les modules peuvent être assemblés en parallèle, et éventuellement en série, et combinés avec des échangeurs thermiques pour produire de l'eau 15 chaude à partir de l'air réchauffé. Une pompe à chaleur installée sur l'air extrait des panneaux solaires mixtes photovoltaïques et thermiques peut avantageusement augmenter la température et transférer la chaleur sur un circuit d'air ou d'eau chaude secondaire. 20

Claims

REVENDICATIONS1. Module de production d'énergie photovoltaïque et thermique à partir du rayonnement solaire, qui comprend un caisson comportant : - une première paroi (2) exposée au rayonnement solaire, et constituée pour partie d'un panneau photovoltaïque (3) et, pour une autre partie, d'une plaque (4) qui laisse passer la lumière, en particulier une plaque transparente ou translucide, - au moins une deuxième paroi (5,5') écartée de la surface intérieure de la i o première paroi, la face interne de cette deuxième paroi étant sombre, - une entrée (6) pour de l'air frais en vue d'une circulation d'air à l'intérieur du caisson entre la paroi externe équipée de cellules photovoltaïques et la paroi interne qui capte les rayons solaires et les transforme en rayonnement infrarouge, 15 - et une sortie (7) pour l'air réchauffé située du côté opposé à l'entrée d'air, caractérisé en ce qu'un moyen de stockage de chaleur (S) ayant une capacité thermique massique supérieure à celle de la deuxième paroi (5,5') est disposé en regard d'au moins une zone de la plaque (4), et en ce que l'air circule dans l'espace compris entre, d'une part, la première paroi (2), et, d'autre part, la 20 deuxième paroi (5,5') et le moyen de stockage de chaleur (S).
2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de stockage de chaleur (S) comporte un matériau (A) qui change de phase ou d'état, avec absorption d'une chaleur latente, à une température comprise entre la 25 température atteinte lorsque le soleil rayonne et celle obtenue en absence du rayonnement solaire, en particulier la nuit, de sorte que la chaleur latente est alors restituée.
3. Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau à 30 changement de phase ou d'état est constitué par un hydrate de sel, en particulier choisi parmi la forme déca-hydratée de sulfate de sodium (ou sel de Glauber), l'acétate trihydrate de sodium, l'hydroxyde de baryum monohydraté ou octohydraté. 35
4. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de stockage de chaleur (S) comporte une masse (13) de matériau à capacité thermique massique supérieure à celle de la deuxième paroi.
5. Module selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau est du sable humide ou du sol humide mis en oeuvre dans une enveloppe étanche.
6. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face intérieure (5a, 5a') de la deuxième paroi, et la face (10) du moyen de stockage de chaleur tournée vers la plaque, forment un corps noir, au moins sur une partie.
7. Module selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une isolation thermique (11,11') est prévue sur la face opposée de la deuxième paroi et/ou du moyen de stockage de chaleur.
8. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le caisson (M1) a la forme d'un parallélépipède, en particulier rectangle, dont une grande face constitue la première paroi (2) tournée vers le rayonnement solaire, et dont l'autre grande face correspond à la deuxième paroi (5), le moyen de stockage de chaleur (S) étant disposé dans le prolongement de la deuxième paroi.
9. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le caisson (M2) est disposé suivant l'hypoténuse de la section droite en triangle rectangle d'une forme prismatique, la plaque transparente étant disposée vers une extrémité de l'hypoténuse.
10. Module selon l'ensemble des revendications 4 et 9, caractérisé en ce que le moyen de stockage de chaleur (S) est constitué par une masse de matériau (13), en particulier du sable humide ou du sol humide, située dans l'angle opposé du triangle, des éléments (14) conducteurs de la chaleur absorbée par la face interne 10) du moyen de stockage plongeant dans la masse de matériau pour transmettre la chaleur captée.
11. Module selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'entrée d'air est située en partie basse de la section droite en triangle rectangle, tandis que la masse de matériau du moyen de stockage de chaleur est située dans l'angle supérieur du triangle.
12. Installation de production d'électricité et d'énergie thermique, en particulier de production d'eau chaude, comportant au moins un module selon l'une quelconque des revendications précédentes.