FR3019883A1 - Dispositif de production d'energie solaire et de filtrage de la lumiere solaire adapte aux serres agricoles - Google Patents

Dispositif de production d'energie solaire et de filtrage de la lumiere solaire adapte aux serres agricoles Download PDF

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Abstract

Dans le but de limiter et contrôler le rayonnement solaire (21,31) à l'intérieur d'une serre agricole (1) et afin d'optimiser le rendement des cultures tout en récupérant un maximum de l'énergie solaire pour des besoins en électricité et en chauffage, le dispositif selon l'invention comprend une pluralité de surfaces photovoltaïques mobiles (9) dont les orientations sont commandées par une programmation électromécanique (P), lesdites surfaces photovoltaïques (9) sont positionnées à l'intérieur d'une enceinte (4) transparente au rayonnement solaire (21,31) et produisent d'une part de l'énergie électrique et d'autre part un échauffement de l'air (13) contenue à l'intérieur de ladite enceinte transparente (4) grâce au contact de ladite air (13) avec les surfaces photovoltaïques (11) qui s'échauffent sous l'effet de leurs expositions au rayonnement solaire (15,21,31). Les dites surfaces photovoltaïques (9) s'orientent par rapport à la position (2,3) et à la luminosité (21,31) du soleil afin de réguler la luminosité globale qui traverse les surfaces photovoltaïques (9). Un filtre dichroïque (30) permet de sélectionner la couleur idéale, ou la partie du spectre solaire, qui optimise la photosynthèse ou la pousse des plantes et qui renvoie vers les capteurs solaires la lumière qui n'est pas utile pour la pousse les plantes.

Description

Dispositif de production d'énergie solaire et de filtrage de la lumière solaire adapté aux serres agricoles. La présente invention se rapporte aux dispositifs de production d'énergie 5 solaire, thermique et photovoltaïque, et plus particulièrement à l'utilisation de surfaces photovoltaïques pour produire de la chaleur et pour réguler la luminosité à l'intérieur d'une serre agricole. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 Les panneaux solaires photovoltaïques produisent de l'électricité et leurs surfaces s'échauffant sous le rayonnement solaire il est parfois intéressant de récupérer cette chaleur grâce à la circulation d'un fluide calo-porteur, liquide ou gazeux, qui se déplace au contact desdites surfaces. Par ailleurs les panneaux solaires étant en général opaques ils sont parfois utilisés, en plus de leur fonction 15 première qui est de produire de l'énergie, pour diminuer la luminosité solaire à l'intérieur des serres agricoles ou des serres d'habitation lorsque cela s'avère nécessaire. BUT DE L'INVENTION 20 L'invention a pour but principal d'utiliser un réseau de surfaces photovoltaïques pour d'une part produire de l'énergie photovoltaïque et thermique, et d'autre part pour réguler la luminosité solaire qui traverse ledit réseau. Positionné sur une serre agricole, par exemple, le dispositif permettra d'augmenter les rendements de production des cultures, notamment celles des micro-algues qui demandent une 25 luminosité assez faible et constante tout en produisant l'énergie électrique et calorifique nécessaire au fonctionnement de la serre. RESUME DE L'INVENTION Dans son principe de base l'invention a pour objet un dispositif comprenant 30 une pluralité de surfaces photovoltaïques mobiles, éventuellement agencées en un réseau ordonné, dont les orientations sont commandées par un dispositif de programmation électromécanique, lesdites surfaces photovoltaïques étant positionnées à l'intérieur d'une enceinte transparente au rayonnement solaire et produisant d'une part de l'énergie électrique et d'autre part un échauffement de l'air contenue à l'intérieur de ladite enceinte transparente grâce au contact de ladite air avec les surfaces photovoltaïques qui s'échauffent sous l'effet de leurs expositions au rayonnement solaire, ledit dispositif étant caractérisé en ce que lesdites surfaces photovoltaïques s'orientent par rapport à la position et à la luminosité du soleil de manière à ce que la luminosité globale qui traverse ladite enceinte transparente soit la plus proche possible d'une constante au cours de la journée.
Dans un mode de réalisation particulier ladite constante de luminosité globale qui traverse la-dite enceinte transparente est comprise entre 100 et 200 Watts par mètre carré. Dans un mode de réalisation particulier lesdites surfaces photovoltaïques sont agencées en un réseau ordonné et sont mobiles autour d'un axe ou se 15 déplacent les unes par rapport aux autres sur des plans parallèles. Dans un autre mode de réalisation particulier lesdites surfaces photovoltaïques sont planes ou courbes, de forme carrée, rectangulaire, circulaire ou hexagonale. Dans un autre mode de réalisation la partie inférieure de ladite enceinte 20 transparente est recouverte d'un filtre solaire ou d'un filtre solaire dichroïque qui a la propriété de laisser passer une partie du spectre solaire et qui réfléchit l'autre partie du spectre solaire. Dans un autre mode de réalisation ledit filtre solaire dichroïque est structuré optiquement en surface pour disperser les rayons réfléchis et/ou contient des formes 25 dépolies, pyramidales, courbes, paraboliques ou cylindro-paraboliques, dans tous ces cas de manière à favoriser la redirection du rayonnement solaire incident vers les faces du dessous des surfaces photovoltaïques. Dans un autre mode de réalisation particulier lesdites surfaces photovoltaïques sont actives sur leur face du dessus et sur leur face du dessous, et la 30 performance énergétique de la face photovoltaïque du dessous est éventuellement adaptée aux longueurs d'ondes du spectre solaire qui est réfléchi par ledit filtre solaire dichroïque. Dans un autre mode de réalisation particulier ladite pluralité de surfaces photovoltaïques et ladite enceinte transparente sont intégrées à une serre agricole 5 ou d'habitation de manière à réguler la luminosité reçue à l'intérieur de ladite serre. Dans un autre mode de réalisation particulier ladite enceinte transparente est parcourue par un flux d'air qui circule au dessus et/ou au dessous desdites surfaces photovoltaïques et qui ressort soit à l'air libre pour évacuer les calories, soit à l'intérieur de ladite serre de manière à réguler la température de son ambiance 10 intérieure éventuellement par l'intermédiaire d'un échangeur thermique de type air/eau. Dans un autre mode de réalisation particulier ladite serre abrite une culture de micro-algues, parmi lesquelles : Asterionella formosa, Ceratium furca, Ceratium furcoides, Ceratium fusus, 15 Cryptomonas marssonii, Cysclotella meneghiniana, Dinobryon divergens, Porphyrium cruentum, Scenedesmus sp, Tychonema bourrelyi. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description 20 des figures 1 à 5 indexées. La figure 1 est un schéma de principe du dispositif lorsqu'il est intégré à une serre agricole. La figure 2 est un schéma explicatif de la manière dont l'air s'échauffe au contact des surfaces photovoltaïques. 25 La figure 3 et la figure 4 illustrent deux positions possibles pour un réseau de surfaces photovoltaïques qui se déplacent les unes par rapport aux autres suivant deux plans parallèles. La figure 5 montre le parcours optique du rayonnement solaire lorsque le dispositif est dans un mode de réalisation qui contient un filtre dichroïque semi 30 réfléchissant.
La figure 1 est un schéma de principe en coupe dans lequel un alignement de capteurs solaires photovoltaïques plans (9) orientables autour d'un axe horizontal (10) sont séparés les uns des autres par un espace de transparence au rayonnement solaire (21,31) ledit espace de transparence pouvant laisser passer plus ou moins la lumière (21,31) du soleil (2,3) en fonction à la fois de l'inclinaison desdits capteurs solaires (9) et de la position du soleil (2,3). Les panneaux solaires (9) sont positionnés dans une enceinte transparente (4) qui ne fait pas, ou peu, obstacle au rayonnement solaire (21,31) et ladite enceinte (4) est positionnée sur une serre agricole (1). Une régulation de l'intensité lumineuse qui traverse globalement l'enceinte transparente (4) est possible grâce à un dispositif électromécanique de commande (P) de la position des panneaux solaires qui tient compte à chaque instant de la position et de la luminosité du soleil. Ainsi, par exemple, pour une consigne de luminosité constante de 200 W/m2 en moyenne à l'intérieur de la serre lorsque la puissance du soleil (2) est à 1000 W/m2 les panneaux s'inclineront pour ne laisser passer en moyenne que 1/5 du rayonnement solaire (21). Par contre lorsque la puissance du soleil (3) diminue à 600 W/m2 les panneaux s'inclineront pour ne laisser passer en moyenne que 1/3 du rayonnement solaire (31). L'énergie lumineuse capturée par les panneaux solaires (9) est transformée en partie en électricité grâce à la propriété de conversion des matériaux photovoltaïques, et en partie en chaleur grâce à la surface sombre absorbante desdits capteurs (9). L'air contenu dans ladite enceinte (4) et en provenance de l'intérieur de la serre (5) s'échauffe au contact des panneaux solaires (9) et est poussée soit vers l'extérieur de la serre (7) afin d'évacuer les calories superflues soit vers l'intérieur de la serre (6) afin de récupérer ces calories pour réchauffer son ambiance intérieure (14). Un dispositif mécanique (8) permet d'orienter à volonté le flux d'air en provenance de l'enceinte (4) vers l'intérieur (6) ou vers l'extérieur (7) de la serre (1), la commande du dispositif (8) pouvant se faire par un asservissement électromécanique (non illustré) programmé pour satisfaire aux consignes de la température idéale choisie pour le type de culture en cours à l'intérieure de la serre (14). Bien sûr la chaleur capturée par le dispositif et qui est réinjectée dans la serre peut aussi passer au travers d'échangeurs thermiques (non représentés) afin d'organiser au mieux la répartition de cette dite chaleur, notamment un échangeur/thermique air/eau permettrait de réchauffer l'eau d'un bassin ou d'une eau d'arrosage. La figure 2 représente un panneau solaire photovoltaïque (9) mobile autour d'un axe (10) qui produit une différence de potentiel électrique (+,-) à ses extrémités lorsqu'il est éclairé par un rayonnement (15) solaire. La surface (11) du panneau solaire (9) qui est exposée au soleil s'échauffe et transmet ses calories (20) au flux d'air (5) avec lequel elle est en contact, ledit flux d'air (13) s'échauffe alors à son tour et voit sa température (T°) augmentée. L'énergie solaire qui éclaire le panneau solaire (9) est donc transformée en énergie électrique et en énergie thermique.
Les figures 3 et 4 illustrent le cas particulier d'un dispositif qui est composé d'une multitude de surfaces photovoltaïques planes (18,19) en forme de bandes parallèles identiques qui sont disposées sur deux surfaces transparentes (16,17) et parallèles entre elles. L'une des deux surfaces glisse par rapport à l'autre de manière à ce que la surface globale qui est exposée aux rayons (21) du soleil (2) soit plus ou moins importante ce qui permet de réguler la luminosité (22,23) qui traverse le dispositif. L'avantage du dispositif est la simplicité de mise en oeuvre de la partie mécanique qui est nécessaire pour le glissement d'une des deux surfaces, notamment lorsque lesdites surfaces sont de tailles réduites. La figure 5 illustre le cas d'une enceinte transparente (4) dont la partie inférieure est recouverte d'un filtre dichroïque (30) qui a la propriété de laisser passer une partie (24,34) du spectre solaire et qui en réfléchit une autre partie (25). Les faces supérieures (11) des panneaux solaires reçoivent la lumière directe (21,31) du soleil (2) ou du soleil voilé (3) et les faces inférieures (12) desdits panneaux solaires sont également actives et reçoivent la lumière (25) qui est réfléchie par le filtre dichroïque (30). L'intérêt de cette variante réside dans l'utilisation d'un filtre dichroïque plutôt qu'un filtre coloré. En effet dans le cas d'un filtre coloré la partie lumineuse non traversante est absorbée par ledit filtre ce qui constitue une perte de lumière. Cette lumière qui est perdue par le filtre coloré est par contre réfléchie dans le cas d'un filtre dichroïque ce qui permet de rediriger une partie de la lumière vers la surface active inférieure du panneau solaire. Globalement le panneau solaire bi-face recevra plus de lumière et sera donc capable de produire plus d'énergie électrique qu'un panneau qui ne comporterait qu'une seule face active tournée vers le soleil. Un autre avantage réside dans le fait que la nature du composant photovoltaïque de cette face inférieure peut être adaptée aux longueurs d'ondes reçues en provenance du filtre dichroïque de manière à optimiser au mieux les performances de conversion électrique. Par exemple le panneau solaire pourrait avoir d'une part une surface supérieure composée de silicium cristallin dont la réponse énergétique est adaptée au spectre solaire dans son ensemble, et d'autre part avoir une surface inférieure composée de silicium amorphe dont la réponse énergétique est adaptée à la couleur verte qui serait réfléchie par le filtre dichroïque. Afin que la lumière (25) réfléchie par le filtre dichroïque (30) atteigne plus facilement la face inférieure (12) des panneaux solaires alors même que ceux-ci peuvent prendre des positions très diverses en fonction des consignes de luminosité commandée par le programmateur (P) il est intéressant de structurer optiquement la surface dudit film dichroïque de manière à ce que la lumière qui est réfléchie (25) s'oriente de préférence vers les panneaux solaires plutôt que cette lumière ne se perde entre les espaces qui séparent lesdit panneaux. Une structure de surface dépolie permet en effet de rediriger la lumière réfléchie (25) dans toutes les directions afin que, quelque soit l'orientation des panneaux, une partie au moins de cette lumière atteigne toujours la face inférieure des panneaux, voire même dans certaines positions également la surface supérieure desdits panneaux, ce qui augmente d'autant le rendement énergétique global du dispositif. EXEMPLE DE REALISATION Un exemple concret de réalisation est composé d'une serre agricole dont les parois transparentes sont en verre organique de type PMMA (Acronyme de Polymétachrylate de Méthyle). La partie supérieure de la serre contient une enceinte transparente dont les faces supérieures et inférieures sont planes et parallèles entre elles et sensiblement de mêmes dimensions que la partie supérieure de la serre. Ladite enceinte contient un réseau de panneaux solaires rectangulaires de dimensions 120 x 40 centimètres qui sont agencés en lignes et en colonnes et dont la première face est composée de cellules photovoltaïques de type silicium monocristallin et la deuxième face est composée d'une couche mince de silicium amorphe. Chaque ligne de panneaux solaires est orientable autour d'un axe horizontal orienté Est/Ouest et tous les axes de rotation parallèles sont espacés de 50 cm de sorte que lorsque tous les panneaux sont alignés à l'horizontal l'espace de transparence entre les panneaux n'est plus que de 10 cm. La surface plane inférieure de l'enceinte est recouverte par un film dichroïque qui laisse passer préférentiellement les couleurs rouge et bleue et sélectionne la couleur verte qui est réfléchie vers l'intérieur de l'enceinte donc vers la face inférieure des panneaux solaires. L'enceinte est parcourue par un flux d'air provenant de l'intérieur de la serre et s'échauffe au contact des panneaux solaires. Un programmateur électromécanique incline les panneaux par rapport au soleil de manière à ce que la luminosité moyenne à l'intérieur de la serre se rapproche le plus possible et reste constante autour de 200 Watts par m2. Un autre programmateur électromécanique commande le débit du flux d'air qui traverse l'enceinte et commande aussi une vanne qui redirige le flux d'air qui sort de l'enceinte soit vers l'extérieur de la serre soit vers l'intérieur de la serre de manière à maintenir une température ambiante idéale de 25°C . AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant à un réseau de surfaces photovoltaïques de produire de l'énergie photovoltaïque et thermique, et de réguler la luminosité solaire qui traverse ledit réseau. D'autre part lorsque le dispositif est positionné sur une serre agricole, la lumière colorée non utilisée par les plantes, en général la couleur verte, est redirigée vers les panneaux solaires ce qui augmente leurs rendements énergétiques.25

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS1 - Dispositif comprenant une pluralité de surfaces photovoltaïques mobiles 5 (9) dont les orientations sont commandées par un dispositif de programmation électromécanique (P), lesdites surfaces photovoltaïques (9) sont positionnées à l'intérieur d'une enceinte (4) transparente au rayonnement solaire (21,31), et produisent d'une part de l'énergie électrique et d'autre part un échauffement de l'air (13) contenue à l'intérieur de ladite enceinte transparente (4) grâce au contact de 10 ladite air (13) avec les surfaces photovoltaïques (11) qui s'échauffent sous l'effet de leurs expositions au rayonnement solaire (15,21,31), caractérisé en ce que ledit dispositif de programmation électromécanique (P) oriente lesdites surfaces photovoltaïques (9) par rapport à la position (2,3) et à la luminosité (21,31) du soleil de manière à ce que la luminosité globale qui traverse ladite enceinte transparente 15 (4) soit la plus proche possible d'une constante au cours de la journée.
  2. 2 - Dispositif selon la revendication 1 précédente caractérisé en ce que ladite constante de luminosité globale qui traverse ladite enceinte transparente (4) est comprise entre 100 et 200 Watts par mètre carré.
  3. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes 20 caractérisé en ce que lesdites surfaces photovoltaïques (9) sont agencées en un réseau ordonné et sont soit mobiles autour d'un axe (10) soit se déplacent les unes par rapport aux autres suivant des plans parallèles.
  4. 4 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites surfaces photovoltaïques (9) sont planes ou courbes, de forme carrée, 25 rectangulaires, circulaires ou hexagonales. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie inférieure de l'enceinte transparente est recouverte d'un filtre solaire ou d'un filtre solaire dichroïque (30) qui a la propriété de laisser passer une partie du spectre solaire (24,34) et qui réfléchit l'autre partie du spectre solaire (25). 30 6 - Dispositif selon la revendication 5 précédente caractérisé en ce que ledit filtre solaire dichroïque (30) est structuré optiquement en surface pour disperser lesrayons réfléchis (25) et/ou contient des formes dépolies, pyramidales, courbes, paraboliques ou cylindro-paraboliques, dans tous ces cas de manière à favoriser la redirection du rayonnement solaire incident (21,31) vers les faces inférieures (12) des surfaces photovoltaïques (9). 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites surfaces photovoltaïques (9) sont actives sur leur face du dessus (11) et sur leur face du dessous (12) et que la performance énergétique de la face du dessous (12) est éventuellement adaptée aux longueurs d'ondes du spectre solaire qui est réfléchi (25) par ledit filtre dichroïque (30). 8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites surfaces photovoltaïques (9) et ladite enceinte transparente (4) sont intégrées à une serre (1) agricole ou d'habitation de manière à réguler la luminosité reçue à l'intérieur (14) de ladite serre (1). 9 - Dispositif selon la revendication 8 précédentes caractérisé en ce que ladite enceinte transparente (4) est parcourue par un flux d'air (13) qui circule au dessus et/ou au dessous desdites surfaces photovoltaïques (9) et qui ressort soit à l'air libre (7) pour évacuer les calories, soit à l'intérieur (6) de ladite serre (1) de manière à réguler la température de son ambiance intérieure (14) éventuellement par l'intermédiaire d'un échangeur thermique de type air/eau. 10 - Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9 précédentes caractérisé en ce que ladite serre (1) abrite une culture de micro-algues de type : Asterionella formosa, Ceratium furca, Ceratium furcoides, Ceratium fusus, Cryptomonas marssonii, Cysclotella meneghiniana, Dinobryon divergens, Porphyrium cruentum, Scenedesmus sp, Spiruline, Tychonema bourrelyi. 30
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