concentration

Description

La présente invention se rapporte aux systèmes hybrides de production d'énergie électrique et de chauffage d'eau. Il s'agit en particulier d'un système de refroidissement des cellules photovoltaïques à concentration et de chauffage d'eau par échange thermique.

Les capteurs solaires photovoltaïques à concentration fournissent généralement un rendement supérieur aux capteurs classiques, mais ils sont tout aussi sensibles à la chaleur. Ainsi, le meilleur rendement est obtenu en combinant un bon rayonnement avec une faible température.

Les capteurs à concentration actuels utilisent généralement des radiateurs en contact direct avec les cellules photovoltaïques pour assurer leur refroidissement. Certaines inventions (US2010050428 et GB2469897 par exemple) proposent l'utilisation de liquide de refroidissement pour un transfert thermique par conduction, sans toutefois détailler la méthode de réalisation d'un tel système de refroidissement.

En effet, un refroidissement par conduction vers un liquide pose le problème du refroidissement d'un tel liquide et de son pompage. Les mécanismes classiques nécessitent en effet de l'énergie électrique. Leur utilisation réduit ainsi le rendement globale du système capteur photovoltaïque au lieu de l'améliorer.

Notre invention propose un système qui à la fois améliore le rendement du capteur photovoltaïque à concentration et récupère le surplus d'énergie thermique en stockage d'eau chaude pour d'autres utilisations.

Il s'agit d'un système de conduits d'eau (tuyauterie) adapté aux capteurs à concentration (1 ) sous forme rectangulaires composés de cellules à concentration (1 1 ) disposés en grille. Un conduit principal vertical (2) traverse l'ensemble du capteur en son centre. Il est relié en bas au réseau de distribution d'eau (3) par le biais d'une électrovanne d'entrée (4). En haut, il est relié à un conduit (5) (ou réservoir) horizontal de collecte d'eau chaude qui parcours toute la largeur du capteur (1 ). Il est fermé d'un côté et relié de l'autre côté à un réservoir d'eau chaude (6) à travers une deuxième électrovanne de sortie (7).

l Deux conduits secondaires diagonales (8) dérivent en divergeant du conduit principal (2) à partir de chaque ligne de cellules (9). Ces conduits parcourent diagnonalement les cellules. Chaque cellule est ainsi parcourue par un conduit secondaire (8] qui la relie avec celle dans la ligne adjacente et la colonne adjacente jusqu'à atteindre la ligne du milieu. Puis elles reconvergent diagonalement de la même façon jusqu'à rejoindre le conduit principale formant ainsi des losanges concentriques qui parcourent les cellules.

Les cellules aux quatre coins du rectangle, inaccessibles par le conduit principal et les conduits secondaires en losanges, sont parcourues directement par des conduits auxilaires verticaux (10) qui rejoingnent les conduits secondaires. Les conduits auxiliaires des deux coins en bas du rectangle sont fermés du côté bas avec une seule ouverture en haut vers les conduit secondaires. Par contre les conduits auxiliaires des deux coins en haut du rectangle sont reliés au conduit horizontal de collecte d'eau chaude (5).

Tous les conduits sont fabriqués avec un matériau flexible et de faible conductivité thermique, sauf pour la surface en contact avec la cellule (1 1 ) qui est fabriquée avec un matériau de haute conductivité thermique.

Des capteurs de température sont installés au niveau des électrovannes et sont reliés à un microcontroleur qui ouvre les vannes d'entrée et de sortie dès que le capteur à la sortie atteint une température de consigne qui est calculée selon le besoin, les spécifications des cellules photovoltaïques et la température d'entrée.

Le système fonctionne en ouvrant d'abord les deux électrovannes pour permettre le remplissage de l'ensemble des conduits grâce à la pression d'eau en entrée. Dès remplissage, les deux électrovannes sont fermées et laissent le control au microcontroleur.

La concentration solaire sur les cellules photovoltaïques génère l'énergie électrique qui est collectée par les moyens conventionnels présents à l'état de la technique. Ce rayonnement concentré génère encore plus d'énergie thermique qui est échangée vers l'eau des conduits à travers les surfaces à haute conductivité thermique. Ce transfert permet un refroidissement des cellules ce qui améliore leur rendement.

D'un autre côté l'eau présente dans les conduits est chauffée aux points de contact avec les cellules. Etant donné que tous les points de contact sont reliés entre eux sous une forme qui permet la mobilité verticale (forme en losanges concentriques), l'eau ainsi réchauffée par les cellules remonte vers le haut par phénomène de thermosyphon, l'eau froide descend vers le bas.

Le système étant fermé, l'eau chauffe jusqu'à se rapprocher de la température aux cellules si rien n'est fait, perdant ainsi la fonction de refroidissement. Le contrôleur a donc le rôle d'ouvrir les vannes d'entrée et de sortie dès que la température de sortie atteint un seuil prédéterminé (<100°C), évitant ainsi l'augmentation de la pression et la perte de la fonction de refroidissement. A l'ouverture des vannes, l'eau chaude présente dans le conduit horizontal de collecte est déversée dans un réservoir pour autre utilisation. L'eau rentrée par la vanne d'entrée remplace cet eau chaude assurant ainsi une température contrôlée pour le refroidissement.

La taille du conduit horizontal de collecte d'eau chaude est dimensionnée selon le besoin. Plus sa taille est grande, plus la différence de température entre l'eau d'entrée et l'eau de sortie peut être importante tout en diminuant la température de l'eau de refroidissement en contact avec les cellules.

Notre invention a l'avantage de refroidir efficacement les cellules à concentration améliorant ainsi leur rendement, de générer de l'eau chaude, et le tout avec un miniume de pertes d'énergie. Le rendement global du système, à la fois électrique et thermique est optimal, contrairement aux systèmes existants qui nécessitent le pompage électrique de l'eau réduisant ainsi le rendement électrique du système.

La figure 1 illustre une vue de dos d'un capteur solaire photovoltaïque à concentration rectangulaire avec le système de refroidissement installé.

La figure 2 illustre une vue de dos d'un capteur solaire photovoltaïque à concentration rectangulaire avec le système de refroidissement installé selon une disposition alternative.