Dispositif de réception de l'énergie solaire et

procédé de production d'électricité et de chauffage d'un fluide de manière simultanée.

L'utilisation d'énergie renouvelable deviendra de plus en plus importante dans le futur. Parmi les solutions possibles, on peut citer l'énergie éolienne et l'énergie solaire. Ces deux sources d'énergie sont encore limitées, mais elles sont appelées à jouer un rôle de plus en plus grand dans le futur.

La présente invention traite de l'énergie solaire (énergie issue des rayons du soleil ou lumière).

Il existe actuellement deux sortes de systèmes exploitant cette source d'énergie.

La première est constituée de systèmes photovoltaïques, qui transforment la lumière solaire directement en électricité. La deuxième est constituée de systèmes photo-thermiques, où l'énergie solaire est utilisée pour chauffer un fluide.

Les deux systèmes de l'art antérieur sont employés de manière indépendante, ce qui veut dire que l'on peut produire soit de l'électricité, soit de la chaleur mais pas les deux simultanément. Très peu de systèmes existant aujourd'hui combinent le photovoltaïque et la photo-thermie. Un exemple d'un tel système est décrit dans le brevet JP 200720800, où des cellules photovoltaïques sont montées sur une plaque dans laquelle circule un fluide pour refroidir les cellules. Ceci permet d'augmenter l'efficacité énergétique des cellules photovoltaïques et d'extraire de la chaleur pour des applications de chauffage.

Un autre système est décrit dans le brevet US 2011226308 où des miroirs paraboliques concentrent la lumière du soleil sur un tube à l'intérieur duquel circule un fluide qui sera chauffé et à l'extérieur duquel sont fixées des cellules photovoltaïques produisant de l'électricité.

D'autres systèmes sont décrits dans les brevets KR 20110330248, KR 101009688, US 2010147347, EP 2188847, DE 102008013523, US 2009065046, KR 20070080179, DE 202005019, JP 2007081097, WO 2006019091 , KR 20050106164, JP 2004176982, JP 2004039942, JP 2002310516 et EP 0820105.

Tous les systèmes décrits dans les brevets mentionnés précédemment ont en commun qu'ils sont fixés et qu'ils ne suivent pas la course du soleil. Un suivi du soleil peut être utile afin d'optimiser à tout moment la quantité de lumière entrant dans le système.

Afin de remédier à cela, différentes méthodes ont été développées.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Il en existe deux grandes catégories. La première utilise des systèmes de « tracking » ou autrement dit « de suivi du soleil ». Les modules solaires sont montés sur une structure motorisée dans au moins deux axes de rotation. En faisant tourner les moteurs, on peut diriger les modules vers le soleil et avoir une illumination optimale.

Toutefois, ces systèmes sont complexes et nécessitent beaucoup de place au sol.

La deuxième grande catégorie comprend des systèmes de miroirs. Ces miroirs sont aussi très souvent mobiles et permettent de refléter la lumière du soleil en un endroit bien précis. Enfin, il existe une troisième méthode, utilisant des systèmes de lentilles, le plus souvent des lentilles de Fresnel.

Le brevet US398118 décrit un système utilisant les lentilles de Fresnel pour focaliser la lumière solaire sur des conducteurs thermiques à travers desquels passe un fluide. On arrive ainsi à produire de la vapeur d'eau alimentant une turbine couplée à un générateur électrique. Le suivi du soleil se fait en pivotant les lentilles en fonction de la position du soleil.

Le brevet DE02004001248 décrit un système composé de plusieurs lentilles de Fresnel montées avec des positions et des angles différents autour d'un point focal commun à toutes les lentilles. Suivant la position du soleil une lentille différente focalise la lumière. Ce système n'a pas besoin d'un suivi actif du soleil.

Les brevets HK6897 et US4848319 sont similaires au brevet précèdent.

Tous ces brevets utilisent des lentilles de Fresnel planes. Un système utilisant des lentilles non-planes est divulgué dans le brevet GB1598335. La lentille est une lentille de Fresnel linéaire, bombée afin de former un demi-cylindre. La focale est une droite dans l'axe du cylindre et elle est située sur un tuyau dans lequel circule un fluide. Ce système est fixe et ne suit pas le soleil. En raison de la forme de la lentille, la lumière solaire reste assez bien focalisée au même endroit en fonction du temps. Un tel système est aussi décrit dans R. Leutz et al, Nonimaging lens concentrators for photovoltaic applications, Proceedings of ISES Solar World (1999).

US 2005/0133082 décrit un système qui permet la transformation d'énergie solaire en énergie électrique et en énergie thermique. US 2005/0133082 se concentre

surtout sur l'aspect photovoltaïque, l'exploitation de l'énergie calorifique y est un aspect secondaire. La cellule photovoltaïque est disposée au-dessus d'une feuille en cuivre, càd la cellule photovoltaïque et la feuille en cuivre ne sont pas disposées dans un même plan horizontal. Leur module peut fonctionner et extraire de l'énergie électrique même en absence de la partie fluidique. Les cellules solaires sont absolument nécessaires pour

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) extraire de la chaleur. US 2005/0133082 décrit un système qui peut utiliser des lentilles de Fresnel afin de concentrer la lumière solaire sur les cellules solaires. Dans US 2005/0133082, la lentille de Fresnel est optionnelle et une analyse détaillée, en tenant compte de la physique des semi-conducteurs, montre, qu'en fait, la lentille de Fresnel nuit aux performances du système de US 2005/0133082.

Dans US 2005/0133082, les lentilles de Fresnel ne focalisent pas la lumière sur la surface de cellules solaires, et par conséquent le point focal se trouve sous cette surface. Cela ressort clairement du paragraphe [0050] de US 2005/0133082. Il en résulte que sur la surface des cellules solaires, un cercle de lumière intense apparaît. La situation du document US 2005/0133082 est illustrée ci-dessous.

o n oca

Le but du document US 2005/0133082 est d'illuminer les cellules solaires par une lumière plus intense. Il est bien connu que ceci augmente le courant électrique fourni par les cellules solaires et augmente en même temps leur rendement énergétique. Mais cette implémentation présente aussi deux problèmes. Le premier est que les cellules chauffent plus et doivent être refroidies fortement. Le deuxième problème est plus important. Dans le système décrit dans US 2005/0133082, seulement une partie des cellules est illuminée plus fortement, tandis qu'une autre partie l'est moins et ces cellules possèdent donc des rendements plus faibles. Il est très probable qu'un système comme celui de D1 fonctionne mieux sans lentille de Fresnel.

WO 2008/020462 décrit un système permettant la transformation de l'énergie solaire en énergie thermique. Dans une première version, ce système n'utilise pas de lentille de Fresnel. Le système consiste en une boite opaque métallique de la dimension d'une tuile pour un toit. Des tuyaux passent à travers la boite et dans ces tuyaux circule un fluide qui va être chauffé. L'énergie solaire chauffe la boite et la chaleur va être transférée dans le fluide à l'intérieur des tuyaux. Dans une deuxième version, une ouverture est faite dans la boite et

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) ce trou est recouvert par une lentille de Fresnel. Son rôle est de concentrer la lumière du soleil quelque part dans la boite. La lumière est ensuite absorbée par les parois, causant un échauffement supplémentaire et cette chaleur est ensuite de nouveau transférée dans le fluide. Dans une troisième version, des cellules solaires sont placées sous une fenêtre dans la boite et permettent la transformation de l'énergie solaire en énergie électrique. Les cellules solaires ne sont pas placées sous la lentille de Fresnel (cf figure 7 (26)) ni dans le même plan horizontal que la plaque métallique (2). En plus les lentilles de Fresnel ne servent pas à focaliser la lumière à un endroit précis, mais seulement à faire entrer le plus de lumière possible à l'intérieur de la boite.

DE 202007000300 divulgue des cellules solaires qui sont refroidies par un système fluidique passant sous ces cellules solaires. Des lentilles de Fresnel sont utilisées pour focaliser la lumière sur les cellules solaires afin d'augmenter leur rendement. Les cellules photovoltaïques (20) sont disposées au-dessus de la plaque en cuivre ou aluminium (32) (cf figure 1 du document DE 202007000300) et ne sont donc pas coplanaires.

Tout ce qui précède décrit l'état de la technique. La présente invention a pour but d'aller au- delà de l'état de la technique.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) L'état de la technique le plus proche est le document US 2005/0133082 car il présente le plus de caractéristiques techniques en commun avec la présente invention et permet la transformation d'énergie solaire en énergie électrique et en énergie thermique.

La différence entre le dispositif de la présente invention et celui du document US 2005/0133082 est qu'au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est coplanaire à au-moins un élément chauffant (2.1) et que ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est refroidie par un fluide (5) froid circulant respectivement dans les conduits (2.6), (2.7), (2.12), ledit fluide (5) ayant été préchauffé par ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) avant de passer dans le conduit (2.2) et dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1) pour être chauffé.

Ceci représente une combinaison de caractéristiques dévoilant une interaction fonctionnelle entre la cellule photovoltaïque et l'élément chauffant et donc une synergie entre la cellule photovoltaïque et l'élément chauffant.

L'effet technique de cette différence est que la température du fluide (5) passe de 18°C (lorsqu'il entre dans le conduit (2.6) de la figure 2) à 22°C (lorsqu'il arrive à l'entrée du conduit (2.2) de la figure 2) avant de passer dans les canaux (4.3) situés sous l'élément chauffant (2.1 ) et ce fluide (5) ressort à une température comprise entre 30°C et 45°C (en hivers) et à une température comprise entre 45°C et 65°C (en été) par le conduit (2.3) après passage sous l'élément chauffant (2.1 ). Le problème à résoudre par la présente invention est donc de fournir un dispositif permettant de préchauffer le fluide (5) avant de passer sous l'élément chauffant (2.1) afin d'augmenter la température du fluide (5) à la sortie du conduit (2.3).

La solution n'est pas évidente au vu de US 2005/0133082 seul car US 2005/0133082 divulgue un dispositif où une cellule photovoltaïque (41 ) est disposée au-dessus d'une feuille en cuivre (47) et le point focal ne se trouve pas sur le plan horizontal où se situe la cellule photovoltaïque (41 ) (selon le paragraphe 50, dernière phrase) mais bien plus bas pour éviter la formation de points chauds (hot spots). Aucune indication n'est donnée que le point focal pourrait se trouver sur la feuille en cuivre (47).

Dans US 2005/0133082 la cellule photovoltaïque (41 ) est maintenue à une température située entre 70°F et 100°F càd entre 21 °C et 37°C (selon la revendication 1 du document US 2005/0133082). Ceci n'encourage pas l'homme du métier à placer l'élément chauffant

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) sur le même plan que la cellule photovoltaïque (41 ), ni de focaliser les rayons du soleil sur l'élément chauffant situé dans le même plan horizontal que la cellule photovoltaïque comme dans la présente invention afin de pouvoir chauffer un fluide (5) et d'obtenir une température comprise entre 35°C et 45°C après préchauffage du fluide (5) et aussi après passage sous un élément chauffant (2.1 ). Le problème à résoudre dans US 2005/0133082 est diamétralement opposé au problème de la présente invention car dans US 2005/0133082 l'objectif est de ne pas chauffer la cellule photovoltaïque (41 ) et la solution est ainsi de focaliser la lumière à un niveau inférieur de celui où se trouve la cellule photovoltaïque (41), alors que dans la présente invention l'objectif est de chauffer l'élément chauffant (2.1 ) en focalisant la lumière sur cet élément chauffant (2.1) qui est situé dans le même plan horizontal que la/les cellule(s) photovoltaïque(s). Le refroidissement de la/les cellule(s) photovoltaïque(s) (2.5) de la présente invention s'effectue en faisant passer un fluide (5) (la température du fluide est la température ambiante, qui varie selon les saisons) sous la/les cellule(s) photovoltaïque(s) (2.1) (cf figure 2).

La solution n'est pas évidente au vu de US 2005/0133082 combiné à WO 2008/020462 car WO 2008/020462 n'indique pas qu'au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est coplanaire à au-moins un élément chauffant (2.1) et qu'au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est refroidie par un fluide (5) qui sera préchauffé après passage sous au-moins une cellule photovoltaïque, lequel va ensuite passer dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1) pour être chauffé. De plus, rien n'indique que la lumière est focalisée sur la plaque chauffante.

En effet, la figure 7 (26) du document WO 2008/020462 montre bien que la cellule photovoltaïque (26) est localisée en surplomb de la plaque chauffante (2) de forme concave (cf revendication 7 et page 7, lignes 23-26 de WO 2008/020462). De plus, la figure 1 de WO 2008/020462 montre que la lumière entrant par le sommet de la tuile est diffractée (preuve en est que l'auteur a représenté les rayons du soleil par 4 flèches (3) divergentes, cf figure 1 et figure 7), alors que dans la présente invention le but est de focaliser la lumière sur l'élément chauffant (2.1) (cf figures 7A-7B et 10A à 11 D de la présente invention).

La solution n'est pas évidente non plus au vu du document US 2005/0133082 combiné à DE 202007000300 car la partie caractérisante des revendications indépendantes n'est pas divulguée et l'homme du métier n'aurait aucune incitation à reproduire la partie caractérisante des revendications indépendantes de la présente invention. En effet, les cellules photovoltaïques (20) sont disposées au-dessus de la plaque en cuivre ou aluminium (32) (cf figure 1 du document DE 202007000300) et ne sont donc pas coplanaires.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) La présente invention concerne un dispositif de réception de l'énergie solaire selon la revendication 1 comprenant un étage supérieur (1) de réception de l'énergie solaire comprenant au-moins une lentille optique convergente de Fresnel (1.3), ledit étage supérieur (1) étant situé au-dessus d'un étage intermédiaire (2), ledit étage intermédiaire (2) comprenant au-moins un élément chauffant (2.1) sous lequel serpentent des canaux dans lesquels circulent un fluide (5) chauffé par l'énergie solaire, et au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), ledit étage intermédiaire (2) étant connecté à un étage inférieur (3) par au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1), et par au-moins un câble électrique (2.8) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), ledit étage intermédiaire (2) étant disposé au-dessus de l'étage inférieur (3), ledit étage inférieur (3) comprenant ledit au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1), ledit au-moins un câble électrique (2.8) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), au-moins un isolant thermique (2.4) entourant ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) et au-moins un tuyau de refroidissement (2.6) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'énergie solaire est focalisée sur ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) et ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est coplanaire audit au- moins un élément chauffant (2.1 ) et en ce que ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) est refroidie par un fluide (5) circulant ns sous ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), ledit fluide (5) ayant été préchauffé par ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) avant de passer dans un tuyau (2.2) et dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1 ) pour être chauffé.

La présente invention concerne aussi un procédé de production d'électricité et de chauffage d'un fluide (5) selon la revendication 2 à partir du dispositif de la revendication 1 , ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

-absorption d'énergie solaire au niveau d'un étage supérieur (1 ) au moyen d'une lentille optique convergente de Fresnel (1.3),

-transformation de l'énergie solaire diffractée en énergie électrique par au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) et transformation en chaleur de l'énergie solaire focalisée par au-moins un élément chauffant (2.1 ) au niveau dudit étage intermédiaire (2), ledit étage intermédiaire (2) étant connecté à un étage inférieur (3) par au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1) et par au-moins un câble électrique (2.8) relié à au-moins une cellule photovoltaïque (2.5),

l'énergie électrique et l'énergie thermique étant transférées au niveau dudit étage inférieur comprenant ledit au-moins un câble électrique (2.8), ledit au-moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10 ), au-moins un isolant thermique (2.4) et, au-moins un tuyau de

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) refroidissement (2.6 ) de ladite au-moins une cellule photovoltaïque, ledit procédé étant caractérisé par une étape de préchauffage du fluide (5) par passage dudit fluide (5) sous ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) avant de passer dans des canaux (4.3) situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant (2.1) pour préchauffer ledit fluide (5) et une étape de chauffage d'un fluide (5) au niveau d'un étage intermédiaire (2) par focalisation de l'énergie solaire sur au-moins un élément chauffant (2.1) et activation d'au- moins une cellule photovoltaïque (2.5) par diffraction de l'énergie solaire au niveau dudit étage intermédiaire (2), ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5) étant coplanaire audit au-moins un élément chauffant (2.1).

Dans un mode de réalisation préféré le dispositif de la présente invention comprend au- moins un élément chauffant (2.1) où directement sous la surface duquel serpentent des canaux dans lesquels circulent un fluide (5) qui est chauffé par l'énergie solaire focalisée sur ledit au-moins un élément chauffant (2.1).

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) La présente invention concerne un dispositif de réception de l'énergie solaire comprenant trois étages. L'étage supérieur (1 ) sert à collecter l'énergie solaire grâce à un système optique comprenant au-moins une lentille optique convergente de Fresnel (1.3) qui concentre la lumière solaire sur l'étage intermédiaire (2). Une paroi latérale supérieure (1.2) sépare l'étage supérieur (1) de l'étage intermédiaire (2) d'une distance égale à la distance focale du système optique (entre 1 cm et 20 cm, de préférence entre 5 cm et 10 cm, plus préférentiellement entre 6 cm et 8 cm). L'étage intermédiaire (2) transforme l'énergie solaire en énergie utile et exploitable. Il comprend au-moins un élément chauffant (2.1) sous lequel serpentent des canaux dans lesquels circule un fluide (5) chauffé par l'énergie solaire focalisée par l'étage supérieur (1 ). L'élément chauffant transforme l'énergie solaire en énergie thermique (unité : Joules). L'étage intermédiaire comporte aussi au moins une cellule photovoltaïque (2.5) qui va transformer l'énergie solaire en énergie électrique (unité : Joules). Le troisième étage (3), dit étage inférieur, sert à récolter l'énergie issue de l'étage intermédiaire (2) et à la rendre accessible à l'utilisateur. L'étage intermédiaire (2) est connecté à l'étage inférieur (3) par au-moins un tuyau de transport d'un fluide (5) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1 ), et par au-moins un câble électrique (2.8) relié à au- moins une cellule photovoltaïque (2.5). L'étage intermédiaire (2) est disposé sur l'étage inférieur (3), une paroi (1.1) séparant ces deux étages. Ledit étage inférieur comprend au- moins un connecteur fluidique (2.2; 2.3) inséré dans ladite paroi latérale inférieure (1.1), au- moins un tuyau de transport d'un fluide (2.10; 2.11) relié audit au-moins un élément chauffant (2.1), au-moins un câble électrique (2.8; 2.9) relié à ladite au-moins une cellule photovoltaïque (2.5), au-moins un isolant thermique (2.4) entourant ledit au-moins un élément chauffant (2.1) et au-moins un tuyau de refroidissement (2.6; 2.7) relié à ladite au- moins une cellule photovoltaïque (2.5).

La présente invention concerne encore une utilisation du dispositif de réception de l'énergie solaire décrit précédemment pour produire de l'électricité et chauffer un fluide (5) de manière simultanée.

Le dispositif de la présente invention comprend une paroi latérale supérieure (1.2) et une paroi latérale inférieure (1.1) possédant une hauteur comprise entre 1 cm et 20 cm, de préférence entre 5 cm et 10 cm, plus préférentiellement entre 6 cm et 8 cm.

Le dispositif de la présente invention comprend au-moins un élément chauffant qui est une plaque métallique, de préférence en cuivre, en aluminium, en laiton ou en fer, de forme rectangulaire, carrée, ovale, ronde, triangulaire ou en forme de parallélogramme.

Le dispositif de la présente invention comprend au-moins un élément chauffant (2.1 ) placé au centre de l'étage intermédiaire (2).

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Le dispositif de la présente invention comprend une surface autour dudit au-moins un élément chauffant couverte de plusieurs cellules photovoltaïques.

Le dispositif de la présente invention est entièrement étanche à l'eau et à l'air.

Dans le dispositif de la présente invention le vide peut être réalisé.

Le dispositif de la présente invention comprend au moins une lentille optique convergente de Fresnel (1.3) possédant une forme de dôme sphérique (de forme concave) ou une forme plane.

Le dispositif de la présente invention comprend au-moins un élément chauffant surmonté d'une micro-serre transparente permettant le stockage de la chaleur.

Le dispositif de la présente invention comprend un vide partiel sous la micro-serre.

Le dispositif de la présente invention comprend au-moins une cellule photovoltaïque refroidie par un liquide froid, lequel va ensuite passer dans des canaux situés directement sous ledit au-moins un élément chauffant pour être chauffé. Les points essentiels et avantages de la présente invention sont:

- un système de chauffage d'eau par un assemblage de lentille(s) de Fresnel superposées ne nécessitant pas de suivi actif du soleil.

- un système hybride permettant la génération d'électricité et d'eau chaude de manière simultanée.

- un système comportant différentes méthodes pour augmenter le rendement énergétique (unité = %).

Le problème résolu par la présente invention est de fournir un dispositif de suivi du soleil passif et statique, grâce à au moins une lentille optique convergente de Fresnel, ne nécessitant pas de mécaniques lourdes afin d'avoir une exploitation optimale de la lumière solaire.

Le problème résolu par la présente invention est aussi de fournir simultanément de l'électricité et de l'eau chaude.

Le terme « cellules solaires » est un synonyme du terme « cellules photovoltaïques » dans la présente invention décrite ci-après.

Le terme « système » est un synonyme du terme « dispositif » dans la présente invention décrite ci-après.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Description des figures de la présente invention :

La figure 1 montre une coupe isométrique éclatée d'un module solaire faisant l'objet de la présente invention.

La figure 2 montre une vue de dessous du module ouvert (étage inférieur et étage intermédiaire). La température du fluide (5) passe de 18°C (lorsqu'il entre dans le conduit (2.6)) à 22°C (lorsqu'il arrive à l'entrée du conduit (2.2) de la figure 2) avant de passer dans les canaux (4.3) situés sous l'élément chauffant (2.1) et ce fluide (5) ressort à une température comprise entre 30°C et 45°C (en hivers) et à une température comprise entre 45°C et 65°C (en été) par le conduit (2.3) après passage sous l'élément chauffant (2.1).

La figure 3 montre l'assemblage de plusieurs modules (trois dans ce cas) pour la production d'électricité et le chauffage d'eau. La figure 3 montre aussi la circulation de l'eau froide avant son entrée dans le premier module et ensuite la circulation de l'eau chaude sortant du premier module pour entrer dans le second module et passer dans le troisième module. La figure 4 montre une vue isométrique éclatée de l'élément chauffant du module solaire. La figure 5 montre l'effet de la température sur les caractéristiques d'une cellule solaire. Il existe un intérêt à utiliser des cellules solaires froides.

La figure 6 montre une vue isométrique éclatée du système de refroidissement des cellules solaires.

La figure 7 A montre le comportement du point focal d'un système optique en fonction de l'angle d'incidence de la lumière focalisée sur le dispositif.

La figure 7B montre le comportement du point focal de systèmes optiques composés d'une ou plusieurs lentilles de Fresnel en fonction de l'angle d'incidence de la lumière focalisée sur le dispositif.

La figure 8 montre la puissance lumineuse transmise en fonction du nombre de lentilles de Fresnel.

La figure 9A définit les angles utilisés pour les mesures des figures 10 et 11.

La figure 9B définit l'altitude et la position azimutale du soleil.

Les figures 10A, 10B et 10C montrent le déplacement du point focal du système optique, composé de petites lentilles de Fresnel, en fonction du nombre de lentilles et des angles d'incidences.

La figure 11A montre le déplacement du point focal du système optique composé d'une lentille de Fresnel en fonction des angles d'incidences.

La figure 11 B montre le déplacement du point focal du système optique composé de deux grandes lentilles de Fresnel en fonction des angles d'incidences.

La figure 11C montre le déplacement du point focal du système optique, composé de trois grandes lentilles de Fresnel en fonction des angles d'incidences.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) La figure 11 D montre le déplacement du point focal du système optique, composé de quatre grandes lentilles de Fresnel en fonction des angles d'incidences.

La figure 12A montre les caractéristiques d'une cellule solaire sans système optique de lentilles de Fresnel.

La figure 12B montre les caractéristiques d'une cellule solaire avec un système optique de lentilles de Fresnel.

La figure 13A illustre une expérience de chauffage réalisée avec plusieurs modules.

La figure 13B montre les résultats obtenus pour la température de l'eau sortant du système, la température de l'air extérieur et la température d'un réservoir d'eau servant de référence. La figure 14 montre une vue isométrique d'un module solaire ayant une lentille optique de Fresnel bombée (concave) càd en forme de dôme.

La figure 15 donne les résultats de simulations numériques pour différentes configurations du système de chauffage.

La figure 16 montre le déplacement du point focal dans le cas d'une lentille bombée (concave) en fonction des angles d'incidence.

La figure 17 montre les pourcentages de perte d'énergie dans un module thermique standard.

La figure 18 montre les rendements d'un module standard en fonction de la vitesse du fluide.

La figure 19 montre la géométrie du module hybride de la présente invention pour les simulations numériques.

La figure 20 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=0s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.

La figure 21 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=600s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.

La figure 22 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=1200s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.

La figure 23 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=2400s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.

La figure 24 montre le résultat de la simulation « Simul_03 » à l'instant t=3600s et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s.

La figure 25 montre le rendement (%) en fonction de la vitesse du fluide.

La présente invention décrit un module solaire hybride permettant de produire de l'électricité et un fluide (5) chaud (ou un liquide chaud tel que de l'eau ou du glycérol ou du glycol par exemple) de manière simultanée.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Ceci permet d'augmenter le rendement énergétique du module solaire (le rendement énergétique est calculé en pourcentage). Le rendement énergétique = rendement (%) des cellules solaires + rendement (%) de la plaque chauffante. La lumière solaire est concentrée sur une petite surface (entre 100 cm ² et 1000 cm ² , de préférence entre 150 cm ² et 600 cm ² , plus préférentiellement entre 160 cm ² et 200 cm ² ) par l'intermédiaire d'un système optique composé de lentilles convergentes de Fresnel.

Un tel système a l'avantage de permettre de suivre la course du soleil, tout en laissant le module fixe.

Le nombre de cellules solaires disposées sur l'étage intermédiaire du dispositif peut s'élever à 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou plus.

Le nombre de plaque(s) chauffante(s) (ou élément(s) chauffant(s)) disposés sur l'étage intermédiaire du dispositif peut s'élever à 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou plus.

La présente invention décrit un nouveau module solaire hybride permettant de générer de l'électricité et de l'eau chaude dont la structure générale est représentée à la figure 1.

Les deux fonctions, thermique et photovoltaïque fonctionnent en synergie ou de manière indépendante. Par exemple, le système photovoltaïque peut compléter le système thermique au cas où les surfaces à chauffer sont grandes ou dans des pays à faible ensoleillement ou pendant les saisons à faible ensoleillement, en envoyant une partie de l'énergie électrique à un/des chauffe-eau électrique(s) afin de compléter la production d'eau chaude ou de chauffage de l'eau d'une piscine.

Exemples :

Le module (dispositif) de la présente invention est composé d'une base opaque ou paroi latérale (pos. 1.1) (pos. = position) et d'une superstructure comportant des parois latérales transparentes (pos. 1.2) et d'un système optique, fait d'un assemblage d'une ou de plusieurs lentilles de Fresnel (pos. 1.3). Le système optique va focaliser la lumière solaire sur un élément chauffant (pos. 2.1) sous lequel un fluide (5) (à température ambiante) va être chauffé. Si le système optique va focaliser une grande partie de la lumière, une certaine partie va être diffractée et ne sera pas utilisée pour le chauffage. Pour cette raison des cellules solaires (pos. 2.5) sont montées autour de l'élément chauffant. Les parois transparentes de la superstructure (pos. 1.2) laissent aussi passer de la lumière qui va être utilisée par les cellules solaires (pos. 2.5) pour produire de l'électricité. Le module possède six connexions fluidiques. Sur la figure 1 , trois de ces connections sont représentées, les trois autres sont sur la face opposée, cachée dans la figure. Les connecteurs du milieu (pos.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) 1.7) sont utilisés pour connecter le système fluidique de l'élément chauffant. Sous les cellules solaires se trouvent aussi des éléments fluidiques, à travers desquels de l'eau froide circule. Ces éléments sont reliés au milieu extérieur par les connecteurs fluidiques (pos. 1.6). L'électricité produite par les cellules solaires est récoltée par au-moins un fil électrique (pos.2.8) rassemblé dans un câble (pos. 2.9).

La figure 2 montre l'intérieur du socle (pos. 1.1 sur la figure 1 ) d'un module (module ouvert, vue du dessous). Au milieu se trouve l'élément chauffant du module. L'eau froide entre par le tuyau (pos. 2.2) et sort de l'élément chauffant par le tuyau (pos. 2.3). Ces derniers sont reliés à des connecteurs fluidiques (pos. 1.7 de la figure 1 ). Afin de limiter des pertes thermiques, la partie chaude du module, à savoir (pos 2.1 , pos. 2.2 et pos. 2.3), est entourée d'un isolant thermique (pos. 2.4). Les cellules solaires sont montées dans les quatre coins du socle. Elles sont assemblées avec des éléments de refroidissement (pos. 6.1 à la figure 6). Ces éléments sont refroidis par de l'eau froide circulant à travers eux (voir figure 6). Cette eau entre dans le module par le connecteur (pos. 2.6) et sort par le connecteur (pos. 2.12). Les éléments de refroidissement (6.1 ) sont reliés entre-eux deux à deux par un tuyau (pos. 2.7). Les cellules solaires sont connectées au milieu extérieur par des fils électriques (pos. 2.8) réunis dans un câble électrique (pos. 2.9). L'élément chauffant est décrit en détail à la figure 4 et les éléments de refroidissement des cellules solaires sont présentés à la figure 6.

Différents modules de la présente invention peuvent être connectés ensemble afin d'augmenter la puissance du système. Cette connexion est schématiquement illustrée à la figure 3, qui montre l'assemblage de trois modules solaires (pos. 3.1 ). L'eau froide entre dans le système (pos. 3.2). Elle passe sous les cellules solaires des différents modules en suivant le circuit fluidique allant de pos. 3.2 à pos. 3.3. A ce moment l'eau entre dans la partie chaude du système (partie du système fluidique allant de pos. 3.3 à pos. 3.4). Afin de limiter les pertes thermiques, la partie chaude est isolée thermiquement (pos. 3.5). Les câbles électriques (pos. 2.9) connectant les cellules solaires des différents modules entrent dans un boîtier (pos. 3.7), dans lequel les signaux électriques sont mis en forme afin de permettre à un utilisateur (pos. 3.8) d'utiliser l'électricité pour ses besoins.

La figure 4 illustre la structure chauffante. Elle est composée d'un support (4.1 ) comportant une entrée et une sortie (pos. 4.2) pour le fluide (5) ainsi que les canaux de circulations du fluide (pos. 4.3). Afin de limiter les pertes thermiques le support est réalisé en un polymère qui est un mauvais conducteur thermique.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Pour augmenter la capacité thermique de la structure, une partie de ces canaux est réalisée en métal (pos. 4.4). Les canaux sont recouverts d'une plaque de cuivre (pos. 2.1). Cette plaque est un absorbeur de chaleur qui est chauffé par la lumière solaire focalisée par le système optique de Fresnel (pos. 1.3). Afin de limiter les pertes thermiques, la plaque de cuivre peut être surmontée d'une micro serre, composée de parois (pos. 4.6) et d'un couvercle (4.7). Les parois et le couvercle sont transparents et fabriqués en polycarbonate, qui est un faible conducteur thermique. L'air dans l'espace (pos. 4.8) délimité par la plaque de cuivre, les parois et le couvercle, va s'échauffer, cette chaleur ne va pas être diffusée vers l'extérieur, mais va être utilisée pour chauffer le liquide dans les canaux.

Il est bien connu de l'homme du métier, que des cellules solaires fonctionnent mieux et possèdent un meilleur rendement énergétique à de basses températures.

Ceci est illustré à la figure 5, qui représente les caractéristiques électriques de cellules à différentes températures (25 °C, 50 °C et 75 °C) et illuminées avec une lumière de 1000 W/m ² . La cellule en question est un petit module composé de différentes cellules solaires en silicium. Ce genre de module est utilisé dans le prototype du module solaire de la présente invention. L'axe horizontal du graphe de la figure 5 représente le potentiel électrique ou la tension appliquée aux bornes de la cellule. L'axe vertical gauche représente le courant passant à travers la cellule. L'axe vertical droit montre la puissance électrique fournie par la cellule.

La puissance est calculée en multipliant la tension appliquée avec le courant électrique correspondant. Pour de faibles tensions, le courant et la puissance sont les mêmes pour toutes les températures. Mais pour des tensions élevées, le courant fourni par la cellule diminue pour des températures élevées. Il s'en suit que la puissance diminue aussi. En augmentant la température de 50 °C (de 25 °C à 75 °C), la puissance disponible par la cellule chute de presque 30%. Ceci montre clairement qu'il est nécessaire de refroidir une cellule solaire. Dans le cadre de cette invention, le refroidissement des cellules solaires se fait par l'intermédiaire de la structure représentée à la figure 6.

Dans un support (pos. 6.1 ) des entrées et des sorties sont usinées (pos. 6.2) pour le fluide (5), ainsi que des canaux de circulations (pos. 6.3) du liquide. Le système de canaux est fermé par une plaque de cuivre (pos. 6.4). Sur cet assemblage est fixée la cellule solaire (pos. 2.5). Les différentes structures de refroidissement d'un module solaire peuvent être reliées ensemble. L'eau froide entrant le module solaire ou dans un assemblage de plusieurs modules passe d'abord dans les structures de refroidissement des cellules et elle est ensuite chauffée par les structures chauffantes (2.1) comme cela est expliqué à la figure 3.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Une des grandes innovations de la présente invention est d'utiliser un système optique d'une ou plusieurs lentilles de Fresnel planes ou ayant la forme d'un dôme (concave) pour focaliser la lumière solaire sur la structure chauffante, de préférence en cuivre, du module solaire. La figure 7A montre les déplacements du point focal d'une lentille en fonction de l'angle d'incidence de la lumière sur la lentille. Si la lumière frappe la lentille perpendiculairement, le point focal (point fp) se trouve exactement sous le milieu de la lentille sur l'axe optique du système. Mais si la lumière frappe la lentille avec un angle a par rapport à la normale de la surface de la lentille, le point focal se déplace (point fpa) et s'éloigne de l'axe optique du système. En fonction du nombre de lentilles utilisées, la distance entre fp et fpa peut être très grande et il peut arriver que fpa n'est plus sous la lentille. L'évolution de la distance entre fp et fpa en fonction du nombre de lentilles est illustrée schématiquement à la figure 7B. Ce sont trois systèmes optiques comportant respectivement une, deux et trois lentilles de Fresnel. Deux points importants sont à noter. Premièrement, la distance entre les points fp et fpa diminue en fonction du nombre de lentille. Deuxièmement, la distance focale (distance entre la lentille et le point focal du système) diminue aussi. En utilisant plusieurs lentilles, on arrive donc à mieux focaliser la lumière et indépendamment de l'angle d'incidence le point focal se situe toujours proche de l'axe optique du système.

Toutefois, il est important de noter que l'augmentation du nombre de lentilles utilisées diminue la puissance transmise. Ceci est montré à la figure 8, pour des lentilles construites en plexiglas. Le taux de transmission d'une telle lentille est de 92%. Pour un système composé de quatre lentilles, la puissance transmise n'est plus que de 72%. Il s'agit donc de trouver un optimum entre la position et l'évolution du point focal en fonction de l'angle d'incidence de la lumière et la puissance transmise par le système optique.

Les figures 10A, 10B, 10C et 11 A, 11 B, 11C, 11 D montrent des mesures réelles avec deux sortes de systèmes optiques. Dans les deux cas, les lentilles sont des lentilles faites en PMMA (Poly-Methyl-Methyl-Acrilate), plus connu sous le nom de plexiglas.

Dans le cas des figures 10A, 10B et 10C les dimensions d'une lentille sont de 160mmx100mmx2mm et la distance focale d'une telle lentille est de 120 mm. Pour 2 lentilles, la distance focale est de 80 mm et pour trois lentilles, elle est de 24 mm.

Pour le système optique des figures 11 A, 11 B, 11C et 11 D les dimensions d'une lentille sont de 395mmx395mmx2mm. La distance focale d'une lentille est de 200 mm, pour deux lentilles, elle est de 150 mm, pour trois lentilles elle est de 60 mm et pour 4 lentilles elle est de 30 mm.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Sur les figures 10A, 10B, 10C et 11 A, 11 B, 11C, 11 D la position du point focal est donnée en fonction de l'angle d'inclinaison du système optique par rapport à l'horizontal et en fonction du temps. A chaque temps correspond une position ou un angle d'altitude du soleil. Les différents angles utilisés pour les mesures des figures 10A à 10C et 11A à 11 D sont définis dans les figures 9A et 9B pour plus de clarté.

La figure 10A montre le déplacement du point focal pour un système optique composé d'une lentille de dimension de 160mmx100mm.

La zone grise représente la lentille. Pour un grand nombre d'angles d'incidence, le point focal ne se situe pas sous la lentille. Pour un système optique de deux de telles lentilles de même dimensions, tous les points focaux sont situés sous le système optique (figure 10B). La même chose est vraie pour un système de trois lentilles (figure 10C). Dans ce dernier cas, les points focaux se trouvent tous sur une surface de 60mmx40mm, centrée autour de l'axe optique du système.

Les figures 11 A, 11 B, 11 C et 11 D montrent des mesures similaires pour des systèmes optiques faits de lentilles d'une surface de 395mmx395mm. De nouveau, pour une lentille (figure 11 A) les points focaux sont très dispersés sous la lentille. En augmentant le nombre de lentilles (figure 11 B: 2 lentilles, figure 11C: trois lentilles et figure 11 D: quatre lentilles), cette dispersion diminue et pour un système de quatre lentilles, tous les point focaux se trouvent sur une surface de 70mmx60mm. Ceci représente une surface de 2,7% de la surface totale de la lentille.

Toutes ces mesures démontrent le bien-fondé de la présente invention. Il est par conséquent possible, en utilisant des lentilles de Fresnel de focaliser la lumière solaire sur une petite surface et ceci indépendamment de la position du soleil et de l'orientation du module. On a donc un système de suivi du soleil passif et statique, ne nécessitant pas de mécaniques lourde afin d'avoir une exploitation optimale de la lumière solaire.

Comme la lumière incidente est toujours concentrée sur une petite surface autour de l'axe optique, il reste beaucoup de place disponible sous la lentille. Ainsi pour un système de trois lentilles de dimensions de 395mmx395mm, et qui est la configuration préférée de la présente invention, seulement 7% sous le système optique sont nécessaire pour la partie chauffante du module solaire. Une grande partie des 93% restant est utilisée, dans le cadre de cette invention, pour le montage de cellules solaires. Ceci est aussi justifié par le fait que le système optique ne focalise pas parfaitement la lumière incidente. A cause de la structure géométrique d'une lentille de Fresnel, une partie des rayons lumineux sont diffractés. Dans le cas de la présente invention, les rayons du soleil diffractés illuminent les cellules solaires (cellules photovoltaïques) et permettent la génération d'électricité.

Ceci est montré aux figures 12A et 12B, où sont représentées des mesures pratiques sur des cellules montées dans le module solaire. La figure 12A représente les caractéristiques

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) d'une cellule lorsque les lentilles de Fresnel sont enlevées, tandis que la figure 12B montre ces mêmes caractéristiques en présence d'un système optique composé de trois lentilles de Fresnel. La puissance incidente de la lumière pour les deux cas est de 1000 W/m ² . Les cellules solaires sont de petits modules composés de cellules individuelles en silicium. La taille totale des cellules solaires par module est de 105mmx80mm.

Dans le cas des mesures sans lentilles, la puissance fournie par les cellules solaires est de 0.8 W. Avec un système optique de trois lentilles, ce rendement chute de 19% à 0.65W. Ceci reste acceptable, surtout si l'on considère que les cellules solaires sont efficacement refroidies dans les modules solaires de la présente invention. Il faut se rappeler que le refroidissement des modules photovoltaïques existants sur le marché, est très mauvais, ce qui a une forte influence sur des puissances atteintes par ces modules.

Les figures 13A et 13B donnent des résultats pratiques pour le chauffage d'eau en utilisant le module de la présente invention. Les modules sont réalisés avec des lentilles de petites dimensions (160mmx100mm). Les modules ne comportent pas de cellules solaires, car le but de l'expérience est de tester le bienfondé de l'utilisation de lentilles de Fresnel pour le chauffage d'eau. Trois modules sont reliés en série. Par l'intermédiaire d'une pompe, l'eau est puisée d'un réservoir isolé d'un volume de 5 litres et contenant 4 litres d'eau, et est pompé à travers les trois modules solaires. La vitesse de pompage est de 0,2 litre par minute. A la sortie des modules, l'eau est retournée dans le réservoir isolé.

La température va donc augmentée dans ledit réservoir isolé et à des intervalles de temps régulier va être enregistrée. Un deuxième réservoir, placé dans les mêmes conditions, contient de l'eau qui ne subira pas de chauffage. Ce deuxième réservoir sert de référence et sa température est mesurée aux mêmes instants que celle du premier réservoir. Une troisième température mesurée est la température ambiante.

La figure 13B montre les résultats des mesures faites entre 10 heures du matin et 5 heures de l'après-midi. Alors que la température ambiante et celle du réservoir de référence varient seulement entre 17 et 25 °C, la température de l'eau chauffée par le système des modules solaires augmente par contre fortement pour atteindre plus de 50°C. Cette expérience montre le bienfondé du système de chauffage de la présente invention.

Il existe des moyens pour augmenter la température de l'eau. Nous allons présenter deux méthodes qui font partie de la présente invention.

Les résultats de la première sont basés sur des simulations numériques par des calculs d'éléments finis. Ces résultats sont montrés à la figure 15.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Dans une première simulation, l'élément chauffant est chauffé par des rayons lumineux non focalisés. La puissance incidente est de 1000 W/m ² . La température du système et plus particulièrement la température du liquide s'élève à 35 °C.

Dans une deuxième simulation, la lumière avec la même puissance de 1000 W/m ² , est concentrée par des lentilles. Le point de focalisation a un diamètre de 0.5 cm. La température de l'eau monte à 58°C. Dans cette simulation, il n'y a pas de micro-serre (pos 4.8), composée des pièces pos. 4.7 et pos 4.6. Il y a ainsi des pertes de chaleur dans le système total.

Dans une troisième simulation, la micro-serre est incluse. Elle est remplie d'air. Les autres conditions sont identiques à celle de la simulation 2. Dans ce cas, la température de l'eau s'élève à 69°C.

Dans une quatrième simulation, l'air dans la micro-serre est remplacé par un vide partiel faible de 700 mmHg ou 93.3 hPa. La température de l'eau monte dans ce cas à 78 °C.

Il y a dès lors un intérêt à avoir sur l'élément chauffant une micro serre dans laquelle existe un vide partiel afin d'avoir une extraction de chaleur maximum.

La deuxième amélioration à considérer dans la présente invention concerne le système optique. Dans les modules présentés jusqu'ici, les lentilles utilisées sont des lentilles de Fresnel planes. Afin d'avoir une focalisation concentrée sur une petite surface pour toutes les positions du soleil relatives au module solaire, il est nécessaire d'utiliser plusieurs lentilles superposées. Or comme expliqué précédemment, les pertes d'absorption de la lumière dans un tel système optique peuvent être assez grandes. Il s'agit alors de trouver un système, qui focalise bien la lumière et qui utilise le moins de lentilles possibles. Ceci peut être fait en employant un système optique constitué d'une seule lentille de Fresnel bombée (concave) càd en forme de dôme (pos. 14.1 ).

Un module avec une telle lentille est représenté à la figure 14.

Ce module est similaire à celui de la figure 1 , à l'exception du système optique. Dans la figure 1 , ce système est composé de lentilles planes (pos. 1.3), alors que dans la figure 14, le système est fait d'une lentille de Fresnel bombée càd en forme de dôme.

La figure 16 montre l'effet du bombage de la lentille de Fresnel sur le déplacement du point focal en fonction de la position relative du soleil par rapport au module. Les résultats de la figure 16 sont à comparer avec ceux de la figure 10A. Dans les deux cas, une lentille de dimension de 160mmx100mm est utilisée. Le rayon de courbure de la lentille bombée est de 10 cm. Elle ne se présente pas sous forme de dôme, mais seulement sous forme de cylindre. Néanmoins, il est très apparent qu'avec une telle lentille, le déplacement du point focal est beaucoup plus petit qu'avec une lentille plane.

Une lentille sous forme de dôme va permettre de bien focaliser la lumière tout en diminuant les pertes d'absorption dans le système optique.

FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Certaines caractéristiques de l'invention qui sont décrites sous forme de mode de réalisation séparés, peuvent aussi être fournies en combinaison dans un mode de réalisation unique. A l'opposé certaines caractéristiques de l'invention qui sont décrites sous forme de mode de réalisation en combinaison dans un mode de réalisation unique, peuvent aussi être fournies séparément sous forme de plusieurs modes de réalisation séparés.

Bien que l'invention ait été décrite en conjonction avec des modes de réalisation spécifiques de celui-ci, il est évident que plusieurs alternatives, modifications et variations peuvent être détectées par un homme du métier. Ainsi, nous avons l'intention d'englober de telles alternatives, modifications et variations qui tombent dans la portée des revendications.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Tests comparatifs : calculs de rendements des modules solaires hybrides

Le but de ces tests est de présenter des calculs et des résultats de simulations concernant le rendement des modules hybrides de la présente invention. Ces calculs ont été réalisés par la méthode des éléments finis (norme internationalement reconnue et qui est bien connue de l'homme du métier). Le programme utilisé pour ces tests s'appelle le programme ComsoW.Oa.

Seules des simulations en deux dimensions (2D) ont été considérées.

Différents cas ont été simulés. Ils sont résumés dans le tableau 1 suivant:

Tableau 1 :

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) La simulation Simul_01 est une simulation de comparaison et de calibration du programme ComsoW.Oa.

La figure 17 montre les pertes dans un module thermique standard. Typiquement seulement 45% de l'énergie solaire incidente est transformée en chaleur utilisable. Le rendement est donc de 45%. Le but de la simulation Simul_01 est de calibrer le programme et la méthode de calcul avant d'obtenir des rendements du même ordre de grandeur pour un module standard. La taille du module choisi est un carré de 0.4 m (40 cm) de côté. Ces dimensions ont été choisies car elles sont identiques aux dimensions du prototype du module hybride de la présente invention.

Le rendement énergétique est défini comme étant le rapport entre l'énergie (ou puissance) sortant d'un système et l'énergie (ou puissance) entrant dans ce même système. Le rendement est exprimé en pourcentage (%).

Le rendement d'un module photo-thermique est donné par la formule suivante:

où ^C P est la capacité thermique du fluide passant dans le module (en J/(kg K)), m est la masse du fluide chauffée (en kg), ΔΤ est la différence de température entre le moment initial et le moment final (en Kelvin), A est la surface du module (en m ² ) et J ^p dt _e st l'énergie solaire reçue par le module thermique (en Joule) entre le moment initial et moment final, P étant la puissance solaire incidente (en W/m ² ).

Pour les calculs présentés ici, la puissance varie de manière linéaire de 50 W/m ² à 500 W/m ² en 60 minutes (3600 secondes):

P=&i25 f+5Q

avec f étant le temps.

La formule de calcul de l'énergie solaire entrant dans l'étage supérieure du module est alors:

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26)

La masse est liée à la vitesse du fluide passant dans le module. Soit r le rayon intérieur du tube à travers lequel circule le fluide. La masse du fluide passant à travers ce tube est donnée par: où ^v in est la vitesse du fluide à travers le tube (en m/s). Le rayon r considéré ici est de 1 ,5 mm.

La formule de calcul du rendement éner étique est alors: avec étant le temps final: 3600 s.

D'après la dernière équation, le rendement dépend uniquement de la vitesse du fluide à travers le module.

Les vitesses considérées dans ce travail, ainsi que les masses correspondantes sont résumées dans le tableau 2 suivant:

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Tableau 2 :

La figure 18 montre le rendement d'un module standard (Simul_01 ) en fonction de la vitesse d'un fluide. On observe que le rendement n'est pas constant, mais varie en fonction de la vitesse. Un rendement maximum est atteint pour des vitesses de l'ordre de 20 mm/s. Le rendement atteint est de 47%, ce qui est comparable à ce qui est atteint dans les modules thermiques standards. La calibration des simulations bidimensionnelles (2D) est satisfaisante et la méthodologie employée est appliquée pour les simulations bidimensionnelles (2D) des modules hybrides. Il est à noter que le programme ComsoW.Oa est seulement utilisé pour les simulations Simul_02 à Simul_04. Les simulations (Simul_05 à Simul_07) impliquent seulement les cellules solaires et n'ont pas besoin des simulations d'éléments finis, mais les rendements peuvent être calculés en considérant la physique des cellules solaires photovoltaïques.

Les résultats des simulations Simul_08 à Simul_010 sont simplement obtenus en ajoutant les résultats correspondants obtenus précédents (Simul_08 = Simul_02 + Simul_05; Simul_09 = Simul_03 + Simul_06; SimuMO = Simul_04 + Simul_07). La figure 19 montre la structure du modèle géométrique bidimensionnelle (2D) du module hybride pour les simulations numériques. La longueur du tube et de la surface absorbante (partie 2) est de 150mm. La lumière est concentrée sur une surface (10) de 20 mm de longueur. L'eau (1 ) entre dans le système par un connecteur (8) et sort par un connecteur (9). La partie fluidique est constituée par l'entrée (7), le tube (2) et la sortie (7'). La matière

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) constituant le tube (2) est du cuivre, tandis que l'entrée et la sortie (7 et 7') sont en polyéthylène. La partie inférieure du tube (2) est thermiquement isolée par du Styropore (6). Pour la simulation Simul_02, les parties (3),(3'),(4) et (5) sont de l'air. Pour les simulations Simul_03 et Simul_04, les parties (3), (3') et (5) sont en plexiglass. La partie (4) est de l'air. Pour la simulation Simul_03, l'air est à une pression de 1 atmosphère, tandis que pour la simulation Simul_04, la pression est de 0.01 atmosphère, correspondant à un vide partiel.

Les figures 20 à 24 montrent des résultats de la simulation « Simul_03 », à différents instants et pour une vitesse du fluide de 10 mm/s. On observe bien la variation de la distribution de la température et l'augmentation de cette dernière en fonction du temps.

Figure 20: Simul_03; v _in : 10mm/s; t: 0s

Figure 21: Simul_03; v _in : 10mm/s; t: 600s

Figure 22: Simul_03; v _in : 10mm/s; t: 1200s

Figure 23: Simul_03; ¼„: 10mm/s; t: 2400s

Figure 24: Simul_03; v _in : 10mm/s; t: 3600s

La figure 25 montre les résultats des simulations Simul_02, Simul_03 et Simul_04.

Simul_02 correspond à la structure la plus simple. Elle n'a pas de serre et pas de vide. Simul_03 comporte une serre et Simul_04 possède une serre avec un vide partiel. Le rendement le plus faible est atteint pour Simul_02. Mais il est intéressant et important de noter que le rendement est largement supérieur à un module photo thermique standard (voir figure 18). Ceci montre le bienfondé de l'idée de concentrer la lumière solaire par des lentilles de Fresnel sur une petite surface.

La serre augmente encore une fois le rendement. Mais l'effet du vide est faible. Cela provient du fait que le vide se trouve seulement d'un côté de la plaque chauffante. Pour un effet plus grand il faudrait que le vide soit tout autour de la plaque chauffante. Ceci est envisageable, mais compliquerait fortement la construction du module.

Comme indiqué plus haut, les simulations Simul_05, Simul_06 et Simul_07 ne nécessitent pas la méthode de calculs d'éléments finis (norme internationalement reconnue). En plus le rendement sera le même pour les trois simulations car les cellules solaires, qui sont considérées ici n'utilisent pas de serre ni de vide.

Le rendement des cellules solaires est de l'ordre de 10 à 15%. Pour ce rapport, une valeur moyenne de 12.5% est considérée. Toutefois ce rendement est valable pour des cellules directement illuminées par le soleil. Dans les modules, une partie de la puissance solaire destinée aux cellules solaires est perdue par les lentilles de Fresnel (de l'ordre de 20%), le

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) rendement des cellules dans un module hybride est de 10%. Ceci est ainsi le rendement pour les cas Simul_05 à Simul_07.

Comme indiqué plus haut, le rendement des cas Simul_08 à Simlu_10 sont les sommes des cas correspondants précédents.

Il devient donc maintenant possible de résumer les résultats dans le tableau 3 suivant.

Le dispositif utilisé est celui mentionné à la figure 1 , dans lequel la plaque chauffante a été enlevée suivant le cas de figure et/ou les 4 cellules solaires (photovoltaïques) ont été enlevées suivant le cas de figure (avec ou sans serre et avec ou sans vide suivant le cas de figure) afin de pouvoir réaliser des tests comparatifs où l'unité de mesure est un rendement en pourcentage (%).

Pour les cas impliquant la plaque chauffante, une vitesse du fluide de 20 mm/s est considérée.

Le rendement énergétique (%) = rendement (%) des cellules solaires + rendement (%) de la plaque chauffante.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Tableau 3 :

FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26)