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CA 02409368 2002-10-31
WO 01/88312 PCT/FRO1/01514
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CADRE ORIENTABLE MUNI D'UN CAPTEUR THERMIQUE OU D'UN
CAPTEUR PHOTOVOLTAòQUE
L'invention concerne le domaine technique de l'équipement des habitations
individuelles et collectives, et plus spécifiquement, celui de la récupération
d'énergie, notamment d'origine solaire.
Elle concerne ainsi un cadre orientable, susceptible de recevoir un capteur
thermique
ou photovoltaïque, et dont l'orientation est fonction de la course à la fois
journalière
1o et saisonnière du soleil.
Dans le cadre des productions d'énergie ëlectrique et thermique, Ia mise en
couvre de
paimeaux est, à ce jour, largement connue. Ces pamleaux sont
traditionnellement
intégrés dans une toiture, voire posés sur le sol. De fait, ils présentent une
inclinaison
constante, certes quelques fois optimisée, par rapport à l'éclairement
solaire. Par voie
de conséquence, en fonction de l'heure considérée de la journée et de la
saison, ces
parnleaux sont très loin de développer les rendements nomizlaux pour lesquels
ils
sont conçus.
2o Les études effectuées ont pu lnontrer qu'il convenait de prévoir une
inclinaison
moyenne d'un tel paiuleau par rapport à la verticale de 30° en hiver,
et de 60° en été.
De fait, des panneaux ont été réalisés permettant cette double inclinaison.
Cependant,
cette double inclinaison fonctionne selon la rëgle du tOtlt ou rien, c'est à
dire qu'il
n'y a pas de positions intei~nédiaires entre ces deux positions extrêmes, ni
de
quelconques progressions. Par voie de conséquence, si certes les rendements
énergétiques sont améliorés, ils sont très loin d'être optimisés.
L'objectif de l'invention est de pemettre une optimisation de cette
récupération
d'énergie, qu'elle soit d'origine électrique par transformation
photovoltaïque, ou par
3o simple accumulation thermique.
A cet effet, elle propose un cadre susceptible de recevoir sur l'une au moins
de ses
deux faces principales un capteur thermique ou photovoltaïque, caractérisé en
ce que
ledit cadre est orientable selon une plage de progression continue ou pas à
pas par
rapport à l'éclairement solaire.
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Avantageusement, cette orientation est réalisée au moyen d'un organe actionné
automatiquement.
La progression pas à pas, pour des périodes typiques d'une dizaine de minutes,
permet ainsi de tenir compte de la course du soleil, sa~.is poz~r autant
nécessiter un
mécanisme relativement fastidieux à mettre au point pour assurer une
progression en
mode continue, en synchronisme avec ladite course du soleil.
L'organe actionneur peut être constitué d'un vérin électrique agissant
directement au
niveau du cadre ou par l'intermédiaire de compas, notamment symétriques, dont
l'une des branches est solidaire du cadre, dans ce cas arüculée au niveau de
l'un de
ses cotés sur un bâti, et dont l'autre est solidaire du bâti, sur lequel est
articulé ledit
cadre.
Le cadre en question peut en outre est translaté linéairement et, être utilisé
comme
volet coulissant ou oscillo-battant, afin de remplir en outre les fonctions
d'occultation traditionnelle de la lumière pour l'habitat au niveau duquel il
est mis en
place.
Le cadre peut également être mis en oeuvre au niveau des dispositifs de
couverture
solaire pour piscines et autres bassins.
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en
découlent
ressorüront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre
indicatif et
non limitatif à l'appui des figures annexées.
La figure 1 est une représentation schématique en vue latérale d'un cadre
orientable
articulé conformément à l'invention.
La figure 2 est une vue de face du cadre en question selon l'une des formes de
3o réalisation de l'invention.
La figure 3 est une représentation schématique d'un cadre oscillant, faisant
office de
volet, et constituant une variante de la figure 1.
La figure 4 est une représentation schématique en perspective d'une autre
forme de
réalisation de l'invention, mettant en ouvre un cadre pour volet oscillo-
battant, en
position ouverte, dont la figure 5 est une vite de détail du mécanisme de
fonctionnement des lames élémentaires constitutives.
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La figure 6 est une vue analogue à la figure 4, mais représentée en position
semi-
fennée.
La figure 7 est une vue latérale de la figure 6.
La figure 8 est une vue en section d'un cadre muni d'uri capteur thermique.
s La figure 9 est une vue de détail d'un tel capteur thermique.
La figure 10 est une vue latérale de volet oscillo-battaxit muni d'un tel
capteur
thermique.
La figure 11 est une représentation schématique de plusieurs cadres conformes
à
l'invention, munis de capteurs thermiques ou photovoltaïques associés entre
eux, et
constituant un ensemble de couverture, notamment pour piscines ou bassins.
La figure 12 est une vue du capteur en position sensiblement verticale.
Ainsi que déjà précisé, l'invention a plus spécifiquement trait à l'habitat
collectif ou
individuel, et est notamment destinée à être mise en ouvre , selon une
première
forme de réalisation au niveau des volets, munis de capteurs photovoltaïques,
voire
de capteurs thermiques.
S'agissant de ces volets, il en existe différents systèmes, simples ou
doubles, à
ouverhire manuelle ou motorisée. Parmi les différents types de modèles
disponibles,
on coimaît les volets oscillants, oscillo-battants, et oscillo-coulissants,
tous pouvant
également être simple ou double à ouverture et à oscillation manuelles ou
motorisées.
De fait, différentes combinaisons peuvent être envisagées, sans qu'il y ait
lieu de
rentrer ici dans Ie détail.
Le volet (2) conforme à l'invention, comporte donc tuz cadre (3) orientable,
et en
l'espèce, articulé au niveau d'une fenêtre par un axe d'al-ticulation
horizontal (5). Ce
cadre (3) reçoit sur sa face supérieure un module photovoltaïque (1),
s'étendant
sensiblement sur toute sa surface. Traditionnellement, un tel module est
composé de
cellules photovoltaïques, dont la fonction est de transformer l'énergie
hunineuse en
un courant électrique. Lorsque ladite énergie hunineuse pénëtre dans Ie
matériau
3o serai-conducteur - constitutif des cellules, les photons porteurs de
l'énergie électro-
magnétique permettent aux électrons de se libërer et ainsi de constituer un
courant
électrique. De tels modules photovoltaïques sont en soi bien connus, de sorte
qu'il
n'y a pas lieu ici de le décrire en détail. Il convient néanmoins de préciser
qu'est
traditiomlellement associé à de tels modules un convertisseur - onduleur
assurant la
liaison avec le réseau électrique. Ainsi, un module fixe incliné à 60 °
par rapport à la
vertical et présentant une surface de 0,5 m2, représentant envron 36 cellules
de 100
cm2, produit 50 Watts crête sous tm rayonnement de 1 000 W/ma.
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Selon l'invention, le module (1) est solidarisé au cadre (3) par tout moyen,
et
notamment une résine, ou tout système de collage on de fixation mécanique
traditionnelle.
Le volet de type battant est susceptible de recevoir uxz module sur châeune de
ses
deux faces, afin de recevoir le rayoimement en position ouverte et en position
fermée.
Le volet peut être réalisé en tout matériau, notamment en bois, matériau
composite
tel que résine de synthèse, en PVC, voire métallique.
1o A ce volet est associé un organe d'orientation ou d'inclinaison, destiné à
conserver
un mgle sensiblement de 90° entre la surface du module photovoltaïque
qu'il reçoit
et le rayonnement solaire, en tenant compte de l'éclairement journalier et
saisonnier.
Cet organe est soit manuel soit motorisé. A cet effet, le volet, ainsi que
déjà dit, est
solidarisé au cadre (3), notamment métallique. Le cadre est monté sur des
pivots (5)
ou un axe d'articulation, solidaires notamment du mur du tableau de la fenêtre
considérée. Par ailleurs, deux compas symétriques (6) relient le cadre au mur,
ainsi
qu',on peut bien l'observer sur les figures 1 et 2. Ces compas sont actionnés
au
moyen d'un vérin (7), électrique notamment, de telle sorte à induire
l'écartement ou
2o au contraire le rapprochement du cadre (3) par rapport au mur, et ce, de
manière
continue ou en mode pas à pas. Dans ce dernier cas, un moteur approprié induit
un
déplacement du cadre, par exemple toutes les dix minutes.
Lorsque l'on met en ouvre des volets doubles de grande dimension, chaque
compas
est actionné par des vérins électriques (7), placés verticalement de chaque
côté du
tableau de la fenêtre (mode de rëalisation non représenté). Les deux vérins
agissent
'simultanément sur des compas qui se déplient sous l'effet de la pression. Les
vérins
électriques peuvent être commandés par une horloge programmée. Ils permettent
ainsi de lever facilement les volets au cours de la journée et de les
maintenir
sensiblement selon un plan orienté à 90 ° par rapport au rayonnement
solaire.
Corollairement, ces vérins asswent leur fermeW re en fm de journée.
Pour les volets simples, un seul vérin électrique suffit et agit sur les deux
compas
simultanément. Il est alors orienté sensiblement horizontalement, en haut du
tableau,
ainsi que cela apparaît par ailleurs sur les figures 1 et 2.
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On a représenté en relation avec la figure 3 une variante de réalisation de
celle
précédemment décrite. Dans celle-ci, l'ouverture ou la fennett~re du cadre (3)
s'effectue par le biais d'tu1 vérin électrique (10), agissant au niveau d'un
axe
d'articulation (8), duquel s'étendent deux axes (9, 11), respectivement en
direction
5 du cadre et en direction de la fenêtre. Les axes (9,11) sont eux-même montés
articulés au niveau du Iieu de solidarisation à la fenêtre et au cadre.
Dans une autre forme.de réalisation représentée en relation avec les fgures 4
à 7, on
met en oeuvre des volets oscïllo-battants, susceptibles de coulisser au niveau
du bord
1o supérieur de la fenêtre considërée. Un cadre métallique (12), de la taille
du tableau de
la fenêtre, est installé sur les gonds pré-existants. Ce cadre (12) reçoit un
cadre
support (40) de type oscillant, et équipé de deux volets photo-générateurs de
type
battant (13, 14). Chacun de ces deux volets est en fait composé d'une ou de
plusieurs
rangées de Iames ou modules solaires (35), montés chacun sur un cadre (3),
orientable et commandé simultanément notamment par uxi vérin électrique ou un
micromoteur, commandé par une horloge.
Ainsi, le support (40) est incliné manuellement à l'instar de persiennes,
alors que Ies
modules sont orientés automatiquement, en mode continu ou pas à pas, comme
dans
le mode de réalisation précédent, par le vérin ou le micro-moteur, par exemple
agissant sur une chaîne (36), sur laquelle sont montés des bras de levier
(37), eux-
mêmes agissant sur les lames (35) par l'intermédiaire d'un axe d'articulation
(38)
(voir figure 5).
On a représenté sur la figure 6 les volets en position fermée. Pour ce faire,
les cadres
portant les modules (35) coulissent au niveau du bord supérïeur du cadre (12).
Grâce à ces différents volets munis donc de panneaux à orientation
automatisée, des
rendements élevés de production d'énergie électrique sont susceptibles d'être
obtenus
tout en conservant la fonctionnalité des volets. Avantageusement, la plage
horaire de
programmation de l'inclinaison est située en France entre 10 h et 16 h, c'est
à dire la
période qui reçoit environ 90% du rayonnement journalier.
La valeur moyenne du rayonnement global reçu pendant une journée dont
l'ensoleillement est discontinu par des volets oscillants programmés
conformément à
l'inventïon, est d'environ deux fois supérieure à celle d'un module fixe
incliné à 60°,
par rapport à la verticale, quï est l'inclinaison moyenne d'une toiture.
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Ainsi, Ie système d'oscillation conforme à l'invention permet de quasiment
doubler
le rendement à surface équivalente. Un tel système s'avère également adapté
aux
régions montagneuses, où Ia neige recouvre une borure partie de l'hiver, les
toits,
alors que le rayom~.ement solaire est élevé. Ce système est en outre
facilement
réalisable et engendre des coûts de revient relativement bas. En outre, chacun
des
modules est susceptible de s'intégrer à tout bâtiment, sans engendrer de
surcoût
d'étanchéité. Enfin, de tels modules sont facilement accessibles et leur
maintenance
est simplifiée.
1o Dans Lme autre forme de réalisation représentée en détail en relation avec
les figures
8 à 10, on remplace le module photovoltaïque par un capteur thermique.
L'objectif
est d'utiliser l'énergie thermique développée par le soleil de l'exposition
quotidienne.
Chacun des capteurs thermiques, représentés plus en détail au niveau de la
figure 9
est composé d'un coffre (21) métallique, par exemple réalisé en acier
galvanisé ou en
alliage à base d'alzuninium, doublé à l'intérieur par un isolant thermique
(20),
typiquement constitué de mousse en polyuréthane. Ce coffre (21) comporte un
absorbeur ihennique (19), réalisé en cuivre soudé à un Wbe de cuivre d'environ
8
mm de diamètre, et dans lequel circule un fluide caloporteur. Une plaque de
verre
trempée (17) recouvre le coffre (21).
2o En position, fermée, le volet muni d'un tel capteur thermique, occulte la
fenêtre, à
l'instar de volets traditionnels, et présentent à l'extérieur la face arrière
du coffre, qui
peut recevoir un matériau ou une couleur adaptée à la teinte du bâtiment.
L'ouverture
des volets battants s'effectue manuellement, Les faisant pivoter sur Leurs
gonds. Les
capteurs thermiques se trouvent alors exposés à Ia lumiére solaire. Pour
accroître leur
rendement, il suffit de pousser manuellement ou électriquement le cadre
oscillant
(16) qui peut prendre une inclinaison voisine de 45° -C. La température
du fluide
caloporteur circulant dans les tubes (19) s'élève alors sous l'effet du
rayonnement
solaire, et la chaleur emmagasinée dans le coffre (21).
3o Le fluide caloporteur circulent dans les tubes (19) transporte les calories
stockées
vers un ballon d'eau chaude sanitaire du logement ou vers un circuit de
chauffage. Le
principe demeure toujours le même s'agissant de la variation d'inclinaison des
volets
ainsi équipés. L'ouverture et Slll'tOtlt l'oscillation des volets sont
motorisées pour
présenter une orientation programmable fonction de l'ensoleillement. De la
même
manière que précédemment, l'objectif est de maintenir l'orientation du plan
vitré (17)
sensiblement perpendiculairemént à la direction du rayonnement solaire, de
telle
sorte à accumuler le maximum d'énergie solaire thermique.
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On a représenté plus en détail en relation avec la figure 10, ce mode de
fonctionnement. Le cadre métallique (18) est axticulé en (23) au niveau du
tableau de
la fenêtre (26). Un vérin électrique (24) actionne un compas (25), sur
injonction
d'une horloge intégrée ou autre (non représentée). L'une des branches dudit
compas
est fixée au mur, alors que l'autre est solidarisée au cadre oscillant (18).
Ces volets réunissent trois fonctions
- occulter les fenêtres ou les baies vitrées ;
- produire le jour de 30 à 70 % de l'eau chaude d'une habitation en fonction
de
1o l'ensoleillement régional ;
- isoler thermiquement les fenêtres, dont les déperditions sont élevées,
notamment la nuit.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, reprësentée plus en détail
en
liaison avec les figures 11 et 12, le cadre conforme à l'invention est destiné
à être mis
en oeuvre au niveau d'une couverture pour piscine ou bassin. De telles
couvertures
sont généralement mises en eeuvre afin de concentaer la chaleur émise par le
soleil
dans l'eau, et ainsi élever la température de celle-ci, outre de limiter les
déperditions
de chaleur Ia nuit.
Selon l'invention, cette couverture est équ ipée d'une pluralité de capteurs
solaires ,
thermiques ou photovoltaïques, montés sur des cadres oscillants, eux-mêmes
montés
sur des chariots propres à permettre le déplacement des cadres et leur
agencement au
dessus de la piscine. Ces chariots (30) sont donc susceptibles de se déplacer
de part et
d'autre du bassin.
Ainsi, les capteurs thermiques solidarisés au cadre, à l'instar de ce qui a
déjà étë
décrit, absorbent la chaleur du rayonnement solaire et la transmettent à un
fluide
caloporteur süué au fond de la piscine, voire à l'eau d'un ballon d'eau chaude
3o sanitaire, ou même encore au circuit de chauffage d'tuze habitation.
Lorsque Ia
couverture est équipée de capteurs photovoltaïques, ceux-ci produisent un
courant
électrique continu, susceptible d' alimenter les locaux techniques de la
piscine, voire
être régulé et transformé en courant alternatif pour être utilisé sur un
réseau de
distribution d' électricité.
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Chacun des cadres (3), monté sur un chariot (30) mobile sur des roulettes
(32), est
relié par une toile souple et amovible (31), reliant le cadre d'm chariot au
chariot
consécutif afin de constituer une certaine continuité de la couverture ainsi
réalisée.
Les cadres (3), recevant un capteur thermique ou photovoltaïque sur sa face
supérieure, est susceptible d'être incliné en continu ou selon un mode pas à
pas au
moyen d'organes spécifiques du type de ceux précédenunent décrits, afin de
recevoir
le maximum de rayotmement solaire, la course de cette inclinaison étant
avantageusement motorisée, à l'instar de ce qui a été indiqué précédemment.
1o Chaque module photovoltaïque est par exemple composé d'un réseau de
cellules
solaires au silicium cristallin disposées en nappe et reliées entre elles.
Cette nappe de
cellules est encapsulée dans une résine thermoplastique EVA (éthylène-vinyl-
acétate)
qui les protège de l'humiditë, les rend stables aux U.V. et assure leur
isolement
électrique. Deux feuilles de verre maintiennent en sandwich cette nappe,
l'épaisseur
totale de l'ensemble en résultant étant voisine de 45 mm. Un cadre aluminium
supporte les modules et repose sur un axe (33) rendu mobile par un quart de
cercle
identique à celui des capteurs.
En fonction de la dimension du module, celui-ci est incliné manuellement ou
2o électriquement soit par un vérin qui le tracte, soit par un moteur qui
entraîne une
chaine solidaire du capteur. Le rendement des modules est amélioré-par la
programmation de l'inclinaison, qui induit l'orientation du module constamment
perpendiculaire par rapport au rayonnement solaire.
Pour recouvrir parfaitement la piscine tous les capteurs sont placés
horizontalement,
les chariots se trouvant de fait alignés le long du bassin. Ils sont
susceptibles de
servent en outre de garde-corps. En fonction de la programmation, les capteurs
se
relèvent au cours de la journée afin de suivre la coLtrse du soleil.
Corollairement, les
toiles (31) situées entre chaque capteur ou module assurent la protéction du
bassin.
Dans le cas des capteurs thermiques mis en place au niveau des cadres (3), la
température du fluide caloporteur s'élève sous (effet du rayonnement solaire
et de la
chaleur emmagasinée dans le coffre (supérieure à 100°C en été). Le
fluide
caloporteur circule et transporte les calories stockées vers Peau du bassin ou
le ballon
d'eau chaude sanitaire dü logement ou vers un circuit de chauffage. On a pu
montrer
que I O m2 de, capteurs fournissent entre 50 à 70 % des besoins en eau chaude
d'une
habitation.
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Dans le cas de 10 m2 de modules photovoltaïques exposés au sud, on a également
pu
montrer que (électricité produite représente entre 30 à 50 % des besoins en
électricité
d'une habitation hors chauffage.
Le principe similaire des capteurs thermiques et des modules photovoltaïques
permet
de réunir les deux types sur la même couverhire d'une piscine, en alternant
par
exemple, capteurs thermiques et capteurs photovoltaïques.
Une surface de couverture d'environ 30 m2 produit suffisamment d'énergie pour
1o répondre à la totalité des besoins d'une habitation du sud de la France.
Lors de (utilisation de la piscine, il convient de retirer cette couverture. A
cet effet,
chaque capteur est positionné dans une position proche de la verticale. Puis
les
chariots (30) sont déplacés en commençant par le dernier, un guide fixé au sol
de
chaque coté du bassin maintenant les roues selon une direction parallèle au
bassin, à
l'instar de rails, afin que les chariots demeurent parallèles. Une différence
de
longueur permet de les encastrer les uns contre les autres et d'occuper ainsi
un
. minimum d'espace à l'extrémité du bassin.
2o On conçoit dès lors tout l'intérêt du dispositif conforme à l'invention,
dans le cadre
de Ia recherche d'une optimisation de l'exploitation de l'énergie solaire,
énergie
gratuite pennettant de limiter les dégagements de gaz polluants, à l'origine
de l'effet
de serre et de ses conséquences.
Ce dispositif est de conception aisée, et compte tenu de sa facilité
d'adaptation aux
supports existants, s'avère tout à fait avantageux en termes d'économie
d'énergie.
