EP4264676A1 - Concentrateur optique à structure alvéolaire - Google Patents

Concentrateur optique à structure alvéolaire

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Publication number
EP4264676A1
EP4264676A1 EP21840929.0A EP21840929A EP4264676A1 EP 4264676 A1 EP4264676 A1 EP 4264676A1 EP 21840929 A EP21840929 A EP 21840929A EP 4264676 A1 EP4264676 A1 EP 4264676A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
honeycomb structure
optical concentrator
photovoltaic
cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21840929.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Anderson BERMUDEZ GARCIA
Olivier Raccurt
Philippe Voarino
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4264676A1 publication Critical patent/EP4264676A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/42—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H10F77/488—Reflecting light-concentrating means, e.g. parabolic mirrors or concentrators using total internal reflection
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/42—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H10F77/484—Refractive light-concentrating means, e.g. lenses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the technical field of the invention relates to the field of optical concentration of radiation and relates more particularly to an optical concentrator.
  • a concentrating photovoltaic module comprises an optical concentrator formed, for example, by a matrix of mirrors associated with photovoltaic cells each positioned at the focus of one of the mirrors.
  • Such a photovoltaic module has, compared to a photovoltaic module without an optical concentrator, the following advantages:
  • Concentrated photovoltaic modules are particularly suitable for space applications, i.e. outside the Earth's atmosphere.
  • Concentrating photovoltaic modules are coupled with a tracking system because they use direct sunlight to operate and not the light scattered by environmental constituents at the level of celestial bodies (for example these environmental constituents which can be atmospheric gases , clouds and/or dust particles).
  • spacecraft for communication and meteorology can integrate wings of solar panels with a high pointing precision (i.e. in particular with a pointing precision strictly less than 1°) satisfying the tolerance angular necessary for concentrated photovoltaic modules which can then be integrated into solar panels.
  • Patent application US2008/264469A1 describes an optical concentrator that can be formed by assembling several primary elements.
  • Patent US10715079B2 describes an optical concentrator having an architecture in which two optical stages are made by molding.
  • the object of the invention is to make it possible to improve the mechanical strength of an optical concentrator, that is to say in particular its rigidity, in particular while seeking to limit its size.
  • the invention relates to an optical concentrator comprising optical elements and a honeycomb structure, each optical element being arranged in one of the cells of the honeycomb structure, said concentrator comprising a material stiffening the honeycomb structure and from which the optical elements are formed, the material being molded onto the honeycomb structure.
  • optical concentrator obtained thus forms a one-piece (or monolithic) assembly, made in one piece.
  • Such an optical concentrator therefore has the particular advantage of being robust with respect to the mechanical stresses to which it may be subjected, in particular with a view to retaining its shape. It can then be used for example within a photovoltaic module of the concentration type so as to limit its size and mass. It thus stands out from the known prior solutions in which the concentrators are often obtained by assembling several primary elements.
  • the optical concentrator may additionally comprise one or more of the following characteristics:
  • the stiffening material is chosen from a silicone, a glass, an acrylic material, a natural rubber, an acrylate, an acrylic rubber and a butyl rubber;
  • the material is molded onto the honeycomb structure
  • the optical concentrator comprises a frame surrounding the honeycomb structure and in contact with the honeycomb structure;
  • the frame is made of a material identical to the material
  • the optical concentrator comprises mirrors each formed by one of the optical elements
  • the material comprises portions each partially filling one of the cells, each mirror being arranged on a surface of one of the material portions;
  • the optical concentrator comprises a stiffening element fixed to the honeycomb structure
  • the portion of the material partially filling said cell occupies a delimited volume by the stiffening element, said mirror arranged in said cell and at least one wall of said cell;
  • the optical concentrator comprises lenses, each lens being formed by one of the optical elements;
  • the material comprises parts each forming one of the lenses
  • the alveolar structure is a honeycomb.
  • the invention also relates to a photovoltaic module comprising photovoltaic cells, the photovoltaic module comprises an optical concentrator as described. Each photovoltaic cell is arranged at the focus of at least one of the optical elements of the optical concentrator.
  • the invention also relates to a manufacturing process for an optical concentrator, the manufacturing process comprising the following steps:
  • the invention also relates to a process for manufacturing a photovoltaic module, the process for manufacturing the photovoltaic module comprising:
  • each photovoltaic cell is positioned at the focus of at least one of the optical elements of the optical concentrator.
  • Figure 1 illustrates, in a perspective view, an optical concentrator with a honeycomb structure according to a particular embodiment of the invention.
  • Figure 2 schematically illustrates, in a sectional view, the optical concentrator of Figure 1.
  • Figure 3 illustrates, in a perspective view, a photovoltaic module according to a particular embodiment of the invention.
  • FIG. 4 schematically illustrates a photovoltaic module according to another particular embodiment of the invention.
  • Figure 5 schematically illustrates, in a sectional view, a photovoltaic module according to yet another particular embodiment of the invention.
  • FIG. 6 schematically illustrates, in a sectional view, a photovoltaic module according to yet another particular embodiment of the invention.
  • Figure 7 schematically illustrates, in a sectional view, a photovoltaic module according to yet another particular embodiment of the invention.
  • Figure 8 illustrates, in a perspective view, an example of the honeycomb structure.
  • Figure 9 illustrates, in a perspective view, a mold for use in the manufacture of the optical concentrator.
  • Figure 10 illustrates, in a perspective view, the honeycomb structure of Figure 8 positioned in the mold of Figure 9.
  • Figure 11 illustrates, in a perspective view, the positioning of a stiffening element in the mold of Figure 10.
  • Figure 12 illustrates, in a perspective view, the mold, in particular of Figure 9, which has a face shaped for the distribution of a molding product to be injected into the mold.
  • Figure 13 schematically illustrates the mold of Figure 12 in a cross-sectional view passing through the section line C1 visible in Figure 12.
  • Figure 14 illustrates, in a perspective view, another type of mold that can be used to form the optical concentrator, the honeycomb structure being positioned in this mold.
  • Figure 15 illustrates, in a perspective view, a part leaving the mold of Figure 14.
  • Figure 16 illustrates, in a perspective view, a photovoltaic module protection element.
  • Figure 17 illustrates, in a perspective view, the protection element of Figure 16 to which photovoltaic cells are attached.
  • the invention described in more detail below, relates to a concentrator
  • optical comprising optical elements 101 and reinforced in the sense that it comprises a honeycomb structure 102 in which the elements are arranged
  • Such an optical concentrator 100 is particularly suitable for being integrated into a photovoltaic module 200 also then called a concentration photovoltaic module (also known by the acronym “CPV” corresponding to “concentrator photovoltaics” in English).
  • CPV concentration photovoltaic module
  • XYZ frame An orthonormal frame of reference with X, Y and Z axes is now defined, hereinafter referred to as XYZ frame.
  • the XYZ marker is visible in FIGS. 1 to 7 and 15. This marker preferably corresponds to the reference frame of the optical concentrator 100.
  • the transparency for example of an object, to radiation is defined by a transmission factor of between 80% and 100% that this object exhibits in particular.
  • the invention relates in particular to the optical concentrator 100.
  • An example of such an optical concentrator 100 can be seen in FIGS. 1 and 2, FIG. 2 showing the optical concentrator 100 of FIG. 1 according to a sectional view in a plane parallel to the axes X and Z.
  • the optical concentrator 100 comprises the optical elements 101 and the honeycomb structure 102.
  • the cellular structure 102 comprises cells 103, for example thirty in number in the example shown in a non-limiting manner in FIG.
  • Each optical element 101 is arranged in one of the cells 103 of the honeycomb structure 102 .
  • the honeycomb structure 102 makes it possible to provide rigidity within the optical concentrator 100 itself, thus improving its robustness.
  • Each cell 103 can house a single optical element 101 as is for example the case in FIG. 1 where the optical elements 101 are thirty in number.
  • Such an optical concentrator 100 can therefore be integrated within a particular device, in particular like the photovoltaic module 200 mentioned above and for example as shown in FIG. 3.
  • the photovoltaic module 200 is intended to be subjected to radiation, for example solar, to generate electrical energy.
  • the honeycomb structure 102 integrated within the optical concentrator 100 allows, for example, the optical concentrator 100 to serve as a support for supporting the elements which are part of the constitution of the photovoltaic module 200.
  • the photovoltaic module 200 comprises the optical concentrator 100 and photovoltaic cells 201 also called solar cells 201.
  • Each photovoltaic cell 201 is arranged at the focus of at least one of the optical elements 101, this allowing the optical elements 101 to converge in a suitable manner the radiation that the photovoltaic module 200 receives towards the cells 201 photovoltaic.
  • the optical concentrator 100 is such that, when it is subjected to radiation, it makes it possible to concentrate, via the optical elements 101, this radiation on the photovoltaic cells 201 .
  • Each photovoltaic cell 201 can be arranged at the focus of a single optical element 101 as is the case in FIG.
  • the photovoltaic cells 201 are thirty in number, that is to say one per optical element 101, this number is not limiting and can be adapted according to needs, for example by adapting the number of optical elements 101 .
  • the photovoltaic cells 201 of the photovoltaic module 200 are each placed at the respective foci of three distinct optical elements 101, for example adjacent to said photovoltaic cell 201; these three optical elements 101 each being arranged in one of the cells 103 of the cellular structure 102.
  • FIG. 1 the photovoltaic cells 201 of the photovoltaic module 200
  • each photovoltaic cell 201 can be arranged plumb with the intersection of the walls of three cells 103, which makes it possible to route interconnection tracks (for example metal) of the photovoltaic cells 201 to the verticality of the walls of the cells 103 to limit the optical masking of the optical elements 101 of the optical concentrator 100 by the interconnection tracks.
  • the photovoltaic cells 201 can be, for example by gluing, integral with/supported by a substrate (not visible) or by a plate transparent to radiation (not visible).
  • the 200 photovoltaic module can respond to a problem of mass limitation and size limitation in the sense that:
  • the integration of the honeycomb structure 102 in the optical concentrator 100 allows a saving in mass because there is no need to carry out a mechanical coupling of a honeycomb stiffening system distinct from the optical concentrator 100, which can be accompanied by a reduction in material/thickness of the photovoltaic module 200 along the Z axis,
  • the integration of the honeycomb structure 102 within the optical concentrator 100 makes it possible to limit the overall thickness of the photovoltaic module 200. This is particularly advantageous for a space application, that is to say for use in space outside the Earth's atmosphere, of the photovoltaic module 200 where the mass and the size are important criteria to be taken into account for place, by a launcher, a payload comprising the photovoltaic module 200 in orbit around the earth or to send this payload into interplanetary space.
  • the photovoltaic module 200 with optical concentrator 100 needs to be oriented towards the radiation to be captured: the limitation of its mass makes it possible to limit the energy necessary to carry out suitable monitoring of the radiation, energy which can be limited in the space.
  • the photovoltaic module 200 has by definition a front face 202 (figure 3) intended to receive the radiation, it is therefore this front face 202 which will be oriented towards the radiation to allow its capture by the photovoltaic module 200.
  • the photovoltaic module 200 comprises a rear face 203 (FIG. 3).
  • the honeycomb structure 102 may have low density and therefore limited mass, controllable strength and rigidity at design, as well as an ability to absorb kinetic energy, for example impact, to avoid rupture of the optical concentrator 100 and more generally of the photovoltaic module 200.
  • This ability to absorb kinetic energy is advantageous for example when the photovoltaic module 200 is placed in a space environment and therefore subjected to impacts from meteorites or space waste, or placed in a terrestrial environment where it may be subjected to hail.
  • a low density of the alveolar structure 102 can correspond to a density of between 16 kg/m 3 and 300 kg/m 3 .
  • the honeycomb structure 102 can be a honeycomb also called a honeycomb structure.
  • the cells 103 are therefore in this case hexagonal in a plane of section of the cellular structure 102 parallel to the axes X and Y.
  • the technical advantage of a honeycomb is to have satisfactory compressive strength.
  • the honeycomb structure 102 can be made of aluminum, using aramid fibers, for example Kevlar®, of plastic material (comprising in particular polymers), using carbon, or using glass fibers.
  • the thickness of the honeycomb structure 102 may be strictly less than 300 mm and may for example be between 1 mm and 100 mm. In particular, the thickness of the alveolar structure 102 can be strictly less than 1 cm. This thickness is measured parallel to the Z axis.
  • Such a thickness of the honeycomb structure 102 has the advantage of making it possible to achieve a conventional thickness of the photovoltaic module 200, in particular compatible for use in a satellite, i.e. i.e. a spacecraft.
  • the optical concentrator 100 may comprise mirrors each formed by one of the optical elements 101.
  • each mirror 101 is one of the optical elements 101.
  • the use of mirrors allows the optical concentrator 100 to reflect the radiation in order to concentrate it, in particular on the corresponding photovoltaic cells 201.
  • the use of mirrors makes it possible to protect the photovoltaic cells 201 associated with said mirrors from the radiation of energetic particles (for example electrons and/or protons) because these photovoltaic cells 201 will be positioned so that the solar flux arrives at the rear face of these photovoltaic cells 201 while the front faces, also called active faces, of these photovoltaic cells 201 will each be positioned so as to face one of the mirrors.
  • the active face of a photovoltaic cell 201 is the face that must receive part of the radiation to which the photovoltaic module 200 is subjected in order to generate electrical energy.
  • Each mirror can be formed by a concave reflective surface, for example to form a parabolic mirror, or by aspherical reflective surfaces.
  • the shape of each mirror can be adapted to its position within the optical concentrator 100 and can be a function of the desired position of a corresponding photovoltaic cell 201 within the photovoltaic module 200.
  • the optical concentrator 100 may include lenses, each lens being formed by one of the optical elements 101. In other words, each lens is one of the optical elements 101.
  • the lenses allow the radiation in question to pass through the optical concentrator 100, while causing different parts of the radiation to converge, for example towards focal points each associated with one of the lenses.
  • FIG. 5 illustrates a particular example of the optical concentrator 100 comprising the honeycomb structure 102 in which lenses formed by the optical elements 101 are arranged.
  • the photovoltaic module 200 may comprise a substrate 209 to which the photovoltaic cells 201 are attached, for example by fixing to said substrate 109 in particular by bonding; the cellular structure 102 is then fixed, for example by gluing, to the substrate 209 so that each photovoltaic cell 201 is placed in one of the cells 103 at the focus of the lens arranged in this same cell 103.
  • the lenses are also called here lenses of focus.
  • the optical elements 101 are for example each formed by a corresponding mirror or by a corresponding lens.
  • each optical element 101 is a mirror as in the particular case illustrated in Figures 1 to 3.
  • each optical element 101 is a lens as in the particular case illustrated in Figure 5.
  • some optical elements 101 of the optical concentrator 100 are mirrors and other optical elements 101 of the optical concentrator 100 are lenses.
  • Figure 6 illustrates different types of optical elements 101 referenced (a), (b), (c), (d), the optical elements 101 each being arranged in a corresponding cell 103 of the honeycomb structure 102 .
  • Type (a) corresponds to an optical element 101 forming a parabolic mirror.
  • Type (b) corresponds to an optical element 101 forming a mirror comprising aspherical reflective surfaces.
  • Type (c) corresponds to an optical element 101 forming a lens.
  • Type (d) corresponds to an optical element 101 comprising a reflective layer 101a on which is arranged a lens 101b, such an optical element 101 is also known under the name “lens-walled compound parabolic concentrator” in English.
  • Types (a), (b) and (d) are reflective optical elements 101 and type (c) is refractive optical element 101.
  • the types (a), (b), (c) and (d) have all been represented in combination in FIG. 6, the optical concentrator 100 may very well comprise elements 101 optical elements only of one of the types (a), (b), (c) or (d), or optical elements 101 of different types chosen from among the types (a), (b), (c) and (d ).
  • FIG. 6 also shows possible positions of the photovoltaic cells 201 of the photovoltaic module 200 depending on the type of the optical elements 101 .
  • the associated photovoltaic cells 201 are secured to a substrate 209, in particular by fixing provided by bonding.
  • the associated photovoltaic cell 101 is integral with a corresponding protection element 204, in particular by fixing provided by gluing, which is also fixed to the optical concentrator 100 for also protect the photovoltaic cells 201 associated with the optical elements 101 of the types (b), (c) and (d).
  • the optical concentrator 100 may be such that it comprises lenses each combined with a corresponding mirror 111.
  • the lenses form the optical elements 101.
  • FIG. 7 shows the photovoltaic module 200 comprising the honeycomb structure 102 in which the lenses are arranged (in particular in the cells 103 of the honeycomb structure 102) and an additional honeycomb structure 102a associated with mirrors 111 each arranged in one of the cells 103a of the additional cellular structure 102a and which can rest on a material of the same composition as the material 104 described below.
  • the honeycomb structure 102 and the additional honeycomb structure 102a are fixed, for example by bonding, to a substrate 209 to which the photovoltaic cells 201 are attached, for example by bonding.
  • this substrate 209 is transparent to radiation or hollowed out to allow radiation to pass.
  • the photovoltaic cells 201 are arranged on the substrate 209 so that each photovoltaic cell 201 is positioned between one of the mirrors 111 and one of the lenses so that part of the radiation incident to the photovoltaic module 200 passes through said lens before converging on the cell 201 photovoltaic by reflection on said mirror 111.
  • the optical concentrator 100 may comprise a material 104 (FIGS. 2, 5, 6, 7) stiffening the honeycomb structure 102 and from which the optical elements 101 are formed. This material 104 has the advantage of improving the robustness of the optical concentrator 100 while allowing the optical elements 101 to be each arranged in one of the corresponding cells 103 .
  • the material 104 makes it possible to stiffen the honeycomb structure 102 in the sense that it makes it possible to limit the deformation of the honeycomb structure 102 in comparison to the honeycomb structure 102 taken in isolation.
  • each optical element 101 can be formed in the material 104 or on the material 104.
  • the shape of the optical elements 101 is dependent of the material 104.
  • the material 104 can comprise parts and each lens can be formed by one of the parts of the material 104, this part being arranged in one of the cells 103.
  • the material 104 may comprise portions and each mirror may be arranged on one of the portions of the material 104 which then serves as a support for said mirror, this portion being arranged in one of the cells 103; it follows that the shape of the mirror will be dependent on a surface of the portion of the material 104 on which the mirror is formed, for example by deposition.
  • the material 104 participates in the integration of the honeycomb structure 102 within the optical concentrator 100 by making it integral with the rest of the optical concentrator 100.
  • the material 104 is of course in a solid state within the optical concentrator 100.
  • the material 104 can be chosen from a silicone, a glass, for example a borosilicate glass, an acrylic material, a natural rubber, an acrylate, an acrylic rubber and a butyl rubber.
  • the silicone may correspond to a crosslinked state of a product chosen from the references Dow Corning® 93-500 and Elastosic Wacker® which have the particular advantage of satisfying the standards for use in space.
  • the material 104 via in particular its possible compositions referred to in this paragraph, has the advantage of allowing the smoothest possible surfaces to be formed, for example with an average roughness strictly greater than 1 nm and strictly less than 150 nm; such an average roughness being adapted to allow the formation of smooth reflective surfaces, that is to say to allow the mirrors to be formed, or to allow quality lenses to be obtained.
  • the material 104 is formed on the honeycomb structure 102, in particular the material 104 is molded on the honeycomb structure 102.
  • This has the advantage of allowing good integration of the honeycomb structure 102 in the optical concentrator 100 and the advantage of allowing the maintenance of the unity of different parts of the optical concentrator 100. A one-piece assembly is thus obtained, made in one piece.
  • the material 104 may comprise the portions 104a, 104b, 104c, 104d, 104e each partially filling one of the cells 103 and each mirror is arranged on a surface 105, in particular a concave surface 105 if the mirror is parabolic, of one of the portions 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the material 104.
  • This ensures suitable support for the mirrors in the cells 103 of the honeycomb structure 102 while allowing them to ensure a suitable focus.
  • Each mirror can be fixed, for example due to the deposition/formation of a suitable reflective coating 113 (FIG.
  • each cell 103 in which a mirror is arranged can comprise a corresponding portion 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the material 104 on which the mirror is fixed.
  • the material 104 may comprise parts 104f, 104g, 104h, 104i, 104j (FIG. 5) each forming one of the lenses.
  • the material 104 then serves both to form the lenses and to improve the robustness of the optical concentrator 100.
  • the optical concentrator 100 may include a stiffening element 106, also called a reinforcing element, attached to the honeycomb structure 102. This has the technical advantage of improving the overall robustness of the optical concentrator 100 by adding the stiffening element 106 cooperating with the honeycomb structure 102 to allow this improvement.
  • the stiffening element 106 can be a sheet or a plate.
  • the stiffening element 106 may comprise a rigid fabric, for example impregnated with resin.
  • This fabric can be carbon fabric, fiberglass fabric, composite fabric, graphene sheet with aluminum mesh glued to the surface of the sheet, a polymer reinforced with carbon fibers (also known by the acronym CFRP for "Carbon Fiber Reinforced Polymer” in English).
  • the honeycomb structure 102 can be bonded to the stiffening element 106, for example by the material 104, by an epoxy film, by a foaming adhesive film, by an epoxy-phenolic film, by a phenolic film, by a polyimide, or by a bismaleimide film.
  • the stiffening element 106 may have a thickness of between 10 ⁇ m and 3 mm, in particular the thickness of the stiffening element 106 may be strictly less than 200 ⁇ m.
  • stiffening element 106 is a fabric that includes fibers
  • these fibers can be arranged according to the mechanical stresses to which the optical concentrator 100 is likely to be subjected.
  • the portion 104a, 104b, 104c, 104d, 104e of the material 104 partially filling said cell 103 can occupy a volume delimited by the stiffening element 106 , said mirror arranged in said cell 103 and at least one wall 107 of said cell 103 (these walls 107 being six in number per cell 103 when the honeycomb structure 102 is a honeycomb or one if the cells 103 are cylindrical circular section).
  • This has the advantage of increasing the robustness of the optical concentrator 100.
  • the optical concentrator 100 may include a frame 108 (for example visible in Figures 1 to 3) surrounding the honeycomb structure 102 and in contact with the honeycomb structure 102.
  • This frame 108 has the advantage of participating in stiffening the honeycomb structure 102 and the advantage of serving as a support by forming for example a bearing surface 109 for example for mounting a protection element 204 that includes the module 200 photovoltaic (figure 3).
  • the frame 108 surrounds the honeycomb structure 102 at its periphery, in particular in a plane parallel to the X and Y axes (FIG. 1).
  • the frame 108 may have a thickness, measured parallel to the Z axis, greater than or equal to the thickness of the honeycomb structure 102 so that the protective element 204 may be either in contact with the honeycomb structure 102 either at a distance from the honeycomb structure 102 when it is assembled on the bearing surface 109.
  • the thickness of the frame 108 can be between the thickness of the honeycomb structure 102 and the thickness of the honeycomb structure 102 plus 1 cm. When the frame 108 has a thickness equal to that of the honeycomb structure 102, this allows the protection element to also rest on the honeycomb structure 102 which increases the stability of the assembly of the photovoltaic module 200 because there is more support points to hold the element 204 of protection.
  • the photovoltaic module 200 may include the necessary means, such as for example holes made in the walls of the cells 103, to allow the evacuation of air and avoid the explosion of the photovoltaic module 200 by decompression.
  • the frame 108 can be formed of a material identical to the material 104.
  • the overmolding carried out on the honeycomb structure 102 can form both the material 104 and the frame 108. This allows optimization of the integration of the honeycomb structure 102 within the optical concentrator 100, in particular while limiting the thickness of the optical concentrator 100 measured parallel to the axis Z.
  • the stiffening element 106 can overflow relative to the honeycomb structure 102 so as to delimit, with the honeycomb structure 102, an annular shoulder 110 ( Figure 2), the section of which can vary.
  • the frame 108 is in contact with the shoulder 110.
  • the stiffening element 106 may include an edge 106a which extends to the periphery of the honeycomb structure 102.
  • frame 108 may include cavities 112a, 112b, 112c, 112d.
  • the cavities 112a, 112b, 112c, 112d are formed in one side of the frame 108 and in particular in the bearing surface 109 mentioned above.
  • These cavities 112a, 112b, 112c, 112d can be holes.
  • These cavities 112a, 112b, 112c, 112d are, for example, intended to form polarizers for the insertion of studs 205a, 205b, 205c, 205d (FIGS. 3 and 16) extending from the protection element 204.
  • the polarizers associated with the optical concentrator 100 can be pads extending from the bearing surface 109 and intended to cooperate with cavities made in the protective element 204 [82] It follows from what has been described previously that there is a need to develop a solution making it possible to manufacture the optical concentrator 100 as described. To this end, the invention also relates to a method of manufacturing the optical concentrator 100.
  • the manufacturing process of the optical concentrator 100 may, in general, comprise the following steps:
  • each optical element 101 is arranged in one of the cells 103 of the honeycomb structure 102.
  • the step of forming the optical elements 101 as described has the advantage of integrating the optical elements 101 into the cells 103 of the honeycomb structure 102, thus limiting the thickness of the optical concentrator 100.
  • optical elements 101 In order to form the optical elements 101, different techniques can be used such as for example molding, thermo-forming, forging, stamping, machining, for example to form lenses in the cells 103 or to form the surfaces 105 in the cells 103, these surfaces 105 being intended to receive the mirrors as will be described in more detail below.
  • the manufacturing process may include the following steps:
  • the part obtained in the end of the molding may comprise solidified molding product in each of the cells 103.
  • the solidified molding product, forming the molded part comprises the material 104 mentioned above and, where appropriate, the material forming the frame 108
  • the molding is particularly suitable in the context of the manufacture of the optical concentrator 100 and makes it possible to partially and simultaneously fill the cells 103.
  • An advantage here is that the solidified molding product can form locally, in the cells 103, the elements 101 optics (case of lenses) and/or supports for the formation of corresponding optical elements 101 (case of mirrors).
  • the mold 300 After having introduced the molding product into the mold 300, but before the solidification of the molding product in the mold 300, the mold 300 can be put under vacuum to extract bubbles of gas, for example air, present in the molding product introduced into the mold 300. These bubbles may have formed during the introduction of the molding product into the mold 300.
  • gas for example air
  • the molding product introduced into the mold 300 can be chosen from: a silicone in the liquid state, a glass in the liquid state, an acrylic material in the liquid state, a natural rubber in the liquid state , a liquid acrylate, a liquid acrylic rubber and a liquid butyl rubber.
  • the mold 300 may comprise convex surfaces 301 (see in particular FIGS. 9, 10, 13 and 14), these surfaces 301 convex being intended to be "modeled” by molding in order to form the surfaces 105 then concave and intended to receive the mirrors.
  • the step of positioning the cellular structure 102 in the mold 300 can be such that the convex surfaces 301 are each inserted into one of the cells 103 of the cellular structure 102.
  • the molded part then comprises, at least end of the solidification step, the concave surfaces 105, each concave surface 105 being formed against one of the convex surfaces 301.
  • the step of forming the optical elements 101 may include a step of forming a reflective coating 113 on each of the concave surfaces 105 from which the formation of the mirrors results.
  • This paragraph refers to convex surfaces 301 and concave surfaces 105 which allow for example to form parabolic mirrors.
  • the surfaces of the mold 300 intended for the formation of the surfaces 105 to receive the mirrors can be non-convex, for example in order to form aspherical mirrors on the surfaces 105 which are then flat.
  • the surfaces 105 mentioned in the present description may, where appropriate, not be concave.
  • the method of manufacturing the optical concentrator 100 may include, before introducing the molding product into the mold 300, the introduction of the stiffening element 106 into the mold 300 as shown for example in Figure 11.
  • the stiffening element 106 is, for example, then positioned in contact with the honeycomb structure 102 so as to delimit, with the mold 300 and the honeycomb structure 102, a volume to be filled by the molding product in each of the cells 103, in particular with the aim of forming the portions of the material 104 mentioned above. This has the advantage of helping to delimit the volume of the mold 300 to be filled with molding product.
  • the stiffening element 106 can be fixed, for example by bonding to the honeycomb structure 102 before positioning this honeycomb structure 102 in the mold 300 (the products used for such bonding have been mentioned previously) or can be fixed to the honeycomb structure 102 due to the solidification of the molding product which then allows the fixing of the stiffening element 106 to the honeycomb structure 102 .
  • the mold 300 can be shaped to allow the formation of the concave surfaces 105 to each be covered by the corresponding reflective coating 113 so that the mirrors thus formed have a smooth parabolic shape, in particular smooth at least in the majority, with a focal point , corresponding to the focus mentioned above, adapted to the subsequent positioning of one of the photovoltaic cells 201 . Therefore, the shape of mold 300 can be optimized using ray tracing software to ensure that the most of the radiation flux captured by the mirrors will be able to arrive on the photovoltaic cells 201 .
  • the convex surfaces 301 of the mold 300 are preferably as smooth as possible and may for example have an average roughness strictly greater than 1 nm and strictly less than 150 nm. Indeed, any defect present on the convex surfaces 301 will be transmitted/modeled on the mirrors.
  • the mold 300 can be shaped so that the molded part of the part includes the frame 108 surrounding the honeycomb structure 102 and in contact with the honeycomb structure 102.
  • the mold 300 may have, before the introduction of the molding product, an empty volume 302 (FIG. 10) around the honeycomb structure 102 positioned in the mold 300. This empty volume is then to be filled with molding product during its introduction into the mold 300. This makes it possible to produce various elements of the optical concentrator 100 in a single molding, thus simplifying its manufacturing process.
  • the mold 300 can be shaped to form the cavities 112a, 112b, 112c, 112d in one face of the frame 108, in particular on the side of the concave surfaces 105.
  • the mold 300 may include studs 303a, 303b, 303c, 303d (see for example FIGS. 9, 10 and 14) intended to form the cavities 112a, 112b, 112c, 112d in the frame 108.
  • the formation of these cavities 112a, 112b, 112c, 112d is done during molding, thus making it possible to reduce the manufacturing time of the optical concentrator 100, and therefore its manufacturing cost in comparison with machining carried out subsequently after the part has been removed from the mold.
  • the person skilled in the art knows how to adapt the mold 300 if instead of the cavities 112a, 112b, 112c, 112d in the frame 108 it is desired to form studs extending from the frame 108.
  • the edge 106a of the previously mentioned stiffening element 106 can be used, with the help of the mold 300, to form the frame 108 produced by solidification of the molding product in the mold 300.
  • each concave surface 301 of the mold 300 is inserted into one of the cells 103 and is in contact with an opening of said cell 103; this allows to delimit, between each concave surface 301 and the stiffening element 106 also positioned in the mold 300, a volume of the corresponding cell 103 to be filled during the execution of the step of introducing the molding product into the mold 300 (figures 10 and 11),
  • the mold 300 is in contact with the stiffening element 106 so as to delimit a volume around the honeycomb structure 102 in order to form the frame 108.
  • the mold 300 can be closed, for example using a clamp, before the introduction of the molding product to guarantee suitable sealing of the mold 300 to prevent the molding product introduced into the mold 300 from creeping out of the mold. 300 during the step of introducing the molding product.
  • This closing of the mold 300 can be ensured by the stiffening element 206 or by a plate (not visible in the figures) transferred to the mold 300 in order to avoid the creep mentioned above; the plate or the stiffening element 206 can be urged towards the mold 300 by the clamping mentioned above.
  • a step of placing the mold 300 under vacuum is carried out to remove any gas bubbles present in the molding product and mentioned above.
  • the solidification step may correspond to waiting for a time necessary for the crosslinking of the molding product introduced into the mold 300, in particular when this molding product is silicone in the liquid state.
  • the removal step can be carried out by mechanical demoulding or by compressed air assisted demoulding. After the removal step, mirrors can be formed on the concave surfaces 105.
  • the mold 300 may include first injection holes 304 and second injection holes 305a, 305b, as shown for example in Figures 9, 10, 12 and 13 which allow in particular to introduce the molding product by distributing it in each of the cells 103 using the first injection holes 304 and around the honeycomb structure 102 using the second injection holes 305a, 305b.
  • These first and second injection holes 304, 305a, 305b also have the function, after introduction of the molding product into the mold 300, of allowing the bubbles present in the molding product introduced to come out of the mold 300.
  • These first and second holes 304, 305a, 305b injection can communicate with a distribution network 306 formed in a face of the mold opposite the concave surfaces 301 (FIGS. 12 and 13).
  • the first injection holes 304 are preferably arranged at the top of domes formed by the convex surfaces 301 of the mold 300 so that the concave surfaces 105 include portions which will not be locally smooth due to the breakage of beads of casts; however, this is not important because these portions of the concave surfaces 105 will each be covered by the reflective coating 113 corresponding to the level of areas shaded by the photovoltaic cells 201 within the photovoltaic module 200 during operation of the photovoltaic module 200 .
  • the rate of injection of the molding product into the mold 300 can, for example, be controlled according to the physico-chemical properties of the molding product in the liquid state such as its viscosity and its crosslinking time.
  • the second technique consists in using the mold 300 "inverted" where the molding product in the liquid state is introduced into the mold 300 by casting.
  • a mold 300 in which the honeycomb structure 102 has been positioned is illustrated in particular in FIG. 14.
  • the mold 300 is positioned so as to present a cavity 307 accessible from above and in which the structure 102 is placed. cellular so that each concave surface 301 of the mold 300 is inserted into one of the corresponding cells 103. Then, the molding product can be introduced into the mold 300 until it covers the structure
  • the mold 300 After introduction of the molding product in the liquid state, but before the solidification of the molding product, the mold 300 is placed under vacuum to extract the gas bubbles mentioned above which would be present in the molding product. If the molding product introduced is silicone, it is then cross-linked in order to solidify, then the part can be demolded, for example by mechanical demolding or by compressed air-assisted demolding in order to obtain the part as illustrated in the figure 15 comprising the frame 108, the honeycomb structure 102 and the concave surfaces 105 present in the cells
  • the optical concentrator 100 comprises mirrors
  • a so-called “parabolic” structure is obtained.
  • the step of forming the optical elements 101 can then include the step of forming a reflective coating 113 on each of the concave surfaces 105, the function of these reflective coatings 113 being to form the mirrors making it possible in fine to focus the radiation received by the optical concentrator 100 in particular towards the photovoltaic cells 201 .
  • the reflective coatings 113 can be obtained by chemical deposition during which a precursor fluid undergoes a chemical reaction on a solid surface (here the concave surfaces 105) thus leaving a solid layer on said solid surface.
  • the reflective coatings 113 can be obtained by chemical vapor deposition (also known by the acronym CVD for “chemical vapor deposition”) or by deposition of an atomic layer (also known by the acronym ALD for the 'Atomic Layer Deposition').
  • the reflective coatings 113 can be obtained by physical deposition such as vacuum evaporation, sputtering, pulsed laser deposition, or electrohydrodynamic deposition.
  • the material of the reflective coating 113 formed on the concave surfaces 105 can be silver which is 90% reflective for the radiation considered or aluminum.
  • the reflective coating 113 can have a thickness of between 500 nm and 100 ⁇ m.
  • the step of forming the mirrors may include a step of depositing a protective layer on each reflective coating 113 formed.
  • This protective layer has the function of preventing, for example, the degradation of the corresponding mirror induced by an atomic oxygen environment (ATOX) in LEO orbit (abbreviation for “Low Earth Orbit” in English corresponding to low Earth orbit in French).
  • This protective layer can be made of SiO2 and have a thickness of between 50 nm and 1000 nm.
  • the invention also relates to a method of manufacturing the photovoltaic module 200 which comprises a step consisting in implementing the method of manufacturing the optical concentrator 100, and a step of positioning the photovoltaic cells 201 so that each photovoltaic cell 201 is positioned at the focus of at least one of the optical elements 101 of the optical concentrator 100.
  • a method of manufacturing the photovoltaic module 200 has the advantage of obtaining a photovoltaic module 200 that is robust and thin, preferably while not requiring the addition, after manufacture of the optical concentrator 100, of a honeycomb structure to be assembled with the optical concentrator 100.
  • the optical concentrator 100 is produced by implementing the molding described, this has the technical advantage of limiting the steps for the manufacture of the photovoltaic module 200 and this can make it possible, if necessary, to reduce the cost. associated.
  • the photovoltaic module 200 may comprise the protection element 204 preferably forming the front face 202 of the photovoltaic module 200.
  • the protection element 204 can be a plate.
  • the protection element 204 has the function of protecting the photovoltaic module 200, for example from oxidation or soiling of its optical elements 101, while allowing solar radiation to pass. In this sense, the protection element 204 is transparent to the radiation to be captured by the photovoltaic module 200.
  • the element 204 also has the advantage that its arrangement can allow the optical elements 101 not to be directly subjected to radiation from which protection against atomic oxygen and/or energetic particles such as electrons, protons and ultraviolet.
  • photovoltaic cells 201 can be secured, for example by gluing, to the protection element 204 and be arranged on the side of a face of the protection element 204 oriented towards the honeycomb structure 102 such as the shown for example in FIGS. 3 and 6 (for the optical element 101 of type (a) in FIG. 6).
  • the protective element 204 (visible for example in Figures 3, 16 and 17) may have a thickness which depends on the dimensions of the photovoltaic module 200, as well as the thermal and mechanical stresses to which it is likely to be subjected. . Typically, this thickness of the protection element 204, measured parallel to the Z axis when the protection element 204 is fixed relative to the optical concentrator 100, can be between 150 ⁇ m and 900 ⁇ m.
  • the protective element 204 in particular with a thickness as given above, can be made of glass, borosilicate glass, BK7-G18, polyethylene terephthalate (also known by the acronym PET corresponding to "polyethylene terephthalate” in English), fluorinated ethylene propylene (also known by the acronym FEP corresponding to “fluorinated ethylene propylene” in English) or polymethyl methacrylate (also known by the acronym PMMA corresponding to “poly(methyl methacrylate)” in English).
  • PET polyethylene terephthalate
  • FEP fluorinated ethylene propylene
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the stiffening element 106 can form the rear face 203 of the photovoltaic module 200
  • Interconnection tracks 206 can be formed on the protection element 204, as shown for example in Figure 17, in order to electrically connect the photovoltaic cells 201.
  • these interconnect tracks 206 can be formed by 3D printing a suitable metal alloy.
  • the interconnection tracks 206 can be electrically connected to connection terminals 207a, 207b making it possible to collect the energy generated by the photovoltaic cells 201; these connection terminals 207a, 207b being for example arranged on one face of the protection element 204 forming the front face 202 of the photovoltaic module 200 and therefore opposite the face of the protection element 204 oriented towards the optical concentrator 100 .
  • the method of manufacturing the photovoltaic module 200 may include a step of forming a part 208 of the photovoltaic module 200 to be assembled with the optical concentrator 101. This step of forming the part 208 of the photovoltaic module 200 may include the following steps:
  • the method of manufacturing the photovoltaic module 200 may comprise a step of assembling the part 208 of the photovoltaic module 200 to the optical concentrator 100.
  • Such an assembly of the photovoltaic module 200 produced by assembling two manufactured sub-parts has the advantage of facilitating assembly of the photovoltaic module 200 since this notably limits the number of parts to be aligned during assembly.
  • the interconnection tracks 206 are formed on the protection element 204 . Then, still with the aim of interconnecting the photovoltaic cells 201, the photovoltaic cells 201 (for example thirty photovoltaic cells 201 in number and arranged in ten parallel rows of three photovoltaic cells 201) are positioned to connect them to the tracks 206 of interconnection.
  • the positioning of the photovoltaic cells 201 and their connection to the interconnection tracks 206 concerned are well known to those skilled in the art and will not be described in more detail.
  • the assembly step may for example consist in transferring the part 208 of the photovoltaic module 200 onto the optical concentrator 100 with the interposition of a suitable glue, for example spread over the bearing surface 109, this glue being for example silicon.
  • the assembly step may include the insertion of the studs 205a, 205b, 205c, 205d integral with the protection element 204 in the cavities 112a, 112b, 112c, 112d from which it results adequate positioning of the photovoltaic cells 201 at the focal points of the optical elements 101.
  • This has the advantage of facilitating the alignment between the part 208 and the optical concentrator 101 during assembly.
  • the studs 205a, 205b, 205c, 205d may have been formed by 3D printing.
  • the studs 205a, 205b, 205c, 205d can be prefabricated and bonded to the protection element 204 after suitable positioning (for example with a tolerance of 10 ⁇ m).
  • the method for manufacturing the photovoltaic module 200 can then include a step of aligning the optical concentrator 100 and the part 208 of the photovoltaic module 200 while the optical concentrator 100 is illuminated in order to find the adequate positioning of the part 208 of the photovoltaic module 200 to place the photovoltaic cells 201 each at the corresponding focus of at least one of the optical elements 101. This has the advantage of finding the maximum point of photovoltaic conversion.
  • each photovoltaic cell 201 intended to capture the radiation originating from at least one of the optical elements 101, may have a surface area comprised between 300 ⁇ m 2 and 600 ⁇ m 2 .
  • each photovoltaic cell 201 can have dimensions such that it is included in a circle with a diameter strictly less than 900 ⁇ m, which makes it possible, for example, to optimize the optical concentrator 100 by limiting its mass in particular.
  • the photovoltaic cells 201 can have different shapes which will be adapted according to the optical elements 101, for example these shapes can be round or square.
  • Each photovoltaic cell 201 can be in III-V material, in silicon, in III-V/Si material or in perovskites.
  • the type of 201 photovoltaic cell can be chosen depending on the application in space.
  • the photovoltaic module 200 described can be obtained in such a way as to optimize its mass, for example by seeking to reduce it, in order to reach high power levels per unit of mass, for example to exceed 350 W/Kg at incident AM0.
  • the technology described in the present description also makes it possible to replace, at a much lower cost, the CIC technology of the modules.
  • the photovoltaic module 200 described according to the present invention can have various advantages such as:
  • the photovoltaic cells 201 can be interconnected differently, making it possible to achieve variable electrical characteristics/powers (voltage and amperage) while ensuring passive heat dissipation,
  • module 200 photovoltaic has the advantage of being robust, because it uses a large number of photovoltaic cells 201 and this on a smaller surface than photovoltaic modules using CIC technology,
  • the optical concentrator 100 and the photovoltaic cells 201 are integrated within the same assembly, not requiring deployment between the photovoltaic cells 201 and the optical concentrator 100 which can be advantageous for example in the context of a space application .
  • optical concentrator 100 can apply to the photovoltaic module 200 as well as to the processes described for manufacturing the optical concentrator 100 and for manufacturing the photovoltaic module 200, and vice versa.
  • the photovoltaic module 200 described has an industrial application in the field of concentrated photovoltaics. Such a photovoltaic module 200 will be particularly suitable for supplying one or more systems requiring the electrical energy that the photovoltaic module 200 can supply.
  • the systems can include one or more autonomous electrical systems such as sensors (for example optical, electromagnetic, radio), but also communication devices such as transmitter(s) and/or transmitter(s).

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Abstract

Le concentrateur (101) optique comporte des éléments (101) optiques et une structure (102) alvéolaire. Chaque élément (101) optique est agencé dans une des alvéoles (103) de la structure (102) alvéolaire.

Description

CONCENTRATEUR OPTIQUE À STRUCTURE ALVÉOLAIRE
Domaine technique de l’invention
[1] Le domaine technique de l’invention est relatif au domaine de la concentration optique d’un rayonnement et concerne plus particulièrement un concentrateur optique.
État de la technique
[2] Un module photovoltaïque à concentration comporte un concentrateur optique formé, par exemple, par une matrice de miroirs associée à des cellules photovoltaïques positionnées chacune au foyer d’un des miroirs. Un tel module photovoltaïque présente, par rapport à un module photovoltaïque dépourvu de concentrateur optique, les avantages suivants :
- avoir un meilleur rendement, ce qui est préférable pour fonctionner dans un environnement à faible ensoleillement ou à faible irradiance en vue de permettre aux cellules photovoltaïques de tendre à fonctionner à leur régime nominal,
- utiliser des cellules photovoltaïques plus petites afin de diminuer la quantité de matériaux lll-V classiquement utilisés pour former les cellules photovoltaïques, d’où il résulte une diminution des coûts de fabrication du module photovoltaïque grâce à l’exploitation de la concentration optique.
[3] Les modules photovoltaïques à concentration sont tout particulièrement adaptés pour des applications spatiales, c’est-à-dire hors de l’atmosphère terrestre.
[4] Les modules photovoltaïques à concentration sont couplés à un système de suivi car ils exploitent la lumière directe du soleil pour fonctionner et non la lumière diffusée par les constituants environnementaux au niveau des corps célestes (par exemple ces constituants environnementaux pouvant être les gaz atmosphériques, les nuages et/ou les particules de poussière).
[5] Par exemple, des vaisseaux spatiaux de communication et de météorologie peuvent intégrer des ailes de panneaux solaires avec une précision de pointage élevée (c’est-à-dire notamment avec une précision de pointage strictement inférieure à 1 °) satisfaisant la tolérance angulaire nécessaire pour des modules photovoltaïques à concentration qui peuvent alors être intégrés au sein des panneaux solaires.
[6] Les modules photovoltaïques à concentration utilisant des cellules photovoltaïques de petites dimensions (c’est-à-dire dont la face active est préférentiellement strictement inférieure à 1 mm2) ouvrent la voie à l’obtention de niveaux de puissance élevés par unité de masse (W/Kg), dépassant de manière réaliste 350 W/kg à l'incident AMO (avec AMO correspondant à masse d’air 0 ou « air mass 0 » en langue anglaise) selon la norme Standard ASTM G173-02 (ASTM, 2003) ; ceci permettant de remplacer à un coût inférieur la technologie CIC (sigle de « Coverglass Interconnect Cell » en langue anglaise et correspondant à des cellules équipées chacune d’un élément de protection individuel en face avant) existante.
[7] Le document « Lightweight Monolithic Microcell CPV for Space » de Christian J. Ruud et al. publié dans « 2018 IEEE 7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC) (A Joint Conference of 45th IEEE PVSC, 28th PVSEC 34th EU PVSEC), 2018 » décrit l’association par collage de cellules photovoltaïques agencées sur une plaque de verre BK7-G18 avec un concentrateur optique comportant une matrice de miroirs. La matrice de miroirs est formée par un revêtement réfléchissant déposé sur des surfaces concaves d’un support en verre BK7-G18 appartenant au concentrateur optique. Cette solution à base de verre permet, pour une solution de module photovoltaïque à concentration, de limiter l’épaisseur dudit module photovoltaïque à concentration mais présente l’inconvénient d’être fragile.
[8] La demande de brevet US2008/264469A1 décrit un concentrateur optique pouvant être formé par l'assemblage de plusieurs éléments primaires.
[9] Le brevet US10715079B2 décrit un concentrateur optique ayant une architecture dans laquelle deux étages optiques sont réalisés par moulage.
Objet de l’invention
[10] L’invention a pour but de permettre d’améliorer la résistance mécanique d’un concentrateur optique, c’est-à-dire notamment sa rigidité, en particulier tout en cherchant à limiter son encombrement. [11 ] À cet effet, l’invention est relative à un concentrateur optique comportant des éléments optiques et une structure alvéolaire, chaque élément optique étant agencé dans une des alvéoles de la structure alvéolaire, ledit concentrateur comportant un matériau rigidifiant la structure alvéolaire et à partir duquel les éléments optiques sont formés, le matériau étant surmoulé sur la structure alvéolaire.
[12] Le concentrateur optique obtenu forme ainsi un ensemble monobloc (ou monolithique), réalisé d'un seul tenant.
[13] Un tel concentrateur optique présente donc notamment l’avantage d’être robuste par rapport aux contraintes mécaniques auxquelles il peut être soumis notamment en vue de conserver sa forme. Il peut alors être utilisé par exemple au sein d’un module photo voltaïque du type à concentration de sorte à en limiter l’encombrement et la masse. Il se démarque ainsi des solutions antérieures connues dans lesquelles les concentrateurs sont souvent obtenus par assemblage de plusieurs éléments primaires.
[14] Le concentrateur optique peut comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le matériau rigidifiant est choisi parmi un silicone, un verre, un matériau acrylique, un caoutchouc naturel, un acrylate, un caoutchouc acrylique et un caoutchouc butyle ;
- le matériau est surmoulé sur la structure alvéolaire ;
- le concentrateur optique comporte un cadre entourant la structure alvéolaire et en contact avec la structure alvéolaire ;
- le cadre est formé d’une matière identique au matériau ;
- le concentrateur optique comporte des miroirs formés chacun par un des éléments optiques ;
- le matériau comporte des portions remplissant chacune partiellement une des alvéoles, chaque miroir étant agencé sur une surface d’une des portions matériau ;
- le concentrateur optique comporte un élément de rigidification fixé à la structure alvéolaire ;
- pour chacune des alvéoles dans laquelle un des miroirs est agencé, la portion du matériau remplissant partiellement ladite alvéole occupe un volume délimité par l’élément de rigidification, ledit miroir agencé dans ladite alvéole et au moins une paroi de ladite alvéole ;
- le concentrateur optique comporte des lentilles, chaque lentille étant formée par un des éléments optiques ;
- le matériau comporte des parties formant chacune une des lentilles ;
- la structure alvéolaire est un nid d’abeilles.
[15] L’invention est aussi relative à un module photovoltaïque comportant des cellules photovoltaïques, le module photovoltaïque comporte un concentrateur optique tel que décrit. Chaque cellule photovoltaïque est agencée au foyer d’au moins un des éléments optiques du concentrateur optique.
[16] L’invention est aussi relative à un procédé de fabrication d’un concentrateur optique, le procédé de fabrication comportant les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir une structure alvéolaire,
- une étape de formation d’éléments optiques de sorte que chaque élément optique est agencé dans une des alvéoles de la structure alvéolaire,
- une étape consistant à prévoir un moule,
- une étape de positionnement de la structure alvéolaire dans le moule,
- une étape d’introduction d’un produit de moulage à l’état liquide dans le moule,
- une étape de solidification du produit de moulage introduit dans le moule pour former une pièce comportant la structure alvéolaire et une partie moulée,
- une étape de retrait consistant à retirer la pièce du moule.
[17] L’invention est aussi relative à un procédé de fabrication d’un module photovoltaïque, le procédé de fabrication du module photovoltaïque comportant :
- une étape consistant à mettre en oeuvre le procédé de fabrication du concentrateur optique tel que décrit, et
- une étape de positionnement de cellules photovoltaïques de sorte que chaque cellule photovoltaïque est positionnée au foyer d’au moins un des éléments optiques du concentrateur optique.
[18] D’autres avantages et caractéristiques pourront ressortir de la description détaillée qui suit. Description sommaire des dessins
[19] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés et listés ci-dessous.
[20] La figure 1 illustre, selon une vue en perspective, un concentrateur optique à structure alvéolaire selon un mode de réalisation particulier de l’invention.
[21] La figure 2 illustre schématiquement, selon une vue en coupe, le concentrateur optique de la figure 1 .
[22] La figure 3 illustre, selon une vue en perspective, un module photovoltaïque selon un mode particulier de réalisation de l’invention.
[23] La figure 4 illustre schématiquement un module photovoltaïque selon un autre mode particulier de réalisation de l’invention.
[24] La figure 5 illustre schématiquement, selon une vue en coupe, un module photovoltaïque selon encore un autre mode particulier de réalisation de l’invention.
[25] La figure 6 illustre schématiquement, selon une vue en coupe, un module photovoltaïque selon encore un autre mode particulier de réalisation de l’invention.
[26] La figure 7 illustre schématiquement, selon une vue en coupe, un module photovoltaïque selon encore un autre mode particulier de réalisation de l’invention.
[27] La figure 8 illustre, selon une vue en perspective, un exemple de la structure alvéolaire.
[28] La figure 9 illustre, selon une vue en perspective, un moule destiné à être utilisé dans le cadre de la fabrication du concentrateur optique.
[29] La figure 10 illustre, selon une vue en perspective, la structure alvéolaire de la figure 8 positionnée dans le moule de la figure 9.
[30] La figure 11 illustre, selon une vue en perspective, le positionnement d’un élément de rigidification dans le moule de la figure 10.
[31] La figure 12 illustre, selon une vue en perspective, le moule, notamment de la figure 9, qui présente une face conformée pour la distribution d’un produit de moulage à injecter dans le moule. [32] La figure 13 illustre schématiquement le moule de la figure 12 selon une vue en coupe transversale passant par la ligne de coupe C1 visible sur la figure 12.
[33] La figure 14 illustre, selon une vue en perspective, un autre type de moule pouvant être utilisé pour former le concentrateur optique, la structure alvéolaire étant positionnée dans ce moule.
[34] La figure 15 illustre, selon une vue en perspective, une pièce en sortie du moule de la figure 14.
[35] La figure 16 illustre, selon une vue en perspective, un élément de protection du module photovoltaïque.
[36] La figure 17 illustre, selon une vue en perspective, l’élément de protection de la figure 16 auquel des cellules photovoltaïques sont fixées.
[37] Sur ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures.
Description détaillée
[38] L’invention, décrite plus en détails ci-après, concerne un concentrateur
100 optique comportant des éléments 101 optiques et renforcé dans le sens où il comporte une structure 102 alvéolaire dans laquelle sont agencés les éléments
101 optiques. Un tel concentrateur 100 optique est tout particulièrement adapté pour être intégré dans un module 200 photovoltaïque aussi alors appelé module photovoltaïque à concentration (aussi connu sous le sigle « CPV » correspondant à « concentrator photovoltaics » en langue anglaise).
[39] Dans la présente description, par « compris entre deux valeurs », il est entendu que les bornes formées par ces deux valeurs sont incluses dans la plage correspondante.
[40] Il est à présent défini un repère orthonormé d’axes X, Y et Z, ci-après noté repère XYZ. Le repère XYZ est visible aux figures 1 à 7 et 15. Ce repère correspondant préférentiellement au référentiel du concentrateur 100 optique.
[41 ] Dans la présente description, la transparence, par exemple d’un objet, à un rayonnement est définie par un facteur de transmission compris entre 80 % et 100 % que présente notamment cet objet. [42] L’invention est en particulier relative au concentrateur 100 optique. Un exemple d’un tel concentrateur 100 optique est visible sur les figures 1 et 2, la figure 2 montrant le concentrateur 100 optique de la figure 1 selon une vue en coupe dans un plan parallèle aux axes X et Z. Le concentrateur 100 optique comporte les éléments 101 optiques et la structure 102 alvéolaire. La structure 102 alvéolaire comporte des alvéoles 103, par exemple au nombre de trente dans l’exemple représenté de manière non limitatif sur la figure 1. Les alvéoles 103 peuvent, par exemple, être dites « débouchantes » dans le sens où elles peuvent être ouvertes sur deux faces opposées de la structure 102 alvéolaire, ces deux faces étant opposées selon l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire mesurée parallèlement à l’axe Z. Chaque élément 101 optique est agencé dans une des alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire. La structure 102 alvéolaire permet d’apporter de la rigidité au sein même du concentrateur 100 optique améliorant ainsi sa robustesse. Chaque alvéole 103 peut loger un seul élément 101 optique comme cela est par exemple le cas de la figure 1 où les éléments 101 optique sont au nombre de trente.
[43] Un tel concentrateur 100 optique peut dès lors être intégré au sein d’un dispositif particulier, notamment comme le module 200 photovoltaïque évoqué précédemment et par exemple tel que représenté sur la figure 3. Le module 200 photovoltaïque est destiné à être soumis à un rayonnement, par exemple solaire, pour générer de l’énergie électrique. Dans ce cas, la structure 102 alvéolaire intégrée au sein du concentrateur 100 optique permet, par exemple, au concentrateur 100 optique de servir de support pour supporter des éléments qui entrent dans la constitution du module 200 photovoltaïque. Par exemple, il résulte de l’intégration d’un tel concentrateur 100 optique au sein du module 200 photovoltaïque que cela ne nécessitera pas d’ajouter un système de rigidification alvéolaire distinct du concentrateur 100 optique et tendant à augmenter l’épaisseur, mesurée parallèlement à l’axe Z, du module 200 photovoltaïque.
[44] Ainsi, le module 200 photovoltaïque, comme représenté à titre d’exemple sur la figure 3, comporte le concentrateur 100 optique et des cellules 201 photovoltaïques aussi appelées cellules 201 solaires. Chaque cellule 201 photovoltaïque est agencée au foyer d’au moins un des éléments 101 optiques, ceci permettant aux éléments 101 optiques de faire converger de manière adaptée le rayonnement que le module 200 photovoltaïque reçoit vers les cellules 201 photovoltaïques. Autrement dit, le concentrateur 100 optique est tel que, lorsqu’il est soumis au rayonnement, il permet de concentrer, via les éléments 101 optiques, ce rayonnement sur les cellules 201 photovoltaïques. Chaque cellule 201 photovoltaïque peut être agencée au foyer d’un seul élément 101 optique comme c’est le cas sur la figure 3 ou de plusieurs éléments 101 optiques comme l’illustre à titre d’exemple la figure 4. Sur la figure 3, les cellules 201 photovoltaïques sont au nombre de trente, c’est-à-dire une par élément 101 optique, ce nombre n’est pas limitatif et pourra être adapté en fonction des besoins par exemple en adaptant le nombre d’éléments 101 optiques. Sur la figure 4, les cellules 201 photovoltaïques du module 200 photovoltaïque, représentées chacune par un rond noir, sont placées chacune aux foyers respectifs de trois éléments 101 optiques distincts, par exemple adjacents à ladite cellule 201 photovoltaïque ; ces trois éléments 101 optiques étant agencés chacun dans une des alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire. Bien entendu, la figure 4 n’est qu’un exemple, et il est possible que les cellules 201 photovoltaïques soient par exemple placées chacune aux foyers de plus de trois éléments 101 optiques. Sur la figure 4, chaque cellule 201 photovoltaïque peut être agencée à l’aplomb de l’intersection des parois de trois alvéoles 103, ce qui permet de faire cheminer des pistes d’interconnexion (par exemple métalliques) des cellules 201 photovoltaïques à l’aplomb des parois des alvéoles 103 pour limiter le masquage optique des éléments 101 optiques du concentrateur 100 optique par les pistes d’interconnexion. Sur la figure 4, les cellules 201 photovoltaïques peuvent être, par exemple par collage, solidaires d’un/supportées par un substrat (non visible) ou par une plaque transparente au rayonnement (non visible).
[45] Le module 200 photovoltaïque peut répondre à une problématique de limitation de masse et de limitation de l’encombrement dans le sens où :
- l’intégration de la structure 102 alvéolaire dans le concentrateur 100 optique permet un gain de masse car il n’y a pas besoin de réaliser un couplage mécanique d’un système de rigidification alvéolaire distinct du concentrateur 100 optique, ce qui peut s’accompagner d’une diminution de matière/d’épaisseur du module 200 photovoltaïque selon l’axe Z,
- l’intégration de la structure 102 alvéolaire au sein même du concentrateur 100 optique permet de limiter l’épaisseur globale du module 200 photovoltaïque. Ceci est particulièrement avantageux pour une application spatiale, c’est-à-dire pour une utilisation dans l’espace hors de l’atmosphère terrestre, du module 200 photovoltaïque où la masse et l’encombrement sont des critères importants à prendre en compte pour placer, par un lanceur, une charge utile comportant le module 200 photovoltaïque en orbite autour de la terre ou pour envoyer cette charge utile dans l’espace interplanétaire. En outre, le module 200 photovoltaïque à concentrateur 100 optique nécessite d’être orienté vers le rayonnement à capter : la limitation de sa masse permet de limiter l’énergie nécessaire pour réaliser un suivi adapté du rayonnement, énergie qui peut être limitée dans l’espace. Ceci est aussi avantageux dans le cadre d’une application terrestre dans le sens où limitation de la masse du module 200 photovoltaïque permet de limiter l’énergie nécessaire pour réaliser un suivi adapté du rayonnement solaire sur terre et donc pour orienter de manière adaptée le module 200 photovoltaïque.
[46] Le module 200 photovoltaïque comporte par définition une face 202 avant (figure 3) destinée à recevoir le rayonnement, c’est donc cette face 202 avant qui sera à orienter vers le rayonnement pour permettre sa captation par le module 200 photovoltaïque. En opposition à sa face 202 avant, le module 200 photovoltaïque comporte une face 203 arrière (figure 3).
[47] La structure 102 alvéolaire peut présenter une faible densité et donc une masse limitée, une résistance et une rigidité contrôlables à la conception, ainsi qu’une capacité à absorber de l’énergie cinétique, par exemple d’impact, pour éviter la rupture du concentrateur 100 optique et plus généralement du module 200 photovoltaïque. Cette capacité à absorber de l’énergie cinétique est avantageuse par exemple lorsque le module 200 photovoltaïque sera placé en environnement spatial et donc soumis à des impacts de météorites ou de déchets spatiaux, ou placé en environnement terrestre où il pourra être soumis à la grêle. Par exemple, une faible densité de la structure 102 alvéolaire peut correspondre à une densité comprise entre 16 Kg/m3 et 300 Kg/m3.
[48] La structure 102 alvéolaire peut être un nid d’abeilles aussi appelé structure en nid d’abeilles. Les alvéoles 103 sont donc dans ce cas hexagonales dans un plan de coupe de la structure 102 alvéolaire parallèle aux axes X et Y. L’avantage technique d’un nid d’abeilles est d’avoir une résistance à la compression satisfaisante. [49] La structure 102 alvéolaire peut être réalisée en aluminium, en utilisant des fibres d’aramide par exemple du Kevlar®, en matière plastique (comportant notamment des polymères), en utilisant du carbone, ou en utilisant des fibres de verre.
[50] L’épaisseur de la structure 102 alvéolaire peut être strictement inférieure à 300 mm et peut par exemple être comprise entre 1 mm et 100 mm. En particulier, l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire peut être strictement inférieure à 1 cm. Cette épaisseur est mesurée parallèlement à l’axe Z. Une telle épaisseur de la structure 102 alvéolaire présente l’avantage de permettre d’atteindre une épaisseur conventionnelle du module 200 photovoltaïque, en particulier compatible pour être utilisée dans un satellite, c’est-à-dire un engin spatial.
[51 ] Le concentrateur 100 optique peut comporter des miroirs formés chacun par un des éléments 101 optiques. Autrement dit, chaque miroir 101 est un des éléments 101 optiques. L’utilisation de miroirs permet au concentrateur 100 optique de réfléchir le rayonnement pour le concentrer, notamment sur les cellules photovoltaïques 201 correspondantes. Dans le cadre du module 200 photovoltaïque, l’utilisation de miroirs permet de protéger les cellules 201 photovoltaïques associées auxdits miroirs des radiations de particules énergétiques (par exemple des électrons et/ou des protons) car ces cellules 201 photovoltaïques seront positionnées de sorte que le flux solaire arrive en face arrière de ces cellules 201 photovoltaïques tandis que les faces avant, aussi appelées faces actives, de ces cellules 201 photovoltaïques seront positionnées chacune de sorte à faire face à un des miroirs. La face active d’une cellule 201 photovoltaïque est la face devant recevoir une partie du rayonnement auquel le module 200 photovoltaïque est soumis afin de générer une énergie électrique.
[52] Chaque miroir peut être formé par une surface concave réflective, par exemple pour former un miroir parabolique, ou par des surfaces réflectives asphériques. La forme de chaque miroir peut être adaptée à son positionnement au sein du concentrateur 100 optique et peut être fonction de la position souhaitée d’une cellule 201 photovoltaïque correspondante au sein du module 200 photovoltaïque.
[53] Le concentrateur 100 optique peut comporter des lentilles, chaque lentille étant formée par un des éléments 101 optiques. Autrement dit, chaque lentille est un des éléments 101 optiques. Les lentilles autorisent le passage du rayonnement considéré au travers du concentrateur 100 optique, tout en faisant converger différentes parties du rayonnement par exemple vers des foyers associés chacun à une des lentilles. La figure 5 illustre un exemple particulier du concentrateur 100 optique comportant la structure 102 alvéolaire dans laquelle sont agencées des lentilles formées par les éléments 101 optiques. Dans ce cas, le module 200 photovoltaïque peut comporter un substrat 209 duquel les cellules 201 photovoltaïques sont solidaires par exemple par fixation audit substrat 109 notamment par collage ; la structure 102 alvéolaire est alors fixée, par exemple par collage, au substrat 209 de sorte que chaque cellule 201 photovoltaïque est placée dans une des alvéoles 103 au foyer de la lentille agencée dans cette même alvéole 103. Les lentilles sont aussi appelées ici lentilles de focalisation.
[54] Sur la figure 4, les éléments 101 optiques sont par exemple formés chacun par un miroir correspondant ou par une lentille correspondante.
[55] Par exemple, chaque élément 101 optique est un miroir comme dans le cas particulier illustré sur les figures 1 à 3.
[56] Par exemple, chaque élément 101 optique est une lentille comme dans le cas particulier illustré sur la figure 5.
[57] Par exemple, certains éléments 101 optiques du concentrateur 100 optique sont des miroirs et d’autres éléments 101 optiques du concentrateur 100 optique sont des lentilles.
[58] La figure 6 illustre différents types d’éléments 101 optiques référencés (a), (b), (c), (d), les éléments 101 optiques étant agencés chacun dans une alvéole 103 correspondante de la structure 102 alvéolaire. Le type (a) correspond à un élément 101 optique formant un miroir parabolique. Le type (b) correspond à un élément 101 optique formant un miroir comportant des surfaces réflectives asphériques. Le type (c) correspond à un élément 101 optique formant une lentille. Le type (d) correspond à un élément 101 optique comportant une couche 101 a réflective sur laquelle est agencée une lentille 101 b, un tel élément 101 optique est aussi connu sous la dénomination « lens-walled compound parabolic concentrator » en langue anglaise. Les types (a), (b) et (d) sont des éléments 101 optiques réflectifs et le type (c) est un élément 101 optique réfractif. Bien que les types (a), (b), (c) et (d) aient été représentés tous en combinaison sur la figure 6, le concentrateur 100 optique peut très bien comporter des éléments 101 optiques seulement de l’un des types (a), (b), (c) ou (d), ou des éléments 101 optiques de différents types choisis parmi les types (a), (b), (c) et (d). La figure 6 montre en outre des positionnements possibles des cellules 201 photovoltaïques du module 200 photovoltaïque en fonction du type des éléments 101 optiques. Par exemple, pour les éléments 101 optiques des types (b), (c) et (d), les cellules 201 photovoltaïques associées sont solidaires d’un substrat 209, en particulier par fixation assurée par collage. Par exemple, pour l’élément 101 optique de type (a), la cellule 101 photovoltaïque associée est solidaire d’un élément 204 de protection correspondant, en particulier par fixation assurée par collage, qui par ailleurs est fixé au concentrateur 100 optique pour aussi protéger les cellules 201 photovoltaïques associées aux éléments 101 optiques des types (b), (c) et (d).
[59] Le concentrateur 100 optique peut être tel qu’il comporte des lentilles combinées chacune à un miroir 111 correspondant. Dans ce cas, les lentilles forment les éléments 101 optiques. Ceci est illustré à titre d’exemple sur la figure 7 qui montre le module 200 photovoltaïque comportant la structure 102 alvéolaire dans laquelle sont agencées les lentilles (en particulier dans les alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire) et une structure 102a alvéolaire additionnelle associée à des miroirs 111 chacun agencé dans une des alvéoles 103a de la structure 102a alvéolaire additionnelle et pouvant reposer sur un matériau de même composition que le matériau 104 décrit ci-après. La structure 102 alvéolaire et la structure 102a alvéolaire additionnelle sont fixées, par exemple par collage, à un substrat 209 duquel les cellules 201 photovoltaïques sont solidaires par exemple par collage. Ici, ce substrat 209 est transparent au rayonnement ou évidé pour laisser passer le rayonnement. Les cellules 201 photovoltaïques sont agencées sur le substrat 209 de sorte que chaque cellule 201 photovoltaïque est positionnée entre un des miroirs 111 et une des lentilles afin qu’une partie du rayonnement incident au module 200 photovoltaïque traverse ladite lentille avant de converger sur la cellule 201 photovoltaïque par réflexion sur ledit miroir 111.
[60] Il a été décrit ci-dessus différentes possibilités d’agencement de miroirs et de lentilles au sein du concentrateur 100 optique, ces différentes possibilités peuvent être combinées de différentes manières. Ces différentes possibilités permettent au concentrateur 100 optique d’assurer sa fonction de manière satisfaisante. [61 ] Le concentrateur 100 optique peut comporter un matériau 104 (figures 2, 5, 6, 7) rigidifiant la structure 102 alvéolaire et à partir duquel les éléments 101 optiques sont formés. Ce matériau 104 présente l’avantage d’améliorer la robustesse du concentrateur 100 optique tout en permettant aux éléments 101 optiques d’être agencés chacun dans une des alvéoles 103 correspondante.
[62] Le matériau 104 permet de rigidifier la structure 102 alvéolaire dans le sens où il permet de limiter la déformation de la structure 102 alvéolaire en comparaison à la structure 102 alvéolaire prise isolément.
[63] Par « matériau 104 à partir duquel les éléments 101 optiques sont formés », il est entendu que chaque élément 101 optique peut être formé dans le matériau 104 ou sur le matériau 104. Autrement dit, la forme des éléments 101 optiques est dépendante du matériau 104. Par exemple, dans le cas des lentilles, le matériau 104 peut comporter des parties et chaque lentille peut être formée par une des parties du matériau 104, cette partie étant agencée dans une des alvéoles 103. Par exemple, dans le cas des miroirs, le matériau 104 peut comporter des portions et chaque miroir peut être agencé sur une des portions du matériau 104 qui sert alors de support audit miroir, cette portion étant agencée dans une des alvéoles 103 ; il en résulte que la forme du miroir sera dépendante d’une surface de la portion du matériau 104 sur laquelle le miroir est formé, par exemple par dépôt.
[64] Dans tous les cas, le matériau 104 participe à l’intégration de la structure 102 alvéolaire au sein du concentrateur 100 optique en la rendant solidaire du reste du concentrateur 100 optique. Le matériau 104 est bien entendu à un état solide au sein du concentrateur 100 optique.
[65] Le matériau 104 peut être choisi parmi un silicone, un verre par exemple un verre de borosilicate, un matériau acrylique, un caoutchouc naturel, un acrylate, un caoutchouc acrylique et un caoutchouc butyle. Par exemple, le silicone peut correspondre à un état réticulé d’un produit choisi parmi les références Dow Corning® 93-500 et Elastosic Wacker® qui présentent notamment l’avantage de satisfaire les normes d’utilisation dans l’espace. Le matériau 104, via notamment ses compositions possibles visées dans le présent paragraphe, présente l’avantage de permettre la formation de surfaces les plus lisses possibles par exemple avec une rugosité moyenne strictement supérieure à 1 nm et strictement inférieure à 150 nm ; une telle rugosité moyenne étant adaptée pour permettre la formation de surfaces réflectives lisses, c’est-à-dire pour permettre de former les miroirs, ou pour permettre l’obtention de lentilles de qualité.
[66] De préférence, le matériau 104 est formé sur la structure 102 alvéolaire, en particulier le matériau 104 est surmoulé sur la structure 102 alvéolaire. Ceci présente l’avantage de permettre une bonne intégration de la structure 102 alvéolaire dans le concentrateur 100 optique et l’avantage de permettre le maintien de l’unité de différentes parties du concentrateur 100 optique. On obtient ainsi un ensemble monobloc, faite d'un seul tenant.
[67] Dans le cas des miroirs (voir par exemple la figure 2), le matériau 104 peut comporter les portions 104a, 104b, 104c, 104d, 104e remplissant chacune partiellement une des alvéoles 103 et chaque miroir est agencé sur une surface 105, notamment une surface 105 concave si le miroir est parabolique, d’une des portions 104a, 104b, 104c, 104d, 104e du matériau 104. Ceci permet d’assurer un support adapté des miroirs dans les alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire tout en leur permettant d’assurer une focalisation adaptée. Chaque miroir peut être fixé, par exemple du fait du dépôt/de la formation d’un revêtement 113 (figure 2) réflectif adapté, sur une des surfaces 105 des portions 104a, 104b, 104c, 104d, 104e du matériau 104. En fait, chaque alvéole 103 dans laquelle est agencé un miroir peut comporter une portion 104a, 104b, 104c, 104d, 104e correspondante du matériau 104 sur laquelle est fixé le miroir.
[68] Dans le cas des lentilles, le matériau 104 peut comporter des parties 104f, 104g, 104h, 104i, 104j (figure 5) formant chacune une des lentilles. Le matériau 104 sert alors à la fois à former les lentilles et à améliorer la robustesse du concentrateur 100 optique.
[69] Le concentrateur 100 optique peut comporter un élément 106 de rigidification, aussi appelé élément de renforcement, fixé à la structure 102 alvéolaire. Ceci présente l’avantage technique d’améliorer la robustesse globale du concentrateur 100 optique en y ajoutant l’élément 106 de rigidification coopérant avec la structure 102 alvéolaire pour permettre cette amélioration.
[70] L’élément 106 de rigidification peut être une feuille ou une plaque.
[71 ] L’élément 106 de rigidification peut comporter un tissu rigide par exemple imprégné de résine. Ce tissu peut être un tissu de carbone, un tissu de fibres de verre, un tissu composite, une tôle de graphène avec des mailles d’aluminium collées à la surface de la tôle, un polymère renforcé de fibres de carbone (aussi connu sous le sigle CFRP pour « Carbon Fiber Reinforced Polymer >> en langue anglaise).
[72] La structure 102 alvéolaire peut être collée à l’élément 106 de rigidification par exemple par le matériau 104, par un film époxyde, par un film adhésif moussant, par un film époxy-phénolique, par un film phénolique, par un film polyimide, ou par un film bismaléimide.
[73] L’élément 106 de rigidification peut présenter une épaisseur comprise entre 10 pm et 3 mm, en particulier l’épaisseur de l’élément 106 de rigidification peut être strictement inférieure à 200 pm.
[74] Lorsque l’élément 106 de rigidification est un tissu qui comporte des fibres, ces fibres peuvent être disposées en fonction des contraintes mécaniques auxquelles le concentrateur 100 optique est susceptible d’être soumis.
[75] En particulier, pour chacune des alvéoles 103 dans laquelle un des miroirs est agencé, la portion 104a, 104b, 104c, 104d, 104e du matériau 104 remplissant partiellement ladite alvéole 103 peut occuper un volume délimité par l’élément 106 de rigidification, ledit miroir agencé dans ladite alvéole 103 et au moins une paroi 107 de ladite alvéole 103 (ces parois 107 étant au nombre de six par alvéole 103 lorsque la structure 102 alvéolaire est un nid d’abeilles ou de une si les alvéoles 103 sont cylindriques à section circulaire). Ceci présente l’avantage d’augmenter la robustesse du concentrateur 100 optique.
[76] Le concentrateur 100 optique peut comporter un cadre 108 (par exemple visible sur les figures 1 à 3) entourant la structure 102 alvéolaire et en contact avec la structure 102 alvéolaire. Ce cadre 108 présente l’avantage de participer à rigidifier la structure 102 alvéolaire et l’avantage de servir de support en formant par exemple une portée d’appui 109 par exemple pour le montage d’un élément 204 de protection que comporte le module 200 photovoltaïque (figure 3). Notamment, le cadre 108 entoure la structure 102 alvéolaire à sa périphérie, en particulier dans un plan parallèle aux axes X et Y (figure 1 ).
[77] Le cadre 108 peut présenter une épaisseur, mesurée parallèlement à l’axe Z, supérieure ou égale à l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire de sorte que l’élément 204 de protection peut être soit en contact avec la structure 102 alvéolaire soit à distance de la structure 102 alvéolaire quand il est assemblé sur la portée 109 d’appui. L’épaisseur du cadre 108 peut être comprise entre l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire et l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire plus 1 cm. Lorsque le cadre 108 présente une épaisseur égale à celle de la structure 102 alvéolaire, cela permet à l’élément de protection de reposer aussi sur la structure 102 alvéolaire ce qui augmente la stabilité de l’assemblage du module 200 photovoltaïque car il y a plus de points d’appui pour tenir l’élément 204 de protection.
[78] De manière générale, si le module 200 photovoltaïque est à utiliser dans l’espace, il peut comporter les moyens nécessaires, tel que par exemple des trous pratiqués dans les parois des alvéoles 103, pour permettre l’évacuation d’air et éviter l’explosion du module 200 photovoltaïque par décompression.
[79] Le cadre 108 peut être formé d’une matière identique au matériau 104. Ainsi, le surmoulage effectué sur la structure 102 alvéolaire peut former à la fois le matériau 104 et le cadre 108. Ceci permet une optimisation de l’intégration de la structure 102 alvéolaire au sein du concentrateur 100 optique, notamment tout en limitant l’épaisseur du concentrateur 100 optique mesurée parallèlement à l’axe Z.
[80] L’élément 106 de rigidification peut déborder par rapport à la structure 102 alvéolaire de sorte à délimiter, avec la structure 102 alvéolaire, un épaulement 110 annulaire (figure 2), dont la section peut varier. Le cadre 108 est en contact avec l’épaulement 110. Autrement dit, l’élément 106 de rigidification peut comporter un bord 106a qui s’étend à la périphérie de la structure 102 alvéolaire.
[81 ] Il a été évoqué précédemment que le cadre 108 pouvait participer au montage de l’élément 204 de protection. Pour améliorer la facilité de montage, le cadre 108 peut comporter des cavités 112a, 112b, 112c, 112d. Les cavités 112a, 112b, 112c, 112d sont ménagées dans une face du cadre 108 et notamment dans la portée 109 d’appui évoquée précédemment. Ces cavités 112a, 112b, 112c, 112d peuvent être des trous. Ces cavités 112a, 112b, 112c, 112d sont, par exemple, destinées à former des détrompeurs pour l’insertion de plots 205a, 205b, 205c, 205d (figures 3 et 16) s’étendant depuis l’élément 204 de protection. Alternativement, les détrompeurs associés au concentrateur 100 optique peuvent être des plots s’étendant depuis la portée 109 d’appui et destinés à coopérer avec des cavités ménagées dans l’élément 204 de protection [82] Il résulte de ce qui a été décrit précédemment qu’il existe un besoin de développer une solution permettant de fabriquer le concentrateur 100 optique tel que décrit. À cet effet, l’invention est aussi relative à un procédé de fabrication du concentrateur 100 optique. Pour cela, le procédé de fabrication du concentrateur 100 optique peut, de manière générale, comporter les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir la structure 102 alvéolaire comprenant les alvéoles 103 et telle que par exemple représentée sur la figure 8,
- une étape de formation des éléments 101 optiques de sorte que chaque élément 101 optique est agencé dans une des alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire.
L’étape de formation des éléments 101 optiques telle que décrite présente l’avantage d’intégrer les éléments 101 optiques dans les alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire, limitant ainsi l’épaisseur du concentrateur 100 optique.
[83] En vue de former les éléments 101 optiques, il peut être utilisé différentes techniques comme par exemple le moulage, la thermo-formation, le forgeage, l’emboutissage, l’usinage, par exemple pour former des lentilles dans les alvéoles 103 ou pour former les surfaces 105 dans les alvéoles 103, ces surfaces 105 étant destinées à recevoir les miroirs comme cela sera décrit plus en détails ci-après.
[84] Dans le cas où le matériau 104 remplit partiellement les alvéoles 103, il en résulte un besoin de trouver une solution adaptée pour mettre en œuvre cela. Par exemple, pour répondre à ce besoin, le procédé de fabrication peut comporter les étapes suivantes :
- une étape consistant prévoir un moule 300, tel que par exemple illustré sur la figure 9 ou 14,
- une étape de positionnement de la structure 102 alvéolaire dans le moule 300 comme le montre par exemple la figure 10 ou la figure 14,
- une étape d’introduction d’un produit de moulage à l’état liquide dans le moule 300,
- une étape de solidification du produit de moulage introduit dans le moule 300 pour former une pièce comportant la structure 102 alvéolaire, une partie moulée, et éventuellement l’élément 106 de rigidification,
- une étape de retrait consistant à retirer la pièce du moule 300. La pièce retirée du moule 300 qui peut alors présenter la forme telle que par exemple représentée sur la figure 1 mais sans les éléments 101 optiques ou correspondre à la structure 102 alvéolaire combinée aux éléments optiques 101 de la figure 5. Ainsi, la pièce obtenue à l’issue du moulage peut comporter du produit de moulage solidifié dans chacune des alvéoles 103. Bien entendu, le produit de moulage solidifié, formant la partie moulée, comporte le matériau 104 évoqué précédemment et, le cas échéant, la matière formant le cadre 108. Le moulage est tout particulièrement adapté dans le cadre de la fabrication du concentrateur 100 optique et permet de remplir partiellement et simultanément les alvéoles 103. Un avantage est ici que le produit de moulage solidifié peut former localement, dans les alvéoles 103, les éléments 101 optiques (cas des lentilles) et/ou des supports pour la formation d’éléments 101 optiques correspondants (cas des miroirs).
[85] Après avoir introduit le produit de moulage dans le moule 300, mais avant la solidification du produit de moulage dans le moule 300, le moule 300 peut être mis sous-vide pour extraire des bulles de gaz, par exemple d’air, présentes dans produit de moulage introduit dans le moule 300. Ces bulles peuvent s’être formées lors de l’introduction du produit de moulage dans le moule 300.
[86] Le produit de moulage introduit dans le moule 300 peut être choisi parmi : une silicone à l’état liquide, un verre à l’état liquide, un matériau acrylique à l’état liquide, un caoutchouc naturel à l’état liquide, un acrylate à l’état liquide, un caoutchouc acrylique à l’état liquide et un caoutchouc butyle à l’état liquide.
[87] Il est décrit ci-après le procédé de fabrication du concentrateur 100 optique comportant des miroirs. Il va de soi que l’homme du métier peut adapter ce procédé de fabrication du concentrateur 100 optique pour former des lentilles telles que décrites.
[88] Afin de faciliter la formation ultérieure de miroirs dans le cas où le concentrateur 100 optique comporte de tels miroirs, le moule 300 peut comporter des surfaces 301 convexes (voir notamment les figures 9, 10, 13 et 14), ces surfaces 301 convexes étant destinés à être « calquées » par moulage afin de former les surfaces 105 alors concaves et destinées à recevoir les miroirs. Ainsi, l’étape de positionnement de la structure 102 alvéolaire dans le moule 300 peut être telle que les surfaces 301 convexes sont insérées chacune dans une des alvéoles 103 de la structure alvéolaire 102. La partie moulée comporte alors, au terme de l’étape de solidification, les surfaces 105 concaves, chaque surface 105 concave étant formée contre une des surfaces 301 convexes. Ensuite, l’étape de formation des éléments 101 optiques peut comporter une étape de formation d’un revêtement 113 réflectif sur chacune des surfaces 105 concaves d’où il résulte la formation des miroirs. Le présent paragraphe évoque des surfaces 301 convexes et des surfaces 105 concaves qui permettent par exemple de former des miroirs paraboliques. Alternativement aux surfaces 301 convexes, les surfaces du moule 300 destinées à la formation des surfaces 105 pour recevoir les miroirs peuvent être non convexes par exemple en vue de former des miroirs asphériques sur les surfaces 105 qui sont alors planes. Ainsi, de manière générales les surfaces 105 évoquées dans la présente description peuvent, le cas échéant, ne pas être concaves.
[89] Le procédé de fabrication du concentrateur 100 optique peut comporter, avant d’introduire le produit de moulage dans le moule 300, l’introduction de l’élément 106 de rigidification dans le moule 300 comme le montre par exemple la figure 11. L’élément 106 de rigidification est, par exemple, alors positionné en contact avec la structure 102 alvéolaire de sorte à délimiter, avec le moule 300 et la structure 102 alvéolaire, un volume à combler par le produit de moulage dans chacune des alvéoles 103, en particulier dans le but de former les portions du matériau 104 évoquées précédemment. Ceci présente l’avantage de participer à délimiter le volume du moule 300 à remplir en produit de moulage. L’élément 106 de rigidification peut être fixé, par exemple par collage à la structure 102 alvéolaire avant le positionnement de cette structure 102 alvéolaire dans le moule 300 (les produits utilisés pour un tel collage ont été évoqués précédemment) ou peut se fixer à la structure 102 alvéolaire du fait de la solidification du produit de moulage qui autorise alors la fixation de l’élément 106 de rigidification à la structure 102 alvéolaire.
[90] Le moule 300 peut être conformé pour permettre la formation des surfaces 105 concaves à recouvrir chacune par le revêtement 113 réflectif correspondant de sorte que les miroirs ainsi formés présentent une forme parabolique lisse, notamment lisse au moins en majorité, avec un point focal, correspondant au foyer évoqué précédemment, adapté au positionnement ultérieur d’une des cellules 201 photovoltaïques. Dès lors, la forme du moule 300 peut être optimisée en utilisant un logiciel de tracé de rayons pour garantir que la plupart du flux du rayonnement capté par les miroirs pourront arriver sur les cellules 201 photovoltaïques.
[91 ] Pour permettre aux miroirs d’être lisses, les surfaces 301 convexes du moule 300 sont préférentiellement les plus lisses possible et peuvent par exemple présenter une rugosité moyenne strictement supérieure à 1 nm et strictement inférieure à 150 nm. En effet, tout défaut présent sur les surfaces 301 convexes sera transmis/calqué sur les miroirs.
[92] Le moule 300 peut être conformé de sorte que la partie moulée de la pièce comporte le cadre 108 entourant la structure 102 alvéolaire et en contact avec la structure 102 alvéolaire. Pour cela le moule 300 peut présenter, avant l’introduction du produit de moulage, un volume 302 vide (figure 10) autour de la structure 102 alvéolaire positionnée dans le moule 300. Ce volume vide est alors à combler en produit de moulage lors de son introduction dans le moule 300. Ceci permet de réaliser différents éléments du concentrateur 100 optique en un seul moulage, simplifiant ainsi son procédé de fabrication.
[93] Le moule 300 peut être conformé pour former les cavités 112a, 112b, 112c, 112d dans une face du cadre 108, notamment du côté des surfaces 105 concaves. Pour cela, le moule 300 peut comporter des plots 303a, 303b, 303c, 303d (voir par exemple les figures 9, 10 et 14) destinés à former les cavités 112a, 112b, 112c, 112d dans le cadre 108. La formation de ces cavités 112a, 112b, 112c, 112d se fait lors du moulage, permettant ainsi de diminuer le temps de fabrication du concentrateur 100 optique, et donc son coût de fabrication en comparaison à un usinage réalisé ultérieurement après démoulage de la pièce. Bien entendu, l’homme du métier sait comment adapter le moule 300 si à la place des cavités 112a, 112b, 112c, 112d dans le cadre 108 il est souhaité former des plots s’étendant depuis le cadre 108.
[94] Le bord 106a de l’élément 106 de rigidification évoqué précédemment peut servir, avec l’aide du moule 300, à former le cadre 108 réalisé par solidification du produit de moulage dans le moule 300.
[95] Il est à présent décrit une première technique de moulage permettant de mouler le produit de moulage pour obtenir le matériau 104 du concentrateur 101 optique. Selon cette première technique :
- chaque surface 301 concave du moule 300 est insérée dans une des alvéoles 103 et est en contact avec une ouverture de ladite alvéole 103 ; ceci permet de délimiter, entre chaque surface 301 concave et l’élément 106 de rigidification aussi positionné dans le moule 300, un volume de l’alvéole 103 correspondante à combler lors de l’exécution de l’étape d’introduction du produit de moulage dans le moule 300 (figures 10 et 11 ),
- le moule 300 est en contact avec l’élément 106 de rigidification de sorte à délimiter un volume autour de la structure 102 alvéolaire en vue de former le cadre 108.
Le moule 300 peut être fermé, par exemple à l’aide d’un serrage, avant l’introduction du produit de moulage pour garantir une étanchéité adaptée du moule 300 pour éviter au produit de moulage introduit dans le moule 300 de fluer hors du moule 300 au cours de l’étape d’introduction du produit de moulage. Cette fermeture du moule 300 peut être assurée par l’élément 206 de rigidification ou par une plaque (non visible sur les figures) reportée sur le moule 300 afin d’éviter le fluage évoqué précédemment ; la plaque ou l’élément 206 de rigidification peut être sollicité vers le moule 300 par le serrage évoqué précédemment. Après l’étape d’introduction du produit de moulage, mais avant sa solidification, il est réalisé une étape de mise sous-vide du moule 300 pour enlever les bulles de gaz éventuellement présentes dans le produit de moulage et évoquées précédemment. Ensuite, l’étape de solidification peut correspondre à attendre un temps nécessaire à la réticulation du produit de moulage introduit dans le moule 300, en particulier lorsque ce produit de moulage est du silicone à l’état liquide. Ensuite, l’étape de retrait peut être réalisée par démoulage mécanique ou par démoulage assisté à l’air comprimé. Après l’étape de retrait, les miroirs peuvent être formés sur les surfaces 105 concaves.
[96] Selon la première technique, le moule 300 peut comporter des premiers trous 304 d’injection et des deuxième trous 305a, 305b d’injection, comme le montre par exemple les figures 9, 10, 12 et 13 qui permettent notamment d’introduire le produit de moulage en le répartissent dans chacune des alvéoles 103 en utilisant les premiers trous 304 d’injection et autour de la structure 102 alvéolaire en utilisant les deuxièmes trous 305a, 305b d’injection. Ces premiers et deuxièmes trous 304, 305a, 305b d’injection ont aussi pour fonction, après introduction du produit de moulage dans le moule 300 de permettre aux bulles présentes dans le produit de moulage introduit de sortir du moule 300. Ces premiers et deuxièmes trous 304, 305a, 305b d’injection peuvent communiquer avec un réseau 306 de distribution formé dans une face du moule opposée aux surfaces 301 concave (figures 12 et 13). Les premiers trous 304 d’injection sont, de préférence, agencés au sommet de dômes formés par les surfaces 301 convexes du moule 300 de sorte que les surfaces 105 concaves comportent des portions qui ne seront pas localement lisses du fait de la rupture de cordons de moulages ; cependant ceci n’a pas d’importance car ces portions des surfaces 105 concaves seront chacune couvertes par le revêtement 113 réflectif correspondant au niveau de zones ombrées par les cellules 201 photovoltaïques au sein du module 200 photovoltaïque lors du fonctionnement du module 200 photovoltaïque.
[97] Le débit de l’injection du produit de moulage dans le moule 300 peut, par exemple, être contrôlé selon les propriétés physico-chimiques du produit de moulage à l’état liquide comme sa viscosité et son temps de réticulation.
[98] Il est à présent décrit une deuxième technique de moulage du produit de moulage. Tandis que la première technique utilise l’injection du produit de moulage notamment dans chacune des alvéoles 103, la deuxième technique consiste à utiliser le moule 300 en « inversé » où le produit de moulage à l’état liquide est introduit dans le moule 300 par coulée. Un tel moule 300 dans lequel la structure alvéolaire 102 a été positionnée est notamment illustré sur la figure 14. Selon cette deuxième technique, le moule 300 est positionné de sorte à présenter une empreinte 307 accessible par le haut et dans laquelle est placée la structure 102 alvéolaire de sorte que chaque surface 301 concave du moule 300 est insérée dans une des alvéoles 103 correspondante. Ensuite, le produit de moulage peut être introduit dans le moule 300 jusqu’à recouvrir la structure
102 alvéolaire. Après introduction du produit de moulage à l’état liquide, mais avant la solidification du produit de moulage, le moule 300 est mis sous vide pour extraire les bulles de gaz évoquées précédemment qui seraient présentes dans le produit de moulage. Si le produit de moulage introduit est du silicone, il est ensuite réticulé afin de se solidifier, puis la pièce peut être démoulée par exemple par démoulage mécanique ou par démoulage assisté à l’air comprimé afin d’obtenir la pièce comme illustrée sur la figure 15 comportant le cadre 108, la structure alvéolaire 102 et les surface 105 concaves présentes dans les alvéoles
103 sur lesquelles les miroirs pourront ensuite être formés. [99] De manière générale dans le cas où le concentrateur 100 optique comporte des miroirs, après avoir démoulé la pièce comportant les surfaces 105 concaves, il est obtenu une structure dite « parabolique ». L’étape de formation des éléments 101 optiques peut alors comporter l’étape de formation d’un revêtement 113 réflectif sur chacune des surfaces 105 concaves, la fonction de ces revêtements 113 réflectifs étant de former les miroirs permettant in fine de focaliser le rayonnement reçu par le concentrateur 100 optique notamment vers les cellules 201 photovoltaïques.
[100] Les revêtements 113 réflectifs peuvent être obtenus par dépôt chimique au cours duquel un fluide précurseur subit une réaction chimique sur une surface solide (ici les surfaces 105 concaves) laissant ainsi sur ladite surface solide une couche solide. En particulier, les revêtements 113 réflectifs peuvent être obtenus par dépôt chimique en phase vapeur (aussi connu sous le sigle CVD pour l’anglais « chemical vapor deposition ») ou par dépôt d’une couche atomique (aussi connu sous le sigle ALD pour l’anglais « Atomic Layer Deposition >>).
[101 ] Alternativement, les revêtements 113 réflectifs peuvent être obtenus par dépôt physique comme l’évaporation sous vide, la pulvérisation cathodique (« sputtering » en langue anglaise), le dépôt laser pulsé, ou le dépôt électrohydrodynamique.
[102] Le matériau du revêtement 113 réflectif formé sur les surfaces 105 concaves peut être de l’argent qui est à 90% réfléchissant pour le rayonnement considéré ou de l’aluminium. Le revêtement 113 réflectif peut présenter une épaisseur comprise entre 500 nm et 100 pm.
[103] Après formation des revêtements 113 réflectifs sur les surfaces 105 concaves, l’étape de formation des miroirs peut comporter une étape de dépôt d’une couche protectrice sur chaque revêtement 113 réflectif formé. Cette couche de protection a pour fonction de prévenir par exemple la dégradation du miroir correspondant induit par un environnement oxygène atomique (ATOX) en orbite LEO (sigle de « Low Earth Orbit » en langue anglaise correspondant en français à orbite terrestre basse). Cette couche de protection peut être en SiO2 et présenter une épaisseur comprise entre 50 nm et 1000 nm.
[104] L’invention est aussi relative à un procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque qui comporte une étape consistant à mettre en oeuvre le procédé de fabrication du concentrateur 100 optique, et une étape de positionnement de cellules 201 photovoltaïques de sorte que chaque cellule photo voltaïque 201 est positionnée au foyer d’au moins un des éléments 101 optiques du concentrateur 100 optique. Un tel procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque présente l’avantage d’obtenir un module 200 photovoltaïque robuste et de faible épaisseur, préférablement tout en ne nécessitant pas d’ajouter, après fabrication du concentrateur 100 optique, une structure alvéolaire à assembler avec le concentrateur 100 optique. Dans le cas où le concentrateur 100 optique est réalisé en mettant en oeuvre le moulage décrit, cela présente l’avantage technique de limiter les étapes pour la fabrication du module 200 photovoltaïque et cela peut permettre, le cas échant, d’en réduire le coût associé.
[105] Le module 200 photovoltaïque peut comporter l’élément de protection 204 formant de préférence la face 202 avant du module 200 photovoltaïque. L’élément 204 de protection peut être une plaque. L’élément 204 de protection a pour fonction de protéger le module 200 photovoltaïque, par exemple de l’oxydation ou de la salissure de ses éléments 101 optiques, tout en laissant passer le rayonnement solaire. En ce sens, l’élément 204 de protection est transparent au rayonnement à capter par le module 200 photovoltaïque. L’élément 204 présente aussi l’avantage que son agencement peut permettre que les éléments 101 optiques ne sont pas directement soumis au rayonnement d’où il peut résulter une protection contre l’oxygène atomique et/ou les particules énergétiques comme les électrons, les protons et les ultraviolets. Par ailleurs, tout ou partie des cellules 201 photovoltaïques peuvent être solidaires, par exemple par collage, de l’élément 204 de protection et être agencées du côté d’une face de l’élément 204 de protection orientée vers la structure 102 alvéolaire comme le montre par exemple les figures 3 et 6 (pour l’élément 101 optique de type (a) en figure 6).
[106] L’élément 204 de protection (visible par exemple sur les figures 3, 16 et 17) peut présenter une épaisseur qui dépend des dimensions du module 200 photovoltaïque, ainsi que des contraintes thermiques et mécaniques auxquelles il est susceptible d’être soumis. Typiquement, cette épaisseur de l’élément 204 de protection, mesurée parallèlement à l’axe Z lorsque l’élément 204 de protection est fixé par rapport au concentrateur 100 optique, peut être comprise entre 150 pm et 900 pm. [107] L’élément 204 de protection, notamment d’épaisseur telle que donnée précédemment, peut être réalisé en verre, en verre borosilicate, en BK7-G18, en polytéréphtalate d’éthylène (aussi connu sous le sigle PET correspondant à « polyethylene terephthalate » en langue anglaise), en éthylène propylène fluoré (aussi connu sous le sigle FEP correspondant à « fluorinated ethylene propylene » en langue anglaise) ou en polyméthacrylate de méthyle (aussi connu sous le sigle PMMA correspondant à « poly(methyl methacrylate) » en langue anglaise).
[108] Avantageusement, du fait de l’intégration de la structure 102 alvéolaire dans le concentrateur 100 optique, l’élément 106 de rigidification peut former la face 203 arrière du module 200 photovoltaïque
[109] Des pistes 206 d’interconnexion, ou plus généralement des lignes conductrices électriquement, peuvent être formées sur l’élément 204 de protection, comme le montre par exemple la figure 17, en vue de connecter électriquement les cellules 201 photovoltaïques. Par exemple, ces pistes 206 d’interconnexion peuvent être formées par impression 3D d’un alliage métallique adapté. Les pistes 206 d’interconnexion peuvent être connectées électriquement à des bornes 207a, 207b de connexion permettant de collecter l’énergie générée par les cellules 201 photovoltaïques ; ces bornes 207a, 207b de connexion étant par exemple agencées sur une face de l’élément 204 de protection formant la face 202 avant du module 200 photo voltaïque et donc opposée à la face de l’élément 204 de protection orientée vers le concentrateur 100 optique.
[110] Le procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque peut comporter une étape de formation d’une partie 208 du module 200 photovoltaïque à assembler au concentrateur 101 optique. Cette étape de formation de la partie 208 du module 200 photo voltaïque peut comporter les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir l’élément 204 de protection (figure 16),
- une étape de fixation des cellules 201 photovoltaïques par rapport l’élément 204 de protection (figure 17),
- une étape d'interconnexion des cellules 201 photovoltaïques entre elles (figure 17).
Ensuite, le procédé de fabrication du module 200 photo voltaïque peut comporter une étape d’assemblage de la partie 208 du module 200 photo voltaïque au concentrateur 100 optique. Un tel assemblage du module 200 photovoltaïque réalisé par l’assemblage de deux sous-parties fabriquées présente l’avantage de faciliter l’assemblage du module 200 photovoltaïque car cela limite notamment le nombre de pièces à aligner lors de l’assemblage.
[11 1 ] Dans l’exemple illustré sur la figure 17, il est réalisé sur l’élément 204 de protection les pistes 206 d’interconnexion. Ensuite, toujours dans le but d’interconnecter les cellules 201 photovoltaïques, les cellules 201 photovoltaïques (par exemple au nombre de trente cellules 201 photovoltaïques et agencées selon dix lignes parallèles de trois cellules 201 photovoltaïques) sont positionnées pour les connecter aux pistes 206 d’interconnexion. Le positionnement des cellules 201 photovoltaïques et leur connexion aux pistes 206 d’interconnexion concernées sont bien connus de l’homme du métier et ne seront décrits plus en détails.
[112] L’étape d’assemblage peut par exemple consister à reporter la partie 208 du module 200 photovoltaïque sur le concentrateur 100 optique avec interposition d’une colle adaptée par exemple étalée sur la portée 109 d’appui, cette colle étant par exemple du silicone.
[113] Le cas échéant, l’étape d’assemblage peut comporter l’insertion des plots 205a, 205b, 205c, 205d solidaires de l’élément 204 de protection dans les cavités 112a, 112b, 112c, 112d d’où il résulte un positionnement adéquat des cellules 201 photovoltaïques aux foyers des éléments 101 optiques. Ceci présente l’avantage de faciliter l’alignement entre la partie 208 et le concentrateur 101 optique lors l’assemblage.
[114] Les plots 205a, 205b, 205c, 205d peuvent avoir été formés par impression 3D. Alternativement, les plots 205a, 205b, 205c, 205d peuvent être préfabriqués et collés sur l’élément 204 de protection après un positionnement adapté (avec par exemple une tolérance de 10 pm).
[115] Alternativement aux plots 205a, 205b, 205c, 205d et aux cavités 112a, 112b, 112c, 112d, il est possible d’assurer l’assemblage du concentrateur 100 optique avec la partie 208 du module 200 photovoltaïque en utilisant un système à trois axes (x,y,z) permettant un déplacement relatif entre le concentrateur 100 optique et la partie 208 du module 200 photovoltaïque. Le procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque peut alors comporter une étape d’alignement du concentrateur 100 optique et de la partie 208 du module 200 photovoltaïque pendant que le concentrateur 100 optique est éclairé afin de trouver le positionnement adéquat de la partie 208 du module 200 photovoltaïque pour placer les cellules 201 photovoltaïques chacune au foyer correspondant d’au moins un des éléments 101 optiques. Ceci présente l’avantage de trouver le point maximum de conversion photovoltaïque.
[116] La face active de chaque cellule 201 photovoltaïque, destinée à capter le rayonnement provenant d’au moins un des éléments 101 optiques, peut présenter une surface comprise entre 300 pm2 et 600 pm2.
[117] La face active de chaque cellule 201 photovoltaïque peut présenter des dimensions telles qu’elle est incluse dans un cercle de diamètre strictement inférieur à 900 pm ce qui permet par exemple d’optimiser le concentrateur 100 optique en limitant notamment sa masse.
[118] Les cellules 201 photovoltaïques peuvent présenter différentes formes qui seront adaptées en fonction des éléments 101 optiques, par exemple ces formes peuvent être ronde ou carrée.
[119] Chaque cellule 201 photovoltaïque peut être en matériau lll-V, en silicium, en matériau lll-V/Si ou à pérovskites. Le type de cellule 201 photo voltaïque peut être choisi en fonction de l’application dans l’espace.
[120] Ainsi, le module 200 photovoltaïque décrit peut être obtenu de sorte à optimiser sa masse, en cherchant par exemple à la réduire, pour atteindre des niveaux de puissance élevés par unité de masse par exemple pour dépasser les 350 W/Kg à l’incident AM0. La technologie décrite dans la présente description permet en outre de remplacer, à un coût nettement inférieur la technologie CIC des modules.
[121 ] Le module 200 photovoltaïque décrit selon la présente invention peut présenter différents avantages tels que :
- rendre possible l’utilisation une grande variété de technologies de cellules 201 photovoltaïques sans modifier le design optique du concentrateur 100 optique car sa conception à éléments 101 optiques permet de focaliser le flux solaire sur un spot achromatique,
- les cellules 201 photovoltaïques peuvent être interconnectées différemment, permettant d’atteindre des caractéristiques/puissances électriques variables (voltage et ampérage) tout en assurant une dissipation thermique passive,
- les micrométéorites et les débris représentant un des principaux facteurs de défaillance d’un module photovoltaïque dans l’espace, le module 200 photovoltaïque présente l’avantage d’être robuste, car il utilise un grand nombre de cellules 201 photovoltaïques et ce sur une surface plus petite que les modules photovoltaïques utilisant la technologie CIC,
- le concentrateur 100 optique et les cellules 201 photovoltaïques sont intégrés au sein d’un même assemblage, ne nécessitant pas de déploiement entre les cellules 201 photovoltaïques et le concentrateur 100 optique ce qui peut être avantageux par exemple dans le cadre d’une application spatiale.
[122] Plusieurs modules 200 photovoltaïques tels que décrits peuvent être reliés électriquement entre eux.
[123] Ce qui s’applique au concentrateur 100 optique peut s’appliquer au module 200 photovoltaïque ainsi qu’aux procédés décrits de fabrication du concentrateur 100 optique et de fabrication du module 200 photovoltaïque, et inversement.
[124] Le module 200 photovoltaïque décrit présente une application industrielle dans le domaine du photovoltaïque à concentration. Un tel module 200 photovoltaïque sera tout particulièrement adapté pour alimenter un ou plusieurs systèmes nécessitant de l’énergie électrique que peut fournir le module 200 photovoltaïque. Les systèmes peuvent comporter un ou plusieurs systèmes électriques autonomes tels que des capteurs (par exemple optiques, électromagnétiques, radio), mais aussi des appareils de communication comme des émetteur(s) et/ou transmetteur(s).

Claims

29 Revendications
1. Concentrateur (100) optique comportant des éléments (101 ) optiques et une structure (102) alvéolaire, chaque élément (101 ) optique étant agencé dans l'une des alvéoles (103) de la structure (102) alvéolaire, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau (104) rigidifiant la structure (102) alvéolaire et à partir duquel les éléments (101 ) optiques sont formés, le matériau (104) étant surmoulé sur la structure (102) alvéolaire.
2. Concentrateur (100) optique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau (104) est choisi parmi un silicone, un verre, un matériau acrylique, un caoutchouc naturel, un acrylate, un caoutchouc acrylique et un caoutchouc butyle.
3. Concentrateur (100) optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte un cadre (108) entourant la structure (102) alvéolaire et en contact avec la structure (102) alvéolaire.
4. Concentrateur (100) optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cadre (108) est formé d’une matière identique au matériau (104).
5. Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comporte des miroirs formés chacun par un des éléments (101 ) optiques.
6. Concentrateur (100) optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau (104) comporte des portions (104a, 104b, 104c, 104d, 104e) remplissant chacune partiellement une des alvéoles (103), chaque miroir étant agencé sur une surface (105) d’une des portions (104a, 104b, 104c, 104d, 104e) du matériau (104).
7. Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte un élément (106) de rigidification fixé à la structure (102) alvéolaire.
8. Concentrateur (100) optique selon la revendication 7 et la revendication 6, caractérisé en ce que pour chacune des alvéoles (103) dans laquelle un des miroirs est agencé, la portion (104a, 104b, 104c, 104d, 104e) du matériau (104) remplissant partiellement ladite alvéole (103) occupe un volume délimité par 30 l’élément (106) de rigidification, ledit miroir agencé dans ladite alvéole (103) et au moins une paroi (107) de ladite alvéole (103).
9. Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comporte des lentilles, chaque lentille étant formée par un des éléments (101 ) optiques.
10. Concentrateur (101 ) optique selon la revendication 9 et la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau (104) comporte des parties (104f, 104g, 104h, 104i, 104j) formant chacune une des lentilles.
11. Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la structure (102) alvéolaire est un nid d’abeilles.
12. Module (200) photovoltaïque comportant des cellules (201 ) photovoltaïques, caractérisé en ce qu’il comporte un concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , et en ce que chaque cellule (201 ) photovoltaïque est agencée au foyer d’au moins un des éléments (101 ) optiques du concentrateur (100) optique.
13. Procédé de fabrication d’un concentrateur (100) optique, le procédé de fabrication comportant les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir une structure (102) alvéolaire,
- une étape de formation d’éléments (101 ) optiques de sorte que chaque élément (101 ) optique est agencé dans une des alvéoles (103) de la structure (102) alvéolaire,
Caractérisé en ce qu'il comporte :
- une étape consistant à prévoir un moule (300),
- une étape de positionnement de la structure (102) alvéolaire dans le moule (300),
- une étape d’introduction d’un produit de moulage à l’état liquide dans le moule (300),
- une étape de solidification du produit de moulage introduit dans le moule (300) pour former une pièce comportant la structure (102) alvéolaire et une partie moulée,
- une étape de retrait consistant à retirer la pièce du moule (300).
14. Procédé de fabrication d’un module (200) photovoltaïque, caractérisé en ce qu’il comporte : - une étape consistant à mettre en oeuvre le procédé de fabrication du concentrateur (100) optique selon la revendication 13, et
- une étape de positionnement de cellules (201 ) photovoltaïques de sorte que chaque cellule (201 ) photo voltaïque est positionnée au foyer d’au moins un des éléments (101 ) optiques du concentrateur (100) optique.
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