FR2936111A1

FR2936111A1 - Systeme photovoltaique a batterie et panneau photovoltaique integres

Info

Publication number: FR2936111A1
Application number: FR0856151A
Authority: FR
Inventors: Sylvie Genies; Helene Rouault
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-19
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: US20110165441A1; WO2010029099A1; EP2324552A1; US8710349B2; JP5497042B2; BRPI0919021A2; CN102150341B; ZA201101864B; FR2936111B1; CN102150341A; JP2012502615A

Abstract

Système photovoltaïque (100) comportant au moins : - un panneau photovoltaïque (102), - une batterie (114) reliée mécaniquement au panneau photovoltaïque par une structure de maintien (122), - un espace (132) ouvert sur l'environnement extérieur au système photovoltaïque et séparant la batterie et le panneau photovoltaïque d'une distance au moins égale à environ 1 cm.

Description

1 SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE A BATTERIE ET PANNEAU PHOTOVOLTAÏQUE INTEGRES

DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système photovoltaïque intégrant dans un unique dispositif plusieurs fonctions telles que la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique, le stockage de 10 l'énergie électrique produite ou encore la gestion de l'énergie électrique produite. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les systèmes photovoltaïques permettant le stockage de l'énergie électrique produite, fonctionnant 15 de manière autonome ou connectés à un réseau électrique, sont constitués de plusieurs composants distincts . - un ou plusieurs panneaux photovoltaïques, ou panneaux solaires, formés par des matrices de 20 cellules photovoltaïques et réalisant la conversion de l'énergie solaire reçue en énergie électrique, une ou plusieurs batteries stockant l'énergie électrique produite par le ou les panneaux photovoltaïques, 25 un système électronique de gestion de l'énergie électrique produite. Un schéma d'un système photovoltaïque autonome 1, utilisé par exemple pour alimenter un dispositif de télécommunications, un mobilier urbain, 2 un site isolé tel qu'une habitation ou encore un véhicule, est représenté sur la figure 1. Ce système photovoltaïque 1 comporte un panneau photovoltaïque 2, une batterie électrochimique 4, un interrupteur ou un convertisseur de tension continu/continu 6 (également appelé convertisseur DC/DC), un interrupteur ou un convertisseur DC/DC ou un onduleur 8, ainsi qu'un système électronique de gestion de l'énergie 10, ou tableau de bord, commandant les composants référencés 6 et 8. Ce système photovoltaïque 1 est destiné à alimenter un dispositif 12. Ces composants sont reliés entre eux par des câbles électriques et peuvent être plus ou moins éloignés les uns des autres. Lorsque le composant 6 est un interrupteur, celui-ci permet de relier ou non la sortie du panneau photovoltaïque 2 aux autres composants du système photovoltaïque 1. Lorsque le composant 6 est un convertisseur DC/DC, celui-ci permet de convertir la tension continue obtenue en sortie du panneau photovoltaïque 2 en une tension continue adaptée à la tension de la batterie 4. Lorsque le composant 8 est un interrupteur, celui-ci permet de relier ou non la sortie du composant 8 au dispositif 12. Lorsque le composant 8 est un convertisseur DC/DC ou un onduleur, celui-ci permet de convertir la tension continue obtenue en sortie du composant 6 en une tension continue ou alternative correspondant à la tension de fonctionnement du dispositif 12. Un schéma d'un système photovoltaïque 14 connecté à un réseau électrique 20, permettant, en plus d'alimenter le dispositif 12, de fournir au réseau 3 électrique 20 l'énergie électrique produite par le système photovoltaïque 14, est représenté sur la figure 2. Par rapport au système photovoltaïque autonome 1 représenté sur la figure 1, ce système photovoltaïque 14 comporte un interrupteur 18, commandé par le système électronique de gestion de l'énergie 10 et permettant de relier ou non la sortie de l'onduleur 8 au réseau électrique 20. Dans ces systèmes photovoltaïques, la technologie plomb-acide est la technologie la plus répandue pour la réalisation des batteries, essentiellement en raison de son coût modéré et de sa disponibilité. Toutefois, de telles batteries présentent une énergie massique et une énergie volumique relativement faibles, respectivement égales à environ 40 Wh/kg et 80 Wh/L, ce qui correspond à un poids et un volume occupé élevés par kWh stockés. Le poids et le volume des batteries sont des contraintes importantes pour le transport (notamment lorsque les systèmes photovoltaïques sont isolés et éloignés des infrastructures routières) et l'installation des systèmes photovoltaïques. L'encombrement des batteries est également très contraignant pour des applications isolées telles que du mobilier urbain où la place est souvent limitée. L'installation de batteries plomb-acide engendre donc un surcoût pour le camouflage des batteries dans des éléments de décor tels que des socles en béton ou des bancs, ou pour l'enterrement de ces batteries. Dans le cas de systèmes photovoltaïques isolés ou connectés au réseau électrique et intégrés à un bâti, cet 4 encombrement est également contraignant car la présence de batteries plomb-acide implique de prévoir un local technique pour leur stockage. De plus, en cas d'augmentation des besoins énergétiques, et donc d'un accroissement de la puissance des systèmes photovoltaïques, l'espace prévu initialement pour le stockage des batteries peut devenir limitant et empêcher le redimensionnement de l'installation. Il existe également des batteries réalisées à base de lithium, par exemple de type lithium-ion, présentant une énergie massique et une énergie volumique plus élevées (respectivement comprises entre environ 100 Wh/kg et 150 Wh/kg, et entre environ 150 Wh/L et 200 Wh/L) que celles des batteries plomb- acide. De plus, ces batteries peuvent être réalisées sous diverses formes cylindriques, prismatiques, plates, etc. Le lithium a par ailleurs d'autres avantages par rapport au plomb, tels qu'une durée de vie plus importante (de l'ordre de 20 ans et 3000 cycles à no% d'utilisation contre 3 ans pour le plomb), un meilleur rendement énergétique (ce rendement correspond au nombre de kWh restitués par la batterie par rapport aux kWh injectés dans la batterie) et une absence de maintenance, rendant finalement le coût au kWh de ces batteries inférieur à celui des batteries au plomb. La durée de vie des batteries, qu'elles soient de type plomb-acide ou lithium-ion, est fortement influencée par la température du milieu dans lequel elles fonctionnent. Les courbes 22, 24 et 26 représentées sur la figure 3 illustrent l'évolution, en fonction des années, de la capacité de stockage d'une batterie lithium-ion par rapport à sa capacité de stockage initiale, respectivement à une température de fonctionnement de 20°C, 40°C et 60°C. Il ressort 5 clairement de ces courbes qu'une augmentation de la température ambiante de fonctionnement engendre une chute de la durée de vie de la batterie. Ainsi, lorsqu'il n'est pas possible de réaliser un stockage des batteries dans une zone contrôlée en température, par exemple dans un local technique avec air conditionné, la durée de vie des batteries est réduite. De plus, l'enfouissement des batteries, bien que permettant de réduire les fluctuations thermiques de l'environnement de fonctionnement des batteries, empêche de réaliser une maintenance et un suivi régulier du fonctionnement des batteries, réduisant par suite la durée de vie des batteries. EXPOSÉ DE L'INVENTION Un but de la présente invention est de proposer un système photovoltaïque multifonctionnel intégrant notamment les fonctions de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique et de stockage de l'énergie électrique produite au sein d'un seul dispositif autonome, facilitant ainsi son intégration et son installation dans tout type de site, qu'il soit isolé ou connecté à un réseau électrique, et permettant également d'éviter les dégradations au fil du temps de ses capacités de stockage de l'énergie électrique produite. 6 Pour cela, la présente invention propose un système photovoltaïque comportant au moins : - un panneau photovoltaïque, une batterie reliée mécaniquement au panneau photovoltaïque par une structure de maintien, un espace ouvert sur l'environnement extérieur au système photovoltaïque et séparant la batterie et le panneau photovoltaïque d'une distance au moins égale à environ 1 cm.

L'espace séparant la batterie et le panneau photovoltaïque peut former un espace de circulation d'air entre la batterie et le panneau photovoltaïque. Ainsi, aucun composant du système photovoltaïque ne compromet la durée de vie des autres composants du système, notamment de la batterie, en raison de la chaleur dégagée lors du fonctionnement du système, et notamment du panneau photovoltaïque. Ce mode d'intégration garantit ainsi une durée de vie comparable entre tous les composants du système, en limitant également l'impact de la température ambiante et du rayonnement reçu sur les différents composants intégrés. La distance séparant la batterie et le panneau photovoltaïque peut être comprise entre environ 1 cm et 30 cm, ou entre 1 cm et 20 cm, ou entre 1 cm et 10 cm. Une telle structure peut donc optimiser également le poids et l'épaisseur du système photovoltaïque, et permettre au système photovoltaïque d'atteindre des caractéristiques dimensionnelles et 7 massiques faibles, facilitant son transport, son installation et sa maintenance. La batterie peut être à base de lithium et/ou comporter au moins un élément de stockage d'énergie électrique de forme prismatique. La batterie peut être de type lithium-ion et comporter plusieurs éléments de stockage d'énergie électrique de forme prismatique reliés électriquement en série. Avec cette technologie au lithium, la batterie est intégrée au mieux au système photovoltaïque et permet au système de présenter une épaisseur et un poids réduits, notamment lorsque la batterie est formée par des éléments fins, par exemple prismatiques, présents sous l'ensemble ou une partie de la surface du panneau photovoltaïque.

La surface présentée par la batterie dans un plan parallèle à une face du panneau photovoltaïque destinée à recevoir des rayons lumineux peut être incluse dans la surface présentée par ladite face du panneau photovoltaïque dans ce plan ou dans un autre plan parallèle à la face du panneau photovoltaïque destinée à recevoir des rayons lumineux. La surface présentée par la batterie dans un plan parallèle à une face du panneau photovoltaïque destinée à recevoir des rayons lumineux peut être inférieure ou égale, ou avoir une dimension inférieures ou égale, à celle de ladite face du panneau photovoltaïque dans ce plan ou dans un autre plan parallèle à la face du panneau photovoltaïque destinée à recevoir des rayons lumineux. Ainsi, le panneau photovoltaïque et l'espace ouvert associé forment un écran protégeant thermiquement les autres composants du système photovoltaïques disposés 8 derrière le panneau photovoltaïque vis-à-vis des rayons lumineux reçus par le panneau photovoltaïque. Le système photovoltaïque peut comporter, en outre, des éléments électroniques de gestion de l'énergie électrique produite disposés sur une plaque support reliée mécaniquement à la batterie, la plaque support étant disposée entre les éléments électroniques et la batterie. Ainsi, le système photovoltaïque comporte tous ses composants fonctionnels intégrés en un seul dispositif. Le système photovoltaïque peut comporter en outre un second espace ouvert sur l'environnement extérieur au système photovoltaïque et séparant la batterie et la plaque support d'une distance au moins égale à 1 cm. De préférence, cette distance peut être comprise entre environ 1 cm et 30 cm, ou comprise entre environ 1 cm et 20 cm, ou comprise entre environ 1 cm et 10 cm. Ainsi, cet espace peut former un espace de circulation d'air entre la batterie et la plaque support, c'est-à-dire entre la batterie et les éléments électroniques. Cet espace formé entre la batterie et les éléments électroniques permet une circulation d'air évitant à la batterie de subir des augmentations de température dues à l'échauffement de l'électronique de gestion lors de son fonctionnement. Les éléments électroniques de gestion de l'énergie électrique produite peuvent comporter au moins un convertisseur de tension continu/continu, et/ou un dispositif de conversion optimale d'énergie, et/ou un régulateur de charge de batterie, et/ou un bloc de connexions, et/ou un régulateur de décharge de 9 batterie, et/ou un convertisseur de tension continu/alternatif, et/ou un microcontrôleur. La surface présentée par la plaque support et les éléments électroniques de gestion de l'énergie électrique produite, dans un plan parallèle à une face du panneau photovoltaïque destinée à recevoir des rayons lumineux, peut être incluse dans la surface de ladite face du panneau photovoltaïque dans ce plan ou dans un autre plan parallèle à la face du panneau photovoltaïque destinée à recevoir des rayons lumineux. La surface présentée par la plaque support et les éléments électroniques de gestion de l'énergie électrique produite, dans un plan parallèle à une face du panneau photovoltaïque destinée à recevoir des rayons lumineux, peut être inférieure ou égale, ou avoir une dimension inférieure ou égale, à celle de ladite face du panneau photovoltaïque dans ce plan ou dans un autre plan parallèle à la face du panneau photovoltaïque destinée à recevoir des rayons lumineux.

Ce second espace permet notamment de refroidir l'électronique grâce à la circulation d'air dans ce second espace, mais permet également la dilatation de la batterie lors de son vieillissement. Le système photovoltaïque comporte en outre des moyens de dissipation et/ou d'évacuation de chaleur disposés dans l'espace séparant la batterie et le panneau photovoltaïque, et/ou dans le second espace séparant la batterie et la plaque support lorsque le système photovoltaïque comporte ce second espace. 10 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2 représentent respectivement un schéma d'un système photovoltaïque autonome et un schéma d'un système photovoltaïque connecté à un réseau électrique selon l'art antérieur, - la figure 3 représente des courbes illustrant l'évolution, en fonction des années, de la capacité de stockage d'une batterie lithium-ion par rapport à sa capacité de stockage initiale, à différentes températures de fonctionnement, - la figure 4 représente un schéma d'un système photovoltaïque, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier, - la figure 5 représente une vue partielle de profil en coupe d'un système photovoltaïque, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier, - la figure 6 représente des courbes illustrant l'évolution, au cours d'une journée de fonctionnement, de la température des composants d'un système photovoltaïque, objet de la présente invention, en fonction de l'espacement entre ces composants, - les figures 7a et 7B représentent des vues en coupe d'un système photovoltaïque, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier. 11 Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.

Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On se réfère à la figure 4 qui représente un schéma d'un système photovoltaïque 100, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier. Le système photovoltaïque 100 comporte un panneau photovoltaïque 102 dont la sortie est reliée électriquement à un premier convertisseur de tension continu/continu 104, également appelé convertisseur DC/DC. Un dispositif de conversion optimale d'énergie 106 (également appelé MPPT ou Maximum Power Point Tracker en anglais) est relié électriquement au premier convertisseur DC/DC 104. La sortie du premier convertisseur DC/DC 104 est reliée électriquement à l'entrée d'un régulateur de charge de batterie 108 (également appelé BCR, Battery Charge Regulator en anglais) et à l'entrée d'un second convertisseur DC/DC 110 par l'intermédiaire d'un bloc de connexions 112. La 12 sortie du régulateur de charge de batterie 108 est reliée électriquement à une batterie 114, ici du type lithium-ion, et à l'entrée d'un régulateur de décharge de batterie 116 (également appelé BDR ou Battery Discharge Regulator en anglais) qui est également relié électriquement à la batterie 114 et à l'entrée d'un second convertisseur DC/DC 110. La sortie du second convertisseur DC/DC 110 est reliée électriquement à l'entrée d'un convertisseur de tension continu/alternatif 118, également appelé convertisseur DC/AC. Enfin, le système 100 comporte également un microcontrôleur 120 pilotant notamment le MPPT 106, le bloc de connexion 112, le BCR 108 et le BDR 116. La tension obtenue en sortie du panneau photovoltaïque 102, par exemple de 12 V, peut être adaptée par le convertisseur DC/DC 104 afin que celle-ci corresponde à la tension nominale de la batterie 114. Le convertisseur DC/DC 104 est également piloté par le MPPT 106. Ce MPPT 106 permet de suivre le point de puissance maximale d'un générateur électrique non linéaire. En effet, le panneau photovoltaïque 102 peut être vu comme un générateur dont la caractéristique I = f(U) est fortement non linéaire. En conséquence, pour un même éclairement, la puissance délivrée sera différente selon la charge reliée à la sortie du panneau 102. Le MPPT 106 permet donc de piloter le convertisseur statique (ici le convertisseur DC/DC 104) reliant la charge (ici la batterie 114) et le panneau photovoltaïque 102 de manière à fournir en permanence le maximum de puissance à la charge. Ce MPPT 106 est lui-même piloté par le microcontrôleur 120. 13 Le microcontrôleur 120 pilote également le bloc de connexions 112 qui dirige l'énergie électrique produite soit vers la batterie 114, soit vers le réseau électrique auquel est relié le système 100 ou le dispositif destiné à être alimenté par le système 100. Le microcontrôleur 120 pilote également le BCR 108 et le BDR 116 qui permettent de réguler la puissance électrique entrante et sortante de la batterie 114. Lorsque le bloc de connexions 112 envoie l'énergie électrique produite vers le dispositif à alimenter ou le réseau, ou lorsque la batterie délivre de l'énergie électrique vers le dispositif à alimenter ou le réseau, la tension est alors convertie par le convertisseur DC/DC 110 puis par le convertisseur DC/AC 118, permettant par exemple d'obtenir en sortie une tension alternative de 230 V synchronisée avec le réseau électrique (50Hz par exemple). La figure 5 représente une vue partielle de profil en coupe du système photovoltaïque 100.

Le panneau photovoltaïque 102 forme la face avant du système photovoltaïque 100 qui est destinée à recevoir l'énergie solaire. Cette face avant est parallèle au plan (X,Y) selon les axes X et Y représentés sur la figure 5. Tous les composants du système 100 sont positionnés à l'arrière du panneau 102 et sont superposés les uns aux autres, formant un empilement de couches successives, afin que le panneau photovoltaïque 102 forme un écran de protection thermique vis-à-vis de ces composants. La batterie 114 est ici réalisée par des éléments lithium-ion de forme prismatique. La surface de ces éléments lithium-ion 14 occupée dans un plan parallèle au plan (X,Y) est maximisée afin que celle-ci corresponde sensiblement à la surface de la face avant du panneau 102, tout en restant protégée des rayons lumineux reçus sur la face avant du panneau 102. Les éléments de la batterie 114 sont maintenus au reste du système 100 par une structure de maintien mécanique 122 qui est reliée au panneau photovoltaïque 102. Le système 100 comporte également une plaque support 124, par exemple à base d'époxy sur laquelle est réalisée une électronique de commande 126, par exemple sous la forme d'une carte électronique, comportant les éléments de commande 104, 106, 108, 110, 112, 116, 118 et 120 précédemment décrits en liaison avec la figure 4. La carte électronique est constituée de blocs électroniques associés à chacun de ces élément et permettant la gestion de la charge et de la décharge de la batterie, ainsi que de leur équilibrage. La carte électronique 126 est vissée à la batterie 114 à travers la plaque support 124, directement sur les bornes 130 de la batterie par une vis 131. Ainsi, cette connexion très courte évite les chutes ohmiques qui peuvent par exemple apparaitre si des connexions filaires étaient utilisées. On optimise ainsi le rendement énergétique et la puissance électrique du système. De plus, une telle connexion par vissage direct sur les bornes de la batterie est très fiable et facilement réalisable. Enfin, une plaque de protection 128 forme la face arrière du système photovoltaïque 100.

Le système photovoltaïque 100 comporte également un premier espace 132 permettant une 15 circulation d'air dans le système 100, entre le panneau photovoltaïque 102 et la batterie 114. La distance formée par l'espace 132 entre ces composants, (dimension selon l'axe z représenté sur la figure 5) est par exemple comprise entre environ 1 cm et 10 cm. De plus, le système photovoltaïque 100 comporte également un second espace 133 entre la batterie 114 et la plaque support 124. Ce second espace 133 permet de réaliser une circulation d'air entre le panneau photovoltaïque 102 et la plaque support 124, c'est-à-dire entre le panneau photovoltaïque 102 et l'électronique de commande 126. La batterie 114 est maintenue à une distance par exemple comprise entre environ 1 cm et 10 cm de la plaque support 124.

Les différents composants du système photovoltaïque 100 sont superposés et espacés par les espaces 132, 133, qui sont ici des espaces vides, à travers lesquels l'air peut circuler, de sorte que l'interaction thermique d'un composant du système 100 vis-à-vis d'un autre composant du système 100 soit limitée. Ainsi, aucun composant ne compromet la durée de vie des autres composants en raison de la chaleur dégagée lors du fonctionnement du système 100 par ces composants, et notamment du panneau photovoltaïque 102 et de l'électronique de commande 126 qui sont les composants dégageant généralement le plus de chaleur parmi tous les composants du système 100. Les courbes représentées sur la figure 6 décrivent l'évolution de la température maximale de la batterie 114 et du panneau photovoltaïque 102 selon l'heure d'une journée d'été. Les courbes 134 et 136 16 représentent respectivement les évolutions des températures du panneau photovoltaïque 102 et de la batterie 114 lorsque les espaces 132, 133 sont inexistants, la batterie 114 étant dans ce cas plaquée contre le panneau photovoltaïque 102 et contre la plaque support 124. Les courbes 138 et 140 représentent respectivement les évolutions des températures du panneau photovoltaïque 102 et de la batterie 114 lorsque les espaces 132, 133 ont une épaisseur égale à environ 1 cm, les courbes 142 et 146 représentant les évolutions de ces mêmes composants lorsque les espaces 132, 133 ont une épaisseur égale à environ 5 cm. La courbe 146 représente l'évolution de la température ambiante lors de cette journée.

Ces courbes correspondent à une étude réalisée de manière stationnaire, dans un plan à deux dimensions, le panneau photovoltaïque 102, la batterie 114 et les espaces 132, 133 étant assimilés à trois parallélépipèdes rectangles de mêmes longueurs et de mêmes largeurs, les échanges thermiques entre la structure de maintien 122 et le reste du système 100 étant négligés, et l'énergie dissipée sous forme de chaleur dans la batterie en fonctionnement étant négligée.

On observe sur cette figure 6 que toutes les courbes se superposent la nuit. En revanche, la température du panneau photovoltaïque 102 augmente avec l'ensoleillement en raison des rayons lumineux reçus sur le panneau photovoltaïque 102. La température du panneau photovoltaïque 102 augmente également en raison de la transformation de l'énergie solaire en énergie 17 électrique réalisée par le panneau 102. La température de la batterie 114 augmente avec l'ensoleillement d'une part et avec la chaleur émise par le panneau 102. On observe que sans les espaces 132, 133 (courbes 134, 136), la température de la batterie 114 correspond approximativement à celle du panneau photovoltaïque 102 soit, pour les heures les plus chaudes de la journée, à une température comprise entre environ 60°C et 65°C. Avec des espaces 132, 133 d'épaisseur égale à environ 1 cm, la température maximale atteinte par le panneau photovoltaïque 102 chute alors d'environ 7°C (courbe 138) et celle de la batterie 114 chute d'environ 25°C (courbe 140) par rapport à la configuration sans les espaces vides 132, 133. Pour une épaisseur d'espaces 132, 133 égale à environ 5 cm, la température maximale atteinte par le panneau photovoltaïque 102 chute d'environ 18°C (courbe 142) et celle de la batterie 114 chute d'environ 33°C (courbe 144) par rapport à la configuration sans les espaces 132, 133. Le gradient journalier (écart entre la température la plus élevée et la température la plus froide) chute également pour la batterie 114 et le panneau 132 pour les deux épaisseurs d'espaces 132, 133. On voit donc que grâce à la présence des espaces 132, 133, l'impact thermique du panneau photovoltaïque 102 et de l'électronique de commande 126 sur la batterie 114 est très réduit. Les contraintes thermiques subies par la batterie 114 lors de son fonctionnement sont moins sévères, réduisant l'impact de ces contraintes thermiques sur sa durée de vie. Les espaces 132, 133 limitent également la température 18 maximale atteinte par le panneau photovoltaïque 102, assurant ainsi une meilleure production d'énergie électrique journalière car le rendement du panneau photovoltaïque 102 est meilleur à basse température.

Cette intégration d'espaces de circulation d'air entre le panneau photovoltaïque et la batterie, et entre la batterie et les autres composants du système 100 permet d'atteindre des durées de vie comparables entre les différents composants du système 100, estimées au minimum à 15 ans, période pendant laquelle les performances initiales sont satisfaites. Au delà et jusqu'à environ 30 ans, une légère dégradation des performances sera possible. Afin de garder une maintenance réduite, cet inconvénient est pris en compte par le dimensionnement de la batterie 114 ce qui permet de répondre aux besoins de l'application sur une durée plus longue comme cela est décrit plus loin. L'épaisseur d'un des espaces 132, 133 est au moins égale à environ 1 cm afin de limiter l'impact thermique du panneau photovoltaïque 102 sur la durée de vie de la batterie 114. De plus, cette épaisseur est par exemple choisie inférieure ou égale à 10 cm afin de limiter l'encombrement dans le système 100 vis-à-vis du niveau d'intégration souhaité. Les figures 7A et 7B représentent des vues en coupe détaillées du système 100. Les références indiquées sur ces figures correspondent à celles des figures 4 et 5.

Le panneau photovoltaïque 102 a par exemple une puissance nominale égale à environ 75 Wc (Watt 19 crête), et des dimensions hors tout égales à environ 1237 mm x 556 mm x 24,5 mm, pour un poids total de 7,8 kg. Un tel panneau permet d'obtenir en moyenne une production d'électricité journalière égale à environ 350 Wh (avec un rendement de 13% du panneau), soit environ 125 kWh par an. Le dimensionnement de la batterie 114 est réalisé en tenant compte de la quantité d'électricité pouvant être produite par le panneau photovoltaïque 102, ainsi que des flux d'énergie destinés à circuler dans la batterie 114. Un tel système photovoltaïque 100 est par exemple destiné, lorsque celui-ci est utilisé avec une habitation connectée au réseau électrique et consommant en moyenne 2 kW, à faire face aux pointes de consommation qui interviennent à la mi-journée (1000 Wh) et en soirée (2000 Wh). Le système photovoltaïque 100 peut également assurer en sus la fourniture d'électricité en cas de coupure d'électricité (par exemple environ 1000 Wh pendant une demi-heure). Cette habitation peut par exemple être équipée de 25 systèmes photovoltaïques semblables au système photovoltaïque 100, comportant chacun un panneau photovoltaïque dont la puissance nominale est égale à environ 75 Wc, soit un total de 1875 Wc pour les 25 panneaux photovoltaïques. Un cycle représentatif du fonctionnement des systèmes photovoltaïques de cette habitation peut par exemple avoir lieu sur 4 jours. Le premier jour, chacun des systèmes photovoltaïques peut produire environ 350 Wh. Les batteries étant initialement 20 chargées à 100, l'énergie électrique produite est alors soit consommée dans l'habitation, soit vendue au gestionnaire du réseau électrique. Les batteries assurent le surplus de consommation du soir, soit environ 80 Wh par système photovoltaïque. Le deuxième jour, les systèmes ne produisent pas d'électricité (pas d'ensoleillement). Dans ce cas, les batteries assurent les surplus de consommation du midi et du soir, ainsi qu'une consommation de 2kW pendant une demi-heure de coupure du réseau électrique, soit au total 160 Wh par système photovoltaïque. Le troisième jour, les systèmes photovoltaïques ne produisent pas d'électricité (pas d'ensoleillement). Les batteries assurent les surplus de consommation du midi et du soir, soit environ 120 kW par système photovoltaïque. Le quatrième jour, chacun des systèmes photovoltaïques produit environ 350 Wh. Toute l'électricité produite par les panneaux photovoltaïques est utilisée pour recharger les batteries.

On voit donc, d'après ce cycle de fonctionnement, que l'énergie électrique disponible est égale à environ 350 Wh. Pour assurer cette valeur en fin de vie, la capacité de stockage initiale des batteries est donc égale à environ 480 Wh.

Dans l'exemple représenté sur les figures 7A et 7B, la batterie 114 est formée par 15 éléments lithium-ion de forme prismatique, permettant de couvrir une grande partie de la surface disponible du panneau photovoltaïque 102 dans le plan (x,y). Les dimensions de chacun des éléments de la batterie 114 sont les suivantes largeur (dimension selon l'axe y) = 21 185 mm ; longueur (dimension selon l'axe x) = 145 mm ; épaisseur (dimension selon l'axe z) = 10 mm. Chacun de ces éléments a une capacité nominale de 10 Ah. Le nombre, les dimensions et la disposition de ces éléments peuvent notamment être fonctions de la nature technologique de la batterie 114 (par exemple ici lithium-ion), définissant les tensions nominales des éléments et permettant d'obtenir ainsi l'énergie spécifiée.

La masse totale du système 100 est ici inférieure à 30 kg. Ses dimensions en longueur et en largeur (dimensions selon les axes x et y) correspondent à celles du panneau photovoltaïque 102 simple, et par exemple égales à 1237 mm en longueur et 556 mm en largeur. L'épaisseur totale du système 100 est par exemple égale à environ 60,5 mm. De manière générale, les dimensions, la configuration et le nombre d'éléments de la batterie seront choisis en fonction des besoins énergétiques que le système photovoltaïque doit satisfaire. Les espaces 132, 133 précédemment décrits sont vides afin de permettre d'avoir une circulation d'air dans le système photovoltaïque, notamment autour de la batterie. Dans une variante, il est possible que les espaces 132, 133 ne soient pas vides, mais comportent des dispositifs d'évacuation ou de dissipation de la chaleur, éventuellement disposés contre les composants dégageant de la chaleur comme par exemple le panneau photovoltaïque 102 ou l'électronique de commande 126 (ou la plaque support 124). De tels dispositifs peuvent par exemple comporter des ailettes 22 de dissipation de chaleur, et/ou tout autre dispositif permettant d'améliorer la dissipation de la chaleur et/ou d'accélérer l'évacuation de la chaleur à l'extérieur du système photovoltaïque 100.5

Claims

REVENDICATIONS1. Système photovoltaïque (100) comportant au moins . - un panneau photovoltaïque (102), - une batterie (114) reliée mécaniquement au panneau photovoltaïque (102) par une structure de maintien (122), un espace (132) ouvert sur l'environnement extérieur au système photovoltaïque (100) et séparant la batterie (114) et le panneau photovoltaïque (102) d'une distance au moins égale à environ 1 cm.
2. Système photovoltaïque (100) selon la revendication 1, dans lequel la distance séparant la batterie (114) et le panneau photovoltaïque (102) est comprise entre environ 1 cm et 10 cm.
3. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la batterie (114) est à base de lithium
4. Système photovoltaïque (100) selon la 25 revendication 3, dans lequel la batterie (114) comporte au moins un élément de stockage d'énergie électrique de forme prismatique.
5. Système photovoltaïque (100) selon l'une 30 des revendications précédentes, dans lequel la batterie (114) est de type lithium-ion et comporte plusieurs 20 24 éléments de stockage d'énergie électrique de forme prismatique reliés électriquement en série.
6. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface présentée par la batterie (114) dans un plan parallèle à une face du panneau photovoltaïque (102) destinée à recevoir des rayons lumineux est inférieure ou égale à la surface de ladite face du panneau photovoltaïque (102) dans ce plan.
7. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des éléments électroniques (126) de gestion de l'énergie électrique produite disposés sur une plaque support (124) reliée mécaniquement à la batterie (114), la plaque support (124) étant disposée entre les éléments électroniques (126) et la batterie (114).
8. Système photovoltaïque (100) selon la revendication 7, comportant en outre un second espace (133) ouvert sur l'environnement extérieur au système photovoltaïque (100) et séparant la batterie (114) et la plaque support (124) d'une distance au moins égale à environ 1 cm.
9. Système photovoltaïque (100) selon la revendication 8, dans lequel la distance séparant la batterie (114) et la plaque support (124) est comprise entre environ 1 cm et 10 cm.
10. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel les éléments électroniques (126) de gestion de l'énergie électrique produite comportent au moins un convertisseur de tension continu/continu (104, 110) et/ou un convertisseur de tension continu/alternatif (118).
11. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel les éléments électroniques (126) de gestion de l'énergie électrique produite comportent au moins un dispositif de conversion optimale d'énergie (106).
12. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications 7 à 11, dans lequel les éléments électroniques (126) de gestion de l'énergie électrique produite comportent au moins un régulateur de charge de batterie (108) et/ou un régulateur de décharge de batterie (116).
13. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications 7 à 12, dans lequel les éléments électroniques (126) de gestion de l'énergie électrique produite comportent au moins un bloc de connexions (112) et/ou un microcontrôleur (120).
14. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications 7 à 13, dans lequel la surface 30 présentée par la plaque support (124) et les éléments électroniques (126) de gestion de l'énergie électrique 26 produite, dans un plan parallèle à une face du panneau photovoltaïque (102) destinée à recevoir des rayons lumineux, étant inférieure ou égale à la surface de ladite face du panneau photovoltaïque (102) dans ce plan.
15. Système photovoltaïque (100) selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des moyens de dissipation et/ou d'évacuation de chaleur disposés dans l'espace {132) séparant la batterie (114) et le panneau photovoltaïque (102), et/ou dans le second espace (133) séparant la batterie (114) et la plaque support (124) lorsque le système photovoltaïque (100) comporte ce second espace (133).15