FR2955703A3 - Groupe de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un groupe de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique, comprenant une pluralité de panneaux photovoltaïques connectés électriquement entre eux en série et/ou en parallèle et des moyens de conversion, connectés électriquement à au moins un desdits panneaux photovoltaïques, du courant électrique continu émis par les panneaux photovoltaïques eux-mêmes en courant électrique alternatif à délivrer à un réseau électrique d'usager. Le groupe de conversion comprend une pluralité de ces moyens de conversion, chacun desquels est connecté électriquement à un des panneaux photovoltaïques pour la conversion de la portion d'énergie électrique continue émise par le panneau photovoltaïque correspondant en courant alternatif à délivrer au réseau électrique d'usager.

Description

GROUPE DE CONVERSION DE L'ENERGIE SOLAIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un groupe de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Comme cela est connu de l'homme du métier, les panneaux photovoltaïques, utilisés pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique, sont constitués par une pluralité de cellules photovoltaïques connectées électriquement entre elles. Chacune de ces cellules photovoltaïques est constituée à son tour par un semi-conducteur, généralement du silicium, dopé de manière appropriée, généralement avec du bore et du phosphore, de manière à obtenir une couche p (caractérisée par un excès de trous et donc de charges positives) et une couche n (caractérisée par un excès d'électrons et donc de charges négatives). A cheval de la zone de jonction p-n, qui sépare les deux couches précitées, se crée une 15 accumulation de charges de signe opposé et, ainsi, un champ électrique. L'incidence de la lumière solaire sur les cellules photovoltaïques, en particulier sur leur couche n, provoque un déplacement d'électrons et de trous en sens opposé et, ainsi, la circulation de courant électrique. Généralement, les cellules photovoltaïques connues exploitent uniquement la lumière solaire qui frappe directement leur couche n (elles sont positionnées côte à côte avec une 20 face (correspondant à la couche n correspondante) orientée vers le soleil, qui est donc touchée directement par les rayons solaires, à une face (correspondant à la couche p correspondante) qui au contraire n'est pas atteinte de manière directe par les rayons solaires). A ce jour, les cellules photovoltaïques exploitent uniquement l'énergie solaire qui frappe les couches n respectives. En outre, la puissance émise par chaque cellule photovoltaïque 25 individuelle varie au cours de la journée, du fait que l'intensité et la longueur d'onde de la lumière incidente varient. Pour améliorer le temps de captation de la lumière solaire et la puissance qui peut être obtenue des cellules photovoltaïques, ces dernières sont traitées avec deux procédés décrits dans les brevets italiens RM2003A000147 et VR2007A000148 dont un des inventeurs est titulaire.

En outre, afin de réduire l'effet Joule qui se produit sous l'effet des différences de potentiel microscopiques présentes sur la surface des cellules, une ou plusieurs pistes de circulation de courant sont définies sur ces dernières, sur lesquelles convergent un ou plusieurs circuits d'acheminement de courant. Il peut arriver que, pour mieux exploiter les dimensions et la tension des cellules, ces dernières soient découpées en plusieurs sous-cellules comprenant chacune une partie des pistes et des circuits d'acheminement précités. Généralement, en outre, les panneaux photovoltaïques sont disposés entre eux en série ou en parallèle et connectés électriquement à un unique onduleur destiné à transformer le courant continu émis par les panneaux individuels en courant alternatif disponible pour l'introduction dans le réseau électrique normal. Du fait que, comme indiqué ci-dessus, les conditions de fonctionnement de chaque cellule individuelle changent au cours de la journée de manière différente entre elles, il en découle que la tension à laquelle les cellules individuelles émettent la puissance maximale (pouvant être déterminée d'après la courbe caractéristique VII connue de l'homme du métier), se déplace continuellement durant la journée.

Les onduleurs connus utilisés sont caractérisés par une fonction, appelée MPPT (Maximum Power Point Tracker (poursuite du point de puissance maximale)) qui permet à l'onduleur lui-même de chercher de manière continue le meilleur point de fonctionnement par le biais de variations continues de la tension de fonctionnement à posteriori. Ces cellules photovoltaïques connues ne sont pas exemptes d'inconvénients parmi lesquels il faut mentionner le fait qu'elles permettent d'exploiter seulement l'énergie solaire qui arrive directement sur leur couche n. Les cellules photovoltaïques connues ont donc un rendement limité. En outre, les sous-cellules qui proviennent de la fragmentation des cellules photovoltaïques connues ont un rendement encore inférieur par rapport aux cellules elles-mêmes, car le positionnement des portions des pistes et des circuits d'acheminement de courant n'est pas adapté à la conformation des sous-cellules correspondantes et ne permet donc pas de réduire suffisamment l'effet Joule sur celles-ci. Les groupes de panneaux photovoltaïques connus ne sont pas non plus exempts d'inconvénients, parmi lesquels il faut mentionner le fait que l'onduleur qui leur est associé ne permet pas d'exploiter au mieux la puissance maximale mise à disposition par les différentes cellules durant les différentes phases de la journée. En effet, l'onduleur, bien qu'il soit pourvu de la fonction MPPT précédemment décrite, doit utiliser une tension d'exercice susceptible d'optimiser le fonctionnement de l'ensemble de tous les panneaux auxquels il est connecté. Cette tension d'exercice, qui ne correspond certainement pas à celle optimale pour au moins 15 certains des panneaux photovoltaïques, est définie en pratique par une moyenne des tensions optimales pour chaque panneau individuel. Un autre inconvénient des groupes de panneaux photovoltaïques connus consiste dans le fait que la surface de chaque panneau disponible pour recevoir la lumière du soleil est généralement limitée par la présence de corps étrangers qui reposent sur ces panneaux. 20 Un but primordial de la présente invention est d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur mentionnés ci-dessus en prédisposant un groupe de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique pour des panneaux photovoltaïques qui permette d'optimiser la puissance maximale disponible pour chaque panneau photovoltaïque dans n'importe quelle condition d'irradiation. Ce but est atteint au moyen d'un groupe de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique 25 comprenant une pluralité de panneaux photovoltaïques connectés électriquement entre eux en série et/ou en parallèle et des moyens de conversion, connectés électriquement à au moins un desdits panneaux photovoltaïques, du courant électrique continu émis par les panneaux photovoltaïques eux-mêmes en courant électrique alternatif à délivrer à un réseau électrique d'usager ; caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité desdits moyens de conversion, chacun desquels est connecté électriquement à un desdits panneaux photovoltaïques pour la conversion de la portion d'énergie électrique continue émise par le panneau photovoltaïque correspondant en courant alternatif à délivrer audit réseau électrique d'usager. Conformément à ce but et selon une caractéristique particulière de l'invention le groupe de conversion est caractérisé par le fait que chacun desdits moyens de conversion comprend au 10 moins un onduleur. Conformément à ce but et selon une caractéristique particulière de l'invention, le groupe de conversion est caractérisé par le fait que chacun desdits moyens de conversion comprend au moins un hacheur pour la conversion statique de la tension de courant d'une valeur d'entrée variable découlant du panneau photovoltaïque correspondant à une valeur de sortie fixe vers 15 l'onduleur correspondant et compatible avec la valeur de tension du réseau électrique d'usager. Un autre but de la présente invention est de réaliser des panneaux photovoltaïques à haut rendement. Conformément à ce dernier but et selon une caractéristique particulière de l'invention, le groupe de conversion est caractérisé par le fait qu'au moins une des cellules photovoltaïques appartenant 20 à un desdits panneaux est traitée chimiquement, en correspondance au moins de la couche n correspondante, par ajout d'au moins un élément chimique positionné, dans la table périodique des éléments, entre les groupes 11 et 16 et les lignes 2 et 5, pour l'augmentation de l'efficacité des phases de captation et de conversion de l'énergie solaire qui frappe directement la couche n de ladite au moins une cellule photovoltaïque. 25 Un autre but de la présente invention est de permettre d'augmenter le rendement des cellules ainsi obtenues par rapport à celles connues, en exploitant également l'énergie solaire qui frappe par diffusion la couche p des cellules elles-mêmes. Conformément à ce dernier but et selon une caractéristique particulière de l'invention, le groupe de conversion est caractérisé par le fait qu'au moins une cellule photovoltaïque est traitée chimiquement, également en correspondance de la couche p correspondante, par ajout d'au moins un élément chimique positionné, dans la table périodique des éléments, entre les groupes 14 et 17 et les lignes 3 et 6, pour permettre la captation et la conversion de l'énergie solaire incidente par diffusion de ladite couche p. Dans le cadre de cet objectif technique, un autre but de la présente invention est d'atteindre les objectifs précités avec une structure simple, de mise en oeuvre pratique relativement facile, d'utilisation sûre et de fonctionnement efficace, ainsi que de coût relativement limité. Conformément à ce dernier but et selon une caractéristique particulière de l'invention, le groupe de conversion est caractérisé par le fait que chacun des panneaux est connecté fonctionnellement en entrée à une unité électronique correspondante adaptée pour émettre un signal en fonction de l'état de fonctionnement du panneau correspondant et en ce que chacune des unités électroniques est connectée fonctionnellement en entrée à une unité centrale de commande adaptée pour informer un opérateur de l'état de fonctionnement de chacun desdits panneaux. Conformément au but précité et selon une caractéristique particulière ultérieure de l'invention, le groupe de conversion est caractérisé par le fait que chacune des unités électroniques comprend des moyens d'identification et de reconnaissance communiquant avec l'unité de commande et associables à celle-ci de manière univoque. Conformément au but précité et selon une caractéristique particulière ultérieure de l'invention, le groupe de conversion est caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un récepteur GPS associé à chacun desdits panneaux photovoltaïques et connecté fonctionnellement en entrée à ladite unité centrale de commande pour détecter la position géographique des panneaux photovoltaïques eux-mêmes. L'unité centrale de commande comprend des moyens pour comparer la position géographique détectée de chacun des panneaux photovoltaïques avec une position géographique préprogrammée correspondante et comprend des moyens pour bloquer l'unité électronique correspondante dans le cas où la position géographique détectée d'un des panneaux photovoltaïques serait différente de la position géographique préprogrammée correspondante. Un autre but de la présente invention est d'imaginer un processus de segmentation des cellules photovoltaïques pour améliorer le rendement des sous-cellules individuelles obtenues par la segmentation.

Conformément au but précité et selon une caractéristique particulière ultérieure de l'invention, les cellules des panneaux sont pourvues d'une ou plusieurs pistes de circulation du courant et sont subdivisées en plusieurs sous-cellules comprenant chacune une portion des pistes, de sorte que le groupe de conversion est caractérisé par le fait que chaque moyen de conversion individuel est avantageusement connecté électriquement à une pluralité de cellules ou sous- cellules des panneaux photovoltaïques pour la conversion de la portion d'énergie électrique continue émise par les cellules ou les sous-cellules en courant alternatif à délivrer au réseau électrique d'usager. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation préféré, mais non exclusif, d'un groupe de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique décrit ci-après à titre illustratif, mais non limitatif. Le groupe selon l'invention comprend ensuite des moyens de conversion, connectés électriquement à au moins un desdits panneaux photovoltaïques, du courant continu émis par les panneaux photovoltaïques eux-mêmes en courant alternatif à délivrer à un réseau électrique d'usager.

Selon l'invention, le groupe de conversion de l'énergie solaire comprend une pluralité de moyens de conversion, chacun desquels est connecté électriquement à un seul des panneaux photovoltaïques pour la conversion de la portion d'énergie électrique émise par le panneau photovoltaïque correspondant en courant alternatif à délivrer au réseau électrique d'usager.

Avantageusement, chacun des moyens de conversion comprend au moins un onduleur. De préférence, chacun des moyens de conversion comprend au moins un hacheur pour la conversion statique de la tension de courant d'une valeur d'entrée variable découlant du panneau photovoltaïque correspondant à une valeur de sortie fixe vers l'onduleur correspondant et compatible avec la valeur de tension du réseau électrique d'usager.

Les onduleurs utilisés sont avantageusement caractérisés par une fonction, appelée MPPT (Maximum Power Point Tracker (poursuite du point de puissance maximale)) qui permet à l'onduleur lui-même de chercher de manière continue le meilleur point de fonctionnement par le biais de variations continues de la tension de fonctionnement à posteriori. Les cellules sont pourvues d'une ou plusieurs pistes de circulation du courant, sur lesquelles convergent un ou plusieurs circuits d'acheminement de courant. La configuration des pistes a en particulier pour but de réduire l'effet Joule qui se vérifie par effet des différences de potentiel présentes sur la surface des cellules. Afin d'optimiser les dimensions et la tension des cellules, ces dernières sont en outre subdivisées en plusieurs sous-cellules comprenant chacune une portion des pistes et des circuits d'acheminement de courant précités.

Chaque moyen de conversion individuel est avantageusement connecté électriquement à une cellule ou une pluralité de cellules ou sous-cellules desdits panneaux photovoltaïques pour la conversion de la portion d'énergie électrique continue émise par ces cellules ou sous-cellules en courant alternatif à délivrer audit réseau électrique d'usager. De cette manière, il est possible de connecter l'onduleur aux cellules ou aux sous-cellules dotées 25 de caractéristiques électriques qui permettent d'optimiser le fonctionnement de l'onduleur lui- même. Bien que les sous-cellules et les cellules connectées à l'unique onduleur appartiennent à un même panneau, une meilleure optimisation du point de fonctionnement de l'onduleur pourra être obtenue en connectant l'onduleur à des cellules ou des sous-cellules de panneaux différents.

Avantageusement, au moins une des cellules photovoltaïques appartenant à un des panneaux photovoltaïques, de préférence toutes les cellules photovoltaïques, est traitée chimiquement en correspondance au moins de la couche n correspondante. Plus particulièrement, ce traitement chimique d'au moins une des cellules photovoltaïques prévoit l'ajout d'au moins un élément chimique positionné, dans la table périodique des éléments, entre les groupes 11 et 16 et les lignes 2 et 5, pour l'augmentation de l'efficacité des phases de captation et de conversion de l'énergie solaire qui frappe directement la couche n de cette cellule photovoltaïque. De préférence, l'élément chimique est sélectionné entre les Groupes 14 et 16 de la table périodique des éléments. Dans un mode de réalisation préféré, la cellule photovoltaïque, traitée chimiquement en 15 correspondance de sa couche n, est traitée chimiquement également en correspondance de sa couche p. Plus particulièrement, en correspondance de la couche p correspondante est ajouté au moins un élément chimique positionné, dans la table périodique des éléments, entre les groupes 14 et 17 et les lignes 3 et 6, pour permettre la captation et la conversion de l'énergie solaire incidente par 20 diffusion sur la couche p. Avantageusement, au moins une des faces du panneau photovoltaïque, orientées respectivement du côté de la couche n et de la couche p des cellules photovoltaïques correspondantes, comprend respectivement une première et une deuxième couche d'un matériau plastique sensiblement transparent. 25 Le matériau plastique utilisé est obtenu par le refroidissement d'un mélange comprenant un matériau polymère en concentration de 5 à 96% en poids du poids du mélange, un ou plusieurs éléments chimiques positionnés entre les groupes 1l et 16, de préférence entre les groupes 14 et 16, de la table périodique des éléments en quantité de 0,01% à 9,5% en poids du poids du mélange et de l'eau en quantité suffisante pour atteindre 100% en poids du poids du mélange.

La première et la deuxième couche de manière plastique ont entre elles une composition différente en poids, de manière que la deuxième couche, orientée du côté de la couche p des cellules photovoltaïques, soit sensiblement opaque à la lumière diffusée. Dans un mode de réalisation préféré, chacun des panneaux photovoltaïques est connecté fonctionnellement en entrée à une unité électronique correspondante adaptée pour émettre un signal en fonction de l'état de fonctionnement du panneau photovoltaïque correspondant. Chaque unité électronique est ensuite connectée fonctionnellement en entrée, par exemple via radio, à une unité centrale de commande adaptée pour informer un opérateur de l'état de fonctionnement de chaque panneau photovoltaïque. Plus particulièrement, chaque unité électronique comprend un microprocesseur qui élabore le 15 signal reçu en provenance du circuit électrique du panneau photovoltaïque correspondant en termes de tension et de courant et le transmet à l'unité centrale de commande. De préférence, chaque unité électronique comprend des moyens d'identification et de reconnaissance communiquant avec l'unité centrale de commande et associables à celle-ci de manière univoque. 20 Plus particulièrement, chaque unité électronique est en mesure de s'interfacer uniquement avec l'unité centrale de commande correspondante, ce pourquoi, dans le cas où cette unité électronique serait connectée à une unité centrale de commande différente, les moyens d'identification et de reconnaissance invalideraient le fonctionnement de cette unité électrique et du circuit électrique du panneau photovoltaïque correspondant. 25 Avantageusement, le groupe selon l'invention comprend au moins un récepteur GPS associé à chaque panneau photovoltaïque et connecté fonctionnellement en entrée à l'unité centrale de commande pour détecter la position géographique des panneaux photovoltaïques eux-mêmes. L'unité centrale de commande comprend avantageusement des moyens pour comparer la position géographique détectée de chaque panneau photovoltaïque avec une position géographique préprogrammée correspondante et comprend des moyens pour bloquer l'unité électronique correspondante dans le cas où la position géographique détectée d'un panneau photovoltaïque serait différente de la position géographique préprogrammée correspondante. L'invention ainsi conçue est susceptible de nombreuses modifications et variantes rentrant toutes dans la portée de la présente invention.

En outre, tous les détails sont remplaçables par d'autres éléments techniquement équivalents. En pratique, les matériaux utilisés, ainsi que les formes et les dimensions contingentes, pourront être quelconques en fonction des exigences, sans s'écarter de la portée de la présente invention.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Groupe de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique, comprenant une pluralité de panneaux photovoltaïques connectés électriquement entre eux en série et/ou en parallèle et des moyens de conversion, connectés électriquement à au moins un desdits panneaux photovoltaïques, du courant électrique continu émis par les panneaux photovoltaïques eux-mêmes en courant électrique alternatif à délivrer à un réseau électrique d'usager ; caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité desdits moyens de conversion, chacun desquels est connecté électriquement à un desdits panneaux photovoltaïques pour la conversion de la portion d'énergie électrique continue émise par le panneau photovoltaïque correspondant en courant alternatif à délivrer audit réseau électrique d'usager.
2. 2. Groupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits moyens de conversion comprend au moins un onduleur.
3. 3. Groupe selon la revendication 1 et la revendication 2, caractérisé en ce que chacun desdits moyens de conversion comprend au moins un hacheur pour la conversion statique de la tension de courant d'une valeur d'entrée variable découlant du panneau photovoltaïque correspondant à une valeur de sortie fixe vers l'onduleur correspondant et compatible avec la valeur de tension du réseau électrique d'usager.
4. 4. Groupe selon une ou plusieurs des revendications 2 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une des cellules photovoltaïques appartenant à un desdits panneaux est traitée chimiquement, en correspondance au moins de la couche n correspondante, par ajout d'au moins un élément chimique positionné, dans la table périodique des éléments, entre les groupes 11 et 16 et les lignes 2 et 5, pour l'augmentation de l'efficacité des phases de captation et de conversion de l'énergie solaire qui frappe directement la couche n de ladite au moins une cellule photovoltaïque.
5. 5. Groupe selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite au moins une cellule photovoltaïque est traitée chimiquement, également en correspondance de la couche p correspondante, par ajout d'au moins un élément chimique positionné, dans la table périodique des éléments, entre les groupes 14 et 17 et les lignes 3 et 6, pour permettre la captation et la conversion de l'énergie solaire incidente par diffusion de ladite couche p.
6. 6. Groupe selon une ou plusieurs des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'au moins une des faces dudit panneau, orientées respectivement du côté de la couche n et de la couche p des cellules photovoltaïques correspondantes, comprenant respectivement une première et une deuxième couche d'un matériau plastique sensiblement transparent obtenu par refroidissement d'un mélange comprenant un matériau polymère en concentration de 5 à 96% en poids du poids du mélange, un ou plusieurs éléments chimiques positionnés entre les groupes 11 et 16 de la table périodique des éléments en quantité de 0,01% à 9,5% en poids du poids du mélange et de l'eau en quantité suffisante pour atteindre 100% en poids du poids du mélange ; lesdites première et deuxième couches ayant entre elles une composition différente en poids, de manière que ladite deuxième couche soit sensiblement opaque à la diffusion.
7. 7. Groupe selon une ou plusieurs des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que chacun desdits panneaux est connecté fonctionnellement en entrée à une unité électronique correspondante adaptée pour émettre un signal en fonction de l'état de fonctionnement du panneau correspondant ; chacune desdites unités électroniques étant connectée fonctionnellement en entrée à une unité centrale de commande adaptée pour informer un opérateur de l'état de fonctionnement de chacun desdits panneaux.
8. 8. Groupe selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacune desdites unités électroniques comprend des moyens d'identification et de reconnaissance communiquant avec ladite unité de commande et associables à celle-ci de manière univoque.
9. 9. Groupe selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins unrécepteur GPS associé à chacun desdits panneaux photovoltaïques et connecté fonctionnellement en entrée à ladite unité centrale de commande pour détecter la position géographique des panneaux photovoltaïques eux-mêmes, ladite unité centrale de commande comprenant des moyens pour comparer la position géographique détectée de chacun desdits panneaux photovoltaïques avec une position géographique préprogrammée correspondante et comprenant des moyens pour bloquer l'unité électronique correspondante dans le cas où la position géographique détectée d'un desdits panneaux photovoltaïques serait différente de la position géographique préprogrammée correspondante.
10. 10. Groupe selon une ou plusieurs des revendications 1 à 9, dans lequel les cellules desdits panneaux sont pourvues d'une ou plusieurs pistes de circulation du courant et sont subdivisées en plusieurs sous-cellules comprenant chacune une portion desdites pistes, caractérisé en ce que chaque moyen de conversion individuel est avantageusement connecté électriquement à une pluralité de cellules ou sous-cellules desdits panneaux photovoltaïques pour la conversion de la portion d'énergie électrique continue émise par lesdites cellules ou sous-cellules en courant alternatif à délivrer audit réseau électrique d'usager.