FR2981504A1 - Dispositif generateur photovoltaique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de conversion d'énergie lumineuse en énergie électrique, comprenant une pluralité de surfaces de captation (1) regroupées dans un volume, et comprenant en outre, sur au moins une partie desdites surfaces de captation (1), des cellules photovoltaïques en technologie couches minces aptes à capter un rayonnement lumineux diffus.
Description
-1- « Dispositif générateur photovoltaïque» Domaine technique La présente invention concerne un dispositif générateur photovoltaïque, permettant de déployer une surface de captation importante dans un volume restreint. Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des dispositifs de conversion photovoltaïque pour l'alimentation 10 électrique des bâtiments et des machines à partir de l'énergie solaire. Etat de la technique antérieure Il existe de nombreux dispositifs de génération d'électricité à partir de l'énergie solaire, ou dispositifs photovoltaïques, adaptés à toutes sortes d'applications. 15 Pour générer des puissances électriques élevées, à l'échelle des besoins d'une utilisation domestique ou industrielle, on utilise en général des panneaux solaires constitués de cellules solaires à base de silicium monocristallin ou polycristallin. Les cellules solaires sont réalisées à partir de lingots de silicium monocristallin ou polycristallin découpés en tranches. Ces 20 technologies permettent de réaliser des panneaux de grande dimension qui présentent un bon rendement de conversion pour la lumière solaire. Ces panneaux solaires fonctionnent de manière optimale lorsqu'ils sont exposés à un rayonnement direct, avec la lumière solaire directement incidente sur leur surface avec un angle d'incidence proche de la normale à 25 cette surface. Leur rendement se dégrade par contre considérablement lorsqu'ils sont à l'ombre, ou exposés à un rayonnement diffus. Ces systèmes photovoltaïques sont donc fortement consommateurs de surface, car tous les panneaux doivent être soumis au rayonnement solaire direct. C'est un inconvénient important qui limite leur utilisation. 30 On connaît le document DE 20 2007 004 374, qui décrit une structure de panneaux solaires empilés les uns au dessus des autres, ce qui permettant d'en diminuer notablement l'encombrement. Ces panneaux solaires comprennent des cellules solaires sur leurs deux faces. Ils sont placés les uns au dessus des autres de telle sorte que la réflexion spéculaire du -2- rayonnement solaire sur la surface supérieure d'un panneau soit réfléchie vers la surface inférieure du panneau voisin. Toutefois, ce dispositif nécessite un positionnement relativement précis des panneaux, d'une part par rapport au soleil et d'autre part entre eux, pour que chaque surface soit illuminée, soit directement, soit par réflexion spéculaire. En conséquence, la surface de captation qui peut être déployée dans un volume donné reste limitée. On connaît également le document US 4 025 786, qui décrit un dispositif dans lequel des cellules solaires sont agencées selon des couches superposées. Des zones transparentes sont aménagées entre les cellules solaires d'une couche pour permettre la transmission d'une partie de la lumière vers la couche inférieure. Les dimensions sont calculées de telle sorte qu'il puisse se recréer un front d'onde relativement homogène au niveau de la couche inférieure par diffraction.
De nouveau, ce système n'est applicable que pour un nombre très limité de couches, et requiert un positionnement relativement précis par rapport au soleil. Les systèmes connus ne permettent donc pas d'intégrer des surfaces de captation importantes dans des volumes restreints.
Ils présentent en effet des inconvénients gênants qui limitent les possibilités de les regrouper dans des structures tridimensionnelles pour diminuer la surface utilisée ou l'emprise au sol : - Leur rendement est fortement dégradé en cas de faible éclairement ou de lumière diffuse ; - Ils doivent être éclairés sous une gamme limitée d'angles d'incidence de la lumière, proche de la normale, pour conserver des rendements acceptables ; - Ils présentent un état de surface qui génère des réflexions essentiellement spéculaires, dont des réflexions selon une direction dépendant 30 de l'angle d'incidence de la lumière. Les réflexions sont en outre souvent atténuées par un traitement antireflet. Cela oblige à mettre en oeuvre des configurations complexes et/ou limitées en termes d'intégration volumique, dans lesquelles les cellules solaires sont éclairées soit directement soit par l'intermédiaire de réflexions 35 spéculaires sur d'autres cellules. Dans les deux cas, un positionnement précis -3- des panneaux entre eux et par rapport au soleil est nécessaire pour éviter les effets d'ombres portées et orienter les réflexions spéculaires vers des surfaces utiles. Un but de la présente invention est de proposer un dispositif 5 photovoltaïque permettant d'intégrer une surface de captation importante dans un volume restreint, ou d'obtenir une densité volumique élevée de surfaces de captation, tout en conservant un bon rendement. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif photovoltaïque avec une densité volumique élevée de surfaces de captation 10 qui soit peu sensible au positionnement par rapport au soleil. Exposé de l'invention Cet objectif est atteint avec un dispositif de conversion d'énergie lumineuse en énergie électrique, comprenant une pluralité de surfaces de captation regroupées dans un volume, caractérisé en ce qu'il comprend en 15 outre, sur au moins une partie desdites surfaces de captation, des cellules photovoltaïques en technologie couches minces aptes à capter un rayonnement lumineux diffus. Un rayonnement lumineux diffus est un rayonnement qui n'a pas de direction privilégiée d'incidence sur la surface du capteur. Il peut s'agir par 20 exemple d'un rayonnement sensiblement isotrope, ou d'un rayonnement incident sur la surface du capteur selon une pluralité de directions d'incidences, ou encore d'un rayonnement avec une ou des direction(s) d'incidence privilégiée(s) mais indéterminée(s), ou variable(s) dans le temps. Des cellules photovoltaïques aptes à capter un rayonnement lumineux 25 diffus sont des cellules photovoltaïques qui conservent un rendement de conversion acceptable pour une large gamme d'angles d'incidence du rayonnement lumineux, depuis des incidences normales à la surface jusqu'à des incidences proches d'incidences rasantes. Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des cellules 30 photovoltaïques mettant en oeuvre au moins l'une des technologies couches minces suivantes : silicium amorphe, CIS (cuivre, indium, selenium), CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium), CdTe (tellurure de cadmium), technologies organiques. -4- Les cellules photovoltaïques en technologie couches minces sont en général réalisées par des procédés d'évaporation ou de dépôt d'éléments sous forme de gaz sur une surface (par exemple une feuille de verre). Parmi elles, les cellules solaires à base de silicium amorphe notamment sont fréquemment utilisées pour l'alimentation de dispositifs autonomes, mais beaucoup moins comme source de production d'électricité apte à être raccordée à un réseau de distribution, ou satisfaisant à des besoins domestiques ou industriels. Une raison en est que leur rendement en plein soleil est nettement plus faible que celui des cellules solaires en silicium monocristallin. Par contre, elles ont l'avantage de présenter un rendement qui demeure correct en éclairage diffus, meilleur que celui du silicium mono- ou polycristallin dans les mêmes conditions, et donc peu sensible à la direction de l'éclairement. Leur coût de production est également moindre. En outre, leur état de surface les rend également fortement diffusantes pour la lumière incidente. Suivant une caractéristique avantageuse, l'invention met en oeuvre des cellules photovoltaïques en technologie couches minces pour réaliser des structures tridimensionnelles permettant d'intégrer une surface de captation de l'énergie solaire importante dans un volume restreint. Ces cellules photovoltaïques sont pour l'essentiel soumises à une illumination par de la lumière diffuse, issue de la diffusion du rayonnement incident sur des surfaces de captation et/ou d'autres cellules photovoltaïques du dispositif. Des diffusions multiples peuvent bien entendu se produire, piégeant ainsi la lumière au sein du dispositif pour une efficacité maximale. Suivant des modes de réalisation, la pluralité de surfaces de captation du dispositif selon l'invention peut comprendre des surfaces de captation diffusantes, disposées de telle sorte à permettre la diffusion d'au moins une partie d'un rayonnement lumineux incident vers d'autres surfaces de captation. Toutes les surfaces de captation, même celles qui ne sont pas accessibles à un rayonnement direct, peuvent ainsi être illuminées, ce qui permet d'obtenir un rendement de conversion global au niveau du dispositif, par rapport à son emprise au sol, meilleur que dans les systèmes de l'art -5- antérieur malgré l'utilisation de cellules solaires de plus faible rendement individuel. En outre, le dispositif peut être partiellement à l'ombre, par exemple une partie de l'année, et conserver un rendement acceptable. Cela confère plus de 5 souplesse dans le choix des emplacements. Suivant des modes de réalisation, la pluralité de surfaces de captation du le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des surfaces de captation disposées de telle sorte à permettre une circulation d'air entre elles pour évacuer de l'énergie thermique accumulée au niveau desdites surfaces, 10 par au moins l'un des effets suivants : déplacement de masses d'air, vent, effet de convection thermique au niveau desdites surfaces. Cela permet avantageusement de résoudre un inconvénient connu des cellules solaires à base de silicium amorphe notamment, qui est que leur rendement diminue avec la température. 15 Les surfaces de captation peuvent être agencées par exemple de telle sorte à permettre une circulation facilitée du vent entre elles. Elles peuvent également être agencées de telle sorte à définir des conduits ou des surfaces de guidage permettant à l'air échauffé au contact de ces surfaces de s'élever et ainsi d'aspirer un air plus frais, par un effet de convection. 20 Suivant des modes de réalisation, la pluralité de surfaces de captation du dispositif selon l'invention peut comprendre : - un ensemble de surfaces de captation sensiblement parallèles entre elles, séparées par des espaces libres ; - un ensemble de surfaces de captation de forme sensiblement tubulaire. 25 D'autres dispositions sont bien entendu envisageables. En effet, suivant une caractéristique avantageuse, l'invention permet une grande liberté de formes et de configuration des surfaces de captation, en tirant profit notamment du fait que : - les technologies de réalisation de cellules photovoltaïques en couches 30 minces peuvent être adaptées à diverses formes de surfaces, rigides ou parfois même souples, et - il n'y a pas de contraintes d'illumination directe des surfaces. Suivant les configurations, les surfaces de captation peuvent en outre comprendre des surfaces dépourvues de cellules solaires, dont la fonction est 35 de diffuser de la lumière vers ces dernières. -6- Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre : - une structure de maintien supportant les surfaces de captation ; - un mat principal supportant les surfaces de captation.
Le dispositif selon l'invention peut ainsi être réalisé sous la forme d'une structure autonome, à fixer par exemple au sol ou sur un toit. Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens d'orientation permettant d'orienter les surfaces de captation en fonction de la hauteur du soleil.
De tels moyens ne sont pas nécessairement précis puisque le dispositif utilise la lumière diffusée. Il peut s'agir simplement de moyens de positionnement permettant d'ajuster l'orientation du dispositif en fonction de l'élévation moyenne du soleil au zénith pendant une période de l'année, par exemple une saison.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens de génération de courant alternatif à partir du courant continu généré par les cellules photovoltaïques et des moyens de liaison électrique à un réseau de distribution d'électricité. Suivant un autre aspect, il est proposé un système de production 20 d'électricité comprenant une pluralité de dispositifs selon l'invention, électriquement couplés entre eux. Il est ainsi possible de produire une puissance électrique importante avec une emprise au sol minimale. Description des figures et modes de réalisation 25 D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en oeuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : - la figure 1 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, avec des surfaces de captation sous la forme de panneaux fixés 30 sur un mât, - la figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, avec des surfaces de captation sous la forme de panneaux d'orientation sensiblement verticale, - les figures 3(a) et 3(b) illustrent respectivement selon une vue de 35 dessus et une vue de côté un troisième mode de réalisation d'un dispositif -7- selon l'invention, avec des surfaces de captation sous la forme de panneaux d'orientation sensiblement oblique, - la figure 4(b) illustre selon une vue de côté un quatrième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, avec des surfaces de captation de 5 forme sensiblement cylindriques regroupées sous formes de panneaux tels qu'illustrés à la figure 4(a). On va tout d'abord décrire, en référence à la figure 1, un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention est réalisé sous la forme d'une structure 10 tridimensionnelle comprenant une pluralité de surfaces de captation 1 réalisées sous la forme de panneaux solaires 5 sensiblement parallèles. Suivant des variantes, ces panneaux peuvent comprendre des surfaces de captation 1 sur une ou sur les deux faces. Les panneaux 5 sont fixés sur une structure de maintien 2 comprenant, 15 dans le mode de réalisation de la figure 1, un mât. Les surfaces de captation 1 comprennent des cellules photovoltaïques réalisées en technologie couches minces. Ces cellules photovoltaïques sont, dans l'exemple présenté, réalisées en silicium amorphe. Le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens de 20 génération de courant alternatif 3, avec notamment un onduleur, à partir du courant continu généré par les cellules photovoltaïques. Il comprend également des moyens de liaison électrique 4 permettant de transmettre l'électricité produite vers un réseau de distribution d'électricité. Le dispositif selon l'invention est conçu pour capter la lumière diffuse.
25 Cette lumière diffuse est par exemple la lumière issue du ciel en général. Il peut s'agir également de la lumière solaire sous un angle d'incidence quelconque, et/ou de cette lumière solaire déjà diffusée par une surface du dispositif. Pour cela, comme expliqué précédemment, il est mis en oeuvre des 30 cellules solaires en technologies couches minces qui ont l'avantage de conserver des rendements de conversion acceptables quel que soit l'angle d'incidence de la lumière sur leur surface. Ces cellules solaires fonctionnent donc aussi bien avec de la lumière incidente sur leur surface en incidence normale (perpendiculaire) qu'en incidence rasante. -8- Il est ainsi possible de réaliser dans un volume restreint une surface de captation totale importante, car il n'est plus nécessaire, comme dans les dispositifs de l'art antérieur basés sur des technologies en silicium mono- ou poly-cristallin, de disposer les cellules solaires de telle sorte qu'elles soient toutes illuminées par un rayonnement direct avec un angle d'incidence proche de la normale à la surface. En outre, même si le rendement énergétique par unité de surface de captation est moindre avec le dispositif selon l'invention, il demeure avantageux car il met en oeuvre des technologies également moins 10 onéreuses. Les surfaces de captation 1 du dispositif selon l'invention peuvent ainsi être disposées suivant une grande variété d'angles d'orientation, en fonction des applications. De nouveau, cela est possible grâce à l'utilisation optimale de la lumière diffusée.
15 Dans le mode de réalisation de la figure 1, les panneaux solaires 5 sont disposés en haut d'un mât 2 et orientés de telle sorte que les surfaces de captation 1 soient sensiblement horizontales. Cette configuration permet par exemple de réaliser des dispositifs avec une emprise au sol minimale, tout en plaçant les panneaux solaires à une hauteur suffisante pour qu'ils ne soient 20 pas obscurcis par des éléments alentours (bâtiments, ...). Les figures 2 et 3 présentent d'autres exemples de modes de réalisation dans lesquels les surfaces de captation 1 sont également réalisées sous la forme de panneaux solaires 5. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les panneaux solaires 5 sont 25 orientés de telle sorte que les surfaces de captation 1 soient sensiblement verticales. Ainsi le dispositif peut exploiter au mieux la lumière diffuse issue du ciel malgré des obstacles présents dans son voisinage (bâtiments, arbres, ...). Les panneaux solaires 5 sont fixés sur une structure de maintien 2 30 sensiblement en forme de portique, avec deux montants et une barre transversale. Dans le mode de réalisation de la figure 3, les panneaux solaires 5 sont orientés de telle sorte que les surfaces de captation 1 soient orientées selon un angle 6 par rapport à l'horizontale. La figure 3(a) présente une vue de 35 dessus du dispositif, et la figure 3(b) en présente une vue de côté. -9- Les panneaux solaires 5 sont fixés par des éléments de fixation 13 sur une structure de maintien 2 sensiblement en forme de portique, avec deux montants et une barre transversale. L'ensemble est fixé sur un support 12. A titre d'exemple non limitatif, le dispositif de la figure 3 comprend 18 5 panneaux solaires 5 pour un encombrement global de 2.6 m de hauteur, 1.5 m de largeur et 1 m de profondeur. Dans l'exemple présenté, l'angle d'orientation 0 est de l'ordre de 15 degrés. Il est choisi en fonction de la hauteur du soleil au zénith en hiver en France, pour une utilisation dans ces conditions.
10 L'orientation des panneaux solaires 5 est choisie de telle sorte que la lumière du soleil 10 arrive sur les surfaces de captation 1 avec un angle d'incidence élevé, c'est-à-dire une incidence proche d'une incidence rasante. Les surfaces de captation 1 du dispositif selon l'invention, y compris les cellules solaires qu'elles comprennent, sont réalisées de telle sorte à présenter 15 un état de surface dépoli qui diffuse la lumière qui n'est pas absorbée. Il est à noter d'ailleurs que les cellules solaires en technologie couches minces telles que les cellules en silicium amorphe présentent naturellement cet état de surface, contrairement aux cellules solaires en silicium mono- ou polycristallin dont l'état de surface est plus apte à générer des réflexions 20 spéculaires. Ainsi, la lumière incidente 10 subit des diffusions 11 qui la renvoient vers d'autres surfaces de captation 1 qui peuvent ne pas être soumises à une illumination directe, ce qui permet d'utiliser de manière optimale les surfaces de captation 1 disponibles.
25 La diffusion de la lumière étant peu directionnelle, il est ainsi possible de disposer les surfaces de captation 1 de manière assez rapprochée pour une utilisation optimale du volume. Les surfaces de captation ne sont pas nécessairement planes et peuvent être de toutes formes. En effet, les technologies de réalisation de cellules 30 solaires en couches minces se prêtent à la réalisation de formes variées. La figure 4 présente un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel les surfaces de captation 1 comprennent des cellules solaires de type CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium) et de forme cylindrique 21. Ces cylindres 21 sont assemblés sur un châssis pour constituer 35 des panneaux ajourés 20. La figure 4(a) illustre une vue de dessus d'un tel -10- panneau 20. Ces panneaux 20 sont assemblés sur un support 2 tel qu'illustré à la figure 4(b) pour constituer une structure tridimensionnelle. Suivant des variantes, les cellules 21 des panneaux 20 successifs peuvent être alignées, ou décalées en quinconce, ou encore croisées. L'illumination des surfaces de captation 1, - même inaccessibles au rayonnement direct -, est assurée par la diffusion de la lumière dans le dispositif. Suivant des variantes, des surfaces diffusantes supplémentaires peuvent être disposées dans ou autour d'un dispositif selon l'invention. Elles peuvent être par exemple disposées à l'opposé d'un dispositif par rapport à une direction principale d'illumination, pour renvoyer la lumière qui en sort vers les surfaces de captation 1 et améliorer l'efficacité globale. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.15
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de conversion d'énergie lumineuse en énergie électrique, comprenant une pluralité de surfaces de captation (1) regroupées dans un volume, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, sur au moins une partie desdites surfaces de captation (1), des cellules photovoltaïques en technologie couches minces aptes à capter un rayonnement lumineux diffus.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des cellules photovoltaïques mettant en oeuvre au moins l'une des technologies couches minces suivantes : silicium amorphe, CIS (cuivre, indium, selenium), CIGS (cuivre, indium, gallium, selenium), CdTe (tellurure de cadmium), technologies organiques.
- 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pluralité de surfaces de captation comprend des surfaces de captation diffusantes (1), disposées de telle sorte à permettre la diffusion d'au moins une partie d'un rayonnement lumineux incident vers d'autres surfaces de captation (1).
- 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pluralité de surface de captation comprend des surfaces de captation (1) disposées de telle sorte à permettre une circulation d'air entre elles pour évacuer de l'énergie thermique accumulée au niveau desdites surfaces, par au moins l'un des effets suivants : déplacement de masses d'air, vent, effet de convection thermique au niveau desdites surfaces.
- 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 30 ce que la pluralité de surfaces de captation comprend un ensemble de surfaces de captation (1) sensiblement parallèles entre elles, séparées par des espaces libres.-12-
- 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pluralité de surfaces de captation comprend un ensemble de surfaces de captation (1) de forme sensiblement tubulaire (21).
- 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une structure de maintien (2) supportant les surfaces de captation (1).
- 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 10 ce que qu'il comprend en outre un mat principal supportant les surfaces de captation (1).
- 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'orientation permettant d'orienter les 15 surfaces de captation en fonction de la hauteur du soleil.
- 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (3) de génération de courant alternatif à partir du courant continu généré par les cellules photovoltaïques et des 20 moyens de liaison électrique (4) à un réseau de distribution d'électricité.
- 11. Système de production d'électricité, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, électriquement couplés entre eux. 25
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