FR3034591A1 - DEVICE AND METHOD FOR REGENERATING THE PERFORMANCE OF A PHOTOVOLTAIC MODULE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif (300) de régénération des performances d'un module photovoltaïque (100) comportant : - un élément chauffant (310) configuré pour chauffer des cellules photovoltaïques appartenant au module, lorsque les cellules photovoltaïques sont exposées à un rayonnement solaire, en utilisant l'énergie provenant du rayonnement solaire ; - un commutateur (320) capable de basculer entre une première position, dans laquelle l'élément chauffant (310) est activé, et une seconde position, dans laquelle l'élément chauffant est désactivé ; et - un circuit de commande (330) du commutateur (320) configuré pour mesurer une quantité de rayonnement solaire reçue par au moins une cellule photovoltaïque de référence et basculer le commutateur dans la seconde position lorsque la quantité de rayonnement solaire reçue atteint une valeur seuil.The invention relates to a device (300) for regenerating the performance of a photovoltaic module (100) comprising: - a heating element (310) configured to heat photovoltaic cells belonging to the module, when the photovoltaic cells are exposed to solar radiation , using energy from solar radiation; a switch (320) capable of switching between a first position, in which the heating element (310) is activated, and a second position, in which the heating element is deactivated; and a control circuit (330) of the switch (320) configured to measure a quantity of solar radiation received by at least one reference photovoltaic cell and switch the switch to the second position when the amount of solar radiation received reaches a threshold value .
Description
1 DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE RÉGÉNÉRATION DES PERFORMANCES D'UN MODULE PHOTOVOLTAIQUE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour régénérer les performances d'un module photovoltaïque, par exemple après la dégradation sous éclairement du rendement de conversion des cellules photovoltaïques.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a device and a method for regenerating the performance of a photovoltaic module, for example after the degradation under illumination of the conversion efficiency of the photovoltaic cells.
ETAT DE LA TECHNIQUE Les cellules photovoltaïques qui contiennent des atomes de bore et d'oxygène peuvent souffrir d'une dégradation du rendement sous éclairement. Ce phénomène, appelé « LID » (pour « Light Induced Degradation » en anglais), survient lors des premiers temps d'exposition des cellules au rayonnement solaire. Il est lié à la formation, lors cette exposition, de complexes qui associent un atome de bore (B) et un atome d'oxygène (0). Les complexes bore-oxygène agissent comme centres de recombinaison des porteurs de charge libres, et diminuent par conséquent la durée de vie des porteurs et le rendement de conversion photovoltaïque des cellules (rapport de la puissance électrique fournie en sortie sur la puissance lumineuse reçue). La dégradation peut atteindre 7 à 8 % du rendement de conversion avant exposition.STATE OF THE ART Photovoltaic cells which contain boron and oxygen atoms can suffer from degradation of the efficiency under illumination. This phenomenon, called "LID" (for "Light Induced Degradation" in English), occurs during the first exposure of cells to solar radiation. It is linked to the formation, during this exhibition, of complexes that associate a boron atom (B) and an oxygen atom (0). The boron-oxygen complexes act as recombination centers of the free charge carriers, and therefore decrease the lifetime of the carriers and the photovoltaic conversion efficiency of the cells (ratio of the electrical power output to the received light power). The degradation can reach 7 to 8% of the conversion efficiency before exposure.
Les substrats en silicium monocristallin de type p, dopés au bore et cristallisés selon la technique « Czochralsky » (Cz), sont particulièrement sensibles à la dégradation du rendement sous éclairement à cause des concentrations élevées en oxygène, ce dernier étant principalement issu du creuset en silice utilisé pour la cristallisation. Toutefois, cette dégradation a également été mise en évidence dans les substrats en silicium Cz de type n, compensés avec du bore, ainsi que dans des substrats en silicium multicristallin (lorsqu'ils contiennent du bore). Le document W02007/107351 vise à résoudre ce problème de diminution du 3034591 2 rendement d'une cellule photovoltaïque, en rajoutant une étape dite de stabilisation au procédé de fabrication de la cellule. Cette étape consiste à générer des porteurs de charge minoritaires en excès dans le substrat en silicium, tout en chauffant le substrat à une température comprise entre 50°C et 230°C. Les porteurs de charge 5 sont générés soit en illuminant le substrat, par exemple au moyen d'une lampe halogène, soit en le polarisant au moyen d'une source de tension externe. On observe alors que les performances de la cellule photovoltaïque, et en particulier son rendement, se dégradent dans un premier temps et se régénèrent ensuite à leur 10 niveau initial. La cellule présente alors des performances stables sous des conditions normales de fonctionnement. La cellule est dite « régénérée » puisqu'elle a subi, d'abord, une dégradation de son rendement puis une régénération. L'étape de stabilisation peut également avoir lieu à l'échelle du module après que 15 celui-ci ait été finalisé, c'est-à-dire après que les cellules photovoltaïques aient été encapsulées et interconnectées électriquement, mais avant que le module ne soit livré au consommateur final. Par exemple, le module est mis sous tension pour générer des porteurs clic charge minoritaires en excès et stocké dans une chambre chauffée à 140°C pendant approximativement une heure.The p-type monocrystalline silicon substrates, doped with boron and crystallized according to the "Czochralsky" (Cz) technique, are particularly sensitive to the degradation of the efficiency under illumination because of the high concentrations of oxygen, the latter being mainly derived from the crucible. silica used for crystallization. However, this degradation has also been demonstrated in n-type Cz-type silicon substrates, compensated with boron, as well as in multicrystalline silicon substrates (when they contain boron). Document WO2007 / 107351 aims to solve this problem of reducing the efficiency of a photovoltaic cell by adding a so-called stabilization step to the manufacturing process of the cell. This step consists in generating excess minority charge carriers in the silicon substrate, while heating the substrate at a temperature between 50 ° C and 230 ° C. The charge carriers 5 are generated either by illuminating the substrate, for example by means of a halogen lamp, or by polarizing it by means of an external voltage source. It is then observed that the performance of the photovoltaic cell, and in particular its efficiency, first degrade and then regenerate at their initial level. The cell then has stable performance under normal operating conditions. The cell is called "regenerated" since it has undergone, first, a degradation of its performance and then a regeneration. The stabilization step may also take place at the module scale after it has been finalized, i.e. after the photovoltaic cells have been encapsulated and electrically interconnected, but before the module delivered to the final consumer. For example, the module is energized to generate excess minority charge bearers and stored in a heated chamber at 140 ° C for approximately one hour.
20 Qu'elle soit réalisée avant ou après l'encapsulation des cellules photovoltaïques, l'étape de stabilisation du document W02007/107351 constitue une étape supplémentaire dans le procédé de fabrication d'un module photovoltaïque. Cela nécessite donc de prévoir des moyens, humains et matériels, spécifiquement pour 25 cette étape de fabrication, par exemple une lampe halogène, un four ou une pièce pour entreposer et chauffer les modules photovoltaïques. En outre, la manipulation des modules pour les stocker dans la pièce chauffée entraîne un risque de casse des modules. Il en découle que la solution proposée par le document W02007/107351 pour lutter contre la diminution du rendement de conversion des 30 cellules n'est pas viable économiquement.Whether it is carried out before or after the encapsulation of the photovoltaic cells, the stabilization step of document WO2007 / 107351 constitutes an additional step in the method of manufacturing a photovoltaic module. This therefore requires the provision of means, human and material, specifically for this manufacturing step, for example a halogen lamp, an oven or a room for storing and heating the photovoltaic modules. In addition, the manipulation of the modules to store them in the heated room leads to a risk of breakage of the modules. As a result, the solution proposed by WO2007 / 107351 for combating the reduction of the conversion efficiency of the cells is not economically viable.
3034591 3 RESUME DE L'INVENTION Il existe donc un besoin de prévoir un dispositif de régénération des performances d'un module photovoltaïque, permettant d'accomplir un processus de régénération à 5 moindre coût tout en évitant une manipulation supplémentaire des modules. Selon l'invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant dans ce dispositif de régénération : - un élément chauffant configuré pour chauffer des cellules photovoltaïques 10 appartenant au module, lorsque les cellules photovoltaïques sont exposées à un rayonnement solaire, en utilisant l'énergie provenant du rayonnement solaire ; - un commutateur capable de basculer entre une première position, dans laquelle l'élément chauffant est activé, et une seconde position, dans laquelle 15 l'élément chauffant est désactivé ; et - un circuit de commande du commutateur configuré pour mesurer une quantité de rayonnement solaire reçue par au moins une cellule photovoltaïque de référence et basculer le commutateur dans la seconde position lorsque la quantité de rayonnement solaire reçue atteint une valeur seuil.SUMMARY OF THE INVENTION There is therefore a need to provide a device for regenerating the performance of a photovoltaic module, making it possible to perform a regeneration process at a lower cost while avoiding additional manipulation of the modules. According to the invention, there is a tendency to satisfy this need by providing in this regeneration device: a heating element configured to heat photovoltaic cells belonging to the module, when the photovoltaic cells are exposed to solar radiation, using the energy from solar radiation; a switch capable of switching between a first position, in which the heating element is activated, and a second position, in which the heating element is deactivated; and a control circuit of the switch configured to measure a quantity of solar radiation received by at least one reference photovoltaic cell and switch the switch to the second position when the amount of solar radiation received reaches a threshold value.
20 En prévoyant un élément chauffant capable d'élever la température des cellules photovoltaïques du module en utilisant l'énergie solaire, on peut régénérer rapidement les performances du module, non pas lors de sa fabrication, mais pendant son utilisation. Cela évite de prévoir une étape à part entière dans le 25 procédé de fabrication du module, et donc d'engendrer des coûts supplémentaires importants. Il n'y a plus lieu de déplacer et stocker les modules dans une pièce chauffée spécialement prévue à cet effet. Le risque de casse des modules est par conséquent limité.By providing a heating element capable of raising the temperature of the photovoltaic cells of the module using solar energy, the performance of the module can be regenerated rapidly, not during its manufacture, but during its use. This avoids providing for a full step in the method of manufacturing the module, and thus generating significant additional costs. There is no need to move and store the modules in a heated room specially designed for this purpose. The risk of breakage of the modules is therefore limited.
30 Le commutateur et son circuit de commande permettent de contrôler la charge énergétique produite par le module à cette fin de régénération, cette charge étant directement proportionnelle au nombre de photons absorbés et convertis. Ainsi, on monopolise le module photovoltaïque uniquement le temps d'obtenir une 3034591 4 régénération satisfaisante de ses performances et l'énergie solaire peut ensuite être utilisée exclusivement à la production d'électricité. En effet, le circuit de commande désactive l'élément chauffant dès lors que la quantité de rayonnement solaire reçue par au moins une cellule de référence atteint une valeur seuil. Cette valeur seuil 5 correspond à une quantité de rayonnement maximale permettant une régénération de la cellule de référence, c'est-à-dire une amélioration du rendement jusqu'à un rendement attendu. Le rendement attendu est, de préférence, le rendement initial de la cellule à l'issue de sa fabrication. La valeur seuil est déterminée préalablement par expérimentation pour chaque filière de fabrication de cellules photovoltaïques, en 10 fonction du niveau de régénération attendu. Plutôt que de parler de « quantité de rayonnement reçu », on peut parler « d'énergie solaire reçue » (le rayonnement étant défini comme un transfert d'énergie).The switch and its control circuit make it possible to control the energy charge produced by the module for this purpose of regeneration, this charge being directly proportional to the number of photons absorbed and converted. Thus, we monopolize the photovoltaic module only the time to obtain a satisfactory regeneration of its performance and solar energy can then be used exclusively for the production of electricity. Indeed, the control circuit deactivates the heating element when the amount of solar radiation received by at least one reference cell reaches a threshold value. This threshold value corresponds to a maximum amount of radiation allowing regeneration of the reference cell, that is to say an improvement of the yield up to an expected yield. The expected yield is preferably the initial yield of the cell at the end of its manufacture. The threshold value is determined beforehand by experimentation for each production line of photovoltaic cells, as a function of the expected regeneration level. Rather than talking about "amount of radiation received", we can speak of "received solar energy" (radiation being defined as a transfer of energy).
15 En d'autres termes, grâce au dispositif de régénération selon l'invention, la régénération des performances a lieu sur le site d'installation des modules, par exemple en toiture ou au sein d'une centrale solaire photovoltaïque, et de façon autonome.In other words, thanks to the regeneration device according to the invention, the regeneration of the performances takes place on the installation site of the modules, for example on the roof or in a photovoltaic solar power station, and autonomously. .
20 L'exposition au rayonnement solaire d'un module photovoltaïque équipé du dispositif de régénération permet de créer dans les cellules des porteurs de charge minoritaires en excès, en plus de chauffer les cellules. Le dispositif de régénération peut donc remédier à la dégradation sous éclairement du rendement de conversion photovoltaïque (phénomène « LID ») dans des cellules photovoltaïques contenant du 25 bore et de l'oxygène. Toutefois, à la différence des procédés de restauration de l'art antérieur, aucune source de lumière artificielle n'est nécessaire. La lumière naturelle provenant du soleil remplace avantageusement la lampe halogène utilisée dans le procédé de restauration du document W02007/107351. En outre, il est désormais possible de régénérer le rendement plusieurs fois dans la vie du module 30 photovoltaïque, sans avoir à désinstaller le module pour le soumettre à cette source de lumière artificielle. Le dispositif de régénération décrit ci-dessus trouve d'autres applications que la 3034591 5 régénération du rendement sous éclairement. Il permet également de lutter contre la dégradation induite par le potentiel (« Potential Induced Degradation » en anglais, PID), un phénomène lié à la migration ionique d'éléments recombinants (par exemple le sodium) à travers le matériau d'encapsulation des cellules, en particulier 5 depuis la face avant en verre vers la surface des cellules. Cette migration est favorisée en présence d'humidité dans le matériau d'encapsulation. Le dispositif de régénération est efficace contre le phénomène PID, car il permet de réduire le taux d'humidité dans le module en le chauffant, autrement dit de le « sécher ».The exposure to solar radiation of a photovoltaic module equipped with the regeneration device makes it possible to create excess minority charge carriers in the cells, in addition to heating the cells. The regeneration device can therefore remedy the degradation under illumination photovoltaic conversion efficiency (phenomenon "LID") in photovoltaic cells containing boron and oxygen. However, unlike restoration methods of the prior art, no artificial light source is needed. Natural light from the sun advantageously replaces the halogen lamp used in the process of restoring the document WO2007 / 107351. In addition, it is now possible to regenerate the output several times in the life of the photovoltaic module, without having to uninstall the module to subject it to this source of artificial light. The regeneration device described above finds other applications than the regeneration of the efficiency under illumination. It also makes it possible to combat Potential Induced Degradation (PID), a phenomenon related to the ionic migration of recombinant elements (for example sodium) through the cell encapsulation material. especially from the glass front to the cell surface. This migration is favored in the presence of moisture in the encapsulating material. The regeneration device is effective against the PID phenomenon because it reduces the humidity level in the module by heating it, in other words by "drying" it.
10 Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif de régénération, l'élément chauffant comprend une résistance électrique. Le commutateur est alors configuré pour connecter les cellules photovoltaïques du module à la résistance électrique dans la première position, de sorte que la résistance électrique soit alimentée par les cellules photovoltaïques lorsqu'elles sont exposées au rayonnement solaire, et pour 15 connecter les cellules photovoltaïques du module à un circuit électrique extérieur dans la seconde position. Dans une variante de réalisation, l'élément chauffant comprend un caisson d'isolation thermique muni d'au moins un volet d'aération. Le commutateur est alors 20 configuré pour fermer le volet d'aération dans la première position et ouvrir le volet d'aération dans la seconde position. La cellule photovoltaïque dite de référence, grâce à laquelle on mesure la quantité de rayonnement solaire reçue, peut être l'une des cellules du module photovoltaïque, ou 25 une cellule photovoltaïque additionnelle faisant partie du dispositif de régénération et soumise au même rayonnement solaire que les cellules du module. On peut aussi utiliser plusieurs cellules photovoltaïques du module comme cellules de référence, voire l'ensemble des cellules photovoltaïques du module.In a preferred embodiment of the regeneration device, the heating element comprises an electrical resistance. The switch is then configured to connect the photovoltaic cells of the module to the electrical resistance in the first position, so that the electrical resistance is supplied by the photovoltaic cells when exposed to solar radiation, and to connect the photovoltaic cells of the solar cell. module to an external electrical circuit in the second position. In an alternative embodiment, the heating element comprises a thermal insulation box provided with at least one ventilation flap. The switch is then configured to close the venting flap in the first position and open the venting flap in the second position. The so-called reference photovoltaic cell, by which the amount of solar radiation received can be measured, can be one of the cells of the photovoltaic module, or an additional photovoltaic cell forming part of the regeneration device and subjected to the same solar radiation as the solar cells. module cells. It is also possible to use several photovoltaic cells of the module as reference cells, or even all the photovoltaic cells of the module.
30 Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le circuit de commande comporte : 3034591 6 O un capteur configuré pour mesurer le courant fourni par ladite au moins une cellule photovoltaïque exposée au rayonnement solaire ; O un convertisseur courant-fréquence configuré pour convertir le courant fourni par ladite au moins une cellule photovoltaïque en un train 5 d'impulsions de fréquence variable ; et O un compteur d'impulsions, recevant en entrée le train d'impulsions issu du convertisseur et configuré pour faire basculer le commutateur dans le seconde position lorsque le nombre d'impulsions comptées atteint une nombre d'impulsions de référence correspondant à la valeur seuil 10 de la quantité de rayonnement solaire ; - le compteur d'impulsions du circuit de commande est muni d'une entrée de réinitialisation ; et - le dispositif de régénération comprend un dispositif de limitation de la température des cellules photovoltaïques.The device according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination: the control circuit comprises: a sensor configured to measure the current supplied by said device; less a photovoltaic cell exposed to solar radiation; A current-frequency converter configured to convert the current supplied by said at least one photovoltaic cell into a pulse train of variable frequency; and O a pulse counter, receiving as input the pulse train from the converter and configured to switch the switch in the second position when the number of pulses counted reaches a reference pulse number corresponding to the threshold value. 10 the amount of solar radiation; the pulse counter of the control circuit is provided with a reset input; and the regeneration device comprises a device for limiting the temperature of the photovoltaic cells.
15 Un autre aspect de l'invention concerne un module photovoltaïque comprenant des cellules photovoltaïques et un dispositif de régénération selon l'invention. Lorsque les cellules photovoltaïques du module sont enrobées d'un matériau 20 d'encapsulation et disposées entre une plaque de protection arrière et une plaque de protection avant, exposée au rayonnement solaire, l'élément chauffant peut être enrobé du matériau d'encapsulation et disposé en regard des cellules photovoltaïques, avantageusement entre les cellules photovoltaïques et la plaque de protection arrière.Another aspect of the invention relates to a photovoltaic module comprising photovoltaic cells and a regeneration device according to the invention. When the photovoltaic cells of the module are encapsulated with an encapsulating material and disposed between a rear protection plate and a front protection plate, exposed to solar radiation, the heating element can be encapsulated with the encapsulating material and arranged next to the photovoltaic cells, advantageously between the photovoltaic cells and the rear protection plate.
25 Alternativement, l'élément chauffant peut être contenu dans la plaque de protection arrière ou recouvrir la face arrière du module. La face arrière du module est opposée à la face avant, qui est exposée au rayonnement solaire 30 L'invention vise également un procédé de régénération des performances, qui soit facile à mettre en oeuvre et économiquement viable. Ce procédé comprend les étapes suivantes : - exposer les cellules photovoltaïques à un rayonnement solaire ; 3034591 7 - chauffer les cellules photovoltaïques lors de l'exposition des cellules photovoltaïques au rayonnement solaire, le rayonnement solaire étant utilisé pour chauffer les cellules photovoltaïques.Alternatively, the heating element may be contained in the rear protection plate or may cover the rear face of the module. The rear face of the module is opposed to the front face, which is exposed to solar radiation. The invention also aims at a process of regeneration of the performances, which is easy to implement and economically viable. This process comprises the following steps: exposing the photovoltaic cells to solar radiation; - Heating the photovoltaic cells during the exposure of photovoltaic cells to solar radiation, the solar radiation being used to heat the photovoltaic cells.
5 Dans un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé de régénération, les cellules photovoltaïques sont chauffées au moyen d'une résistance électrique alimentée par un courant généré par les cellules photovoltaïques lors de leur exposition au rayonnement solaire.In a preferred embodiment of the regeneration process, the photovoltaic cells are heated by means of an electrical resistance supplied by a current generated by the photovoltaic cells during their exposure to solar radiation.
10 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : 15 - la figure 1 est abaque donnant la quantité d'énergie requise pour régénérer les performances d'une cellule photovoltaïque fonctionnant à son point de fonctionnement maximum, en fonction de la température et de l'irradiance de la cellule ; 20 - la figure 2 est abaque donnant la quantité d'énergie requise pour régénérer les performances d'une cellule photovoltaïque en circuit ouvert, en fonction de la température et de l'irradiance de la cellule ; - la figure 3 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif de régénération selon l'invention, couplé à un module 25 photovoltaïque ; - la figure 4 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de régénération selon l'invention, couplé à un module photovoltaïque ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un module photovoltaïque 30 dans lequel est intégré un élément chauffant ; - la figure 6 représente des caractéristiques courant-tension d'un module photovoltaïque du commerce, pour plusieurs valeurs d'irradiance ; et - la figure 7 représente un élément chauffant passif couplé à un module 3034591 8 photovoltaïque, d'après un troisième mode de réalisation du dispositif de régénération selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION 5 Pour parvenir à une régénération complète des performances d'un module photovoltaïque, une certaine quantité d'énergie doit être apportée aux cellules photovoltaïques du module. Une étude menée par les inventeurs de la présente demande a montré que cette quantité dépendait de nombreux paramètres, en 10 particulier de la température de fonctionnement et de l'irradiance des cellules. L'irradiance, appelée également éclairement énergétique, désigne la quantité de puissance, ou flux énergétique, reçue par unité de surface. Elle s'exprime en W/m2. La figure 1 est un exemple d'abaque représentant l'énergie E nécessaire à une 15 complète régénération des performances d'une cellule photovoltaïque, en fonction de la température de fonctionnement et de l'irradiance moyenne de cette cellule. Pour chaque technologie de cellule photovoltaïque, cet abaque peut être obtenu par expérimentation, d'une part en mesurant la puissance électrique générée par la cellule, lorsqu'elle est soumise à des niveaux d'irradiance et de température donnés, 20 et d'autre part en suivant l'évolution du rendement de conversion de la cellule. La valeur d'énergie E, pour ce couple irradiance/température, est l'énergie absorbée par la cellule, jusqu'au moment où le rendement retrouve sa valeur initiale (i.e. immédiatement après la fabrication).BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES Other characteristics and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended figures, in which: FIG. abacus giving the amount of energy required to regenerate the performance of a photovoltaic cell operating at its maximum operating point, depending on the temperature and irradiance of the cell; FIG. 2 is an abacus showing the amount of energy required to regenerate the performance of an open-circuit photovoltaic cell as a function of the temperature and irradiance of the cell; FIG. 3 diagrammatically represents a first embodiment of a regeneration device according to the invention, coupled to a photovoltaic module; FIG. 4 schematically represents a second embodiment of a regeneration device according to the invention, coupled to a photovoltaic module; FIG. 5 is a cross-sectional view of a photovoltaic module 30 in which a heating element is integrated; FIG. 6 represents current-voltage characteristics of a commercial photovoltaic module, for several irradiance values; and FIG. 7 represents a passive heating element coupled to a photovoltaic module, according to a third embodiment of the regeneration device according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF AT LEAST ONE EMBODIMENT 5 To achieve complete regeneration of the performance of a photovoltaic module, a certain amount of energy must be provided to the photovoltaic cells of the module. A study conducted by the inventors of the present application has shown that this amount depends on many parameters, in particular the operating temperature and the irradiance of the cells. Irradiance, also called energy irradiance, refers to the amount of power, or energy flux, received per unit area. It is expressed in W / m2. FIG. 1 is an example of an abacus representing the energy E necessary for a complete regeneration of the performance of a photovoltaic cell, as a function of the operating temperature and the average irradiance of this cell. For each photovoltaic cell technology, this abacus can be obtained by experimentation, on the one hand by measuring the electrical power generated by the cell, when it is subjected to given levels of irradiance and temperature, and on the other hand by following the evolution of the conversion efficiency of the cell. The energy value E for this irradiance / temperature pair is the energy absorbed by the cell until the efficiency returns to its initial value (i.e. immediately after manufacture).
25 La cellule photovoltaïque correspondant à l'abaque de la figure 1 est une cellule en silicium monocristallin à homojonction, dont la surface est égale à 1 cm2 Elle comporte un substrat en silicium Cz monocristallin (de résistivité comprise entre 0,5100 0.cm), une couche de passivation (ex. SiN) en face avant du substrat et une plaque en aluminium produisant un champ répulsif en face arrière du substrat (BSF, 30 « Back Surface Field »). Sur l'abaque de la figure 1, la cellule fonctionne à son maximum de puissance, appelé communément « MPP » (pour « Maximum Power Point » en anglais). On 3034591 9 constate que l'énergie E est significative, mais diminue au fur et à mesure que la température de fonctionnement de la cellule augmente. La régénération des performances est donc un processus activé thermiquement, i.e. qui se produit plus rapidement à haute température. L'influence de l'irradiance sur l'énergie E est faible, 5 comparée à celle de la température. L'étude a également pu mettre en évidence que l'énergie nécessaire à une complète régénération des performances de la cellule dépendait de la concentration en porteurs de charge minoritaires dans le substrat en silicium (ce qui explique pourquoi 10 l'énergie E dépend du niveau d'irradiance - le rayonnement photonique reçu par la cellule crée des paires électron-trou). Or cette concentration de porteurs de charge minoritaires, parfois appelé « niveau d'injection », est fortement influencée par le point de fonctionnement courant de la cellule.The photovoltaic cell corresponding to the abacus of FIG. 1 is a monocrystalline silicon cell with a homojunction, the surface of which is equal to 1 cm 2. It comprises a substrate of monocrystalline Cz silicon (with a resistivity of between 0.5100 Ωcm). a passivation layer (eg SiN) on the front face of the substrate and an aluminum plate producing a repulsive field on the back of the substrate (BSF, "Back Surface Field"). On the chart of Figure 1, the cell operates at its maximum power, commonly called "MPP" (for "Maximum Power Point"). It is found that the energy E is significant, but decreases as the operating temperature of the cell increases. Performance regeneration is therefore a thermally activated process, i.e. that occurs faster at high temperatures. The influence of irradiance on the energy E is low, compared to that of the temperature. The study was also able to demonstrate that the energy required for a complete regeneration of the cell's performance depended on the concentration of minority charge carriers in the silicon substrate (which explains why the energy E depends on the level of irradiance - the photon radiation received by the cell creates electron-hole pairs). However, this concentration of minority charge carriers, sometimes called "injection level", is strongly influenced by the current operating point of the cell.
15 Sur la figure 2, on a donc représenté à titre de comparaison le même type d'abaque en énergie, mais lorsque la cellule photovoltaïque est en circuit ouvert. Dans ces conditions, la cellule ne produit aucun courant et la tension à ses bornes est maximale (tension de circuit ouvert). L'énergie E dépend toujours autant de l'irradiance. Par contre, l'énergie E diminue bien plus rapidement en augmentant la 20 température, comparativement au cas où le module est à son maximum de puissance (Fig.1). Il est donc préférable, pour régénérer les performances d'un module photovoltaïque, de polariser ce module à une tension proche de la tension en circuit ouvert, notée ci-après Uoc.In FIG. 2, the same type of energy abacus is shown for comparison, but when the photovoltaic cell is in open circuit. Under these conditions, the cell produces no current and the voltage at its terminals is maximum (open circuit voltage). The energy E always depends as much on the irradiance. On the other hand, the energy E decreases much more rapidly by increasing the temperature, compared with the case where the module is at its maximum power (FIG. It is therefore preferable, to regenerate the performance of a photovoltaic module, to bias this module to a voltage close to the open circuit voltage, hereinafter noted Uoc.
25 Partant des résultats de cette étude, les inventeurs ont mis au point un dispositif de régénération fonctionnant à l'énergie solaire, permettant de chauffer les cellules photovoltaïques d'un module jusqu'à une température cible et d'arrêter le chauffage lorsque la quantité de rayonnement reçu par une ou plusieurs cellules photovoltaïques de référence atteint une valeur seuil correspondant à la température 30 cible. Cette valeur seuil est, de préférence, une valeur d'énergie solaire reçue par unité de surface active (i.e. surface des cellules de référence) et s'exprime donc en Wh/m2. Elle est avantageusement calculée à partir d'un abaque de l'énergie E (énergie requise pour obtenir une régénération complète des performances d'une 3034591 10 cellule) à la tension de fonctionnement de la cellule de référence : par exemple celui de la figure 2 lorsque la tension est égale à la tension en circuit ouvert ou un autre abaque du même type lorsque la tension est inférieure à la tension en circuit ouvert. Cet autre abaque peut d'ailleurs être dérivé de celui des figures 1 et 2 (par exemple 5 en supposant que la variation entre les deux points de fonctionnement est linéaire). Par exemple, lorsqu'on utilise une seule cellule de référence, la valeur seuil est égale à la valeur d'énergie E obtenue sur l'abaque pour un point d'ordonnée égale à la température cible et d'abscisse égale à l'irradiance (solaire) moyenne à laquelle est soumise la cellule de référence, divisée par la surface de la cellule ayant servi à 10 construire l'abaque (ici 1 cm2). La cellule ayant servi à construire l'abaque est, de préférence, identique à la cellule de référence. L'irradiance moyenne dépend des conditions météorologiques lors la régénération des performances. La température cible est, de préférence, supérieure à 70 °C.From the results of this study, the inventors have developed a regeneration device operating with solar energy, for heating the photovoltaic cells of a module to a target temperature and to stop the heating when the quantity radiation received by one or more reference photovoltaic cells reaches a threshold value corresponding to the target temperature. This threshold value is preferably a solar energy value received per unit of active surface area (i.e. area of the reference cells) and is therefore expressed in Wh / m2. It is advantageously calculated from an abacus of the energy E (the energy required to obtain a complete regeneration of the performances of a cell) to the operating voltage of the reference cell: for example that of FIG. when the voltage is equal to the open circuit voltage or another abacus of the same type when the voltage is lower than the open circuit voltage. This other abacus can also be derived from that of FIGS. 1 and 2 (for example assuming that the variation between the two operating points is linear). For example, when using a single reference cell, the threshold value is equal to the energy value E obtained on the chart for a point of ordinate equal to the target temperature and of abscissa equal to the irradiance (solar) average which is subjected to the reference cell, divided by the surface of the cell used to construct the abacus (here 1 cm 2). The cell used to construct the abacus is preferably identical to the reference cell. Average irradiance depends on weather conditions during regeneration of performance. The target temperature is preferably greater than 70 ° C.
15 La figure 3 représente un premier mode de réalisation de ce dispositif de régénération, couplé à un module photovoltaïque 100. Par module, on entend un ensemble de cellules photovoltaïques interconnectées électriquement et encapsulées afin de les protéger de l'environnement, en particulier de l'oxygène et de l'humidité. Le module photovoltaïque 100 est lui-même couplé à un circuit 20 électrique extérieur 200, par exemple celui d'une installation photovoltaïque. D'autres modules photovoltaïques peuvent être branchés sur le circuit électrique 200, formant ainsi une chaîne de modules photovoltaïques. En bout de chaîne, on trouve généralement un onduleur capable de transformer le courant continu des modules photovoltaïques en un courant alternatif.FIG. 3 represents a first embodiment of this regeneration device, coupled to a photovoltaic module 100. By module, is meant a set of photovoltaic cells interconnected electrically and encapsulated in order to protect them from the environment, in particular the oxygen and moisture. The photovoltaic module 100 is itself coupled to an external electrical circuit 200, for example that of a photovoltaic installation. Other photovoltaic modules can be connected to the electrical circuit 200, thus forming a chain of photovoltaic modules. At the end of the chain, there is usually an inverter capable of transforming the direct current of the photovoltaic modules into an alternating current.
25 Le dispositif de régénération 300 comporte un élément chauffant 310 destiné à chauffer les cellules photovoltaïques du module 100, un commutateur 320 permettant d'activer et désactiver l'élément chauffant 310, et un circuit de commande 330 du commutateur 320.The regenerator 300 comprises a heating element 310 for heating the photovoltaic cells of the module 100, a switch 320 for activating and deactivating the heating element 310, and a control circuit 330 for the switch 320.
30 L'élément chauffant 310 comprend, dans ce mode de réalisation, une résistance électrique chauffante alimentée en énergie par les cellules photovoltaïques du module 100, lorsque le commutateur 320 relie électriquement le module à la 3034591 11 résistance. En effet, le commutateur 320 peut basculer, sur ordre du circuit de commande 330, entre une première position (cf. Fig.3 ; position (1)) dans laquelle le module 100 est connecté à la résistance chauffante, et une seconde position (cf. Fig.3 ; position (2)), dans laquelle le module est déconnecté de la résistance 5 chauffante et raccordé au circuit électrique 200. Autrement dit, l'élément chauffant 310 est actif lorsque le commutateur 320 est dans la première position et inactif lorsque le commutateur est dans la seconde position. Par contre, dans la seconde position, le module photovoltaïque 100 alimente en énergie le circuit électrique 200 de l'installation photovoltaïque, ce qui correspond bien sûr à une 10 utilisation classique du module. Le circuit de commande 330 décide à partir de quand la résistance chauffante 310 peut être déconnectée du module photovoltaïque 100, en basculant le commutateur 320 de la première position à la seconde position, c'est-à-dire à quel 15 moment mettre fin au processus de régénération des performances du module. Comme cela est illustré sur la figure 3, le circuit de commande 330 comprend de préférence un capteur de courant 332 permettant de mesurer le courant électrique I produit par le module 100, lorsque celui-ci est exposé au rayonnement solaire et qu'il 20 alimente la résistance chauffante 310 (commutateur 320 en position (1)). Le capteur de courant 332 est par exemple formé d'un shunt de mesure connecté en série avec la résistance chauffante 310. Le circuit 330 comprend en outre un convertisseur courant-fréquence 333 connecté 25 aux bornes du capteur de courant 332 et un compteur d'impulsions 334 dont une des entrées est connectée à la sortie du convertisseur 333. En particulier, le convertisseur 333 capte la tension V aux bornes du capteur de courant 332 et produit en sortie un train d'impulsions 335 de fréquence F variable.In this embodiment, the heating element 310 comprises a heating electric heating element powered by the photovoltaic cells of the module 100, when the switch 320 electrically connects the module to the resistor. Indeed, the switch 320 can switch, on the order of the control circuit 330, between a first position (see Fig.3; position (1)) in which the module 100 is connected to the heating resistor, and a second position ( see Fig.3; position (2)), wherein the module is disconnected from the heating resistor and connected to the electrical circuit 200. In other words, the heating element 310 is active when the switch 320 is in the first position and inactive when the switch is in the second position. On the other hand, in the second position, the photovoltaic module 100 supplies energy to the electrical circuit 200 of the photovoltaic installation, which of course corresponds to a conventional use of the module. The control circuit 330 decides from when the heating resistor 310 can be disconnected from the photovoltaic module 100, by switching the switch 320 from the first position to the second position, i.e. when to terminate the switch. regeneration process of module performance. As illustrated in FIG. 3, the control circuit 330 preferably comprises a current sensor 332 for measuring the electric current I produced by the module 100, when the latter is exposed to the solar radiation and that it is supplying power. the heating resistor 310 (switch 320 in position (1)). The current sensor 332 is, for example, formed of a measurement shunt connected in series with the heating resistor 310. The circuit 330 further comprises a current-frequency converter 333 connected to the terminals of the current sensor 332 and a power counter. pulses 334, one of whose inputs is connected to the output of the converter 333. In particular, the converter 333 captures the voltage V across the current sensor 332 and outputs a pulse train 335 of variable frequency F.
30 Ce train d'impulsions 335 constitue un signal périodique dont la fréquence (ou la période, notée 1/F sur la figure 3) dépend de la tension V. Les impulsions sont par exemple de forme rectangulaire.This pulse train 335 constitutes a periodic signal whose frequency (or the period, denoted 1 / F in FIG. 3) depends on the voltage V. The pulses are, for example, of rectangular shape.
3034591 12 Puisque la tension V aux bornes du capteur 332 est une image du courant I produit par le module 100 à un instant t donné, la fréquence F des impulsions est représentative du niveau d'irradiance du module à cet instant. Ainsi, en intégrant grâce au compteur d'impulsions 334 le niveau d'irradiance au cours du temps (i.e. à 5 partir du moment où le commutateur 320 est en position (1) jusqu'à l'instant t), on obtient une valeur de l'énergie solaire reçue par unité de surface active. La surface active est la surface des cellules de référence servant à mesurer le niveau d'irradiance solaire, soit la surface de l'ensemble des cellules du module dans ce mode de réalisation. En d'autres termes, le nombre N d'impulsions enregistrées par 10 le compteur 334 est équivalent à une valeur d'énergie solaire par unité de surface, ou quantité de rayonnement solaire, reçue par le module photovoltaïque 100. Le compteur d'impulsions 334 est en outre configuré pour comparer le nombre d'impulsions N à un nombre d'impulsions de référence NREF. Ainsi, dans ce mode de 15 réalisation du circuit de commande 330, le nombre d'impulsions de référence NREF correspond à la valeur seuil d'énergie solaire (par unité de surface) requise pour régénérer (au moins en partie) les performances du module. La valeur seuil d'énergie solaire a été précédemment décrite en relation avec la figure 2, dans le cas d'une régénération complète des performances (par exemple, énergie E divisée par 20 la surface de la cellule). Lorsque le nombre d'impulsions N du compteur 334 atteint la valeur NREF, cela signifie que le module a reçu suffisamment d'énergie solaire pour retrouver un niveau de performances acceptable et que le processus de régénération peut être stoppé.Since the voltage V across the sensor 332 is an image of the current I produced by the module 100 at a given instant t, the frequency F of the pulses is representative of the level of irradiance of the module at this time. Thus, by integrating with the pulse counter 334 the level of irradiance over time (ie from the moment when the switch 320 is in position (1) until time t), a value is obtained. received solar energy per unit of active area. The active surface is the surface of the reference cells used to measure the level of solar irradiance, ie the surface of all the cells of the module in this embodiment. In other words, the number N of pulses recorded by the counter 334 is equivalent to a value of solar energy per unit area, or amount of solar radiation, received by the photovoltaic module 100. The pulse counter 334 is further configured to compare the number of pulses N to a number of reference pulses NREF. Thus, in this embodiment of the control circuit 330, the number of NREF reference pulses corresponds to the solar energy threshold value (per unit area) required to regenerate (at least in part) the module performance. . The threshold value of solar energy has previously been described in connection with FIG. 2, in the case of a complete regeneration of the performances (for example, energy E divided by the surface of the cell). When the number of pulses N of the counter 334 reaches the value NREF, it means that the module has received enough solar energy to recover an acceptable level of performance and that the regeneration process can be stopped.
25 Le compteur 334 commande alors le basculement du commutateur dans la position (2). Dans une variante du circuit de commande non représentée sur les figures, on peut ne considérer qu'une seule cellule du module pour mesurer la quantité de 30 rayonnement solaire reçue, plutôt que d'utiliser l'ensemble de ses cellules. Dans ce cas, une autre valeur de référence NREF peut être choisie ou, si l'on conserve la même valeur de référence, la valeur du shunt de mesure est adaptée.The counter 334 then controls the switching of the switch in the position (2). In a variant of the control circuit not shown in the figures, only one cell of the module can be considered for measuring the amount of solar radiation received, rather than using all of its cells. In this case, another reference value NREF can be chosen or, if the same reference value is retained, the value of the measurement shunt is adapted.
3034591 13 La valeur seuil de rayonnement solaire (dont découle NREF) dépend en fait du courant généré par la (ou les) cellule(s) de référence. Avec une seule cellule de référence, elle est ajustée en fonction des caractéristiques de cette cellule, et notamment de son rendement photonique (le rendement photonique permet, à partir 5 de l'irradiance, de remonter au courant généré). Lorsqu'on utilise plusieurs cellules de référence reliées électriquement en série, ce qui est généralement le cas dans un module photovoltaïque, on prendra en compte les caractéristiques de la cellule qui génère le moins de courant pour déterminer la valeur seuil. Lorsqu'on utilise plusieurs cellules de référence reliées électriquement en parallèle, les courants 10 s'additionnent. Dans ce cas, pour être représentative de la régénération, la valeur seuil peut être adaptée au nombre de cellules connectées en parallèle (ou au nombre de chaînes de cellules connectées en parallèle), par exemple en multipliant la valeur seuil déterminée pour une cellule par le nombre de cellules connectées en parallèle. C'est donc les caractéristiques de toutes ces cellules qui seront prises en 15 compte. Plus généralement, pour fixer la valeur seuil, on caractérise au préalable toutes les cellules qui contribueront au courant servant à mesurer la quantité de rayonnement reçu. Le compteur d'impulsions 334 est, de préférence, muni d'une entrée de 20 réinitialisation RST permettant un remise à zéro du nombre d'impulsions N. Cette remise à zéro peut être commandée de façon manuelle, par exemple lors de la maintenance du module, ou de façon automatique, par exemple après une certaine durée d'exposition au rayonnement solaire. La réinitialisation du compteur d'impulsions 334 permet d'effectuer plusieurs processus de régénération durant la 25 vie du module photovoltaïque. Cela est particulièrement avantageux pour lutter contre les phénomènes LID et PID, car ces phénomènes peuvent réapparaitre après guérison du module. La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation 400 du dispositif de 30 régénération, et en particulier une autre configuration du circuit de commande du commutateur. Le circuit de commande 430 de la figure 4 diffère du circuit de commande 330 de la figure 3 en ce qu'une cellule photovoltaïque de référence 431, distincte des cellules appartenant au module photovoltaïque 100, est utilisée pour 3034591 14 mesurer le niveau d'irradiance du module. Elle est, de préférence, identique aux cellules photovoltaïques du module 100. En dehors de ce circuit de commande 430, le dispositif de régénération 400 est identique au dispositif de régénération 300 de la figure 3.Sur la figure 4, la résistance chauffante et le commutateur portent les mêmes 5 références (respectivement 310 et 320) que sur la figure 3. La cellule photovoltaïque de référence 431 est disposée à proximité des cellules du module 100, de sorte qu'elle soit soumise au même rayonnement solaire, et donc au même niveau d'irradiance que le module. Un capteur de courant 432, semblable ou 10 identique au capteur de courant 332 de la figure 3, mesure le courant électrique l' produit par la cellule de référence 431. De préférence, le capteur de courant 432 est un shunt de mesure connecté en série avec la cellule de référence 431. La tension V aux bornes du shunt est alors proportionnelle au courant l' de la cellule 431.The threshold value of solar radiation (from which NREF derives) depends in fact on the current generated by the reference cell (s). With a single reference cell, it is adjusted according to the characteristics of this cell, and in particular its photon efficiency (the photonic efficiency makes it possible, from the irradiance, to go back to the generated current). When using several reference cells connected electrically in series, which is generally the case in a photovoltaic module, the characteristics of the cell that generates the least current to determine the threshold value will be taken into account. When using several reference cells electrically connected in parallel, the currents 10 add up. In this case, to be representative of the regeneration, the threshold value can be adapted to the number of cells connected in parallel (or to the number of parallel connected cell chains), for example by multiplying the threshold value determined for a cell by the number of cells connected in parallel. So the characteristics of all these cells will be taken into account. More generally, in order to set the threshold value, all the cells which will contribute to the current used to measure the quantity of radiation received will be pre-characterized. The pulse counter 334 is preferably provided with a reset input RST for resetting the number of N pulses. This reset can be manually controlled, for example during the maintenance of the pulse. module, or automatically, for example after a certain period of exposure to solar radiation. Resetting the pulse counter 334 makes it possible to perform several regeneration processes during the life of the photovoltaic module. This is particularly advantageous for combating LID and PID phenomena, since these phenomena can reappear after healing of the module. Fig. 4 shows a second embodiment 400 of the regeneration device, and in particular another configuration of the switch control circuit. The control circuit 430 of FIG. 4 differs from the control circuit 330 of FIG. 3 in that a reference photovoltaic cell 431, distinct from the cells belonging to the photovoltaic module 100, is used to measure the level of irradiance. of the module. It is preferably identical to the photovoltaic cells of the module 100. Outside this control circuit 430, the regeneration device 400 is identical to the regeneration device 300 of FIG. 3. In FIG. 4, the heating resistor and the The reference photovoltaic cell 431 is disposed near the cells of the module 100, so that it is subjected to the same solar radiation, and therefore to the same level of irradiance as the module. A current sensor 432, similar or identical to the current sensor 332 of FIG. 3, measures the electric current produced by the reference cell 431. Preferably, the current sensor 432 is a measurement shunt connected in series. with the reference cell 431. The voltage V across the shunt is then proportional to the current I 'of the cell 431.
15 A l'instar du circuit de commande 330 (Fig.3), le circuit de commande 430 de la figure 4 comprend un convertisseur courant-fréquence 433 et un compteur d'impulsions 434. Le convertisseur 433 et le compteur d'impulsions 434 fonctionnent de la même manière que le convertisseur 332 et le compteur 333 de la figure 3.Like the control circuit 330 (FIG. 3), the control circuit 430 of FIG. 4 comprises a current-frequency converter 433 and a pulse counter 434. The converter 433 and the pulse counter 434 operate in the same way as the converter 332 and the counter 333 of FIG.
20 Puisque la cellule de référence 431 montre le même niveau d'irradiance que le module photovoltaïque 100, l'énergie reçue par unité de surface de la cellule 431 est égale à l'énergie reçue par unité de surface du module. On peut donc valablement utilisée la cellule de référence 431 pour estimer la quantité de rayonnement reçue par le module.Since the reference cell 431 exhibits the same level of irradiance as the photovoltaic module 100, the energy received per unit area of the cell 431 is equal to the energy received per unit area of the module. The reference cell 431 can therefore be validly used to estimate the amount of radiation received by the module.
25 Ce mode de réalisation du dispositif de régénération est particulièrement avantageux, car il permet de déporter plus facilement l'électronique de commande du commutateur 320. En outre, dans ce mode de réalisation, le circuit de commande 430 peut être partagé entre plusieurs modules photovoltaïques 100, 30 chacun étant équipé d'une résistance chauffante 310 et d'un commutateur 320. Les commutateurs 320 sont alors commandés simultanément par cet unique circuit de commande 430.This embodiment of the regeneration device is particularly advantageous because it makes it easier to shift the control electronics of the switch 320. In addition, in this embodiment, the control circuit 430 can be shared between several photovoltaic modules. 100, 30 each being equipped with a heating resistor 310 and a switch 320. The switches 320 are then controlled simultaneously by this single control circuit 430.
3034591 15 A partir du moment où le commutateur 320 du dispositif de régulation bascule dans la première position (Figs.3-4), la température des cellules photovoltaïques augmente progressivement. Partant de la température ambiante, c'est-à-dire la température à l'extérieur du module (par exemple 25 °C), elle augmente jusqu'à 5 atteindre une température d'équilibre, qui dépend des conditions météorologiques, en particulier du niveau d'ensoleillement et de la vitesse du vent. Si cette température d'équilibre est inférieure à la température cible à laquelle on souhaite régénérer les performances du module, cela signifie que l'énergie électrique fournie par le module à la résistance chauffante 310 n'est pas suffisante pour chauffer les 10 cellules à la température cible. Ce cas de figure est susceptible de se présenter pour des modules photovoltaïques de faible surface (et donc de faible puissance), où la dissipation thermique par effets de bord est prépondérante (du fait d'un plus fort ratio périmètre/surface). Plutôt que de reconsidérer la valeur de température cible, la résistance chauffante 310 du dispositif de régénération équipant ce module peut être 15 alimentée par d'autres modules photovoltaïques, un générateur électrique externe ou le réseau électrique à laquelle est raccordée l'installation photovoltaïque. Dans une chaîne de modules photovoltaïques où chaque module est équipé d'un dispositif de régénération, la régénération des performances peut avoir lieu sur 20 chaque module, l'un après l'autre, en utilisant l'énergie photovoltaïque produite par l'ensemble de la chaîne. Un seul commutateur est alors dans la première position à chaque instant du processus de régénération de la chaîne de modules photovoltaïques.As soon as the switch 320 of the regulating device switches to the first position (FIGS. 3-4), the temperature of the photovoltaic cells increases progressively. Starting from the ambient temperature, that is to say the temperature outside the module (for example 25 ° C.), it increases until reaching an equilibrium temperature, which depends on the meteorological conditions, in particular the level of sunshine and the wind speed. If this equilibrium temperature is lower than the target temperature at which it is desired to regenerate the performance of the module, it means that the electrical energy supplied by the module to the heating resistor 310 is not sufficient to heat the cells at room temperature. target temperature. This scenario is likely to arise for photovoltaic modules of small surface area (and therefore low power), where the thermal dissipation by edge effects is preponderant (due to a higher ratio perimeter / area). Rather than reconsidering the target temperature value, the heating resistor 310 of the regeneration device equipping this module can be powered by other photovoltaic modules, an external electrical generator or the electrical network to which the photovoltaic installation is connected. In a chain of photovoltaic modules where each module is equipped with a regeneration device, the regeneration of the performances can take place on each module, one after the other, using the photovoltaic energy produced by the set of photovoltaic modules. chain. A single switch is then in the first position at each instant of the process of regeneration of the photovoltaic module chain.
25 Lorsque les conditions météorologiques sont favorables, ou lorsque l'énergie électrique fournie à la résistance chauffante est plus grande que nécessaire, la température d'équilibre peut dépasser la température cible. Pour éviter une dégradation du module (en particulier du matériau d'encapsulation des cellules photovoltaïques) sous l'effet d'une trop forte température, le dispositif de 30 régénération comprend avantageusement un dispositif de limitation de la température. Ce dispositif de limitation est, de préférence, réglé sur la température cible. Il est par exemple formé d'un protecteur thermique bilame câblé en série avec la résistance chauffante 310. Collé sur le dos du module ou intégré au laminé qui 3034591 16 compose le module, ce composant ouvre le circuit électrique de la résistance chauffante 310 dès lors qu'il atteint un seuil de température prédéfini, par exemple 120 °C (température à partir de laquelle l'éthylène-acétate de vinyle (EVA), habituelle utilisé comme matériau d'encapsulation, commence à se dégrader) et ferme à 5 nouveau le circuit après que la température ait diminuée en dessous du seuil. Alternativement, la résistance chauffante et le dispositif de régulation de la température peuvent former un unique composant, par exemple un câble autorégulé, i.e. un câble dont la résistance électrique augmente avec la température. Ce type de 10 câble comprend une matrice isolante dans laquelle sont dispersées des particules conductrices électriquement. A faible température, les particules sont suffisamment proches les unes des autres pour former des chemins conducteurs, qui produisent de la chaleur par effet Joule. Plus la température du câble augmente, plus les particules se dispersent, diminuant ainsi le nombre de chemins conducteurs. En 15 d'autres termes, le câble s'autorégule en température. Une feuille de polymère autorégulé fonctionne selon le même principe qu'un câble autorégulé et peut donc servir à former simultanément la résistance chauffante et le dispositif de régulation. La résistance chauffante 310 du dispositif de régénération des figures 3 et 4 peut 20 être constituée d'une feuille métallique (par exemple en aluminium), d'un tissu comportant des fibres textiles et métalliques (par exemple les tissus commercialisés sous la marque « Devifoil » par la société « Danfoss Electric Heating Systems ») ou d'une couverture chauffante (par exemple celle commercialisée par la société « INSULFLEX »). Elle est alors plaquée contre la face arrière du module. La 25 résistance chauffante 310 peut aussi être formée d'un revêtement polymérique conducteur (par exemple le polyéthylène dioxythiofène, PEDT) déposé sur la face arrière du module, par exemple par immersion du module dans une dispersion aqueuse. Elle recouvre, de préférence, la totalité de la face arrière du module.When the weather conditions are favorable, or when the electrical energy supplied to the heating resistor is larger than necessary, the equilibrium temperature may exceed the target temperature. To avoid degradation of the module (in particular the encapsulation material of the photovoltaic cells) under the effect of too high a temperature, the regeneration device advantageously comprises a device for limiting the temperature. This limitation device is preferably set to the target temperature. It is for example formed of a bimetallic heat protector wired in series with the heating resistor 310. Bonded on the back of the module or integrated with the laminate which composes the module, this component opens the electrical circuit of the heating resistor 310. that it reaches a predefined temperature threshold, for example 120 ° C (temperature from which the ethylene-vinyl acetate (EVA), usual used as encapsulating material, begins to degrade) and closes again the circuit after the temperature has decreased below the threshold. Alternatively, the heating resistor and the temperature control device may form a single component, for example a self-regulating cable, i.e. a cable whose electrical resistance increases with temperature. This type of cable comprises an insulating matrix in which electrically conductive particles are dispersed. At low temperatures, the particles are sufficiently close to each other to form conducting paths, which produce heat by the Joule effect. As the temperature of the cable increases, the particles disperse, thus reducing the number of conductive paths. In other words, the cable self-regulates in temperature. A self-regulating polymer sheet operates on the same principle as a self-regulating cable and can therefore be used to simultaneously form the heating resistor and the regulating device. The heating resistor 310 of the regeneration device of FIGS. 3 and 4 may consist of a metal foil (for example of aluminum), a fabric comprising textile and metal fibers (for example the fabrics sold under the trademark "Devifoil" By the company "Danfoss Electric Heating Systems") or a heating blanket (for example that marketed by the company "INSULFLEX"). It is then pressed against the rear face of the module. Heating resistor 310 may also be formed of a conductive polymeric coating (e.g. polyethylene dioxythiofen, PEDT) deposited on the back side of the module, for example by immersing the module in an aqueous dispersion. It covers, preferably, the entire back of the module.
30 En reportant ainsi l'élément chauffant sur la face arrière du module, le dispositif de régénération peut équiper des modules photovoltaïques existants. Toutefois, dans une variante de réalisation, l'élément chauffant est intégré au module photovoltaïque lors de sa fabrication.By thus transferring the heating element to the rear face of the module, the regeneration device can equip existing photovoltaic modules. However, in an alternative embodiment, the heating element is integrated in the photovoltaic module during its manufacture.
3034591 17 La figure 5 représente schématiquement un module photovoltaïque 500 comprenant un lot de cellules photovoltaïques 510 interconnectées et un élément chauffant 310, chacun étant enrobé de matériau d'encapsulation 520. Le matériau 5 d'encapsulation 520 est transparent au rayonnement solaire et vise à protéger les cellules photovoltaïques 510 de l'oxygène et de l'humidité. Les cellules photovoltaïques 510 (entourées du matériau d'encapsulation 520) sont disposées en regard de l'élément chauffant 310 entre une plaque avant 530 en un matériau transparent, par exemple en verre, et une plaque arrière 540 (ou « backsheet » en 10 anglais). La plaque avant 530, soumise au rayonnement solaire, protège les cellules photovoltaïques des intempéries (pluie, grêle...), tandis que la plaque arrière joue le rôle de support mécanique. En outre, la plaque arrière 540 participe à la protection des cellules vis-à-vis de l'oxygène et de l'humidité, au même titre que le matériau d'encapsulation 520 et la plaque avant 530. Elle peut être en verre ou formée d'un 15 laminé de plusieurs couches, notamment polymères, par exemple de type TPT (PVF/P ET/PVF, PVDF/P ET/PVDF) ou TPE (PVF/PET/EVA). Afin de ne pas diminuer la quantité de photons absorbés par les cellules photovoltaïques, l'élément chauffant 310 peut être placé entre les cellules 20 photovoltaïques 510 et la plaque arrière 540. De préférence, l'élément chauffant 310 est disposé parallèlement aux cellules photovoltaïques 510 et ses dimensions sont sensiblement identiques à celles de l'ensemble de cellules photovoltaïques 510, afin que l'effet de chauffage sur les cellules soit homogène. Lorsqu'il est intégré au module, l'élément chauffant 310 est de préférence formé d'un ruban électriquement 25 résistif comprenant une multitude de fils métalliques, entremêlés, tissés ou au contraire agencés parallèlement les uns aux autres. Le module photovoltaïque 500 comporte avantageusement une feuille d'isolation électrique 550, par exemple en polytéréphtalate d'éthylène (PET), disposée entre les 30 cellules photovoltaïques 510 et l'élément chauffant 310. Cette feuille 550 renforce l'isolation électrique réalisée par le matériau d'encapsulation 520, par exemple de l'éthylène-acétate de vinyle (EVA), entre les cellules photovoltaïques 510 et l'élément chauffant 310. Elle s'avère particulièrement utile lorsque l'épaisseur du matériau 3034591 18 d'encapsulation 520 entre les cellules 510 et l'élément chauffant 310 (épaisseur D2 sur la figure 5) est faible. Plutôt que de disposer l'élément chauffant 310 dans le matériau d'encapsulation 520 5 des cellules photovoltaïques, l'élément chauffant peut être inséré au sein de la plaque arrière 540 du module 500, lorsqu'elle est constituée d'un laminé de plusieurs couches. L'élément chauffant peut avoir la forme d'un ruban de fils électriques, comme décrit précédemment, ou être constitué d'une feuille métallique, par exemple en aluminium (AI). Certaines plaques arrière disponibles dans le commerce 10 comprennent déjà d'une feuille en aluminium, afin d'empêcher la vapeur d'eau de pénétrer à l'intérieur du module, comme les plaques arrière de type TAT (PVF/Al/EVA), PAP (PEN/Al/PET) ou TPAT (PVF/PET/Al/PVF). Il suffit donc d'appliquer une tension sur cette feuille d'aluminium pour générer de la chaleur par effet Joule.FIG. 5 schematically represents a photovoltaic module 500 comprising a batch of interconnected photovoltaic cells 510 and a heating element 310, each being encapsulated with encapsulation material 520. The encapsulating material 520 is transparent to solar radiation and aims at protect the photovoltaic cells 510 from oxygen and moisture. The photovoltaic cells 510 (surrounded by the encapsulating material 520) are arranged facing the heating element 310 between a front plate 530 of a transparent material, for example glass, and a back plate 540 (or backsheet). English). The front plate 530, subjected to solar radiation, protects the photovoltaic cells from bad weather (rain, hail ...), while the back plate plays the role of mechanical support. In addition, the backplate 540 contributes to the protection of the cells against oxygen and moisture, as well as the encapsulation material 520 and the front plate 530. It can be made of glass or formed of a laminate of several layers, in particular polymers, for example of TPT type (PVF / P AND / PVF, PVDF / P AND / PVDF) or TPE (PVF / PET / EVA). In order not to decrease the amount of photons absorbed by the photovoltaic cells, the heating element 310 may be placed between the photovoltaic cells 510 and the backplate 540. Preferably, the heating element 310 is arranged parallel to the photovoltaic cells 510. and its dimensions are substantially identical to those of the set of photovoltaic cells 510, so that the heating effect on the cells is homogeneous. When integrated with the module, the heating element 310 is preferably formed of an electrically resistive ribbon comprising a multitude of intermingled, woven or otherwise parallel metallic wires. The photovoltaic module 500 advantageously comprises an electrical insulation sheet 550, for example polyethylene terephthalate (PET), disposed between the photovoltaic cells 510 and the heating element 310. This sheet 550 reinforces the electrical insulation produced by the encapsulation material 520, for example ethylene-vinyl acetate (EVA), between the photovoltaic cells 510 and the heating element 310. It is particularly useful when the thickness of the encapsulation material 520 between the cells 510 and the heating element 310 (thickness D2 in FIG. 5) is small. Rather than having the heating element 310 in the encapsulating material 520 of the photovoltaic cells, the heating element can be inserted within the back plate 540 of the module 500, when it consists of a laminate of several layers. The heating element may be in the form of a ribbon of electrical wires, as described above, or consist of a metal sheet, for example aluminum (AI). Some commercially available backplates already include an aluminum foil to prevent water vapor from entering the interior of the module, such as TAT backplates (PVF / Al / EVA), PAP (PEN / Al / PET) or TPAT (PVF / PET / Al / PVF). It is therefore sufficient to apply tension on this aluminum foil to generate heat by Joule effect.
15 En supposant que la totalité de l'énergie dissipée par l'élément chauffant 310 sert à élever la température au niveau des cellules 510, c'est-à-dire en négligeant les pertes thermiques entre le matériau d'encapsulation520 et l'extérieur du module 500, les pertes thermiques entre le matériau d'encapsulation 520 et la plaque 20 arrière 540, ainsi que l'influence de la feuille d'isolation 550, l'énergie Q que doit générer l'élément chauffant 310 pour atteindre une variation de température AT s'écrit : Q = pe x Cp x Ve x AT OÙ Ve est le volume du matériau d'encapsulation 520, pe sa masse volumique et 25 Cp sa capacité thermique massique. Le volume Ve du matériau d'encapsulation 520 est égal à: Ve -= (D1 + D2 + D3) x L * où L est la longueur du module, / est sa largeur, et où D1, D2 et D3 sont les 30 épaisseurs du matériau d'encapsulation 520, respectivement entre la plaque arrière 540 et la feuille d'isolation électrique 550, entre la feuille d'isolation électrique 550 et les cellules photovoltaïques 510, et entre les cellules 3034591 19 photovoltaïques 510 et la plaque avant 530. (cf. Fig.5). Les dimensions du module photovoltaïques sont par exemple les suivantes : L = 150 cm, I = 100 cm et D1 = D2 = D3 = 0,04 cm ; soit un volume d'encapsulant 5 égal à : Ve = 0,12 x 15000 = 1800 cm3 Le matériau d'encapsulation le plus courant est l'EVA dont les caractéristiques sont les suivantes : 10 pe = 0,98 g/cm3 ; et Cp = 2,5 J/g/K. Ainsi, pour générer une augmentation de 50 °C de la température des cellules photovoltaïques 510 dans le module schématisé sur la figure 5, l'élément 15 chauffant 310 doit dégager une énergie thermique Q égale à: Q = 0,98 x 2,5 x 1800 x 50 = 220 ld = 61,2 Wh En fonction de la puissance électrique fournie par le module photovoltaïque, la montée en température se fera plus ou moins rapidement. En effet, la puissance 20 fournie par le module est la même que celle dissipée par la résistance chauffante, car la résistance chauffante 310 est connectée en parallèle du module 100 (cf. Figs.3-4 - l'éventuel shunt de mesure 332 connecté en série avec la résistance chauffante 310 étant de valeur négligeable). Par exemple, si la puissance du module est de 120W, plus d'une demi-heure sera nécessaire pour passer d'une température 25 ambiante de 25 °C à la température cible de 75 °C. De préférence, l'énergie fournie par le module est comptabilisée (via le compteur d'impulsions) en tant qu'énergie utile au processus de régénération, après expiration de ce délai de chauffe. La puissance électrique développée par un module photovoltaïque dépend de ses 30 caractéristiques intrinsèques et du niveau d'irradiance, mais également de la manière dont il est polarisé. Comme indiqué précédemment, il est préférable que le module soit polarisé à une 3034591 20 tension au plus près de la tension de circuit ouvert Uoc, afin que l'énergie nécessaire à la régénération soit contenue. Or la polarisation du module photovoltaïque 100 s'effectue au moyen de la résistance chauffante 310 dans les modes de réalisation des figures 3 et 4.Assuming that all of the energy dissipated by the heater 310 serves to raise the temperature at the cells 510, i.e. neglecting the heat losses between the encapsulating material 520 and the outside of the module 500, the thermal losses between the encapsulation material 520 and the back plate 540, as well as the influence of the insulation sheet 550, the energy Q that the heating element 310 must generate to reach a variation The temperature of AT is written as: Q = pe x Cp x Ve x AT where Ve is the volume of the encapsulation material 520, eg its density and 25 Cp its specific heat capacity. The volume Ve of the encapsulating material 520 is equal to: Ve - = (D1 + D2 + D3) x L * where L is the length of the module, / is its width, and where D1, D2 and D3 are the thicknesses encapsulation material 520, respectively between the backplate 540 and the electrical insulation sheet 550, between the electrical insulation sheet 550 and the photovoltaic cells 510, and between the photovoltaic cells 510 and the front plate 530. (see Fig.5). The dimensions of the photovoltaic module are for example the following: L = 150 cm, I = 100 cm and D1 = D2 = D3 = 0.04 cm; or a volume of encapsulant equal to: Ve = 0.12 x 15000 = 1800 cm3 The most common encapsulation material is the EVA whose characteristics are the following: pe = 0.98 g / cm 3; and Cp = 2.5 J / g / K. Thus, to generate a 50 ° C increase in the temperature of the photovoltaic cells 510 in the module shown diagrammatically in FIG. 5, the heating element 310 must release a thermal energy Q equal to: Q = 0.98 × 2.5 x 1800 x 50 = 220 ld = 61.2 Wh Depending on the electrical power supplied by the photovoltaic module, the rise in temperature will be more or less rapid. Indeed, the power supplied by the module 20 is the same as that dissipated by the heating resistor, because the heating resistor 310 is connected in parallel with the module 100 (see Figs.3-4 - the possible measurement shunt 332 connected in series with the heating resistor 310 being of negligible value). For example, if the power of the module is 120W, more than half an hour will be required to go from an ambient temperature of 25 ° C to the target temperature of 75 ° C. Preferably, the energy supplied by the module is counted (via the pulse counter) as energy useful for the regeneration process, after expiration of this heating time. The electrical power developed by a photovoltaic module depends on its intrinsic characteristics and the level of irradiance, but also on the way in which it is polarized. As indicated above, it is preferable for the module to be biased to a voltage as close as possible to the open circuit voltage Uoc, so that the energy required for the regeneration is contained. However, the polarization of the photovoltaic module 100 is effected by means of the heating resistor 310 in the embodiments of FIGS. 3 and 4.
5 La figure 6 représente, à titre d'exemple, des caractéristiques courant-tension (I-V) d'un module photovoltaïque du commerce (module commercialisé par la société « CanadianSolar » sous la référence « Quartech CS6P-255P »), pour différentes valeurs d'irradiance : 10 - courbe 01 : 400 W/m2 ; - courbe C2 : 600 W/m2 ; - courbe 03: 800 W/m2 ; et - courbe 04: 1000 W/m2. A ces caractéristiques I-V, on a superposé deux droites correspondant à deux 15 valeurs de la résistance chauffante : R1 = 4,5 û et R2 = 12 O. En considérant l'une quelconque des caractéristiques I-V du module (le constat est vrai pour toutes les courbes 01 à 04), par exemple la courbe 01, on constate que plus la résistance est élevée (R2>R1), plus la tension de fonctionnement U du 20 module (i.e. l'abscisse du pont d'intersectionA1/A2 entre la droite R1/R2 et la courbe 01) est proche de la tension en circuit ouvert (Uoc 36 V pour une irradiance de 400 W/m2). Par contre, le courant I issu du module (en ordonnées) faiblit lorsqu'on augmente la valeur de résistance. Or le module doit pouvoir produire suffisamment de courant pour alimenter la résistance chauffante 310 et atteindre la température 25 cible. La polarisation du module par la résistance chauffante résulte donc d'un compromis entre la tension (la plus élevée possible pour minimiser l'énergie nécessaire à la régénération) et le courant (suffisamment fort pour réduire le temps de chauffe et/ou maintenir la température).FIG. 6 represents, by way of example, current-voltage characteristics (IV) of a commercial photovoltaic module (module marketed by CanadianSolar under the reference "Quartech CS6P-255P"), for different values. irradiance: 10 - curve 01: 400 W / m2; curve C2: 600 W / m2; curve 03: 800 W / m2; and - curve 04: 1000 W / m2. To these characteristics IV, two lines corresponding to two values of the heating resistor were superimposed: R1 = 4.5 and R2 = 12 W. Considering any of the characteristics IV of the module (the observation is true for all the curves 01 to 04), for example the curve 01, it is found that the higher the resistance (R2> R1), the higher the operating voltage U of the module (ie the abscissa of the intersection bridge A1 / A2 between the R1 / R2 and curve 01) are close to the open circuit voltage (Uoc 36 V for irradiance 400 W / m2). By cons, the current I from the module (ordinate) weakens when increasing the resistance value. However, the module must be able to produce enough current to supply the heating resistor 310 and reach the target temperature. The polarization of the module by the heating resistor therefore results from a compromise between the voltage (the highest possible to minimize the energy required for regeneration) and the current (strong enough to reduce the heating time and / or maintain the temperature ).
30 Le point d'intersection entre la droite de la résistance chauffante 310 (R1 ou R2) et la caractéristique I-V sélectionnée (ici 01) du module correspond aux équations suivantes : 3034591 21 = = f (U) où f est une fonction décrivant la caractéristique I-V sélectionnée.The point of intersection between the line of the heating resistor 310 (R1 or R2) and the selected characteristic IV (here 01) of the module corresponds to the following equations: ## EQU1 ## where f is a function describing the IV characteristic selected.
5 Déterminer la valeur de résistance optimale, c'est-à-dire celle offrant le meilleur compromis entre régénération et chauffage, consiste donc à résoudre ces équations, en se donnant en outre comme paramètre d'entrée une valeur donnée de gradient de chauffe, par exemple 1 °C/minute. Ce dernier critère, en lien avec la capacité 113 massique de l'encapsulant, fournit une condition supplémentaire sur la puissance du module, et donc sur le courant I et sur la tension U. S'il existe plusieurs solutions à ce système d'équations, on choisira celle dont la tension de fonctionnement U est la plus élevée.Determining the optimum resistance value, that is to say the one offering the best compromise between regeneration and heating, therefore consists in solving these equations, while giving itself additionally as input parameter a given heating gradient value. for example 1 ° C / minute. This last criterion, in connection with the mass capacity 113 of the encapsulant, provides an additional condition on the power of the module, and therefore on the current I and on the voltage U. If there are several solutions to this system of equations choose the one whose operating voltage U is the highest.
15 Dans l'exemple de module ci-dessus, une résistance d'environ 12 0 à 25 °C (droite R2) répond aux différentes équations et constitue donc le meilleur compromis entre tension et courant (compte tenu du gradient de chauffe visé). Pour obtenir une telle valeur de résistance, du fil électrique ou un ruban conducteur 20 peut être utilisé. On appelle « ruban » une bande conductrice continue et monobloc (dont la section transversale est rectangulaire) ou une nappe composée de plusieurs fils (dont la section est un disque) pouvant être isolés les uns aux autres. Deux exemples de résistance électrique chauffante de 12 0 formée d'un ruban sont donnés ci-dessous.In the above module example, a resistance of about 120 ° to 25 ° C. (straight line R2) responds to the different equations and therefore constitutes the best compromise between voltage and current (given the targeted heating gradient). To obtain such a resistance value, electrical wire or conductive tape 20 may be used. The term "ribbon" refers to a continuous, monoblock conductive strip (whose cross section is rectangular) or a sheet composed of several wires (whose section is a disc) that can be isolated from each other. Two examples of heating electrical resistance of 120 formed of a ribbon are given below.
25 Le premier exemple de résistance chauffante consiste en un ruban comprenant 100 fils de cuivre allié avec du zinc (CuZn5) (résistivité électrique : PCuZn5 = 1,80.10-8 0.m). Les fils ont chacun une longueur de 150 cm (soit une longueur totale de fil de 150 m), une section en disque d'environ 0,0019 cm2 et sont 30 espacés les uns des autres d'une distance égale à 0,9 cm. Les fils sont répartis sur toute la surface du module - qui mesure 164,5 cm de longueur par 98,6 cm de largeur (mesures prises au niveau de la plaque arrière en verre) - et orientés dans le sens de la longueur. A la température de 25 °C, les valeurs correspondantes de 3034591 22 tension U et de courant I, pour une irradiance de 1000 W/m2 et 400 W/m2, sont données par le tableau 1 suivant. Elles proviennent de la résolution des équations ci-dessus. Elles sont également visibles sur les caractéristiques I-V de la figure 6. lrradiance (W/m2) Résistance R (0) Tension U (V) Courant I (A) 1000 12 36 3 400 12 33,6 2,8 Tableau 1 5 Sous l'effet de la température, la valeur de résistance R (déterminée initialement pour une température de 25°C) augmente, car la longueur totale de fil augmente (de 14 cm dans le cas présent) (coefficient de dilation de l'alliage cuivre-zinc : ÀCuZn5 = 1,8.10-5 /°C). La variation de résistance s'accompagne d'une modification de 10 la tension U aux bornes du module et du courant I issu du module. Les nouvelles valeurs de la résistance R, de la tension U et du courant I à la température cible de75°C ont été calculées à partir des équations suivantes : U750= U25° * (1 + aAT) R750c, = R250 * (1 + TAT) U750C R75oc OÙ U75°C, I75°C et R75°C sont respectivement les valeurs de tension, courant et résistance à 75 °C, U25°C et R25°C sont respectivement les valeurs de tension et résistance à 25 °C (cf. Tableau 1), a est le coefficient de température en tension (a = -0.34 %/°C pour le module CS6P-255P), t est le coefficient thermique 20 ("C = 3,93E-03 /°K ; ce coefficient traduit la dépendance de la résistivité du matériau en fonction de la température ) et AT est le gradient de température (ici, 50 °C). Elles sont répertoriées dans le tableau 2 ci-dessous : Irradiance (W/m2) Résistance R (0) Tension U (V) Courant I (A) 1000 14,3 28,7 2 400 14,3 25,8 1,8 Tableau 2 15 '75°C = 25 3034591 23 Le deuxième exemple de résistance chauffante (R250c = 12 0) est formé de deux résistances de 24 û connectées en parallèle. Chaque résistance de 24 û consiste en un ruban comprenant 15 fils d'un alliage nickel-chrome (Ni80/Cr20) (résistivité électrique : PNiCr = 1,08.10-6 am). Les fils ont chacun une longueur de 90 cm (soit 5 une longueur totale de fil de 27 m), une section d'environ 0,0061 cm2 et sont espacés les uns des autres d'une distance égale à 5 cm. Les fils sont répartis sur toute la surface du module et orientés dans le sens de la largeur. A 25 °C, les valeurs de tension U et de courant I sont les mêmes que celles du tableau 1 ci-dessus. Par contre, à 75 °C, les nouvelles valeurs de résistance, de tension et de courant, 10 indiquées dans le tableau 3 ci-après, diffèrent de celles du premier exemple. En effet, l'alliage nickel-chrome se dilate moins que le cuivre sous l'action de la température (coefficient de dilation du Ni80/Cr20 = 1,4.10-6/°C). lrradiance (W/m2) Résistance R (CI) Tension U (V) Courant I (A) 1000 12 48,1 2,0 400 12 43,3 1,8 Tableau 3 15 Le dispositif de régénération a jusqu'ici été décrit en relation avec un élément chauffant actif, i.e. qui nécessite d'être alimenté en énergie (en l'occurrence photovoltaïque) pour produire de la chaleur, et plus particulièrement un élément chauffant de type résistif. Cependant, d'autres types d'élément chauffant peuvent être envisagés, par exemple du chauffage radiatif par infrarouge qui nécessite aussi 20 d'être alimenté par une source d'énergie électrique. On peut aussi envisager d'utiliser en face arrière du module un réservoir comprenant des produits chimiques qui, en réagissant entre eux, dégagent de la chaleur. A titre d'exemple, on peut citer le système de réchauffage de nourriture « Crosse & Blackwell » qui est basé sur la réaction du magnésium et de l'eau salée.The first example of a heating resistor consists of a ribbon comprising 100 copper wires alloyed with zinc (CuZn5) (electrical resistivity: PCuZn5 = 1.80 × 10 -8 μm). The wires each have a length of 150 cm (ie a total length of wire of 150 m), a disc section of about 0.0019 cm 2 and are spaced from each other by a distance of 0.9 cm. . The wires are distributed over the entire surface of the module - which measures 164.5 cm long by 98.6 cm wide (measures taken at the glass backplate) - and oriented lengthwise. At the temperature of 25 ° C., the corresponding values of voltage U and current I, for an irradiance of 1000 W / m 2 and 400 W / m 2, are given in Table 1 below. They come from the resolution of the equations above. They are also visible on the characteristics IV of Figure 6. Radiance (W / m2) Resistance R (0) Voltage U (V) Current I (A) 1000 12 36 3 400 12 33.6 2.8 Table 1 5 Under the effect of the temperature, the resistance value R (determined initially for a temperature of 25 ° C) increases, because the total length of wire increases (of 14 cm in this case) (coefficient of expansion of the copper alloy -Zinc: At CuZn5 = 1.8 x 10-5 / ° C). The variation in resistance is accompanied by a modification of the voltage U at the terminals of the module and of the current I coming from the module. The new values of the resistance R, the voltage U and the current I at the target temperature of 75 ° C were calculated from the following equations: U750 = U25 ° * (1 + aAT) R750c, = R250 * (1 + TAT) U750C R75oc Where U75 ° C, I75 ° C and R75 ° C are respectively the values of voltage, current and resistance at 75 ° C, U25 ° C and R25 ° C are respectively the values of voltage and resistance at 25 ° C (see Table 1), a is the temperature coefficient in voltage (a = -0.34% / ° C for module CS6P-255P), t is the thermal coefficient 20 ("C = 3.93E-03 / ° K this coefficient reflects the dependence of the resistivity of the material as a function of the temperature) and AT is the temperature gradient (here, 50 ° C.) They are listed in Table 2 below: Irradiance (W / m2) Resistance R (0) Voltage U (V) Current I (A) 1000 14.3 28.7 2 400 14.3 25.8 1.8 Table 2 15'75 ° C = 25 3034591 23 The second example of a heating resistor ( R250c = 12 0) is formed of two 24 Ω resistors connected in parallel. Each 24% resistor consists of a ribbon comprising 15 wires of a nickel-chromium alloy (Ni80 / Cr20) (electrical resistivity: PNiCr = 1.08 × 10 -6 am). The wires each have a length of 90 cm (ie a total length of wire of 27 m), a section of about 0.0061 cm 2 and are spaced from each other by a distance of 5 cm. The wires are distributed over the entire surface of the module and oriented in the direction of the width. At 25 ° C., the values of voltage U and current I are the same as those of Table 1 above. On the other hand, at 75 ° C, the new resistance, voltage and current values, shown in Table 3 below, differ from those of the first example. Indeed, the nickel-chromium alloy expands less than copper under the action of temperature (coefficient of expansion of Ni80 / Cr20 = 1.4.10-6 / ° C). Radiance (W / m2) Resistance R (CI) Voltage U (V) Current I (A) 1000 12 48.1 2.0 400 12 43.3 1.8 Table 3 The regeneration device has so far been described in connection with an active heating element, ie which needs to be supplied with energy (in this case photovoltaic) to produce heat, and more particularly a resistive type heating element. However, other types of heating elements can be envisaged, for example infrared radiative heating which also needs to be powered by a source of electrical energy. It is also possible to use the rear face of the module a reservoir comprising chemicals which, by reacting between them, give off heat. One example is the Crosse & Blackwell food reheating system, which is based on the reaction of magnesium and salt water.
25 La figure 7 représente un troisième mode de réalisation 700 d'un dispositif de régénération des performances d'un module 100, dans lequel l'élément chauffant 710 est de type confinement. La résistance électrique est remplacée par un caisson d'isolation thermique plaqué contre la face arrière du module.FIG. 7 shows a third embodiment 700 of a device for regenerating the performance of a module 100, in which the heating element 710 is of the confinement type. The electrical resistance is replaced by a thermal insulation box pressed against the back of the module.
3034591 24 Cet élément chauffant peut être qualifié de passif dans le sens où il empêche la chaleur générée par le module photovoltaïque de s'extraire du module par convection naturelle (sans ventilation) ou forcée (avec ventilation) en face arrière du 5 module. Au contraire, un élément chauffant « actif » comme la résistance électrique génère de la chaleur supplémentaire, mais n'agit pas sur la dissipation thermique du module. Dans ce mode de réalisation, l'augmentation de la température est donc uniquement 10 due au fait qu'une partie au moins de l'énergie des photons absorbés par le matériau semi-conducteur est transformée en énergie thermique (on parle de « thermalisation des photons »), l'autre partie étant convertie en énergie électrique par effet photovoltaïque. Lorsqu'un photon absorbé n'a pas suffisamment d'énergie pour générer une paire électron-trous (suivant la bande interdite du matériau), la totalité 15 de son énergie est dissipée sous forme de chaleur. Le caisson d'isolation 710 comprend au moins un volet d'aération 711, et avantageusement plusieurs volets d'aération 711 pour créer un courant d'air au dos du module. Les volets 711 sont par exemple au nombre de 3 sur la figure 7. En 20 position fermée, les volets 711 occupent des ouvertures aménagées dans la paroi du caisson 710. Chaque volet 711 est commandé en ouverture ou en fermeture par un actionneur 720, par exemple un électro-aimant rotatif. Lorsque les volets 711 sont fermés, l'air ne peut plus circuler au dos du module 100 et la température du module augmente jusqu'à atteindre ou dépasser la température cible. La régénération des 25 performances étant activée thermiquement, elle se produit bien plus rapidement à haute température. Au contraire, lorsque les volets 711 sont ouverts, le module 100 est ventilé. Sa température atteint un seuil d'équilibre bien plus faible que celui atteint lorsque les volets 711 sont fermés. Dans ces conditions, le module photovoltaïque peut être utilisé efficacement pour la production d'électricité (la puissance électrique 30 du module a tendance à diminuer avec la température). Les actionneurs 720 sont équivalents aux commutateurs 320 des figures 3 et 4, car dans une première position (dite « fermée »), l'élément chauffant 710 est activé (il 3034591 25 chauffe les cellules photovoltaïques), et dans une seconde position (« ouverte »), l'élément chauffant 710 est désactivé (la face arrière du module est ventilée). La commande des actionneurs 720 peut être réalisée par l'un des circuits de 5 commande 330 et 430 décrits en relation avec les figures 3 et 4. Autrement dit, les volets 711 s'ouvrent dès lors que le module 100 (Fig.3) ou la cellule photovoltaïque additionnelle 331 (Fig.4) a reçu suffisamment d'énergie solaire. Ce mode de réalisation de l'élément chauffant peut être combiné avec celui des 10 figures 3 et 4, pour atteindre plus rapidement la température cible ou atteindre une température cible plus importante. L'élément chauffant comprend alors une résistance électrique, de préférence intégrée au module (par exemple dans l'encapsulant ou dans la plaque arrière), et un caisson d'isolation thermique. Le dispositif de régénération comprend alors deux commutateurs, l'un pour 15 l'ouverture/fermeture du circuit électrique connectant la résistance au module, l'autre pour l'ouverture/fermeture du caisson d'isolation thermique. Avec le dispositif de régénération 700 de la figure 7, les cellules photovoltaïques du module n'ont pas besoin d'être polarisées à une tension strictement inférieure à la 20 tension de circuit ouvert. En effet, puisqu'ici le courant généré par les cellules n'est pas utilisé pour leur chauffage, on peut polariser les cellules à leur tension de circuit ouvert, minimisant ainsi l'énergie solaire nécessaire à leur régénération. On se basera alors sur l'abaque de la figure 2 pour déterminer la valeur seuil de rayonnement solaire.This heating element can be qualified as passive in the sense that it prevents the heat generated by the photovoltaic module from escaping from the module by natural convection (without ventilation) or forced convection (with ventilation) on the rear face of the module. On the contrary, an "active" heating element such as electrical resistance generates additional heat, but does not act on the heat dissipation of the module. In this embodiment, the increase in temperature is therefore solely due to the fact that at least a portion of the energy of the photons absorbed by the semiconductor material is transformed into thermal energy (referred to as "thermalization of photons "), the other part being converted into electrical energy by photovoltaic effect. When an absorbed photon does not have enough energy to generate an electron-hole pair (following the forbidden band of the material), all of its energy is dissipated as heat. The isolation box 710 comprises at least one ventilation flap 711, and advantageously several ventilation flaps 711 to create a stream of air at the back of the module. The shutters 711 are, for example, 3 in FIG. 7. In the closed position, the shutters 711 occupy openings in the wall of the box 710. Each shutter 711 is controlled by an actuator 720 for opening or closing, example a rotating electromagnet. When the shutters 711 are closed, the air can no longer circulate on the back of the module 100 and the temperature of the module increases until it reaches or exceeds the target temperature. The regeneration of the performances being thermally activated, it occurs much more rapidly at high temperature. On the contrary, when the shutters 711 are open, the module 100 is ventilated. Its temperature reaches a much lower equilibrium threshold than that reached when the shutters 711 are closed. Under these conditions, the photovoltaic module can be used effectively for the production of electricity (the electrical power of the module tends to decrease with temperature). The actuators 720 are equivalent to the switches 320 of Figures 3 and 4, because in a first position (called "closed"), the heating element 710 is activated (it heats the photovoltaic cells), and in a second position (" open "), the heating element 710 is deactivated (the rear face of the module is ventilated). The actuators 720 can be controlled by one of the control circuits 330 and 430 described with reference to FIGS. 3 and 4. In other words, the flaps 711 open as soon as the module 100 (FIG. or the additional photovoltaic cell 331 (FIG. 4) has received sufficient solar energy. This embodiment of the heating element may be combined with that of FIGS. 3 and 4 to achieve the target temperature more quickly or to achieve a higher target temperature. The heating element then comprises an electrical resistance, preferably integrated in the module (for example in the encapsulant or in the back plate), and a thermal insulation box. The regeneration device then comprises two switches, one for opening / closing of the electrical circuit connecting the resistance to the module, the other for opening / closing of the thermal insulation box. With the regenerator 700 of FIG. 7, the photovoltaic cells of the module do not need to be polarized at a voltage strictly lower than the open circuit voltage. Indeed, since here the current generated by the cells is not used for their heating, we can polarize the cells at their open circuit voltage, thus minimizing the solar energy necessary for their regeneration. We will then rely on the chart in Figure 2 to determine the threshold value of solar radiation.
25 De nombreuses variantes et modifications du dispositif de régénération décrit ci-dessus apparaîtront à l'homme du métier. Le dispositif des figures 3, 4 et 7 est notamment applicable à tous les types de module et à tous les types de cellules photovoltaïques : à base de silicium (monocristallin, multicristallin, amorphe), à base 30 de cuivre, d'indium, de gallium et sélénium (CIGS), les cellules organiques... Le dispositif de régénération peut répondre à d'autres problématiques que la dégradation sous éclairement du rendement (LID), qui affecte uniquement les cellules à base de silicium contenant du bore et de l'oxygène.Numerous variations and modifications of the regeneration device described above will be apparent to those skilled in the art. The device of FIGS. 3, 4 and 7 is particularly applicable to all types of module and to all types of photovoltaic cells: silicon-based (monocrystalline, multicrystalline, amorphous), based on copper, indium, gallium and selenium (CIGS), organic cells ... The regeneration device can respond to other problems than degradation under illumination of the yield (LID), which affects only silicon-based cells containing boron and boron. 'oxygen.
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