FR3042260A1 - Panneau solaire photovoltaique dont la transparence varie en fonction de la position relative du soleil - Google Patents

Panneau solaire photovoltaique dont la transparence varie en fonction de la position relative du soleil Download PDF

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Abstract

Afin de faire varier le pourcentage de transparence solaire moyen mensuel (T%) d'un panneau solaire photovoltaïque fixe au cours des 12 mois de l'année dans un intervalle dont l'amplitude (moyenne haute moins moyenne basse) est de l'ordre de 40%, ledit panneau solaire est composé d'une plaque (2) dont une première face (A) est structurée par un réseau de lentilles paraboliques (L) dont les sommets sont tronqués sensiblement au niveau du plan focal de la courbe parabolique et à l'emplacement duquel plan focal est positionnée une cellule photovoltaïque (13) dont la face active est tournée vers la seconde face (B). Le rayonnement (10,11) du soleil (1) traverse ladite plaque (2) de la seconde face (B) vers la première face (A) ce qui permet de considérer lesdites lentilles paraboliques (L) comme des concentrateurs de lumière sur les cellules photovoltaïques (13) en provoquant sur les parois desdites lentilles (L) une réflexion totale par saut d'indice de réfraction spécialement pour les rayons lumineux (10) dont les angles d'incidence (hl) par rapport à la normale à la seconde face (B) sont inférieurs à une valeur limite angulaire. Les autres rayons lumineux (11) dont les angles d'incidence (h2) sont supérieurs à cette valeur limite angulaire traversent (12) les parois desdites lentilles (L) ce qui rend le panneau solaire semi transparent pour ces angles d'incidence.

Description

Panneau solaire photovoltaïque dont la transparence varie en fonction de la position relative du soleil.
La présente invention se rapporte aux panneaux solaires photovoltaïques semi-transparents notamment ceux qui sont disposés sur le toit des serres agricoles ou comme vitrage pour les bâtiments dans le but d'utiliser le rayonnement solaire d'une part pour produire de l'électricité et d'autre part pour l'éclairage des locaux. La présente invention se rapporte plus spécialement aux dispositifs optiques associés aux panneaux solaires photovoltaïques qui permettent le contrôle de la luminosité à l'intérieur de la serre ou du bâtiment en fonction de la position relative du soleil.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La transparence d'un panneau solaire photovoltaïque peut être obtenue soit par le choix de composants intrinsèquement transparents comme par exemple des dépôts de couches minces de silicium amorphe de très faible épaisseur dont les deux électrodes sont transparentes, soit en créant un réseau d'ouvertures à la surface dudit panneau solaire comme par exemple un réseau de micro bandes de transparence effectuées par gravure chimique ou ablation laser à la surface des cellules solaires.
En général le pourcentage de transparence desdits panneaux solaires photovoltaïques reste constant quelle que soit la position relative desdits panneaux par rapport au soleil. Toutefois il peut être intéressant d'augmenter l'effet d'ombrage produit par lesdits panneaux en fonction de la hauteur du soleil au-dessus de l'horizon de manière à contrôler la température à l'intérieur des bâtiments ou des serres agricoles. Pour obtenir cet effet de contrôle de l'intensité lumineuse qui traverse lesdits panneaux il existe déjà plusieurs dispositifs optiques qui utilisent notamment des lentilles convexes (EP1688033B1-Roccaforte) ou des lentilles de Fresnel (US8061077B2-Roccaforte) positionnées au-dessus des cellules photovoltaïques de sorte que lesdites cellules interceptent plus ou moins le rayonnement solaire qui a été dévié par les lentilles. Le positionnement relatif des cellules, des lentilles et du soleil produit alors un effet d'ombrage qui est plus important l'été que l'hiver donc lorsque le soleil est plus haut et plus chaud. Toutefois les performances de ces dispositifs restent assez faibles car la variation moyenne mensuelle de la transparence desdits panneaux au cours de l'année se réduit à un intervalle qui est compris par exemple entre 15% et 37% pour un dispositif utilisant des lentilles demi cylindriques, ce qui ne correspond qu'à une amplitude de 37% - 15% = 22%.
BUT DE L'INVENTION L'invention a pour but de décrire un dispositif optique intégré dans un panneau solaire semi transparent, qui comprend des mini cellules photovoltaïques et qui, lorsqu'il est fixe, permet de faire varier au cours des 12 mois de l'année et aussi dans une même journée, le pourcentage de transmission solaire moyen (mensuel et journalier) dudit dispositif dans un intervalle dont l'amplitude (moyenne haute moins moyenne basse) est de l'ordre de 40%.
RESUME DE L'INVENTION
Par la suite les termes de « transparence » et de « réflexion » se comprennent comme une transparence et une réflexion « visuelle » c'est-à-dire qui concerne en majorité la lumière visible du spectre solaire.
On entend ici par « performance en transparence » la valeur de l'intervalle, c'est-à-dire la différence, entre le pourcentage le plus faible et le pourcentage le plus important de la moyenne mensuelle de transmission lumineuse du dispositif au cours d'une année. Cette valeur de performance en transparence nous renseigne alors sur la capacité du dispositif à s'adapter à la demande de transparence, notamment pour des applications en agriculture dont le besoin en lumière et/ou en chaleur est variable en fonction du type de culture. Par exemple la culture des tomates nécessitera une transparence élevée (beaucoup de lumière) alors que ce sera le contraire pour la culture des micro-algues (peu de lumière pour éviter la photo inhibition). L'orientation du dispositif optique par rapport à la course du soleil permet alors de privilégier durant quelques mois des angles d'inclinaison pour le rayonnement solaire qui permettront d'obtenir la transparence, donc la luminosité, la plus favorable pour les cultures. La « performance photovoltaïque » est définie ici comme la valeur moyenne annuelle de la surface efficace de capture solaire au cours de l'année, c'est-à-dire approximativement la valeur moyenne mensuelle la plus haute plus la valeur moyenne mensuelle la plus basse, le tout divisé par deux.
Dans son principe de base, le dispositif optique comprend d'une part une plaque transparente dont une première face est structurée par un réseau de lentilles paraboliques convexes, l'axe de symétrie longitudinal des lentilles étant perpendiculaire à ladite première face de la plaque, et comprend d'autre part une multitude de cellules photovoltaïques, et est caractérisé en ce que lesdites cellules photovoltaïques sont positionnées au foyer desdites paraboles, la face active desdites cellules photovoltaïques étant orientée vers la seconde face de ladite plaque, de sorte que le rayonnement lumineux qui entre par ladite seconde face soit, selon un premier chemin optique, éclaire la surface active des cellules photovoltaïques directement ou après une réflexion totale sur les bords desdites lentilles paraboliques, soit selon un second chemin optique, traverse les parois desdites lentilles paraboliques sans intercepter les cellules photovoltaïques, le premier ou le second chemin optique étant emprunté suivant que les angles d'incidence (hl,h2) dudit rayonnement (10,11) sur la seconde face (B) de ladite plaque (2) sont supérieurs ou inférieurs à une valeur limite angulaire prédéterminée.
Selon l'invention, ladite valeur limite angulaire prédéterminée est fonction des caractéristiques optiques et géométriques desdites lentilles (L).
Plus précisément, ladite valeur limite angulaire est calculée suivant la formule de la réfraction optique sin (I)= n2 / ni dans laquelle I est l’angle limite qui produit la réflexion totale et ni et n2 sont les indices de réfraction des deux milieux transparents (à savoir l'intérieur et l'extérieur à la lentille parabolique), et suivant l'équation de la courbe parabolique de la lentille.
Dans un mode de réalisation particulier (non illustré), l’espace compris entre lesdites lentilles paraboliques est rempli d’un matériau solide transparent dont l’indice de réfraction est inférieur à l’indice de réfraction desdites lentilles.
Dans un autre mode de réalisation particulier, la matière située sous les cellules photovoltaïques, c'est-à-dire la matière située du côté de la face inactive desdites cellules, a été supprimée. Dans ce mode de réalisation le sommet desdites lentilles est donc tronqué de manière à ce que ladite première face soit composée d'une multitude de surfaces planes correspondant à la multitude des faces arrières des cellules photovoltaïques.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le rapport entre la hauteur et la largeur à la base des lentilles est supérieur à 1,0 et de préférence inférieur à 1,5. D'une manière pratique ledit dispositif optique fait partie intégrante d'un vitrage, d'une serre agricole, d'un bâtiment ou d'un véhicule de transport.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des figures 1 à 11 indexées.
La figure 1 est un schéma de principe qui représente un dispositif optique déjà connu, dans lequel les lentilles (6) sont demi-cylindriques et les cellules photovoltaïques (3,4,5) sont placées dans différentes positions par rapport auxdites lentilles (6).
La figure 2 représente le pourcentage de transmission (T%) du dispositif optique de la figure 1 pour différentes positions des cellules photovoltaïques (3,4,5).
La figure 3 représente une courbe d'évolution du pourcentage (PV%) de lumière absorbée par les cellules photovoltaïques (3,4,5) dans le cas de la figure 1 précédente.
La figure 4 est un schéma de principe qui représente un dispositif optique déjà connu dans lequel les lentilles (6) sont demi-cylindriques et les cellules photovoltaïques (9) sont placées entre les lentilles (6).
La figure 5 représente les courbes d'évolution du pourcentage (PV%) de lumière absorbée par les cellules photovoltaïques et du pourcentage (T%) de transmission de la lumière concernant le dispositif de la figure 4 précédente.
La figure 6 est un schéma de principe en coupe du dispositif optique selon l'invention
La figure 7 représente un exemple de courbe parabolique tronquée (14) qui correspond à la forme d'une lentille satisfaisant aux revendications du présent brevet.
La figure 8 représente en exemple les courbes d’évolution du pourcentage (PV%) de lumière absorbée par les cellules et du pourcentage (T%) de transmission de la lumière pour un dispositif optique selon l'invention comportant des lentilles dont la forme est celle qui est représentée par la figure 7 précédente.
La figure 9 représente un autre schéma de principe en coupe du dispositif selon l'invention, lesdites lentilles (21) étant composées de deux lentilles paraboliques imbriquées (21A,21B).
La figure 10 représente les courbes d’évolution du pourcentage (PV%) de lumière absorbée par les cellules et du pourcentage (T%) de transmission de la lumière pour le dispositif optique à double parabole de la figure 9 précédente.
La figure 11 représente les courbes d'évolution du pourcentage (T%) de transmission de la lumière sur une journée de Janvier et une journée de Juillet à une latitude d'environ 45° pour le dispositif selon l’invention placé à l'horizontale et comportant des lentilles paraboliques tronquées dont la forme est celle qui est représentée par la figure 7 précédente.
Ci-après sont détaillés pour comparaison plusieurs exemples de configurations optiques et photovoltaïques et leurs courbes de performance pour une installation de ladite plaque (2) à l’horizontale et sous une latitude de 45° Nord.
La figure 1 est un schéma de principe qui représente un dispositif optique déjà connu dans lequel les lentilles (6) de la première face (2) sont demi-cylindriques et les cellules photovoltaïques (3,4,5) sont placées à différentes positions par rapport auxdites lentilles (6). Lesdites cellules photovoltaïques sont soit positionnées (3) proches de l’axe optique des lentilles (X), soit décalées vers le haut (4) dudit axe optique (X) soit décalées vers le bas (5) dudit axe optique (X). Les termes « haut » et « bas » font référence à un axe optique (X) des lentilles qui est dans ce cas particulier à l'horizontale. Le rayonnement solaire (7) dont l’inclinaison par rapport à l’axe optique (X) des lentilles (6) est fonction de la hauteur du soleil (1) au-dessus de l’horizon, est dévié par lesdites lentilles (6) et, soit est intercepté par les cellules photovoltaïques (3,5), soit traverse (8) ledit dispositif avec peu de perte de lumière.
La figure 2 représente les courbes de pourcentage de transmission (T%) du dispositif optique de la figure 1 pour différentes positions des cellules photovoltaïques (3,4,5) et en moyenne par mois au cours d’une année. Ces performances en transparence sont proches de 20% (maximum de 35% - minimum de 15%). La figure 3 représente les courbes d’évolution du pourcentage photovoltaïque (PV%) de lumière absorbée par les cellules photovoltaïques (3,4,5) dans le cas de la figure 1 précédente. Ces courbes (3,4,5) sont sensiblement l’inverse des courbes de transparence (T%) de la figure précédente. En effet la lumière (7) qui n’est pas traversante est en grande partie absorbée par les cellules photovoltaïques (4 et 5 dans cet exemple). La performance photovoltaïque PV% sur l’année vaut sensiblement (68% + 40%) / 2 = 54 %.
La figure 4 est un autre schéma de principe qui représente un dispositif optique déjà connu dans lequel les lentilles (6) de la première face (2) sont demi-cylindriques et les cellules photovoltaïques (9) sont placées entre les lentilles (6). Une partie du rayonnement solaire (7) est absorbée par les cellules (9) et une autre partie (8) traverse le dispositif en fonction de la hauteur du soleil (1) par rapport au dispositif. La figure 5 suivante représente les courbes d’évolution du pourcentage photovoltaïque (PV%) de lumière absorbée par les cellules (9) et du pourcentage (T%) de transmission de la lumière concernant le dispositif de la figure 4 précédente en moyenne mensuelle sur une année. La performance en transparence (T%) vaut sensiblement (35% - 28%) = 7% et la performance en absorption photovoltaïque (PV%) vaut sensiblement (50% + 40%) / 2 = 45%.
La figure 6 est un schéma de principe en coupe d'un nouveau dispositif optique, correspondant à l’invention. La plaque semi transparente (2) est composée d’une première face (A) qui est structurée par un réseau de lentilles paraboliques (L) dont les sommets sont tronqués sensiblement au niveau du plan focal de la courbe parabolique et à l’emplacement duquel plan focal est positionnée une cellule photovoltaïque (13). L’axe longitudinal (X) des lentilles est de préférence perpendiculaire aux faces parallèles (A et B) de la plaque (2). La seconde face (B) de la plaque semi-transparente (2) est plane et la face active des cellules photovoltaïques (13) est tournée vers cette seconde face (B). Contrairement aux autres dispositifs décrits précédemment, le rayonnement (10,11) du soleil (1) ne traverse pas ladite plaque (2) de la première face (A) vers la seconde face (B) mais l’inverse, c'est-à-dire de la seconde face (B) vers la première face (A). Cette caractéristique permet de considérer lesdites lentilles paraboliques (L) comme des concentrateurs de lumière sur les cellules photovoltaïques (13) en provoquant sur les parois desdites lentilles (L) une réflexion totale par saut d'indice de réfraction spécialement pour les rayons lumineux (10) dont les angles d'incidence (hl) par rapport à la normale à la seconde face (B) sont inférieurs à une valeur limite angulaire. Cette valeur limite angulaire est définie par les caractéristiques optiques et géométriques desdites lentilles (L). Les autres rayons lumineux (11) dont l'angle d'incidence (h2) est supérieur à cette valeur limite angulaire traversent (12) les parois desdites lentilles (L).
La figure 7 représente un exemple, en coupe, d'une courbe parabolique tronquée (14) à son sommet et utilisée pour la forme des lentilles (L) structurant la première face (A) de la plaque photovoltaïque semi-transparente (2) selon l'invention. De préférence la hauteur (L2) de ladite courbe (14) et donc de la lentille L est supérieure à sa largeur (Ll) à la base. L'exemple montre un rapport L2 sur Ll qui vaut 1,3.
La figure 8 représente un exemple de courbe d'évolution en moyenne mensuelle du pourcentage photovoltaïque (PV%) de lumière absorbée par les cellules et du pourcentage (T%) de transmission de la lumière pour un dispositif optique selon l'invention comportant des lentilles (L) dont la forme (14) est celle qui est représentée sur la figure 7 précédente. On remarque que la performance en transmission (T%) vaut 55% - 15% = 40% et que la performance photovoltaïque (PV%) vaut (62% + 30%) / 2 = 46%. La comparaison avec les exemples de structures optiques des figures 1 et 3 montre que les performances en transmission (T%) du dispositif optique (Figure 6) selon l'invention est bien supérieur (40% au lieu de 20% et au lieu de 7%) et que les meilleurs taux de transmission (T%) se font durant les mois les moins ensoleillés, ce qui correspond en général aux besoins du moment.
La figure 9 représente un autre schéma de principe en coupe d'un dispositif optique (2) qui utilise aussi sur sa première face (A) des lentilles paraboliques (21). Lesdites lentilles (21) sont composées de deux lentilles paraboliques imbriquées (21A,21B) et d'une cellule photovoltaïque (19,20) placée au foyer. La seconde face plane (B) reçoit le rayonnement solaire (15,16) suivant différents angles d'incidence qui sont fonction de la hauteur du soleil. Pour les rayons solaires le phénomène de transparence (17) au travers de la lentille (21) ou de réflexion (18) sur les parois de ladite lentille vers la cellule photovoltaïque (20) dépend là aussi de l'angle d'incidence dudit rayonnement sur la seconde face (B). La figure 10 représente les courbes d’évolution du pourcentage photovoltaïque (PV%) de lumière absorbée par les cellules et du pourcentage (T%) de transmission de la lumière pour le dispositif optique à double parabole de la figure 9 précédente. La performance en transmission (T%) vaut sensiblement 55% - 25% = 30% ce qui est inférieur au dispositif selon l'invention (40%) décrit par la figure 6. La performance photovoltaïque (24% + 46%) / 2 = 35% est aussi inférieure au dispositif de la figure 6 (46%).
La figure 11 représente les courbes d’évolution du pourcentage (T%) de transmission de la lumière pour une journée du mois de Janvier (22) et une journée du mois de Juillet (23) pour le dispositif selon l'invention comportant des lentilles paraboliques tronquées dont la forme est celle qui est représentée par la figure 7 précédente. On remarque que la performance T% calculée sur des valeurs horaires (de 4hl5 à 19hl5) vaut 58% - 3% = 55%. Cette performance « horaire » est importante pour des applications en agriculture où le taux d’ensoleillement doit être bien maîtrisé.
EXEMPLE DE REALISATION
Un exemple de réalisation comprend la toiture d'une serre agricole positionnée sous une latitude de 45° et dont la pente est orientée au Sud de 23° par rapport à l’horizon. Ladite toiture est composée de plaques photovoltaïques (2) semi-transparentes selon l'invention et selon la description des figures 6, 7 et 8 annexées. Ladite plaque est composée de verre organique Polymétactrylate de Méthyle (PMMA) dont l'épaisseur est de 3 mm. Les lentilles (L) sur la première face (A) sont cylindro-paraboliques et la figure 7 représente en coupe la forme transversale desdites lentilles dont la hauteur L2 vaut 1,3 mm et la largeur L1 à la base 1 mm. Les cellules photovoltaïques (13) sont des bandes de silicium de 0,5 mm de large déposées sur la partie plane des lentilles tronquées (L). Les électrodes et les connexions électriques desdites cellules ne sont pas représentées pour des raisons de clarté et de simplification car leur mise en place est déjà bien connue de l'homme de métier. La face active des cellules est tournée vers la seconde face B qui reçoit le rayonnement solaire (10,11). L'axe longitudinal (X) des lentilles (L) fait un angle de 90 - 23 = 67° par rapport à l'horizon Sud, ce qui correspond approximativement à la hauteur angulaire maximum du soleil au méridien du lieu et au solstice d'été (90 - 45 + 23 = 68°). Lorsque le soleil est dans ses positions hautes (Juin / Juillet du graphique de la Figure 8) son rayonnement est presque en totalité concentré sur les cellules photovoltaïques (13) ce qui produit un ombrage important pour les plantes (T% faible) et produit un maximum d'électricité (PV% important). Lorsque la hauteur du soleil diminue, pour des raisons horaires ou pour des raisons saisonnières, les angles d’incidence de son rayonnement par rapport à l'axe (X) des lentilles augmentent et une partie de plus en plus importante du rayonnement traverse lesdites lentilles (L), T% augmente, et la production électrique PV% diminue (de Juillet à Novembre). Les performances en transmission du dispositif, définies comme la moyenne mensuelle haute moins la moyenne mensuelle basse, 55% - 15% = 40% permettent alors de cultiver sous cette serre des micro-algues durant les mois de Mars à Novembre sans risque de photo inhibition durant les mois chauds de Juin, Juillet, Août, et avec un apport photo thermique suffisant pour les mois de Mars, Avril, Mai et Septembre à Octobre ; ce qui n'aurait pas été le cas avec des dispositifs connus du même type (voir figure 1, figure 4 et figure 9).
AVANTAGES DE L'INVENTION
En définitive le dispositif optique et photovoltaïque fixe objet de la présente invention répond bien aux buts fixés en permettant de faire varier au cours des 12 mois de l'année le pourcentage de transmission solaire moyen mensuel (T%) dudit dispositif dans un intervalle dont l'amplitude (moyenne mensuelle haute moins moyenne mensuelle basse) est de l'ordre de 40%.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS
    1 - Dispositif optique comprenant d'une part une plaque transparente (2) dont une première face (A) est structurée par un réseau de lentilles paraboliques convexes (L), l'axe de symétrie longitudinal (X) des lentilles étant perpendiculaire à ladite première face (A) de la plaque (2), et comprenant d'autre part une multitude de cellules photovoltaïques (13), caractérisé en ce que lesdites cellules photovoltaïques (13) sont positionnées au voisinage du foyer de chacune desdites paraboles, la face active desdites cellules photovoltaïques (13) étant orientée vers la seconde face (B) de ladite plaque (2), de sorte que le rayonnement lumineux (10,11) qui entre par ladite seconde face (B) soit, selon un premier chemin optique, éclaire la surface active des cellules photovoltaïques (13) directement ou après une réflexion totale sur les bords desdites lentilles paraboliques (L), soit selon un second chemin optique, traverse (12) les parois desdites lentilles paraboliques (L) sans intercepter les cellules photovoltaïques (13), le premier ou le second chemin optique étant emprunté suivant que les angles d'incidences (hl,h2) dudit rayonnement (10,11) sur la seconde face (B) de ladite plaque (2) sont supérieurs ou inférieurs à une valeur limite angulaire prédéterminée.
  2. 2 - Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur limite angulaire prédéterminée est fonction des caractéristiques optiques et géométriques desdites lentilles (L).
  3. 3 - Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite valeur limite angulaire est calculée suivant la formule de la réfraction optique sin (I)= n2 / ni dans laquelle I est l'angle limite qui produit la réflexion totale et ni et n2 sont les indices de réfraction des deux milieux transparents (intérieur et extérieur à la lentille parabolique), et suivant l'équation de la courbe parabolique de la lentille.
  4. 4 - Dispositif optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'espace compris entre lesdites lentilles paraboliques (L) est rempli d'un matériau solide transparent dont l'indice de réfraction est inférieur à l'indice de réfraction desdites lentilles (L).
  5. 5 - Dispositif optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière située sous les cellules photovoltaïques (13), c'est-à-dire la matière située du côté de la face inactive desdites cellules (13), a été supprimée de sorte que le sommet desdites lentilles paraboliques (13) est tronqué et que ladite première face (A) soit composée d'une multitude de surfaces planes correspondant à la multitude des faces arrières des cellules photovoltaïques (13).
  6. 6 - Dispositif optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la hauteur (L2) et la largeur (Ll) à la base des lentilles (L) est supérieur à 1,0 et de préférence inférieur à 1,5.
  7. 7 - Dispositif optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif fait partie intégrante d'un vitrage, d'une serre agricole, d'un bâtiment, ou d'un véhicule de transport.
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