FR3055492A1 - AMPLIFICATION DEVICE FOR PRODUCING PHOTOVOLTAIC ENERGY - Google Patents
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Abstract
Le dispositif (10) de production d'énergie photovoltaïque comprend : - une structure (12) définissant un espace intérieur (14) et un espace extérieur (16), la structure (12) présentant une ouverture d'entrée (30) et une pluralité d'emplacements (22) ; - une pluralité de cellules photovoltaïques (24) aptes à générer une puissance électrique sous l'effet d'une lumière incidente, chaque cellule photo voltaïque (24) étant reçue par un emplacement (22) et orientée vers l'espace intérieur (14) de la structure (12) ; - un dispositif optique (32) positionné dans l'ouverture d'entrée (30) agencé pour concentrer vers l'espace intérieur (14) des rayons lumineux incidents sur le dispositif optique (32) et pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques.The photovoltaic power generation device (10) comprises: - a structure (12) defining an interior space (14) and an outer space (16), the structure (12) having an inlet opening (30) and a plurality of locations (22); a plurality of photovoltaic cells (24) able to generate an electric power under the effect of an incident light, each photo voltaic cell (24) being received by a location (22) and directed towards the interior space (14) the structure (12); an optical device (32) positioned in the inlet opening (30) arranged to focus light gaps incident on the optical device (32) towards the interior space (14) and to direct said light rays uniformly towards photovoltaic cells.
Description
(57) Le dispositif (10) de production d'énergie photovoltaïque comprend:(57) The device (10) for producing photovoltaic energy comprises:
- une structure (12) définissant un espace intérieur (14) et un espace extérieur (1 Q), la structure (12) présentant une ouverture d'entrée (30) et une pluralité d'emplacements (22);- a structure (12) defining an interior space (14) and an exterior space (1 Q), the structure (12) having an inlet opening (30) and a plurality of locations (22);
- une pluralité de cellules photovoltaïques (24) aptes à générer une puissance électrique sous l'effet d'une lumière incidente, chaque cellule photo voltaïque (24) étant reçue par un emplacement (22) et orientée vers l'espace intérieur (14) de la structure (12);- A plurality of photovoltaic cells (24) capable of generating electrical power under the effect of incident light, each photovoltaic cell (24) being received by a location (22) and oriented towards the interior space (14) of the structure (12);
- un dispositif optique (32) positionné dans l'ouverture d'entrée (30) agencé pour concentrer vers l'espace intérieur (14) des rayons lumineux incidents sur le dispositif optique (32) et pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques.- an optical device (32) positioned in the inlet opening (30) arranged to concentrate towards the interior space (14) light rays incident on the optical device (32) and to direct said light rays uniformly towards photovoltaic cells.
Dispositif d’amplification de production d’énergie photovoltaïqueAmplification device for photovoltaic energy production
La présente invention concerne un dispositif de production d’énergie photovoltaïque.The present invention relates to a photovoltaic energy production device.
Les dispositifs de génération d’énergie électrique à partir de la lumière solaire sont bien connus. Ces dispositifs comprennent par exemple des cellules photovoltaïques permettant d’absorber une part de l’énergie des photons incidents, avec un rendement d’absorption qui varie selon les technologies.Devices for generating electrical energy from sunlight are well known. These devices include, for example, photovoltaic cells for absorbing a portion of the energy of the incident photons, with an absorption efficiency which varies depending on the technology.
La génération d’une quantité importante d’énergie passe généralement par l’utilisation de panneaux comportant un grand nombre de cellules photovoltaïques exposées au soleil, ce qui nécessite une surface disponible importante. Ce type de panneaux n’est pas satisfaisant pour les applications où l’espace est restreint, par exemple dans le cas d’un véhicule utilisant l’énergie électrique.The generation of a significant amount of energy generally involves the use of panels comprising a large number of photovoltaic cells exposed to the sun, which requires a large available area. This type of panel is not satisfactory for applications where space is limited, for example in the case of a vehicle using electrical energy.
En effet, il est peu pratique de recouvrir toute la surface externe d’un véhicule de panneaux photovoltaïques, ces derniers formant des surfaces planes fragiles et peu esthétiques. De plus, les panneaux d’un tel véhicule ne seraient pas toujours exposés à la lumière solaire, ce qui réduirait l’efficacité du système.Indeed, it is impractical to cover the entire external surface of a vehicle with photovoltaic panels, the latter forming fragile and unsightly flat surfaces. In addition, the panels of such a vehicle would not always be exposed to sunlight, which would reduce the efficiency of the system.
Un but de l’invention est de fournir un dispositif de génération d’énergie solaire compact du point de vue énergétique, c’est-à-dire permettant une génération d’énergie importante par unité de surface ou de volume occupée.An object of the invention is to provide a device for generating solar energy that is compact from an energy point of view, that is to say allowing a significant generation of energy per unit of area or volume occupied.
A cet effet, l’invention concerne un dispositif du type précité, comportant :To this end, the invention relates to a device of the aforementioned type, comprising:
- une structure définissant un espace intérieur et un espace extérieur, la structure présentant une ouverture d’entrée et une pluralité d’emplacements ;- a structure defining an interior space and an exterior space, the structure having an entrance opening and a plurality of locations;
- une pluralité de cellules photovoltaïques aptes à générer une puissance électrique sous l’effet d’une lumière incidente, chaque cellule photovoltaïque étant reçue par un emplacement et orientée vers l’espace intérieur de la structure- a plurality of photovoltaic cells capable of generating electrical power under the effect of incident light, each photovoltaic cell being received by a location and oriented towards the interior space of the structure
- un dispositif optique positionné dans l’ouverture d’entrée agencé pour concentrer vers l’espace intérieur des rayons lumineux incidents sur le dispositif optique et pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques.- an optical device positioned in the inlet opening arranged to concentrate towards the interior space of the light rays incident on the optical device and to direct said light rays uniformly towards the photovoltaic cells.
Un tel dispositif permet de concentrer un plus grand nombre de cellules photovoltaïques sur un élément de surface. De plus, ce dispositif permet de mieux exploiter l’énergie des photons incidents en permettant l’alimentation simultanée de toutes les cellules photovoltaïques du dispositif et des réflexions multiples qui améliorent le rendement et réduisent la quantité de photons non absorbés par une cellule.Such a device makes it possible to concentrate a larger number of photovoltaic cells on a surface element. In addition, this device makes it possible to better exploit the energy of the incident photons by allowing the simultaneous supply of all the photovoltaic cells of the device and multiple reflections which improve the efficiency and reduce the quantity of photons not absorbed by a cell.
Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif selon l’invention comprend l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises indépendamment ou selon toute combinaison techniquement possible :According to particular embodiments, the device according to the invention comprises one or more of the following characteristics, taken independently or according to any technically possible combination:
- le dispositif optique comprend une lentille externe agencée pour concentrer les rayons lumineux incidents sur la face externe de ladite lentille externe vers l’espace intérieur et une lentille interne agencée pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques,the optical device comprises an external lens arranged to concentrate the light rays incident on the external face of said external lens towards the interior space and an internal lens arranged to orient said light rays uniformly towards the photovoltaic cells,
- la structure présente une forme polyédrique, la structure comportant une pluralité de faces carrées, chaque face carrée présentant un des emplacements ou l’ouverture d’entrée,- the structure has a polyhedral shape, the structure comprising a plurality of square faces, each square face having one of the locations or the entry opening,
- la structure comporte dix-huit faces carrées et huit faces triangulaires,- the structure has eighteen square faces and eight triangular faces,
- la structure comporte six faces carrées,- the structure has six square faces,
- la structure comporte une surface interne réfléchissante pour la lumière,- the structure has an internal surface reflecting for light,
- les cellules photovoltaïques présentent des maxima d’absorption différents.- photovoltaic cells have different absorption maxima.
L’invention concerne également un système de production d’énergie photovoltaïque comprenant une pluralité de dispositifs de production d’énergie photovoltaïque tels que décrits ci-dessus.The invention also relates to a photovoltaic energy production system comprising a plurality of photovoltaic energy production devices as described above.
Selon une autre caractéristique du système de production les dispositifs de production d’énergie voltaïque sont empilés de façon pyramidale.According to another characteristic of the production system, the devices for producing voltaic energy are stacked in a pyramidal fashion.
L’invention a également pour objet un véhicule comportant un moteur électrique alimenté par au moins une batterie, le véhicule comportant au moins un dispositif, le ou chaque dispositif étant apte à recharger la ou chaque batterie.The invention also relates to a vehicle comprising an electric motor powered by at least one battery, the vehicle comprising at least one device, the or each device being capable of recharging the or each battery.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, parmi lesquels :The invention will be better understood on reading the following description, made with reference to the accompanying drawings, among which:
- la figure 1 est une vue en perspective d’un premier dispositif selon l’invention ;- Figure 1 is a perspective view of a first device according to the invention;
- la figure 2 est une vue en coupe du dispositif de la figure 1 ;- Figure 2 is a sectional view of the device of Figure 1;
- la figure 3 représente la répartition des rayons lumineux dans le dispositif des figures 1 et 2,FIG. 3 represents the distribution of the light rays in the device of FIGS. 1 and 2,
- la figure 4 représente le parcours d’un rayon lumineux dans le dispositif des figures 1 et 2 ; et- Figure 4 shows the path of a light ray in the device of Figures 1 and 2; and
- la figure 5 est une vue d’une variante du dispositif selon l’invention ;- Figure 5 is a view of a variant of the device according to the invention;
- la figure 6 est une vue en perspective d’un système de production d’énergie selon l’invention, etFIG. 6 is a perspective view of an energy production system according to the invention, and
- la figure 7 représente une vue de côté d’un véhicule comportant le dispositif des figures 1 à 3.- Figure 7 shows a side view of a vehicle comprising the device of Figures 1 to 3.
Un dispositif 10 de production d’énergie photovoltaïque est représenté sur les figures 1 à 3.A device 10 for producing photovoltaic energy is shown in FIGS. 1 to 3.
Le dispositif 10 comprend une structure 12, définissant un espace intérieur 14 et un espace extérieur 16. La structure 12 présente une géométrie polyédrique comportant une pluralité de faces carrées 18.The device 10 comprises a structure 12, defining an interior space 14 and an exterior space 16. The structure 12 has a polyhedral geometry comprising a plurality of square faces 18.
La structure 12 est par exemple fermée.The structure 12 is for example closed.
Dans l’exemple représenté sur les figures 1 à 3, la structure 12 présente une géométrie en rombicuboctaèdre, la structure 12 comportant dix-huit faces carrées 18 ainsi que huit faces triangulaires 20.In the example shown in FIGS. 1 to 3, the structure 12 has a rombicuboctahedron geometry, the structure 12 comprising eighteen square faces 18 as well as eight triangular faces 20.
La structure 12 définit une pluralité d’emplacements 22, recevant des cellules photovoltaïques 24. Les emplacements 22 se situent au niveau de certaines des faces carrées 18 de la structure 12. Avantageusement, toutes les faces carrées 18 présentent un emplacement 22, sauf une unique face d’entrée 26. Dans l’exemple des figures 1 à 3, la structure 12 définit dix-sept emplacements 22.The structure 12 defines a plurality of locations 22, receiving photovoltaic cells 24. The locations 22 are located at the level of some of the square faces 18 of the structure 12. Advantageously, all the square faces 18 have a location 22, except one entry face 26. In the example of FIGS. 1 to 3, the structure 12 defines seventeen locations 22.
La structure 12 comporte également une surface interne 27, qui correspond à l’ensemble de la structure 12 faisant face à l’espace intérieur 14 à l’exclusion des emplacements 22. La surface interne 27 est réfléchissante pour la lumière, c’est-à-dire qu’une majorité de l’énergie d’un photon incident sur la surface interne 27 est réfléchie et non absorbée.The structure 12 also includes an internal surface 27, which corresponds to the whole of the structure 12 facing the internal space 14 excluding the locations 22. The internal surface 27 is reflective for light, that is to say that is, a majority of the energy of a photon incident on the internal surface 27 is reflected and not absorbed.
Chaque cellule photovoltaïque 24 présente une face absorbante 28. La cellule photovoltaïque 24 est apte à générer une puissance électrique photovoltaïque sous l’effet d’une lumière incidente, en absorbant une partie de l’énergie des photons incidents sur sa face absorbante 28.Each photovoltaic cell 24 has an absorbent face 28. The photovoltaic cell 24 is capable of generating photovoltaic electrical power under the effect of incident light, by absorbing part of the energy of the photons incident on its absorbent face 28.
Les cellules photovoltaïques 24 sont orientées vers l’espace intérieur 14, c’est-à-dire que leur face absorbante 28 fait face à l’espace intérieur 14.The photovoltaic cells 24 are oriented towards the interior space 14, that is to say that their absorbent face 28 faces the interior space 14.
Le photon incident présente une longueur d’onde, qui varie d’un photon à l’autre.The incident photon has a wavelength, which varies from one photon to another.
La cellule photovoltaïque 24 présente un taux d’absorption, qui est le rapport entre l’énergie du photon incident et l’énergie électrique photovoltaïque convertie. Ce taux d’absorption est toujours inférieur à 1, et dépend de la longueur d’onde du photon incident.The photovoltaic cell 24 has an absorption rate, which is the ratio between the energy of the incident photon and the converted photovoltaic electric energy. This absorption rate is always less than 1, and depends on the wavelength of the incident photon.
Chaque cellule photovoltaïque 24 présente un maximum d’absorption, qui est une valeur de longueur d’onde du photon incident pour laquelle le taux d’absorption de la cellule photovoltaïque 24 est maximal.Each photovoltaic cell 24 has an absorption maximum, which is a value of the wavelength of the incident photon for which the absorption rate of the photovoltaic cell 24 is maximum.
Avantageusement, les cellules photovoltaïques 24 du dispositif 10 présentent des maxima d’absorption différents selon les cellules photovoltaïques 24. Ceci permet d’absorber plus efficacement la lumière solaire blanche, qui présente un spectre de longueurs d’onde large. En effet, les rayons lumineux subissent des réflexions multiples sur plusieurs cellules photovoltaïques 24 présentant des maxima d’absorption différents, et ainsi les différentes longueurs d’onde du spectre de la lumière sont absorbées.Advantageously, the photovoltaic cells 24 of the device 10 have different absorption maxima depending on the photovoltaic cells 24. This makes it possible to more effectively absorb white sunlight, which has a wide wavelength spectrum. Indeed, the light rays undergo multiple reflections on several photovoltaic cells 24 having different absorption maxima, and thus the different wavelengths of the light spectrum are absorbed.
La face d’entrée 26 présente une ouverture d’entrée 30, débouchant dans l’espace intérieur 14 et dans l’espace extérieur 16. Un dispositif optique 32 est positionné dans l’ouverture d’entrée 30. Le dispositif optique 32 est agencé pour concentrer vers l’espace intérieur 14 des rayons lumineux incidents sur le dispositif optique 32 et pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques, comme représenté sur la figure 3.The inlet face 26 has an inlet opening 30, opening into the interior space 14 and into the exterior space 16. An optical device 32 is positioned in the inlet opening 30. The optical device 32 is arranged to concentrate the light rays incident on the optical device 32 towards the interior space 14 and to orient said light rays uniformly towards the photovoltaic cells, as shown in FIG. 3.
A cet effet, le dispositif optique 32 comprend une lentille externe 33dépassant de la face d’entrée 26 dans l’espace extérieur 16.To this end, the optical device 32 comprises an external lens 33 extending beyond the entry face 26 into the external space 16.
La lentille 33 présente une face interne 34 orientée vers l’espace intérieur 14, et une face externe 36, orientée vers l’espace extérieur 16.The lens 33 has an internal face 34 oriented towards the internal space 14, and an external face 36, oriented towards the external space 16.
La lentille 33 est adaptée pour concentrer des rayons lumineux incidents sur la face externe 36 vers l’espace intérieur 14. Par exemple, la face externe 36 est sensiblement hémisphérique.The lens 33 is suitable for concentrating incident light rays on the external face 36 towards the internal space 14. For example, the external face 36 is substantially hemispherical.
La lentille 33 permet de capter les rayons lumineux de l’espace extérieur, avec des directions d’incidence très variées, et de les concentrer dans l’espace intérieur.The lens 33 makes it possible to capture the light rays of the external space, with very varied directions of incidence, and to concentrate them in the internal space.
Le dispositif optique 32 comprend en outre une lentille interne 35 disposée dans l’espace intérieur 14 en regard de la lentille externe 33. La lentille interne 35 est agencée pour orienter les rayons lumineux passés par la lentille externe 33 de façon uniforme vers toutes les cellules photovoltaïques 24 du dispositif. La face de la lentille interne 35 tournée vers l’espace intérieur 14 est sensiblement hémisphérique.The optical device 32 further comprises an internal lens 35 disposed in the interior space 14 facing the external lens 33. The internal lens 35 is arranged to direct the light rays passed through the external lens 33 uniformly towards all the cells 24 of the device. The face of the internal lens 35 facing the interior space 14 is substantially hemispherical.
La forme de la lentille externe 33 est adaptée pour orienter les rayons lumineux incidents vers la lentille interne 35 quelle que soit la direction de provenance de ces rayons. La forme de la lentille interne 35 est quant à elle adaptée pour diriger les rayons en provenance de la lentille externe vers chacune des cellules photovoltaïques 24. C’està-dire que la lentille interne 35 distribue les rayons de sorte à ce qu’ils se répartissent de façon uniforme sur toutes les cellules photovoltaïques 24, comme représenté sur la figureThe shape of the external lens 33 is adapted to orient the incident light rays towards the internal lens 35 whatever the direction of origin of these rays. The shape of the internal lens 35 is suitable for directing the rays from the external lens towards each of the photovoltaic cells 24. That is to say that the internal lens 35 distributes the rays so that they are distribute uniformly over all of the photovoltaic cells 24, as shown in the figure
3.3.
Comme représenté sur la figure 4, les photons ainsi captés sont en outre absorbés à plusieurs reprises, par plusieurs cellules photovoltaïques 24 successives, ce qui permet d’améliorer le rendement de production d’énergie. La surface interne 27 réfléchissante permet de minimiser les pertes lors de réflexions des photons hors des cellules photovoltaïques 24.As shown in FIG. 4, the photons thus captured are also absorbed several times, by several successive photovoltaic cells 24, which makes it possible to improve the efficiency of energy production. The internal reflecting surface 27 makes it possible to minimize the losses during photon reflections outside the photovoltaic cells 24.
La figure 5 représente une variante du dispositif 10, dans laquelle la structure présente une géométrie cubique, la structure comportant six face carrées 18. Le dispositif 10 comprend alors cinq emplacements 22 et cinq cellules photovoltaïques 24.FIG. 5 represents a variant of the device 10, in which the structure has a cubic geometry, the structure comprising six square faces 18. The device 10 then comprises five locations 22 and five photovoltaic cells 24.
La figure 6 représente un système de production d’énergie comprenant une pluralité de dispositifs de production 10 tels que décrits en références aux figures 1 à 4. Selon un mode de réalisation, les dispositifs 10 sont empilés de façon pyramidale de sorte à exposer à la lumière tous les dispositifs optiques 32 des dispositifs de production 10 du système.FIG. 6 represents an energy production system comprising a plurality of production devices 10 as described with reference to FIGS. 1 to 4. According to one embodiment, the devices 10 are stacked in a pyramidal fashion so as to expose the light all the optical devices 32 of the production devices 10 of the system.
Ainsi, à titre d’exemple, le système comprend une première couche 39 de seize dispositifs 10 adjacents les uns aux autres, une deuxième couche 41 de neuf dispositifs 10 disposés sur la première couche tout en laissant les dispositifs optiques 32 de la première couche exposés, une troisième couche 43 de quatre dispositifs 10 et une quatrième couche 45 d’un seul dispositif 10.Thus, by way of example, the system comprises a first layer 39 of sixteen devices 10 adjacent to each other, a second layer 41 of nine devices 10 arranged on the first layer while leaving the optical devices 32 of the first layer exposed , a third layer 43 of four devices 10 and a fourth layer 45 of a single device 10.
D’autres formes d’empilement pourraient être envisagées tant qu’elles laissent les dispositifs optiques 32 de chaque dispositif 10 exposés à la lumière. Un tel système permet d’amplifier la quantité d’énergie produite par unité de surface.Other forms of stacking could be envisaged as long as they leave the optical devices 32 of each device 10 exposed to light. Such a system makes it possible to amplify the amount of energy produced per unit of area.
La figure 7 représente un véhicule 40 comprenant un moteur électrique 42 alimenté par au moins une batterie 44. Le véhicule 40 comporte de plus un dispositif 10 dont la structure 12 est fixée à une carrosserie 46 du véhicule 40. Le dispositif 10 est relié électriquement à la ou à chaque batterie 44 afin d’en assurer la recharge. Selon un autre mode de réalisation, un système tel que décrit ci-dessus pourrait être utilisé pour alimenter le véhicule en énergie électrique.FIG. 7 represents a vehicle 40 comprising an electric motor 42 powered by at least one battery 44. The vehicle 40 also comprises a device 10 whose structure 12 is fixed to a body 46 of the vehicle 40. The device 10 is electrically connected to the or each battery 44 in order to ensure recharging. According to another embodiment, a system as described above could be used to supply the vehicle with electrical energy.
Les dimensions réduites du dispositif 10 permettent d’avoir un grand nombre de cellules photovoltaïques 24 illuminées pour une faible surface externe occupée sur la carrosserie 46 du véhicule 40. De plus, la captation des photons incidents sur le dispositif optique 32 permet un meilleur rendement de génération d’énergie électrique par photon absorbé par rapport à un système de panneaux classique.The reduced dimensions of the device 10 make it possible to have a large number of photovoltaic cells 24 illuminated for a small external surface occupied on the body 46 of the vehicle 40. In addition, the capture of incident photons on the optical device 32 allows a better yield of generation of electrical energy by absorbed photon compared to a conventional panel system.
Le dispositif 10 peut aussi être installé sur d’autres types de véhicules, comme des bateaux et autres véhicules marins, qui sont soumis à des illuminations importantes grâce à l’environnement dégagé. Le dispositif 10 est également intéressant pour les bâtiments présentant des contraintes en termes d’encombrement, comme par exemple les bâtiments résidentiels, qui nécessitent une grande quantité d’énergie et un encombrement minimal, tout en préservant l’esthétique autant que possible.The device 10 can also be installed on other types of vehicles, such as boats and other marine vehicles, which are subjected to significant illumination due to the clear environment. The device 10 is also advantageous for buildings presenting constraints in terms of space, such as for example residential buildings, which require a large amount of energy and a minimum space requirement, while preserving the aesthetics as much as possible.
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|---|---|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030213514A1 (en) * | 2002-05-17 | 2003-11-20 | Ugur Ortabasi | Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies |
| US20090272424A1 (en) * | 2002-05-17 | 2009-11-05 | Ugur Ortabasi | Integrating sphere photovoltaic receiver (powersphere) for laser light to electric power conversion |
| US7863517B1 (en) * | 2005-08-30 | 2011-01-04 | Xtreme Energetics, Inc. | Electric power generator based on photon-phonon interactions in a photonic crystal |
| US20150034144A1 (en) * | 2011-11-23 | 2015-02-05 | Piedra - Sombra Corporation, Inc. | Power Conversion Module for Use With Optical Energy Transfer and Conversion System |
-
2016
- 2016-08-23 FR FR1657856A patent/FR3055492A1/en active Pending
Patent Citations (4)
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