FR3071357B1 - Laminat flexible de cellules photovoltaiques et procede associe - Google Patents

Laminat flexible de cellules photovoltaiques et procede associe Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un laminât flexible (1) de cellules photovoltaïques (3) comprenant : - une couche de cellules photovoltaïques (3) connectées entre elles, une couche frontale (5) et une couche arrière (7) d'encapsulation de la couche de cellules photovoltaïques (3) dans lequel le laminât flexible (1) présente un film externe (9) en matériau souple à propriétés anti-salissures déposé sur la couche frontale (5) d'encapsulation.

Description

Laminât flexible de cellules photovoltaïques et procédé associé
La présente invention concerne le domaine des panneaux photovoltaïques. Plus particulièrement, la présente invention concerne des panneaux photovoltaïques laminés.
Avec l’avènement des énergies renouvelables et en particulier de l’énergie solaire, les recherches dans le domaine des panneaux photovoltaïques composés d’une ou de plusieurs cellules photovoltaïques sont en plein essor et en particulier pour augmenter les rendements de conversion, et donc l’énergie produite, de tels panneaux photovoltaïques, ainsi que pour diminuer les coûts de fonctionnement et de maintenance de ces panneaux photovoltaïques. A ce jour, on souhaite mieux exploiter des surfaces de bâtiments industriels ou commerciaux existants, notamment en installant des panneaux photovoltaïques sur les toits de ceux-ci. En effet, pour l’exploitant du bâtiment, la génération de l’énergie électrique peut engendrer un revenu supplémentaire ou une économie et contribuer à favoriser l’exploitation économique du bâtiment.
Cependant, ces bâtiments commerciaux ou industriels sont souvent construits avec par exemple une ossature métallique ou en bois qui est dimensionnée pour répondre juste aux contraintes techniques en termes de charge pour supporter le toit avec une isolation ainsi qu’une charge de neige par exemple en fonction de la région de construction.
Or, du fait de leur poids, il n’est aujourd’hui pas possible d’installer certains panneaux photovoltaïques sur le toit de certains bâtiments pour ne pas contrevenir aux normes techniques en vigueur. En effet, la plupart des panneaux photovoltaïques connus présentent généralement une face avant en verre et un cadre support métallique de sorte qu’un seul panneau photovoltaïque pèse souvent plus de 20 kg, voire 30 kg pour certains modèles. Si on y ajoute de plus les structures de support qui sont nécessaires à l’installation des panneaux photovoltaïques, on arrive à une charge supplémentaire de 15 kg/m2 ou plus pour un toit.
Ainsi, on est privé d’équiper de panneaux photovoltaïques de grandes surfaces aujourd’hui disponibles, notamment des bâtiments anciens du fait de leur dimensionnement limité en termes de charge.
Pour une construction nouvelle, prévoir une telle charge peut dans certains cas représenter aussi un surcoût supplémentaire dans la construction qui ralentit le retour sur investissement lorsque l’on souhaite équiper son toit de panneaux photovoltaïques. D’autre part, les toits de ces bâtiments commerciaux ou industriels présentent généralement une pente assez faible. 11 peut être intéressant d’installer les panneaux parallèlement à la pente pour maximiser la production photovoltaïque absolue en particulier sur des surfaces contraintes.
Or, des panneaux photovoltaïques installés parallèlement à la pente voir collés sur cette pente peuvent s’encrasser assez rapidement du fait de leur faible pente. En effet, les eaux de pluie par exemple vont ruisseler assez lentement et peuvent laisser des traces sur la surface exposée aux rayons lumineux. D’autre part, cette surface est également fortement soumise aux poussières ou particules solides (ex : sable, débris d’arbre, particule de cendre, particules fines). Or, du fait de la faible pente de ces toits et donc de la faible inclinaison des panneaux photovoltaïques, ces poussières peuvent se déposer plus facilement et éventuellement durablement. Un tel panneau photovoltaïque est donc plus fortement soumis à l’encrassement. Enfin, l’humidité, la faible pente, des poussières organiques peuvent faciliter le développement de mousse, lichen, champignons microscopiques en particulier dans les rugosités des surfaces.
Ainsi, cet encrassement peut nuire à la productivité de tels panneaux photovoltaïques et peut entraîner des coûts assez importants liés au nettoyage et à la maintenance de ceux-ci.
La présente invention a pour objectif de remédier aux différents inconvénients de l’art antérieur énoncés ci-dessus, et en particulier en proposant un laminât de cellules photovoltaïques dont les opérations de maintenance sont limitées et qui permet d’endiguer au moins partiellement la diminution de la production électrique dans le temps du fait de l’encrassement.
Afin d’atteindre au moins partiellement au moins un des objectifs précités, la présente invention a pour objet un laminât flexible de cellules photovoltaïques comprenant : une couche de cellules photovoltaïques connectées entre elles, une couche frontale et une couche arrière d’encapsulation de la couche de cellules photovoltaïques dans lequel le laminât flexible présente un film externe en matériau souple à propriétés anti-salissures déposé sur la couche frontale d’encapsulation.
La présence du film externe sur la couche frontale d’encapsulation permet de protéger celle-ci et de limiter l’encrassement de cette dernière du fait de l’exposition du laminât flexibles de cellules photovoltaïques aux intempéries et aux poussières. Ce film externe permet donc de limiter ou espacer dans le temps les opérations de maintenance sur un tel laminât. Par ailleurs, en prévenant l’encrassement du laminât flexible de cellules photovoltaïques, il est ainsi possible de maintenir une bonne irradiation des cellules photovoltaïques lors de leur exposition au soleil.
Le laminât peut comprendre en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison.
Selon un aspect, la rugosité maximale du film externe en matériau souple est par exemple inférieure à 3pm, notamment comprise entre 0,1 - 2,6 pm.
La rugosité moyenne du film externe peut être inférieure à 1 pm, notamment comprise entre 0,1 et 0,5 pm.
Selon un mode de réalisation particulier, les cellules photovoltaïques sont des cellules à base de silicium notamment monocristallin ou multi-cristallin.
Le matériau souple utilisé pour le film externe est par exemple un polymère.
Selon un mode de réalisation particulier, le polymère formant le film externe en matériau souple est choisi parmi la famille des polyflurorures de vinylidène (PVDF), des polyfluorures de vinyle (PVF), des éthylènes tétrafluoroéthylène (ETFE), ou encore des polytéréphtalates d’éthylène (PET), des polyuréthanes, des acryliques, ou des silicones.
Le film externe en matériau souple présente une épaisseur comprise entre 10 pm et 500 pm.
Selon un mode de réalisation particulier, le film externe en matériau souple peut présenter des propriétés anti-réfléchissantes notamment par la nature des matériaux comme des couches minces ou par la texture de surface.
Selon un aspect, les couches frontale et arrière d’encapsulation présentent chacune une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 3 mm.
En outre chacune des couches frontales comporte par exemple un tissu de fibres de verre et une résine d’encapsulation.
La présente invention a également pour objet un procédé pour réduire ou limiter les salissures à la surface d’un laminât flexible de cellules photovoltaïques comprenant une couche de cellules photovoltaïques connectées entre elles, une couche frontale et une couche arrière d’encapsulation de la couche de cellules photovoltaïques ledit procédé comprenant l’application d’un film externe en matériau souple à propriétés anti-salissures sur la couche frontale. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels : • la figure 1 est une représentation schématique de dessus d’un laminât flexible, • la figure 2 est une représentation schématique en coupe transversale d’un laminât flexible selon un mode de réalisation.
Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références numériques.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
On entend par « couche frontale » dans la description suivante, la surface du laminât flexible exposée en premier aux rayons solaires à l’état installé du laminât flexible. De même, on entend par « couche arrière » dans la description suivante, la couche opposée à la couche frontale, c’est-à-dire la surface qui est impactée en dernier par les rayons solaires lors de leur passage à travers le laminât à l’état installé du laminât.
Ensuite, on entend par « transparent » dans la description suivante, un matériau, de préférence incolore, à travers lequel la lumière peut passer avec une absorption maximum de 10% des longueurs d’ondes comprises en particulier entre 280 nm et 1300 nm.
De plus, on entend dans la description suivante par « film en matériau souple » le fait que lors de l’application d’un certain rayon de courbure, le film ne se fissure pas. Dans la présente invention le matériau devrait supporter sans dommage un rayon de courbure de 80 cm.
Par ailleurs, on entend par « flexible » dans la description suivante, un élément présentant les caractéristiques de souplesse énoncées ci-dessus. D’autre part, en référence à la figure 2, les différentes couches composant un laminât flexible 1 sont espacées les unes des autres. Cette représentation est uniquement réalisée pour mieux identifier les différentes couches. A l’état livré du laminât flexible 1, les différentes couches représentées sont en contact les unes avec les autres.
En référence aux figures 1 et 2, il est représenté un laminât flexible 1 de cellules photovoltaïques 3 pour former par exemple un panneau ou un module photovoltaïque. Le laminât flexible 1 comprend une couche de cellules photovoltaïques 3, composée selon cette représentation particulière par quatre bandes de cellules photovoltaïques 3, connectées entre elles, une couche frontale 5 et une couche arrière 7 d’encapsulation de la couche de cellules photovoltaïques 3. Ce laminât flexible 1 peut par exemple être obtenu par un procédé de lamination classique, c’est-à-dire par élévation de la température d’un empilement des différentes couches formant le laminât 1 puis par pression sur cet empilement pendant une durée déterminée sous vide ou sous une atmosphère inerte par exemple. La flexibilité du laminât 1 est obtenue grâce aux matériaux constitutifs des différentes couches composant ce laminât 1 comme cela est expliqué plus en détail ultérieurement. L’utilisation d’un laminât flexible 1 pour un tel panneau ou module photovoltaïque permet de faciliter son transport et son installation car la fragilité de ce dernier est diminuée.
En référence à la figure 2, les couches frontale 5 et arrière 7 d’encapsulation comprennent chacune un tissu de fibres de verre 51, 71 et une résine d’encapsulation 53, 73.
Plus particulièrement, la résine d’encapsulation 53, 73 est disposée entre la couche de cellules photovoltaïques 3 et le tissu de fibres de verre 51, 71 afin d’assurer la cohésion entre le tissu de fibres de verre 51, 71 et la couche de cellules photovoltaïques 3. A titre de variante, chacune des deux couches frontales 5 et arrière 7 peut être formé d’une seule couche de tissu en fibre de verre imprégné.
Bien entendu, au moins la couche frontale d’encapsulation 5 est transparente pour permettre aux rayons solaires d’atteindre la couche de cellules photovoltaïques 3 afin de permettre leur conversion de l’énergie photovoltaïque en énergie électrique.
Lorsque le laminât flexible 1 est installé, les rayons solaires pénètrent d’abord la couche frontale d’encapsulation 5, puis la couche des cellules photovoltaïques 3 et enfin, s’ils ne sont pas absorbés la couche arrière d’encapsulation 7.
Ainsi, cette couche frontale d’encapsulation 5 est fortement exposée aux poussières et aux aléas climatiques qui peuvent l’encrasser du fait de sa disposition. En effet, des salissures peuvent se déposer sur cette couche frontale d’encapsulation 5 et provoquer des phénomènes d’absorption ou de diffusion de la lumière ce qui peut diminuer la production d’énergie électrique du panneau photovoltaïque.
Afin d’éviter cet encrassement, le laminât flexible 1 comporte un film externe 9 en matériau souple à propriétés anti-salissures et transparent, disposé sur la couche frontale d’encapsulation 5. C’est donc le film externe 9 qui sera directement exposé aux salissures pouvant provenir de l’environnement extérieur. Plus particulièrement, ce film externe 9 en matériau souple présente une rugosité moyenne inférieure à 1 pm, notamment comprise entre 0,1 et 0,5 pm.
On entend par rugosité moyenne ici, la rugosité généralement indiquée sous le symbole Ra qui correspond à la moyenne arithmétique de toutes les ordonnées du film externe 9 à l’intérieur d’une longueur de base. En effet, une telle rugosité moyenne pour ce film externe 9 permet de limiter l’adhérence des poussières et des résidus sableux pouvant par exemple être contenus dans de l’eau de pluie afin de limiter et de prévenir le dépôt de salissures et éventuellement la formation de moisissures sur le laminât 1.
En effet, plus la rugosité du film externe 9 est faible, moins les salissures peuvent s’ancrer sur ce film externe 9 car leur possibilité d’adhérence sur cette couche est fortement diminuée.
Ainsi, la présence du film externe 9 permet d’espacer les opérations de nettoyage et de maintenance à effectuer sur ce laminât flexible 1, et donc les coûts engendrés par de telles opérations.
Par ailleurs, afin de minimiser les possibilités d’adhérence des salissures sur le laminât 1, le film externe 9 présente une rugosité maximale inférieure à 3pm, et notamment comprise entre 0,1 et 2,6 pm. On entend par rugosité maximale ici, la rugosité généralement indiquée sous le symbole Rz qui correspond à la somme de la plus grande des hauteurs du profil et de la plus grande des profondeurs de creux de la couche externe frontale 9 à l’intérieur d’une longueur de base moyennée sur le nombre total de longueurs de base. En effet, la rugosité maximale pour ce film est également un paramètre à prendre en compte, car si le laminât flexible 1 présente en certains endroits des points de rugosité élevée, des salissures peuvent s’accumuler autour de ces points et nuire au rendement de conversion du panneau photovoltaïque auquel le laminât est intégré. D’autre part, le matériau souple utilisé pour le film externe 9 est un polymère transparent.
Le polymère formant le film externe 9 en matériau souple est choisi parmi la famille des polyflurorures de vinylidène (PVDF), des polyfluorures de vinyle (PVF), des éthylènes tétrafluoroéthylène (ETFE), ou encore des polytéréphtalates d’éthylène (PET)+ du polyuréthane, des silicones ou des acryliques. De tels polymères sont compatibles avec les procédés de lamination.
Le film externe 9 peut être appliqué sous forme solide (film plastique par exemple) ou par voie liquide avec une solidification élastique par la suite.
La « transparence » du film externe 9 est non seulement obtenue par ses facultés d’absorption, mais aussi par sa minceur. Ainsi, un film externe 9 peut présenter dans la plage de fonctionnement en longueur d’onde des cellules photovoltaïque un pic ou une bande d’absorption, mais du fait de la minceur du film externe 9, la probabilité d’absorption est faible et conduit à un taux d’absorption du film externe 9 inférieur à 10%.
De plus, rutilisation de fluoropolymères permet d’augmenter la résistance du laminât flexible 1, et notamment celle de la couche externe frontale 9, à l’humidité ou encore aux agressions acides. De plus, lorsque le polymère formant le film externe 9 en matériau souple est choisi parmi les polytéréphtalates d’éthylène (PET), ce film externe 9 se présente sous la forme d’un film tricouches dont au moins une couche est composée de polytéréphtalate d’éthylène. L’utilisation d’un tel polymère permet également de conférer au film externe 9 des propriétés de résistance à l’humidité ou aux agressions acides notamment. Ainsi, les coûts de maintenance et de fonctionnement de ce laminât flexible 1 sont limités.
De tels matériaux présentant des caractéristiques de rugosité moyenne et maximale compatibles avec les valeurs nécessaires pour limiter l’encrassement du laminât flexible 1. De plus, de tels matériaux sont des matériaux diélectriques. Ainsi, leur attraction des poussières par exemple par effet électrostatique est empêchée, ce qui permet également de limiter l’encrassement du laminât flexible 1. Par ailleurs, rutilisation de tels matériaux permet au film externe 9 en matériau souple de présenter des propriétés anti réfléchissantes de sorte à optimiser les rendements de conversion photovoltaïque du laminât flexible 1.
Les cellules photovoltaïques 3 formant la couche de cellules photovoltaïques 3 dans ce laminât flexible 1 sont par exemple des cellules à base de silicium monocristallin ou multi-cristallin. L’utilisation de silicium monocristallin permet d’avoir de bons rendements de conversion photovoltaïque au mètre carré. Par ailleurs, un tel matériau présente également une bonne résistance au vieillissement ce qui permet d’augmenter la longévité de ce laminât flexible 1.
Le film externe 9 en matériau souple présente une épaisseur e comprise entre 20 pm et 500 pm. Une telle épaisseur du film externe 9 en matériau souple permet de corriger les défauts de surface éventuels de la couche frontale d’encapsulation 5 sur laquelle ce film est disposé de sorte que le laminât flexible 1 présente les rugosités moyenne et maximale définies précédemment afin de limiter les possibilités d’adhérence des salissures sur cette couche externe frontale 9.
Par ailleurs, les couches frontale 5 et arrière 7 d’encapsulation présentent chacune une épaisseur E comprise entre 0,05 mm et 3 mm. Une telle épaisseur E des couches frontale 5 et arrière 7 d’encapsulation permet l’obtention d’un laminât flexible 1 de faible épaisseur, ce qui permet notamment de diminuer les coûts liés à son transport et son poids. Selon les modes de réalisation particuliers représentés ici, les couches frontale 5 et arrière 7 d’encapsulation présentent la même épaisseur E. Cependant, selon une variante non représentée ici, ces couches frontale 5 et arrière 7 d’encapsulation peuvent présenter des épaisseurs différentes.
Selon le mode de réalisation particulier de la figure 2, les couches frontale 5 et arrière 7 d’encapsulation sont toutes les deux transparentes. Ainsi, les rayons solaires passent à travers l’ensemble du laminât flexible 1.
Selon le mode de réalisation non représenté, la couche arrière 7 d’encapsulation peut être non transparente et/ou réfléchissante.
Le laminât flexible 1 décrit en référence aux figures 1 et 2 permet donc la mise en œuvre d’un procédé permettant de réduire ou de limiter les salissures à la surface du laminât flexible 1 de cellules photovoltaïques 3.
Le film externe 9 peut être déposé sur la couche frontale 7 d’encapsulation avant le laminage et être laminé en même temps que les couches 3, 5 et 7. Selon une variante, il peut être déposé et fixé sur le laminât 1 après le laminage, par exemple par collage ou par application sous forme liquide avec une solidification par la suite.
Les exemples de réalisation développés ici sont des exemples fournis à titre illustratif et non limitatif. En effet, il est tout à fait possible pour l’homme de l’art d’utiliser d’autres cellules photovoltaïques 3 que des cellules à base de silicium monocristallin, comme par exemple des cellules à base de silicium multi-cristallin ou encore des cellules organiques ou des couches minces inorganiques, sans sortir du cadre de la présente invention.
Ainsi, la limitation des opérations de maintenance tout en conservant de bons rendements de conversion photovoltaïque est possible grâce à l’utilisation du laminât flexible 1 décrit précédemment et notamment grâce au film externe 9 disposé sur la couche frontale d’encapsulation 7 et présentant des propriétés anti-salissures.

Claims (9)

  1. Revendications
    1. Laminât flexible (1) de cellules photovoltaïques (3] comprenant ; une couche de cellules photovoltaïques (3) connectées entre elles, une couche frontale (5) et une couche arrière (7) d'encapsulation de la couche de cellules photovoltaïques (3) dans lequel le laminât flexible (1) présente un film externe (9) en matériau souple à propriétés anti-salissures déposé sur la couche frontale (5] d’encapsulation, ledit film externe (9) présentant une rugosité moyenne inférieure à Ipm, notamment comprise entre 0,1 et 0,5 pm.
  2. 2. Laminât flexible (1) selon la revendication 1, dans lequel la rugosité maximale du film externe (9) est inférieure à 3pm, notamment comprise entre 0,1 pm - 2,6 pm.
  3. 3. Laminât flexible (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel les cellules photovoltaïques (3) sont des cellules à base de silicium.
  4. 4. Laminât flexible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau utilisé pour le film externe (9) est un polymère.
  5. 5. Laminât flexible (1] selon la revendication 4, caractérisé en ce que le polymère formant le film externe (9) en matériau souple est choisi parmi la famille des polyflurorures de vinylidène (PVDF), des polyfluorures de vinyle (PVF), des éthylènes tétrafîuoroéthylène (ETFE), ou encore des polytéréphtalates d’éthylène (PET), du polyuréthane, des acryliques, ou des silicones.
  6. 6. Laminât flexible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le film externe (9) présente une épaisseur (e) comprise entre 10 pm et 500 pm.
  7. 7. Laminât flexible (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les couches frontale (5) et arrière (7) d'encapsulation présentent chacune une épaisseur (E) comprise entre 0,2 mm et 3 mm.
  8. 8, Laminât flexible (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des couches frontales (5, 7) comporte un tissu de fibres de verre (51, 71) et une résine d’encapsulation (53, 73).
  9. 9, Procédé pour réduire ou limiter les salissures à la surface d'un laminât flexible (1) de cellules photovoltaïques (3) comprenant une couche de cellules photovoltaïques (3) connectées entre elles, une couche frontale (5) et une couche arrière (7) d’encapsulation de la couche de cellules photovoltaïques (3), ledit procédé comprenant l’application d'un film externe (9) en matériau souple à propriétés anti-salissures sur la couche frontale (5) d’encapsulation, ledit film externe (9) présentant une rugosité moyenne inférieure à Ipm, notamment comprise entre 0,1 et 0,5 pm.
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