FR3079692A1 - Alternateur photovoltaique a concentration generateur de courant ondulatoire periodique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un générateur à concentration solaire de courant ondulatoire périodique. Pour se faire, l'invention comporte un noyau (1) couvert de cellules photovoltaïques (2) câblées en modules égaux. Ce noyau (1) est placé dans un stator comportant un ou plusieurs dispositifs optiques (4 et 5) ayant pour rôle de concentrer le rayonnement solaire sur certains des modules photovoltaïques. Un système de caches opaques (7) permet d'ombrer totalement les autres modules non éclairés. Un mouvement, l'un par rapport à l'autre, du noyau et des caches opaques (7), est entretenu par un moteur d'entrainement (3) dans le but de commuter l'éclairage des modules photovoltaïques alternativement. L'alternateur est orienté perpendiculairement au soleil par un système électronique (6), suivant sa course sur deux axes, du matin au couchant. Le dispositif selon l'invention est un moyen polyvalent de production à concentration solaire d'électricité ondulatoire périodique.

Description

La présente invention à pour objet un alternateur à concentration photovoltaïque générateur d’électricité ondulatoire périodique

Pour ce faire, un noyau couvert de cellules photovoltaïques est exposé et caché alternativement au rayonnement solaire concentré par un stator équipé de dispositifs optiques.

Il n’existe aucun générateur photovoltaïque en régime périodique à ce jour, le photovoltaïque ne produisant que de l’électricité continue. Comme dans le rotor d’un moteur continu qui travaille en courant commuté, l’électricité ondulatoire photovoltaïque n’existe que dans les courants internes de quelques rares moteurs photovoltaïques. Nous ne pouvons donc que présenter l’état de la technique des éléments qui composent l’invention : le photovoltaïque, les dispositifs de concentration solaire, le courant alternatif, un appareil de transformation directe du rayonnement solaire en énergie mécanique, et les quelques rares moteurs photovoltaïques cités plus haut.

Le rayonnement solaire : Le Soleil émet un rayonnement pouvant être décrit comme une onde électromagnétique (aspect ondulatoire) ou comme une source de photon sans masse (aspect corpusculaire) transportant chacun une quantité d’énergie appelée “quantum d’énergie. L’énergie que transmet le Soleil à la surface de l’atmosphère par rayonnement est la constante solaire égale à 1 350 Watts/m² En traversant les atomes de l’atmosphère de la Terre, cette énergie est en partie réfléchies, absorbées ou diffusées et on estime généralement le rayonnement au sol à 900 à 1000 Watts/m².

L’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839. Il est obtenu par absorption de photons dans un semi-conducteur qui génère alors une tension et un courant électrique continu. Ces cellules photovoltaïques sont

-2créées principalement à partir de silicium (Si). Les cellules ne peuvent stocker l’énergie, mais il est courant de représenter une cellule comme une pile dont la puissance varie en fonction de la luminosité ambiante, la tension et le courant obtenus dépendant de la qualité de l’ensoleillement. De nos jours, on distingue trois générations de cellules photovoltaïques :

Les cellules cristallines : Dites de première génération, elles ne comprennent qu’une seule jonction P-N et ont un rendement faible sous éclairement réduit. Leur technique de fabrication est basée sur la production de “wafers“ à partir d’un silicium très pur. On en distingue deux types :

Les cellules monocristallines qui offrent un rendement de 12 à 19 %.

Les cellules polycristallines qui ont un rendement de 11 à 15 % et qui sont plus utilisées du fait de leur rapport performance/prix plus intéressant.

Les cellules en couches minces : Dans ces cellules de seconde génération, du silicium amorphe est directement déposé par vaporisation sur un support. Elles fonctionnent avec un éclairement faible, sont moins sensibles à l’ombrage et aux élévations de température et permettent de créer des panneaux souples. Elles sont moins coûteuses que la première génération, mais leur rendement, même sous éclairage direct, n’est que de 6 à 7% avec une diminution de performance dans le temps.

Les cellules à concentration microcristallines : De troisième génération, multicouches et multi-jonctions, elles sont conçues pour être placées au sein d’un foyer optique à base de lentilles ou miroirs parabolique qui concentre la lumière. Ce sont les cellules qui ont le meilleur rendement actuel, de 30 à 40%, tout en étant très compactes (généralement de 2 à 10 mm carrés). Elles sont pour le moment très coûteuses, et doivent absolument être placées

-3sur un support équipé d’un dispositif de poursuite solaire et d’un système de refroidissement souvent à base de circulation de liquide caloporteur.

Les modules photovoltaïques : Pour faire fonctionner aussi bien de petits appareils électriques, qu’alimenter un réseau domestique pour des installations de forte puissance, on raccorde plusieurs cellules en “string, eux même assemblés en modules, par câblage en série ou parallèle, afin d’obtenir une tension et/ou un courant plus élevé. Les modules connectés entre eux, forment alors un champ de capteurs, appelés aussi panneaux, formants générateur ou centrale photovoltaïque.

Le photovoltaïque à concentration : Historiquement, il a d’abord été réservé à l’aérospatiale, puis il a été testé dans quelques prototypes et opérations pilotes comme le programme européen “Hercules. En intercalant un dispositif concentrateur entre le soleil et la cellule photovoltaïque, on augmente la surface de captation sans augmenter la taille du capteur. Une centrale solaire à concentration dispose donc de moins de cellules solaires, au profit de miroirs et de dispositifs qui vont permettre de concentrer la lumière. Cette méthode permet d’utiliser moins de matière semi-conductrice, mais ces cellules doivent être refroidies par fluide caloporteur pour contrôler l’augmentation de température qui provoque une chute de rendement importante, et est préjudiciable à leur durée de vie. Toutes ces contraintes ont un coût, les modules à concentration sont plus complexes, plus fragiles, plus délicats à transporter et à monter, de sorte que les modules classiques dominent toujours le marché.

Les concentrateurs solaires : Pour concentrer la lumière sur les cellules de troisième génération, il existe deux principales méthodes :

1. L’utilisation de miroirs plans ou paraboliques.

2.

L’utilisation de lentilles grossissantes ou de lentilles de Fresnel.

L’alternative des sphères solaires : L’architecte allemand André Broessel a conçu et commercialisé en 2013 “Rawlemon, une sphère solaire constituée d’une boule transparente en polymère acrylique servant de lentille qui concentre les rayons du soleil sur une cellule photovoltaïque multi-jonction, réduisant d’un facteur 100 la surface de cellule pour une puissance donnée. Un système d’orientation à deux axes permet de maximiser le rendement. Le modèle le plus petit : Beta.ey (10 cm) a une cellule de 16 W et une batterie de 27,5 Wh ; une prise USB 2.0 permet de recharger un téléphone portable et une LED colorée transforme la sphère en lampe. Des sphères de 1 m ou 1,80 m de diamètres sont aussi commercialisées pour installation en toiture, ainsi qu’un module de façade à plusieurs sphères.

Le rapport de concentration : Pour calculer la puissance de ces appareils à concentration, on exprime le rapport de concentration de la lumière solaire sur une petite surface en une unité dite « soleil » qui indique de combien l’énergie incidente du soleil est multipliée : On parle de basse concentration si les lentilles ou les miroirs apportent de 2 à 100 “soleils à la cellule, moyenne concentration pour 100 à 300 “soleils, haute concentration au-delà de 300 “soleils.

La poursuite solaire : Une des contraintes des panneaux à concentration est qu’il faut que la lumière concentrée soit focalisée sur la cellule tout au long de la journée, ce qui nécessite un dispositif de poursuite solaire pour rester en permanence perpendiculaire aux rayons du soleil. Un “tracking seul garantit une augmentation de la production électrique par rapport aux panneaux fixes d’au minimum 25 % mais en concentration, le rendement sur une journée est environ deux à trois fois supérieur à celui d’un module à plat sans concentration.

-5L’onduleur : Quelque-soit la taille et le type de technologie utilisée, les panneaux photovoltaïques produisent toujours du courant continu. On couple donc l’électricité produite par les différents modules photovoltaïques au niveau du boîtier de raccordement, et à partir du courant et de la tension produite, l’onduleur adapte ses caractéristiques d’entrées pour produire du courant sinusoïdal en faisant fonctionner le module photovoltaïque à sont point de fonctionnement maximum. (MPP tracker). Un onduleur moderne peut atteindre 95% de rendement. Il peut aussi assurer la synchronisation avec le réseau national, afin de réinjecter le courant généré en adaptant la tension et synchronisant la fréquence produite par l’installation.

La fréquence : Outre la tension, le courant alternatif est caractérisé par le nombre de fois où il change de sens par seconde. La notion de fréquence (f) en hertz (Hz) est l’inverse de la période (T), durée de l’onde de courant électrique alternatif en secondes. C’est Westinghouse, probablement avec les conseils de Tesla, qui imposa progressivement un compromis à 60 Hz aux États-Unis. En Europe, après que A.E.G. eut choisi le 50 Hz, cette fréquence se diffusa petit à petit et est toujours la norme Française.

Le sinusoïdal triphasé : Dans le but de permettre un fonctionnement optimal des machines tournantes, en offrant une puissance instantanée constante, le réseau industriel est triphasé, équilibré à la production et à l’utilisation, en produisant des champs magnétiques tournants et en répartissant d’une manière spécifique les bobinages sur les rotors. De plus, le régime triphasé occasionne moins de pertes par effet joule lors du transport en ligne de l’électricité. Par rapport à une distribution en monophasé, à tension entre phases identique et même diamètre de câble, la distribution en triphasé permet de “transporter une puissance V3 fois plus grande. En tenant compte

-6du conducteur de phase supplémentaire, à puissance et tension entre phases égales, le gain en masse de conducteur est de 15 %.

Photovoltaïque et machines tournantes : Le seul dispositif de transformation directe du rayonnement solaire en énergie mécanique, est un radiomètre, inventé en 1873 par William Crookes pour mesurer les radiations magnétiques. Ce dispositif consiste en une ampoule sous vide partiel, dans laquelle on a disposé un système rotatif constitué d’un axe de métal sur lequel peut tourner un ensemble de quatre ailettes de mica dont chacune à une des faces noircies au noir de fumée et l’autre argentée. Exposées à un rayonnement électromagnétique, ces ailettes se mettent à tourner sans autre apport d’énergie externe, d’autant plus vite que le rayonnement est important. Toutefois, la puissance de ce micro moteur est négligeable.

Le classique moteur électrique continu directement branché aux bornes de cellules photovoltaïques permet lui aussi de simplement convertir l’énergie solaire en énergie mécanique, mais la chaîne de transformation des énergies est alors : rayonnement solaire => capteur photovoltaïque => courant continu => Moteur => rotation mécanique. Outre l’ajout de batteries pour s’affranchir des contraintes de manque d’ensoleillement, un onduleur permet de travailler en régime alternatif pour alimenter des machines tournantes de puissance.

Un autre exemple de l’état de la technique est l’idée décrite pour la première fois par Daryl Chapin en 1962 d’un moteur dont le mouvement serait généré par un champ magnétique dans des bobines alimentées par des cellules solaires. Le moteur “Mendocino¹¹ est généralement constitué d’un rotor à quatre côtés couvert de cellules photovoltaïques. Un aimant est placé en dessous du rotor dont les faces alimentent directement ses bobinages électromagnétiques. Quand la lumière du soleil frappe une cellule photovoltaïque, elle alimente la

-7bobine attenante générant ainsi un champ magnétique qui interagit avec celui de l’aimant disposé sur le socle, faisant tourner celui-ci sur son axe. Le rotor présente alors une nouvelle face à la lumière solaire générant le mouvement suivant du cycle. Ce moteur a une puissance extrêmement faible, à tel point que des paliers magnétiques sont le seul moyen de limiter les frottements et permettre la simple rotation du rotor.

Le moteur photovoltaïque autocommuté : Brevet WO 2010/082007 A2 de Mr Alain Coty. Plus récent encore exemple de l’état de la technique, le moteur photovoltaïque auto-commuté de Mr Alain Coty consiste à raccorder directement les cellules photovoltaïques d’un module solaire de forme circulaire dont des zones sont directement connectés aux bobines d’un moteur. Au dessus des cellules, un disque ajouré solidaire de l’arbre du moteur tourne en découvrant et masquant alternativement les secteurs du module ; ce qui a pour effet de commuter le courant dans les bobines. Il est ainsi réalisé un moteur « photovoltaïque auto-commuté et auto-alimenté» sans aucun dispositif intermédiaire entre les bobines et les cellules qui fournissent l’énergie.

L’invention propose un alternateur à concentration photovoltaïque, générateur d’électricité ondulatoire périodique.

Pour ce faire, on expose et masque alternativement un noyau (1) couvert de cellules photovoltaïques (2) au rayonnement solaire concentré par un stator équipé de dispositifs optiques (4 et 5).

En utilisation classique sans concentration, le rendement théorique maximum des cellules photovoltaïque n’est que rarement atteint car le rayonnement solaire naturel est souvent inférieur aux simulations en laboratoire. Sous concentration solaire, sans l’ajout d’un système de refroidissement dédié, l’élévation de température qui implique une perte d’efficacité des cellules photovoltaïques est telle, qu’elle empêche aussi généralement d’atteindre le rendement maximum, et risque de faire fondre les cellules.

La présente invention apporte une solution à ce problème de l’état de la technique en soumettant les cellules photovoltaïques au rayonnement solaire par intermittence. On les exploite alors en régime dynamique bien plus proches, voir supérieur à leurs caractéristiques théoriques. En effet, les pièces mécaniques misent en mouvement pour générer la concentration solaire intermittente crées un flux d’air permettant de maintenir les cellules photovoltaïques à une température de fonctionnement moindre par rapport à une utilisation statique. La température des cellules photovoltaïques étant préjudiciable aussi à leur vieillissement, leur longévité s’en trouve de plus augmentée.

Outre cette solution à un problème de l’état de la technique, l’utilisation du photovoltaïque en commutation génère un signal ondulatoire périodique, proche du sinusoïdal, totalement inédit en photovoltaïque, qui présente lui aussi un très grand intérêt.

Dans l’invention, des cellules photovoltaïques (2), câblées en secteurs égaux constitue un noyau (1) de modules photovoltaïques. Cet ensemble est exposé au rayonnement solaire par un stator comportant des miroirs (4) et des lentilles (5) ayant pour rôle de concentrer et distribuer l’énergie solaire sur certains modules photovoltaïques (2) préférés du noyau. Les autres modules (2) sont placés dans l’ombre de panneaux caches opaques (7), placés concentriquement au noyau (1). Un mouvement, de l’un par rapport à l’autre, du noyau (1) et des caches opaques (7), est entretenu et maintenu à vitesse constante par un moteur d’entrainement (3) dans le but de commuter entre

-9ombre et soleil les modules photovoltaïques (2). Cet éclairement alternatif génère en sortie de l’invention une tension et un courant proportionnel et en phase avec la fréquence de commutation solaire sur les modules (2).

Un mode préféré de réalisation de l’invention est la mise en rotation du noyau (1) photovoltaïque par rapport au caches opaques (7) montés en cage et solidaire du stator. Ce mode de réalisation de l’invention est communément appelée “à rotor interne. Une autre variante de mode de réalisation de l’invention consiste en la mise en rotation de la cage de caches opaques (7) par rapport au noyau (1) solidaire du stator. Cette variante de mode de réalisation de l’invention est communément appelée “à rotor externe.

Le mouvement des deux par rotation contrarotative, l’un par rapport à l’autre, est aussi possible. Elle présente l’intérêt principal de pouvoir diminuer par deux la vitesse de rotation des éléments en rotation dans l’invention, pour une fréquence de sortie électrique équivalente, au détriment d’une complexité mécanique plus grande. Chacun de ces 3 variantes de réalisation de l’invention possède ses avantages et inconvénients, mais celle ci ne sera pas détaillée dans cette demande de brevet car sa mise en œuvre n’est que la composante des deux autres versions présentées.

L’invention a donc pour objet un alternateur à concentration photovoltaïque générateur d’électricité ondulatoire périodique comportant :

- Un noyau (1 ) couvert sur sa face périphérique externe de cellules photovoltaïques (2).

- Un stator concentrant le rayonnement solaire vers le noyau (1).

Caractérisé en ce qu’il comporte :

- un système optique à base de lentilles (5) et de miroirs (4) pour concentrer et distribuer le rayonnement solaire vers certains modules

-10photovoltaïques (2) du noyau (1).

- Des caches opaques (7) qui permettent la commutation alternativement de l’ombre et de la lumière solaire concentrée sur les modules photovoltaïques (2) du noyau (1).

Caractérisé en ce qu’ils comportent :

- Des panneaux opaques (7) disposés en cage concentriquement au noyau (1).

- Un moteur d’entrainement (3) permettant d’entretenir la commutation alternative du changement d’état des cellules photovoltaïques (2) du noyau (1).

Avantageusement, l’invention est également caractérisée en ce que :

- Les cellules photovoltaïques (2) sont placés sur la face externe périphérique du noyau (1).

- Les dispositifs optiques du stator (4 et 5) assure la double fonction de concentration des rayons solaires et de distribution vers des cellules photovoltaïques préférées du noyau (1) pour les éclairer d’égale manière.

- les caches opaques de la cage (7) sont espacés les uns des autres pour permettre la commutation alternativement de l’ombre et de la lumière solaire concentrée sur les modules photovoltaïques (2) du noyau (1).

- Le noyau (1 ) et la cage de caches opaques (7) sont mobiles en rotation l’un par rapport à l’autre pour permettre la commutation alternativement de l’ombre et de la lumière solaire concentrée sur les modules photovoltaïques (2).

- Le bord d’attaque et de fuite des caches opaques de la cage (7) ont des formes non linéaires afin de modifier la forme d’onde du signal périodique produit par l’alternateur.

- Un moteur d’entrainement (3) assure la mise en mouvement rotatif, l’un par rapport à l’autre, du noyau (1 ) et de la cage de caches opaques (7).

- L’électricité photovoltaïque produite en sortie de l’invention est de forme ondulatoire périodique et non pas continue.

- La fréquence de l’électricité photovoltaïque ondulatoire périodique produite est proportionnelle à la fréquence de commutation lumineuse et donc la vitesse de rotation, l’un par rapport a l’autre, du noyau (1) et de la cage de caches opaques (7).

- La synchronisation d’un alternateur photovoltaïque sur un signal alternatif de référence est effectué par l’utilisation d’un moteur alternatif synchrone pour son entrainement directement alimenté par le signal alternatif de référence.

L’invention a également pour objet un système dans lequel est installé un alternateur à concentration photovoltaïque générateur d’électricité ondulatoire périodique selon l’invention.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagne. Celle ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.

La figure 1 montre une représentation schématique d’un mode de réalisation préféré de l’invention dite “à rotor interne, (sous entendu : à noyau rotatif (1 ) et à cage de caches opaques (7) solidaire du stator).

Les figures 2a, 3a, 4a montrent un mode de réalisation préféré de l’invention aussi dit “à rotor interne et utilisant des cellules photovoltaïques cristallines (2a) de première génération au silicium.

Les figures 2b, 3b, 4b montrent une variante de réalisation de l’invention dite “à rotor externe, (sous entendu : à noyau solidaire du stator (1) et à cage de caches opaques (7) rotative) et utilisant des cellules photovoltaïques (2b) de troisième génération dites à concentration.

-12La figure 5a montrent un mode de réalisation préféré de cache opaque d’une cage (7) de l’invention.

La figure 5b montrent une variante de réalisation de cache opaque de cage (7) perfectionnée de l’invention apte à modifier la forme de l’onde de l’électricité périodique fournie par l’invention.

La figure 6 montre un mode de réalisation préféré d’une hélice de ventilation forcée (9) apte à augmenter le flux d’air de refroidissement des cellules photovoltaïques (2).

Les figures 7a et 7b montrent les schémas de câblages internes de modes de réalisation préférés de noyau (1) de l’invention, câblés en série et parallèle dans le cas d’un montage dit “à rotor interne.

Les figures 8a et 8b montrent les schémas de câblages internes de modes de réalisation préférés de noyau (1) de l’invention, câblés en série et parallèle dans le cas d’un montage dit “à rotor externe.

La figure 9 montre un mode de réalisation préféré d’un alternateur photovoltaïque “à rotor interne, muni de deux hélices de ventilation forcée (9), et d’un moteur d’entrainement (3) directement intégré en bout d’axe (8) de noyau (1).

La figure 10 montre un mode de réalisation préféré d’un alternateur photovoltaïque “à rotor interne muni de flans (10) formants chassie et carénage de protection à chaque extrémité de l’invention.

La figure 11 montre un mode de réalisation préféré de l’invention “à rotor

-13externe perfectionné d’un noyau à trois tambours à 6 faces décalés de 40° et apte à générer une électricité ondulatoire périodique triphasée à 120°.

L’un des principes fondamentaux du fonctionnement de l’invention est de générer des variations de lumière et d’ombre sectorielles sur un noyau (1), pour obtenir des ondulations d’électricité en sortie des cellules photovoltaïques (2) qui le recouvre et donc les alternances du courant périodique de sortie de l’invention.

Pour ce faire, des panneaux caches opaques (7), sont placés en cage concentriquement au noyau (1), pour permettent par mouvement de rotation de l’un par rapport à l’autre, la commutation des cellules photovoltaïques (2) entre ombre et lumière solaire concentrée. Un moteur d’entrainement (3) à vitesse constante permet la mise en mouvement rotatif généralement d’un de ces deux éléments, soit du noyau (1) mobile par rapport aux caches opaques solidaire du stator, (montage dit “à rotor interne) ou de cette même cage (7) mobile par rapport au noyau (1) solidaire du stator (montage dit “à rotor externe).

Le moteur d’entrainement (3) préférablement électrique, avec ou sans démultiplication, son type, sa puissance et sa source d’alimentation (externe, solaire, batteries...) ne seront pas détaillés dans cette demande de brevet car seul nous importe sa fonction. Le nombre de passage des cellules (2) du noyau (1) par secondes entre l’ombre et la lumière est proportionnel à la vitesse de rotation des éléments mis en rotation dans l’invention, et détermine la fréquence du courant ondulatoire périodique produit en sortie du dispositif.

Le nombre de secteurs de cellules en modules photovoltaïque (2) qui composent le noyau (1) peut varier suivant le mode de réalisation de l’invention, tout comme les câblages internes entre cellules et modules reliées soit en

-14parallèles ou en série suivant les tensions et courant de sortie désirés. Produire à soleil maximum constant, une tension et un courant préféré, n’est qu’une question de câblage, et reste plus stable, par rapport au variations de l’éolien sur l’année par exemple, les variations de rayonnement solaire maximum étant très faibles et prévisibles d’un jour à l’autre.

De plus, le lien direct entre la vitesse de rotation du moteur d’entrainement (3) et la fréquence de l’électricité ondulatoire produite est un atout majeur pour la synchronisation avec un courant électrique de référence ou la synchronisation de plusieurs alternateurs travaillants à l’unisson. La synchronisation en alternatif est en effet simplifié avec l’utilisation de moteurs d’entrainement (3) synchrone, simplement alimenté par le réseau de référence, ou directement sur la sortie de l’alternateur photovoltaïque précédent en cas de chaînage.

Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, ou on désire générer du courant de fréquence f = 50 Hz, la période du signal s’exprime : T= 1/f soit 1/50 = 0,02s

Avec un alternateur photovoltaïque “à rotor interne comportant 6 secteurs de cellules et une cage à 3 caches opaques, nous avons 3 alternances par tour. On en déduit que 1 Tour = 3 x T = 0,06s

Le nombre de tours par secondes est donc de 1 / 0,06 = 16,6667 Tours/s

Il faut faire tourner le rotor à environ 16,6667 x 60 soit 1000 tours /mn exactement. Sur ce même modèle, un alternateur à rotor à 12 modules ne devra tourner qu’a 500 tours/mn pour produire du 50 Hz.

La figure 1 montre un mode de réalisation préféré de l’invention dit “à rotor interne. Les cellules sont ainsi placées au centre d’un mouvement d’air qui constitue un refroidissement permanent.

La figure 1 décrit aussi les éléments composant l’invention :

(1) : Le noyau constituant le rotor (interne dans ce mode préféré).

(2) : Les cellules photovoltaïques couvrant La face externe du noyau.

(3) : Le moteur d’entrainement.

(4) : Le miroirs cylindro-parabolique de concentration solaire arrières.

(5) : La lentille linéaire de concentration solaire avant.

(6) : Le dispositif de gestion électronique de poursuite solaire.

(7) : La cage de panneaux caches opaques (fixe dans ce mode préféré).

Dans ce mode de réalisation préféré “à rotor interne, l’utilisation de cellules de première génération cristallines (Fig.2a, (2a)) en silicium, sous concentration solaire mixte à base de miroirs cylindro-paraboliques (4) et de lentille linéaire (5) permet d’augmenter la surface de captation solaire, ce qui améliore le rendement global, et à minima rend le dispositif actif même par ciel légèrement couvert.

Ce type de cellules permet de profiter d’un marché compétitif qui est moins onéreux que celui des cellules a concentration de dernière génération. La présence de cellules à la seule surface du cylindre central (1a) permet d’avoir seulement une fraction de surface photovoltaïque pour un cout de silicium moindre à puissance égale à un panneau photovoltaïque classique de même surface d’exposition. De plus, les miroirs et lentilles sont à très bas prix par rapport au cellules photovoltaïque ce qui diminue le coût au mètre carré de captation solaire.

Pourtant, les caractéristiques électriques et les limites techniques des cellules cristallines ne permettent qu’une utilisation en basse concentration de ratios inférieur à 100 “soleils. Les cellules de cet alternateur étant uniquement refroidis par air, le résultat sera d’une efficacité moindre, mais le coût du dispositif sera très réduit.

-16La figure 2a montre un mode de réalisation préféré de l’invention “à rotor interne (1a) à 6 faces, couvert de cellules photovoltaïque cristallines (2a). Destiné à tourner dans le stator, le noyau de forme cylindrique est centré sur son axe (8).

La figure 3a montre pour ce même mode de réalisation préférée de l’invention le montage du rotor rotatif (1a) de la Figure 2a au centre des dispositifs optiques (4 et 5) de concentration du stator. Ce montage apparente le système à un moteur électrique dit “en cage d’écureuil, ou le rotor serait couvet de cellules photovoltaïques.

La figures 4a montre pour ce même mode de réalisation préférée le schéma de principe du dispositif de concentration solaire mixte à lentilles linéaire (5) et miroirs cylindro-paraboliques (4) sur le noyau (1a) de la Figure 2a. Le rayonnement solaire étant directionnel, venant de l’avant du dispositif, la lentille linéaire (5) concentre les rayons solaires vers les cellules de la face située à l’avant du noyau (2a1), au détriment des cellules des deux faces connexes (2a2 et 2a3) dans l’ombre de la lentille (5). Le miroirs réflecteur arrière (4) permet la réflexion des rayons lumineux vers les cellules des faces arrières du noyau (1a) (2a5 et 2a6), laissant en grande partie les cellules de la face arrière (2a4) dans l’ombre du noyau (1a). Les dimensions des composants du système optique (4 et 5) sont optimisées afin que les cellules des 3 faces actives (2a1,2a5 et 2a6) soient éclairées de la même quantité de lumière. La ligne focale de la concentration est le centre de l’axe (8) ce qui permet un éclairage optimum du noyau (1a) quelque soit son diamètre.

Le diamètre du noyau (1a), la longueur des lentilles linéaires (5) et miroirs cylindro-paraboliques (4), leurs surfaces, positions et distances par

-17rapport au centre de l’axe (8) sont variables et calculées en fonction de la taille et du type de cellules photovoltaïques (2), de leur nombre, et du taux de concentration supporté à la vitesse de rotation nominale du noyau (1). On cherchera généralement à atteindre le taux de concentration solaire maximum, sans dépasser les températures maximales supportées par les cellules photovoltaïques (2) dans un écoulement d’air de vitesse nominale de rotation.

Dans le cas d’un mode de réalisation de l’invention “à rotor interne, la production monophasée de cet alternateur ne nécessitant généralement que deux pôles de sortie électrique, l’axe (8) central du noyau (1) sera avantageusement composé de deux demis axes conducteurs reliés ensemble par un manchon isolant en partie centrale, pour permettre de récupérer l’électricité par contacts de balais de charbon entre les deux extrémités de l’axe (8) du noyau (1).

Dans le cas d’une variante de mode de réalisation de l’invention, la récupération de l’électricité photovoltaïque ondulatoire périodique produite peut être effectuée de par sa nature ondulatoire, par induction magnétique. Cette variante ne sera pas décrite plus en détail dans cette demande de brevet n’étant qu’un perfectionnement en sortie du dispositif.

Le rendement de l’invention est directement lié au rendement des modules solaires disposés sur le noyau (1b). La concentration par lentille linéaire (5) à l’avant de l’invention, et l’utilisation de miroirs cylindroparaboliques (4) à l’arrière forment un système idéal pour le montage sur le cylindre (1b) de strings de cellules à concentration de 3éme génération (2b) qui sont prévus pour une utilisation exclusivement sous concentration solaire. Pourtant, leur refroidissement à circulation de liquide caloporteur implique la variante de mode de réalisation dite “à rotor externe de l’invention. Il est en

-18effet beaucoup plus compliqué de faire tourner un cylindre (1b) équipé d’un système à refroidissement liquide que de faire tourner la cage de caches opaques (7), plus légère et beaucoup plus simple à mettre en mouvement.

La figure 2b montre une variante du noyau (1) de l’invention pour un mode de réalisation préféré de l’invention “à rotor externe¹¹ (1b) à 6 faces, solidaire du stator et équipé de cellules photovoltaïque à concentration (2b), multi-jonctions ou multicouches qui utilisent des bandes d’énergie différentes.

La figure 3b montre pour cette même variante le montage du noyau fixe (1b) de la Figure 2b placé au centre des dispositifs optiques (4 et 5) de concentration du stator. Par comparaison avec la Figure 3a, le diamètre du noyau (1b) étant plus petit, le rapport de concentration sur les cellules (2b) est bien plus élevé sur les trois faces actives du noyau central (1b).

La figure 4b montre pour cette même variante le schéma du principe de concentration solaire sur le cylindre fixe (1b) de la Figure 2b. La concentration étant obtenue à partir des mêmes composants optiques que la Figure 4a, seul les cellules des faces (2b1,2b5 et 2b6) sont éclairées par les dispositifs optiques et sont donc seulement couvertes de cellules photovoltaïques (2b). L’avantage principal d’avoir un cylindre (1b) fixe est de pouvoir refroidir les cellules par un dispositif réfrigérant branché directement de l’extérieur de l’alternateur, ce qui permet d’utiliser des cellules à haute concentration solaire.

A noter que de par leur taille, les cellules à concentration (Fig2b, (2b)) ont un bilan carbone très bas, d’autant que leur concentration sur un cylindre (1b) facilite leur récupération en fin de vie et leur recyclage.

De plus il est possible dans une variante de réalisation de l’invention,

-19d’effectuer une mise en forme sinusoïdal du signal ondulatoire périodique produit par l’alternateur en donnant aux bords d’attaque et de fuite des caches opaques de la cage (7) une forme non linéaire adaptée à la fréquence de sortie et à la technologie des modules photovoltaïques (2) utilisés. Suivant la forme de ces bords de cache (7), le signal sera soit plus proche d’un signal triangulaire, soit plus proche d’un signal sinusoïdal, le rendant directement utilisable pour bon nombre d’applications ne nécessitant pas une onde sinusoïdale parfaite. Cette remise en forme sera d’autant plus fiable que le nombre des cellules photovoltaïques (2) qui composent les modules sur chaque face du rotor est grand, chacune d’elles agissant comme un pixel de résolution dans la matrice de représentation de la forme d’onde de l’électricité de sortie.

La figure 5a montre un mode de réalisation préféré du positionnement de caches opaques linéaires (7) de la cage sur une version particulière d’un alternateur à cylindre (1) à 6 faces, en montage “à rotor interne. En bas de la figure est représenté la forme de l’onde d’électricité photovoltaïque produite par l’alternateur.

La figure 5b montre une variante de profil des caches opaques non linéaires (8b) de la cage permettant une remise en forme sinusoïdale de l’onde d’électricité photovoltaïque produite par l’alternateur à cylindre (1) à 6 faces, en montage “à rotor interne. En bas de la figure est représenté l’onde d’électricité photovoltaïque produite avec ces caches opaques (7) au bord d’attaque et de fuite de forme non linéaires.

La figure 6 montre un mode de réalisation préféré d’hélice de ventilation forcée (9) destinée à augmenter le flux d’air de refroidissement des cellules photovoltaïques dans le cas d’un alternateur “à rotor interne. Montée en bout d’arbre de noyau (1), elle aspire l’air à sa périphérie et la renvoie en surface des

-20cellules photovoltaïques (2) et à l’intérieur du noyau (1) par des trous percés à ses deux extrémités. Pour augmenter le refroidissement, une seconde hélice a pas inverse peut-être installée à l’autre bout de l’axe (8) pour travailler en sens opposé, et créer un flux d’air directement proportionnel à la vitesse de rotation du noyau (1). Les figures 9 et 10 montre ce mode de réalisation préféré de l’invention “à rotor interne en le perfectionnant d’hélices de ventilation de la figure 6 placées en bout d’arbre (8) du rotor (1 ), le flux d’air étant alors forcé pour permettre un meilleur refroidissement sans ajout de système motorisé additionnel.

La figure 7a montre le schéma électrique du câblage interne en parallèle d’un mode de réalisation préféré de l’invention “à rotor interne (1a) à 6 faces équipé de 6 cellules photovoltaïques (2a). Pour cette version particulière de l’invention, on branche les cellules diamétralement opposées du noyau, deux à deux en polarité inverse. Une cellule photovoltaïque qui n’est pas éclairé est assimilable à un circuit ouvert, ainsi, chaque cellule active alternativement, produit l’une des deux alternances positives ou négatives du signal périodique de sortie. Les trois signaux issus des trois couples de cellules étant en phase, un montage en parallèle permet la production d’un courant 3 fois plus important.

Les figures 7b montre une variante série de schéma électrique du câblage interne de la figure 7a ou les trois signaux issus des trois couples de cellules sont reliés en série pour la production d’une tension 3 fois plus importante.

Les figures 8a montre le schéma électrique du câblage interne en parallèle d’un mode de réalisation préféré de l’invention “a rotor externe (1a) à 6 faces équipé de 3 cellules photovoltaïques (2b). Pour cette version particulière de l’invention, chaque cellule active produit un signal modulé entre 0 et sa valeur

-21nominale, uniquement positif en sortie. Les trois signaux issus des trois cellules étant en phase, un montage en parallèle permet la production d’un courant 3 fois plus important.

Les figures 8b montre une variante série de schéma électrique du câblage interne de la figure 8a ou les trois signaux issus des trois cellules sont reliés en série pour la production d’une tension 3 fois plus importante.

La figure 11 montre un mode de réalisation préféré améliorée de l’invention en version “à rotor externe, ou le cylindre (1), solidaire du stator, est formé de trois tambours à 6 faces (1a, 1b, 1c) couplés bouts à bouts, couvert sur les 3 faces actives en concentration de cellules photovoltaïques (2a, 2b, 2c), et décalés de 1/9 de tour de rotation (2pi/9 radian ou 12073) soit 40°. Dans ce mode de réalisation préféré, la lentille de concentration avant (5a) est une lentille linéaire de Fresnel, plus fine et plus légère, et le refroidissement des cellules à concentration est effectué par circuit de fluide caloporteur. Les caches opaques de la cage (7) tournants autour du cylindre (1) ont des bords d’attaque et de fuite de forme particulières pour approcher au mieux une onde sinusoïdale. Le moteur d’entrainement est un moteur synchrone triphasé sans glissement entraînant la cage de caches opaques par une démultiplication constituée par courroie crantée. Cette version de l’invention permet de générer directement une électricité périodique triphasée à 120° composée de 3 phases équilibrées compatible avec les moteurs à très bon rendement couramment utilisés dans l’industrie. Le signal de sortie de cet alternateur est représenté en haut de la figure 10, ou chaque tambour produit les alternances repérées a, b et c respectivement.

Quelque soit les modes de réalisation de l’invention et leurs variantes, le dispositif doit être exposé perpendiculaire au soleil. Aussi, un système

-22d’orientation automatique (6) suivant la course du soleil du matin à son levé jusqu’au couchant, généralement constitué d’une unité de gestion électronique (6), et d’un ou plusieurs servomoteurs est indispensable au fonctionnement optimum de l’invention. Ce type de mécanisme étant classique à tout système photovoltaïque à concentration, il ne sera pas décrit en détail dans cette demande de brevet.

La grande simplicité mécanique et électrique de la partie tournante de l’alternateur, laisse à l’électronique (6) uniquement la gestion et l’asservissement du moteur d’entrainement (3) et du système de poursuite solaire (6). La simplicité du système est un incontestable gage de fiabilité, la partie mécanique étant juste constituée d’un moteur (3) entraînant un tambour monté sur roulements.

Au final, l’intérêt industriel de l’invention est double :

- Permettre l’utilisation des cellules photovoltaïques de manière plus efficace en les plaçant sous concentration solaire intermittente basse ou haute suivant leurs caractéristiques, tout en les refroidissant avec le maximum de simplicité. 2- Profiter de l’opportunité unique en photovoltaïque de bénéficier d’une électricité périodique directement en sortie de l’ensemble de captation.

Subsidiairement, une mise en forme sinusoïdale de l’électricité produite par l’invention peut être effectuée avec un montage électronique réduit au filtrage et à la conformation, bien plus efficace et simple par rapport à un système d’onduleur classique qui travaille à partir de courant continu, et qui engendre un surcout de l’ordre de 20% sur toute installation solaire. La complexité et donc la fiabilité du système et les coûts de maintenance étant directement liés à la présence des dispositifs d’ondulation électroniques mis en œuvre, les simplifier est très intéressant industriellement.

-23Sachant que le problème principal d’un l’onduleur unique est que la production énergétique est très facilement perturbée par un module photovoltaïque plus faible (ombrage, type de cellule, défaillance, encrassement, ...), une solution courante est d’installer des onduleurs modulaires en subdivision sur chaque modules, panneau, champ de capteurs. Les remplacer par l’invention permet de réaliser une économie d’échelle très importante, car dans une configuration multi-onduleurs, le câblage en continu n’est plus utilisé que dans les groupes de cellules, les liaisons entre onduleurs étant effectuées en courant sinusoïdal. Sur ce modèle, l’utilisation d’alternateurs photovoltaïque produisant directement de l’alternatif, qui plus est synchronisés par l’utilisation de moteurs alternatifs synchrones sur un réseau à une fréquence étalon, permet des interconnexions entre panneaux, centrales et mini centrales grandement facilitées et bien plus efficaces.

Généralement, il est compliqué de travailler avec des panneaux de natures différentes sans altérer considérablement la production, les changements de tension sur un système à courant continu n’étant jamais aussi efficaces qu’avec des transformateurs car il est beaucoup plus simple de passer d’une tension à une autre, et dans les deux sens, avec le courant alternatif, comme en sortie de l’invention.

A l’heure ou on parle de «Smart grid», d’énergies renouvelables et d’économie mondiale de matières premières, pouvoir dés la production synchroniser les sources photovoltaïques et limiter les pertes dues au conversions de tension et à l’effet joule est un atout indéniable de l’invention. Pour du courant triphasé du réseau domestique, ces pertes dues à l’effet Joule sont divisées par quatre quand la tension double, et le photovoltaïque alternatif permet d’importantes économies en câblage, en silicium tout en limitant les

-24pertes d’énergie sur toutes installations photovoltaïques. Ces avantages seront le plus gros moteur au développement industriel de l’alternateur photovoltaïque à concentration, sujet de cette demande de brevet.

L’électricité alternative est plus qu’une simple “norme réseau, cette volonté de travailler en régime sinusoïdal est dictée par les installations de production classique. La solution la plus simple et historique pour produire de manière industrielle de l’énergie électrique est l’entraînement d’un alternateur par une turbine, le tout en rotation autour d’un axe commun. En sens inverse et tout aussi naturellement, ces tensions sinusoïdales permettent l’entraînement régulier d’un moteur électrique alternatif avec un rendement et une fiabilité inégalée. Cette facilité d’utilisation à la production et à l’usage dans les machines tournantes constitue les deux grands atouts de l’électricité sinusoïdale, et c’est pourquoi l’alternateur photovoltaïque, dans la droite ligne des fondements de l’électricité moderne, ouvre de nouveaux horizons à l’énergie photovoltaïque, représentant les bases de l’alternatif solaire.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1 - Alternateur à concentration photovoltaïque générateur d’électricité ondulatoire périodique caractérisé en ce qu’il comporte :

   - Un noyau (1) couvert sur sa face périphérique externe de cellules photovoltaïques (2).

   - Un stator concentrant le rayonnement solaire vers le noyau (1).

   Caractérisé en ce qu’il comporte :

   - un système optique à base de lentilles (5) et de miroirs (4) pour concentrer et distribuer le rayonnement solaire vers les modules photovoltaïques (2) du noyau (1).

   - Des caches opaques (7) qui permettent la commutation alternativement de l’ombre et de la lumière solaire concentrée sur les modules photovoltaïques (2) du noyau (1).

   Caractérisé en ce qu’ils comportent :

   - Des panneaux opaques (7) disposés en cage concentriquement au noyau (1).

   - Un moteur d’entrainement (3) permettant d’entretenir la commutation alternative du changement d’état des cellules photovoltaïques (2) du noyau (1).
2. 2 - Alternateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs optiques du stator (4 et 5) assure la double fonction de concentration des rayons solaires et de distribution vers des cellules photovoltaïques préférées du noyau (1) pour les éclairer d’égale manière.
3. 3 - Alternateur selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les caches opaques de la cage (7) sont espacés les uns des autres pour permettre la commutation alternativement de l’ombre et de la lumière solaire concentrée sur les modules photovoltaïques (2) du noyau (1).
4. 4 - Alternateur selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le noyau (1) et la cage de caches opaques (7) sont mobiles en rotation l’un par rapport à l’autre pour permettre la commutation alternativement de l’ombre et de la lumière solaire concentrée sur les modules photovoltaïques (2).
5. 5 - Alternateur selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les caches opaques de la cage (7) comportent un bord d’attaque et un bord de fuite et que les dits bords d’attaque et de fuite ont des formes non linéaires afin de modifier la forme d’onde du signal périodique produit par l’alternateur.
6. 6 - Alternateur selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que un moteur d’entrainement (3) assure la mise en mouvement rotatif, l’un par rapport à l’autre, du noyau (1) et de la cage de caches opaques (7).
7. 7 - Alternateur selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’électricité photovoltaïque produite en sortie du dispositif est de forme ondulatoire périodique et non pas continue.
8. 8 - Alternateur selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la fréquence de l’électricité photovoltaïque ondulatoire périodique produite est proportionnelle à la fréquence de commutation lumineuse et donc la vitesse de rotation, I un par rapport a l’autre, du noyau (1) et de la cage de caches opaques (7).
9. 9 - Alternateur selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la synchronisation d’un alternateur photovoltaïque sur un signal alternatif de référence est effectué par l’utilisation d’un moteur alternatif synchrone pour son entrainement directement alimenté par le signal alternatif de référence.
10. 10 - Système dans lequel est installé un alternateur à concentration photovoltaïque générateur d’électricité ondulatoire périodique selon l’une des revendications précédentes.