FR3114458A1 - Système anti-vibrations pour module photovoltaïque - Google Patents
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Abstract
Un système composé d’un module photovoltaïque (1), lui-même composé d’un multicouches (5) logé dans un cadre (3) et d’au moins un dispositif anti-vibrations (2) apte à être fixé par rapport au multicouches (5) et pour lequel :- l’ensemble du module photovoltaïque (1) a une masse totale (M_H), une masse modale (m_H) et une fréquence de vibration propre (f_H) ;- l’au moins un dispositif anti-vibrations (2) comporte : - une masse (m_D), - une fréquence propre (f_D) égale à une fréquence de vibration propre dudit module photovoltaïque (1) considéré seul à 15 % près, - un taux d’amortissement (xi_D) du dispositif anti-vibrations (2) considéré seul égal à au moins 2 fois le taux d’amortissement (xi_H) dudit module photovoltaïque (1) considéré seul. Figure de l’abrégé : Figure 1
Description
L’invention relève du domaine de la mécanique des modules photovoltaïques et de la limitation des effets des vibrations amplifiées notamment par le phénomène de résonance.
Un module photovoltaïque, appelé également panneau photovoltaïque, est classiquement constitué de cellules semi-conductrices assemblées les unes aux autres et maintenues entre deux plaques de verre à l’avant et l’arrière du module respectivement ou par un verre avant et un empilement de couches polymères à l’arrière (désigné par la suite feuille arrière). On désignera par la suite ces empilements de cellules et de verre par le terme de « laminé » ou de « multicouches ». Le multicouches peut être maintenu par un cadre, l’ensemble - multicouches et cadre - formant ce qu’on appelle le module photovoltaïque.
Il est connu que les modules photovoltaïques sont soumis, durant toute la durée de leur exploitation, à de nombreux facteurs de perturbation environnementaux comme les variations de température, l’humidité, les rayonnements ultraviolets ou encore le vent. Ces perturbations entraînent, au fil des années, une dégradation progressive des modules photovoltaïques et notamment une dégradation de leur performance.
Le vent, en particulier, peut provoquer la mise en vibration d’un module photovoltaïque. Sous l’effet du vent, des contraintes mécaniques statiques et dynamiques s’exercent sur le module, qui peut se déformer avec une amplitude de déformation croissante et donc entrer en résonance. Les contraintes subies peuvent entraîner la casse des cellules photovoltaïques du module, ce qui résulte en une perte de performance, un risque d’apparition de points chauds et globalement une fiabilité et une durée de vie réduites. Ces désagréments causés à long terme par le vent sont souvent mal appréhendés.
Des solutions sont connues afin de limiter les vibrations d’un module photovoltaïque, mais plutôt dans le contexte de vibrations sismiques. D’autres solutions, visant à augmenter la robustesse du module, peuvent consister à épaissir les cellules photovoltaïques ou le verre constituant le laminé.
Ces solutions, qui visent à améliorer la résistance mécanique des cellules de modules, impliquent d’alourdir les modules et d’augmenter les coûts en matière première et en transport. Un module photovoltaïque seul pèse classiquement entre 20 et 30 kilogrammes. L’épaississement des couches du multicouches impliquerait une augmentation de cette masse, ce qui peut affecter le transport voire la performance des modules photovoltaïques.
D’autres solutions consistent également à équiper le cadre du module photovoltaïque d’un jeu de ressorts entre le cadre et son support afin d’amortir les mouvements subis par la structure montée sur ressorts. Les documents suivants traitent de tels sujets : CN 108547497 (A), CN 103762934 (A).
De telles solutions amortissent la structure (ou cadre) supportant le multicouches du module et non le multicouches en lui-même. De tels systèmes sont donc inefficaces par exemple dans le cas d’une rafale de vent faisant entrer en résonance le multicouches en tant que tel, et qui constitue la partie centrale d’un module photovoltaïque présentant la plus grande surface exposée au vent.
Résumé
La présente divulgation vient améliorer la situation.
Il est proposé un système comprenant :
- un module photovoltaïque incluant un multicouches logé dans un cadre, l’ensemble du module photovoltaïque ayant une masse totale, une masse modale et une fréquence de vibration propre ;
- au moins un dispositif anti-vibrations apte à être fixé par rapport au multicouches, l’un au moins de l’au moins un dispositif anti-vibrations comportant :
- une masse,
- une fréquence propre égale à une fréquence de vibration propre dudit module photovoltaïque considéré seul à 15 % près,
- un taux d’amortissement du dispositif anti-vibrations considéré seul égal à au moins 2 fois le taux d’amortissement dudit module photovoltaïque considéré seul.
- un module photovoltaïque incluant un multicouches logé dans un cadre, l’ensemble du module photovoltaïque ayant une masse totale, une masse modale et une fréquence de vibration propre ;
- au moins un dispositif anti-vibrations apte à être fixé par rapport au multicouches, l’un au moins de l’au moins un dispositif anti-vibrations comportant :
- une masse,
- une fréquence propre égale à une fréquence de vibration propre dudit module photovoltaïque considéré seul à 15 % près,
- un taux d’amortissement du dispositif anti-vibrations considéré seul égal à au moins 2 fois le taux d’amortissement dudit module photovoltaïque considéré seul.
Une telle réalisation permet d’augmenter l’amortissement - naturellement faible - d’un multicouches de module photovoltaïque, et ce de façon intrinsèque en lui associant un dispositif amortisseur ayant sensiblement la même fréquence propre. Le taux d’amortissement du dispositif anti-vibrations peut notamment être réglé par le choix de matériaux viscoélastiques dudit dispositif.
Un tel système permet d’atténuer les effets vibratoires des rafales de vent sur le module photovoltaïque en agissant notamment sur les amplitudes de vibrations du multicouches seul (indépendamment du cadre/support dans lequel il est logé).
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
L’au moins un dispositif anti-vibrations forme en outre un sous-système masse-ressort amortisseur. La masse, la fréquence propre et le taux d’amortissement dudit dispositif anti-vibrations sont ainsi des grandeurs associées au sous-système masse-ressort amortisseur.
La masse dudit au moins un dispositif anti-vibrations est en outre inférieure à la masse totale dudit module photovoltaïque d’un facteur au moins égal à 5. L’objectif est de ne pas alourdir le module photovoltaïque de façon considérable. L’au moins un dispositif anti-vibrations doit donc avoir une masse suffisante pour assurer l’amortissement du module sans pour autant le dénaturer.
L’au moins un dispositif anti-vibrations présente en outre une fréquence propre égale à la fréquence de vibration propre du mode fondamental dudit module photovoltaïque à 15 % près. Les vibrations subies par le module photovoltaïque se manifestant principalement par le mode fondamental, un dispositif anti-vibrations visant le mode fondamental du module serait le plus efficace.
L’au moins un dispositif anti-vibrations est en outre fixé au centre d’une surface du multicouches. L’objectif est en effet d’agir au plus près du ventre de vibrations du module photovoltaïque lorsque ce dernier vibre dans son mode fondamental.
L’un au moins desdits dispositifs comporte en outre :
- une masse,
- une fréquence propre égale à une fréquence de vibration propre d’une harmonique dudit module photovoltaïque à 15 % près,
- un taux d’amortissement égal à au moins 2 fois le taux d’amortissement dudit module photovoltaïque considéré seul.
En effet, outre le mode fondamental, le dispositif anti-vibrations peut également viser une harmonique, encore appelée mode d’ordre supérieur. Il faut pour cela ajuster la fréquence propre du dispositif anti-vibrations au plus proche de la fréquence de l’harmonique visée.
L’un au moins desdits dispositifs comporte en outre :
- une masse,
- une fréquence propre égale à une fréquence de vibration propre d’une harmonique dudit module photovoltaïque à 15 % près,
- un taux d’amortissement égal à au moins 2 fois le taux d’amortissement dudit module photovoltaïque considéré seul.
En effet, outre le mode fondamental, le dispositif anti-vibrations peut également viser une harmonique, encore appelée mode d’ordre supérieur. Il faut pour cela ajuster la fréquence propre du dispositif anti-vibrations au plus proche de la fréquence de l’harmonique visée.
Dans ce dernier mode de réalisation visant les harmoniques du module photovoltaïque, la masse dudit dispositif anti-vibrations est en outre inférieure à la masse totale dudit module photovoltaïque d’un facteur au moins égal à 5, de façon analogue au cas du mode fondamental.
Le dispositif anti-vibrations est en outre apte à être fixé à distance du centre d’une surface du multicouches. En effet, si le dispositif anti-vibrations considéré vise le mode fondamental du module photovoltaïque, il peut être placé en son centre mais également à distance de ce centre pour des raisons d’optimisation de l’atténuation ou de contraintes environnementales, si le centre du module n’est pas accessible par exemple. Dans le cas où le dispositif anti-vibrations considéré vise une harmonique, le dispositif est généralement à distance du centre du module photovoltaïque.
Le dispositif anti-vibrations peut en outre être fixé à une boîte de jonction, ladite boîte de jonction étant elle-même fixée au multicouches. L’intégration du dispositif anti-vibrations au module photovoltaïque est ainsi facilitée par son ajout, par juxtaposition ou intégration directe à un organe existant du module, ici la boîte de jonction. La plupart des modules photovoltaïques comportent en effet au moins une boîte de jonction.
Le dispositif anti-vibrations peut en outre être fixé à une boîte de jonction, ladite boîte de jonction étant elle-même fixée au multicouches. L’intégration du dispositif anti-vibrations au module photovoltaïque est ainsi facilitée par son ajout, par juxtaposition ou intégration directe à un organe existant du module, ici la boîte de jonction. La plupart des modules photovoltaïques comportent en effet au moins une boîte de jonction.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée uniquement à titre d’exemples et faite en référence aux Figures annexées, sur lesquelles :
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
- une plaque de verre 51 ;
- une couche protectrice avant 53 (« encapsulant » en anglais) ;
- une matrice 55 de cellules photovoltaïques ;
- une couche protectrice arrière 57 (« encapsulant » en anglais) ;
- une feuille arrière 59 (qui pourrait être remplacée par une plaque de verre arrière).
Le module photovoltaïque 1 représenté en correspond par exemple à un modèle de la référence commerciale PW2450F commercialisé par l’entreprise Photowatt ou la référence C6K-270P du fabricant Canadian Solar.
Le multicouches 5 présente une forme généralement plane, ici de forme rectangulaire. La composition du multicouches 5 décrite ci-avant constitue un exemple de réalisation. La nature et le nombre de couches peut varier.
Le multicouches 5 étant une pièce mécanique, il possède également des propriétés dynamiques. Il peut en particulier entrer en vibration selon différents modes, appelés les modes propres, ces modes étant chacun associés à des fréquences propres.
Le multicouches 5 présente donc au moins une fréquence (de vibration) propre fondamentale. Cette fréquence propre fondamentale dépend de la structure, la composition et les dimensions du multicouches 5, ainsi que de l’assemblage entre elles des couches qui le composent. La (ou les) fréquence(s) propre(s) d’un multicouches 5 peuvent être déterminée par des essais usuels en laboratoire en utilisant la théorie décrite par exemple par Christian Pertersen et Horst Werkel dans le livre Dynamik der Baukonstruktionen (2017, ISBN : 978-3-8348-1459-3).
En plus de la fréquence propre f (en s-1ou Hz), on peut également définir la pulsation propre w d’un mode de vibration, proportionnelle à la fréquence propre selon l’expression :
Le cadre 3 peut être disposé sur le pourtour du multicouches 5 de manière à protéger ses bords (ou tranches).
La boîte de jonction 7 a pour fonction de protéger électriquement la matrice de cellules photovoltaïques 55 du multicouches 5 grâce à plusieurs diodes en pontage (« by-pass »). Elle permet également de connecter le circuit interne du module 1 vers des câbles de sortie permettant une connexion de proche en proche entre différents modules. En variante, le module photovoltaïque 1 peut inclure plusieurs boîtes de jonction aptes à être fixées en plusieurs endroits de la face arrière du multicouches 5 : par exemple, pour un module photovoltaïque dit à demi-cellules, la face arrière du multicouches 5 comporte au moins trois boîtes de jonction 7, dont une dite centrale, c’est-à-dire fixée au milieu de la surface arrière du multicouches 5.
La face arrière du multicouches 5 peut également présenter une barre de renfort centrale, utilisée pour renforcer la tenue mécanique de l’ensemble du multicouches 5 par rapport au cadre 3.
Dans les modes de réalisation qui suivent, les valeurs numériques et intervalles de valeurs sont données à titre d’exemples non-limitants.
En référence à la , le comportement vibratoire du module photovoltaïque 1 est analogue à celui d’une corde vibrante. Parmi les modes de vibration propres du module photovoltaïque 1, on distingue le mode fondamental, de fréquence propre fondamentale f_H, de pulsation propre w_H et les harmoniques, ou modes propres d’ordre supérieur, de fréquences propres f_H1, f_H2 etc., de pulsations propres respectives w_H1, w_H2 etc. La [Fig. 2] représente à titre d’exemple, un mode fondamental et deux harmoniques, l’amplitude étant ici arbitraire et n’ayant pas de valeur quantitative. Lorsque le modules photovoltaïque 1 vibre dans chaque mode propre de vibration, certaines parties de la pièce se déplacent plus que d’autres – ce sont les ventres de vibration -, que l’on peut observer sur les parties concaves ou convexes de la [Fig. 2]. D’autres parties du module photovoltaïque 1 se déplacent peu – ce sont les nœuds de vibration -, ce qui correspond aux points d’intersection des courbes avec le segment horizontal sur la [Fig. 2].
Lorsqu’une excitation externe est appliquée à une fréquence sensiblement proche de l’une de ces fréquences propres f_H, f_H1, f_H2 etc., (c’est-à-dire lorsque les modes propres de vibration du module photovoltaïque 1 sont excités), le module photovoltaïque 1 (et plus particulièrement le multicouches 5) vibre avec des amplitudes croissantes : c’est le phénomène de résonance.
D’un point de vue dynamique, le comportement vibratoire du module photovoltaïque 1 selon un ou plusieurs modes propres est équivalent à celui d’un système masse-ressort amortisseur, qui est un système mécanique à un degré de liberté comportant une masse, un ressort (ou un autre élément de rappel) de constante de raideur k et un amortisseur. En particulier, la masse, appelée masse modale, correspond à la masse équivalente pour donner au système masse-ressort la même fréquence propre que celle du mode propre de la pièce mécanique (ici le module photovoltaïque 1).
Autrement dit, un dispositif masse-ressort ayant une fréquence propre de vibration f et une masse modale m adaptée a le même comportement vibratoire que le mode propre de vibration de fréquence propre f d’un module photovoltaïque 1.
La fréquence propref, la masse modalemet la constante de raideurksont notamment reliées selon l’équation :
Il est notamment utile de préciser que la masse modale d’un module photovoltaïque 1 diffère de sa masse totale. En effet, la masse modale d’un module 1 est associée à un mode propre (et donc à une fréquence propre correspondante) et se définit comme la masse du module photovoltaïque 1 qui est mise en mouvement lorsque le module photovoltaïque 1 vibre selon ce mode propre.
En référence à la , lorsque le module photovoltaïque 1 vibre, en particulier dans son mode fondamental de fréquence propre f_H, le milieu du multicouches 5 connaît une déformation d’amplitude particulièrement importante dans la direction perpendiculaire au plan principal du multicouches 5. Une telle déformation selon le mode fondamental correspond à un déplacement d’une masse modale, qui peut représenter environ 60 % de la masse totale du module photovoltaïque 1. Cette déformation se propage dans l’ensemble du multicouches 5, qui comporte donc des zones très déformées au centre du multicouches 5 et de moins en moins déformées au fil de la propagation de la déformation vers la périphérie du multicouches 5.
Une analyse modale de modules photovoltaïque standards montre que le mode fondamental de vibration d’un module photovoltaïque 1 est un mode dit « de tambour », dont la fréquence propre f_H est située entre 10 Hz et 20 Hz.
Des calculs montrent notamment que le risque vibratoire lié à des rafales de vent ou d’autres perturbations environnementales est principalement associé au mode fondamental de vibration du module photovoltaïque 1. En effet, les modes d’ordres supérieurs présentent des masses modales négligeables. C’est donc dans le mode fondamental que le module photovoltaïque 1 est susceptible de vibrer à des amplitudes très élevées, qui peuvent considérablement endommager le module photovoltaïque 1 et ses performances.
Dans un mode de réalisation, ce sont donc les vibrations du mode fondamental du module photovoltaïque 1 qui doivent être préférentiellement atténuées.
À titre d’exemple non-limitatif, on considère un module photovoltaïque 1 tel que représenté sur la ayant une masse totale M_H = 24 kg et une épaisseur de verre de 3,2 mm. Le mode fondamental de vibration du module photovoltaïque 1 a une fréquence propre f_H= 10 Hz, qui correspond à une masse modale m_H = 15 kg, soit près de 60 % de la masse totale M_H du module photovoltaïque 1. Le module photovoltaïque 1 présente également des fréquences de vibration d’ordre supérieur f_H1 = 15 Hz et f_H2 = 23 Hz, qui présentent des masses modales respectives négligeables. On mesure également un taux d’amortissement de ces premiers modes du module photovoltaïque 1 de xi_H = 1%, le module photovoltaïque 1 en tant que tel étant très peu amorti en l’absence d’un dispositif anti-vibrations.
On considère ici que le module photovoltaïque 1 est soumis à une excitation externe s, du type rafales de vent (ou vibration due au transport). L’excitation possède une fréquence moyenne f_s comprise entre 0,4f_H et 1,6f_H et une pulsation w_s. Une telle fréquence balaye donc la fréquence propre du mode fondamental f_H du module photovoltaïque 1. C’est donc le mode fondamental du module photovoltaïque 1 qui est excité. Cette excitation s’exerce perpendiculairement au plan principal du module 1. Les variations dans la dynamique du vent étant lentes en comparaison des fréquences de vibration du module photovoltaïque 1, il est raisonnable de considérer qu’une telle excitation est temporairement harmonique de fréquence f_s. Pour normaliser l’amplitude de la réponse dynamique, on suppose que, en l‘absence d’inertie du module photovoltaïque 1, l’excitation exercerait une pression statique et uniformessur la face avant du module 1, ce qui entraînerait une déflection au centre du multicouches 5 de l’ordre du millimètre.
Une telle excitationsfait entrer le module photovoltaïque 1 en résonance. On s’intéresse au mode fondamental du comportement vibratoire du module photovoltaïque 1 et donc à la résonance à la fréquence fondamentale f_H du module photovoltaïque 1.
Dans ce mode de réalisation, le comportement vibratoire du module photovoltaïque 1 peut être modélisé par un système masse-ressort de fréquence f_H et de masse modale m_H équivalentes à celles du mode fondamental.
Dans ce mode de réalisation, la pression fluctuante exercée par le vent sur le module photovoltaïque 1 conduit à une déformation importante du module 1, cette déformation notéeyconstituant une réponse dynamique – ou amplification dynamique –y /sdu module photovoltaïque 1.
Dans ce mode de réalisation, seules les vibrations liées au mode fondamental du comportement vibratoire du module photovoltaïque 1 sont considérées. L’amplitude maximale du multicouches 5 dans le mode fondamental du module photovoltaïque 1 - c’est-à-dire au niveau du ventre de vibration du mode fondamental du multicouches 5 - se situe donc au centre du multicouches 5. Usuellement, une boîte de jonction 7 (dite « centrale ») est justement disposée au centre du multicouches 5 dans le référentiel du plan principal du multicouches 5, et fixée sur la face arrière de celui-ci. Dans des modes de réalisation préférés, un dispositif anti-vibrations 2 est fixé à une boîte de jonction 7 centrale. Ainsi, le dispositif anti-vibration 2 est à la fois situé dans une zone du module 1 où il est particulièrement efficace et sans que cela implique une fixation directement au contact du multicouches 5.
En référence à la , on considère un dispositif anti-vibrations 2 (ou dispositif amortisseur) apte à être fixé sur un module photovoltaïque 1.
Ce dispositif anti-vibrations 2 est un système masse-ressort qui comporte :
- Une masse m_D = 0,6 kg, qui est donc faible devant la masse totale du module 1 (on entend ici par « faible » « qui influence peu la manutention des modules », par exemple inférieure à 20%, voire à 10%, de la masse du module 1) ;
- Un ressort, de constante de raideur c = 30 N/m ;
- Un amortisseur, ayant un taux d’amortissement xi_D= 30 %, qui est donc bien plus important que l’amortissement naturel xi_H du module photovoltaïque 1 (on entend ici par « bien plus important » supérieur à 2 fois, de préférence 5 fois, l’amortissement naturel xi_H ; et on entend par amortisseur naturel, l’amortissement du multicouches 5 nu).
- Une masse m_D = 0,6 kg, qui est donc faible devant la masse totale du module 1 (on entend ici par « faible » « qui influence peu la manutention des modules », par exemple inférieure à 20%, voire à 10%, de la masse du module 1) ;
- Un ressort, de constante de raideur c = 30 N/m ;
- Un amortisseur, ayant un taux d’amortissement xi_D= 30 %, qui est donc bien plus important que l’amortissement naturel xi_H du module photovoltaïque 1 (on entend ici par « bien plus important » supérieur à 2 fois, de préférence 5 fois, l’amortissement naturel xi_H ; et on entend par amortisseur naturel, l’amortissement du multicouches 5 nu).
Dans l’exemple décrit ici, le dispositif anti-vibrations 2 possède une fréquence propre f_D = 10 Hz, égale, dans ce mode de réalisation, à celle du module photovoltaïque 1 en tant que tel. Le dispositif anti-vibrations 2 correspond à un système masse-ressort amortisseur dont la fréquence propre de vibration f_D correspond à la fréquence propre de vibration du mode fondamental f_H du module photovoltaïque 1. En variante, le dispositif anti-vibrations 2 peut viser le mode fondamental du comportement vibratoire du module photovoltaïque 1 en possédant une fréquence propre f_D égale à la fréquence de vibration propre du mode fondamental f_H du module photovoltaïque 1 à 15 % près.
La masse m_D du dispositif anti-vibrations 2 est inférieure à la masse totale M_H du module photovoltaïque 1 d’un facteur 5 au moins.
On définit un rapport entre la masse m_D du dispositif anti-vibrations 2 et la masse modale m_H du module photovoltaïque 1, pour un mode donné, ici considéré comme le mode fondamental :
On définit un rapport entre la masse m_D du dispositif anti-vibrations 2 et la masse modale m_H du module photovoltaïque 1, pour un mode donné, ici considéré comme le mode fondamental :
Dans l’exemple décrit ici, la masse m_D du dispositif anti-vibrations 2 est choisie inférieure à la masse totale M_H du module photovoltaïque 1 d’un facteur 40. Ainsi, bien que la capacité d’amortissement xi_H du dispositif anti-vibrations 2 augmente avec sa masse m_D, la masse totale du module 1 incluant le dispositif anti-vibrations 2 reste modérée. La manutention des modules 1 reste aisée. Dans des situations où le module est très léger, de l’ordre de 5 kg, le dispositif anti-vibrations 2 peut présenter une masse de l’ordre du demi-kilo, conduisant à un rapport de 10. De tels modules sont par exemple commercialisés sous les références « SMDDW », « SMADW » et « SMDUW » de la société « SUNMAN ».
De façon similaire au reste du module 1 et au multicouches 5, le dispositif anti-vibrations 2 se déplace sous la pression exercée par le vent, ce déplacementzconduisant à une réponse dynamique – ou amplification dynamique –z/sdu dispositif anti-vibrations 2 en tant que tel en réponse à une excitation harmonique s.
En référence à la , on considère le multicouches 5 sur lequel est fixé le dispositif anti-vibrations 2. Dans le mode de réalisation décrit, le dispositif anti-vibrations est fixé à la boîte de jonction 7.
Le dispositif anti-vibrations 2 peut être fixé dans un boitier accolé à la boîte de jonction 7 à l’aide d’une colle, d’un ruban adhésif, d’une attache au cadre 3 ou encore par soudure. En variante, le dispositif anti-vibrations 2 peut également être intégré à la boîte de jonction 7, par exemple logé à l’intérieur de celle-ci.
Dans l’exemple décrit ici, le dispositif anti-vibrations 2 est agencé pour atténuer les effets du mode propre fondamental de vibration du multicouches 5. La boîte de jonction 7 sur laquelle est fixé le dispositif anti-vibrations 2 est donc celle située au centre de la surface arrière du module 1.
Le module photovoltaïque 1 équipé du dispositif anti-vibrations 2 est équivalent à un système masse-ressort amortisseur avec une fréquence propre et une masse, et présentant en particulier une capacité d’amortissement bien plus importante que le module photovoltaïque 1 nu.
Le multicouches 5 pourvu du dispositif anti-vibrations 2 se déforme sous la pression exercée par le vent, cette déformationvconduisant à une réponse dynamique – ou amplification dynamique – appelée v/s du module 1 auquel on a ajouté un dispositif amortisseur 2, en réponse à une excitation harmonique s.
En référence à la , en utilisant le logiciel open source Code Aster ("Code_Aster, EDF R&D, code général pour l'étude du comportement mécanique des structures diffusé sous licence GNU GPL, http://www.code-aster.org"), on observe des résultats de simulation sous la forme d’un graphique de réponse harmonique du système dynamique modélisant le module photovoltaïque 1, suite à une excitation harmonique s. On observe que, en l’absence du dispositif amortisseur 2, l’amplification y/s du module photovoltaïque 1 en tant que telle, due à une vibration d’amplitude équivalente au chargement statique s et de fréquence sensiblement similaire à la fréquence propre fondamentale du module photovoltaïque 1 est de l’ordre de 50. Une déflection au centre du panneau 1 qui serait de 1 mm peut alors atteindre, par effet d’amplification dynamique, jusqu’à 5 cm.
Grâce à un dispositif anti-vibrations 2 au dimensionnement adapté au multicouches 5 tel que décrit précédemment, il est donc possible de réduire l’amplification dynamique y/s à un coefficient de l’ordre de 12, ce qui correspondrait dans l’exemple décrit ici à une déflection dynamique maximale de l’ordre de 1,2 cm. La déformation dynamique du module due à une excitation externe est donc maîtrisée et limitée.
On remarque aussi que le dispositif anti-vibrations 2 présente un coefficient d’amplification dynamique z/s de l’ordre de 20. Optionnellement, il est possible d’équiper le dispositif anti-vibrations 2 de butées agencées pour limiter son débattement.
Les différentes valeurs ayant été données à titre d’exemple non limitatif, la personne du métier pourra envisager d’autres dimensionnements en se référant aux équations des déplacements relatifs suivantes : où :
En variantes, un ou plusieurs autres dispositifs anti-vibrations 2 peuvent être fixés sur la face arrière du module photovoltaïque 1, en plus ou en remplacement du dispositif anti-vibrations 2 central décrit ci-avant. Les dispositifs anti-vibrations 2 possèdent chacun :
- une masse,
- une fréquence propre égale à une fréquence de vibration propre d’une harmonique du module photovoltaïque 1 à 15 % près,
- un taux d’amortissement égal à au moins 5 fois le taux d’amortissement de la fréquence du module 1 considéré seul.
- une masse,
- une fréquence propre égale à une fréquence de vibration propre d’une harmonique du module photovoltaïque 1 à 15 % près,
- un taux d’amortissement égal à au moins 5 fois le taux d’amortissement de la fréquence du module 1 considéré seul.
Dans de tels modes de réalisation, les dispositifs anti-vibrations 2 sont agencés pour réduire les effets des modes propres d’ordre supérieur du module photovoltaïque 1 (autres que le mode fondamental). Chaque dispositif anti-vibrations 2 forme un système masse-ressort amortisseur ayant une masse modale m_D et une fréquence propre f_D adaptées, ainsi qu’un taux d’amortissement xi_D supérieur à celui du module photovoltaïque 1 en tant que tel.
Dans des tels modes de réalisation, de la même manière que pour le mode fondamental, les harmoniques du module photovoltaïque 1 peuvent être maîtrisées en plaçant les dispositifs amortisseurs 2 au niveau des ventres de vibration des modes d’ordre supérieur du module photovoltaïque 1. En particulier, les dispositifs anti-vibrations 2 correspondant aux modes propres d’ordre supérieur peuvent être placés à distance du centre de la surface arrière du module 1.
Exemples
Le Tableau 1 suivant résume les caractéristiques principales de trois types de modules photovoltaïques 1 de trois générations différentes ainsi que les caractéristiques optimisées d’un dispositif anti-vibrations 2 de masse m_D = 0.5 kg. La dernière colonne présente un facteur de réduction de la réponse dynamique à la résonance du module photovoltaïque 1. Ce facteur est un indicateur de l’efficacité du dispositif anti-vibrations 2. On remarque notamment que le dispositif anti-vibrations 2 est d’autant plus efficace que sa masse m_D relative par rapport à celle du panneau m_H (correspondant au facteur µ) est grande.
| Type de panneau photovoltaïque | M_H (kg) | Fréquence fondamentale (Hz) | Masse modale (kg) | 100 x µ (%) | Fréquence optimisée (Hz) | Amortissement optimisé (%) | Réduction d’amplitude de la réponse |
| 60 cellules 125x125, verre 3,6 mm | 19,8 | 12.5 | 11,9 | 2,5 | 12 | 12 | 5,4 |
| 60 cellules 154x154, verre, 3,2 mm | 18 | 11.2 | 10,8 | 2,8 | 10,7 | 12 | 6,3 |
| 72 cellules, verre, 3,2 mm | 24,2 | 10.3 | 14,2 | 2 | 10 | 11 | 3,14 |
L’emploi du dispositif anti-vibrations 2 permet de réduire l’amplitude des vibrations s’exerçant sur l’ensemble du module photovoltaïque 1 en agissant directement sur le multicouches 5. Contrairement aux solutions connues, l’invention ne repose ni sur une rigidification du module photovoltaïque 1, ni sur une augmentation de sa robustesse.
Les présentes solutions techniques peuvent trouver à s’appliquer sur les modules et centrales photovoltaïques, en particulier dans des lieux où les phénomènes de vibrations peuvent être importants : altitude, présence de fortes rafales de vents, etc.
Les dispositifs anti-vibrations peuvent être ajoutés à des modules classiques existants.
En outre, le dispositif anti-vibrations permet une conception plus économique et ergonomique des modules avec notamment des cellules solaires plus fines. Autrement dit, des cellules solaires plus fragiles que dans l’art antérieur peuvent être mises en œuvre car moins sujettes aux déformations par l’adjonction de dispositifs anti-vibrations.
Une mise en œuvre industrielle peut être envisagée par les fabricants de modules photovoltaïques, les fabricants de boîtes de jonction pour modules photovoltaïques, les installateurs photovoltaïques en charge de la conception de centrales ou encore les exploitants de centrales photovoltaïques.
La présente divulgation ne se limite pas aux modes de réalisation et variantes décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager la personne de l’art à la lecture du présent document.
Claims (9)
- Système comprenant :
- un module photovoltaïque (1) incluant un multicouches (5) logé dans un cadre (3), l’ensemble du module photovoltaïque (1) ayant une masse totale (M_H), une masse modale (m_H) et une fréquence de vibration propre (f_H) ;
- au moins un dispositif anti-vibrations (2) apte à être fixé par rapport au multicouches (5), l’un au moins de l’au moins un dispositif anti-vibrations (2) comportant :
- une masse (m_D),
- une fréquence propre (f_D) égale à une fréquence de vibration propre dudit module photovoltaïque (1) considéré seul à 15 % près,
- un taux d’amortissement (xi_D) du dispositif anti-vibrations (2) considéré seul égal à au moins 2 fois le taux d’amortissement (xi_H) dudit module photovoltaïque (1) considéré seul. - Système selon la revendication 1, dans lequel l’au moins un dispositif anti-vibrations (2) forme un sous-système masse-ressort amortisseur.
- Système selon les revendications précédentes, dans lequel la masse (m_D) dudit au moins un dispositif anti-vibrations (2) est inférieure à la masse totale dudit module photovoltaïque (1) d’un facteur au moins égal à 5.
- Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un dispositif anti-vibrations (2) présente une fréquence propre (f_D) égale à la fréquence de vibration propre du mode fondamental (f_H) dudit module photovoltaïque (1) à 15 % près.
- Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un dispositif anti-vibrations (2) est fixé au centre d’une surface du multicouches (5).
- Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’un au moins desdits dispositifs (2) comporte :
- une masse (m_D),
- une fréquence propre (f_D) égale à une fréquence de vibration propre d’une harmonique (f_1, f_2...) dudit module photovoltaïque (1) à 15 % près,
- un taux d’amortissement (xi_D) égal à au moins 2 fois le taux d’amortissement (xi_H) dudit module photovoltaïque (1) considéré seul. - Système selon la revendication 6, dans lequel la masse (m_D) dudit dispositif anti-vibrations (2) est inférieure à la masse totale (M_H) dudit module photovoltaïque (1) d’un facteur au moins égal à 5.
- Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif anti-vibrations (2) est apte à être fixé à distance du centre d’une surface du multicouches (5).
- Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif anti-vibrations (2) peut être fixé à une boîte de jonction (7), ladite boîte de jonction (7) étant elle-même fixée au multicouches (5).
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2009708A FR3114458B1 (fr) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Système anti-vibrations pour module photovoltaïque |
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- 2021-09-14 US US18/246,075 patent/US20230361717A1/en active Pending
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- 2021-09-14 WO PCT/EP2021/075158 patent/WO2022063624A1/fr active Application Filing
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|---|
| CHRISTIAN PERTERSENHORST WERKEL: "Dynamik der Baukons-truktionen", 2017 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116235408A (zh) | 2023-06-06 |
| WO2022063624A1 (fr) | 2022-03-31 |
| US20230361717A1 (en) | 2023-11-09 |
| EP4217666A1 (fr) | 2023-08-02 |
| FR3114458B1 (fr) | 2022-09-09 |
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