FR3116677A1 - Procede et dispositif d’optimisation de panneaux photovoltaiques et panneaux photovoltaiques optimises selon ce procede - Google Patents
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Abstract
Procédé d’optimisation d’un système générateur à cellules photovoltaïques existant et pourvu d’un panneau photovoltaïque existant (100, 200, 300) ou d’un groupe de panneaux photovoltaïques existants, chaque panneau existant étant muni d’une première pluralité P de cellules d’un premier type interconnectées en série ou en série/parallèle, comportant : - la détermination (1) d’une tension de fonctionnement VMPP dudit panneau ou groupe de panneaux existant, - la réalisation (2) d’un ou plusieurs modules de panneau additionnel (10, 51, 52, 53) comportant une seconde pluralité Q de cellules couche mince d’un second type et à largeur de bande interdite différente des cellules du panneau existant ou des panneaux existants du groupe de panneaux existants, ladite seconde pluralité Q du module additionnel étant configurée pour fournir une tension de fonctionnement V1 égale à ±10% près à la tension VMPP dudit panneau ou dudit groupe de panneaux existants, - la pose (3) dudit module additionnel en recouvrement sur ou sous ledit panneau existant ou l’un quelconque des panneaux dudit groupe de panneaux existants ledit module étant relié en parallèle audit panneau existant ou audit groupe de panneaux existants ou la pose (3) desdits plusieurs modules additionnels en recouvrement sur ou sous plusieurs desdits panneaux existants dudit groupe de panneaux existants, lesdits plusieurs modules étant reliés en parallèle audit groupe de panneaux existants. Figure 6
Description
L’invention relève du domaine des générateurs électriques à panneaux photovoltaïques et concerne un procédé d’optimisation d’un panneau photovoltaïque, un panneau photovoltaïque optimise selon ce procédé.
Il est connu de réaliser des panneaux photovoltaïques comportant plusieurs couches de cellules photovoltaïques empilées pour convertir des plages de longueurs d’onde différentes de la lumière solaire et accroître le rendement des panneaux. Il existe notamment des panneaux à cellules tandem connectées en parallèle unitairement et des modules photovoltaïques encapsulés à jonctions multiples comportant des cellules d’un premier type connectées en série et formant un premier sous-module, des cellules d’un second type formant un second sous-module, lesdits premier et second sous-modules étant empilés pour équilibrer les tensions à vide et en charge desdits groupes de cellules.
Problème technique
Ainsi, des panneaux à modules empilés existent mais améliorer le rendement d’installations existantes passe par le remplacement des panneaux soit vieillissants soit de faible rendement par de tels panneaux ce qui est complexe et onéreux.
Il existe donc un besoin pour réduire le coût de modernisation de parcs de panneaux photovoltaïques et éviter de mettre au rebut des panneaux existants tout en permettant l’actualisation d’une centrale à panneaux photovoltaïque vieillissante. De même lors de l’installation ou la vie d’une centrale solaire à panneaux photovoltaïques il peut être souhaitable de pouvoir augmenter la quantité d’énergie produite si les besoins augmentent sans accroître la surface couverte par les panneaux de la centrale solaire.
Dans ce but, la présente demande concerne un ou plusieurs modules photovoltaïques additionnels (ci-après modules additionnels) pouvant être installés et connectés directement sur un ou plusieurs panneaux classiques existants, neuf où déjà installés, afin d’augmenter la quantité d’énergie produite au moyen de l’ensemble constitué par le ou les panneaux existants ou un groupe de panneaux existants et le ou les modules additionnels.
Pour ce faire, la présente invention propose un procédé d’optimisation d’un système générateur à cellules photovoltaïques existant et pourvu d’un panneau photovoltaïque existant ou d’un groupe de panneaux photovoltaïques existants, chaque panneau existant étant muni d’une première pluralité P de cellules d’un premier type interconnectées en série ou en série/parallèle, au moyen d’un ou plusieurs modules additionnels, qui comporte :
- la détermination d’une tension de fonctionnement VMPPdudit panneau ou groupe de panneaux existant une fois assemblés avec lesdits un ou plusieurs modules additionnels,
- la réalisation d’un ou plusieurs modules additionnels comportant une seconde pluralité Q de cellules photovoltaïques d’un second type et à largeur de bande interdite différente des cellules du panneau existant ou des panneaux existants du groupe de panneaux existants, ladite seconde pluralité Q de cellules du ou des modules additionnels étant configurée pour fournir une tension de fonctionnement V1 égale à ±10% près à la tension VMPPdudit panneau ou dudit groupe de panneaux existants,
- la pose du module additionnel en recouvrement sur ou sous le panneau existant, ledit module étant relié en parallèle audit panneau existant ou la pose desdits plusieurs modules additionnels en recouvrement sur ou sous plusieurs desdits panneaux existants dudit groupe de panneaux existants, lesdits plusieurs modules étant reliés en parallèle à au moins certains des panneaux existants ou audit groupe de panneaux existants.
- la détermination d’une tension de fonctionnement VMPPdudit panneau ou groupe de panneaux existant une fois assemblés avec lesdits un ou plusieurs modules additionnels,
- la réalisation d’un ou plusieurs modules additionnels comportant une seconde pluralité Q de cellules photovoltaïques d’un second type et à largeur de bande interdite différente des cellules du panneau existant ou des panneaux existants du groupe de panneaux existants, ladite seconde pluralité Q de cellules du ou des modules additionnels étant configurée pour fournir une tension de fonctionnement V1 égale à ±10% près à la tension VMPPdudit panneau ou dudit groupe de panneaux existants,
- la pose du module additionnel en recouvrement sur ou sous le panneau existant, ledit module étant relié en parallèle audit panneau existant ou la pose desdits plusieurs modules additionnels en recouvrement sur ou sous plusieurs desdits panneaux existants dudit groupe de panneaux existants, lesdits plusieurs modules étant reliés en parallèle à au moins certains des panneaux existants ou audit groupe de panneaux existants.
Ceci permet notamment l’amélioration d’une centrale photovoltaïque existante qu’elle soit en toiture ou une ferme solaire, en profitant des installations déjà présentes sans modifications de leur structure ou l’actualisation d’une centrale photovoltaïque vieillissante par exemple du fait du jaunissement d’un matériau d’encapsulation Ethyl Vinyle Acetate (EVA) ou autre sans remplacer les panneaux existants.
En outre, du fait de sa largeur de bande interdite différente, le module additionnel a une réponse spectrale complémentaire du panneau existant, le rendement de l’ensemble est amélioré.
Le ou les modules additionnels peuvent comporter une pluralité de sous modules S1, S’1 de cellules fournissant ladite tension de fonctionnement V1 et eux-mêmes reliés en parallèle.
Ceci accroît la puissance fournie par le panneau additionnel qui reste toutefois dans l’encombrement du panneau existant.
La disposition de la pluralité Q des cellules du ou des modules additionnels est préférablement réalisée selon une configuration électrique et spatiale différente de la pluralité P des cellules du panneau existant ou des panneaux du groupe de panneaux existants.
Ceci rend le panneau moins sensible aux effets d’ombrage, l’organisation spatiale et électrique du module, différente de celle du panneau existant, compensant les pertes de ce dernier selon les cas d’ombrages partiels.
Le panneau existant comportant une largeur l et une longueur L et ladite pluralité Q de cellules photovoltaïques du second type étant disposées parallèlement à la longueur L du panneau existant, ledit procédé peut comporter une ou plusieurs étapes de :
- détermination de la tension de point de puissance maximale VMPPdu panneau existant ou du groupe de panneaux existants lorsqu’ils sont combinés avec un module additionnel ;
- calcul du nombre N1 de cellules photovoltaïques du second type à mettre en série pour réaliser un sous module S1 du module additionnel adapté à fournir ladite tension V1 ;
- calcul d’une hauteur Hcelldesdites cellules du sous module S1 et du nombre M1 de sous modules S1 implantables en parallèle sur la largeur l du panneau existant maximisant la puissance dudit module recouvrant le panneau existant à la tension V1;
- réalisation du module additionnel à cellules photovoltaïques du second type comportant M1 sous modules S1 en parallèle, encapsulation du module additionnel et pose du module additionnel en recouvrement du panneau existant.
- détermination de la tension de point de puissance maximale VMPPdu panneau existant ou du groupe de panneaux existants lorsqu’ils sont combinés avec un module additionnel ;
- calcul du nombre N1 de cellules photovoltaïques du second type à mettre en série pour réaliser un sous module S1 du module additionnel adapté à fournir ladite tension V1 ;
- calcul d’une hauteur Hcelldesdites cellules du sous module S1 et du nombre M1 de sous modules S1 implantables en parallèle sur la largeur l du panneau existant maximisant la puissance dudit module recouvrant le panneau existant à la tension V1;
- réalisation du module additionnel à cellules photovoltaïques du second type comportant M1 sous modules S1 en parallèle, encapsulation du module additionnel et pose du module additionnel en recouvrement du panneau existant.
Ainsi la puissance des modules et la couverture des panneaux existants sont optimisées en fonction de la tension VMPPdu ou des panneaux existants avec des cellules de modules de largeur proche de la largeur des panneaux existant.
Alternativement, le panneau existant comportant une largeur l et une longueur L et ladite pluralité Q de cellules photovoltaïques du second type étant disposée parallèlement à la largeur l du panneau existant, ledit procédé comporte une ou plusieurs étapes de :
- détermination de la tension de point de puissance maximale VMPPdu panneau existant ou du groupe de panneaux existants lorsqu’ils sont combinés avec le module additionnel ;
- calcul du nombre N’1 de cellules photovoltaïques du second type à mettre en série pour réaliser un sous module S’1 du module additionnel adapté à fournir ladite tension V1 ;
- calcul d’une hauteur H’celldesdites cellules du sous module S’1 et du nombre M’1 de sous modules S’1 implantables en parallèle sur la longueur L du panneau existant maximisant la puissance du module recouvrant le panneau existant à la tension V1;
- réalisation du module additionnel à photovoltaïques du second type comportant M’1 sous modules S’1 en parallèle, encapsulation du module additionnel et pose (3) du module additionnel en recouvrement du panneau existant.
- détermination de la tension de point de puissance maximale VMPPdu panneau existant ou du groupe de panneaux existants lorsqu’ils sont combinés avec le module additionnel ;
- calcul du nombre N’1 de cellules photovoltaïques du second type à mettre en série pour réaliser un sous module S’1 du module additionnel adapté à fournir ladite tension V1 ;
- calcul d’une hauteur H’celldesdites cellules du sous module S’1 et du nombre M’1 de sous modules S’1 implantables en parallèle sur la longueur L du panneau existant maximisant la puissance du module recouvrant le panneau existant à la tension V1;
- réalisation du module additionnel à photovoltaïques du second type comportant M’1 sous modules S’1 en parallèle, encapsulation du module additionnel et pose (3) du module additionnel en recouvrement du panneau existant.
Ainsi la puissance du module et la couverture du panneau existant sont optimisées en fonction de la tension VMPPdu panneau existant avec des cellules du module de largeur proche de la longueur du panneau existant.
Selon un premier mode de réalisation, ladite largeur de bande interdite des cellules du second type étant supérieur à la largeur de bande interdite des cellules du premier type, ledit au moins un module additionnel peut être posé en recouvrement d’une face exposée au soleil du panneau existant ou en recouvrement d’une face opposée à la face exposée au soleil du panneau existant.
Selon un second mode de réalisation, ladite largeur de bande interdite des cellules du second type étant inférieure à la largeur de bande interdite des cellules du premier type, ledit au moins un module additionnel peut être posé en recouvrement d’une face opposée à une face exposée au soleil du panneau existant.
Selon un mode de réalisation particulier, un matériau d’interface optique transparent aux longueurs d’ondes actives pour le panneau existant et dont l’indice de réfraction est adapté à minimiser les réflexions à l’interface entre le module additionnel et le panneau existant est disposé entre le module additionnel et le panneau existant.
Ceci améliore le rendement du panneau existant recouvert.
L’invention concerne en outre un panneau optimisé au moyen du procédé de l’une quelconque des revendications précédentes.
Ce panneau optimisé peut comporter un panneau existant et un module additionnel pourvu d’une pluralité de sous-modules S1 ou S’1 de cellules, reliés en parallèle par des pistes de connexion réalisées sur ledit module.
Le module additionnel du panneau optimisé peut être fixé sur le panneau existant au moyen d’un matériau adhésif ou encapsulant transparent ou tout moyen de fixation mécanique non adhésifs tel que vis, boulons, rivets ou clips.
Selon un mode de réalisation particulier, le panneau existant est un panneau de type cellules entières, demi cellules ou à cellules tuilées.
L’invention propose enfin un module additionnel adapté à la réalisation d’un panneau optimisé selon le procédé de l’invention.
Les cellules des sous-modules munies de pistes de connexion du module additionnel s’étendent avantageusement sur une largeur du module ou sur une longueur du module ou en deux groupes s’étendant chacun sur une moitié desdites largeur ou longueur.
Les cellules du module additionnel peuvent être des cellules de technologie couche mince.
Les cellules du module additionnel peuvent être des cellules réalisées par une technologie photovoltaïque structurable, telles que les technologies CIGS, Pérovskite, CdTe ou Silicium amorphe de bande interdite différente de celle des cellules du panneau existant.
Les cellules du module additionnel peuvent plus généralement être des cellules réalisées par une technologie photovoltaïque de type III - V.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non limitatifs, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Les dessins et la description ci-après contiennent des éléments pouvant non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Les panneaux photovoltaïques ont certaines limitations comme la sensibilité à l’ombrage et sont sujettes au vieillissement. Par exemple, les panneaux photovoltaïques encapsulés par exemple avec de l’Ethyl Vinyl Acetate (EVA) peuvent jaunir/brunir avec le temps suite à une exposition aux UV. Comme décrit dans Oliveira, M.C.C.D., Diniz, A.S.A.C., Viana, M.M., Lins, V.F.C. - “The causes and effects of degradation of encapsulant ethylene vinyl acetate copolymer (EVA) in crystalline silicon photovoltaic modules: A review” In Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 81, Part 2, January 2018, Pages 2299-2317. Cet effet limite ainsi l’exposition des cellules du panneau à la lumière et réduit donc ses performances. Cet effet est inclus dans le calcul du taux de dégradation du productible des panneaux, aujourd’hui autour de 0,5-0,7% /an. Cette dégradation conduit à devoir remplacer les panneaux ce qui est une opération lourde.
Pour ce qui concerne la sensibilité à l’ombrage, un panneau classique, en fonction de sa technologie et de sa configuration peut ne plus délivrer une partie de la puissance maximale pouvant être fournie si une partie de sa surface n’est plus exposée à la lumière. Dans le cas de panneaux dont les cellules sont raccordées en série avec diodes bypass en parallèles avec des regroupements de cellules, par exemple les modèles avec 3 diodes by-pass définissant trois groupes de cellules qui représentent la majorité des produits commerciaux actuels, 1/3 de la puissance maximale est perdue dès qu’une cellule d’un groupe est ombrée, 2/3 de la puissance maximale est perdue pour un ombrage sur des cellules de deux groupes et la totalité de la puissance est perdue en cas d’ombrage partiel réparti sur les trois groupes. Ceci entraine donc une perte en efficacité des installations.
La gestion de l’ombrage est une problématique d’optimisation de performances, particulièrement pour des installations en toitures, chez les particuliers ou dans les applications commerciales comme décrit dans le document Quaschning, V. and Hanitsch, R. – 1996 – «Numerical simulation of current-voltage characteristics of photovoltaic systems with shaded solar cells» Solar Energy Volume 56, Issue 6, June 1996, Pages 513-520.
L’objet de la présente invention est donc de proposer une solution permettant de résoudre les problématiques de vieillissement et/ou d’ombrage simplement et permettant d’augmenter l’efficacité et le productible des panneaux existants sans les changer.
L’idée principale concerne un dispositif composé d’un module panneau photovoltaïque additionnel qui s’installe et se connecte directement sur un panneau classique existant, neuf où déjà installé, afin d’augmenter la quantité d’énergie produite par l’ensemble panneau classique – module additionnel.
Ceci permet par exemple l’amélioration d’une centrale photovoltaïque existante, toiture ou ferme, en profitant des installations déjà présentes ou l’actualisation d’une centrale photovoltaïque vieillissante. Le module additionnel peut notamment se baser sur la flexibilité de fabrication d’un panneau en technologie couche mince notamment réalisé par structuration telle que structuration laser ou autre pour modifier ses caractéristiques électriques en courant et en tension afin de s’adapter aux différents types de panneaux existants sur lesquels le module additionnel pourra être installé.
Pour permettre un branchement en parallèle du module additionnel et du panneau existant, le module additionnel est conçu pour constituer un panneau photovoltaïque présentant une tension de fonctionnement égale à +/-10% à la tension de fonctionnement du panneau existant une fois les deux systèmes associés, c’est-à-dire que l’on détermine une tension de fonctionnement VMPPdudit panneau ou groupe de panneaux existant une fois assemblés avec lesdits un ou plusieurs modules additionnels connaissant le type de module additionnel que l’on souhaite utiliser et notamment la transparence de ce module aux fréquences nécessaires pour le panneau existant.
Les performances d’un panneau simple jonction, à cellules de type silicium, sont théoriquement limitées autour de 29% d’efficacité. Cependant, pour des questions de procédés de fabrication, la limite pratique devrait atteindre 25%. Un panneau commercial présente aujourd’hui une efficacité entre 18 et 22%.
Les cellules de type Tandem à base de Silicium ont un rendement théorique d’environ 43%. Des panneaux Tandem d’environ 30% de rendement sont attendus dans les prochaines années.
Le procédé et le module de la présente invention utilisent une technologie différente du panneau existant pour améliorer les performances de l’ensemble. Une possibilité est l’utilisation de cellules de technologie couche mince et/ou de cellules de technologie structurable, par exemple à l’aide d’un laser, telles que les technologies à cellules CIGS, Pérovskite, CdTe ou Silicium amorphe hydrogéné connues à ce jour. Il peut bien entendu utiliser toute nouvelle technologie de cellules de photovoltaïques avec transparence au moins partielle pour les longueurs d’ondes utiles pour le panneau existant qui pourrait émerger.
La technologie de cellules structurées permet la création d’une architecture électrique à façon en alternant les phases d’isolation électrique, comme la gravure laser, et de connexion électrique, comme le dépôt de film conducteur, et en réalisant des connexions de type série ou parallèle. Le module réalisé est semi transparent c’est-à-dire qu’il laisse passer de la lumière dans les longueurs d’ondes non absorbées par ses cellules ce qui peut notamment permettre de récupérer de l’énergie lumineuse au niveau des cellules du panneau existant lorsque le module panneau additionnel recouvre le panneau existant sur sa face exposée au soleil.
Dans cette optique, dans le cas où le module se positionne côté face exposée au soleil du panneau existant, c’est à dire sur le panneau, le module va être basé sur une technologie photovoltaïque avec une énergie de gap supérieure à la technologie du panneau existant. Par exemple le module peut utiliser alors des cellules Perovskite, avec une énergie de bande interdite Eg e qui peut être définie entre 1,2 et 1,9eV, des cellules CdTe avec une énergie de bande interdite Eg de l’ordre de 1,5eV ou des cellules silicium amorphe hydrogéné avec une énergie de bande interdite Eg de 1,7eV à 1,9eV. L’énergie de bande interdite du module additionnel est choisie pour être différente de celle du panneau additionnel et les technologies précitées s’appliquent en particulier dans le cas où le panneau existant utilise des cellules épaisses Silicium mono ou polycristallin, avec une énergie de bande interdite Eg de l’ordre de 1,1 eV.
Plus généralement, les cellules du module additionnel sont des cellules réalisées par une technologie photovoltaïque de type III - V de bande interdite différente de celle des cellules du panneau existant.
Dans le cas où le module se place sur une face opposée à la face exposée au soleil du panneau existant, c’est à dire sous le panneau pour recevoir la lumière réfléchie par le sol ou le support du panneau existant, les cellules du module pourront avoir une énergie de bande interdite supérieure ou inférieure à celle des cellules du panneau existant.
Le module comporte un substrat classique de type verre ou plastique, pouvant être rigide ou souple, sur lequel est déposé l’ensemble des couches permettant la réalisation de cellules photovoltaïques, ces couches étant structurées pour réaliser les cellules et leurs pistes de connexion. A des fins de protection, cet ensemble peut être recouvert d’un matériau encapsulant de type polymère, par exemple Polyoléfine, où de type inorganique, par exemple Al2O3et une seconde couche de type verre ou plastique, rigide ou souple peut être laminée sur le module. Enfin, un cadre rigide ou souple peut être installé autour du module pour le rigidifier ou l’isoler sur ses bords.
Comme représenté en , le module additionnel 10 est avantageusement fixé sur le panneau existant, par exemple un panneau 100 au moyen d’un matériau adhésif ou encapsulant transparent 19. Un matériau transparent aux longueurs d’onde de fonctionnement du panneau existant déduction faite de la gamme spectrale absorbée par le module additionnel soit par exemple entre 700 et 1200nm à minima, dont l’indice de réfraction permettra de minimiser les réflexions aux interfaces entre le module et le panneau existant, pourra être utilisé pour faire la jonction optique entre le panneau existant et le module additionnel afin de permettre une irradiation du panneau existant.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, le module supplémentaire est configuré pour présenter à ses bornes de sortie une tension V1 proche de la tension VMPPdu panneau existant en fonctionnement lorsque ce dernier est combiné avec le module additionnel. La tension V1 est choisie comme étant au moins la tension VMPP±10% ce qui constitue une erreur acceptable.
Le panneau existant est un panneau de type connu notamment à cellules silicium monocristallin ou polycristallin. Selon la , le panneau existant 100 peut par exemple être de type cellules entières (full cell en anglais) traditionnel avec des lignes 101, 102, 103, 104, 105, 106 de cellules 150 en série, les lignes étant elles-mêmes reliées en série par des liaisons 110, 120. Le panneau comporte en outre des diodes shunt 131, 132, 133 dites bypass en anglais qui vont inhiber les parties de panneau ombrées. Selon la , le panneau 200 est de type demi-cellules 250 (half cell en anglais) avec deux bancs de réseaux secondaires de demi-cellules 200a, 200b reliés en série par des liaisons 220a, 220b, 210 et en parallèle par des liaisons 115. Le panneau comporte aussi dans ce cas trois diodes bypass 231, 232, 233. Selon la , le panneau 300 est de type à cellules tuilées 350 (shingle cell en anglais) et comporte un premier demi-panneau 301 comportant des bandes 301a, …, 301f de cellules en série ces bandes étant reliées en parallèle et un second demi-panneau comportant des bandes de cellules en série 302a, …, 302f elles-mêmes reliées en parallèle. Les bandes des sous-panneaux 301, 302 sont reliées en série par des liaisons 310 et en parallèle par des liaisons 315, 325. Dans ce dernier cas deux diodes bypass 331, 332 sont prévues. Le panneau existant peut être simple face pour transformer de la lumière arrivant sur une seule face ou double face c’est-à-dire adapté à transformer de la lumière arrivant sur ses deux faces.
En prenant le cas du panneau à cellules entières, la tension VMPPdu panneau est la somme des tensions VMPP Cdes cellules unitaires, 72 cellules selon l’exemple et le courant est le courant traversant chacune des cellules en absence d’ombrage. Pour le panneau de type demi cellules, la tension est la somme des tensions de la moitié des cellules du panneau, soit la tension de 2x36 cellules selon l’exemple, et le courant est la somme des courants des demi panneaux. Dans le cas du panneau à cellules tuilées, la tension de sortie du panneau est la somme des tensions des éléments de cellules se succédant en bande dans la longueur du panneau, 72 éléments selon l’exemple, et le courant est la somme des courants des bandes en parallèle dans la largeur du panneau. On peut ainsi définir le panneau existant comme comportant un réseau majeur RE1fournissant la tension et le courant de sortie du panneau et éventuellement des réseaux mineurs RE2les réseaux mis en parallèle dans le panneau existant le cas échéant.
Le module additionnel selon les exemples représentés va être constitué à partir d’un réseau mineur de cellules formées en bandelette de longueur Lcellet de hauteur Hcellmises en série pour atteindre la tension V1 égale à VMPPdu panneau existant à 10% près.
La illustre le procédé d’optimisation qui comporte la détermination à l’étape 1 d’une tension de fonctionnement VMPP d’un panneau existant à P cellules d’un premier type par exemple des cellules à base de silicium cristallin, la réalisation à l’étape 2 d’un module additionnel 10 comportant une seconde pluralité Q de cellules du second type et à largeur de bande interdite différente des cellules du panneau existant configurée pour fournir une tension de fonctionnement V1 égale à ±10% près à la tension VMPP dudit panneau ou dudit groupe de panneaux existants, la pose à l’étape 3 du module additionnel en recouvrement sur ou sous le panneau existant, le module étant relié en parallèle audit panneau existant ou audit groupe de panneaux existants. Pour la réalisation des cellules structurées du module, on part de la largeur l et de la longueur L du panneau et on choisit si la pluralité Q de cellules est disposée parallèlement à la longueur L du panneau existant ou à sa largeur.
On procède à l’étape 21 à une détermination de la tension de point de puissance maximale VMPPdu panneau existant combiné avec le module additionnel ;
On calcule à l’étape 22 le nombre N de cellules à mettre en série pour réaliser un sous module S1 du module additionnel adapté à fournir ladite tension V1.
On calcule à l’étape 23 une hauteur Hcelldesdites cellules du sous module S1 et on calcule à l’étape 24 le nombre M1 de sous modules S1 implantables en parallèle sur la largeur l du panneau existant maximisant la puissance dudit module recouvrant le panneau existant à la tension V1. Il est à noter que les étapes 23 et 24 sont interdépendantes. Plusieurs combinaisons peuvent exister mais on choisit celle qui permet de délivrer un maximum de puissance.
On réalise à l’étape 25 le module additionnel en technologie photovoltaïque structurable comportant M1 sous modules S1 en parallèle, encapsulation du module additionnel et pose du module additionnel en recouvrement du panneau existant.
Par exemple dans le cas du panneau PERC (pour Passivated Emitter and Rear Contact en anglais soit émetteur passivé et contact arrière en français) à cellules entières de la , en considérant que les cellules sont des cellules silicium de VMPPC de 0,55V, une fois associé au module complémentaire la tension VMPP du panneau existant est de 39,7V. Pour un module additionnel à cellules Perovskite, la tension VcellMPP est de 0,864V. Il faudra donc N1=46 cellules Perovskite en série pour fournir la tension V1.
A partir de cette valeur on va calculer le nombre de cellules d’un panneau optimisé équivalent Perovskite utilisé seul. En partant des dimensions longueur 1950mm et largeur 950mm du panneau existant et de la hauteur optimale de 5,03mm d’une cellule Perovskite considérée on obtient un nombre de cellules possible dans la largeur du panneau de 180 cellules en considérant les liaisons et détourages nécessaires. Pour remplir la surface du panneau et conserver la tension VMPP du panneau existant on va alors réduire légèrement la hauteur des cellules pour obtenir un multiple 46 cellules dans la largeur du panneau ce qui donne 184 cellules et donc M1= 4 réseaux mineurs S1 mis en parallèle fournissant la tension V1. Le module additionnel résultant est schématisé en avec les réseaux mineurs 10a, 10b, 10c, 10d comportant chacune 46 cellules de longueur Lcell et de hauteur de cellule Hcell de 4,91mm pour fournir une tension V1 égale à VMPP à 0,2% près, ces réseaux mineurs étant mis en parallèle par des liaisons 15 et 16 pour réaliser le module de largeur adaptée au panneau existant. Dans cette configuration, les pertes au niveau de module complémentaires sont de 0,1W ce qui est très faible par rapport à un panneau avec cellules de dimensions optimales ci-dessus.
L’organisation spatiale du panneau existant selon la est une organisation où les cellules sont reliées en série sur des lignes et reliées en Zig-Zag ligne par ligne sur la hauteur du panneau alors que l’organisation spatiale du module complémentaire comporte sur la hauteur du panneau quatre bandes de cellules reliées en parallèle, les bandes de cellules étant constituées de cellules reliées en série selon une direction parallèle à la hauteur du panneau. Les deux panneaux ont ainsi des organisations spatiale et électrique différentes. Ainsi avec le procédé de l’invention on va configurer le module additionnel à la demande selon le type de panneau existant à rénover.
A titre d’exemple, pour un panneau demi cellules de 955mm de largeur ayant des cellules de VMPPCde 0,562V et donc une VMPPde 40,5V, le module additionnel de même configuration va avoir N1=47 cellules de hauteur Hcell=4,32mm en série par sous réseau S1, l’erreur de V1 par rapport à VMPPétant ici de 0,4%. Il est alors possible de disposer quatre sous réseaux S1 en parallèle soit 188 cellules dans la largeur du panneau compte tenu des pistes de raccordement et de la présence d’une zone périphérique libre pour la préhension du module ou pour l’ajout éventuel d’un cadre. Les pertes par rapport aux dimensions idéales sont là aussi de 0,1W.
Les 47 cellules en bande de hauteur 4,32mm et de longueur équivalente à la longueur du panneau en série forment un sous réseau ou réseau mineur S1, quatre réseaux mineurs étant raccordés en parallèle pour former un réseau majeur.
Dans ce cas, le panneau existant comporte 6 réseaux mineurs de cellules en série, chaque réseau mineur comportant deux demi lignes superposées de cellules en série, les réseaux mineurs sont deux à deux en parallèle sur la longueur du panneau puis raccordés en série selon la largeur du panneau pour former le réseau majeur du panneau existant tandis que le module complémentaire comporte toujours quatre bandes de cellules reliées en parallèle sur la hauteur du panneau, les bandes de cellules étant constituées de cellules reliées en série selon une direction parallèle à la hauteur du panneau. L’organisation spatiale et l’organisation électrique des deux panneaux est là aussi différente.
Pour un panneau à cellules tuilées de largeur 955mm, partant d’une distribution optimale de 182 cellules de 5mm de hauteur, disposées selon la largeur du panneau on arrive, toujours compte tenu des pistes de raccordement et de la présence d’une zone périphérique libre pour la préhension du module ou pour l’ajout éventuel d’un cadre, à une disposition avec 168 cellules de hauteur de 5,44mm soit 4 réseaux mineurs S1 ayant chacun 42 cellules pour une erreur sur V1 de 0,2% par rapport à VMPP. La perte de puissance est ici seulement de 0,3W.
Il est à noter que dans tous les cas, du fait que le module est structuré à la demande en fonction de la configuration du panneau existant, il est possible d’organiser le module complémentaire avec des bandes de cellules s’étendant sur la largeur du panneau en série selon la longueur du panneau, ces bandes étant mises en parallèle l’une après l’autre sur la longueur du panneau. Ceci permet par exemple d’orienter les cellules du module additionnel
Pour illustrer l’amélioration du comportement de l’ensemble en cas d’ombrage, on se place dans le cas des figures 5A à 5D dans une configuration avec un module additionnel 10 Perovskite, de 300W de puissance, représenté en avec quatre sous réseaux 10a, 10b, 10c, 10d en parallèle. Ce module additionnel est disposé sur le panneau existant côté face éclairée du panneau existant et raccordé en parallèle sur ce panneau. Dans cet exemple, le panneau existant utilisé est un panneau PERC silicium cellules entières de puissance nominale de 300W. Un tel panneau dont la configuration est telle que décrite en est pourvu de six lignes 101, 102, 103, 104, 105, 106 de cellules en série et trois diodes bypass 131, 132, 133. Il délivre de l’ordre de 160W lorsqu’il est sous le module additionnel.
Dans le cas de la , où les cellules du panneau existant sont montrées au travers d’une déchirure du module, l’ombrage 20 est localisé dans le coin haut à droite et recouvre une cellule de la ligne 101 ainsi qu’une portion des cellules de la première bande de cellules 10a du module.
Le panneau 100 voit alors l’ensemble de ses cellules des lignes 101 et 102 désactivées et la diode 133 devient passante ce qui occasionne une perte de 1/3 de sa puissance. Par contre, du fait de sa configuration, le module additionnel perd peu de puissance et au global le bilan est favorable.
Il en est de même pour les cas des figures 5C, ombrage 21 de la moitié supérieure de l’ensemble et ombrage 22 d’une moitié latérale.
Les mesures effectuées en laboratoire sur les prototypes sont représentées dans le tableau ci-dessous pour des illuminations normalisées correspondant à 1000W/m² avec un spectre proche de la définition AM1.5G. La présence du module additionnel a réduit les pertes globales.
| PANNEAU EXISTANT SEUL (W) ;perte |
MODULE ADDITIONNEL (W) |
CUMUL PANNEAU EXISTANT + MODULE ADDITIONNEL (W) ;perte |
|
| SANS OMBRAGE | (362) | 298,6 | 455 |
| OMBRAGE 20 | (224) ;38% | 292 | 389 ;15% |
| OMBRAGE 21 | (94) ;74% | 136 | 177 ;61% |
| OMBRAGE 22 | (0) ; 100% | 136 | 136 ;70% |
Dans le cas d’un panneau existant demi-cellules, comme représenté en , de dimensions et puissance nominale similaire associé à un module additionnel similaire, les valeurs mesurées en laboratoire sont reprises dans le tableau ci-dessous:
| PANNEAU EXISTANT SEUL (W) ; perte | MODULE (W) | CUMUL(W) ; perte | |
| SANS OMBRAGE | (359) | (302) | (458) |
| OMBRAGE 20 | (219), 39% | (295) | (391) ; 15% |
| OMBRAGE 21 | (90) ; 75% | (139) | (178) ; 61% |
| OMBRAGE 22 | (172) ; 52% | (139) | (214) ; 53% |
On constate dans tous les cas une augmentation de la puissance produite ainsi qu’une baisse de la sensibilité à l’ombrage une fois le panneau additionnel installé.,
Les figures 9A à 9C donnent des exemples de configurations possibles dans le cadre de l’invention.
En chaque panneau existant 100a, 100b est relié en parallèle à un module complémentaire 51 et ces panneaux optimisés unitairement sont reliés en série par une liaison 61 et reliés à d’autres panneaux par la liaison série 60a, 60b.
En , des panneaux additionnels 52a, 52b sont positionnés sur des panneaux 100c, 100d d’un groupe de panneaux 100c, 100d, et relié en parallèle à ces panneaux 100c, 100d par des liaisons 63a, 63b, 65a, 65b, les panneaux 100c, 100d étant pour leur part reliés en série par une liaison 64. Dans ce cas la tension V1 des modules doit être la tension 2xVMPP somme des VMPP de chaque panneau du groupe.
En , chaque panneau 100e, 100f d’un groupe de deux panneaux reçoit un module additionnel 53a, 53b. Les panneaux existants sont reliés en série par une liaison 68, les modules 53a, 53b sont reliés en série par une liaison 67 et la paire de panneaux existants 100e, 100f est reliée en parallèle à la paire de modules de panneau complémentaires 53a, 53b. Dans ce cas la tensions V1 de chaque module 53a, 53b doit être établie de façon à ce que la tension de l’ensemble des panneaux additionnels reliés en série corresponde à la tension de l’ensemble des panneaux existants mis en série. Ceci peut être généralisé à une ligne complète de panneaux existants gérée par un convertisseur de tension.
Au-delà des exemples représentés, le nombre de panneaux des groupes de panneaux peut être différent de deux tout en restant dans le cadre de l’invention.
Il est ainsi possible dans le cadre de l’invention d’ajouter les modules additionnels sur les panneaux existants d’un groupe de panneaux et de raccorder ces modules en série entre eux et en parallèle avec l’ensemble des panneaux eux-mêmes raccordés en série comme représenté en pour deux panneaux existants et deux modules additionnels. Ceci peut être utile si par exemple il est souhaité de pallier des phénomènes d’ombrage localisés sur un parc photovoltaïque ou pour réduire les coûts de mise à jour du parc.
Dans l’exemple de la , le module additionnel 10 est posé en recouvrement sur le panneau existant à cellules tuilées 300 et raccordé en parallèle avec ce dernier pour réaliser une sortie de tension commune 17, 18.
Dans un tel cas, la tension V1 du module additionnel sera calculée en prenant comme valeur de VMPPla somme des tensions VMPPdes panneaux en série et le module sera structuré en conséquence.
Dans le cas où le module additionnel utilise la technologie couche mince structurée, ce dernier peut être réalisé d’un seul tenant en déposant et structurant les couches constituant les bandes formant les cellules et les pistes directement sur un substrat unique par exemple par structuration laser.
L’invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-avant, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre de la protection recherchée. En particulier, du moment que le module additionnel laisse passer des longueurs d’ondes actives pour le panneau existant et que sa disposition spatiale et électrique est différente de ce panneau existant tandis que sa tension VMPPest proche de celle du panneau existant, la technologie des cellules du module additionnel peut différer d’une technologie couche mince. Par ailleurs, dans le cas de cellules en bande, l’orientation des bandes constituant les cellules du module additionnel peut être parallèle à la longueur ou la largeur du ou des panneaux existants et la surface couverte par ce module peut être adaptée pour optimiser le nombre de réseaux mineurs en parallèle. Enfin, la bande interdite des cellules du module additionnel peut être choisie pour laisser passer une plage de longueurs d’ondes au travers de ces cellules adaptée pour maximiser le rendement des cellules du panneau existant sous le module additionnel.
Claims (17)
- Procédé d’optimisation d’un système générateur à cellules photovoltaïques existant et pourvu d’un panneau photovoltaïque existant (100, 200, 300) ou d’un groupe de panneaux photovoltaïques existants, chaque panneau existant étant muni d’une première pluralité P de cellules d’un premier type interconnectées en série ou en série/parallèle, au moyen d’un ou plusieurs modules additionnels, caractérisé en ce qu’il comporte :
- la détermination (1) d’une tension de fonctionnement VMPP dudit panneau ou groupe de panneaux existant une fois assemblés avec lesdits un ou plusieurs modules additionnels,
- la réalisation (2) d’un ou plusieurs modules additionnels (10, 51, 52, 53) comportant une seconde pluralité Q de cellules photovoltaïques d’un second type et à largeur de bande interdite différente des cellules du panneau existant ou des panneaux existants du groupe de panneaux existants, ladite seconde pluralité Q de cellules du ou des modules additionnels étant configurée pour fournir une tension de fonctionnement V1 égale à ±10% près à la tension VMPP dudit panneau ou dudit groupe de panneaux existants,
- la pose (3) du module additionnel en recouvrement sur ou sous le panneau existant, ledit module étant relié en parallèle audit panneau existant ou la pose (3) desdits plusieurs modules additionnels en recouvrement sur ou sous plusieurs desdits panneaux existants dudit groupe de panneaux existants, lesdits plusieurs modules étant reliés en parallèle à au moins certains des panneaux existants ou audit groupe de panneaux existants. - Procédé d’optimisation d’un système générateur à cellules photovoltaïques existant selon la revendication 1, pour lequel le ou les modules additionnels (10) comportent une pluralité de sous modules S1, S’1 (10a, 10b, 10c, 10d) de cellules fournissant ladite tension de fonctionnement V1 et eux-mêmes reliés en parallèle.
- Procédé d’optimisation d’un système générateur à cellules photovoltaïques existant selon la revendication 1 ou 2, pour lequel la disposition de la pluralité Q des cellules du ou des modules additionnels est réalisée selon une configuration électrique et spatiale différente de la pluralité P des cellules du panneau existant ou des panneaux du groupe de panneaux existants.
- Procédé d’optimisation d’un système générateur à cellules photovoltaïques existant selon la revendication 1, 2 ou 3, pour lequel le panneau existant comportant une largeur l et une longueur L et pour lequel ladite pluralité Q de cellules photovoltaïques du second type sont disposées parallèlement à la longueur L du panneau existant, ledit procédé comporte une ou plusieurs étapes de :
- détermination (21) de la tension de point de puissance maximale VMPP du panneau existant ou du groupe de panneaux existants lorsqu’ils sont combinés avec un module additionnel ;
- calcul (22) du nombre N1 de cellules photovoltaïques du second type à mettre en série pour réaliser un sous module S1 du module additionnel adapté à fournir ladite tension V1 ;
- calcul (23, 24) d’une hauteur Hcell desdites cellules du sous module S1 et du nombre M1 de sous modules S1 implantables en parallèle sur la largeur l du panneau existant maximisant la puissance dudit module recouvrant le panneau existant à la tension V1;
- réalisation (25) du module additionnel à cellules photovoltaïques du second type comportant M1 sous modules S1 en parallèle, encapsulation du module additionnel et pose du module additionnel en recouvrement du panneau existant. - Procédé d’optimisation d’un système générateur à cellules photovoltaïques existant selon la revendication 1, 2 ou 3, pour lequel le panneau existant comportant une largeur l et une longueur L et pour lequel ladite pluralité Q de cellules photovoltaïques du second type est disposée parallèlement à la largeur l du panneau existant, ledit procédé comporte une ou plusieurs étapes de :
- détermination (21) de la tension de point de puissance maximale VMPP du panneau existant ou du groupe de panneaux existants lorsqu’ils sont combinés avec le module additionnel ;
- calcul (22) du nombre N’1 de cellules photovoltaïques du second type à mettre en série pour réaliser un sous module S’1 du module additionnel adapté à fournir ladite tension V1 ;
- calcul (23, 24) d’une hauteur H’cell desdites cellules du sous module S’1 et du nombre M’1 de sous modules S’1 implantables en parallèle sur la longueur L du panneau existant maximisant la puissance du module recouvrant le panneau existant à la tension V1;
- réalisation (25) du module additionnel à photovoltaïques du second type comportant M’1 sous modules S’1 en parallèle, encapsulation du module additionnel et pose (3) du module additionnel en recouvrement du panneau existant. - Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel ladite largeur de bande interdite des cellules du second type étant supérieur à la largeur de bande interdite des cellules du premier type, ledit au moins un module additionnel est posé en recouvrement d’une face exposée au soleil du panneau existant ou en recouvrement d’une face opposée à la face exposée au soleil du panneau existant.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel ladite largeur de bande interdite des cellules du second type étant inférieure à la largeur de bande interdite des cellules du premier type, ledit au moins un module additionnel est posé en recouvrement d’une face opposée à une face exposée au soleil du panneau existant.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel un matériau d’interface optique (19) transparent aux longueurs d’ondes actives pour le panneau existant et dont l’indice de réfraction est adapté à minimiser les réflexions à l’interface entre le module additionnel et le panneau existant est disposé entre le module additionnel et le panneau existant.
- Panneau optimisé au moyen du procédé de l’une quelconque des revendications précédentes.
- Panneau optimisé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comporte un panneau existant et un module additionnel pourvu d’une pluralité de sous-modules S1 ou S’1 (10a, 10b, 10c, 10d) de cellules, reliés en parallèle par des pistes de connexion (15, 16) réalisées sur ledit module.
- Panneau optimisé selon la revendication 9 ou 10 pour lequel le module additionnel (10) est fixé sur le panneau existant au moyen d’un matériau adhésif ou encapsulant transparent (19) ou tout moyen de fixation mécanique non adhésifs tel que vis, boulons, rivets ou clips.
- Panneau optimisé selon la revendication 9, 10 ou 11, pour lequel les cellules des sous-modules munies de pistes de connexion s’étendent sur une largeur du module ou sur une longueur du module ou en deux groupes s’étendant chacun sur une moitié desdites largeur ou longueur.
- Panneau optimisé selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, pour lequel les cellules du module additionnel sont des cellules de technologie couche mince.
- Panneau optimisé selon l‘une quelconque des revendications 9 à 13, pour lequel les cellules du module additionnel sont des cellules réalisées par une technologie photovoltaïque structurable, telles que les technologies CIGS, Pérovskite, CdTe ou Silicium amorphe de bande interdite différente de celle des cellules du panneau existant.
- Panneau optimisé selon l‘une quelconque des revendications 9 à 12, pour lequel les cellules du module additionnel sont des cellules réalisées par une technologie photovoltaïque de type III - V.
- Panneau optimisé selon l’une quelconque des revendications 9 à 15, pour lequel le panneau existant est un panneau de type cellules entières (100), demi cellules (200) ou à cellules tuilées (300).
- Module additionnel adapté à la réalisation d’un panneau optimisé selon le procédé de l’une quelconque des revendications 1 à 8.
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