FR3118140A1 - Concentrateur optique à structure alvéolaire - Google Patents
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Abstract
Le concentrateur (101) optique comporte des éléments (101) optiques et une structure (102) alvéolaire. Chaque élément (101) optique est agencé dans une des alvéoles (103) de la structure (102) alvéolaire. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1
Description
Domaine technique de l’invention
Le domaine technique de l’invention est relatif au domaine de la concentration optique d’un rayonnement et concerne plus particulièrement un concentrateur optique.
État de la technique
Un module photovoltaïque à concentration comporte un concentrateur optique formé, par exemple, par une matrice de miroirs associée à des cellules photovoltaïques positionnées chacune au foyer d’un des miroirs. Un tel module photovoltaïque présente, par rapport à un module photovoltaïque dépourvu de concentrateur optique, les avantages suivants :
- avoir un meilleur rendement, ce qui est préférable pour fonctionner dans un environnement à faible ensoleillement ou à faible irradiance en vue de permettre aux cellules photovoltaïques de tendre à fonctionner à leur régime nominal,
- utiliser des cellules photovoltaïques plus petites afin de diminuer la quantité de matériaux III-V classiquement utilisés pour former les cellules photovoltaïques, d’où il résulte une diminution des coûts de fabrication du module photovoltaïque grâce à l’exploitation de la concentration optique.
- avoir un meilleur rendement, ce qui est préférable pour fonctionner dans un environnement à faible ensoleillement ou à faible irradiance en vue de permettre aux cellules photovoltaïques de tendre à fonctionner à leur régime nominal,
- utiliser des cellules photovoltaïques plus petites afin de diminuer la quantité de matériaux III-V classiquement utilisés pour former les cellules photovoltaïques, d’où il résulte une diminution des coûts de fabrication du module photovoltaïque grâce à l’exploitation de la concentration optique.
Les modules photovoltaïques à concentration sont tout particulièrement adaptés pour des applications spatiales, c’est-à-dire hors de l’atmosphère terrestre.
Les modules photovoltaïques à concentration sont couplés à un système de suivi car ils exploitent la lumière directe du soleil pour fonctionner et non la lumière diffusée par les constituants environnementaux au niveau des corps célestes (par exemple ces constituants environnementaux pouvant être les gaz atmosphériques, les nuages et/ou les particules de poussière).
Par exemple, des vaisseaux spatiaux de communication et de météorologie peuvent intégrer des ailes de panneaux solaires avec une précision de pointage élevée (c’est-à-dire notamment avec une précision de pointage strictement inférieure à 1°) satisfaisant la tolérance angulaire nécessaire pour des modules photovoltaïques à concentration qui peuvent alors être intégrés au sein des panneaux solaires.
Les modules photovoltaïques à concentration utilisant des cellules photovoltaïques de petites dimensions (c’est-à-dire dont la face active est préférentiellement strictement inférieure à 1 mm²) ouvrent la voie à l’obtention de niveaux de puissance élevés par unité de masse (W/Kg), dépassant de manière réaliste 350 W/kg à l'incident AM0 (avec AM0 correspondant à masse d’air 0 ou « air mass 0 » en langue anglaise) selon la norme Standard ASTM G173-02 (ASTM, 2003) ; ceci permettant de remplacer à un coût inférieur la technologie CIC (sigle de « Coverglass Interconnect Cell » en langue anglaise et correspondant à des cellules équipées chacune d’un élément de protection individuel en face avant) existante.
Le document « Lightweight Monolithic Microcell CPV for Space » de Christian J. Ruud et al. publié dans « 2018 IEEE 7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC) (A Joint Conference of 45th IEEE PVSC, 28th PVSEC 34th EU PVSEC), 2018 » décrit l’association par collage de cellules photovoltaïques agencées sur une plaque de verre BK7-G18 avec un concentrateur optique comportant une matrice de miroirs. La matrice de miroirs est formée par un revêtement réfléchissant déposé sur des surfaces concaves d’un support en verre BK7-G18 appartenant au concentrateur optique. Cette solution à base de verre permet, pour une solution de module photovoltaïque à concentration, de limiter l’épaisseur dudit module photovoltaïque à concentration mais présente l’inconvénient d’être fragile.
Objet de l’invention
L’invention a pour but de permettre d’améliorer la résistance mécanique d’un concentrateur optique, c’est-à-dire notamment sa rigidité, en particulier tout en cherchant à limiter son encombrement.
À cet effet, l’invention est relative à un concentrateur optique comportant des éléments optiques et une structure alvéolaire, chaque élément optique étant agencé dans une des alvéoles de la structure alvéolaire.
Un tel concentrateur optique présente l’avantage d’être robuste par rapport aux contraintes mécaniques auxquelles il peut être soumis notamment en vue de conserver sa forme. Il peut alors être utilisé par exemple au sein d’un module photovoltaïque du type à concentration de sorte à en limiter l’encombrement et la masse.
Le concentrateur optique peut comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le concentrateur optique comporte un matériau rigidifiant la structure alvéolaire et à partir duquel les éléments optiques sont formés ;
- le matériau est choisi parmi un silicone, un verre, un matériau acrylique, un caoutchouc naturel, un acrylate, un caoutchouc acrylique et un caoutchouc butyle ;
- le matériau est surmoulé sur la structure alvéolaire ;
- le concentrateur optique comporte un cadre entourant la structure alvéolaire et en contact avec la structure alvéolaire ;
- le cadre est formé d’une matière identique au matériau ;
- le concentrateur optique comporte des miroirs formés chacun par un des éléments optiques ;
- le matériau comporte des portions remplissant chacune partiellement une des alvéoles, chaque miroir étant agencé sur une surface d’une des portions matériau ;
- le concentrateur optique comporte un élément de rigidification fixé à la structure alvéolaire ;
- pour chacune des alvéoles dans laquelle un des miroirs est agencé, la portion du matériau remplissant partiellement ladite alvéole occupe un volume délimité par l’élément de rigidification, ledit miroir agencé dans ladite alvéole et au moins une paroi de ladite alvéole ;
- le concentrateur optique comporte des lentilles, chaque lentille étant formée par un des éléments optiques ;
- le matériau comporte des parties formant chacune une des lentilles ;
- la structure alvéolaire est un nid d’abeilles.
- le concentrateur optique comporte un matériau rigidifiant la structure alvéolaire et à partir duquel les éléments optiques sont formés ;
- le matériau est choisi parmi un silicone, un verre, un matériau acrylique, un caoutchouc naturel, un acrylate, un caoutchouc acrylique et un caoutchouc butyle ;
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- le concentrateur optique comporte un cadre entourant la structure alvéolaire et en contact avec la structure alvéolaire ;
- le cadre est formé d’une matière identique au matériau ;
- le concentrateur optique comporte des miroirs formés chacun par un des éléments optiques ;
- le matériau comporte des portions remplissant chacune partiellement une des alvéoles, chaque miroir étant agencé sur une surface d’une des portions matériau ;
- le concentrateur optique comporte un élément de rigidification fixé à la structure alvéolaire ;
- pour chacune des alvéoles dans laquelle un des miroirs est agencé, la portion du matériau remplissant partiellement ladite alvéole occupe un volume délimité par l’élément de rigidification, ledit miroir agencé dans ladite alvéole et au moins une paroi de ladite alvéole ;
- le concentrateur optique comporte des lentilles, chaque lentille étant formée par un des éléments optiques ;
- le matériau comporte des parties formant chacune une des lentilles ;
- la structure alvéolaire est un nid d’abeilles.
L’invention est aussi relative à un module photovoltaïque comportant des cellules photovoltaïques, le module photovoltaïque comporte un concentrateur optique tel que décrit. Chaque cellule photovoltaïque est agencée au foyer d’au moins un des éléments optiques du concentrateur optique.
L’invention est aussi relative à un procédé de fabrication d’un concentrateur optique, le procédé de fabrication comportant les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir une structure alvéolaire,
- une étape de formation d’éléments optiques de sorte que chaque élément optique est agencé dans une des alvéoles de la structure alvéolaire.
- une étape consistant à prévoir une structure alvéolaire,
- une étape de formation d’éléments optiques de sorte que chaque élément optique est agencé dans une des alvéoles de la structure alvéolaire.
Le procédé de fabrication du concentrateur optique peut comporter les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir un moule,
- une étape de positionnement de la structure alvéolaire dans le moule,
- une étape d’introduction d’un produit de moulage à l’état liquide dans le moule,
- une étape de solidification du produit de moulage introduit dans le moule pour former une pièce comportant la structure alvéolaire et une partie moulée,
- une étape de retrait consistant à retirer la pièce du moule.
- une étape consistant à prévoir un moule,
- une étape de positionnement de la structure alvéolaire dans le moule,
- une étape d’introduction d’un produit de moulage à l’état liquide dans le moule,
- une étape de solidification du produit de moulage introduit dans le moule pour former une pièce comportant la structure alvéolaire et une partie moulée,
- une étape de retrait consistant à retirer la pièce du moule.
L’invention est aussi relative à un procédé de fabrication d’un module photovoltaïque, le procédé de fabrication du module photovoltaïque comportant :
- une étape consistant à mettre en œuvre le procédé de fabrication du concentrateur optique tel que décrit, et
- une étape de positionnement de cellules photovoltaïques de sorte que chaque cellule photovoltaïque est positionnée au foyer d’au moins un des éléments optiques du concentrateur optique.
- une étape consistant à mettre en œuvre le procédé de fabrication du concentrateur optique tel que décrit, et
- une étape de positionnement de cellules photovoltaïques de sorte que chaque cellule photovoltaïque est positionnée au foyer d’au moins un des éléments optiques du concentrateur optique.
D’autres avantages et caractéristiques pourront ressortir de la description détaillée qui suit.
Description sommaire des dessins
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés et listés ci-dessous.
Sur ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures.
Description détaillée
L’invention, décrite plus en détails ci-après, concerne un concentrateur 100 optique comportant des éléments 101 optiques et renforcé dans le sens où il comporte une structure 102 alvéolaire dans laquelle sont agencés les éléments 101 optiques. Un tel concentrateur 100 optique est tout particulièrement adapté pour être intégré dans un module 200 photovoltaïque aussi alors appelé module photovoltaïque à concentration (aussi connu sous le sigle « CPV » correspondant à « concentrator photovoltaics » en langue anglaise).
Dans la présente description, par « compris entre deux valeurs », il est entendu que les bornes formées par ces deux valeurs sont incluses dans la plage correspondante.
Il est à présent défini un repère orthonormé d’axes X, Y et Z, ci-après noté repère XYZ. Le repère XYZ est visible aux figures 1 à 7 et 15. Ce repère correspondant préférentiellement au référentiel du concentrateur 100 optique.
Dans la présente description, la transparence, par exemple d’un objet, à un rayonnement est définie par un facteur de transmission compris entre 80 % et 100 % que présente notamment cet objet.
L’invention est en particulier relative au concentrateur 100 optique. Un exemple d’un tel concentrateur 100 optique est visible sur les figures 1 et 2, la montrant le concentrateur 100 optique de la selon une vue en coupe dans un plan parallèle aux axes X et Z. Le concentrateur 100 optique comporte les éléments 101 optiques et la structure 102 alvéolaire. La structure 102 alvéolaire comporte des alvéoles 103, par exemple au nombre de trente dans l’exemple représenté de manière non limitatif sur la . Les alvéoles 103 peuvent, par exemple, être dites « débouchantes » dans le sens où elles peuvent être ouvertes sur deux faces opposées de la structure 102 alvéolaire, ces deux faces étant opposées selon l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire mesurée parallèlement à l’axe Z. Chaque élément 101 optique est agencé dans une des alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire. La structure 102 alvéolaire permet d’apporter de la rigidité au sein même du concentrateur 100 optique améliorant ainsi sa robustesse. Chaque alvéole 103 peut loger un seul élément 101 optique comme cela est par exemple le cas de la où les éléments 101 optique sont au nombre de trente.
Un tel concentrateur 100 optique peut dès lors être intégré au sein d’un dispositif particulier, notamment comme le module 200 photovoltaïque évoqué précédemment et par exemple tel que représenté sur la . Le module 200 photovoltaïque est destiné à être soumis à un rayonnement, par exemple solaire, pour générer de l’énergie électrique. Dans ce cas, la structure 102 alvéolaire intégrée au sein du concentrateur 100 optique permet, par exemple, au concentrateur 100 optique de servir de support pour supporter des éléments qui entrent dans la constitution du module 200 photovoltaïque. Par exemple, il résulte de l’intégration d’un tel concentrateur 100 optique au sein du module 200 photovoltaïque que cela ne nécessitera pas d’ajouter un système de rigidification alvéolaire distinct du concentrateur 100 optique et tendant à augmenter l’épaisseur, mesurée parallèlement à l’axe Z, du module 200 photovoltaïque.
Ainsi, le module 200 photovoltaïque, comme représenté à titre d’exemple sur la , comporte le concentrateur 100 optique et des cellules 201 photovoltaïques aussi appelées cellules 201 solaires. Chaque cellule 201 photovoltaïque est agencée au foyer d’au moins un des éléments 101 optiques, ceci permettant aux éléments 101 optiques de faire converger de manière adaptée le rayonnement que le module 200 photovoltaïque reçoit vers les cellules 201 photovoltaïques. Autrement dit, le concentrateur 100 optique est tel que, lorsqu’il est soumis au rayonnement, il permet de concentrer, via les éléments 101 optiques, ce rayonnement sur les cellules 201 photovoltaïques. Chaque cellule 201 photovoltaïque peut être agencée au foyer d’un seul élément 101 optique comme c’est le cas sur la ou de plusieurs éléments 101 optiques comme l’illustre à titre d’exemple la . Sur la , les cellules 201 photovoltaïques sont au nombre de trente, c’est-à-dire une par élément 101 optique, ce nombre n’est pas limitatif et pourra être adapté en fonction des besoins par exemple en adaptant le nombre d’éléments 101 optiques. Sur la , les cellules 201 photovoltaïques du module 200 photovoltaïque, représentées chacune par un rond noir, sont placées chacune aux foyers respectifs de trois éléments 101 optiques distincts, par exemple adjacents à ladite cellule 201 photovoltaïque ; ces trois éléments 101 optiques étant agencés chacun dans une des alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire. Bien entendu, la n’est qu’un exemple, et il est possible que les cellules 201 photovoltaïques soient par exemple placées chacune aux foyers de plus de trois éléments 101 optiques. Sur la , chaque cellule 201 photovoltaïque peut être agencée à l’aplomb de l’intersection des parois de trois alvéoles 103, ce qui permet de faire cheminer des pistes d’interconnexion (par exemple métalliques) des cellules 201 photovoltaïques à l’aplomb des parois des alvéoles 103 pour limiter le masquage optique des éléments 101 optiques du concentrateur 100 optique par les pistes d’interconnexion. Sur la , les cellules 201 photovoltaïques peuvent être, par exemple par collage, solidaires d’un/supportées par un substrat (non visible) ou par une plaque transparente au rayonnement (non visible).
Le module 200 photovoltaïque peut répondre à une problématique de limitation de masse et de limitation de l’encombrement dans le sens où :
- l’intégration de la structure 102 alvéolaire dans le concentrateur 100 optique permet un gain de masse car il n’y a pas besoin de réaliser un couplage mécanique d’un système de rigidification alvéolaire distinct du concentrateur 100 optique, ce qui peut s’accompagner d’une diminution de matière/d’épaisseur du module 200 photovoltaïque selon l’axe Z,
- l’intégration de la structure 102 alvéolaire au sein même du concentrateur 100 optique permet de limiter l’épaisseur globale du module 200 photovoltaïque.
Ceci est particulièrement avantageux pour une application spatiale, c’est-à-dire pour une utilisation dans l’espace hors de l’atmosphère terrestre, du module 200 photovoltaïque où la masse et l’encombrement sont des critères importants à prendre en compte pour placer, par un lanceur, une charge utile comportant le module 200 photovoltaïque en orbite autour de la terre ou pour envoyer cette charge utile dans l’espace interplanétaire. En outre, le module 200 photovoltaïque à concentrateur 100 optique nécessite d’être orienté vers le rayonnement à capter : la limitation de sa masse permet de limiter l’énergie nécessaire pour réaliser un suivi adapté du rayonnement, énergie qui peut être limitée dans l’espace. Ceci est aussi avantageux dans le cadre d’une application terrestre dans le sens où limitation de la masse du module 200 photovoltaïque permet de limiter l’énergie nécessaire pour réaliser un suivi adapté du rayonnement solaire sur terre et donc pour orienter de manière adaptée le module 200 photovoltaïque.
- l’intégration de la structure 102 alvéolaire dans le concentrateur 100 optique permet un gain de masse car il n’y a pas besoin de réaliser un couplage mécanique d’un système de rigidification alvéolaire distinct du concentrateur 100 optique, ce qui peut s’accompagner d’une diminution de matière/d’épaisseur du module 200 photovoltaïque selon l’axe Z,
- l’intégration de la structure 102 alvéolaire au sein même du concentrateur 100 optique permet de limiter l’épaisseur globale du module 200 photovoltaïque.
Ceci est particulièrement avantageux pour une application spatiale, c’est-à-dire pour une utilisation dans l’espace hors de l’atmosphère terrestre, du module 200 photovoltaïque où la masse et l’encombrement sont des critères importants à prendre en compte pour placer, par un lanceur, une charge utile comportant le module 200 photovoltaïque en orbite autour de la terre ou pour envoyer cette charge utile dans l’espace interplanétaire. En outre, le module 200 photovoltaïque à concentrateur 100 optique nécessite d’être orienté vers le rayonnement à capter : la limitation de sa masse permet de limiter l’énergie nécessaire pour réaliser un suivi adapté du rayonnement, énergie qui peut être limitée dans l’espace. Ceci est aussi avantageux dans le cadre d’une application terrestre dans le sens où limitation de la masse du module 200 photovoltaïque permet de limiter l’énergie nécessaire pour réaliser un suivi adapté du rayonnement solaire sur terre et donc pour orienter de manière adaptée le module 200 photovoltaïque.
Le module 200 photovoltaïque comporte par définition une face 202 avant ( ) destinée à recevoir le rayonnement, c’est donc cette face 202 avant qui sera à orienter vers le rayonnement pour permettre sa captation par le module 200 photovoltaïque. En opposition à sa face 202 avant, le module 200 photovoltaïque comporte une face 203 arrière ( ).
La structure 102 alvéolaire peut présenter une faible densité et donc une masse limitée, une résistance et une rigidité contrôlables à la conception, ainsi qu’une capacité à absorber de l’énergie cinétique, par exemple d’impact, pour éviter la rupture du concentrateur 100 optique et plus généralement du module 200 photovoltaïque. Cette capacité à absorber de l’énergie cinétique est avantageuse par exemple lorsque le module 200 photovoltaïque sera placé en environnement spatial et donc soumis à des impacts de météorites ou de déchets spatiaux, ou placé en environnement terrestre où il pourra être soumis à la grêle. Par exemple, une faible densité de la structure 102 alvéolaire peut correspondre à une densité comprise entre 16 Kg/m3et 300 Kg/m3.
La structure 102 alvéolaire peut être un nid d’abeilles aussi appelé structure en nid d’abeilles. Les alvéoles 103 sont donc dans ce cas hexagonales dans un plan de coupe de la structure 102 alvéolaire parallèle aux axes X et Y. L’avantage technique d’un nid d’abeilles est d’avoir une résistance à la compression satisfaisante.
La structure 102 alvéolaire peut être réalisée en aluminium, en utilisant des fibres d’aramide par exemple du Kevlar®, en matière plastique (comportant notamment des polymères), en utilisant du carbone, ou en utilisant des fibres de verre.
L’épaisseur de la structure 102 alvéolaire peut être strictement inférieure à 300 mm et peut par exemple être comprise entre 1 mm et 100 mm. En particulier, l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire peut être strictement inférieure à 1 cm. Cette épaisseur est mesurée parallèlement à l’axe Z. Une telle épaisseur de la structure 102 alvéolaire présente l’avantage de permettre d’atteindre une épaisseur conventionnelle du module 200 photovoltaïque, en particulier compatible pour être utilisée dans un satellite, c’est-à-dire un engin spatial.
Le concentrateur 100 optique peut comporter des miroirs formés chacun par un des éléments 101 optiques. Autrement dit, chaque miroir 101 est un des éléments 101 optiques. L’utilisation de miroirs permet au concentrateur 100 optique de réfléchir le rayonnement pour le concentrer, notamment sur les cellules photovoltaïques 201 correspondantes. Dans le cadre du module 200 photovoltaïque, l’utilisation de miroirs permet de protéger les cellules 201 photovoltaïques associées auxdits miroirs des radiations de particules énergétiques (par exemple des électrons et/ou des protons) car ces cellules 201 photovoltaïques seront positionnées de sorte que le flux solaire arrive en face arrière de ces cellules 201 photovoltaïques tandis que les faces avant, aussi appelées faces actives, de ces cellules 201 photovoltaïques seront positionnées chacune de sorte à faire face à un des miroirs. La face active d’une cellule 201 photovoltaïque est la face devant recevoir une partie du rayonnement auquel le module 200 photovoltaïque est soumis afin de générer une énergie électrique.
Chaque miroir peut être formé par une surface concave réflective, par exemple pour former un miroir parabolique, ou par des surfaces réflectives asphériques. La forme de chaque miroir peut être adaptée à son positionnement au sein du concentrateur 100 optique et peut être fonction de la position souhaitée d’une cellule 201 photovoltaïque correspondante au sein du module 200 photovoltaïque.
Le concentrateur 100 optique peut comporter des lentilles, chaque lentille étant formée par un des éléments 101 optiques. Autrement dit, chaque lentille est un des éléments 101 optiques. Les lentilles autorisent le passage du rayonnement considéré au travers du concentrateur 100 optique, tout en faisant converger différentes parties du rayonnement par exemple vers des foyers associés chacun à une des lentilles. La illustre un exemple particulier du concentrateur 100 optique comportant la structure 102 alvéolaire dans laquelle sont agencées des lentilles formées par les éléments 101 optiques. Dans ce cas, le module 200 photovoltaïque peut comporter un substrat 209 duquel les cellules 201 photovoltaïques sont solidaires par exemple par fixation audit substrat 109 notamment par collage ; la structure 102 alvéolaire est alors fixée, par exemple par collage, au substrat 209 de sorte que chaque cellule 201 photovoltaïque est placée dans une des alvéoles 103 au foyer de la lentille agencée dans cette même alvéole 103. Les lentilles sont aussi appelées ici lentilles de focalisation.
Sur la , les éléments 101 optiques sont par exemple formés chacun par un miroir correspondant ou par une lentille correspondante.
Par exemple, chaque élément 101 optique est un miroir comme dans le cas particulier illustré sur les figures 1 à 3.
Par exemple, chaque élément 101 optique est une lentille comme dans le cas particulier illustré sur la .
Par exemple, certains éléments 101 optiques du concentrateur 100 optique sont des miroirs et d’autres éléments 101 optiques du concentrateur 100 optique sont des lentilles.
La illustre différentes types d’éléments 101 optiques référencés (a), (b), (c), (d), les éléments 101 optiques étant agencés chacun dans une alvéole 103 correspondante de la structure 102 alvéolaire. Le type (a) correspond à un élément 101 optique formant un miroir parabolique. Le type (b) correspond à un élément 101 optique formant un miroir comportant des surfaces réflectives asphériques. Le type (c) correspond à un élément 101 optique formant une lentille. Le type (d) correspond à un élément 101 optique comportant une couche 101a réflective sur laquelle est agencée une lentille 101b, un tel élément 101 optique est aussi connu sous la dénomination « lens-walled compound parabolic concentrator » en langue anglaise. Les types (a), (b) et (d) sont des éléments 101 optiques réflectifs et le type (c) est un élément 101 optique réfractif. Bien que les types (a), (b), (c) et (d) aient été représentés tous en combinaison sur la , le concentrateur 100 optique peut très bien comporter des éléments 101 optiques seulement de l’un des types (a), (b), (c) ou (d), ou des éléments 101 optiques de différents types choisis parmi les types (a), (b), (c) et (d). La montre en outre des positionnements possibles des cellules 201 photovoltaïques du module 200 photovoltaïque en fonction du type des éléments 101 optiques. Par exemple, pour les éléments 101 optiques des types (b), (c) et (d), les cellules 201 photovoltaïques associées sont solidaires d’un substrat 209, en particulier par fixation assurée par collage. Par exemple, pour l’élément 101 optique de type (a), la cellule 101 photovoltaïque associée est solidaire d’un élément 204 de protection correspondant, en particulier par fixation assurée par collage, qui par ailleurs est fixé au concentrateur 100 optique pour aussi protéger les cellules 201 photovoltaïques associées aux éléments 101 optiques des types (b), (c) et (d).
Le concentrateur 100 optique peut être tel qu’il comporte des lentilles combinées chacune à un miroir 111 correspondant. Dans ce cas, les lentilles forment les éléments 101 optiques. Ceci est illustré à titre d’exemple sur la qui montre le module 200 photovoltaïque comportant la structure 102 alvéolaire dans laquelle sont agencées les lentilles (en particulier dans les alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire) et une structure 102a alvéolaire additionnelle associée à des miroirs 111 chacun agencé dans une des alvéoles 103a de la structure 102a alvéolaire additionnelle et pouvant reposer sur un matériau de même composition que le matériau 104 décrit ci-après. La structure 102 alvéolaire et la structure 102a alvéolaire additionnelle sont fixées, par exemple par collage, à un substrat 209 duquel les cellules 201 photovoltaïques sont solidaires par exemple par collage. Ici, ce substrat 209 est transparent au rayonnement ou évidé pour laisser passer le rayonnement. Les cellules 201 photovoltaïques sont agencées sur le substrat 209 de sorte que chaque cellule 201 photovoltaïque est positionnée entre un des miroirs 111 et une des lentilles afin qu’une partie du rayonnement incident au module 200 photovoltaïque traverse ladite lentille avant de converger sur la cellule 201 photovoltaïque par réflexion sur ledit miroir 111.
Il a été décrit ci-dessus différentes possibilités d’agencement de miroirs et de lentilles au sein du concentrateur 100 optique, ces différentes possibilités peuvent être combinées de différentes manières. Ces différentes possibilités permettent au concentrateur 100 optique d’assurer sa fonction de manière satisfaisante.
Le concentrateur 100 optique peut comporter un matériau 104 (figures 2, 5, 6, 7) rigidifiant la structure 102 alvéolaire et à partir duquel les éléments 101 optiques sont formés. Ce matériau 104 présente l’avantage d’améliorer la robustesse du concentrateur 100 optique tout en permettant aux éléments 101 optiques d’être agencés chacun dans une des alvéoles 103 correspondante.
Le matériau 104 permet de rigidifier la structure 102 alvéolaire dans le sens où il permet de limiter la déformation de la structure 102 alvéolaire en comparaison à la structure 102 alvéolaire prise isolément.
Par « matériau 104 à partir duquel les éléments 101 optiques sont formés », il est entendu que chaque élément 101 optique peut être formé dans le matériau 104 ou sur le matériau 104. Autrement dit, la forme des éléments 101 optiques est dépendante du matériau 104. Par exemple, dans le cas des lentilles, le matériau 104 peut comporter des parties et chaque lentille peut être formée par une des parties du matériau 104, cette partie étant agencée dans une des alvéoles 103. Par exemple, dans le cas des miroirs, le matériau 104 peut comporter des portions et chaque miroir peut être agencé sur une des portions du matériau 104 qui sert alors de support audit miroir, cette portion étant agencée dans une des alvéoles 103 ; il en résulte que la forme du miroir sera dépendante d’une surface de la portion du matériau 104 sur laquelle le miroir est formé, par exemple par dépôt.
Dans tous les cas, le matériau 104 participe à l’intégration de la structure 102 alvéolaire au sein du concentrateur 100 optique en la rendant solidaire du reste du concentrateur 100 optique. Le matériau 104 est bien entendu à un état solide au sein du concentrateur 100 optique.
Le matériau 104 peut être choisi parmi un silicone, un verre par exemple un verre de borosilicate, un matériau acrylique, un caoutchouc naturel, un acrylate, un caoutchouc acrylique et un caoutchouc butyle. Par exemple, le silicone peut correspondre à un état réticulé d’un produit choisi parmi les références Dow Corning® 93-500 et Elastosic Wacker® qui présentent notamment l’avantage de satisfaire les normes d’utilisation dans l’espace. Le matériau 104, via notamment ses compositions possibles visées dans le présent paragraphe, présente l’avantage de permettre la formation de surfaces les plus lisses possibles par exemple avec une rugosité moyenne strictement supérieure à 1 nm et strictement inférieure à 150 nm ; une telle rugosité moyenne étant adaptée pour permettre la formation de surfaces réflectives lisses, c’est-à-dire pour permettre de former les miroirs, ou pour permettre l’obtention de lentilles de qualité.
De préférence, le matériau 104 est formé sur la structure 102 alvéolaire, en particulier le matériau 104 est surmoulé sur la structure 102 alvéolaire. Ceci présente l’avantage de permettre une bonne intégration de la structure 102 alvéolaire dans le concentrateur 100 optique et l’avantage de permettre le maintien de l’unité de différentes parties du concentrateur 100 optique.
Dans le cas des miroirs (voir par exemple la ), le matériau 104 peut comporter les portions 104a, 104b, 104c, 104d, 104e remplissant chacune partiellement une des alvéoles 103 et chaque miroir est agencé sur une surface 105, notamment une surface 105 concave si le miroir est parabolique, d’une des portions 104a, 104b, 104c, 104d, 104e du matériau 104. Ceci permet d’assurer un support adapté des miroirs dans les alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire tout en leur permettant d’assurer une focalisation adaptée. Chaque miroir peut être fixé, par exemple du fait du dépôt/de la formation d’un revêtement 113 ( ) réflectif adapté, sur une des surfaces 105 des portions 104a, 104b, 104c, 104d, 104e du matériau 104. En fait, chaque alvéole 103 dans laquelle est agencé un miroir peut comporter une portion 104a, 104b, 104c, 104d, 104e correspondante du matériau 104 sur laquelle est fixé le miroir.
Dans le cas des lentilles, le matériau 104 peut comporter des parties 104f, 104g, 104h, 104i, 104j ( ) formant chacune une des lentilles. Le matériau 104 sert alors à la fois à former les lentilles et à améliorer la robustesse du concentrateur 100 optique.
Le concentrateur 100 optique peut comporter un élément 106 de rigidification, aussi appelé élément de renforcement, fixé à la structure 102 alvéolaire. Ceci présente l’avantage technique d’améliorer la robustesse globale du concentrateur 100 optique en y ajoutant l’élément 106 de rigidification coopérant avec la structure 102 alvéolaire pour permettre cette amélioration.
L’élément 106 de rigidification peut être une feuille ou une plaque.
L’élément 106 de rigidification peut comporter un tissu rigide par exemple imprégné de résine. Ce tissu peut être un tissu de carbone, un tissu de fibres de verre, un tissu composite, une tôle de graphène avec des mailles d'aluminium collées à la surface de la tôle, un polymère renforcé de fibres de carbone (aussi connu sous le sigle CFRP pour « Carbon Fiber Reinforced Polymer » en langue anglaise).
La structure 102 alvéolaire peut être collée à l’élément 106 de rigidification par exemple par le matériau 104, par un film époxyde, par un film adhésif moussant, par un film époxy-phénolique, par un film phénolique, par un film polyimide, ou par un film bismaléimide.
L’élément 106 de rigidification peut présenter une épaisseur comprise entre 10 µm et 3 mm, en particulier l’épaisseur de l’élément 106 de rigidification peut être strictement inférieure à 200 μm.
Lorsque l’élément 106 de rigidification est un tissu qui comporte des fibres, ces fibres peuvent être disposées en fonction des contraintes mécaniques auxquelles le concentrateur 100 optique est susceptible d’être soumis.
En particulier, pour chacune des alvéoles 103 dans laquelle un des miroirs est agencé, la portion 104a, 104b, 104c, 104d, 104e du matériau 104 remplissant partiellement ladite alvéole 103 peut occuper un volume délimité par l’élément 106 de rigidification, ledit miroir agencé dans ladite alvéole 103 et au moins une paroi 107 de ladite alvéole 103 (ces parois 107 étant au nombre de six par alvéole 103 lorsque la structure 102 alvéolaire est un nid d’abeilles ou de une si les alvéoles 103 sont cylindriques à section circulaire). Ceci présente l’avantage d’augmenter la robustesse du concentrateur 100 optique.
Le concentrateur 100 optique peut comporter un cadre 108 (par exemple visible sur les figures 1 à 3) entourant la structure 102 alvéolaire et en contact avec la structure 102 alvéolaire. Ce cadre 108 présente l’avantage de participer à rigidifier la structure 102 alvéolaire et l’avantage de servir de support en formant par exemple une portée d’appui 109 par exemple pour le montage d’un élément 204 de protection que comporte le module 200 photovoltaïque ( ). Notamment, le cadre 108 entoure la structure 102 alvéolaire à sa périphérie, en particulier dans un plan parallèle aux axes X et Y ( ).
Le cadre 108 peut présenter une épaisseur, mesurée parallèlement à l’axe Z, supérieure ou égale à l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire de sorte que l’élément 204 de protection peut être soit en contact avec la structure 102 alvéolaire soit à distance de la structure 102 alvéolaire quand il est assemblé sur la portée 109 d’appui. L’épaisseur du cadre 108 peut être comprise entre l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire et l’épaisseur de la structure 102 alvéolaire plus 1 cm. Lorsque le cadre 108 présente une épaisseur égale à celle de la structure 102 alvéolaire, cela permet à l’élément de protection de reposer aussi sur la structure 102 alvéolaire ce qui augmente la stabilité de l’assemblage du module 200 photovoltaïque car il y a plus de points d’appui pour tenir l’élément 204 de protection.
De manière générale, si le module 200 photovoltaïque est à utiliser dans l’espace, il peut comporter les moyens nécessaires, tel que par exemple des trous pratiqués dans les parois des alvéoles 103, pour permettre l’évacuation d’air et éviter l’explosion du module 200 photovoltaïque par décompression.
Le cadre 108 peut être formé d’une matière identique au matériau 104. Ainsi, le surmoulage effectué sur la structure 102 alvéolaire peut former à la fois le matériau 104 et le cadre 108. Ceci permet une optimisation de l’intégration de la structure 102 alvéolaire au sein du concentrateur 100 optique, notamment tout en limitant l’épaisseur du concentrateur 100 optique mesurée parallèlement à l’axe Z.
L’élément 106 de rigidification peut déborder par rapport à la structure 102 alvéolaire de sorte à délimiter, avec la structure 102 alvéolaire, un épaulement 110 annulaire ( ), dont la section peut varier. Le cadre 108 est en contact avec l’épaulement 110. Autrement dit, l’élément 106 de rigidification peut comporter un bord 106a qui s’étend à la périphérie de la structure 102 alvéolaire.
Il a été évoqué précédemment que le cadre 108 pouvait participer au montage de l’élément 204 de protection. Pour améliorer la facilité de montage, le cadre 108 peut comporter des cavités 112a, 112b, 112c, 112d. Les cavités 112a, 112b, 112c, 112d sont ménagées dans une face du cadre 108 et notamment dans la portée 109 d’appui évoquée précédemment. Ces cavités 112a, 112b, 112c, 112d peuvent être des trous. Ces cavités 112a, 112b, 112c, 112d sont, par exemple, destinées à former des détrompeurs pour l’insertion de plots 205a, 205b, 205c, 205d (figures 3 et 16) s’étendant depuis l’élément 204 de protection. Alternativement, les détrompeurs associés au concentrateur 100 optique peuvent être des plots s’étendant depuis la portée 109 d’appui et destinés à coopérer avec des cavités ménagées dans l’élément 204 de protection
Il résulte de ce qui a été décrit précédemment qu’il existe un besoin de développer une solution permettant de fabriquer le concentrateur 100 optique tel que décrit. À cet effet, l’invention est aussi relative à un procédé de fabrication du concentrateur 100 optique. Pour cela, le procédé de fabrication du concentrateur 100 optique peut, de manière générale, comporter les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir la structure 102 alvéolaire comprenant les alvéoles 103 et telle que par exemple représentée sur la ,
- une étape de formation des éléments 101 optiques de sorte que chaque élément 101 optique est agencé dans une des alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire.
L’étape de formation des éléments 101 optiques telle que décrite présente l’avantage d’intégrer les éléments 101 optiques dans les alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire, limitant ainsi l’épaisseur du concentrateur 100 optique.
- une étape consistant à prévoir la structure 102 alvéolaire comprenant les alvéoles 103 et telle que par exemple représentée sur la
- une étape de formation des éléments 101 optiques de sorte que chaque élément 101 optique est agencé dans une des alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire.
L’étape de formation des éléments 101 optiques telle que décrite présente l’avantage d’intégrer les éléments 101 optiques dans les alvéoles 103 de la structure 102 alvéolaire, limitant ainsi l’épaisseur du concentrateur 100 optique.
En vue de former les éléments 101 optiques, il peut être utilisé différentes techniques comme par exemple le moulage, la thermo-formation, le forgeage, l’emboutissage, l’usinage, par exemple pour former des lentilles dans les alvéoles 103 ou pour former les surfaces 105 dans les alvéoles 103, ces surfaces 105 étant destinées à recevoir les miroirs comme cela sera décrit plus en détails ci-après.
Dans le cas où le matériau 104 remplit partiellement les alvéoles 103, il en résulte un besoin de trouver une solution adaptée pour mettre en œuvre cela. Par exemple, pour répondre à ce besoin, le procédé de fabrication peut comporter les étapes suivantes :
- une étape consistant prévoir un moule 300, tel que par exemple illustré sur la ou 14,
- une étape de positionnement de la structure 102 alvéolaire dans le moule 300 comme le montre par exemple la ou la ,
- une étape d’introduction d’un produit de moulage à l’état liquide dans le moule 300,
- une étape de solidification du produit de moulage introduit dans le moule 300 pour former une pièce comportant la structure 102 alvéolaire, une partie moulée, et éventuellement l’élément 106 de rigidification,
- une étape de retrait consistant à retirer la pièce du moule 300.
La pièce retirée du moule 300 qui peut alors présenter la forme telle que par exemple représentée sur la mais sans les éléments 101 optiques ou correspondre à la structure 102 alvéolaire combinée aux éléments optiques 101 de la . Ainsi, la pièce obtenue à l’issue du moulage peut comporter du produit de moulage solidifié dans chacune des alvéoles 103. Bien entendu, le produit de moulage solidifié, formant la partie moulée, comporte le matériau 104 évoqué précédemment et, le cas échéant, la matière formant le cadre 108. Le moulage est tout particulièrement adapté dans le cadre de la fabrication du concentrateur 100 optique et permet de remplir partiellement et simultanément les alvéoles 103. Un avantage est ici que le produit de moulage solidifié peut former localement, dans les alvéoles 103, les éléments 101 optiques (cas des lentilles) et/ou des supports pour la formation d’éléments 101 optiques correspondants (cas des miroirs).
- une étape consistant prévoir un moule 300, tel que par exemple illustré sur la
- une étape de positionnement de la structure 102 alvéolaire dans le moule 300 comme le montre par exemple la
- une étape d’introduction d’un produit de moulage à l’état liquide dans le moule 300,
- une étape de solidification du produit de moulage introduit dans le moule 300 pour former une pièce comportant la structure 102 alvéolaire, une partie moulée, et éventuellement l’élément 106 de rigidification,
- une étape de retrait consistant à retirer la pièce du moule 300.
La pièce retirée du moule 300 qui peut alors présenter la forme telle que par exemple représentée sur la
Après avoir introduit le produit de moulage dans le moule 300, mais avant la solidification du produit de moulage dans le moule 300, le moule 300 peut être mis sous-vide pour extraire des bulles de gaz, par exemple d’air, présentes dans produit de moulage introduit dans le moule 300. Ces bulles peuvent s’être formées lors de l’introduction du produit de moulage dans le moule 300.
Le produit de moulage introduit dans le moule 300 peut être choisi parmi : un silicone à l’état liquide, un verre à l’état liquide, un matériau acrylique à l’état liquide, un caoutchouc naturel à l’état liquide, un acrylate à l’état liquide, un caoutchouc acrylique à l’état liquide et un caoutchouc butyle à l’état liquide.
Il est décrit ci-après le procédé de fabrication du concentrateur 100 optique comportant des miroirs. Il va de soi que l’homme du métier peut adapter ce procédé de fabrication du concentrateur 100 optique pour former des lentilles telles que décrites.
Afin de faciliter la formation ultérieure de miroirs dans le cas où le concentrateur 100 optique comporte de tels miroirs, le moule 300 peut comporter des surfaces 301 convexes (voir notamment les figures 9, 10, 13 et 14), ces surfaces 301 convexes étant destinés à être « calquées » par moulage afin de former les surfaces 105 alors concaves et destinées à recevoir les miroirs. Ainsi, l’étape de positionnement de la structure 102 alvéolaire dans le moule 300 peut être telle que les surfaces 301 convexes sont insérées chacune dans une des alvéoles 103 de la structure alvéolaire 102. La partie moulée comporte alors, au terme de l’étape de solidification, les surfaces 105 concaves, chaque surface 105 concave étant formée contre une des surfaces 301 convexes. Ensuite, l’étape de formation des éléments 101 optiques peut comporter une étape de formation d’un revêtement 113 réflectif sur chacune des surfaces 105 concaves d’où il résulte la formation des miroirs. Le présent paragraphe évoque des surfaces 301 convexes et des surfaces 105 concaves qui permettent par exemple de former des miroirs parabolique. Alternativement aux surfaces 301 convexes, les surfaces du moule 300 destinées à la formation des surfaces 105 pour recevoir les miroirs peuvent être non convexes par exemple en vue de former des miroirs asphériques sur les surfaces 105 qui sont alors planes. Ainsi, de manière générales les surfaces 105 évoquées dans la présente description peuvent, le cas échéant, ne pas être concaves.
Le procédé de fabrication du concentrateur 100 optique peut comporter, avant d’introduire le produit de moulage dans le moule 300, l’introduction de l’élément 106 de rigidification dans le moule 300 comme le montre par exemple la . L’élément 106 de rigidification est, par exemple, alors positionné en contact avec la structure 102 alvéolaire de sorte à délimiter, avec le moule 300 et la structure 102 alvéolaire, un volume à combler par le produit de moulage dans chacune des alvéoles 103, en particulier dans le but de former les portions du matériau 104 évoquées précédemment. Ceci présente l’avantage de participer à délimiter le volume du moule 300 à remplir en produit de moulage. L’élément 106 de rigidification peut être fixé, par exemple par collage à la structure 102 alvéolaire avant le positionnement de cette structure 102 alvéolaire dans le moule 300 (les produits utilisés pour un tel collage ont été évoqués précédemment) ou peut se fixer à la structure 102 alvéolaire du fait de la solidification du produit de moulage qui autorise alors la fixation de l’élément 106 de rigidification à la structure 102 alvéolaire.
Le moule 300 peut être conformé pour permettre la formation des surfaces 105 concaves à recouvrir chacune par le revêtement 113 réflectif correspondant de sorte que les miroirs ainsi formés présentent une forme parabolique lisse, notamment lisse au moins en majorité, avec un point focal, correspondant au foyer évoqué précédemment, adapté au positionnement ultérieur d’une des cellules 201 photovoltaïques. Dès lors, la forme du moule 300 peut être optimisée en utilisant un logiciel de tracé de rayons pour garantir que la plupart du flux du rayonnement capté par les miroirs pourront arriver sur les cellules 201 photovoltaïques.
Pour permettre aux miroirs d’être lisses, les surfaces 301 convexes du moule 300 sont préférentiellement les plus lisses possible et peuvent par exemple présenter une rugosité moyenne strictement supérieure à 1 nm et strictement inférieure à 150 nm. En effet, tout défaut présent sur les surfaces 301 convexes sera transmis/calqué sur les miroirs.
Le moule 300 peut être conformé de sorte que la partie moulée de la pièce comporte le cadre 108 entourant la structure 102 alvéolaire et en contact avec la structure 102 alvéolaire. Pour cela le moule 300 peut présenter, avant l’introduction du produit de moulage, un volume 302 vide ( ) autour de la structure 102 alvéolaire positionnée dans le moule 300. Ce volume vide est alors à combler en produit de moulage lors de son introduction dans le moule 300. Ceci permet de réaliser différents éléments du concentrateur 100 optique en un seul moulage, simplifiant ainsi son procédé de fabrication.
Le moule 300 peut être conformé pour former les cavités 112a, 112b, 112c, 112d dans une face du cadre 108, notamment du côté des surfaces 105 concaves. Pour cela, le moule 300 peut comporter des plots 303a, 303b, 303c, 303d (voir par exemple les figures 9, 10 et 14) destinés à former les cavités 112a, 112b, 112c, 112d dans le cadre 108. La formation de ces cavités 112a, 112b, 112c, 112d se fait lors du moulage, permettant ainsi de diminuer le temps de fabrication du concentrateur 100 optique, et donc son coût de fabrication en comparaison à un usinage réalisé ultérieurement après démoulage de la pièce. Bien entendu, l’homme du métier sait comment adapter le moule 300 si à la place des cavités 112a, 112b, 112c, 112d dans le cadre 108 il est souhaité former des plots s’étendant depuis le cadre 108.
Le bord 106a de l’élément 106 de rigidification évoqué précédemment peut servir, avec l’aide du moule 300, à former le cadre 108 réalisé par solidification du produit de moulage dans le moule 300.
Il est à présent décrit une première technique de moulage permettant de mouler le produit de moulage pour obtenir le matériau 104 du concentrateur 101 optique. Selon cette première technique :
- chaque surface 301 concave du moule 300 est insérée dans une des alvéoles 103 et est en contact avec une ouverture de ladite alvéole 103 ; ceci permet de délimiter, entre chaque surface 301 concave et l’élément 106 de rigidification aussi positionné dans le moule 300, un volume de l’alvéole 103 correspondante à combler lors de l’exécution de l’étape d’introduction du produit de moulage dans le moule 300 (figures 10 et 11),
- le moule 300 est en contact avec l’élément 106 de rigidification de sorte à délimiter un volume autour de la structure 102 alvéolaire en vue de former le cadre 108.
Le moule 300 peut être fermé, par exemple à l’aide d’un serrage, avant l’introduction du produit de moulage pour garantir une étanchéité adaptée du moule 300 pour éviter au produit de moulage introduit dans le moule 300 de fluer hors du moule 300 au cours de l’étape d’introduction du produit de moulage. Cette fermeture du moule 300 peut être assurée par l’élément 206 de rigidification ou par une plaque (non visible sur les figures) reportée sur le moule 300 afin d’éviter le fluage évoqué précédemment ; la plaque ou l’élément 206 de rigidification peut être sollicité vers le moule 300 par le serrage évoqué précédemment. Après l’étape d’introduction du produit de moulage, mais avant sa solidification, il est réalisé une étape de mise sous-vide du moule 300 pour enlever les bulles de gaz éventuellement présentes dans le produit de moulage et évoquées précédemment. Ensuite, l’étape de solidification peut correspondre à attendre un temps nécessaire à la réticulation du produit de moulage introduit dans le moule 300, en particulier lorsque ce produit de moulage est du silicone à l’état liquide. Ensuite, l’étape de retrait peut être réalisée par démoulage mécanique ou par démoulage assisté à l’air comprimé. Après l’étape de retrait, les miroirs peuvent être formés sur les surfaces 105 concaves.
- chaque surface 301 concave du moule 300 est insérée dans une des alvéoles 103 et est en contact avec une ouverture de ladite alvéole 103 ; ceci permet de délimiter, entre chaque surface 301 concave et l’élément 106 de rigidification aussi positionné dans le moule 300, un volume de l’alvéole 103 correspondante à combler lors de l’exécution de l’étape d’introduction du produit de moulage dans le moule 300 (figures 10 et 11),
- le moule 300 est en contact avec l’élément 106 de rigidification de sorte à délimiter un volume autour de la structure 102 alvéolaire en vue de former le cadre 108.
Le moule 300 peut être fermé, par exemple à l’aide d’un serrage, avant l’introduction du produit de moulage pour garantir une étanchéité adaptée du moule 300 pour éviter au produit de moulage introduit dans le moule 300 de fluer hors du moule 300 au cours de l’étape d’introduction du produit de moulage. Cette fermeture du moule 300 peut être assurée par l’élément 206 de rigidification ou par une plaque (non visible sur les figures) reportée sur le moule 300 afin d’éviter le fluage évoqué précédemment ; la plaque ou l’élément 206 de rigidification peut être sollicité vers le moule 300 par le serrage évoqué précédemment. Après l’étape d’introduction du produit de moulage, mais avant sa solidification, il est réalisé une étape de mise sous-vide du moule 300 pour enlever les bulles de gaz éventuellement présentes dans le produit de moulage et évoquées précédemment. Ensuite, l’étape de solidification peut correspondre à attendre un temps nécessaire à la réticulation du produit de moulage introduit dans le moule 300, en particulier lorsque ce produit de moulage est du silicone à l’état liquide. Ensuite, l’étape de retrait peut être réalisée par démoulage mécanique ou par démoulage assisté à l’air comprimé. Après l’étape de retrait, les miroirs peuvent être formés sur les surfaces 105 concaves.
Selon la première technique, le moule 300 peut comporter des premiers trous 304 d’injection et des deuxième trous 305a, 305b d’injection, comme le montre par exemple les figures 9, 10, 12 et 13 qui permettent notamment d’introduire le produit de moulage en le répartissant dans chacune des alvéoles 103 en utilisant les premiers trous 304 d’injection et autour de la structure 102 alvéolaire en utilisant les deuxièmes trous 305a, 305b d’injection. Ces premiers et deuxièmes trous 304, 305a, 305b d’injection ont aussi pour fonction, après introduction du produit de moulage dans le moule 300 de permettre aux bulles présentes dans le produit de moulage introduit de sortir du moule 300. Ces premiers et deuxièmes trous 304, 305a, 305b d’injection peuvent communiquer avec un réseau 306 de distribution formé dans une face du moule opposée aux surfaces 301 concave (figures 12 et 13). Les premiers trous 304 d’injection sont, de préférence, agencés au sommet de dômes formés par les surfaces 301 convexes du moule 300 de sorte que les surfaces 105 concaves comportent des portions qui ne seront pas localement lisses du fait de la rupture de cordons de moulages ; cependant ceci n’a pas d’importance car ces portions des surfaces 105 concaves seront chacune couvertes par le revêtement 113 réflectif correspondant au niveau de zones ombrées par les cellules 201 photovoltaïques au sein du module 200 photovoltaïque lors du fonctionnement du module 200 photovoltaïque.
Le débit de l’injection du produit de moulage dans le moule 300 peut, par exemple, être contrôlé selon les propriétés physico-chimiques du produit de moulage à l’état liquide comme sa viscosité et son temps de réticulation.
Il est à présent décrit une deuxième technique de moulage du produit de moulage. Tandis que la première technique utilise l’injection du produit de moulage notamment dans chacune des alvéoles 103, la deuxième technique consiste à utiliser le moule 300 en « inversé » où le produit de moulage à l’état liquide est introduit dans le moule 300 par coulée. Un tel moule 300 dans lequel la structure alvéolaire 102 a été positionnée est notamment illustré sur la . Selon cette deuxième technique, le moule 300 est positionné de sorte à présenter une empreinte 307 accessible par le haut et dans laquelle est placée la structure 102 alvéolaire de sorte que chaque surface 301 concave du moule 300 est insérée dans une des alvéoles 103 correspondante. Ensuite, le produit de moulage peut être introduit dans le moule 300 jusqu’à recouvrir la structure 102 alvéolaire. Après introduction du produit de moulage à l’état liquide, mais avant la solidification du produit de moulage, le moule 300 est mis sous vide pour extraire les bulles de gaz évoquées précédemment qui seraient présentes dans le produit de moulage. Si le produit de moulage introduit est du silicone, il est ensuite réticulé afin de se solidifier, puis la pièce peut être démoulée par exemple par démoulage mécanique ou par démoulage assisté à l’air comprimé afin d’obtenir la pièce comme illustrée sur la comportant le cadre 108, la structure alvéolaire 102 et les surface 105 concaves présentes dans les alvéoles 103 sur lesquelles les miroirs pourront ensuite être formés.
De manière générale dans le cas où le concentrateur 100 optique comporte des miroirs, après avoir démoulé la pièce comportant les surfaces 105 concaves, il est obtenu une structure dite « parabolique ». L’étape de formation des éléments 101 optiques peut alors comporter l’étape de formation d’un revêtement 113 réflectif sur chacune des surfaces 105 concaves, la fonction de ces revêtements 113 réflectifs étant de former les miroirs permettant in fine de focaliser le rayonnement reçu par le concentrateur 100 optique notamment vers les cellules 201 photovoltaïques.
Les revêtements 113 réflectifs peuvent être obtenus par dépôt chimique au cours duquel un fluide précurseur subit une réaction chimique sur une surface solide (ici les surfaces 105 concaves) laissant ainsi sur ladite surface solide une couche solide. En particulier, les revêtements 113 réflectifs peuvent être obtenus par dépôt chimique en phase vapeur (aussi connu sous le sigle CVD pour l’anglais « chemical vapor deposition ») ou par dépôt d’une couche atomique (aussi connu sous le sigle ALD pour l’anglais « Atomic Layer Deposition »).
Alternativement, les revêtements 113 réflectifs peuvent être obtenus par dépôt physique comme l’évaporation sous vide, la pulvérisation cathodique (« sputtering » en langue anglaise), le dépôt laser pulsé, ou le dépôt électro-hydrodynamique.
Le matériau du revêtement 113 réflectif formé sur les surfaces 105 concaves peut être de l’argent qui est à 90% réfléchissant pour le rayonnement considéré ou de l’aluminium. Le revêtement 113 réflectif peut présenter une épaisseur comprise entre 500 nm et 100 µm.
Après formation des revêtements 113 réflectifs sur les surfaces 105 concaves, l’étape de formation des miroirs peut comporter une étape de dépôt d’une couche protectrice sur chaque revêtement 113 réflectif formé. Cette couche de protection a pour fonction de prévenir par exemple la dégradation du miroir correspondant induit par un environnement oxygène atomique (ATOX) en orbite LEO (sigle de « Low Earth Orbit » en langue anglaise correspondant en français à orbite terrestre basse). Cette couche de protection peut être en SiO2et présenter une épaisseur comprise entre 50 nm et 1000 nm.
L’invention est aussi relative à un procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque qui comporte une étape consistant à mettre en œuvre le procédé de fabrication du concentrateur 100 optique, et une étape de positionnement de cellules 201 photovoltaïques de sorte que chaque cellule photovoltaïque 201 est positionnée au foyer d’au moins un des éléments 101 optiques du concentrateur 100 optique. Un tel procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque présente l’avantage d’obtenir un module 200 photovoltaïque robuste et de faible épaisseur, préférablement tout en ne nécessitant pas d’ajouter, après fabrication du concentrateur 100 optique, une structure alvéolaire à assembler avec le concentrateur 100 optique. Dans le cas où le concentrateur 100 optique est réalisé en mettant en œuvre le moulage décrit, cela présente l’avantage technique de limiter les étapes pour la fabrication du module 200 photovoltaïque et cela peut permettre, le cas échant, d’en réduire le coût associé.
Le module 200 photovoltaïque peut comporter l’élément de protection 204 formant de préférence la face 202 avant du module 200 photovoltaïque. L’élément 204 de protection peut être une plaque. L’élément 204 de protection a pour fonction de protéger le module 200 photovoltaïque, par exemple de l’oxydation ou de la salissure de ses éléments 101 optiques, tout en laissant passer le rayonnement solaire. En ce sens, l’élément 204 de protection est transparent au rayonnement à capter par le module 200 photovoltaïque. L’élément 204 présente aussi l’avantage que son agencement peut permettre que les éléments 101 optiques ne sont pas directement soumis au rayonnement d’où il peut résulter une protection contre l’oxygène atomique et/ou les particules énergétiques comme les électrons, les protons et les ultraviolets. Par ailleurs, tout ou partie des cellules 201 photovoltaïques peuvent être solidaires, par exemple par collage, de l’élément 204 de protection et être agencées du côté d’une face de l’élément 204 de protection orientée vers la structure 102 alvéolaire comme le montre par exemple les figures 3 et 6 (pour l’élément 101 optique de type (a) en ).
L’élément 204 de protection (visible par exemple sur les figures 3, 16 et 17) peut présenter une épaisseur qui dépend des dimensions du module 200 photovoltaïque, ainsi que des contraintes thermiques et mécaniques auxquelles il est susceptible d’être soumis. Typiquement, cette épaisseur de l’élément 204 de protection, mesurée parallèlement à l’axe Z lorsque l’élément 204 de protection est fixé par rapport au concentrateur 100 optique, peut être comprise entre 150 µm et 900 µm.
L’élément 204 de protection, notamment d’épaisseur telle que donnée précédemment, peut être réalisé en verre, en verre borosilicate, en BK7-G18, en polytéréphtalate d’éthylène (aussi connu sous le sigle PET correspondant à « polyethylene terephthalate » en langue anglaise), en éthylène propylène fluoré (aussi connu sous le sigle FEP correspondant à « fluorinated ethylene propylene » en langue anglaise) ou en polyméthacrylate de méthyle (aussi connu sous le sigle PMMA correspondant à « poly(methyl methacrylate) » en langue anglaise).
Avantageusement, du fait de l’intégration de la structure 102 alvéolaire dans le concentrateur 100 optique, l’élément 106 de rigidification peut former la face 203 arrière du module 200 photovoltaïque
Des pistes 206 d’interconnexion, ou plus généralement des lignes conductrices électriquement, peuvent être formées sur l’élément 204 de protection, comme le montre par exemple la , en vue de connecter électriquement les cellules 201 photovoltaïques. Par exemple, ces pistes 206 d’interconnexion peuvent être formées par impression 3D d’un alliage métallique adapté. Les pistes 206 d’interconnexion peuvent être connectées électriquement à des bornes 207a, 207b de connexion permettant de collecter l’énergie générée par les cellules 201 photovoltaïques ; ces bornes 207a, 207b de connexion étant par exemple agencées sur une face de l’élément 204 de protection formant la face 202 avant du module 200 photovoltaïque et donc opposée à la face de l’élément 204 de protection orientée vers le concentrateur 100 optique.
Le procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque peut comporter une étape de formation d’une partie 208 du module 200 photovoltaïque à assembler au concentrateur 101 optique. Cette étape de formation de la partie 208 du module 200 photovoltaïque peut comporter les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir l’élément 204 de protection ( ),
- une étape de fixation des cellules 201 photovoltaïques par rapport l’élément 204 de protection ( ),
- une étape de interconnexion des cellules 201 photovoltaïques entre elles ( ).
Ensuite, le procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque peut comporter une étape d’assemblage de la partie 208 du module 200 photovoltaïque au concentrateur 100 optique. Un tel assemblage du module 200 photovoltaïque réalisé par l’assemblage de deux sous-parties fabriquées présente l’avantage de faciliter l’assemblage du module 200 photovoltaïque car cela limite notamment le nombre de pièces à aligner lors de l’assemblage.
- une étape consistant à prévoir l’élément 204 de protection (
- une étape de fixation des cellules 201 photovoltaïques par rapport l’élément 204 de protection (
- une étape de interconnexion des cellules 201 photovoltaïques entre elles (
Ensuite, le procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque peut comporter une étape d’assemblage de la partie 208 du module 200 photovoltaïque au concentrateur 100 optique. Un tel assemblage du module 200 photovoltaïque réalisé par l’assemblage de deux sous-parties fabriquées présente l’avantage de faciliter l’assemblage du module 200 photovoltaïque car cela limite notamment le nombre de pièces à aligner lors de l’assemblage.
Dans l’exemple illustré sur la , il est réalisé sur l’élément 204 de protection les pistes 206 d’interconnexion. Ensuite, toujours dans le but d’interconnecter les cellules 201 photovoltaïques, les cellules 201 photovoltaïques (par exemple au nombre de trente cellules 201 photovoltaïques et agencées selon dix lignes parallèles de trois cellules 201 photovoltaïques) sont positionnées pour les connecter aux pistes 206 d’interconnexion. Le positionnement des cellules 201 photovoltaïques et leur connexion aux pistes 206 d’interconnexion concernées sont bien connus de l’homme du métier et ne seront décrits plus en détails.
L’étape d’assemblage peut par exemple consister à reporter la partie 208 du module 200 photovoltaïque sur le concentrateur 100 optique avec interposition d’une colle adaptée par exemple étalée sur la portée 109 d’appui, cette colle étant par exemple du silicone.
Le cas échéant, l’étape d’assemblage peut comporter l’insertion des plots 205a, 205b, 205c, 205d solidaires de l’élément 204 de protection dans les cavités 112a, 112b, 112c, 112d d’où il résulte un positionnement adéquat des cellules 201 photovoltaïques aux foyers des éléments 101 optiques. Ceci présente l’avantage de faciliter l’alignement entre la partie 208 et le concentrateur 101 optique lors l’assemblage.
Les plots 205a, 205b, 205c, 205d peuvent avoir été formés par impression 3D. Alternativement, les plots 205a, 205b, 205c, 205d peuvent être préfabriqués et collés sur l’élément 204 de protection après un positionnement adapté (avec par exemple une tolérance de 10 µm).
Alternativement aux plots 205a, 205b, 205c, 205d et aux cavités 112a, 112b, 112c, 112d, il est possible d’assurer l’assemblage du concentrateur 100 optique avec la partie 208 du module 200 photovoltaïque en utilisant un système à trois axes (x,y,z) permettant un déplacement relatif entre le concentrateur 100 optique et la partie 208 du module 200 photovoltaïque. Le procédé de fabrication du module 200 photovoltaïque peut alors comporter une étape d’alignement du concentrateur 100 optique et de la partie 208 du module 200 photovoltaïque pendant que le concentrateur 100 optique est éclairé afin de trouver le positionnement adéquat de la partie 208 du module 200 photovoltaïque pour placer les cellules 201 photovoltaïques chacune au foyer correspondant d’au moins un des éléments 101 optiques. Ceci présente l’avantage de trouver le point maximum de conversion photovoltaïque.
La face active de chaque cellule 201 photovoltaïque, destinée à capter le rayonnement provenant d’au moins un des éléments 101 optiques, peut présenter une surface comprise entre 300 µm2et 600 µm2.
La face active de chaque cellule 201 photovoltaïque peut présenter des dimensions telles qu’elle est incluse dans un cercle de diamètre strictement inférieur à 900 µm ce qui permet par exemple d’optimiser le concentrateur 100 optique en limitant notamment sa masse.
Les cellules 201 photovoltaïques peuvent présenter différentes formes qui seront adaptées en fonction des éléments 101 optiques, par exemple ces formes peuvent être ronde ou carrée.
Chaque cellule 201 photovoltaïque peut être en matériau III-V, en silicium, en matériau III-V/Si ou à pérovskites. Le type de cellule 201 photovoltaïque peut être choisi en fonction de l’application dans l’espace.
Ainsi, le module 200 photovoltaïque décrit peut être obtenu de sorte à optimiser sa masse, en cherchant par exemple à la réduire, pour atteindre des niveaux de puissance élevés par unité de masse par exemple pour dépasser les 350 W/Kg à l’incident AM0. La technologie décrite dans la présente description permet en outre de remplacer, à un coût nettement inférieur la technologie CIC des modules.
Le module 200 photovoltaïque décrit selon la présente invention peut présenter différents avantages tels que :
- rendre possible l’utilisation une grande variété de technologies de cellules 201 photovoltaïques sans modifier le design optique du concentrateur 100 optique car sa conception à éléments 101 optiques permet de focaliser le flux solaire sur un spot achromatique,
- les cellules 201 photovoltaïques peuvent être interconnectées différemment, permettant d’atteindre des caractéristiques/puissances électriques variables (voltage et ampérage) tout en assurant une dissipation thermique passive,
- les micrométéorites et les débris représentant un des principaux facteurs de défaillance d’un module photovoltaïque dans l’espace, le module 200 photovoltaïque présente l’avantage d’être robuste, car il utilise un grand nombre de cellules 201 photovoltaïques et ce sur une surface plus petite que les modules photovoltaïque utilisant la technologie CIC,
- le concentrateur 100 optique et les cellules 201 photovoltaïques sont intégrés au sein d’un même assemblage, ne nécessitant pas de déploiement entre les cellules 201 photovoltaïques et le concentrateur 100 optique ce qui peut être avantageux par exemple dans le cadre d’une application spatiale.
- rendre possible l’utilisation une grande variété de technologies de cellules 201 photovoltaïques sans modifier le design optique du concentrateur 100 optique car sa conception à éléments 101 optiques permet de focaliser le flux solaire sur un spot achromatique,
- les cellules 201 photovoltaïques peuvent être interconnectées différemment, permettant d’atteindre des caractéristiques/puissances électriques variables (voltage et ampérage) tout en assurant une dissipation thermique passive,
- les micrométéorites et les débris représentant un des principaux facteurs de défaillance d’un module photovoltaïque dans l’espace, le module 200 photovoltaïque présente l’avantage d’être robuste, car il utilise un grand nombre de cellules 201 photovoltaïques et ce sur une surface plus petite que les modules photovoltaïque utilisant la technologie CIC,
- le concentrateur 100 optique et les cellules 201 photovoltaïques sont intégrés au sein d’un même assemblage, ne nécessitant pas de déploiement entre les cellules 201 photovoltaïques et le concentrateur 100 optique ce qui peut être avantageux par exemple dans le cadre d’une application spatiale.
Plusieurs modules 200 photovoltaïques tels que décrits peuvent être reliés électriquement entre eux.
Ce qui s’applique au concentrateur 100 optique peut s’appliquer au module 200 photovoltaïque ainsi qu’aux procédés décrits de fabrication du concentrateur 100 optique et de fabrication du module 200 photovoltaïque, et inversement.
Le module 200 photovoltaïque décrit présente une application industrielle dans le domaine du photovoltaïque à concentration. Un tel module 200 photovoltaïque sera tout particulièrement adapté pour alimenter un ou plusieurs systèmes nécessitant de l’énergie électrique que peut fournir le module 200 photovoltaïque. Les systèmes peuvent comporter un ou plusieurs systèmes électriques autonomes tels que des capteurs (par exemple optiques, électromagnétiques, radio), mais aussi des appareils de communication comme des émetteur(s) et/ou transmetteur(s).
Claims (17)
- Concentrateur (100) optique comportant des éléments (101) optiques, caractérisé en ce qu’il comporte une structure (102) alvéolaire et en ce que chaque élément (101) optique est agencé dans une des alvéoles (103) de la structure (102) alvéolaire.
- Concentrateur (100) optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte un matériau (104) rigidifiant la structure (102) alvéolaire et à partir duquel les éléments (101) optiques sont formés.
- Concentrateur (100) optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau (104) est choisi parmi un silicone, un verre, un matériau acrylique, un caoutchouc naturel, un acrylate, un caoutchouc acrylique et un caoutchouc butyle.
- Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que le matériau (104) est surmoulé sur la structure (102) alvéolaire.
- Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comporte un cadre (108) entourant la structure (102) alvéolaire et en contact avec la structure (102) alvéolaire.
- Concentrateur (100) optique selon la revendication 5 et l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le cadre (108) est formé d’une matière identique au matériau (104).
- Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte des miroirs formés chacun par un des éléments (101) optiques.
- Concentrateur (100) optique selon la revendication 7 et l’une quelconque des revendications 2, 3, 4 et 6, caractérisé en ce que le matériau (104) comporte des portions (104a, 104b, 104c, 104d, 104e) remplissant chacune partiellement une des alvéoles (103), chaque miroir étant agencé sur une surface (105) d’une des portions (104a, 104b, 104c, 104d, 104e) du matériau (104).
- Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comporte un élément (106) de rigidification fixé à la structure (102) alvéolaire.
- Concentrateur (100) optique selon la revendication 9 et la revendication 8, caractérisé en ce que pour chacune des alvéoles (103) dans laquelle un des miroirs est agencé, la portion (104a, 104b, 104c, 104d, 104e) du matériau (104) remplissant partiellement ladite alvéole (103) occupe un volume délimité par l’élément (106) de rigidification, ledit miroir agencé dans ladite alvéole (103) et au moins une paroi (107) de ladite alvéole (103).
- Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comporte des lentilles, chaque lentille étant formée par un des éléments (101) optiques.
- Concentrateur (101) optique selon la revendication 11 et la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau (104) comporte des parties (104f, 104g, 104h, 104i, 104j) formant chacune une des lentilles.
- Concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la structure (102) alvéolaire est un nid d’abeilles.
- Module (200) photovoltaïque comportant des cellules (201) photovoltaïques, caractérisé en ce qu’il comporte un concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, et en ce que chaque cellule (201) photovoltaïque est agencée au foyer d’au moins un des éléments (101) optiques du concentrateur (100) optique.
- Procédé de fabrication d’un concentrateur (100) optique, le procédé de fabrication comportant les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir une structure (102) alvéolaire,
- une étape de formation d’éléments (101) optiques de sorte que chaque élément (101) optique est agencé dans une des alvéoles (103) de la structure (102) alvéolaire. - Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
- une étape consistant à prévoir un moule (300),
- une étape de positionnement de la structure (102) alvéolaire dans le moule (300),
- une étape d’introduction d’un produit de moulage à l’état liquide dans le moule (300),
- une étape de solidification du produit de moulage introduit dans le moule (300) pour former une pièce comportant la structure (102) alvéolaire et une partie moulée,
- une étape de retrait consistant à retirer la pièce du moule (300). - Procédé de fabrication d’un module (200) photovoltaïque, caractérisé en ce qu’il comporte :
- une étape consistant à mettre en œuvre le procédé de fabrication du concentrateur (100) optique selon l’une quelconque des revendications 15 à 16, et
- une étape de positionnement de cellules (201) photovoltaïques de sorte que chaque cellule (201) photovoltaïque est positionnée au foyer d’au moins un des éléments (101) optiques du concentrateur (100) optique.
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Non-Patent Citations (1)
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| CHRISTIAN J. RUUD ET AL.: "Lightweight Monolithic Microcell CPV for Space", 2018 IEEE 7TH WORLD CONFÉRENCE ON PHOTOVOLTAIC ENERGY CONVERSION (WCPEC) (A JOINT CONFÉRENCE OF 45TH IEEE PVSC, 28TH PVSEC 34TH EU PVSEC, 2018 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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