FR3130687A1 - Dispositif fonctionnel en structure multicouche dont l’une des couches comprend un matériau composite comportant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre et procédé de fabrication d’un tel dispositif fonctionnel - Google Patents

Dispositif fonctionnel en structure multicouche dont l’une des couches comprend un matériau composite comportant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre et procédé de fabrication d’un tel dispositif fonctionnel Download PDF

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Marion VITE
Dick Heslinga
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Colas SA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Colas SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Abstract

L’invention concerne un dispositif fonctionnel (100) comportant un empilement multicouche comprenant successivement : - un premier film de protection (101) transparent disposé en face avant dudit dispositif,- un ensemble encapsulant (107), - un deuxième film de protection (105) disposé en face arrière du dispositif, et - au moins un élément électriquement ou optiquement actif (110) étant enrobé dans l’ensemble encapsulant. Selon l’invention, le premier film de protection comprend un matériau composite comportant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre, et l’épaisseur du matériau composite du premier film de protection est supérieure ou égale à 500 micromètres. Ce matériau composite présente de hautes performances optiques et des propriétés de haute robustesse mécanique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif fonctionnel en structure multicouche dont l’une des couches comprend un matériau composite comportant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre et procédé de fabrication d’un tel dispositif fonctionnel
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne le domaine technique des dispositifs fonctionnels à structure multicouches, comprenant des éléments électriquement ou optiquement actifs, tels que des cellules photovoltaïques, des diodes électroluminescentes ou des films résistifs.
L’invention concerne de manière avantageuse tout type de module photovoltaïque.
L’invention est par exemple intégrable dans des chaussées circulables par des piétons et/ou des véhicules, motorisés ou non, telles que des chaussées ou routes, des pistes cyclables, des plateformes industrielles ou aéroportuaires, des places, des trottoirs ou des parkings. L’invention trouve une application privilégiée dans le domaine des chaussées fonctionnalisées, notamment des routes solaires.
L’invention trouve également une application privilégiée dans les véhicules de transport (par exemple voiture, camion, train ou bateau) ou l’enveloppe d’un bâtiment, sur lesquels le dispositif fonctionnel peut être fixé.
Etat de la technique
Les chaussées fonctionnalisées sont des chaussées comprenant des éléments électriquement ou optiquement actifs tels que des cellules photovoltaïques, des diodes électroluminescentes (LEDs), des éléments électriques, électroniques, optiques, opto-électriques, piézo-électriques et/ou thermoélectriques. Ces éléments peuvent permettre de générer, de recevoir et/ou de communiquer des données, ou encore de générer et transférer de l’énergie.
En particulier, le principe des routes solaires consiste à utiliser les routes ou chaussées comme moyens de production d’énergie électrique, à partir de l’irradiation solaire pendant la journée.
Pour cela, des modules solaires sont insérés dans des chaussées dites circulables (routes, trottoirs, etc.), et recouverts par une surface texturée transparente, résistante au passage des véhicules, et répondant aux exigences d’adhérence applicables aux routes et autres voies circulées.
Classiquement, les modules photovoltaïques comprennent :
-une plaque transparente en face avant du module, généralement en verre ; la face avant étant celle exposée au rayonnement solaire incident lors de l'implantation des modules sur le terrain,
-un ensemble de cellules photovoltaïques interconnectées, enrobées dans une couche d’encapsulation,
-une plaque en face arrière du module photovoltaïque, généralement en verre ou en un « backsheet » formé de polymères multi-couches.
Cependant, ces modules photovoltaïques présentent un poids élevé, des risques importants de casse du verre et/ou des cellules à l’intérieur sous impact mécanique et une sensibilité accrue à certains phénomènes météorologiques comme par exemple les tempêtes de grêle.
De plus, ces modules ne sont pas utilisables pour des applications nécessitant un poids réduit, comme par exemple une installation sur une toiture à faible capacité de portage ou sur des véhicules.
Il est alors connu, par exemple du document EP3006181, de remplacer le verre de la plaque en face avant par un matériau composite formé d’une résine époxy et de fibres de verre. Cependant, ce type de résine subit des dégradations lors de l’utilisation du module photovoltaïque en extérieur (en fonction par exemple des paramètres d’humidité et d’exposition au rayonnement ultraviolet).
Ce matériau composite ne peut donc pas être utilisé tel quel en face avant d’un module photovoltaïque ou de tout autre type de dispositif fonctionnel. Une couche supplémentaire doit être ajoutée afin de protéger le module des conditions extérieures et d’éviter d’éventuelles dégradations.
Présentation de l'invention
Dans ce contexte, la présente invention propose d’améliorer la structure des dispositifs fonctionnels, afin de les rendre plus résistants aux conditions extérieures mais également plus légers pour qu’ils puissent être installés sur différents supports dont certains qui ne supportent pas de charges lourdes, tout en conservant de bonnes performances optiques, électriques et mécaniques.
L’invention concerne ainsi un dispositif fonctionnel comportant un empilement multicouche. Cet empilement multicouche comprend successivement :
- un premier film de protection transparent disposé en face avant dudit dispositif,
- un ensemble encapsulant,
- un deuxième film de protection disposé en face arrière du dispositif, et
- au moins un élément électriquement ou optiquement actif étant enrobé dans l’ensemble encapsulant.
Selon l’invention, le premier film de protection comprend un matériau composite comportant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre. De plus, l’épaisseur du matériau composite du premier film de protection est supérieure ou égale à 500 micromètres.
L’utilisation du matériau composite selon l’invention permet d’obtenir un dispositif fonctionnel plus résistant aux impacts mécaniques (par exemple avec une meilleure résistance aux chocs, à la flexion et au poinçonnement) par rapport aux matériaux utilisés classiquement. De plus, cela permet d’obtenir un dispositif fonctionnel plus léger, qui pourra alors être installé sur des véhicules ou des toitures de bâtiments par exemple.
Enfin, le matériau composite confère une grande transparence au premier film de protection du dispositif fonctionnel, ce qui permet de garantir de bonnes performances optiques et électriques. Par exemple, en ce qui concerne les performances optiques, la transmission optique est supérieure à 80% pour une plage de longueur d’onde s’étendant entre 400 et 1200 nm. Par ailleurs, pour une longueur d’onde comprise entre 450 et 1200 nm, des pertes en transmission optique sont inférieures à 2% sont observées après exposition du matériau composite à une dose de rayonnement ultraviolet (entre 280 et 400 nm) à 60 kWh/m² ou après une exposition de 1000h à une chaleur humide à 85% d’humidité relative et une température de 85 degrés Celsius.
Le matériau composite conforme à l’invention permet également de garantir de bonnes propriétés de rigidité mécaniques : en effet, aucune casse de cellule photovoltaïque n’apparait suite à un test de poinçonnement ou suite à un test de choc allant jusqu’à 10 Joules (J).
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du dispositif fonctionnel conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- les fibres de verre du matériau composite comprennent un verre de type E ou un verre de type S2 ou un verre de quartz ou d’un mélange de ceux-ci ;
- le diamètre des fibres de verre du matériau composite est inférieur ou égal à 25 micromètres ;
- le diamètre des fibres de verre du matériau composite est inférieur ou égal à 10 micromètres ;
- les fibres de verre du matériau composite se présentent sous la forme d’au moins un tissu (également appelé pli) ;
- le grammage du tissu est compris entre 200 et 600 g/m² ;
- le tissu est de type armure de satin ;
- le tissu est de type armure de satin de 8 ;
- le tissu est de type sergé ;
- le tissu est de type taffetas ;
- les fibres de verre du matériau composite se présentent sous la forme d’un arrangement formé par superposition d’un à trois plis dudit tissu ;
- la résine en polyuréthane thermodurcissable du matériau composite présente une viscosité comprise entre 100 et 5000 mPa.s ;
- la résine en polyuréthane thermodurcissable du matériau composite présente une température de transition visqueuse supérieure à 80 degrés Celsius ;
- le matériau composite comprend une teneur massique de résine en polyuréthane thermodurcissable comprise entre 25 et 50% ;
- la résine en polyuréthane thermodurcissable présente une transmission optique supérieure à 85% sur une plage de longueur d’onde comprise entre 400 et 1200 nanomètres ;
- le matériau composite comprend une teneur volumique en fibres de verre comprise entre 40 et 60%, de préférence de l’ordre de 50% ;
- l’épaisseur du matériau composite du premier film de protection est inférieure ou égale à 900 micromètres ;
- le deuxième film de protection comprend un autre matériau composite comportant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre ;
- l’épaisseur dudit autre matériau composite du deuxième film de protection est comprise entre 500 micromètres et 3 millimètres, de préférence comprise entre 500 micromètres et 1,5 millimètres ;
- les fibres de verre de l’autre matériau composite comprennent un verre de type E ou un verre de type S2 ou un verre de quartz ou un mélange de ceux-ci ;
- le diamètre des fibres de verre de l’autre matériau composite est inférieur ou égal à 50 micromètres ;
- le diamètre des fibres de verre de l’autre matériau composite est inférieur ou égal à 30 micromètres ;
- les fibres de verre de l’autre matériau composite sont des fibres de type roving ;
- les fibres de verre de l’autre matériau composite se présentent sous la forme d’au moins un tissu ;
- le grammage du tissu est compris entre 200 et 1000 g/m² ;
- le tissu est de type armure de satin ;
- le tissu est de type armure de satin de 8 ;
- le tissu est de type sergé ;
- le tissu est de type taffetas ;
- les fibres de verre de l’autre matériau composite se présentent sous la forme d’un arrangement formé par superposition d’un à douze plis dudit tissu ;
- les fibres de verre de l’autre matériau composite sont assemblées sous la forme d’un mat de fibres de verre continues ou d’un mat de fibres de verre discontinues ;
- les fibres de verre de l’autre matériau composite sont assemblées sous la forme d’un arrangement multiaxial ;
- le grammage des fibres de verre de l’autre matériau composite assemblées est inférieur ou égal à 1,5 kg/m² ;
- la résine en polyuréthane thermodurcissable de l’autre matériau composite présente une viscosité comprise entre 100 et 5000 mPa.s ;
- la résine en polyuréthane thermodurcissable de l’autre matériau composite présente une température de transition visqueuse supérieure à 80 degrés Celsius ;
- l’autre matériau composite comprend une teneur massique de résine en polyuréthane thermodurcissable comprise entre 25 et 50% ; et
- l’autre matériau composite comprend une teneur volumique en fibres de verre comprise entre 40 et 60%, de préférence de l’ordre de 50%.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif fonctionnel tel que défini précédemment. Le procédé comprend :
- une étape de formation du matériau composite comprenant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre, et
- une étape de formation de l’empilement multicouche permettant d’enrober l’élément électriquement ou optiquement actif dans l’ensemble encapsulant entre le premier film de protection et le deuxième film de protection.
L’invention concerne également une chaussée circulable ou piétonne fonctionnalisée, sur laquelle est fixé un dispositif fonctionnel tel que défini précédemment.
L’invention concerne encore un véhicule de transport comprenant un dispositif fonctionnel tel que décrit précédemment.
L’invention concerne enfin une enveloppe de bâtiment comprenant un dispositif fonctionnel tel que décrit précédemment.
Les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims (26)

  1. Dispositif fonctionnel (100) comportant un empilement multicouche comprenant successivement :
    - un premier film de protection (101) transparent disposé en face avant dudit dispositif (100),
    - un ensemble encapsulant (107),
    - un deuxième film de protection (105) disposé en face arrière du dispositif, et
    - au moins un élément électriquement ou optiquement actif (110) enrobé dans l’ensemble encapsulant (107),
    caractérisé en ce que le premier film de protection (101) comprend un matériau composite comportant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre, et
    en ce que l’épaisseur du matériau composite du premier film de protection (101) est supérieure ou égale à 500 micromètres.
  2. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 1, dans lequel les fibres de verre du matériau composite comprennent un verre de type E ou un verre de type S2 ou un verre de quartz ou un mélange de ceux-ci.
  3. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le diamètre des fibres de verre du matériau composite est inférieur à 25 micromètres, de préférence inférieur à 10 µm.
  4. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les fibres de verre du matériau composite se présentent sous la forme d’au moins un tissu.
  5. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 4, dans lequel le grammage du tissu est compris entre 200 et 600 g/m².
  6. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le tissu est de type armure de satin.
  7. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une des revendications 4 à 6, dans lequel le tissu est de type armure de satin de 8.
  8. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel les fibres de verre du matériau composite se présentent sous la forme d’un arrangement formé par superposition d’un à trois plis dudit tissu.
  9. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la résine en polyuréthane thermodurcissable du matériau composite présente une viscosité comprise entre 100 et 5000 mPa.s.
  10. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la résine en polyuréthane thermodurcissable du matériau composite présente une température de transition visqueuse supérieure à 80 degrés Celsius.
  11. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le matériau composite comprend une teneur massique de résine en polyuréthane thermodurcissable comprise entre 25 et 50%.
  12. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la résine en polyuréthane thermodurcissable présente une transmission optique supérieure à 85% sur une plage de longueur d’onde comprise entre 400 et 1200 nanomètres.
  13. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le deuxième film de protection (105) comprend un autre matériau composite comportant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre.
  14. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 13, dans lequel l’épaisseur dudit autre matériau composite du deuxième film de protection (105) est comprise entre 500 micromètres et 3 millimètres.
  15. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 13 ou 14, dans lequel les fibres de verre de l’autre matériau composite comprennent un verre de type E ou un verre de type S2 ou un verre de quartz ou un mélange de ceux-ci.
  16. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel le diamètre des fibres de verre de l’autre matériau composite est inférieur ou égal à 50 micromètres, de préférence inférieur ou égal à 30 µm.
  17. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 14 à 17, dans lequel les fibres de verre de l’autre matériau composite sont des fibres de type roving.
  18. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 14 à 18, dans lequel les fibres de verre de l’autre matériau composite se présentent sous la forme d’au moins un tissu.
  19. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 18, dans lequel le grammage du tissu est compris entre 200 et 1000 g/m².
  20. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 18 ou 19, dans lequel le tissu est de type armure de satin ou de type armure de satin de 8 ou de type sergé ou de type taffetas.
  21. Dispositif fonctionnel (100) selon la revendication 18 ou 19, dans lequel les fibres de verre de l’autre matériau composite sont assemblées sous la forme d’un mat de fibres de verre continues, d’un mat de fibres de verre discontinues ou d’un arrangement de type multiaxial.
  22. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 13 à 21, dans lequel la résine en polyuréthane thermodurcissable de l’autre matériau composite présente une viscosité comprise entre 100 et 5000 mPa.s.
  23. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 13 à 22, dans lequel la résine en polyuréthane thermodurcissable de l’autre matériau composite présente une température de transition visqueuse supérieure à 80 degrés Celsius.
  24. Dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 13 à 23, dans lequel l’autre matériau composite comprend une teneur massique de résine en polyuréthane thermodurcissable comprise entre 25 et 50%.
  25. Chaussée circulable ou piétonne fonctionnalisée, comprenant une chaussée circulable ou piétonne sur laquelle est fixé un dispositif fonctionnel (100) tel que défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 25.
  26. Procédé de fabrication d’un dispositif fonctionnel (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 25, ledit procédé comprenant :
    - une étape de formation du matériau composite comprenant une résine en polyuréthane thermodurcissable et des fibres de verre, et
    - une étape de formation de l’empilement multicouche permettant d’enrober l’élément électriquement ou optiquement actif (110) dans l’ensemble encapsulant (107) entre le premier film de protection (101) et le deuxième film de protection (105).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20140209171A1 (en) * 2011-08-26 2014-07-31 Bayer Intellectual Property Gmbh Solar module and process for production thereof
EP3006181A2 (fr) 2014-09-08 2016-04-13 Fundacíon Tecnalia Research & Innovation Procédé d'encapsulation des cellules photovoltaïques et modules photovoltaïques encapsulés
FR3093116A1 (fr) 2019-02-26 2020-08-28 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif fonctionnel integrable dans une chaussee circulable

Patent Citations (3)

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