WO2013010922A1 - Amelioration de la longevite et de l'ergonomie des modules solaires hybrides - Google Patents

Amelioration de la longevite et de l'ergonomie des modules solaires hybrides Download PDF

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WO2013010922A1
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photovoltaic module
module
heat exchanger
face
photovoltaic
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PCT/EP2012/063734
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Jérôme MOUTERDE
Laetitia Brottier
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Solaire 2G
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids

Definitions

  • the present invention relates to the field of hybrid solar systems.
  • the invention relates more particularly to a method for improving the service life and efficiency of the system.
  • the invention also relates to the method for assembling photovoltaic modules to heat exchangers, a cooling liquid circulating in said heat exchangers.
  • a hybrid solar system consists of a photovoltaic solar module associated with a thermal part, also called exchanger or absorber, responsible for cooling the photovoltaic solar module.
  • a photovoltaic solar module associated with a thermal part, also called exchanger or absorber, responsible for cooling the photovoltaic solar module.
  • a thermal part also called exchanger or absorber
  • such a module composed of a plurality of photovoltaic elements electrically connected, provides electricity by converting solar energy within said photovoltaic cells.
  • the conversion rate hardly exceeds 20%, the rest of the solar energy received by the system being dissipated.
  • the efficiency of photovoltaic cells decreases with temperature, of the order of 0.4% extra degree of efficiency for the semiconductor crystalline silicon technology. It is therefore crucial to control the temperature of photovoltaic panels to ensure a constant or even improved performance.
  • To evacuate the heat it is common to attach to the photovoltaic module a heat exchanger including a cooling system with air circulation or liquid, allowing more to use this heat
  • a photovoltaic solar module consists of a plurality of photovoltaic elements encapsulated in a binder, generally thermopiastic polymers.
  • the binder is activated during an assembly process of the cells by heating and pressure called lamination.
  • a rigid base of transparent material, usually glass, is integrated in the panel during the lamination process on the face facing the sun, and plays the role of rigid support of the photovoltaic module.
  • This layer of transparent material is commonly called facial sheet, translated into English by "frontsheet”.
  • a layer of electrically insulating and waterproof material generally a polyvinyl fluoride film, said layer being commonly called backsheet translated into English by "backsheet”.
  • the photovoltaic module is assembled to a heat exchanger, by sticking it on the opposite side of the photovoltaic module with a special resin.
  • This heat exchanger plays a role in cooling the photovoltaic module by air or by water, and uses the calories recovered for other applications, for example the heating of the water of a building.
  • a hybrid solar module provides electrical energy and thermal energy
  • Patent WO20071441 13 discloses an exchanger ensuring the rigidity of the system, since it is an integral part of the frame surrounding the system. Such an exchanger however remains particularly heavy, and is not suitable for all types of roofs.
  • the present invention therefore aims to overcome one or more of the disadvantages of the prior art, by proposing a hybrid solar module installation eliminating the differential expansion problems, and reducing the weight.
  • the invention relates to a hybrid solar module, comprising at least one photovoltaic module consisting of at least one semiconductor element converting part of the solar energy into electrical energy, one of the two faces of said module being exposed to radiation, at least one heat exchanger placed opposite the face of the photovoltaic module opposite to that exposed to radiation, in which circulates a cooling fluid for recovering the thermal energy accumulated or dissipated, characterized in that it comprises: i. A layer of transparent material capable of being subjected to mechanical deformations compatible with the deformations suffered by the materials constituting the heat exchanger and deposited on the face of the photovoltaic module receiving the radiation, said layer being bonded to the photovoltaic module by a layer of encapsulating material; ii.
  • a heat exchanger at least the face in contact with the photovoltaic solar module is rigid and flat.
  • the hybrid solar module described has the advantage of eliminating the differential expansions responsible for the accelerated aging of the adhesives linking the different elements of said module.
  • the replacement material of the classic glass plate is less rigid than glass, but more transparent than glass, increasing the conversion efficiency of solar energy into electrical energy.
  • the rigidity and flatness of the module is reported at least on part of the heat exchanger.
  • the hybrid solar module is compatible with existing semiconductor or organic photovoltaic technologies.
  • the photovoltaic modules being able today to consist of: solar cells based on crystalline silicon semiconductor, thin semiconducting layers, organic solar cells.
  • the layer of transparent material covering the face of the module exposed to the radiation is based on fluoropolymer, said layer of material being compatible with the lamination process.
  • the light transmission of the layer of material covering the face of the photovoltaic module subjected to radiation is greater than the light transmission of the glass.
  • the heat exchanger is metallic or composite material.
  • the good thermal conductivity of the materials used makes it possible to ensure efficient cooling of the photovoltaic module.
  • the cooling of the photovoltaic module is ensured by the circulation of a liquid film in the heat exchanger.
  • this solution has the advantage of increasing the contact area between the coolant and the heat exchanger, which also reduces the flow of liquid flowing in the heat exchanger.
  • the heat exchanger consists of a first plane sub-part in contact with the photovoltaic module, and a second sub-part cooperating with the first to form the circulation channels of the cooling fluid.
  • the choice in the form of the second subpart of the heat exchanger only depends on the technical or geometric constraints related to the cooling circuit of which this second subpart is part.
  • there is a layer of electrical insulating material whose fineness limits its thermal resistance between the photovoltaic module and the heat exchanger.
  • This layer is described in the prior art as being generally a polyvinyl fluoride film, which has the property of being waterproof and of being an electrical insulator.
  • the hybrid solar module of the invention offers the possibility of removing this insulating layer and waterproof, reporting the function of sealing or electrical insulation on the heat exchanger.
  • composition of the encapsulant linking the photovoltaic module to the heat exchanger is modified to also make an electrical insulator.
  • a further object of the invention is to provide a method of manufacturing a hybrid solar module.
  • the invention relates to a method for manufacturing a hybrid solar module comprising at least one photovoltaic module consisting of at least one semiconductor element converting part of the solar energy into electrical energy, one of the two faces said module being subjected to solar radiation, at least one heat exchanger placed opposite the face of the photovoltaic module opposite to that exposed to the radiation, in which circulates a cooling fluid for recovering thermal energy accumulated or dissipated , characterized in that the method comprises the following steps: A step of depositing an encapsulant layer on the face of a portion of the heat exchanger vis-à-vis the face of the photovoltaic module opposite to that subjected to radiation; ii A step of placing the photovoltaic elements on the encapsulant layer; iii A step of depositing an encapsulant layer on the face of the photovoltaic module subjected to radiation; iv A step of setting up a layer of transparent material vis-à-vis the face of the photovoltaic module subjected to radiation; v
  • the steps can be carried out in reverse order, first step iv, then iii, then ii and then i, followed by step v of lamination of the hybrid solar module.
  • step i before the introduction of the photovoltaic elements in step i, is inserted a layer of insulating material followed by the deposition of an encapsulant layer vis-à-vis the face of the photovoltaic module opposite to that subjected to radiation.
  • the method is characterized in that the encapsulation of the photovoltaic module and the assembly of said module with the heat exchanger can be performed during the same lamination step.
  • a second sub-portion of the heat exchanger is assembled to the portion assembled to the photovoltaic module, following the lamination operation for assembling the hybrid solar module.
  • the photovoltaic module can be assembled according to a lamination method described in the prior art.
  • Replacing the glass plate with a layer of less rigid and transparent material makes it possible to assemble at least all or part of the heat exchanger and the photovoltaic module according to the lamination process by reversing the order of the layers. Indeed, it is easier to start the operation of lamination by the layer containing a portion of the heat exchanger within the scope of the invention. It is also possible to build the entire hybrid solar module in a single lamination operation, thus avoiding additional assembly costs. Finally, it is possible to assemble the first part of the exchanger to the photovoltaic module during the lamination operation, and then to assemble the second subpart of the heat exchanger by any known means of the heat exchanger. skilled in the art, for example by gluing.
  • FIG. 1a is a sectional view of the photovoltaic solar module covered with the layer of transparent material
  • FIG. 1b shows a sectional view of the hybrid solar module according to a first embodiment
  • FIG. 2 represents a sectional view of a second embodiment of the invention.
  • the solar panel object of the invention is a hybrid solar module, capable of producing electrical energy and thermal energy from solar energy. It is intended to be used alone or in combination with other similar modules within an installation, so that the energy produced by said panels is exploitable, for example and without limitation for a dwelling.
  • the hybrid solar module can be defined as being an assembly of a photovoltaic solar module and a heat exchanger (5).
  • the hybrid solar module converts a part of the received solar energy into electrical energy thanks to a module photovoltaic.
  • Said photovoltaic module is composed of a plurality of photovoltaic elements (3), typically crystalline silicon semiconductors, thin semiconductor layers, or any other technology capable of achieving the photoelectric effect.
  • These photovoltaic elements (3) are electrically connected in series or in parallel and are encapsulated, for example and not limited to a thermoplastic polymer, for example of the ethylene vinyl acetate (EVA), typically in the course of a lamination process, that is to say an assembly of the photovoltaic module by heating and pressure.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • a film (1) of material called "frontsheet” is deposited on the face of the photovoltaic module exposed to the radiation, said film (1) being transparent, flexible, UV-resistant, based on fluoropolymer, for example and without limitation ethylene tetrafluoroethylene or ETFE.
  • This material offers a better transmission coefficient than glass, improving the efficiency of the installation.
  • the film (1) is also much lighter than glass, significantly decreasing the weight of the invention.
  • the main advantage of this film (1) is its relative flexibility with respect to the glass.
  • the heat exchanger (5) performs cycles of expansion and retraction, due to the nature of the materials composing it.
  • At least 80% of the solar energy received by the hybrid solar module will be dissipated in the panel.
  • the heat exchanger (5) and the photovoltaic module are assembled by means of an encapsulant (23), for example and without limitation a thermoplastic polymer, for example ethylene vinyl acetate, to the from a lamination process.
  • an encapsulant (23) for example and without limitation a thermoplastic polymer, for example ethylene vinyl acetate
  • the heat exchanger is made of metal or composite material, for example and without limitation aluminum, copper or any other metal or material that is a good thermal conductor and sufficiently rigid to ensure the cohesion of the hybrid solar module.
  • the face of the heat exchanger (5) fixed with the encapsulant (23, 24) against the face of the photovoltaic module opposite to that exposed the radiation must be flat.
  • the cooling of the photovoltaic module is provided by a cooling fluid, for example air or brine, conveyed by ventilation and / or pumping means and circulating in the heat exchanger (5) still in the same direction, from the inlet (E) to the outlet (S) of said heat exchanger (5).
  • a cooling fluid for example air or brine
  • the fluid flowing in the heat exchanger (5) may, for example, form an animated film of hydrodynamic turbulence, thus ensuring a large contact surface at the face of the photovoltaic module opposite to the face exposed to the radiation.
  • the heat exchanger (5) is divided into two subparts (51, 52).
  • the first subpart (51) is flat, and is assembled against the face of the photovoltaic module opposite to that subjected to radiation.
  • the second subpart (52) is free-form, and forms with the first (51) the circulation channels of the cooling fluid.
  • the two subparts (51, 52) of the heat exchanger (5) can be assembled by any means known to those skilled in the art, for example to using a bonding allowing the heat exchanger (5) to be held tight and under pressure.
  • a layer of an electrical insulating material (4) also providing a sealing function is placed between the photovoltaic module and the heat exchanger (5).
  • This layer of material (4) may for example be a polyvinyl fluoride film, and may prevent rain or moisture from the ambient air to come into direct contact with the photovoltaic module, thus avoiding any electrical problem eg false contacts or short circuits.
  • the sealing function is taken up by the heat exchanger (5), which covers the entire surface of the photovoltaic module.
  • the function of electrical insulator can be carried out for example by modifying the composition of the encapsulant (24), for example by using a silicone base, or for example by adding an insulating film on the face of the heat exchanger (5) in contact with the face of the photovoltaic module opposite to that exposed to the radiation.
  • the invention described in this document can be carried out according to a manufacturing process which will now be detailed.
  • the photovoltaic module is obtained by encapsulation of the plurality of photovoltaic elements (3), according to a lamination method described in the prior art documents and well known in the art. the skilled person. The method remains of the same type when a transparent film of material (1) is used on the face of the photovoltaic module exposed to the radiation, in place of a glass plate.
  • the photovoltaic module and the heat exchanger (5) are assembled at the following a second lamination step.
  • the transparent film (1) situated on the face of the photovoltaic module exposed to the radiation makes it possible to carry out plane laminations, without gluing defects, for example and in a nonlimiting manner, avoiding the presence of air bubbles between the two materials.
  • the hybrid solar module is manufactured during the same lamination operation.
  • the lamination operation makes it possible to assemble the plurality of photovoltaic elements (3) in an encapsulant (21, 22), depositing the film (1) on the face of the photovoltaic module exposed to the radiation, assembly of the photovoltaic module and the heat exchanger (5), a layer of insulating material (4) slidable between the face of the photovoltaic module opposite to that exposed to the radiation and the heat exchanger (5), the whole being maintained with the encapsulant (23, 24), which will be electrically neutral in the absence of said insulating layer (4).
  • this lamination operation is performed in a precise order. In order to avoid the presence of air bubbles between the layers of materials, it is easier to deposit the less rigid layers on the more rigid ones.
  • the heat exchanger (5) which is the most rigid corresponds to the first deposited layer, followed by the encapsulant layer (23, 24), possibly the insulating layer (4) followed by an encapsulant layer (22) depending on the embodiment, then come the photovoltaic elements (3), the encapsulant (21) and finally the layer of transparent material (1).
  • the method of manufacturing the hybrid solar module is realized with a heat exchanger (5) composed of two sub-parts (51, 52).
  • the method is the same as that described above, that is to say the assembly of the plurality of photovoltaic elements (3) in an encapsulant (21, 22), the deposition of the film (1) on the face of the photovoltaic module exposed to the radiation, the assembly of the photovoltaic module and the first sub-part (51) of the heat exchanger (5), a layer of insulating material (4) that can be slid between the face of the photovoltaic module opposite to that exposed to the radiation and the heat exchanger (5), the whole being maintained with the encapsulant (23, 24), which will be electrically neutral in the absence of said insulating layer (4) .
  • the second subpart (52) of the heat exchanger (5) will be assembled to the rest of the hybrid solar module against the first subpart (51) by any means known to those skilled in the art, for example a bonding for holding the heat exchanger (5) in sealing and pressure.
  • a bonding for holding the heat exchanger (5) in sealing and pressure for example a bonding for holding the heat exchanger (5) in sealing and pressure.

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Abstract

Les modules solaires photovoltaïques ne convertissent au mieux que 20 % de l'énergie solaire en énergie électrique, le reste de cette énergie étant dissipée. Cette chaleur emmagasinée dans le module photovoltaïque est nuisible au rendement, qui baisse de manière inversement proportionnelle à la température du module photovoltaïque. Pour dissiper et récupérer cette chaleur, il est courant d'associer au module photovoltaïque un échangeur thermique qui en plus de refroidir le module photovoltaïque fournira de la chaleur, par exemple pour le chauffage de l'eau sanitaire d'un bâtiment. Cet ensemble forme un module solaire hybride, dont la principale limitation est le poids et la durée de vie relativement faible. L'invention décrite dans ce document résout ces deux problèmes en remplaçant la première couche du module solaire hybride, classiquement une plaque de verre, par un matériau moins lourd, moins rigide, plus transparent, et plus compatible avec le matériau dont est composé l'échangeur thermique, qui porte désormais la fonction de rigidité du système. Il est également décrit un procédé de fabrication de ces modules solaires hybrides.

Description

Amélioration de la longévité et de l'ergonomie des modules solaires hybrides
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine des systèmes solaires hybrides. L'invention concerne plus particulièrement un procédé permettant l'amélioration de la durée de vie et du rendement du système. L'invention se rapporte également au procédé d'assemblage des modules photovoltaïques aux échangeurs thermiques, un liquide de refroidissement circulant dans lesdits échangeurs thermiques. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
De façon connue en soi, un système solaire hybride consiste en un module solaire photovoltaïque associé à une partie thermique, également appelé échangeur ou absorbeur, chargé de refroidir le module solaire photovoltaïque. En effet, un tel module, composé d'une pluralité d'éléments solaires photovoltaïques reliés électriquement, fournit de l'électricité par conversion de l'énergie solaire au sein desdites cellules photovoltaïques. Cependant, le taux de conversion ne dépasse guère 20 %, le reste de l'énergie solaire reçu par le système étant dissipée. Or, l'efficacité des cellules photovoltaïques diminue avec la température, de l'ordre de 0.4 % de rendement par degré supplémentaire pour la technologie des semi conducteurs silicium cristallin. Il est donc crucial de contrôler la température des panneaux photovoltaïques afin d'assurer un rendement constant, voire amélioré. Pour évacuer la chaleur, il est fréquent d'accoler au module photovoltaïque un échangeur thermique incluant un système de refroidissement à circulation d'air ou de liquide, permettant de plus d'utiliser cette chaleur, par exemple pour le chauffage de l'eau sanitaire d'un bâtiment.
Classiquement, un module solaire photovoltaïque est constitué d'une pluralité d'éléments photovoltaïques encapsulés dans un liant, généralement des polymères thermopiastiques. Le liant est activé lors d'un procédé d'assemblage des cellules par chauffage et pression appelé lamination. Une base rigide en matériau transparent, généralement du verre, est intégrée au panneau lors du procédé de lamination sur la face orientée face au soleil, et joue le rôle de support rigide du module photovoltaïque. Cette couche de matériau transparent est communément appelé feuille faciale, traduit en anglais par « frontsheet ». Sur la face opposée du module est intégrée une couche de matériau électriquement isolant et étanche, généralement un film de fluorure de polyvinyle, ladite couche étant communément appelée feuille arrière traduit en anglais par « backsheet ».
Pour réaliser un module solaire hybride, on assemble le module photovoltaïque à un échangeur thermique, en collant ce dernier sur la face opposée du module photovoltaïque à l'aide d'une résine spéciale. Cet échangeur thermique joue un rôle de refroidissement du module photovoltaïque par air ou par eau, et utilise les calories récupérée pour d'autres applications, par exemple le chauffage de l'eau d'un bâtiment. Ainsi, un module solaire hybride fournit de l'énergie électrique et de l'énergie thermique
Plusieurs limitations inhérentes à la technologie existent, la principale étant les incompatibilités matériaux générant des cycles de dilatation différentielle du module solaire hybride, provoquant le vieillissement accéléré de la résine joignant le module photovoltaïque à l'échangeur thermique. Une autre limitation réside dans le poids important du module solaire hybride, ce qui induit une augmentation des coûts d'installation et limite le développement de ce marché aux bâtiments munis de toitures récentes et/ou suffisamment résistantes.
11 est connu dans l'état de la technique un procédé permettant de gérer les incompatibilités matériaux et décrit dans le document US 201 1 /0,1 14,155 A1 . H est proposé de découper l'échangeur métallique en sous-parties. Les sous-parties sont espacées d'une distance correspondant à 1 % de leur largeur, et reliées entre elles à l'aide d'un liant élastique. Cette configuration a l'avantage de limiter les dilatations différentielles et d'augmenter la durée de vie du panneau. Le problème du poids du module hybride n'est cependant pas résolu et les coûts de production risquent d'être augmentés.
11 est également connu dans l'état de la technique un procédé augmentant la durée de vie du module hybride malgré les cycles de dilatation différentielle des matériaux. Le document EP 1 ,873,843 enseigne la possibilité d'appliquer un liant, entre le module photovoltaïque et l'échangeur thermique, le liant étant conçu pour mieux supporter les contraintes liées à la dilatation des matériaux. Un tel procédé risque malgré tout de générer un surcoût et ne permet en rien de diminuer le poids de l'installation.
Par ailleurs, il est également connu dans l'état de la technique un panneau solaire hybride dont l'échangeur assure, en plus de sa fonction initial de refroidissement des éléments photovoltaïques. la fonction de rigidité du système. Le brevet WO20071441 13 divulgue un échangeur assurant la rigidité du système, car faisant partie intégrante du cadre enveloppant le système. Un tel échangeur reste cependant particulièrement lourd, et n'est pas adapté à tous les types de toitures.
DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION
La présente invention a donc pour objet de palier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur, en proposant une installation de module solaire hybride supprimant les problèmes de dilatation différentielle, et réduisant le poids.
A cet effet, l'invention concerne un module solaire hybride, comprenant au moins un module photovoltaïque constitué d'au moins un élément semi-conducteur convertissant une partie de l'énergie solaire en énergie électrique, une des deux faces dudit module étant exposée au rayonnement, au moins un échangeur thermique placé en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque opposée à celle exposée au rayonnement, dans lequel circule un fluide de refroidissement permettant de récupérer l'énergie thermique accumulée ou dissipée, caractérisée en ce qu'elle comporte : i. Une couche de matériau transparent apte à être soumis à des déformations mécaniques compatibles avec les déformations subies par les matériaux constituant l'échangeur thermique et déposée sur la face du module photovoltaïque recevant le rayonnement, la dite couche étant liée au module photovoltaïque par une couche de matériau encapsulant ; ii. Une couche de matériau encapsulant déposée sur la face du module photovoltaïque opposée à celle recevant le rayonnement pour fixer l'échangeur thermique sur cette face opposée du module photovoltaïque ; iii. Un échangeur thermique dont au moins la face en contact avec le module solaire photovoltaïque est rigide et plane.
Ainsi, le module solaire hybride décrit présente l'avantage de supprimer les dilatations différentielles responsables du vieillissement accéléré des adhésifs liant les différents éléments dudit module. Le matériau de remplacement de la classique plaque de verre est moins rigide que le verre, mais plus transparent que ce dernier, augmentant du même coup le rendement de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. En contrepartie, la rigidité et la planéité du module est reportée au moins sur une partie de l'échangeur thermique.
Selon une autre particularité, le module solaire hybride est compatible avec les technologies photovoltaïques à base de semi-conducteurs ou organiques existantes.
Ainsi, on peut utiliser des modules photovoltaïques issus de technologies des différentes générations, les modules photovoltaïques pouvant aujourd'hui être constitués : de cellules solaires à base de semi-conducteur silicium cristallin, de couches minces semi-conductrices, de cellules solaires organiques. Selon une autre particularité, la couche de matériau transparent recouvrant la face du module exposée au rayonnement est à base de fluoropolymère, la dite couche de matériau étant compatible avec le procédé de lamination.
Ainsi, nul besoin de modifier les chaînes de fabrication des panneaux solaires photovoltaïques pour fabriquer l'invention.
Selon une autre particularité, la transmission lumineuse de la couche de matériau recouvrant la face du module photovoltaïque soumise au rayonnement est supérieure à la transmission lumineuse du verre.
Ainsi, le rendement de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique est amélioré par rapport aux panneaux solaires hybrides décrits dans l'art antérieur.
Selon une autre particularité, l'échangeur thermique est métallique ou en matériau composite.
Ainsi, en plus d'assurer la rigidité du module solaire hybride, la bonne conductivité thermique des matériaux utilisés permet d'assurer un refroidissement efficace du module photovoltaïque.
Selon une autre particularité, le refroidissement du module photovoltaïque est assuré par la circulation d'un film liquide dans l'échangeur thermique.
Ainsi, cette solution présente l'avantage d'augmenter la surface de contact entre le liquide de refroidissement et l'échangeur thermique, ce qui permet également de diminuer le débit de liquide circulant dans l'échangeur thermique.
Selon une autre particularité, l'échangeur thermique est constitué d'une première sous-partie plane en contact avec le module photovoltaïque, et d'une deuxième sous-partie coopérant avec la première pour former les canaux de circulation du fluide de refroidissement. Ainsi, le choix dans la forme de la deuxième sous-partie de l'échangeur thermique ne dépend que des contraintes techniques ou géométriques liées au circuit de refroidissement dont cette deuxième sous- partie fait partie. Selon l'art antérieur, il existe une couche de matériau isolant électrique dont la finesse limite sa résistance thermique comprise entre le module photovoltaïque et l'échangeur thermique.
Cette couche est décrite dans l'art antérieur comme étant généralement un film de fluorure de polyvinyle, qui a la propriété d'être étanche et d'être un isolant électrique.
Le module solaire hybride de l'invention offre la possibilité de supprimer cette couche isolante et étanche, en reportant la fonction d'étanchéité voire d'isolation électrique sur l'échangeur thermique.
Selon une autre particularité la composition de l'encapsulant liant le module photovoltaïque à l'échangeur thermique est modifiée pour en faire également un isolant électrique.
Un objectif supplémentaire de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un module solaire hybride.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un module solaire hybride comprenant au moins un module photovoltaïque constitué d'au moins un élément semi-conducteur convertissant une partie de l'énergie solaire en énergie électrique, une des deux faces dudit module étant soumise au rayonnement solaire, au moins un échangeur thermique placé en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque opposée à celle exposée au rayonnement, dans lequel circule un fluide de refroidissement permettant de récupérer l'énergie thermique accumulée ou dissipée, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes ci-après : i Une étape de dépôt d'une couche d'encapsulant sur la face d'une partie de l'échangeur thermique en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque opposée à celle soumise au rayonnement ; ii Une étape de mise en place des éléments photovoltaïques sur la couche d'encapsulant ; iii Une étape de dépôt d'une couche d'encapsulant sur la face du module photovoltaïque soumise au rayonnement ; iv Une étape de mise en place d'une couche de matériau transparent en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque soumise au rayonnement ; v Une étape de lamination du module solaire hybride.
Selon une autre particularité, les étapes peuvent être réalisées dans un ordre inverse, d'abord l'étape iv, puis iii, puis ii puis i, suivies de l'étape v de lamination du module solaire hybride.
Selon une autre particularité, avant la mise en place des éléments photovoltaïques dans l'étape i, est inséré une couche de matériau isolant suivi du dépôt d'une couche d'encapsulant en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque opposée à celle soumise au rayonnement.
Selon une autre particularité, Le procédé est caractérisé en ce que l'encapsulation du module photovoltaïque et l'assemblage dudit module avec l'échangeur thermique peuvent être réalisés durant la même étape de lamination. Selon une autre particularité, une deuxième sous-partie de l'échangeur thermique est assemblée à la partie assemblée au module photovoltaïque, à la suite de l'opération de lamination permettant d'assembler le module solaire hybride.
Ainsi, On peut assembler le module photovoltaïque suivant un procédé de lamination décrit dans l'art antérieur. Le remplacement de la plaque de verre par une couche de matériau moins rigide et transparent permet d'assembler au moins tout ou partie de l'échangeur thermique et le module photovoltaïque suivant le procédé de lamination en inversant l'ordre des couches. En effet, il est plus facile de commencer l'opération de lamination par la couche contenant une partie de l'échangeur thermique dans le cadre de l'invention. Il est également possible de constituer l'ensemble du module solaire hybride en une seule opération de lamination, évitant ainsi les surcoûts d'assemblage. Enfin, il est possible d'assembler la première sous- partie de l'échangeur au module photovoltaïque au cours de l'opération de lamination, puis d'assembler ensuite la deuxième sous-partie de l'échangeur thermique par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple par collage.
L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, ressortira plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 a représente une vue en coupe du module solaire photovoltaïque recouvert de la couche de matériau transparent ;
> La figure 1 b représente une vue en coupe du module solaire hybride selon un premier mode de réalisation ;
> La figure 2 représente une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE
L'INVENTION
Le panneau solaire objet de l'invention est un module solaire hybride, capable de produire de l'énergie électrique et de l'énergie thermique à partir de l'énergie solaire. Il est destiné à être utilisé seul ou en combinaison avec d'autres modules similaires au sein d'une installation, afin que l'énergie produite par lesdits panneaux soit exploitable, par exemple et de façon non limitative pour une habitation. Classiquement, on peut définir le module solaire hybride comme étant un assemblage d'un module solaire photovoltaïque et d'un échangeur thermique (5).
En référence à la figure 1 a, le module solaire hybride convertit une partie de l'énergie solaire reçu en énergie électrique grâce à un module photovoltaïque. Ledit module photovoltaïque est composé d'une pluralité d'éléments photovoltaïques (3), typiquement des semi-conducteurs en silicium cristallin, des couches minces semi-conductrices, ou toute autre technologie à même de réaliser l'effet photoélectrique. Ces éléments photovoltaïques (3) sont reliés électriquement, en série ou en parallèle, et sont encapsulés, par exemple et de façon non limitative dans un polymère thermoplastique, par exemple de l'éthylène acétate de vinyle (EVA), classiquement au cours d'un procédé de lamination, c'est-à-dire un assemblage du module photovoltaïque par chauffage et pression. Durant cette étape de lamination, on dépose sur la face du module photovoltaïque exposée au rayonnement, un film (1 ) de matériau appelé « frontsheet » en anglais, le dit film (1 ) étant transparent, souple, résistant aux UV, à base de fluoropolymère, par exemple et de façon non limitative l'éthylène tétrafluoroéthylène ou ETFE. Ce matériau offre un meilleur coefficient de transmission que le verre, améliorant du même coup le rendement de l'installation. Le film (1 ) est également bien plus léger que le verre, diminuant significativement le poids de l'invention. Le principal avantage de ce film (1 ) est sa souplesse relative par rapport au verre. En réponse aux variations de température, l'échangeur thermique (5) réalise des cycles de dilatation et de rétraction, dues à la nature des matériaux le composant. Très faibles dans un matériau comme le verre, ces mouvements mécaniques se retrouvent également dans le film (1 ) déposé en surface du module solaire hybride. Ces caractéristiques mécaniques du film (1 ) permettent de supprimer les cycles de dilatation différentielle observés dans les systèmes de l'art antérieur et qui engendraient un vieillissement prématuré des adhésifs, par exemple des colles époxy, permettant l'assemblage du module photovoltaïque et de l'échangeur thermique (5).
Au moins 80 % de l'énergie solaire reçue par le module solaire hybride sera dissipée dans le panneau. La présence d'un échangeur thermique (5), placé en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque opposé à celle exposée au rayonnement, permet de récupérer la chaleur accumulée ou dissipée dans le module photovoltaïque.
Dans un mode de réalisation, L'échangeur thermique (5) et le module photovoltaïque sont assemblés grâce à un encapsulant (23), par exemple et de façon non limitative un polymère thermoplastique, par exemple l'éthylène acétate de vinyle, à l'issu d'un procédé de lamination. Ainsi, au refroidissement du module hybride solaire est associée la production d'énergie thermique exploitable. L'échangeur thermique est réalisé en métal ou matériau composite, par exemple et de façon non limitative l'aluminium, le cuivre ou tout autre métal ou matériau qui soit un bon conducteur thermique et suffisamment rigide pour assurer la cohésion du module solaire hybride. D'autre part, afin d'assurer la planéité du module solaire hybride, la face de l'échangeur (5) thermique fixée à l'aide de l'encapsulant (23, 24) contre la face du module photovoltaïque opposée à celle exposée au rayonnement doit être plane. Le refroidissement du module photovoltaïque est assuré par un fluide de refroidissement, par exemple de l'air ou de l'eau glycolée, acheminé par des moyens de ventilation et/ou de pompage et circulant dans l'échangeur thermique (5) toujours dans le même sens, de l'entrée (E), vers la sortie (S) dudit échangeur thermique (5). Dans un mode de réalisation, le fluide circulant dans l'échangeur thermique (5) peut par exemple former un film animé de turbulences hydrodynamiques, assurant ainsi une grande surface de contact au niveau de la face du module photovoltaïque opposée à la face exposée au rayonnement.
Dans un mode de réalisation, l'échangeur (5) thermique est divisé en deux sous-parties (51 , 52). La première sous-partie (51 ) est plane, et est assemblée contre la face du module photovoltaïque opposée à celle soumise au rayonnement. La deuxième sous-partie (52) est de forme libre, et forme avec la première (51 ) les canaux de circulation du fluide de refroidissement. Les deux sous-parties (51 , 52) de l'échangeur (5) thermique peuvent être assemblées par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple à l'aide d'un collage permettant la tenue de l'échangeur (5) thermique en étanchéité et en pression.
Dans un mode de réalisation, en référence à la figure 1 b, une couche d'un matériau isolant électrique (4) assurant également une fonction d'étanchéité est placée entre le module photovoltaïque et l'échangeur thermique (5). Cette couche de matériau (4) peut par exemple être un film de fluorure de polyvinyle, et permet d'empêcher la pluie ou l'humidité de l'air ambiant d'entrer en contact direct avec le module photovoltaïque, évitant ainsi tout problème électrique, par exemple des faux contacts ou des courts- circuits.
Dans un mode de réalisation, en référence à la figure 2, il est possible de supprimer la couche de matériau (4) étanche et isolant électrique. Dans ce cas, la fonction d'étanchéité est reprise par l'échangeur thermique (5), qui couvre toute la surface du module photovoltaïque. La fonction d'isolant électrique peut être réalisée par exemple en modifiant la composition de l'encapsulant (24), par exemple en utilisant une base siliconée, ou par exemple en ajoutant un film isolant sur la face de l'échangeur thermique (5) en contact avec la face du module photovoltaïque opposée à celle exposée au rayonnement. L'invention décrite dans ce document peut être réalisée suivant un procédé de fabrication qui va maintenant être détaillé.
Dans un mode de réalisation, en référence à la figure 1 a, le module photovoltaïque est obtenu par encapsulation de la pluralité d'éléments photovoltaïques (3), suivant un procédé de lamination décrit dans les documents de l'art antérieur et bien connu de l'homme du métier. Le procédé reste du même type quand est utilisé un film de matériau (1 ) transparent sur la face du module photovoltaïque exposée au rayonnement, à la place d'une plaque de verre.
Dans un mode de réalisation, en référence aux figures 1 b et 2, le module photovoltaïque et l'échangeur thermique (5) sont assemblés à la suite d'une seconde étape de lamination. Le film (1 ) transparent situé sur la face du module photovoltaïque exposée au rayonnement, permet de réaliser des laminations planes, sans défauts de collage, par exemple et de façon non limitative en évitant la présence de bulles d'air entre les deux matériaux. Dans un mode de réalisation et de manière préférentielle, le module solaire hybride est fabriqué au cours de la même opération de lamination. Dans ce cas, l'opération de lamination permet l'assemblage de la pluralité d'éléments photovoltaïques (3) dans un encapsulant (21 , 22), le dépôt du film (1 ) sur la face du module photovoltaïque exposée au rayonnement, l'assemblage du module photovoltaïque et de l'échangeur thermique (5), une couche en matériau isolant (4) pouvant être glissée entre la face du module photovoltaïque opposée à celle exposée au rayonnement et l'échangeur thermique (5), le tout étant maintenu avec l'encapsulant (23, 24), qui sera électriquement neutre en cas d'absence de ladite couche isolante (4). De manière préférentielle, cette opération de lamination s'effectue suivant un ordre précis. Afin d'éviter la présence de bulle d'air entre les couches de matériaux, il est plus facile de déposer les couches les moins rigides sur les plus rigides. Ainsi, l'échangeur (5) thermique qui est le plus rigide correspond à la première couche déposée, suivi de la couche d'encapsulant (23, 24), éventuellement de la couche isolante (4) suivie d'une couche d'encapsulant (22) en fonction du mode de réalisation, puis viennent les éléments photovoltaïques (3), l'encapsulant (21 ) et enfin la couche de matériau transparent (1 ).
Dans un mode de réalisation, le procédé de fabrication du module solaire hybride est réalisé avec un échangeur (5) thermique composé de deux sous-parties (51 , 52). Le procédé est le même que celui décrit précédemment, c'est-à-dire l'assemblage de la pluralité d'éléments photovoltaïques (3) dans un encapsulant (21 , 22), le dépôt du film (1 ) sur la face du module photovoltaïque exposée au rayonnement, l'assemblage du module photovoltaïque et de la première sous-partie (51 ) de l'échangeur thermique (5), une couche en matériau isolant (4) pouvant être glissée entre la face du module photovoltaïque opposée à celle exposée au rayonnement et l'échangeur thermique (5), le tout étant maintenu avec l'encapsulant (23, 24), qui sera électriquement neutre en cas d'absence de ladite couche isolante (4). Par la suite, la deuxième sous-partie (52) de l'échangeur (5) thermique sera assemblée au reste du module solaire hybride contre la première sous-partie (51 ) par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple un collage permettant la tenue de l'échangeur (5) thermique en étanchéité et en pression. Un tel procédé présente de nombreux avantages, notamment une plus grande liberté de choix dans la forme de l'échangeur (5) thermique, et une opération de lamination facilitée par l'absence d'aspérité pointue sur la surface de l'échangeur (5) thermique.
La présente demande décrit diverses caractéristiques techniques et avantages en référence aux figures et/ou à divers modes de réalisation. L'homme de métier comprendra que les caractéristiques techniques d'un mode de réalisation donné peuvent en fait être combinées avec des caractéristiques d'un autre mode de réalisation à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné ou qu'il ne soit évident que ces caractéristiques sont incompatibles. De plus, les caractéristiques techniques décrites dans un mode de réalisation donné peuvent être isolées des autres caractéristiques de ce mode à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné.
11 doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Installation de module solaire hybride, comprenant au moins un module photovoltaïque constitué d'au moins un élément (3) semi-conducteur convertissant une partie de l'énergie solaire en énergie électrique, une des deux faces dudit module étant exposée au rayonnement, au moins un échangeur (5) thermique placé en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque opposée à celle exposée au rayonnement, dans lequel circule un fluide de refroidissement permettant de récupérer l'énergie thermique accumulée ou dissipée, dont au moins la face en contact avec le module solaire photovoltaïque est rigide et plane, caractérisée en ce qu'elle comporte : i. Une couche (1 ) de matériau transparent apte à être soumis à des déformations mécaniques compatibles avec les déformations subies par les matériaux constituant l'échangeur (5) thermique et déposée sur la face du module photovoltaïque recevant le rayonnement , la dite couche (1 ) étant liée au module photovoltaïque par une première couche de matériau encapsulant (21 ) ;
ii. Une deuxième couche de matériau encapsulant (23) déposée sur la face du module photovoltaïque opposée à celle recevant le rayonnement pour fixer l'échangeur (5) thermique sur cette face opposée du module photovoltaïque ;
2. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle le module solaire hybride est compatible avec les technologies photovoltaïques à base de semi-conducteurs ou organiques existantes.
3. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle la couche de matériau (1 ) transparent recouvrant la face du module photovoltaïque exposée au rayonnement est à base de fluoropolymère, la dite couche de matériau (1 ) étant compatible avec le procédé de lamination.
4. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la transmission lumineuse de la couche de matériau (1 ) recouvrant la face du module photovoltaïque soumise au rayonnement est supérieure à la transmission lumineuse du verre.
5. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle l'échangeur (5) thermique est métallique ou en matériau composite.
6. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle le refroidissement du module photovoltaïque est assuré par la circulation d'un film liquide dans l'échangeur (5) thermique.
7. Installation selon les revendications 1 , 5 et 6, dans laquelle l'échangeur (5) thermique est constitué d'une première sous-partie (51 ) plane en contact avec le module photovoltaïque, et d'une deuxième sous-partie (52) coopérant avec la première (51 ) pour former les canaux de circulation du fluide de refroidissement.
8. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle la composition de l'encapsulant (24) liant le module photovoltaïque à l'échangeur (5) thermique est modifiée pour en faire également un isolant électrique.
9. Procédé de fabrication d'un module solaire hybride comprenant au moins un module photovoltaïque constitué d'au moins un élément (3) semiconducteur convertissant une partie de l'énergie solaire en énergie électrique, une des deux faces dudit module étant soumise au rayonnement solaire, au moins un échangeur (5) thermique placé en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque opposée à celle exposée au rayonnement, dans lequel circule un fluide de refroidissement permettant de récupérer l'énergie thermique accumulée ou dissipée, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes ci-après ; i. Une étape de dépôt d'une couche d'encapsulant (23, 24) sur une partie au moins de la face de l'échangeur (5) thermique en vis-à- vis de la face du module photovoltaïque opposée à celle soumise au rayonnement ; ii. Une étape de mise en place des éléments photovoltaïques (3) sur la couche d'encapsulant (23, 24) ; iii. Une étape de dépôt d'une couche d'encapsulant (21 ) sur la face du module photovoltaïque soumise au rayonnement ; iv. Une étape de mise en place d'une couche de matériau transparent (1 ) en vis-à-vis de la face du module photovoltaïque soumise au rayonnement ; v. Une étape de lamination du module solaire hybride ; les étapes pouvant être réalisées dans un ordre différent, d'abord l'étape iii, puis iv, puis i puis ii, suivies de l'étape v de lamination du module solaire hybride.
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel, avant la mise en place des éléments photovoltaïques (3) dans l'étape i, est inséré une couche de matériau isolant (4) suivi du dépôt d'une couche d'encapsulant (22) en vis-à- vis de la face du module photovoltaïque opposée à celle soumise au rayonnement.
1 1 . Procédé selon la revendication 9 à 10 dans lequel l'encapsulation du module photovoltaïque et l'assemblage dudït module avec l'échangeur (5) thermique peuvent être réalisés durant la même étape de lamination.
12. Procédé selon la revendication 9 dans lequel une deuxième sous-partie (52) de l'échangeur (5) thermique est assemblée à la partie (51 ) assemblée au module photovoltaïque, à la suite de l'opération de lamination permettant l'assemblage du module solaire hybride.
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