Brevet FR2342558A1 — publié le 19770923

L'invention concerne un dispositif convertisseur de 11 énergie solaire en énergie électrique du type comportant une cellule photovoltaîque à semiconducteur de forme sensiblement plane, et un réflecteur optique concave associé à ladite cellule. On sait qu'une application importante des cellules solaires consiste à convertir directement 11énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. Le courant électrique est obtenu généralement aux bornes d'une pluralité de cellules, sous une différence de potentiel qui convient à la charge d'accumulateurs. L'ensemble peut servir à ltalimentation d'appareillages embarqués sur des satellites artificiels ou encore à fournir l'énergie nécessaire à certaines installations terrestres local lisées en des lieux dont l'accès est difficile ou qui se trouvent éloignés des sources conventionnelles d'énergie.La pluralité de cellules mentionnée est le plus souvent constituée sous la forme de panneaux dans lesquels les cellules sont regroupées en mosaïque régulière, et connectées entre elles soit en parallèle, soit en série, soit encore en une combinaison série-parallèle. On constate que jusqu'à présent le prix du matériau semicondycteur, et donc des cellules solaires qui en sont issues, intervient pour une très large part dans le prix de revient de l'énergie produite ce pi, dans les conditions économiques actuelles, restreint les applications de ce type de source d'énergie de manière très sensible. Â cet égard, on aurait donc intérêt à augmenter la puissance délivrée par chacune des cellules constituant un panneau déterminé, notamment en augmentant l'intensité du rayonnement qui les éclaire. Aussi il a déjà été proposé de concentrer optiquement la lumière reçue par la face photosensible des cellules par divers moyens tels que lentilles frontales ou concentrateurs latéraux.On connait par un brevet français NO 1 303 364 le dispositif constitué par une diode photosensible ayant la forme d'une tige cylindrique de faible diamètre, placée suivant l'axe focal d'un miroir convergent cylindrique. Si ledit dispositif satisfait bien à l'exigence de réduction de volume de matériau semiconducteur par rapport à la surface frontale de réception du rayonnement, il souffre cependant des inconvénients communs à ce genre de dispositifs concentranÀa lumière sur les cellules sensibles, à savoir,d'être directif, c1est-à-dire que pour être efficace il doit être muni de moyens d'orientation permanente dans la direction du soleil.Ceci entraîne une complication qui est le plus souvent inacceptable par sa fragilité, par l'augmentation consécutive du poids de l'appareil et de son prix. Un autre inoonvênient dôcoule de l'échauffement de diodes qui s'secroît en même tempe que s'accroît la concentration de la lumière à la surface de celles-ci. Cet échauffement réduit le rendement de conversion des cellules solaires au siliciun d'environ 0,5 % par degré d'élévation de température, soit encore une chute de moitié de la puissance délivrée pour une élévation de 100 C par rapport à la température ordinaire de 25 C. On pourrait avoir recours à des moyens de refroidissement mais coux-ci sont le plus souvent compliquée et onéreux ei la puissance calorifique à absorber est importante. On peut encore observer, en dehors du problème thermi- que qui vient d'être évoqué, qu'à température suppozés constante, la puissance électrique fournie par une cellule n'est pas proportionnelle à l'intensité lumineuse qui la frappe. Ceci provient notamment du fait que la résistance interne de chaque cellule consomme une part de l'énergie produite per la lumière au détriment de l'énergie délivrée dans le eircuit extérieur.Cette part de l'énergie consommée par la résistance interne auente rapi- dement avec l'intensité lumineuse de sorts qu'il existe une in densité d'éclaireent au-delà de laquelle la puissance délivrée par une cellule n'augmente plus. A défaut de dispositions particulières pour réduire l'échauffement et la résistance interne des cellules on ne tire pas un grand avantage économique à concentrer la lumière à la surface des cellules solaires. Enfin le dispositif solon le brevet français n 1 303 364 dont il a été question, a une structure particulière qui rend se construction délicate, peu favorable ê la production en grande quantité, et donc d'un prix relativement élevé par rapport aux dispositifs classiques utilisant des cellules planes qui amont exposées directement au rayonnement. L'invention a pour but, enter autres, de remédier a ces inconvénients. Eile s'appuie sur une utilisation partioulière d'une cellule à deux faces opposées photosensibles, cellule fai sant elle-mêm@ l'ojet d'une demande de brevet français n@ 76 05 562 déposée par la Demanderesse simultanément avec la présente demande et ayant pour titre : "Cellule solaire photovoltalque et dispositif de mise en oeuvre". Suivant l'invention, un dispositif convertisseur de l'énergie solaire en énergie électrique du type comportant une cellule photovoltaique à semiconducteur de forme sensiblement plane, et un réflecteur optique concave associé à ladite cellule est notamment remarquable en ce que les deux faces principales et opposées entre ils de ladite cellule sont photosensibles et en ce que ladite cellule est située sensiblement dans le plan d'ouverture dudit réflecteur optique et dans une position latérale, le flux de itéclairement incident étant partagé en une première fraction frappant directement une première face photosensible de la cellule, et en une deuxième fraction, au moins partiellement renvoyée par ledit réflecteur sur la seconde face photosensible de ladite cellule opposée à la première. Le dispositif selon l'invention comporte divers avantages : il utilise une cellule dont le rendement de conversion est amélioré, particulièrement dans la gamme des éclairements modérés. il utilise aussi des éléments qui sont simples et, partant, faciles à construire. La cellule de forme plane, à deux faces opposées photosensibles, peut etre obtenue par des procédés bien connus en eux-mêmes, et utilisés pour des dispositifs semiconducteurs de grande série. Avec le dispositif selon ltinvention et par comparaison avec une cellule classique exposée directement au rayonnement, pour une surface donnée de semiconducteur mis en oeuvre, la puissance délivrée est approximativement doublée. En'effet le flux reçu par la cellule à deux faces photosensibles est de l'ordre de deux fois la valeur du flux d'éclairement direct reçu sur la seule face antérieure de ladite cellule. L'intensité d'éclairement moyenne, par face, reste sensiblement celle du faisceau incident et globalement au niveau de la cellule l'intensité peut être considérée comme doublée, par exemple en ce qui concerne les problèmes d'échauffement. Cette concentration très modérée du rayonnement frappant la cellule est avantageuse notamment par la valeur réduite de l'échauffement qui en résulte la faible influence de la résistance interne de la cellule, et la faible sensibilité du rendement de conversion à l'écart de normalité du rayonnement incident. Dans un premier exemple de mise en oeuvre, le dispositif selon l'invention est remarquable en ce que ledit réflecteur a la forme d'un dièdre rectangle, en ce que ladite cellule a une forme sensiblement rectangulaire et occupe sensiblement une moitié latérale du plan d'ouverture dudit dièdre. Dans un deuxième exemple de mise en oeuvre, le dispositif selon l'invention est remarquable en ce que ledit réflecteur a la forme d'un hémisphère, en ce que ladite cellule a une forme sensiblement semi-circulaire et occupe sensiblement une moitié du plan diamétral d'ouverture dudit hémisphère. Dans un troisième exemple, le dispositif selon l'invention a la forme d'un demi-cylindre, ladite cellule a une forme sensiblement rectangulaire et occupe sensiblement une moitié latérale du plan-diamétral d'ouverture dudit demi-cylindre. Les trois modes de mise en oeuvre, donnés à titre d'exemples non limitatifs, ont en commun l'avantage de la simplicité des formes géométriques du réflecteur et de la cellule cette simplicité concourt à une réalisation peu onéreuse du fait qu'elle est aisée. Dans les trois géométries indiquées, on observe aussi la propriété que, dans les conditions d'incidence normale au plan d'ouverture et en négligeant is pertes à la réflexion, le flux de lumière intercepté directement par la cellule sur sa face antérieure est égal au flux renvoyé par le réflecteur sur la face postérieure de ladite cellule. Plus généralement, on associe préférentiellement à une cellule à deux faces photosensibles, de dimensions et forme données, un réflecteur optique concave tel que leqiotient de l'aire occupée dans le plan d'ouverture dudit réflecteur par ladite cellule à l'aire totale dudit plan d'ouverture dudit réflecteur est voisin de 1/2, ou encore, compris entre 0,38 et 0,65. Un tel dispositif a l'avantage d'offrir à l'exposition solaire une surface sensiblement plane, d'où une bonne résistance aux intempéries. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 7 représente en perspective un premier eemsse de mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'un réflecteur en dièdre rectangle. La figure 2 représente, encore en perspective, un deuxième exemple de mise en-oeuvre de l'invention dans le cas d'un réflecteur hémisphérique. La figure 3 représente, également en perspective un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'un réflecteur semi-cylindrique. La figure 4 représente en une perspective schématique une application du dispositif convertisseur selon l'invention, sous la forme d'un panneau regroupant une pluralité de dispositifs élémentaires identiques. Conformément à la figure 1, le dispositif convertisseur d'énergie solaire comporte un réflecteur optique 1 qui a, dans cet exemple de mise en oeuvre, la forme d'un dièdre rectangle constitué de deux parois planes 2 et 3, rectangulaires, dont les sommets sont référencés par CDGH et EFGE. Les faces internes 2a et 3a des parois 2 et 3 sont réfléchissantes. Une cellule solaire photovoltaïque Il ayant deux faces principales 11a et Ilb opposées entre elles, sensibles au rayonnement, a la forme dkin rectangle et est disposée de sorte que ses quatre sommets soient sensiblement en A, B, C et D conformément à la figure.La largeur AD de ladite cellule est sensiblement égale à la moitié de l'ouverture ED du dièdre, de sorte que la cellule occupe une aire, dans le plan d'ouverture du réflecteur, qui est sensiblement la moitié de l'aire totale de ce plan d'ouverture, aire totale matérialisée par CLEF. La cellule Il a deux faces photosensibles, la face antérieure lia, visible sur la figure, et la face postérieure lîb opposée à la première. Conformément à un mode de réalisation pré féré, à partir de la face antérieure 11a sont établis deux réseaux de contact en forme de peignes ínterdigités, le réseau 12a établissant le contact avec une première région superficielle 15 de la cellule, et le réseau 13a en contact avec la région centrale 16 du corps semiconducteur.Ledit réseau 13a est localisé dans le contour d'une plage d'accès à la région centrale 16 qui est constituée, par exemple, par une creusure de l'entière épaisseur de la région superficielle 15 et est homéomorphe au réseau Une disposition analogue peut être appliquée à la face postérieure Iîb de la cellule 11, en ce qui concerne le contact avec la seconde région superficielle 17, (région dirigée vers la concavité du réflecteur) et, éventuellement, pour le contact avec la région centrale 16, laquelle région centrale serait dans cette éventualité, munie de contacts à partir des deux faces de la cellule. Cette disposition est avantageuse en particulier en ce qui concerne l'abaissement de la résistance interne de la cellule. Le plan d'ouverture OPEF du dispositif étant exposé au rayonnement solaire, par exemple sous incidence normale comme il est représenté sur la figure 1 une première fraction J1 du flux d'éclairement du dispositif frappe la face antérieure 11a de la cellule, directement. Une deuxième fration J2 du flux, fraction équivalente à J1, après deux réflexions sur les parois internes du réflecteur frappe la cellule sur sa face postérieure 11b (face qui n'est pas observable sur la figure). La cellule se trouve donc éclairée simultanément sur les deux faces. Dans un mode pratique de réalisation du dispositif tel que celui de la figure 1, la cellule est construite à partir de silieium de type P, les deux régions superficielles 15 et 17 étant diffusées, de type N. Les fils de liaison électrique 18a et 18b aboutissant aux réseaux de contact, tels que 12a peuvent être réunis avantageusement pour ne former qu'un pale et de même pour les fils 19a et 19b connectés à la région centrale 16 par les réseaux de contact, tels que 13a.Enfin, avantageusement le volume CDEFGH est rempli avec une résine transparente durcissable qui permet une adaptation optique des indices de réfraction et assure une rigidité mécanique de l1ensembe. Le réflecteur peut être obtenu à partir de feuilles métalliques formées en dièdre, ou à 11 aide d'une creusure dans un bloc massif de matière réfléchissante ou toute autre matière revêtue d'un film réfléchissant. Inversement, on peut encore revêtir d'un film réfléchissant, le dièdre d'un prisme de matière transparente ayant le contour CPEFGH. La figure 2, à laquelle on se réfère maintenant, est relative à un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention utilisant un réflecteur hémisphérique. Selon cet exemple, la cellule solaire 21, qui possède deux faces photosensibles 21a et 21b est réalisée sous la forme semi-circulaire. Les connexions 23a et 23b, aboutissant sur les contacts de même polarité sur chaque face, sont avantageusement réunies entre elles ; de même en est-il pour les connexions 24a et 24b. Le réflecteur 25 a la forme d'un hémisphère dont le plan diamétral d'ouverture 26 est occupé pour moitié par la cellule 21. Le plan diamétral dtouver- ture 26 étant exposé au rayonnement solaire, et par exemple sous une incidence proche de la normale à ce plan, une première fraction JI du flux d'éclairement frappe directement la cellule 21 sur sa face antérieure 21a.Une deuxième fraction J2 du flux, fraction qui est équivalente à JI, après réflexion sur les parois internes du réflecteur frappe la cellule sur sa face postérieure 21b. Une propriété particulièrement intéressante de la surface hémisphérique est de réfléchir tous les rayons pénétrant par une première moitié du plan diamétral d'ouverture vers la face interne de la seconde moitié et ceci pour un angle d'incidence quelconque. Le réflecteur hémisphérique est donc omnidirectionnel. La cellule se trouve, à nouveau dans cet exemple éclairée simultanément sur ses deux faces phtosensibles. Des dispositions de réalisation pratique similaires à celles mentionnées dans l'exemple précédent, peuvent être appliquées encore à propos du présent exemple, notamment en ce qui concerne la manière de réaliser la cellule, le réflecteur et la possibilité de remplir la concavité comprise entre le réflecteur et le plan contenant la cellule, par une résine transparente d'indice de réfraction adéquat. La figure 3 est relative à un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention qui fait appel à un réflecteur semicylindrique. La cellule solaire 31 a ses deux faces 31a et 31b phtosensibles et est réalisée selon une forme rectangulaire. Les connexions électriques qui peuvent être fixées aux contacts de la cellule de différentes manières en fonction du branchement série ou parallèle désiré, n'ont pas été représentées sur la figure 3. Le réflecteur 32 a la forme dun demi-cylindre, dont la concavité est réfléchissante. Le plan diamétral 33 d'ouverture du demi-cylindre est occupé, pour une moitié latérale, par la cellule 31, laquelle cellule de ce fait a des dimensions voisines de la longueur etdl rayon du demi-cylindre représenté par le réflecteur 32.Le plan diamétral 33 d'ouverture étant exposé au rayonnement solaire, une première fraction J1 du flux d'éclairement frappe la cellule 31 sur sa face antérieure alors qu'une deuxième fraction J2, sensiblement équivalente, est, au moins partiellement, renvoyée par le réflecteur 32 sur la face postérieure de la cellule 31. La figure 4 montre enfin, dans un exemple non limitatif, une application du dispositif décrit à la figure 3 à la constitution d'un panneau convertisseur d'énergie solaire. Ledit panneau de la figure 4 peut en effet être considéré comme découlant de la juxtaposition, en mosaïque régulière, d'une pluralité de dispositifs élémentaires correspondant à la fygre 3 Des réflecteurs semi-cylindriques 41a, 41b, 41c, 41d ... de rayons sensiblement égaux, sont disposés parallèlement les uns aux autres et de manière à ce que leurs bords diamétraux soient jointifs. Des cellules solaires 42a, 42b, 42c, 42d ... et 43a, 43b, 43c, 43d ..., de forme rectangulaire et ayant chacune deux faces photosensibles sont disposées en bandes parallèles aux axes desdits demi-cylindres. Elles couvrent les surfaces qui joignent deux desdits axes, alternativement une surface sur deux, ainsi qu'il est indiqué sur la figure 4. Les connexions métalliques 44 des cellules entre elles et les connexions extérieures 45 peuvent être réalisées pour procurer toute combinaison, série, parallèle ou série-parallèle que l'on peut souhaiter, et ceci de manière analogue aux méthodes connues, en usage pour les panneaux de cellules à une seule face photosensible. il suffit pour cela d'effectuer simplement sur chaque cellule un raccordement électrique entre les contacts de même polarité de chacune des faces. On est alors ramené au problème connu de connexion entre cellules ayant chacune deux bornes de sortie du courant électrique. Dans cet exemple, le volume compris entre les réflecteurs et le plan diamétral contenant les cellules peut encore avantageusement être rempli par une résine transparente durcissable. Bon entendu, des variantes sont possibles dans la disposition des cellules dans le plan d'ouverture des réflecteurs aussi bien que dans la manière de juxtaposer les dispositifs élémentaires de la figure 3. D'autres applications de l'invention sont aussi possibles qui utilisent notamment la juxtaposition d'une pluralité de dispositifs élémentaires du type de ceux décrits dans 1'exem- pie de la fixez ou dans celui de la figure 2. Dans le cas d'une pluralité de dispositifs selon la figure 2, les réflecteurs de forme hémisphérique peuvent être rassemblés en mosaïque à rangées orthogonales ou encore à rangées se coupant sous un angle de 600 ce qui donne dans ce cas un meilleur coefficient d'occupation par les parties actives du panneau, de aire illuminée. On peut encore noter que dans la mise en oeuvre de l'invention, la cellule à deux faces plitosensibles peut faire l'objet de variantes d'exécution par rapport à exemple décrit. Notamment les types P et N du matériau de la région centrale et des régions superficielles pouraient être inversés. Le semiconducteur, mentionné comme étant du silicium dans la description d'un exemple, pourrait être cependant autre, et notamment du germanium, un composé III - V comme Gars, ou encore un composé Il - VI. En ce qui concerne le réflecteur optique, il peut être mécaniquement agencé par rapport à la cellule de diverses manières et par exemple par le collage obtenu lors du rempli sage de la concavité par une résine durcissable. Une plaque mince, transparente, peut encore être interposée entre la cellule et le réflecteur, une plaque de verre par exemple, assurant ainsi la rigidité nécessaire de i1 ensemble. On peut alors prévoir à la place de la résine, un remplissage de la concavité par un liquide transparent qui dans un mode particulier de réalisation, assure un refroidissement convenable des cellules, au moyen d'une pompe de circulation et d'un échangeur thermique externes au dispositif. - IEVENI)ICÂTI0NS - 1.- Dispositif convertisseur de l'énergie solaire en énergie électrique du type comportant une cellule photovoltaïque à semiconducteur de forme sensiblement plane et un réflecteur optique concave associé à ladite cellule, caractérisé en ce que les deux faces principales et opposées entre elles de ladite cellule sont photosensibles, et en ce que ladite cellule est située sensiblement dans le plan d'ouverture dudit réflecteur optique et dans une position latérale, le flux de l'éclairement incident étant partagé en une première fraction frappant directement une première face photosensible de la cellule, et en une deuxième fraction, au moins partiellement renvoyée par ledit réflecteur sur la seconde face photosensible de ladite cellule opposée à la première. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le quotient de ltaire occupée dans le plan d'ouverture par ladite cellule à l'aire totale dudit plan d'ouverture dudit réflecteur est compris entre 0,38 et 0,65. 3.- Dispositif selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que ledit réflecteur a la forme d'un dièdre rectangle, en ce que ladite cellule a une forme sensiblement rectangulaire et occupe sensiblement une moitié latérale du plan d'ouverture dudit dièdre. 4.- Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit réflecteur a la forme d'un hémisphère, en ce que ladite cellule a une forme sensiblement semi-circulaire et occupe sensiblement une moitié du plan diamétral d'ouverture dudit hémisphère. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit réflecteur a la forme d'un demi-cylindre, en ce que ladite cellule a une forme sensiblement rectangulaire et occupe sensiblement une moitié latérale du plan diamétral d'ouverture dudit demi-cylindre. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le volume compris entre ledit plan d'ouverture et la surface interne dudit réflecteur est rempli avec une résine transparente, durcissable. 7.- Dispositif selon l'une des revendications 1 i 5, caractérisé en ce que le volume compris-entre ledit plan d'ouverture et la surface interne dudit réflecteur est rempli avec un liquide transparent. 8.- Panneau convertisseur de l'anergie solaire caractérisé en ce qu'il est constitué notamment d'une pluralité de dispositifs selon l'une des revendications 1 7, assemblés en mosaïque régulière.