Brevet FR2404304A1 — publié le 19790420

La présente invention concerne un procédé de concentra- tion de la lumière solaire sur des cellules photovoltaiques et un dispositif de mise en oeuvre. Plus particulièiement selon ces procédé et dispositif on réalise un éclairement non uniforme des cellules, celui-ci étant au moins grossièrement croissant du centre vers la périphérie de la cellule. On sait que le coût élevé des cellules photovoltaiques conduit souvent à utiliser un concentrateur de lumière solaire, par exemple, sous forme de lentille ou miroir, afin que 7a surface de la cellule reçoive une quantité de lumière très supérieure à celle qu'elle recevrait par exposition directe au soleil. On parvient ainsi à une diminution importante du coût d'une puissance dominée d'énergie électrique comparée au coût d'un ensemble de cellules exposées directement au soleil, sans concentration et fou- nissant la même puissance. Une telle concentration présente deux inconvénients importants pour le fonctionnement et la constitution de la cellule. D'une part, la densité élevée d'énergie concentrée tend à provoquer un accroissement de température qui se trouve être plus important que sous l'action directe du soleil. Or, on sait que le rendement photovoltaique de la cellule décroît sensiblement en fonction de la température. D'autre part, à rendement égal, la densité de courant par unité de surface étant sensiblement proportionnelle au facteur de concentration, cette densité se trouve également plus importante. De ce fait, pour de même électrodes, les pertes d'énergie par effet Joule dans les couches superficielles de la cellule et dans les électrodes elles-mêmes, sont beaucoup plus grandesen cas de concentration, ce qui entraîne une perte de rendement global par rapport à celui escompté de la concentration. Selon l'art antérieur, on a prévu un certain nombre de mesures pour porter remède à ces inconvénients. Pour minimiser l'accroissement de température, la cellule est munie de radiateurs statiques, par exemple, comparables a ceux utilisés pour les transistors de puissance et chargés de dissiper l'énergie thermique. De manière a diminuer les perte par effet Jouie, on prévoit l'évacuation du courant à l'aide d'électrodes aussi épaisses que possible et présentant des mailles serrées sur la face de cellule expose à la lumière. La structure de ces électrodes est telle qu'elles amènent le courant à la périphérie de la cellule. Ces remèdes sont généralement appliqués dans le cas d'un éclairement grossièrement uniforme de toute la surface de la cellule. Les résultats sont alors incomplètement satisfaisants. En effet, la chaleur ayant pris naissance dans la zone centrale de la cellule s'évacue plus difficilement que celle qui apparaît sur les bords. I1 s'ensuit que la température de la cellule reste plus élevée au centre que sur son pourtour. Par ailleurs, l'utilisation et la miseen place d'électrodes en mailles serrées dans la zone centrale de la cellule sont malaisées bien que l'utilité s'en fasse sentir pour des questions de rendement, puisqu'à éclairement quasi uniforme de la cellule, cette zone centrale participe à la conversion photovoltadque proportionnelement à sa surface. La présente invention a pour objet de permettre à la fois une meilleure évacuation de la chaleur et du courant pour une cellule photovoltaique disposée sur un radiateur massif ou sous forme de plaque et possèdant des électrodes évacuant le courant par la périphérie de la cellule, lorsque celle-ci est soumise à une concentration de lumière solaire. Préalablement à l'invention, il est remarqué que l'évacuation de la chaleur dégagée à la surface de la cellule et celle du courant prenant naissance sur cette même surface posent des problèmes très comparables ; en particulier, le courant et la chaleur prenant naissance au centre de la cellule parviennent plus difficilement a la périphérie de la cellule (et à la partie dissipative du radiateur dans le cas de la chaleur), que le courant et la chaleur prenant naissance sur les bords de celle-ci. Il est, par ailleurs, rappelé qu'une cellule photovoltaique bien conçue peut, sans inconvénient, subir une certaine inégalité d'éclairement à sa surface. Ainsi, sans qu'il soit souhaitable que l'éclairement soit localement nul, un facteur pouvant atteindre 5 entre l'éclairement local le plus faible et l'éclairement local le plus fort, est tout à fait acceptable. En application de ces remarques et considérations, selon l'invention, il est conçu un procédé de concentration de lumière solaire sur cellule photovoitaique disposée sur un radiateur massif ou en forme de plaque ou possédant des électrodes évacuant le courant par la périphérie de la cellule, ou bien les deux à la fois, remarquable en ce que la cellule est éclairée non uniformément, l'éclairement étant grossièrement croissant du centre vers la périphérie. De cette manière, a quantité de lumière égale concentrée sur la cellule, la c'aleur développée au centre de la cellule est moindre que celle développée a la périphérie. Il en est de même du courant photovoltalque. Il s'ensuit vtne certaine homogénéisation de la tenpGrature sur ;çXate la surface de la cellule, la température moyenne étant plus faible qu'en cas d'éclairement uniforme. Le rendenent photovoltaique de la cellule se trouve ainsi accru, tandis que l'énergie électrique se développant principalement près de la périphérie se trollve plus facilement évacuée au noyez d'électrodes dont la ronception est facilitée et la structure simplifiée. Selon une forne préférentielle du procédé, correspondant au cas d'un radiateur en forme de plaque mincc, la variation de l'éclairement du centre à la périphérie est ajustée pour mininiser le maximum des températures au centre de la cellule. Selon une autre forme de réalisation du procédé correspondant au cas d'un radiateur massif, la variation d'éclairement est ajustée pour obtenir une température sensiblement constante sur toute la surface de la cellule. Ce procédé est mis en oeuvre, notamment, à l'aide élément optique convergent, lentille ou miroir présentant une certaine aberration sphérique, recevant la lumière du soleil, la cellule étant placée dans le faisceau en amont du foyer image. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de quelques modes de réalisation de l'invention accompagnée de dessins qui représentent : - Figure 1 : une représentation en coupe d'un schéma de procédé de concentration selon l'art antérieur. - Figure 2 : une représentation en coupe d'un schéma du procédé de concentration selon l'invention. Sur la figure 1, relative a un procédé de concentration solaire de l'art antérieur, (l) représente la cellule photovoi- taque, (2) représente une masse conductrice de la chaleur jouant le rôle de radiateur ; la face supérieure de la cellule reçoit un flux lumineux concentré représenté par l'ensemble de flèches (3) donnant un éclairement uniforme sur la cellule (1) et laissant dans l'obscurité la partie du radiateur qui ne supporte pas la cellule ; (4) représente dans une unité arbitraire la distribution de la température a' la surface de la cellule et du radiateur le long de la coupe de la figure 1 lorsque l'équilibre des températures s'est établi.Cette distribution des températures présente un maximum au centre de la cellule ; la différence entre la température de ce maximum et la température du radiateur aux bords de la cellule est d'autant plus grande que le radiateur est mince ; elle demeure cependant importante même dans le cas où le radiateur est très épais. Supposons maintenant que nous envoyions sur la cellule la même quantité de lumière mais avec une densité croissant du centre vers les bords. Sur la figure 2 (5) représente une telle distribution de lumière ; (6) représente une distribution des températures obtenue à l'équilibre lorsque le radiateur est mince ; (7) la distribution des températures que l'on peut obtenir lorsque le radiateur est épais. Dans le cas où le radiateur est mince on a toujours un maximum de température au centre mais sensiblement moins marqué que dans le cas d'éclairement uniforme. Lorsque le radiateur est suffisamment épais il est possible d'obtenir une température pratiquement constante à la surface de la cellule par une distribution convenable de la lumière sur celle-ci, particulièrement lorsque la forme de la cellule est approximativement circulaire. Aussi bien dans le cas du radiateur mince que du radiateur épais, pour un même éclairage lumineux tombant sur la surface de la cellule la température moyenne de celleci est inférieure à celle de la même cellule sous éclairement uniforme. L'optimisation de 1a distribution de l'éclairement en fonction de l'évacuation de la chaleur1 tel que décrit plus haut, étant réalisée, on peut constater que l'intensité de courant produite par un élément de surface croît du centre vers les bordes comme l'éclairement. Dans ce cas, il sera beaucoup plus aisé, par des électrodes convenablement disposées d'évacuer ce courant par ailleurs la perte, par effet Joule, dans les couches superficielles de la cellule, les électrodes côté lumière et les électrodes arrière, sera, toutes choses égales, beaucoup plus faible. La présente invention ne se borne pas à utiliser un éclairement non uniforme croissant du centre vers les bords de la cellule pour l'obtention simultanée d'une meilleure évacuation de la chaleur et d'une meilleure évacuation du courant, mais con cerne également l'utilisation de cet éclairement non uniforme pour un seul des deux avantages qui en découlent. L'éclairement non uniforme peut être obtenu par une conception particulicre de l'optique de concentration et très simplement en utilisant l'aberration sphérique des lentilles ou des miroirs qui, par esemple, dans le cas de lentilles minces permet d'avoir un maximum d'éclairement sur les bords de la cellule lorsque la distance entre celle-ci et la lentille est notablement inférieure à la distance focale de cette dernière ; dans le cas d'une lentille de Fresnel il est facile de construire cette dernière en sorte que l'on obtienne une variation d'éclairement du centre aux bords d'une cellule circulaire selon une loi quelconque REVENDICATIONS : 1. Procédé de concentration d'énergie solaire sur une cellule photovoltalqueu, caractérisé en ce que la cellule est éclairée non uniformément, l'éclairement étant, au moins grossièrement, croissant du centre vers la périphérie de la cellule. 2. Procédé de concentration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule est disposée sur un radiateur thermique en forme de plaque mince et que la variation d'éclairée ment est ajustée pour minimiser le maximum des températures au centre de la cellule. 3. Procédé de concentration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule est disposée sur un radiateur massif et que la variation d'éclairement est ajustée de manière à obtenir une température sensiblement constante sur toute la surface de la cellule, laquelle a une forme sensiblement circulaire. 4. Procédé de concentration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face éclairée de la cellule est munie dune électrode évacuant le courant photovoltaique par la périphérie de la cellule et que la variation d'éclairement est ajustée en sorte que, avec une structure d'électrode convenable, la résistance série due à la conduction superficielle de la cellule et à la résistance des différentes parties de l'électrode soit rendue minimale. 5. Procédé de concentration selon les revendications 1, 2 ou 3 et 4, caractérisé en ce que la répartition de l'éclaire- ment sur la cellule, compte tenu du radiateur et de l'électrode de la face éclairée, conduit à un maximum de rendement de la cellule dans les conditions d'utilisation. 6. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une optique convergente recevant la lumière du soleil, la cellule étant placée dans le faisceau en amont du foyer image.