Brevet FR2459553A1 — publié le 19810109

La présente invention concerne les dispositifs pour la transformation de l'énergie solaire en énergie électrique et a notamment pour objet un module photoélectrique solaire, prévu pour être utilisé plus particulièrement dans les installations énergétiques au sol, situées notamment dans des régions difficilement accessibles. On connatt un module photoélectrique solaire comportant un photoconvertisseur, un concentrateur d'énergie solaire disposé sur le trajet du rayonnement arrivant à la surface de travail photoactive du photoconvertisseur, et umsmoyen de refroidissement du photoconvertisseur. Dans ce module connu, le moyen de refroidissement est réalisé sous la forme d'une table pivotante reliée à l'arbre d'un moteur électrique Le photoconvertisseur est installé sur la surface de la table et, en tournant avec elle, sort périodiquement de la zone d'insolation, ce qui assure le refroidissement du photoconvertisseur, ctest-a-dire que dans le dispositif connu le photoconvertisseur fonctionne en régime impulsionnel, avec des pauses pour le refroidissement.D'autre part, la présence dans le système de refroidissement d'un moteur électrique entrasse des pertes supplémentaires d'énergie électrique et réduit la fiabilité du système de refroidissement à cause deala présence d'ensembles tournants frottants, exigeant une lubrification périodique et des travaux d'entretien pour le remplacement des parties usées. D'autre part, on connaît un module photoélectrique solaire comportant un convertisseur photoélectrique immergé dans un fluide caloporteur transparent se trouvant dans un récipient étanche à cavité interne et un concentrateur d'énergie solaire. Dans ce dispositif connu, le concentrateur est un récipient étanche creux, en forme de lentille, et est rempli de fluide caloporteur. Le photoconvertisseur est refroidi grace à l'évacuation de la chaleur par convection, qui se produit dans le fluide caloporteur, ledit photoconvertisseur fonctionnant en régime continu. Cependant l'évacuation de la chaleur par convection n'assure un refroidissement suffisant du photoconvertisseur que lorsque les coefficients de concentration de l'énergie solaire ne dépassent pas 100. Pour des valeurs plus élevées du coefficient de concentration, l'évacuation de la chaleur par convection n'est plus suffisamment efficace, ce qui entraine une diminution du rendement du module photoélectrique solaire. D'autre part, le module solaire considéré possède un poids élevé, dû surtout au fluide caloporteur dont est remplie la cavité interne du récipient étanche. La présente invention vise par conséquent un module photoélectrique solaire, dans lequel le photoconvertisseur fonctionnerait en régime continu et avec des coefficients de concentration de l'énergie solaire dépassant 100, tout en assurant un refroidissement efficace du photoconvertisseur et un poids réduit du module. Ce problème est résolu du fait que le module photoélectrique solaire du type comportant un photoconvertisseur immergé dans un agent caloporteur se trouvant dans un récipient étanche creux, et un concentrateur d'énergie solaire situé sur le trajet du rvyonnement arrivant à la surface de travail du photoconvertisseur, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que le fluide caloporteur occupe seulement une partie du volume de la cavité du récipient. La construction proposée pour le module photoélectrique solaire assure un accroissement de son rendement grâce au refroidissement efficace du photoconvertisseur selon le principe du thermosiphon, sans pertes supplémentaires d'énergie électrique, et permet de réduire le poids du module de 30-40 96. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec référence aux dessinsunique non limitatif annexés dans lequel - la figure 1 représente le module phtoélectrique solaire conforme à l'invention, avec un réflecteur à miroir parabolique et un contre-réflecteur disposé hors du récipient étanche (vue en coupe longitudinale) - la figure 2 représente le même module que la figure 1, mais dans lequel le contre-réflecteur est disposé sur la paroi du récipient étanche; - la figure 3 représente le même module, mais dans lequel le contre-réflecteur est réalisé sous forme d'un guide de lumière. Le module photoélectrique solaire représenté sur la figure 1 comporte un récipient creux étanche 1 comportant des parois concave et convexe 2, 3, respectivement, et dans la partie inférieure de la cavité interne 4 duquel est disposé un photoconvertisseur 5 immergé dans un fluide caloporteur transparent 6 à basse température d'ébullition (par exemple du fréon-113, dont la température d'ébullition est 47,50) Le volume occupé par le fluide caloporteur 6 dans la cavité 4 est suffisant pour que le photoconvertisseur 5 soit entièrement immergé dans le fluide caloporteur 6. La paroi concave 3 du récipient 1 est réalisé sous forme d'un réflecteur à miroir parabololdal(que l'on appellera dans la suite de la description, "réflecteur à miroir 3"). A cet effet, sur la surface interne de cette paroi est porté un revêtement réflecteur 7, par exemple une couche mince d'aluminium déposée par vaporisation. Extérieurement au récipient 1, en regard du réflecteur à miroir 3, se trouve un contre-réflecteur à miroir plan 8, qui est orienté de telle façon que le rayonnement solaire 9 concentré par le réflecteur 3 arrive au contre-réflecteur 8 et soit dirigé par ce dernier vers la surface de travail 10 du photoconvertisseur 5. Dans le réflecteur à miroir 3, pour le passage du flux du rayonnement réfléchi, est ménagée une fenêtre transparente Il en regard de la surface de travail 10 du photoconvertisseur 5. Le réflecteur à miroir 3 et le contre-réflecteur 8 forment ensemble un concentrateur d'énergie solaire. Le photoconvertisseur 5 comporte des bornes de connexion électrique 12 disposées à l'extérieur du récipient 1 tout en présentant son étanchéité, et raccordées aux bornes d'une charge 13. La variante de module photoélectrique solaire représentée sur la figure 2 diffère de la variante précédente par la construction du concentrateur. Dans ce cas, le revêtement réflecteur 7 est porté sur la surface interne, orientée vers le rayonnement solaire 9, de la paroi convexe 2 du récipient 1, et sa paroi opposée 14 est elle aussi convexe. Sur la portion de la surface interne de la paroi transparente 14 est réalisé le contre-réflecteuR 14, qui dirige le rayonnement concentré par le réflecteur paraboidal vers la surface de travail 10 du photoconvertisseur 5 se trouvant dans la partie inférieure de la cavité 4 du récipient 1. Le contreréflecteur 15 se présente sous la forme d'un revêtement réfléchissant porté sur une portion de la paroi 14. Dans l'exemple de réalisation du module photoélectrique solaire représenté sur la figure 3, à la différence de la variante représentée sur la figure 2, le contre-réflecteur est remplacé, à l'intérieur du récipient 1, par un guide de lumière 16 dont l'entrée se situe dans le foyer du réflecteur paraboldal à miroir, tandis que sa sortie est adjacente à la surface de travail 10 du photoconvertisseur 5. Le module photoélectrique solaire fonctionne de la façon suivante Le rayonnement solaire 9 (figure 1) tombant sur le réflecteur paraboldal à miroir 3 est réfléchi vers le contre-réflecteur 8, qui dirige le rayonnement focalisé 9 vers la surface de travail 10 du photoconvertisseur 5. L'énergie électrique fournie par le photoconvertisseur 5 est fournie par l'intermédiaire des bornes 12 à la charge 13. Alors le fluide caloporteur entre en ébullition et s'évapore. Les vapeurs produites par le fluide caloporteur montent ,sont condensées sur la surface interne des parois 2, 3 du récipient étanche 1 et s'écoulent vers la partie inférieure du récipient 1, en assurant un refroidissement efficace du photoconvertisseur 5. C'est-à-dire que le refroidissement du photoconvertisseur est réalisé par un liquide en ébullition selon le principe d'un thermosiphon en utilisant la surface des parois du récipient 1 pour la condensation du fluide caloporteur 6 et l'évacuation de la chaleur à l'atmosphère. Les variantes du module photoélectrique solaire représentées sur les figures 2, 3 fonctionnent de la méme façon que la variante illustrée sur la figure 1. Cependant ces variantes sont caractérisées par une plus grande grande fiabilité grâce à la protection de tous les éléments du module par l'enveloppe du récipient 1 contre l'action du milieu ambiant lors de l'exploitation. Dans le module photoélectrique proposé est assuré un refroidissement efficace du photoconvertisseur, ce qui stabilise la puissance de sortie du module et améliore le rendement du photoconvertisseur de 10-15 %. Un échantillon de module selon la figure 1 a été fabriqué et soumis à des essais. Au cours des essais du module, d'un diamètre de 0,2 m, en verre de 3,5 mm d'épaisseur et rempli de fréon-113, avec une intensité d'insolation de 800 W/m2 et une température de l'air de 180C, le photoconvertisseur de 10 x 10 mm possédait une température égale à 45-500C pour une concentration centuple du rayonnement solaire. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qutà titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit. R E V E N D I C A T I O N Module photoélectrique solaire du type comportant un photoconvertisseur immergé dans un fluide caloporteur transparent se trouvant dans la cavité d'un récipient creux étanche, et un concentrateur d'énergie solaire situé sur le trajet du rayonnement solaire tombant sur la surface de travail du photoconvertisseur, caractérisé en ce que le fluide caloporteur occupe une partie du volume de la cavité du récipient étanche.