Brevet FR2466864A1 — publié le 19810410

L'invention concerne un convertisseur thermophoto- voltalque du type comportant un système optique concentrateur et une chambre formée par un transducteur de rayonnement solaire comprenant une lentille et au moins une cellule photo- voltaïque ou photopile. On sait que le soleil émet de l'énergie sous la forme d'un rayonnement électromagnétique, dont les longueurs d'onde sont comprises essentiellement entre 0,2 et 3 microns. Cepen- dant, les cellules photovoltaïques au silicium présentent un rendement élevé sensiblement dans le spectre compris entre 0,6 et 1 micron, avec un maximum dans la région de 0,85 micron; en dehors de cette plage, ces cellules deviennent chaudes et perdent rapidement leur efficacité. Les convertisseurs actuellement utilisés sont du type à filtres ou d'un type basé sur un principe thermique et, dans les deux cas, ils utilisent une unité de focalisation optique. Les convertisseurs à filtres comprennent essentiellement au moins un filtre qui sélectionne et laisse passer vers une cellule photovoltaïque au silicium le rayonnement solaire dont les longueurs d'ondes sont comprises sensiblement entre 0,6 et 1 micron. Le rayonnement rejeté, qui n'est pas transmis par le filtre, est souvent utilisé pour venir tomber sur une cellule photovoltaïque sensible à ce rayonnement, par exemple une cellule au germanium, directement ou à travers un autre filtre qui, dans ce cas, sélectionne les rayons ayant une longueur d'onde dans la région de 1,6 micron. Les convertisseurs du deuxième type mentionné, basés sur un principe thermique, comprennent essentiellement un radia- teur qui, lorsqu'il est exposé au rayonnement solaire, est chauffé au rouge et émet en direction de la cellule photo- voltalque un rayonnement, de préférence avec un pic d'émission correspondant à celui de la sensibilité maximale de la cellule photovoltaïque elle-m9me- Les convertisseurs mentionnés ci-dessus présentent un certain nombre d'inconvénients. En particulier, pour les convertisseurs à filtres, les cellules peuvent chauffer du fait de rayonnements parasites ou de bruits de fond, par exemple du fait d'un rayonnement qui n'est pas correctement séparé par les filtres. En outre, la portion de bande du rayonnement électromagnétique émis par le soleil, située entre 1,7 micron et l'infini, est mal utilisée et, dans le cas o l'on désire utiliser également le rayonnement à l'in- térieur de cette bande, il est nécessaire de prévoir d'autres filtres et des cellules photovoltaïques correspondantes conçues de façon spécifique, d'o il résulte une augmentation du co t de production qui n'est toutefois par compensée par une augmentation correspondante du rendement du convertisseur. Les convertisseurs du deuxième type chauffent également du fait des bruits de fond et le radiateur lui-même risque d'être endommagé. En outre, le pic d'émission du radiateur est relativement bas et étroit par rapport au spectre total du rayonnement électromagnétique solaire, et la cellule photo- voltaïque associée ne transforme qu'une fraction réduite de l'énergie solaire arrivant sur ce radiateur. L'invention a pour objet un convertisseur thermophoto- voltaïque ne présentant pas les inconvénients précités. Pour cela, elle propose un convertisseur thermophoto- voltaïque qui comporte un système optique concentrateur et un transducteur de rayonnement solaire, équipé d'au moins une lentille et d'au moins une cellule photovoltaïque, caractérisé en ce que ce transducteur comprend au moins un radiateur dont une surface rayonnante est sensiblement en regard d'une sur- face sensible de la cellule photovoltaïque, et un filtre sélectif disposé entre la cellule photovoltaïque et le radiateur. L'invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription détaillée, donnée à titre d'exemple, d'une forme de réalisation préférée, en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue latérale, en coupe partielle, d'uin convertisseur thermophotovoltaîque selon l'invention; et - la figure 2 est une vue en coupe à' plus grande échelle d'un détail de la figure 1. Sur la figure 1, la référence 1 désigne dans son ensemble un convertisseur thermophotovoltaïque comportant une lentille 2 capable de concentrer sur une cellule photovoltaïque 4, à travers un transducteur 3, le rayonnement électromagnétique émis par le soleil. Le transducteur 3 (figure 2) comprend un corps 5 sensiblement en forme de coupe, un filtre 6 et deux radiateurs 7 et 8. Le corps 5 et le filtre 6 délimitent intérieurement une chambre 9 qui contient les radiateurs 7 et 8 et qui, de préférence. est maintenue sous vide. Le corps 5 a une paroi latérale tronconique 11 qui, sur le côté de plus grande section transversale, s'élargit en un rebord radial 12 s'étendant vers l'extérieur. Sur le côté de plus petite sec- tion transversale, le corps 5 a une paroi de base 13 qui comprend, dans sa partie centrale, une lentille 14 en forme de ménisque holoaplanétique,sensiblement de forme hémisphé- rique et dont la concavité est tournée vers l'intérieur du transducteur 3. De préférence, cette lentille 14 est en verre et sa surface tournée vers la lentille 2 est recouverte d'une couche de matière antiréfléchissante (non représentée sur le dessin). L'intérieur du corps 5, qui peut Atre en quartz ou en métal, et de façon plus précise les faces internes des parois Il et 13, sont revêtues d'une couche 15 de matière réfléchissante, qui est de préférence plaquée or et présente une ouverture circulaire en correspondance avec la lentille 14. LE filtre 6, qui est disposé entre la cellule photovoltaïque 4 et la lentille 14, comporte une lentille 17 pratiquement de forme hémisphérique, dont la concavité est tournée vers la surface interne de la paroi 13. Cette lentille 17 présente vers l'intérieur une zone surélevée 18 qui, dans la vue en coupe de la figure 2, a une forme de cuspide. En outre, le filtre 6 comporte une couche 21 d'une-matière qui est sélec- tive pour une bande de fréquence prédéterminée d'un rayonne- ment électromagnétique et qui est déposée sur la surface de la lentille 17 tournée vers la surface interne de la paroi 13. Le radiateur 7, qui est de préférence en tungstène, en zir- conium ou oxyde d'ytterbium, a sensiblement la forme d'un entonnoir et est disposé entre le filtre 6 et la lentille 14 de façon que sa concavité soit tournée vers la. lentille 17. Le radiateur 8, qui est essentiellement de forme annulaire et est de préférence en acier nickel-chrome, est disposé entre la paroi de base 13 et le radiateur 7 et présente-un trou central 22 en correspondance avec la lentille 14 de façon à' ne pas gêner le passage du rayonnement électromagnétique de la lentille 14 vers le filtre 17 et ainsi vers la cellule 4. 4 2466864 Les lentilles précitées 2,14 et 17 sont en une matière qui, notamment, ne gêne pas le passage du rayonnement solaire dont les longueurs d'onde sont comprises entre 0,6 et 1 micron. Le convertisseur thermophotovoltalque 1 ainsi conçu fonctionne comme suit: Un rayonnement électromagnétique ayant une longueur d'onde comprise entre 0,6 et 1 micron passe à travers le filtre 6 et vient frapper la cellule photovoltaîque 4. Le rayonnement rejeté, notamment celui ayant une longueur d'onde comprise entre. 0,2 et'0,6 micron et entre 1 et 3 microns,est renvoyé vers le radiateur 7. Ce dernier rougit et rayonne selon la loi de Planck un spectre compris entre 0 et l'infini. Ce dernier rayonnement est soumis à une sélection par le filtre 6, qui,-à nouveau, ne permet le passage que du rayonne- ment compris entre 0,6 et 1 micron, renvoyant vers le radiateur 7 le rayonnement rejeté, etc. Le radiateur 8 reçoit le rayonne- ment rejeté par le filtre 6 et venant-frapper le radiateur 7, et à' nouveau, ce dernier rayonne selon la loi de Planck comme il a été indiqué ci-dessus. Tout rayonne-ment qui ne frappe pas les deux radiateurs 7 et 8 ne traverse pas le corps 5 du fait qu'il est repoussé par la couche 15. Les avantages procurés par l'invention sont évidents en particulier, le rayonnement électromagnétique émis par le soleil et dont les longueurs d'onde sont comprises pratiquement entre 0,2 et 0,6 micron et entre 1 et 3 microns, en conséquence le rayonnement rejeté par le filtre 6,est transformé par les' radiateurs 7 et 8 ainsi que par le filtre 6, en un rayonnement ayant une longueur d'onde comprise entre pratiquement 0,6 et 1 micron. En conséquence, la cellule photovoltaïque au silicium 4 n'est soumise qu'à un rayonnement compris entre 0,6 et 1 micron, rayonnement dont l'intensité est supérieure à celle provenant directement du soleil, d'o il résulte un accroisse- ment considérable du rendement de transduction global. REVENDICATIONS 1. Convertisseur thermophotovoltalque comportant un système optique concentrateur et un transducteur de rayonnement solaire, équipé d'au moins une lentille et d'au moins une cellule photovoltaïque, caractérisé en ce que ce transducteur comprend au moins un radiateur (7,8) dont la surface rayonnante est sensiblement en regard d'une surface sensible de la cellule photovoltaique (4) tournée vers l'intérieur du trans- ducteur, et un filtre sélectif (6) disposé entre la cellule photovoltaique (4) et le radiateur (7,8). 2. Convertisseur selon la revendication 1,.caractérisé. en ce que ce filtre (6) comporte une lentille auxiliaire (17) de forme sensiblement hémisphérique, revêtue d'une couche (21) de matière sélective sur sa surface du côté tourné vers la surface rayonnante du radiateur (7,8). 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille auxiliaire (17) est raccordée de façon étanche au fluide à un corps (5) contenant le transducteur et délimite avec ce dernier une chambre (9) à l'intérieur de laquelle se trouve le radiateur (7,8). 4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette chambre (9) est maintenue sous vide. 5. Convertisseur selon une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la couche (21) de matière sélective permet le passage de radiations dont la longueur d'onde se trouve à' l'intérieur d'une bande appropriée du rayonnement solaire et réfléchit les radiations à l'extérieur de cette bande. 6. Convertisseur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la lentille auxiliaire (17) a une zone centrale (18) sensiblement surélevée disposée sur sa surface tournée vers la surface rayonnante du radiateur (7,8). 7. Uonvertisseur selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le radiateur (7) est en forme d'entonnoir avec son côté de plus grande section transversale tourné vers le filtre sélectif (6). 8. Convertisseur selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le radiateur (7) est en tungstène0 9. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le radiateur (7) est en zirconium. 10. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le radiateur (7) est en oxyde d'ytterbium. 11. Convertisseur selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le transducteur comporte un radiateur auxiliaire (8) sensiblement annulaire disposé entre le premier radiateur (7) et la lentille (14). 12. Convertisseur selon la revendication 11, caracté- risé en ce que le radiateur auxiliaire (8) est en acier nickel- chrome. 13. Convertisseur selon l'une des revendications 3 à' 12, caractérisé en ce que la surface interne du corps conteneur (5) est revêtue d'une couche métallique (15) réfléchissant le rayonnement. 14. Convertisseur-selon l'une des revendications pré_ cdentes, caractérise en ce que la cellule photovoltaïque (4) est du type au silicium.