Brevet FR2514564A1 — publié le 19830415

MODULE PHOTOEt##TRIQUE SOLAIRE L'invention concerne les dispositifs de conversion de lténergie solaire en énergie électrique et plus parti culièrement un module photoélectrique solaire. On connait déjà un module photoélectrique solaire dans lequel des cellules photovoltaïques ont deux surfaces utiles et sont placées sur la moitié de l'ouverture d'entrée d'un réflecteur concave, ou réalisé, par exemple,sous la forme d'un angle dièdre (voir brevet Fiance n0 2342558) . Le rayonnement s o 1 a i r e incident se divise en deux parties: la première éclaire la surface utile avant de la cellule photovoltaique,alors que la deuxième partie, après la réflexion, éclaire la surface.utile arrière de la cellule photovoltaïque. Dans ce module, la cellule photovoltaique a un faible rendement (puissance peu importante) par suite d'un éclairage unique des surfaces utiles par la lumière solaire non concentrée, En outre , les deux surfaces utiles reçoivent un rayonnement solaire de meme composition spectrale ce qui ne permet pas d'utiliser dans ce module les cellules photovoltaïques dont les surfaces utiles ont une sensibilité spectrale différente. On connait également un module photoélectrioue S0- laire qui comporte deux c ncentrateurs du rayonnement solaire et, placée entre eux, une cellule photovoltaique à deux surfaces utiles, alors aue la cellule photovoltaïque est mise sous une enceinte de verre réalisée sous la forme d'une lentille et remplie d'un liquide transparent (voir brevet US ns 41466407).Dans ce cas, il y a des pertes sensibles du rayonnement lors du passage multiple à travers les surfaces optiques des éléments concentrateurs et le module est caractérisé par une grande masse et un encombrement important Dans cette struc- ture, les deux surfaces utiles reçoivent également un rayonnement solaire concentré de même composition spectrale ce qui limite le domaine d'utilisation dudit module. On connait aussi un module photoélectrique sQ- laire qui comporte un élément de disDersion sous la forme d'un prisme à travers lequel passe le rayonnement solaire qui est décomposé en composantes spectrales, alors quten aval du prisme, suivant la marche du rayonnement sont placées des cellules photovoltaïques à sensibilité spectrale différente (voir le certificat d'auteur URSS n0 320861, et le brevet.US n0 4021267). Dans ce cas, chaque cellule photovoltaïque p r é s e n t e sa s u r f a c e utile au faisceau de rayonnement dont la longueur d'onde correspond au maximum de la sensibilité spectrale de la cellule photovoltaïque donnée. Dans ce module connu ltélément de dispersion ne réalise que la décomposition de la lumière solaire en composantes spectrales sans concentrer le rayonnement décomposé. Pour élever le degré de concentration on uti Lise en plus un concentrateur du rayonnement décomposé ce qui complique le module. Enfin, on#oennait un module photoélectrique solaire qui comporte un élément de dispersion réalisé sous la forme d'une série de concentrateurs de rayonnement solaire, (lames à faces parallèles a' centres fluorescents), et disposées en aval, suivant la marche du rayonnement, des cellules photovoltaiques a sensibilité spectrale diffé rente (voir brevet RFA n0 2629641) . L e s centres fluorescents absorbent un domaine déterminé du rayonnement solaire et le retransmettent dans le domaine d'ondes plus longues du spectre. Par suite de la réflexion interne totale, le rayonnement fluorescent se propage à l'intérieur de la lame vers ses faces en bout.Afin de sortir le rayonnement concentré depuis une face en bout de sortie, tous les autres faces en bout ont un re veternent refléchissant.Chaque cellule photovoltaïque regarde par sa surface utile l'extrémité de sortie de la lame dont la longueur d'onde du faisceau concentré du rayonnement correspond au maximum de la sensibilité de la cellule photovoltaïque regardant ladite face en bout. Ce module est caractérisé par des pertes d'éner-. gie notables dues en particulier aux pertes du rayonnement fluorescent incident sur l'interface lame-air sous un anale inférieur à l'angle limite de la réflexion interne totale. En outre ,, chaque cellule photovoltaïque exige un concentrateur de rayonnement solaire à part ce qui rend plus compliqué le module. L'invention vise à fournir une structure de module photoélectrique solaire qui assurerait un haut rendement de la conversion de lfiénergie solaire, un haut coefficient d'utilisation du matériau de la cellule photovoltaïque et qui serait suffisamment simple. S--e 1 o n 1 ' i n v e n t i o n, l e module photoélectrique solaire comporte un élément de dispersion qui reçoit le rayonnement solaire et, placées en aval suivant la marche du rayonnement, des cellules photovoltaques à sensibilité spectrale différente tournées chacune par sa surface utile vers le faisceau de rayonnement dont la longueur d'onde correspond au maximum de la sensibilité de la cellule photovoltaïque, et ledit#odule e s t c a r a c t é r i s é en ce que l'e lé- ment de dispersion est réalise sous la forme d'un hologramme des sources de lumiere à longueurs tondes dié- rentes suivant le nombre de domaines spectraux utilise et en ce que chaque cellulephotovoltaïegue est placée dans le plan d'image de la source de lumière à longueur d'onde respective. Afin d'élever le coefficient d'utilisation du ma- tériau de la cellule photovoltaïque, il est avantageux de re aliser dans le module photoélectrique ou des cellules photovoltaiques ont deux surfaces utiles a sensibilité spect rale différente un hologramme constitué de deux parties, dont la première, disposée en face des premières surfaces utiles, est un hologramme transparent des sources de lumière à les longueurs d'ondes correspondent aux maxima des sensiblbilités spectrales de ces surfaces utiles, alors que la deuxième partie dispose en face des secondes surfaces utiles, est un hologramme réfléchissant des sources de lumière dont les longueurs d'onde correspondent aux maxima des sensibilités spectrales des secondes surfaces utiles des cellules photovoltaïques. L'utilisation du module photoélectrique solaire qui décompose et concentre d'une façon indépendente les différents domaines spectraux du rayonnement solaire sur les cellules pbotovoltaïques à sensibilité spectrale dif férente dont chacune est tournée par sa surface utile vers le faisceau de rayonnement à longueur d'onde correspondant au maximum de sa sensibilité élevé le rendement de la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Ceci entraine à son tour une économie du matériau semi-conducteur onéreux et une réduction du court d'une unité de puissance de L'énergie électrique produite. Gracie à l'utilisation d'un hologramme des sources de lumière la construction du module photoélectrique solaire se trouve sim plifié, son encombrement et sa masse diminuent, le procédé de fabrication devient plus simple. L'invention ressortira de la description ultérieure des variantes de son exécution schématisées sur le dessin ci-annexé dans lequel la figure 1 représente schématinuement un module photoélectrique solaire avec cellules photovoltaiques disposées l'une après l'autre suivant la marche du rayonnement solaire; la figure 2 représente une variante d'un module photoelectrique solaire avec cellules photovoltaiques disposées en un plan; la figure 3 représente une variante d'un module pho toélectrique solaire avec cellules photovoltaïques à deux surfaces utiles. Le module photoélectrique solaire comporte un élément de dispersion se présentant sous la forme dtun hologramme I (fia. l) des sources de lumière a longueurs d'ondes différentes et, disposées en aval de cet élément suivant la marche du rayonnement solaire, des cellules photovoltaïques 2, 3, 4 à sensibilité spectrale diffé- rente. L'holoeramme 1 peut être du type transparent ou réfléchissant, bi-dimensionnel ou tridimensionnel. Son réseau de diffraction contient l'information sur la longueur d'onde, la forme et la disposition des sources de lumière par rapport à la surface de l'tiologramme, autrement dit les caractéristiques des sources de lumière au moment de formation de la structure du réseau de diffraction. Ltholorramme 1 contient l'information sur les sources de lumière disposées l'une après l'autre en stéloig- nant de l'hologramme. Les cellules photovoltaïques 2, 3, 4 sont disposées chacune dans le plan d'image de la source de lumière à longueur d'onde correspondant au maximum de la sensibilité de la cellule photovoltaïque, c'est-à-dire dans cette construction du module les cellules photovoltaques se disposent l'une après l'autre suivant la marche du rayonnement. ~L'hologramme 1' (fiv. 2) diffère de l'hologramme 1 représenté sur la figure 1 par le fait qu'il contient l'information sur les sources de lumière disposées dans le meme plan à une distance quelconque l'une de l'autre. Respectivement, dans cette variante du module solaire, les cellules photovoltaïques 2, 3, 4 se disposent dans le me#me plan d'image de ces sources de lumière Dans le module photoélectrique solaire représenté sur la figure 3, l'hologramme 1 des sources de lumière est constitué par deu parties un hologramme 5 de type transparent et un hologramme 6 du type xéYlrchissant, alors que des cellules photovoltaïques 7, 8 et 9 ont cha cune deux surfaces utiles à sensibilité spectrale différente.Les images des sources de lumière à longueurs d'onde différentes (taches focales) créées par l'hologramme transparent 5 cotncident par paires avec les images des sources de lumière a longueurs d'onde différentes créées par l'ho- logramme réflécisant 6. Les cellules photovoltaïques 7, 8 et 9 sont placées dans le plan de coincidence des taches focales formées par les hologrammes 5 et 6 et tournées chacune par sa surface utile vers le faisceau du rayonnement concentré à longueur d'onde correspondant au maximum de la sensibilité de cette surface utile de la cellule photovoltaïque.Du point de vue structure, l'hologramme 1 ou 1 peut entre réalisé sous la forme d'une couche de matériau disposée sur une plaque rigide transparent à géométrie de surface aléatoire. L'hologramme 1 des sources de lumière est un reseau de diffractinn complexe. En y passant les composantes du rayonnement solaire à longueurs d'onde différentes sont en intéraction avec lui en déviant de telle façon qu'il se forme une image de la source de lumière de la longueur d'onde donnée. Les paramètres du rcseau de diffraction sont choisis lors de la formation du hologramme par enregistrement des images d'interférences, conformément au nombre de domaines spectraux utilises, à l'aide de deux faisceaux du rayonnement monochromatique. Les longueurs d'onde des faisceaux du rayonnement monochromatique correspondent aux maxima de sensibilité des surfaces utiles des cellules pho tovoltarques. Le dispositif Ponctionne de la façon suivante. Dans le module photoélectrique solaire représenté sur la figure 1, l'hologramme 1 peut être réalisé bidimensionnel à partir d'une source de lumière. A l'éclairage d'un tel hologramme bidimensionnel, la lumière solaire se décompose grace à la diffraction en composantes spectrales et se concentre simultanement en formant un groupe de focus successifs de l1infra-rouge à l'ultra-violet à mesure de ltéloignement du plan du hologramme. Les cellules photovoltaïques 2 à 4 à sensibilité spectrale différente placées dans les plans facaux des longueurs d'ondes respectives reçoivent un rayonnement concentré au maximum. L'holorramme tridimensionnel du tyDe transparent ou réfléchissant ne réalise la diffraction que de la partie du spectre du rayonnement solaire qui répond à la loi de Bragg pour les paramètres choisis du réseau de diffraction. Dans le module photoélectrique solaire représenté sur la figure 3, l'hologramme transparent tridimensionnel 5 concentre sur les surfaces utiles supérieures des cellules photovoltaïques 7, 8 et 9 trois domaines différents du spectre solaire. L'autre partie du spectre solaire traverse l'hologramme 5 sans avoir d'interaction avec lui et incide sur l'hologramme réfléchissant 6. Avec cette partie du spectre solaire, lthologramme 6 concentre trois autres domaines du spectre solaire sur les surfaces utiles infé- rieures des cellules photovoltaïques 7, 8 et 9. Ainsi, se réalise une concentration séparée des différents domaines du spectre de rayonnement solaire sur deux surfaces utiles des cellules photovoltaïques 7 à 9 A sensibilité spectrale différente, En ce cas, on obtient une combinaison optimale des paramètres du concentrateur et du récepteur du rayonnement solaire. REVENDICATIONS 1. Module photoélectrique solaire qui comporte un élément de dispersion qui reçoit le rayonnement solaire et, place'es en aval de cet élément suivant la marche du rayonnement, des cellules photovoltaïques (2, 3, 4) à sensibilité spectrale diiférente tournées chacune par sa surface utile vers le faisceau de rayonnement dont la longueur d'onde correspond au maximum de la sensibilité de la cellule photovoltaïque c a r a c t é r i s é en ce que l'élément de dispersion est realisé sous la forme d'un holo#ramme(l)des sources de lumiere à longueur d'onde différente suivant le nombre de domaines spectraux utili sés,et en ce que chaque cellule photovoltaique(2, 3, 4)est placée dans le plan d'image de la source de lumière à longueur d'onde respective. 2. Module photnélectrique solaire, conformément à la révendication 1, dans lequel Les cellules photovoltaïques(7, 8, 9) ont deux surfaces utiles à sensibilité spectrale différente, c a r a c t é r i s n en ce que l'hologramme(l)est constitué de deux parties, la première partie, disposée en face des premières surfaces utiles, étant un hologramme transparent(5)des sources de lumière dont les longueurs d'onde correspondent aux maxima des sensibilités spectrales de ces surfaces utiles, alors que la deuxième partie, disDosée en face des secondes surfaces utiles, est un hologramme réfléchissant(6)des sources de lumière dont les longueurs d'onde correspondent aux maxima des sensibilités spectrales des secondes surfaces surfaces utiles des cellules photovoltaïques(7, 8, 9).