Brevet FR2525394A1 — publié le 19831021

La présente invention concerne les cellules photo voltaiques, ou photopiles. On connait déj depuis de nombreuses années des cellules formées d'un matériau semi-conducteur présentant une jonction PN apte à transformer un rayonnement lumineux en électricité, selon le principe dit d'effet photovoltaique. De telles cellules photovoltaiques1ou photopiles,sont couramment constituées par des disques, par exemple de silicium, de quelques centimètres de diamètre et de quelques Qixièmesde millimetres d'épaisseur. Une jonction PN est réalisée sur l'une des faces dites face. avant; une grille métallique collectrice est disposée sur cette face avant, alors que la face arrière est completement métallisée. Pour rendre utilisables sur le plan pratique,de telles cellules photovoltaiques, on a proposé de réaliser des modules constitués d'une pluralité de cellules photovoltaiques connectées entre elles, par exemple en série. Les modules de cellules photovoltaiques qui ont été jusqu'ici proposés, sont réalisés par encapsulation des cellules photovoltaiques dans une résine souple, telle qu'une résine silicone transparente, de préférence stabilisée aux ultra-violets, qui est déposée sur un support polyester, ou enserrée entre deux plaques de verre, ou une plaque de verre et une plaque d'aluminium isolée. On a cependant constaté que de tels modules présentent de nombreux inconvénients. En particulier les résines du type silicone sont chères. Il s'avère en effet que malgré les nombreuses recherches qui ont été menées dans le domaine des modules solaires, et en particulier des modules à cellules photovoltaiques, pour réduire le volume de résine utilisé, le prix de la résine employée pour la réalisation d'un module représente une part non négligeable du coût total de réalisation de celui-ci. De plus, de telles résines sont difficiles à mettre en oeuvre et demandent du personnel spécialisé. D'autre part les cellules photovoltaiques étant totalement encapsulées dans la résine, on comprend aisément que toute réparation du module est délicate. Enfin, on a fréquemment constaté que, les différentes cellules photovoltalques composant un panneau ne présentant pas rigoureusement les mêmes caractéristiques, il arrive que certaines desdites cellules photovoltalques se comportent non point en générateur, mais en récepteur, du fait qu'elles se trouvent polarisées en inverse ; dans un tel cas, les cellules photovoltalques en question chauffent, ce qui provoque la création de boursouflures dans la couche de résine enveloppant la cellule photovoltalque déficiente, jusqu'à provoquer une dete- rioration du panneau qui rend totalement inutilisable celui-ci. La présente invention vient maintenant proposer un nouveau module de cellules photovoltalques qui résout les inconvénients précédemment cités. Le module conforme à la présente invention comprend une cuvette généralement plane en tôle, émaillée intérieurement et de couleur claire, une plaque rigide transparente fixée sur la cuvette au niveau du contour d'ouverture de celle-ci, pour définir avec la cuvette une chambre étanche, un liquide transparent qui remplit la chambre formée par la cuvette et la plaque rigide transparente, ainsi qu'une pluralité de cellules photovoltalques plongées dans le liquide, fixées sur la base plane de la cuvette et reliées entre elles par des connexions électriques dont deux au moins sont accessibles à l'extérieur du module. La plaque rigide transparente est de préférence une plaque de verre ou de matière synthétique. Selon une variante de réalisation, la plaque rigide transparente est collée sur le contour de la cuvette, à l'aide d'une colle souple. De même, les cellules photovoltaiques sont collées sur la base plane de la cuvette. De façon avantageuse, le liquide qui remplit ladite chambre étanche présente un coefficient de conduction thermique élevé et un bas point de congélation. Selon un exemple de réalisation préférentiel, le liquide contient de l'éthylènegly- col. Selon une autre variante de réalisation, le liquide contient un composé apte a absorber les radiations electromagné- tiques dont la longueur d'onde est située hors du spectre de sensibilité des cellules photovoltalques, et à réémettre des radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde est plus proche du maximum de sensibilité des cellules photovoltaiques. La présente invention s'étend également aux panneaux solaires comprenant une pluralité de modules du type précité, allongés horizontalement et inclinés sur la verticale de telle sorte que la plaque rigide transparente soit dirigée vers le haut, les modul2s étant espacés entre eux ; d'autre par, le panneau se complète d'éléments intercalés entre lesdits modules, sensiblement horizontalement allongés, inclinés sur la verticale symétriquement par rapport aux modules et dont la surface inférieure est douée de propriétés rétro-diffusantes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, qui doivent être considérés comme incorporés à la description par la référence qui leur est faite ici, et sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un module de cellules photovoltaiques conforme à la présente invention, - la figure 2 représente une vue en coupe transversale du module de la figure l,selon le plan de coupe référencé Il-Il sur cette figure, - la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale de l'extrémité du module représenté sur la figure 1, - la figure 4 représente une vue schématique en coupe verticale transversale d'un panneau représentant un exemple de mise en oeuvre de l'invention. Comme cela est représenté sur la figure 1, le module 1 de cellules photovoltaiques conforme à la présente invention comprend une cuvette 10 généralement plane, en tôle, émaillée au moins intérieurement et de couleur claire. Accessoirement, ladite cuvette en tôle peut être émaillée sur la totalité de sa surface. Selon un exemple de réalisation préférentiel, la cuvette 10 en tôle, est recouverte d'une couche d'émail de couleur blanche. Plus précisément, la cuvette 10 se compose d'une base plane rectangulaire 11 ou fond de la cuvette, et de rebords 12 en saillie d'un côté de la base 11 à la périphérie de celle-ci. Une plaque rigide transparente 50 est fixée sur la cuvette 10, au niveau du contour d'ouverture de celle-ci défini par les rebords 12. La plaque rigide transparente 50 est une plaque de verre, et de préférence de verre trempé, ou de matière synthétique. Le mode de fixation de la plaque rigide transparente S0 sur le contour de la cuvette 10, doit être tel que ladite plaque rigide transparente 50 définit avec la cuvette, une chambre parfaitement étanche, destinée à recevoir un liquide transparent 40. D'autre part, comme cela est représenté sur la figure 1, une pluralité de cellules photovoltalques 30 sont plongées dans le liquide et fixées sur la base plane 11 de la cuvette 10. Sur la figure 1, on a représenté quatre cellules photovoltaiques 30 en forme de disques. Bien entendu, le nombre et la forme desdites cellules photovoltaiques 30, pourront être choisis quelconque. Comme cela est plus précisément représenté sur la figure 2, sur laquelle on retrouve la cuvette 10 formée d'une base plane 11 et de rebords 12, ainsi que la plaque rigide transparente 50, les cellules photovoltaiques 30 sont de préférence collées sur la base plane 11 de la cuvette 10, à l'aide d'une goutte de colle appropriée (schématiquement représentée 61 sur la figure 2), telle qu'une colle à base d'élastomère silicone à réticulation par l'humidité. De préférence, la plaque rigide transparente 50 est collée sur la cuvette 10 (comme cela est schématiquement repré senté sur les figures 2 et 3), # 1l'aide de toutes colles appropriée De façon avantageuse, la colle utilisée pour assurer la fixation de la plaque rigide transparente 50 sur la cuvette 10 est une colle souple, de façon à absorber aisément les dilatations thermiques de la cuvette 10 et du liquide transparent contenu dans la chambre étanche formée par la cuvette 10 et la plaque rigide transparente 50. Selon un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple non limitatif, la colle utilisée est un élastomère de silicone à réticulation par l'humidité (réaction acétique) éventuellement additionné de fongicide pour éviter l'attaque dans le temps par les champignons. La tenue en température d'une telle colle est de l'ordre de -600C à + 2500C. Cette colle adhère sur la plaque rigide transparente 50 et l'émail recouvrant la tôle de la cuvette 10, reste souple et donc absorbe les éventuelles dilatations du liquide de remplissage.Par contre, cette colle ne résiste pas à une température de l'ordre de 3000C, température qui peut facilement être atteinte à l'aide d'un fer à souder classique utilisé dans le domaine de l'électronique, ce qui rend particulièrement aisé le démontage du module, de façon à accéder aux cellules photovoltaiques 30 et procéder éventuellement ainsi au dépannage du module. Des essais au cours desquels on a utilisé de la colle vendue par la Société "Dow Corming Vending" sous la marque AQUARIA ont donné pleinement satisfaction. On a schématiquement représenté sur la figure 1 la grille métallique collectrice 31 réalisée sur la face avant des photopiles 30. Lesdites cellules photovoltalques 30 sont reliées entre elles par des connexions électriques 32. Plus précisément, les connexions électriques 32 relient la grille métallique 31 d'une cellule photovoltalques 30, à la face arrière complètement métallisée de la cellule photovoltaïque 30 qui lui est adjacente, et ainsi de suite, de façon à connecter en série les différentes cellules photovoltalques 30 composant le module.Bien entendu, il est également possible de concevoir un branchement des cellules photovoltalques 30 en parallèle, le mode de connexion particulier établi entre les cellules photovoltalques 30 doit être déterminé en fonction des caractéristiques souhaitées pour le module. Comme cela apparait également sur la figure 1, les connexions électriques extrêmes 33 reliées respectivement à la grille métallique collectrice de l'une des cellules photovoltalques extrêmes, et à la face arrière complètement métallisée de l'autre cellule photovoltalque extrême sont accessibles à ltextérieur du module, de façon à relier le module de cellule photovoltalque, sur toutes charges appropriées, telles qu'un régulateur de charge , un accumulateur ou un dispositif récepteur. Comme cela apparait sur la figure 3, le Demandeur a constaté que pour réaliser de façon simple le passage desdites connexions électriques 33 entre le rebord 12 de la cuvette 10 et la plaque rigide transparente 50, tout en réalisant une étanchéité parfaite de la chambre définie entre la cuvette 10 et la plaque rigide transparente 50, il était avantageux de concevoir les connexions de sortie 33, sous forme de fils plats qui longent la surface intérieure et extérieure dudit rebord 12, et sont noyés dans la colle 60 destinée à assurer la fixation de la plaque rigide transparente 50 sur la cuvette 10. Selon une autre variante de réalisation avantageuse non représentée, les connexions de sortie 33 peuvent être formées de boulons isolés qui traversent la tle composant la cuvette 10. De prererence, le Liquide 40 présente un coefficient de conduction thermique élevé, de façon à répartir correctement la chaleur susceptible d'être dissipée par certaines des cellules photovoltalques 30 et éviter un échauffement excessif de celles-ci. D'autre part, il est avantageux que le liquide 4G présente un bas point de congélation. Le Demandeur a en particulier constaté qu'un remplissage de la chambre étanche défInie entre la plaque rigide transparente 50 et la cuvette 10 à l'aide d'éthylèneglycol, donnait pleinement satisfaction. On comprend aisément que le module conforme à la présente invention élimine totalement les différents inconvénients relevés sur les modules de cellules photovoltaiques classiques. En particulier, le liquide 40 tel que l'éthylene- glycol, ou même de l'eau, susceptible d'être utilisé est couramment disponible dans le commerce et particulièrement bon marché. D'autre partr le remplissage du module peut aiment être réalisé, et ne demande pas du personnel spécialisé. Sur ce point, il peut être avantageux de prévoir au niveau de la base plane 11 de la cuvette 10 au ~moins un orifice de remplissage et de vidange (référencés 13 et 14), qui peut être obturé, lors de l'utilisation à l'aide de tous bouchons en élastomère, classiques appropriés. De plus, le module peut aisément être réparé puisqu'il suffit de désolidariser la plaque rigide transparente 50 de la cuvette 10 pour accéder aux cellules photovoltaiques 30. Enfin, le liquide contenu dans ladite chambre étanche permet d'une part d'assurer une répartition thermique sensiblement homogène dans le module, d'autre part, d'absorber les sollicitations mécaniques appliquées sur le module, et éviter ainsi que des contraintes mécaniques ne soient appliquées sur les cellules photovoltai"ques,ce qui permet de manipuler les modules conformes à la présente invention beaucoup plus aisément que les modules antérieurement proposés, dans lesquels les cellules étaient-encapsulées dans une couche de résine silicone, et pour lesquels il convenait de prendre de grandes précautions lors de la manipulation pour éviter les détériorations. D'autre part, on sait que l'émission de rayonnement électromagnétique produit par le soleil, s'effectue suivant un spectre de longueur d'onde, réparti sensiblement comme suit 3 % inférieur à 0,3ytm (ultra-violet), 42 % compris entre 0,3 et 0,7 m (lumière visible), 55 % supérieur à 0,7 m (infrarouge). Alors que, d'une façon générale, les cellules photo voltalques présentent un maximum de sensibilité pour des longueurs d'onde situées dans le domaine de la lumière visible (0,3 à 0,7ytm). Ainsi, les cellules au sélénium présentent un maximum de sensibilité pour un rayonnement d'une longueur d'onde de l'ordre de 0,6jkm, les cellules au tellurure de cadmium présentent un maximum de sensibilité pour une longueur d'onde de l'ordre de 0,7#in, tandis que les photopiles au silicium présentent plutdt un maximum de sensibilité pour une lontueur d'onde voisine de 0,75 m. D'autre part, on sait que par temps nuageux, le rayonnement électromagnétique reçu, qui provient du soleil , a tendance à s'appauvrir en infrarouge et en rayonnements èlec- tromagnétiques du domaine visible, en partie absorbés par les nuages. Pour ces raisons, il est avantageux que le liquide contienne un composé dit Udopant apte à absorber des radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde est éloignée du spectre sensible des cellules, pour réémettre des radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde est plus proche au maximum de sensibilité des cellules photovoltaiques 30. Plus préci sément, de tels composés devront être aptes à absorber les radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde est sensiblement inférieure à 0,3 > ~m ou sensiblement supérieure à 0,8 m, et à réémettre des radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde est comprise sensiblement dans le domaine visible, c'està-dire entre 0,3 m et 0,8 m. Selon un mode de réalisation avantageux représenté sur la figure 4, on réalise un panneau solaire 70 qui comprend une pluralité de modules 1 conformes au module représentésur la figure 1, allongés sensiblement horizontalement et inclinés sur la verticale, référencée O-O, de telle sorte que la plaque rigide transparente 50 soit dirigée vers le haut, et de telle sorte que les modules 1 soient espacés entre eux. Des éléments 71 horizontalement allongés, inclinés sur la verticale symétriquement par rapport aux modules 1 et dont la surface inférieure est douée de propriétés rétro-diffusantes, sont intercalés entre lesdits modules. On comprend aisément qu'un tel mode de réalisation permet de construire des panneaux solaires sensiblement verticaux et d'épaisseur réduite, et d'autre part, de récupérer, gracie à la surface inférieure douée de propriétés rétro-diffusantes des éléments 71 intercalés, une partie importante des rayonnements électromagnétiques. Bien entendu, l'angle d'inclinaison d'une part des modules des cellules photovoltaiques, d'autre part des éléments horizontalement allongés intercalés entre ceux-ci, doit être déterminé en fonction du lieu d'installation, et de la période d'utilisation. A titre d'exemple des modules 1 pourront être inclinés sur la verticale d'un angle a de l'ordre de 300. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, à partir desquels on pourra envisager de nombreuses variantes de réalisation sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Module de cellules photovoltaiques caractérisé par le fait qu'il comprend une cuvette (10) généralement plane en tôle, émaillée intérieurement et de couleur claire, une plaque rigide transparente (50) fixée sur la cuvette au niveau du contour d'ouverture de celle-ci, pour définir avec la cuvette une chambre étanche, un liquide transparent qui remplit la chambre formée par la cuvette et la plaque rigide transparente, ainsi qu'une pluralité de cellules photovoltavques (30) plongées dans le liquide, fixées sur la base plane (11) de la cuvette (10) et reliées entre elles par des connexions électriques (32) dont deux t33) au moins sont accessibles à l'extérieur du module. 2. Module de cellules photovoltalques selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la plaque rigide transparente (50) est une plaque de verre ou de matière synthétique. 3. Module de cellules photovoltarques selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la plaque rigide transparente (50) est collée sur le contour de la cuvette (10). 4. Module de cellules phatovoltarques selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la plaque rigide transparente (50) est collée sur la cuvette (10) à l'aide d'une colle souple (60). 5. Module de cellules photovoltaiques selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les cellules photovoltaiques (30) sont collées sur la base plane (11) de la cuvette (10). 6. Module de cellules photovoltalques selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le liquide (40) présente un coefficient de conduction thermique élevé. 7. Module de cellules photovoltalques selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par lé fait que le liquide (40) présente un bas point de congélation. 8. Module de cellules photovoltaiques selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le liquide (40) contient de l'éthylèneglycol. 9. Module de cellules photovoltalques selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le liquide (40) contient un composé apte à absorber les radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde est située hors du spectre de sensibilité des cellules photovoltalques (30), et à ré émettre des radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde est plus proche du maximum de sensibilité des cellules photovoltaiques (30). 10. Module de cellules photovoltalques selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il est prévu au moins un orifice (13,14) pour l'introduction et la vidange du liquide (40). li. Panneau solaire comprenant des cellules photo volta#ques, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de modules (1) conformes à la revendication 1, allongés sensiblement horizontalement et inclinés sur la verticale (O-O), de telle sorte que la plaque rigide transparente (50) soit dirigée vers le haut, par le fait que les modules (1) sont espacés entre eux, et par le fait que des éléments horizontalement allongés (71), inclinés sur la verticale symétriquement par rapport au module et dont la surface inférieure est douée de propriétés rétro-diffusantes, sont irtercalés entre lesdits modules.