Brevet FR2644633A1 — publié le 19900921

GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE La présente invention concerne un générateur photovoltalque qui permet de transformer directement en énergie électrique la lumière du soleil. L'invention s'applique notamment à l'alimentation en énergie électrique de bâtiments (maisons solaires par exemple), de stations de pompage d'eau, de radio-balises, de préférence dans les régions fortement ensoleillée. Dans tout ce qui suit, "relié" signifie "électriquement relié". Un générateur photovoltalque comporte au moins un module photovolta;que. Il peut en comporter plusieurs montés en série et/ou en parallèle: sur la figure 1, on a représenté schématiquement un exemple de générateur photovolta;que connu 1 qui comporte une pluralité de groupements 2 de modules photovoltaiques 4 montés en série, ces groupements étant euxmémes montés en parallèle. Ce générateur est destiné à alimenter en énergie électrique des moyens d'utilisation 6 (lampes, appareils domestiques par exemple). Ces moyens d'utilisation 6 sont montés entre les bornes positive + et négative - de l'ensemble des modules 4 du générateur. De façon connue, des moyens 8 d'accumulation de l'énergie électrique produite par le générateur (une batterie d'accumulateurs par exemple) peuvent être montés entre les bornes + et - de cet ensemble de modules, la borne + (respectivement -) des moyens 8 étant reliée à la borne + (respectivement -) de l'ensemble de modules. De plus, le générateur I peut être muni d'un ensemble de régulation 9 comprenant un premier moyen de régulation 10 et un second moyen de régulation 12, la borne + des moyens d'accumulation 8 étant reliée à la borne + de't'ensemble de modules par l'intermédiaire du premier moyen 10 et à une borne 14 des moyens d'utilisation par l'intermédiaire du second moyen 12. De façon connue, le premier moyen de régulation 10 a pour fonction de couper la charge des moyens d'accumulation 8 lorsque la charge maximale de ces moyens d'accumulation 8 est atteinte et le second moyen de régulation 12 a pour fonction d'arrêter la décharge des moyens d'accumulation 8 (c'est-à-dire de couper l'utilisation) lorsque la charge de ces moyens d'accumulation 8 atteint sa limite basse. On notera que le premier moyen de régulation 10 est de type "régulateursérie". En variante (figure 1A), on peut utiliser un premier moyen de régulation de type" régulateur-parallèle"' qui porte la référence 10a sur la figure 1A et qui a la même fonction que le moyen de la figure 1 mais qui est monté entre les bornes + et - de l'ensemble de modules. Enfin, le générateur 1 peut être muni de diodes anti-retour 16, en nombre égal ou inférieur à celui des groupements 2 de modules. L'anode de chaque diode 16 est reliée à la borne + du groupement 2 associé tandis que toutes les cathodes des diodes sont reliées à un même point qui forme alors la borne + de l'ensemble de modules. Chaque module photovoltalque 4 (figures 2 et 3) peut être du genre de ceux qui comprennent: - un ensemble de cellules photovoltalques 18 montées en série par l'intermédiaire de connexions électriques 20, de sorte que l'ensemble de cellules possède une borne négative - et une borne positive +, - deux plaques 22, 24 entre lesquelles est placé l'ensemble des cellules interconnectées, et - des moyens 26 de fermeture étanche du pourtour des deux plaques, ces moyens de fermeture comportant, sur ledit pourtour, un cadre métallique 28. Les plaques 22 et 24 sont des plaques protectrices, destinées à protéger les cellules et leurs interconnexions mécaniquement et contre les phénomènes de corrosion. Chacune des cellules comporte un côté qui est destiné à être exposé à la lumière solaire et les 1 cellules sont disposées entre les plaques de façon que tous ces côtés soient tournés vers l'une des plaques, qui porte la référence 22. Cette plaque est transparente à la lumière solaire et peut être faite d'un matériau électriquement isolant et transparent tel que le verre. L'autre plaque 24 peut être faite d'un matériau électriquement isolant tel que le verre ou d'un matériau métallique. En outre, les cellules et leurs interconnexions sont encapsulées dans un matériau 30 électriquement isolant et transparent à la lumière, l'ensemble ainsi encapsulé étant compris entre les plaques. Le cadre 28, qui est par exemple en aluminium, permet en outre la fixation du module 4 sur un support non représenté. Un joint d'étanchéité 32 peut être placé sur le pourtour de l'ensemble des plaques. Ce joint 32 est alors maintenu en place par le cadre 28. Les bornes + et - de l'ensemble de cellules sortent du module 4 par exemple par la tranche de celui-ci, à travers des passages étanches et électriquement isolants 33 (figure 2). Lorsque les cellules reçoivent la lumière solaire, la borne + de l'ensemble de cellules est portée à un potentiel positif par rapport à La borne - de cet ensemble. On a constaté que certains modules, du genre de ceux qui ont été décrits en faisant référence aux figures 2 et 3, présentent des défauts d'étanchéité: l'humidité, accompagnée de sel dans les régions proches de la mer, pénètre entre les plaques 22 et 24. Ceci peut entraîner une corrosion au niveau des cellules et de leurs interconnexions. Par ailleurs, on a trouvé que cette corrosion est d'autant plus grave que la différence entre le potentiel des cellules ou des interconnexions de celles-ci et le cadre métallique 28 est plus élevée: il se produit un phénomène d'électrolyse dont l'intensité est une fonction croissante de la valeur de cette différence de potentiel et qui provoque une migration d'ions métalliques des cellules ou de leurs interconnexions vers le cadre 28. Ainsi, certains modules présentent-ils de graves corrosions au niveau de leurs cellules ou des interconnexions de celles-ci, corrosions qui, au bout de quelques années, peuvent entraîner l'arrêt total du fonctionnement de ces modules. Le module 4 décrit en se référant aux figures 2 et- 3 est en fait du genre des modules dont les cellules sont en un matériau semiconducteur cristallin, tel que le silicium cristallin. En variante, chacun des modules 4 du générateur représenté sur la figure 1 peut comporter de.s cellules photovolta$ques qui sont en un matériau semiconducteur amorphe tel que le silicium amorphe. Un module de ce genre est représenté schématiquement en coupe sur la figure 3A et comprend des cellules photovoltalques 18 en silicium amorphe qui sont montées 2644633 en série entre deux plaques 22 et 24. La plaque 22 est en un matériau électriquement isolant et transparent au rayonnement solaire, par exemple le verre ou une matière plastique transparente. La plaque 24 peut être électriquement conductrice ou électriquement isolante; elle est par exemple en verre, en plastique ou en métal. La face interne de la plaque 22 est munie d'électrodes transparentes 20a respectivement associées aux cellules. Ces cellules sont réalisées à partir d'un dépôt de silicium amorphe sur ladite face interne munie des électrodes 20a. Pour chaque cellule, la face de celle-ci, qui est en regard de l'électrode 20a, est destinée à être exposée au rayonnement solaire; l'autre face est revêtue d'une couche métallique 20b qui, grâce à une fenêtre faite dans le silicium amorphe, est en contact avec l'électrode 20a de la cellule adjacente. Les cellules sont ainsi interconnectées. Comme on le voit sur la figure 3A, un matériau d'encapsulation électriquement isolant 30 remplit l'espace compris entre la plaque 24 et les couches 20b et, comme précédemment, un joint d'étanchéité 32 est placé sur le pourtour des deux plaques et maintenu en place par un cadre métallique 28. Des bornes + et (non représentées) de l'ensemble de cellules sont encore prévues à l'extérieur du module. Un tel module est également sujet à dégradation par électrolyse: à la suite d'une pénétration d'humidité entre les plaques 22 et 24, les couches métalliques 20b peuvent s'oxyder et se décrocher et le silicium amorphe peut s'oxyder. La présente invention a pour but de ralentir la dégradation des modules du genre de ceux qui ont été décrits en faisant référence aux figures 2, 3 et 3A, en réduisant le plus possible l'électrolyse subie par 6 2644633 leurs cellules photovolta;ques ou par les interconnexions de ces dernières. De façon précise, la présente invention a pour objet un générateur photovoltavque comportant au moins un5module photovolta;que et destiné à alimenter en énergie électrique des moyens d'utilisation, chaque module photovolta;que comprenant: - un ensemble de cellules photovolta;ques montées en série, de sorte que l'ensemble de ceLlules possède une borne négative et une borne positive qui est portée à un potentiel positif par rapport à la borne négative lorsque les cellules reçoivent d'un côté la lumière solaire, - deux plaques entre lesquelles est compris l'ensemble, la plaque située dudit côté des cellules étant transparente à la lumière solaire, et - - des moyens de fermeture du pourtour des deux plaques, ces moyens de fermeture comportant un cadre métallique sur ledit pourtour, générateur caractérisé en ce que le cadre métallique est porté à un potentiel supérieur ou égal ou légèrement inférieur au potentiel auquel est portée la borne positive de l'ensemble de cellules. Par "potentiel légèrement inférieur au potentiel de la borne positive" on entend un potentiel qui est au moins égal à environ 80% du potentiel de La borne positive. - Ainsi, dans la présente invention, le cadre métallique est porté à un potentiel au moins égal à environ 80% du potentiel auquel est portée la borne positive de l'ensemble de cellules. Par exemple, pour un moduLe permettant à sa borne + d'être portée à un potentiel nominal de + 24 V par rapport à sa borne -, on porte son cadre à un potentiel au moins égal à environ 19 V par rapport à sa 7 2644633 borne -, conformément à L'invention. On réduit ainsi l'ampleur du phénomène d'électrolyse qui affecte les cellules et leurs interconnexions. Cette électrolyse est même inversée lorsque le cadre est porté à un potentiel supérieur à celui de la borne + du module: alors il se produit une migration des ions métalliques du cadre vers l'ensemble des cellules et de leurs interconnexions, ce qui est beaucoup moins grave que le phénomène inverse. Selon un mode de réalisation particulier du générateur objet de l'invention, un circuit électrique étant prévu entre la borne positive du module et une borne des moyens d'utilisation pour l'alimentation de ceuxci en énergie électrique, le cadre est relié à un point de ce circuit. La Liaison entre le cadre et le point peut comporter une résistance électrique apte à limiter l'intensité d'un courant électrique circulant dans cette liaison lorsque la borne négative de l'ensemble de cellules est reliée accidentellement au cadre. En effet, la liaison du cadre à un point dudit circuit peut créer une confusion dans l'esprit d'un utilisateur habitué à voir des bornes - mises à la masse, d'o un risque d'accident (court-circuit, voire incendie,...). L'utilisation de la résistance électrique (d'une valeur de préférence élevée, choisie en fonction de l'installation électrique dont fait partie le générateur photovoltaique) permet d'éviter un tel accident ou du moins de réduire la gravité de celui-ci. Dans une variante de réalisation, la résistance électrique est remplacée par un fusible apte à couper la liaison entre le cadre et le point si l'intensité d'un courant électrique susceptible de 3 5 circuler dans cette liaison dépasse une valeur déterminée. Dans une réalisation particulière de l'invention, la liaison entre Le cadre et ledit point peut comporter une source de tension électrique continue apte à porter le cadre à un potentiel supérieur au maximum des potentiels des points dudit circuit. Ledit point peut être la borne positive du module photovolta;que. En variante, le générateur objet de l'invention comprenant en outre au moins une diode anti-retour dont l'anode est reliée à la borne positive du module photovoltalque et qui fait partie dudit circuit, ledit point est situé dans la portion de ce circuit, qui va de l'anode de La diode à ladite borne des moyens d'utilisation. Selon une autre variante, ledit point est ladite borne des moyens d'utilisation. Lorsque le générateur objet de L'invention comprend des moyens d'accumulation de l'énergie électrique produite, ledit circuit comportant une dérivation vers la borne positive des moyens d'accumulation, ledit point peut appartenir à cette dérivation. 2-5 Ledit point peut être la borne positive des moyens d'accumulation. Enfin, dans le cas o le générateur objet de l'invention comporte au moins un autre module photovoltalque qui est couplé audit module, le cadre de chaque autre module est relié audit module. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de La description suivante, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - Les figures I et 1A sont des vues schématiques (partielle pour la figure 1A) de générateurs photovoltaïques connus et ont déjà été décrites, - La figure 2 est une vue schématique d'un module photovoLta;que faisant partie de ces générateurs et a déjà été décrite, - La figure 3 est une vue en coupe schématique et partielle de ee medute et a déjà été décrite, - la figure 3A est une vue en coupe schématique et partielle d'une variante de rialisation de ce module et a deja été décrite, - la figure 4 illustre schématiquement un générateur à régulateur-série, qui est conforme à la présente invention et comporte un module photovolta;que, ainsi qu'une variante de réalisation de ce générateur, - la figure 4A illustre schématiquement et partiellement un générateur comparable à celui de la figure 4, mais à régulateur-parallèLe, - Les figures 5 à 7 illustrent schématiquement d'autres variantes de réalisation de ce générateur, et - la figure 8 illustre schématiquement un générateur qui est conforme à la présente invention et comporte une pluralité de modules photovoltalques. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un générateur photovolta; que qui est conforme à l'invention et comporte simplement un module photovolta;que 4 du genre de celui qui est représenté sur les figures 2 et 3 ou du genre de celui qui est représenté sur la figure 3Aet donc muni d'un cadre métallique 28. Les moyens d'utilisation 6 sont branchés entre la borne positive + et La borne négative - du module. Comme on l'a déjà indiqué, le générateur peut être muni: - de moyens 8 d'accumulation d'énergie électrique dont Les bornes + et - sont respectivement reliées aux bornes + et - du module 4, - un ensemble de régulation comprenant un premier moyen de régulation 10 monté entre la borne + du module et la borne + des moyens d'accumulation et par un second moyen de régulation 12 monté entre la borne + des moyens d'accumulation et une borne 14 des moyens d'utilisation 6, et - d'une diode anti-retour 16 qui est montée entre la borne + du module et le premier moyen 10 et dont l'anode est reliée à La borne + du module. On notera que le premier moyen de régulation est du type régulateur-série. Bien entendu, on pourrait utiliser à la place de ce moyen 10 un premier moyen de régulation 10a (figure 4A) de type régulateur- parallèLe, monté entre la cathode de la diode 16 et la borne - du module. On a ainsi une installation comportant d'une part un circuit, ou branche positive, qui va de la borne + du module à la borne 14 des moyens d'utilisation 6, avec une dérivation vers la borne + des moyens d'accumulation 8 et d'autre part un autre circuit, ou branche négative, qui va de la borne - du module à l'autre borne 34 des moyens d'utilisation 6, avec une dérivation vers la borne - des moyens d'accumulation 8. Conformément à la présente invention, une liaison électrique est établie entre le cadre 28 et un point quelconque de la branche positive de l'installation. Ce point peut être situé sur la borne positive + du module 4 (point A - cas I de la figure 4) ou entre la diode 16 et la borne 14 ou entre la diode 16 et la borne + des moyens d'accumulation 8 (point B - cas II de la figure 4) ou en la borne + des moyens d'accumulation 8 (point C - cas III de la figure 5) ou en la borne 14 des moyens d'utilisation (point D - cas IV de la figure 5). Pour des raisons indiquées plus haut, la liaison entre le cadre 28 et le point A ou B ou C ou D peut comporter, comme on le voit sur la figure 6, une résistance électrique 36, ou un fusible 37. Dans un autre mode de réalisation, cette liaison entre le cadre 28 et le point A ou B ou C ou D peut comporter une source de tension électrique continue 38 (figure 7) dont la sortie 40 est reliée au cadre métallique 28 et dont les bornes d'alimentation - et + sont respectivement reliées à la borne - du module et audit point A ou B ou C ou D. Cette source 38 est prévue pour que sa sortie 40 (et donc le cadre 28) soit à un potentiel supérieur au maximum des potentiels des points de la branche positive de l'installation (par rapport à la borne du module). A titre purement indicatif et nullement limitatif, le potentiel de la sortie 40 est égal au double de celui de la borne + du module. Sur la figure 8, on a représenté schématiquement un générateur qui est conforme à l'invention et comporte une pluralité de modules photovolta;ques. Il s'agit par exemple du générateur qui est représenté sur La figure 1, ou de celui qui est représenté sur la figure 1A, mais qui a été modifié d'une façon indiquée par la suite. L'installation correspondante comporte encore une branche positive allant des bornes + des modules 4 placés à une extrémité des groupements 2 et reliés aux diodes 16, jusqu'à la borne + des moyens d'accumulation 8 et à la borne 14 des moyens d'utilisation 6, ainsi qu'une branche négative allant des bornes - des modules 4 situés à l'autre extrémité des groupements 2 jusqu'à la borne - des moyens d'accumulation 8 et à l'autre borne 34 des moyens d'utilisation 6. Ce générateur est modifié de la façon suivante: les cadres 28 de tous les modules (qui, bien entendu, peuvent être du genre de celui qui est représenté sur les figures 2 et 3 ou du genre de celui qui est représenté sur la figure 3A) sont reliés les uns aux autres et une liaison électrique est établie entre le cadre 28 de l'un 4a des modules et un point quelconque de la branche positive de l'installation: point A (borne + de l'un des modules, par exemple le module 4a) ou point B (point compris entre l'une des diodes 11 et la borne 14 des moyens 6 ou la borne + des moyens 8) ou point C (borne + des moyens 8) ou point D (borne 14). Comme précédemment, cette liaison peut comporter une résistance ou un fusible ou une source de tension électrique continue (de valeurs appropriées). Dans le cas de l'utilisation d'une source de tension, la sortie de cette dernière est à un potentiel supérieur au maximum des potentiels des points de la branche positive de l'installation (par rapport à la borne - de l'ensemble des modules), par exemple un potentiel égal au double du potentiel de la borne + de l'ensemble des modules; les bornes - et + d'alimentation de cette source de tension sont respectivement reliées à la borne - de l'ensemble de modules et audit point A ou B ou C ou D. Dans le cas de l'utilisation d'une résistance, la valeur de cette résistance découle d'un compromis. Elle doit être la plus faible possible pour polariser l'ensemble des cadres métalliques des modules (ou le cadre métallique du module lorsque le générateur ne comporte qu'un module) et elle doit être suffisamment grande pour ne pas être détruite en cas de liaison accidentelle entre la borne - du générateur et les cadres métalliques des modules (ou le cadre métallique du module lorsque le générateur ne comporte qu'un module). A titre purement indicatif mais nullement limitatif, pour une installation de 24V on peut utiliser une résistance d'ure pu4ssAnce électrise de 1W, de l'ordre de 3 kilc-omrs à 10 kilo-ohms. REVENDICATIONS 1. Générateur photovoltaique comportant au moins un module photovolta;que et destiné à alimenter en énergie électrique des moyens d'utilisation (6), chaque module photovoltalque (4) comprenant: - un ensemble de cellules photovolta;ques (18) montées en série, de sorte que l'ensemble de cellules possède une borne négative et une borne positive qui est portée à un potentiel positif par rapport à la borne négative lorsque les cellules reçoivent d'un côté La lumière solaire, - deux plaques (22, 24) entre lesquelles est compris l'ensemble, la plaque (22) située dudit c8té des cellules étant transparente à la lumière solaire, et - des moyens (26) de fermeture du pourtour des deux plaques, ces moyens de fermeture comportant un cadre métallique (28) sur ledit pourtour, générateur caractérisé en ce que le cadre métallique (28) est porté à un potentiel supérieur ou égal ou Légèrement inférieur au potentiel auquel est portée La borne positive de l'ensemble de cellules. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un circuit électrique étant prévu entre la borne positive du module (4) et une borne (14) des moyens d'utilisation (6) pour l'alimentation de ceux-ci en énergie électrique, le cadre (28) est relié à un point (A, B, C, D) de ce circuit. 3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison entre le cadre (28) et le point (A, B, C, D) comporte une résistance électrique (36) apte à limiter l'intensité d'un courant électrique circulant dans cette liaison lorsque la borne négative de l'ensemble de cellules est reliée accidentiellement au cadre. 4. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison entre le cadre (28) et le point (A, B, C, D) comporte un fusible (37) apte à couper la liaison entre le cadre et le point si l'intensité d'un courant électrique susceptible de circuler dans cette liaison dépasse une valeur déterminée. 5. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison entre le cadre (28) et le point (A, B, C, D) comporte une source (38) de tension électrique continue apte à porter le cadre (28) à un potentiel supérieur au maximum des potentiels des points dudit circuit. 6. Générateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit point est la borne positive (A) du module photovolta;que (4). 7. Générateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que, ce générateur comprenant en outre au moins une diode anti- retour (16) dont l'anode est reliée à la borne positive du module photovoltalque (4) et qui fait partie dudit circuit, ledit point (B) est situé dans la portion de ce circuit, qui va de l'anode de la diode à ladite borpe (14) des moyens d'utilisation (6). 8. Générateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit point (D) est ladite borne (14) des moyens d'utilisation (6). 9.Générateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que, ce générateur comprenant des moyens d'accumulation (8) de l'énergie électrique produite, ledit circuit comportant une dérivation vers la borne positive des moyens d'accumulation, ledit point appartient à cette dérivation. 10. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit point (C) est la borne positive des moyens d'accumulation (8). 11. Générateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un autre module photovoltalque qui est coupLé audit module (4) et en ce que le cadre de chaque autre module est relié audit module.