Brevet FR2762446A1 — publié le 19981023

La présente invention concerne un dispositif portable sur la tête permettant de couvrir de façon autonome des besoins en énergie pour des systèmes portables de faible puissance fonctionnant à l'énergie électrique. L'invention se propose de répondre à des besoins énergétiques lorsque les puissances demandées sont faibles. Ces besoins se font de plus en plus sentir avec le développement des matériels portables, fonctionnant actuellement sur piles ou sur batteries, tels que téléphones, micro-ordinateurs, torches électriques et tout matériels nécessitant une source d'énergie autonome. La prolifération des piles et leur élimination induisent des problèmes d'environnement que le recyclage ne traite que partiellement. Une solution permettant d'apporter une réponse partielle ou totale à ces problèmes consiste à substituer de l'énergie électrique d'origine solaire, produite par des photopiles, à celle des piles ou des batteries. Cette solution peut être mise en oeuvre par trois méthodes: par utilisation directe de l'électricité photovoltaïque, en substitution complète; en apportant un complément par un branchement en parallèle au système traditionnel électrochimique (pile ou accumulateurs); en utilisant un stockage par batterie pour utiliser l'énergie à des instants ou l'énergie solaire n'est pas disponible. Les systèmes de production d'énergie électriques utilisant des photopiles existant à l'heure actuelle et susceptibles de répondre au problème posé sont des deux types décrits ci dessous. Système de photopiles intégrées à l'appareil utilisateur, ce qui limite leur surface. I1 est alors nécessaire de les maintenir dans une position telle que leur éclairement soit suffisant pour la recharge des accumulateurs intégrés, si ce principe est adopté, ou pour atteindre une puissance suffisante pour utiliser l'appareil si aucun stockage n'est prévu (cas de calculatrices par exemple). Cette solution ne peut répondre qu'à de très faibles consommations (on peut compter sur un maximum de 5 à 10 mW de puissance électrique par cm2 de photopiles). Parmi les exemples caractéristiques de ce type d'application, et en dehors des calculatrices et des montres, on peut citer des lampes de poches ou des casques de moto avec radio intégrée pour communiquer avec le passager et alimenté par une photopile du type amorphe de petite dimension. Système utilisant des panneaux, eux-mêmes constitués d'un assemblage de photopiles en série. Ce type de système permet de répondre à une consommation plus importante et n'est, en général, pas dédié à une application spécifique. Les panneaux utilisés sont rigides et, même s'ils sont portables, ils sont conçus pour être fixés sur un support (pavillon d'automobile, pont ou cabine de bateau) ou, tout simplement, posés. Ils existent en de nombreuses puissances, sensiblement proportionnelles à leurs surfaces, caractérisées par le nombre, les dimensions et l'assemblage série-parallèle des photopiles élémentaires. Ces panneaux peuvent être connectés aux matériels portables mais, même pour les plus petits modèles, leur portage et leur orientation restent malaisés pour être utilisés durant des déplacements. Le dispositif selon l'invention permet de remédier aux divers inconvénients présentés par les dispositifs existants. I1 permet de répondre à des demandes variées souhaitées par l'utilisateur et forme un véritable générateur électrique. Il ne concerne pas les appareils spécifiques, alimentés par photopiles, intégrés sous forme de sous ensemble à une coiffure. Il est constitué d'un couvre chef (chapeau, casquette ou tout autre coiffure), caractérisé en ce qu'y est intégrée une pluralité d'éléments de cellules solaires réalisant un générateur photovoltaïque. Cette configuration permet de disposer d'une surface collectrice de grande dimension, facilement transportable et bien disposée vis à vis de l'ensoleillement puisque le porteur du couvre chef et les accessoires qu'il transporte ne risquent pas d'y faire ombrage et d'en diminuer l'énergie reçue. Le nombre d'éléments photovoltaïques et leur assemblage en série et (ou) en parallèle, par des connexions adéquates, peut être adapté, dans les limites disponibles de la surface du couvre chef, à la fourniture d'une certaine puissance sous une tension déterminée. De même, l'organisation série-parallèle peut être optimisée, en fonction de la disposition des cellules élémentaires, pour régulariser le courant disponible pour différentes orientations du couvre chef par rapport au soleil. La surface élémentaire des photopiles utilisées déterminera la souplesse globale du couvre chef, en effet la diminution de ces surfaces élémentaires améliore de façon notable cette souplesse, à l'image des stries que l'on réalise pour cintrer un carton rigide ou une pièce de bois. Si l'appareil utilisateur n'est pas, lui aussi, disposé sur le couvre-chef, un câble électrique de liaison, pouvant être utilisé comme attache du couvre chef à son porteur ou à un objet de manière à éviter sa perte, permet de transporter le courant vers son utilisation. Un régulateur ou tout autre circuit permettant d'améliorer la gestion de l'énergie peut avantageusement compléter le dispositif. Dans l'état actuel de la technologie photovoltaïque et pour un éclairement de 900 W/m2, il est possible d'obtenir une puissance d'environ 0,5 W/dm2 pour des éléments photovoltaiques du type amorphe et d'environ 1 W/dm2 pour des éléments photovoltaiques cristallins. Pour une journée bien ensoleillée, en région tempérée on peut compter sur une récupération estimée à 3 Wh/dm2 (amorphe), ou 6 Wh/dm2 (cristallin). Ces valeurs sont suffisantes pour recharger des accumulateurs (par exemple de 5 à 8 éléments d'accumulateur cadmium nickel de 1,2 V/0,6 Ah, suivant le rendement de charge, avec 1 dm2 de photopile au silicium polycristallin). Ces valeurs, données à titre indicatives, sont susceptibles de s'accroître sensiblement avec l'évolution de la technique. Selon des modes particuliers de réalisation: les éléments de cellules solaires sont rapportés par collage ou par tout autre moyen de fixation tel que, sans être exhaustif, lien, agrafage, rivetage, couture, sertissage, velcro, par intégration dans des découpes ménagées à cet effet dans le couvre chef, ou encore par toute association de ces moyens; une autre méthode de fixation consiste en un recouvrement par un film transparent, lui même fixé sur le couvre-chef; une autre méthode de fixation consiste en une association des deux précédentes, le film transparent ayant alors principalement un rôle de protection contre les rayures, les petits chocs et autres risques, ce film peut aussi être remplacé en cas de salissures ou d'opacification; une réalisation de l'ensemble couvre chef et cellules solaires peut être constituée d'un système monobloc, souple ou non; obtenu, par exemple, par dépôt de couche mince directement sur le matériau du couvre chef, ou par moulage du matériau photovoltaïque directement en forme de couvre chef; les connexions entre les cellules solaires sont réalisées par des conducteurs ayant une souplesse adaptée à la rigidité du matériau formant principalement le couvre chef, il peut s'agir de fils ou de lames; les connexions entre les cellules solaires peuvent participer à la fixation des cellules elles mêmes, soit par collage des connexions, soit en les utilisant en manière de couture sur le support; les connexions propres de groupes de cellules solaires, utilisés pour l'assemblage série parallèle, sont rassemblées sur un boîtier ou circuit disposant de barrettes de connexions, ou tout autre moyen, permettant d'adapter la tension par modification du réseau électrique les connexions propres de groupes de cellules solaires, utilisées pour l'assemblage série parallèle, sont prolongées, au travers du câble de liaison (multifilaire), vers l'utilisation; les deux dispositions précédentes peuvent être associées, une partie de l'assemblage série parallèle du réseau étant faite dans un boîtier (circuit) placé sur le couvre chef, l'autre partie étant faite dans un second boîtier (circuit), à l'extrémité utilisateur du câble de liaison, cette solution permet de réduire sensiblement le nombre de conducteur de ce câble; un régulateur ou tout autre circuit permettant d'améliorer la gestion de l'énergie peut avantageusement compléter le dispositif, ce régulateur permet d'adapter les impédances de la source et de l'utilisation et peut être du type habituellement utilisé avec ce type de générateur, il peut être intégré soit directement sur le couvre chef, soit à l'extrémité du câble électrique de liaison, près du raccordement à l'utilisation; un stockage électrochimique (batterie) propre au dispositif, peut le compléter, il peut être intégré soit directement sur le couvre chef, soit à l'extrémité du câble électrique de liaison, près du raccordement à l'utilisation. Les dessins annexés illustrent l'invention: la figure 1 présente une vue d'ensemble de deux réalisations du dispositif de l'invention; la figure 2 montre en détail une disposition de photopiles, du type polycristallin dans ce cas, sur une portion du couvre chef; la figure 3 représente, en section, trois variantes de fixation des photopiles sur le couvre chef; la figure 4 schématise deux types de réseaux électriques pour connecter les photopiles. En référence à ces dessins, le dispositif comporte un couvre chef (1) sur lequel sont fixées les photopiles (3), un câble électrique (2) terminé par un connecteur approprié permet de transmettre l'énergie collectée à l'appareil utilisateur. Les détails d'une disposition possible des photopiles (3) sont montrés sur la figure 2 ; les conducteurs de liaison (4) sont soudés (5) sur les photopiles et les extrémités (6) de chaque sous ensemble (7) ainsi constitué permettent, en les assemblant de façon appropriée, de réaliser le réseau électrique souhaité. Différents modes d'assemblages, non limitatifs, sont présentés sur la figure 3, correspondant à la section AA de la figure 2. La fixation la plus simple, présentée sur la partie a/ de cette figure correspond à un simple collage (8) des photopiles sur le couvre chef (1). La partie b/ représente un assemblage des photopiles sur le couvre chef par une association d'un encapsulage par un film (9) transparent, lui-même collé sur le couvre chef, et par couture des conducteurs de liaison (4) au travers de la matière du couvre chef. En c/ la variante de fixation présentée correspond à une intégration des photopiles (3) dans des découpes ménagées à cet effet dans le couvre chef (1); le blocage des photopiles est effectué à la fois par un film transparent (9) collé sur la surface et par un collage périphérique (8). La figure 4 illustre les modes principaux de réalisation du réseau électrique. Dans une première disposition, a/, des groupes de cellules photovoltaïques (10) (dans l'exemple présenté 6 cellules au silicium polycristallin donnant une tension nominale de 3 V) sont assemblés par des conducteurs (12) en série de deux pour donner une tension nominale de 6 V puis en parallèle, pour disposer d'un courant plus important, avant d'être relié au câble de liaison (2). Dans une autre disposition, b/, les conducteurs (13) issus des groupes de cellules (10) sont rassemblés sur un boîtier (11) permettant de modifier à volonté l'assemblage série parallèle pour adapter le dispositif à la tension souhaitée par l'utilisateur et disponible sur le câble de liaison (2), lui aussi relié au boîtier. Selon une variante, non illustrée, la totalité des conducteurs (13) sont prolongés au travers du câble de liaison, permettant de déporter le moyen d'effectuer l'assemblage série parallèle vers l'extrémité du câble comportant la connexion à l'utilisation, ou vers le système utilisateur lui-même. Une autre variante, non illustrée, correspond à un mélange des deux précédentes, une partie de l'assemblage série parallèle du réseau étant faite sur le couvre chef l'autre partie étant faite à l'extrémité utilisateur du câble de liaison, cette solution permettant de réduire sensiblement le nombre de conducteur de ce câble. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à tout utilisateur ayant à sa disposition des appareils portables de faibles puissances alimentés par pile ou par batteries. En plus de l'aspect écologique du système en regard des économies de piles qu'il peut engendrer, son utilisation par des individus soucieux de leur autonomie est appelée à de grands développements, en particulier chez les populations de marcheurs et de randonneurs, pour leurs éclairages, leurs communications et leurs signalisations, ou d'autres besoins plus spécifiques tels que ventilateurs, minipompes, systèmes de purification de l'eau... REVENDICATIONS 1) Dispositif, portable sur la tête, permettant de couvrir de façon autonome des besoins en énergie pour des systèmes portables de faible puissance fonctionnant à l'énergie électrique. Caractérisé en ce qu'il comporte un couvre chef (1) sur lequel est fixée une pluralité d'éléments de cellules solaires (3) associés en réseau série parallèle et qu'il est pourvu d'un câble de liaison (2) permettant de transporter l'énergie ainsi recueillie vers l'utilisation. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la méthode de fixation peut être complétée ou assurée par un recouvrement des photopiles par un film transparent (9), lui même fixé sur le couvre-chef(1). 3) Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les connexions (4) entre les cellules solaires (3) peuvent participer à la fixation des cellules elles mêmes, soit par collage des connexions, soit en les utilisant en manière de couture sur le support (1). 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble couvre chef et cellules solaires peut être constitué d'un système monobloc, souple ou non, obtenu, par exemple, par dépôt de couche mince directement sur le matériau du couvre chef, ou par moulage du matériau photovoltaique directement en forme de couvre chef; 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le câble électrique de liaison (2) peut participer comme attache de l'invention à son utilisateur ou à tout objet permettant d'éviter sa perte. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les connexions propres de groupes de cellules solaires (13), utilisées pour l'assemblage série parallèle, sont rassemblées sur un boîtier ou circuit (11) disposant de barrettes de connexions, ou tout autre moyen, permettant d'adapter la tension d'utilisation par modification du réseau électrique. 7) Dispositif selon la revendication (6) caractérisé en ce que le boîtier (ou circuit) de connexion (11) est remplacé par 2 boîtiers (ou circuits) placés, l'un sur le couvre chef, l'autre à l'extrémité du câble électrique de liaison (2), près du raccordement à l'utilisation. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un régulateur ou tout autre circuit permettant d'améliorer la gestion de l'énergie, en adaptant les impédances de la source et de l'utilisation, est intégré soit directement sur le couvre chef soit à l'extrémité du câble électrique de liaison (2), près du raccordement à l'utilisation. 9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un stockage électrochimique (batterie) de tension adaptée à celle délivrée par le réseau de photopiles est intégré soit directement sur le couvre chef, soit à l'extrémité du câble électrique de liaison (2), près du raccordement à l'utilisation.