Brevet FR2838564A1 — publié le 20031017

dispositif selon l'une des revendications 1 à 17. j GENERATEUR PHOTOVOLTA QUE A CONCENTRATION PROTEGE CONTRE L'ECHAUFFEMENT. La présente invention se rapporte aux générateurs photovoltaïques qui fonctionnent avec concentration de la lumière incidente et qui sont protogés contre les effets de l'échauffement supplémentaire induit par cette concentration. Elle s' applique plus spécialement aux générateurs photovoltaïques utilisés dans les satellites artificiels et qui fonctionnent à partir de la lumière solaire. Il est connu pour alimenter les satellites artificiels en énergie électrique d'utiliser un générateur photovoltaïque tel que représenté sommairement et partiellement en vue de bout sur la figure 1. Ce générateur comprend un ensemble de cellules photovoltaïques 101 recouvert d'une lame transparente 102. Cette lame transparente sert d'une part à protéger la surface des cellules, et d'autre part à filtrer le rayonnement solaire direct requ 103 de manière à ne laisser arriver sur les cellules que le rayonnement utile 104 et à réfléchir le rayonnement inutile (infrarouge et ultraviolet par exemple) 105, car il ne peut pas être absorbé par les cellules pour produire de l'électricité. Dans la pratique cette séparation est imparfaite et la réflexion n'est pas totale. Une partie du rayonnement 105 pénètre donc dans la couche 102 o elle est en grande partie absorbée, une faible partie arrivant au niveau de la cellule o elle est là aussi absorbée mais sans produire d'électricité. Cette absorption partielle, tant par la couche 102 que par la cellule 101, provoque un échauffement supplémentaire de l'ensemble, qui vient s'ajouter à celui du fonctionnement normal de la cellule (effet Joule, pertes diverses). Cet échauffement parasite entraîne une augmentation de la température de fonctionnement de la cellule et, consécutivement, une baisse du rendement photovoltaïque, car les performances d'une cellule se dégradent lorsque la température augmente. Les cellules photovoltaïques sont des organes coûteux et délicats et leur assemblage en panneaux nécessite une structure dont le poiOs n'est pas négligeable. En outre l'effet du rayonnement solaire direct ne les amène nullement à saturation en ce qui concerne la conversion photovoltaïque. Il est donc connu, pour augmenter la puissance électrique fournie par un panneau de dimensions données, de concentrer la lumière solaire sur la surface des cellules solaires le recouvrant. Pour cela, on utilise le plus généralement une solution simple consistant à entourer ce panneau, ou plus localement les cellules, de réflecteurs plans inclinés tel que le réflecteur 106. On n'a représenté sur la figure, à titre de simplification, qu'un seul de ces réflecteurs, mais il est d' usage d' en utiliser plusieurs, au moins deux situés de part et d'autre du panneau, ou plus localement entre des rangées de cellules sur le panneau Le flux solaire 107 arrivant alors sur ce concentrateur est réfléchi vers la surface de la couche 102 sous la forme d'un flux réfléchi 108. Comme dans le cas du flux direct 103, la partie utile du rayonnement 1 3 réfléchi pénètre dans la couche 102 sous la forme d'un flux 109 pour venir exciter la cellule 101. L'autre partie est réfléchie sous la forme d'un flux 110. Les effets du flux provenant du concentrateur sont les mêmes S que ceux du flux direct et entraînent donc un échauffement supplémentaire du panneau solaire, d'autant plus grand que la concentration est plus grande. Cet échauffement supplémentaire entraîne une chute de rendement de conversion photovoltaïque car les performances des cellules solaires se dégradent lorsque leur température de fonctionnement augmente. Ce phénomène contrebalance donc un peu l'intérêt de l'utilisation d'un concentrateur. En outre, les concentrateurs 106 sont constitués de surfaces réfléchissantes simples, généralement métalliques, pour être les plus légers possible. Ces surfaces n' absorbent pratiquement pas le flux incident 107 et le renvoient en totalité sous forme du flux réfléchi 108. Dans ces conditions, la température de fonctionnement des concentrateurs 106 est froide. Ces concentrateurs déviennent alors des pièges froids importants pour toutes les molécules qui circulent et leur surface se pollue rapidement, ce qui entraîne une baisse importante de leur efficacité réflective, et finalement une chute elle-même importante de l'efficacité de l'ensemble du générateur photovoltaïque. Pour pallier ces inconvénients, l' invention propose un générateur photovoltaïque à concentration, comprenant au moins une cellule photovoltaïque recouverte par une couche de protection transparente, et un concentrateur réfléchissant, principalement caractérisé en ce que le concentrateur est recouvert d'un filtre pour éliminer dans le flux lumineux réfléchi par le concentrateur vers la ce l lul e photoélectrique la plus grande part ie de s rayonnements " inutiles " ne pouvant pas exciter la cellule photovoltaïque. Selon une autre caractéristique, le filtre est formé d'une couche réalisée en matériaux absorbant la partie "inutile " des rayonnements. Selon une autre caractéristique, la couche formant le filtre est d'épaisseur constante. Selon une autre caractéristique, le filtre est formé d'une couche dont la face extérieure est orientée pour dévier ces rayonnements " inutiles" en dehors de la cellule photovoltaïque. Selon une autre caractéristique, la couche transparente est d'épaisseur décroissante pour que sa face extérieure ne soit pas parallèle à la surface réLléchissante du concentrateur. Selon une autre caractéristique, la face extérieure de la couche transparente formant le filtre est gravée en échelons de Fresnel. D'autres particularités et avantages de l' invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue de bout d'un générateur selon lart antérieur; - la figure 2 une vue dans les mêmes conditions d'un générateur selon un premier mode de réalisation de l' invention; et - la figure 3, une vue dans les mêmes conditions d'un générateur selon un deuxième mode de réalisation de l' invention. L' invention consiste donc à disposer sur le panneau concentrateur 106 un filtre qui permet de limiter le rayonnement réfléchi vers les cellules photoélectriques essentiellement aux longueurs d'onde utilisables par celles-ci. Dans une variante, les rayonnements aux longueurs d'onde ainsi éliminées sont absorbés au niveau du concentrateur pour réchauffer celuici afin de lui éviter de se transformer en piège froid. Dans un premier mode de réalisation, représenté en figure 2, le concentrateur 106 est recouvert d'une couche transparente 206 dont la face extérieure 116 est inclinée par rapport au plan de la face réflectrice du concentrateur 106, de manière à ce que le flux lumineux 107 soit divisé en deux parties. Une première partie 207, correspondant aux longueurs d'onde utiles à la conversion photoélectrique, pénètre dans le filtre, est réfléchie par le concentrateur 106 sous la forme d'un flux 217, puis ressort par la face inclinée du filtre 206 pour se réfracter en formant un faisceau 208 dirigé vers la face supérieure de la couche transparente 102 qui protège les cellules 101. Une deuxième partie 218 du flux 107, correspondant aux longueurs d'ondes non utiles pour la conversion photoélectrique, est réfléchie par réflexion totale sur la face supérieure du filtre 206 sous la forme d'un flux 218 qui est dirigé vers l'espace extérieur au dispositif photoélectrique. Compte tenu des imperfections inévitables et des effets de transition, le flux 208 contient cependant un certain pourcentage de longueurs d'ondes non utiles dont une partie est réfléchie sous la forme d'un flux 210 et une partie résiduelle vient quand même contribuer à l'échauffement parasite des cellules 101. Toutefois cet effet est plus faible qu'en l' absence de filtre. Les inclinaisons nécessaires du concentrateur 106 par rapport aux cellules 101 et de la face extérieure 116 du filtre 206 par rapport à ce concentrateur sont étudices pour qu'il y ait bien réflexion totale des longueurs d'onde inutiles sur cette face inclinée 116 (on rappelle que la réfraction au passage d'un milieu dans un autre, et donc la réflexion totale éventuelle, dépendent de la longueur d'onde des rayons lumineux, ce qui permet cette séparation), et pour que la combinaison de la réflexion sur le concentrateur 106 et de la réfraction au passage de la face 116 permettent de diriger les longueurs d'onde utiles vers la surface extérieure de la couche transparente 102. Dans l'exemple représenté sur la figure, le filtre 206 est réalisé sous la forme d'une lame relativement épaisse dont l'épaisseur va en s'amenuisant d'une extrémité à l' autre de la surface du concentrateur 106 pour obtenir l'inclinaison souhaitée. Ceci provoque une augmentation relativement importante du poids de l'ensemble, qui n'est pas forcément souhaitable. Dans une variante de réalisation, le filtre 206 sera formé d'une couche transparente réfractrice dont l'épaisseur moyenne sera sensiblement constante et la plus faible possible. Pour obtenir alors l'effet désiré, la face extérieure 116 de cette couche sera usinée en échelons de Fresnel de façon à obtenir localement l'effet désiré tout en limitant l'épaisseur globale du filtre. Dans un deuxième mode de réalisation, représenté en figure 3, on utilise un filtre 306 placé sur la surface réfléchissante du concentrateur 106 et qui est formé d'une lame plane d'épaisseur uniforme. Cette lame est réalisce dans un matériau absorbant pour les composantes " inutiles " du flux solaire incident 107, mais transparent pour les composants " utiles " de ce méme flux (celles qui permettent d'obtenir une conversion photoélectrique dans les cellules 101). On pourra pour cela utiliser soit un matériau absorbant massif, connu dans l'art, soit une combinaison de couches minces réfléchissantes d'indice différent, connues elles-mêmes dans l'art, soit une combinaison des deux. Dans l'exemple de réalisation représenté, les angles et l'indice de réfraction du matériau composant la couche 306 sont choisis pour que le trajet 307 du flux solaire dans la couche 306 soit le même à l'aller et au retour, la réflexion sur le concentrateur 106 se faisant selon une direction normale à la surface de celui-ci. Ce n'est qu'un cas particulier et ces trajets pourront être différents, de la même manière que sur la figure 2. A la sortie du filtre 306, le flux solaire 308 est donc grandement débarrassé de ces composantes " inutiles " et il vient alors frapper la surface extérieure de la couche transparente 102 pour venir exciter les cellules 101 selon un trajet 309 dû à la réfraction. Comme dans le premier exemple de réalisation, une partie de ce flux " inutile " est réfléchie sur la surface de la couche transparente 102 pour former un flux 310 qui vient se perdre dans le vide stellaire, et seule une part ie infime de ce rayonnement " inuti le " est contenu dans le flux 309 et vient contribuer de manière très faible à l'échauffement parasites des cellules 101. La séparation entre le flux "utile" et le flux "inutile" est éventuellement plus faible dans ce deuxième mode de réalisation qui est cependant préféré car on obtient un avantage supplémentaire qui consiste dans le réchauffement du concentrateur 106 et de son filtre 306. Cette augmentation de température de fonctionnement permet de limiter de manière considérable le piégeage des molécules et des particules parasites rencontrées dans l'espace et permet donc de maintenir pratiquement constant le pouvoir réflecteur du concentrateur. REVENDICTIONS 1 GAnArateur photovoltalque concentration, comprenant au moins une cellule photovoltaique (101) recouverte par une ccuche de protction transparente (102), et un concentrateur rflchissant (106), caractrisA en ce que le concentrateur (106) est recouvert d'un [iltre (2Q6, 306) pour Aliminer dans le flux lumineux (208) rAflchi par le concentrateur (106) vers la cellule photoAlectrique (101) la plus grande partie des rayonnements inutiles (218) ne pouvant pas exciter la cellule photovoltalque (101). 2 G6nArateur selon la revendication 1, caractArisA en ce que le filtre est formA d'une couche (306) ralie en matriaux absorLant la partie inutile des rayonnements. 3 GAnArateur selon la revendication 2, caractArise en ce que la couche (306) formant le filtre est d'Apaisseur constante. 4 G6nArateur selon l'une queleongue des 23 {evendication 1 et 2, caractAris en ce que le filtre (206) est form d'une couche dont la face extArieure (116) est oriente pour dvier ces rayonnements inutiles (218) en dahors de la cellule photovoltaque (101). Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche transparence (206) est d'épaisseur décroissante pour que sa face extérieure (116) ne soit pas parallèle à la surface réfléchissante du concentrateur (106). 6 Générateur selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la face extérieure de la couche transparente formant le filtre