Brevet FR2943851A1 — publié le 20101001

i DISPOSITIF DE MISE EN SITUATION DE CAPTEURS, OU CELLULES SOLAIRES DANS UN SYSTEME REPRODUISANT LA COURSE SOLAIRE AINSI QUE L'ENVIRONNEMENT EN LABORATOIRE. L'invention concerne le domaine de la production d'énergie à base du rayonnement solaire, et plus particulièrement la caractérisation de capteurs ou cellules solaires en laboratoire. Pour plus de clarté dans la lecture, nous utiliserons comme terme générique le mot � capteur � pour définir tout élément servant à io produire de l'énergie grâce au rayonnement solaire. Un capteur solaire transforme le rayonnement solaire en énergie que ce soit sous forme thermique ou électrique ; il est constitué, soit d'un plan de captage métallique (avec un traitement de surface noir) pour récupérer la chaleur, soit d'une multitude de cellules photovoltaïques 15 banchées en série, ou en parallèles pdur transformer le rayonnement solaire en électricité. Pour caractériser un capteur, les fabricants le soumettent à un rayonnement dont le spectre et la puissance est comparable au rayonnement solaire sur la surface de la terre, est alors utilisé comme valeur étalon 1000 20 watts du mettre carré, qui la valeur moybnne de l'énergie reçue sur terre; ainsi la caractérisation des capteurs solaire se fait sous ce rayonnement projeté perpendiculairement au capteur. Pour ensuite caractériser le phénomène de rayonnement non perpendiculaire au capteur, on fait varier l'inclinaison du capteur pour mesurer 25 les phénomènes d'incidence et de réflexion, mais toujours sous les mêmes conditions de rayonnement, soit 1000 watts au mètre carré, constant et sans ombrage, car il est techniquement très difficile de matérialiser les ombrages avec une source lumineuse fixe. Mais, le rayonnement solaire n'est pas constant sur la surface 30 du globe, il dépend essentiellement de la latitude, mois et jours de l'année, des conditions climatiques et de l'environnement (ombres, rayonnement diffus, rayonnement indirecte, temps de rayonnement). Pour corriger les phénomènes de latitude, les constructeurs de capteurs utilisent des sources lumineuses de différentes puissances ainsi, s sous nos latitudes (environ 45°N) nous considérons que nous recevons en moyenne annuelle 800 Watts au mettre carré; ainsi, il existe des sources calibrées produisant 800 Watts au mettre carré, il en va de même sous tout autre latitude avec des sources dont la puissance est adaptée à chaque latitude. 10 II s'agit ici de moyennes de production annuelle, donc de mesures étalon. Pour avoir une idée de la production de ces capteurs sur des cycles réels, ne reste plus alors que le test grandeur nature, sous uhe exposition extérieure, avec tous les aléas de la météo, en comparant la 15 production des nouveaux capteurs avec des capteurs déjà existants. Des conditions de test empiriques, longues et non répétitives, puisque non reproductibles et qui présentent comme principale inconvénieht d'exposer aux yeux de la concurrence des technologies en cours de développement. 20 De plus ces tests sont réalisés dans un environnement sans ombrage pour éviter tout élément perturbateur entre le capteur étalon et celui en cour de développement. Mais les ombrages ont un impact non négligeable sur la production d'un capteur solaire. 25 Pour un capteur thermique, la production est directement liée à la surface du capteur qui reçoit la lumière, ainsi, une ombre portée sur un capteur va dégrader sa production d'une façon quasi linéaire, car la zone ombrée consomme en partie la production de la zone illuminée par échange thermique et rejette donc une partie de la production globale dans 30 l'atmosphère par effet de rayonnement. Sur un capteur photovoltaïque, la production n'est pas directement liée à la surface du capteur qui reçoit la lumière, car le comportement d'un capteur photovoltaïque soumis à des variations de lumières est très spécifique ; ce type de capteur est constitué d'une multitude de cellules photovoltaïques montées en série, ou en parallèle. En cas de perturbations (ex : ombrage), c'est la cellule la moins productive (ex : une cellule dans une zone d'ombre, ou cellule masquée) qui imposera sa production à l'ensemble du capteur ; c'est-à-dire, qu'une cellule dégradée (ombrage) va se mettre à chauffer, et va consommer la production de ses to voisines, jusqu'à ce que la production de l'ensemble du capteur ai la même production que cette même cellule. Ainsi, pour une seule cellule dans un ombrage, c'est l'ensemble du capteur qui se retrouve dégradé, et par voie de conséquence, un seul capteur dégradé, imposera lui aussi sa production aux autres capteurs d'une centrale solaire. Pour palier à ce phénomène, certains 15 fabricants de capteurs décomposent le capteur en ilots de production, et relient ces ilots de cellules avec des diodes � by-pass �, ainsi, au cas où une cellule d'un ilot est en sous production, l'ilot contenant cette cellule est isolé et ne perturbe plus l'ensemble du capteur, mais ceci condamne ainsi toute une partie du capteur ; du cout, la production n'est plus linéaire, et n'est plus 20 seulement liée à la surface en ombrage, elle dépend donc du nombre, et de la taille des ilots ainsi isolés ; les tailles et compositions des ilots diffèrent d'une référence de capteur à l'autre. Mais, nous parlons là d'une cellule entièrement ombrée ; qu'en est-il d'une cellule partiellement ombrée ? Pour s'affranchir de ces problèmes d'environnement, les 25 constructeurs préconisent une installation dans des zones sans ombrages, ce qui en milieu urbain est assez rare, de plus une ombre portée peut ne pas être entièrement pénalisante sur la production globale d'un capteur solaire, par exemple si elle a lieu tôt le matin, ou tard le soir; par contre cette même ombre aura un impact catastrophique sur la production si elle se porte alors 30 aue le soleil est à son zénith. mais comment le caractériser ? Il existe aujourd'hui des outils de simulation informatique, pour estimer la productibilité d'une centrale solaire, prenant en compte les données météo antérieurs et les ombrages. Ils fonctionnent sur la base de masques solaires (le masque solaire étant la projection sur un support de toutes les ombres impactant une centrale) ou l'on considère que la centrale est entièrement illuminée, ou est entièrement à l'ombre, sans tenir compte des ombres partielles. Mais ces logiciels ne sont pas destinés à la caractérisation de capteurs. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces to inconvénients en recréant en laboratoire des conditions de mesure s'approchant au plus près des conditions normales d'utilisation sur un système planétaire recréant sur des cycles courts les jours, mois, années, avec des perturbations (ombres, différents rayonnements) contrôlées et répétitives, aussi bien à l'échelle d'un capteur que d'une cellule 15 En outre, le dispositif selon l'invention permet de conserver le secret sur les développements en cours, puisqu'il ne sera plus nécessaire de faire des tests comparatifs en milieu extérieur. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la 20 description qui suit et qui est faite en relation aux dessins annexés qui représentent l'environnement auquel est soumis un capteur, et les avantages et caractéristiques de l'invention pour répondre à ces problématiques, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique des différents 25 rayonnements impactant un capteur, - la figure 2 est une vue schématique des effets de réflexion sur un capteur, - la figure 3 est une vue schématique des effets d'ombrage sur un capteur, 30 - la figure 4 est une vue schématique du système selon l'invention, En référence tout d'abord à la figure 1, les rayonnements Tpactant un capteur (1) sont de nature différentes, et ont tous une influence sur la production, en effet, le soleil (2) émet un rayonnement qui va atteindre le capteur (1) de différente façon : il y a en premier lieu le rayonnement directe (5) qui atteint le capteur et qui va générer une certaine quantité d'énergie, il y a ensuite le rayonnement diffus (6) qui est filtré par les nuages (3) et qui va lui aussi générer une certaine quantité d'énergie, viens enfin, le rayonnement indirect (7) qui est la réflexion du rayonnement direct (5) et diffus (6) sur l'environnement (4) et qui lui aussi produit une certaine quantité d'énergie. io C'est la somme de ces trois rayonnements : directe (5), diffus (6) et indirecte (7) qui détermine la quantité d'énergie que reçoit un capteur, et permet de caractériser avec précision la quantité d'énergie que reçoit un capteur solaire tout au long de l'année. Un autre élément influe sur la production d'un capteur solaire, 15 ce sont les effets de réflexions et d'angle d'incidence : figure 2. En effet le soleil (4) n'est pas une source lumineuse constante, il se déplace sur l'horizon suivant une course (1) variable selon la latitude et les mois de l'année, ainsi la quantité d'énergie reçue dépend de l'angle d'incidence et de la durée d'ensoleillement que reçoit un capteur 20 solaire (2+3) ; mais tous les rayons impactant le capteur (2+3) ne sont pas transformés en énergie ; un capteur se décompose en un élément transparent (2) et un élément de captage (3) qui transforme le rayonnement solaire en énergie. Lorsqu'un rayon (5) arrive sur un capteur (2+3), seul une partie de ce rayon (7) traverse l'élément transparent (2), et est filtré par celui-ci, l'autre 25 partie du rayon (6) est réfléchi, donc perdu. Lorsque le rayon (7) atteint l'élément de captage (3), le rayon se divise encore, une partie étant de nouveau réfléchie (8), seul, la partie de rayon non réfléchie (9) sert alors à produire de l'énergie ; Mais le rayonnement solaire est variable, ainsi, l'angle d'incidence, et les phénomènes de réflexion évoluent donc constamment. 30 Vient enfin les phénomènes d'ombrages, il existe deux types d'ombrages : les ombrages totales, ou l'on considère que la centrale est entièrement dans l'ombre, représenté dans la figure 4 par le masque solaire (10) (le masque solaire étant la projection sur un support de toutes les ombres impactant une centrale), et les ombres partielles : figure 4 repère 8. Une ombre partielle étant, en référence à la figure 3, un obstacle (2) entre le soleil (3) et un capteur (1) qui va générer une ombre variable (4) qui va avoir une influence directe sur la production du capteur. Mais cette ombre n'est pas fixe, elle évolue en fonction de la course du soleil, donc son impact n'est pas constant. Ainsi, le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces to inconvénients en recréant un système où la source lumineuse n'est plus fixe mais mobile, sur un système planétaire reproduisant la course du soleil tout autour d'un capteur sous quelque latitude que ce soit dans des conditions de température, d'humidité maitrisés et répétitifs. Un autre avantage de ce dispositif, outre le fait qu'il soit compact et puisse être implanté dans l'enceinte is d'un bâtiment (pour un capteur), ou sur un bureau (pour de petits capteurs, miniaturisations de capteurs, ou simple cellule) est que l'on puisse, y insérer des filtres (simulation de nuages) ou obstacles (création d'ombrages) entre la source lumineuse et le capteur, permettant de reproduire avec exactitude et répétitivité des conditions réelles de rayonnement, et d'ombrage, et ce, sans 20 prendre le risque d'exposer aux yeux de la concurrence les progrès en matière de développement. De plus, grâce à l'invention, les ombrages pourront être facilement modélisables et à volonté. L'invention permettra donc aussi aux fabricants et prescripteurs d'affiner plus précisément le dimensionnement des 25 futures capteurs ou installations solaires, en optimisant au mieux l'implantation des capteurs lorsque ces centrales seront situés dans des zones avec ombrages (ex : zone urbaine). L'invention pourra, en outre, être utilisée de manière dégradée (source lumineuse, et capteurs non calibrés) pour la formation, ou la 30 sensibilisation des populations aux intérêts de l'énergie solaire. En référence à la figure 4, l'invention se caractérise par une mise en situation d'un capteur (1) dans un système planétaire ou la source lumineuse (2) recrée la course et l'illumination solaire. Le capteur (1) est monté sur deux axes (3) et (4) permettant s de le mettre en situation suivant l'orientation (4) et l'inclinaison (3) souhaité. La source lumineuse (2) glisse le long de rails (6) reproduisant la course journalière du soleil ; les rails (6) étant eux-mêmes montés sur des axes (5) et (7), pour reproduire la hauteur du soleil par rapport à l'horizon selon la latitude, ou les différents mois de l'année. Des filtres (9) peuvent être to implantés sur la source lumineuse (2) pour reproduire l'effet de nuages et générer un rayonnement diffus ; entre la source lumineuse (2) et le capteur (1), peut être inséré des obstacles(8) qui sont soit réfléchissants, opaques, ou translucides pour matérialiser le rayonnement indirect ou des ombres portées. Enfin, un masque solaire (10) représente l'ombrage généré par 15 l'environnement. lo REVENDICATIONS1. Dispositif de mise en situation de capteurs, ou cellules solaires dans un système planétaire reproduisant la course solaire ainsi que l'environnement en laboratoire, caractérisé en ce que la source lumineuse soit mobile et permette de recréer la course et le rayonnement solaire de façon contrôlée et répétitive. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des éléments perturbateurs puissent être inséré entre la source lumineuse et le capteur tels que : des filtres, obstacles translucides, opaques ou réfléchissants. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en 15 ce que les axes permettant le déplacement des différents éléments mobiles de l'invention soient actionnables manuellement ou motorisés. 4. Dispositif suivant la revendication toutes les revendications, caractérisé en ce que les données de production soient recueillies sur des afficheurs à lecture directe, ou par acquisition informatique. 20 5. Dispositif suivant toutes les revendications, caractérisé en ce que le dispositif serve non plus à la caractérisation, ou au dimensionnement de centrale solaire, mais à la formation et à la sensibilisation des populations.