Brevet FR2960343A1 — publié le 20111125

Description : [ 001 ] Les systèmes photovoltaïques au sol sont généralement installés sur des châssis tubulaires ancrés au sol. Ce type d'installation occupe une emprise foncière et interdit ainsi l'exploitation du sol, pour l'agriculture ou pour tout autre usage. L'emprise foncière est ainsi uniquement dédiée à la production photovoltaïque. De même, l'installation de panneaux photovoltaïques sur les toits plats des grands bâtiments industriels se trouve confrontée à une contrainte concernant la charge admissible par la structure du toit. La surcharge constitutive à l'installation de panneaux photovoltaïque sur ce type de toiture dépasse les charges admissibles calculées selon les normes en vigueur. Ces surfaces de toiture libres ne peuvent donc pas être équipées de module classique à fort rendement. Enfin, un grand nombre d'étendue d'eau comme les canaux, les gravières inondées, les bacs de rétentions, etc., ne sont pas utilisables pour une installation photovoltaïque Ce constat de contraintes d'utilisation du sol, de contraintes ou un encrage est impossible, de sols géologiquement trop durs, ou topographiquement compliqués ou de contrainte de charges limite les possibilités d'installation des systèmes photovoltaïque à des emprises foncières très limitées. Or il serait possible d'utiliser un beaucoup plus grand nombre de surfaces disponibles si un nouveau système photovoltaïque permettait de se positionner au dessus du terrain avec des supports éloignés et ainsi libérer les surfaces de l'occupation par des châssis PV. [ 2] Une solution serait de fixer les panneaux photovoltaïques sur des structures tendues au dessus de la surface au sol. On pourrait ainsi envisager de fixer des modules sur des câbles tendus. Une analyse des contraintes techniques concernant le poids des panneaux et les effets dus au vent conduit à un constat d'impossibilité économique de ce type de réalisation qui implique des câbles de fort diamètre et des ancrages couteux pour résister aux tensions induites par le poids, la neige ou le vent. Il n'existe donc pas aujourd'hui de solutions satisfaisantes permettant d'installer une centrale photovoltaïque sans occuper la surface équipée sans la charger avec un poids qu'elle ne peut parfois pas supporter. Partant de ce constat, l'invention se caractérise dans la réalisation d'un système léger et stable au vent et qui peut être tendu au dessus du sol. [ 3] Légèreté : Typiquement, les panneaux pèsent entre 10 et 20 kg au m2. Ce poids est en partie dû au verre recouvrant la surface face aux rayons lumineux. Ce verre a un double rôle : protéger la surface photovoltaïque de choc externe comme la grêle et également, en particulier dans le cas de panneaux à base de wafers, rigidifier l'ensemble pour que les wafers ne se brisent pas. Le seul verre de protection peut représenter plus de la moitié du poids de l'ensemble L'invention permet de s'affranchir de ces contraintes : Pour cela, on conçoit un panneau photovoltaïque, de largeur réduite et de longueur augmentée par rapport aux panneaux standards. On part donc d'une surface de wafers cristallins ou poly cristallins ou d'une déposition de couches minces. L'invention va permettre au module PV de ne plus soumis aux contraintes de résistance au choc, de type test à la bille. Ainsi la face supérieure pourra être constituée d'un verre mince ou ultra mince ou d'une autre matière transparente. Cette surface photovoltaïque sera encapsulée de manière habituelle selon les méthodes de l'homme de l'art. 1 Le panneau ainsi réalisé ne résiste pas aux chocs et n'est pas rigide, donc cassant, il s'agit de réaliser ainsi un module léger. [ 4] Stabilité au vent : Une plaque est soumise à des efforts très différents selon la direction du vent par rapport à son plan. Les figure géométriques pour lesquelles les forces appliqués par le vent sont les mêmes quelques soit la direction du vent sont par exemple la sphère ainsi que le cylindre perpendiculairement à son axe de révolution. Partant de ce constat, on réalise un tube transparent au moins dans sa partie supérieure dont le diamètre est très légèrement supérieur à la largeur du module constitué. Ce tube est muni : D'un passage dans son axe pour un câble. D'un plateau horizontal situé juste au dessus de l'axe du cylindre et dont la dimension est calculée pour recevoir le module photovoltaïque, posé et fixé dessus. De raidisseurs dans sa partie inférieure pour augmenter son inertie à la flexion dans le cas ou son épaisseur ne soit pas suffisante. Alternativement, tout type de support permettant de fixer le module dans cette position. De deux bouchons circulaires pour obturer le tube à son extrémité Ces bouchons sont percés dans leur axe pour laisser passer le câble. [ 5] Système porté par un câble tendu : Sous ou au travers du plateau, dans l'axe du tube, un système de guidage recevra un câble traversant le cylindre et permettant de le porter. [ 6] Nous disposons ainsi d'une part d'un module léger ne résistant pas aux chocs et non souple et d'autre part d'un cylindre rigide porté par un câble selon son axe de révolution. Selon l'invention le module est inséré dans le cylindre pour former un système photovoltaïque répondant aux contraintes identifiées (dessin 1). La combinaison module plat léger et cylindre autour du module avec un câble traversant le cylindre dans son axe offre de toutes nouvelles possibilités aux installations photovoltaïques. L'invention nous permet de disposer alors d'un système photovoltaïque ayant les caractéristiques suivantes : Résistance au choc du module protégé par le cylindre Rigidité fournie au module par le cylindre Production photovoltaïque des modules au travers du cylindre transparent. Légèreté de l'ensemble puisque le module n'a plus en particulier un verre épais. Système soumis à des contraintes constantes, indépendantes de la direction du vent. [ 7] L'invention permet ainsi de disposer d'une surface photovoltaïque dont le poids a été réduit et dont la forme finale offre une surface dynamiquement stable à la prise au vent. Ces tubes sont associés les uns aux autres sur une longueur par le câble, comme les éléments d'une chainette. L'invention permet ainsi de disposer d'un système dont les éléments puissent être portés par un câble tendu au dessus d'une surface sans occuper cette même surface. Les longueurs de tubes photovoltaïques sont ensuite installées en nappage, l'intervalle entre deux tubes étant fixé par les ombrages projetés d'un module PV sur l'autre. Cet intervalle aura typiquement la largeur d'un diamètre d'un cylindre ce qui conduit à couvrir environ 50% de la surface sous jacente. 2 [ 8] Dans la mesure où le système de tubes est installé sur des portées longues, les tubes photovoltaïques seront supportés de loin en loin par des câbles classiques porteurs perpendiculaires et fixés à des poteaux et dont la fonction sera de reprendre par en dessous, le poids de la nappe de câbles photovoltaïques. [ 9] De manière avantageuse, le câble pourra contenir les éléments conducteurs permettant de transporter l'électricité produite par le système photovoltaïque [ 10] De manière avantageuse, le plateau sur lequel est fixé le module photovoltaïque pourra être constitué d'un matériau à forte conductivité thermique. Dans ce cas, le plateau disposera d'extension latérale sortant du cylindre et plaquée à l'extérieur de ce dernier en épousant sa forme. Ces extensions permettront de refroidir le module PV. [ on] De manière avantageuse grâce à la géométrie du système, le cylindre pourra sans effort, pivoter sur son axe et ainsi orienter suivant les éphémérides du soleil, de manière optimum le plan du module PV perpendiculairement au soleil. [ 012] L'invention ainsi réalisée apportera les avantages déterminants suivants par rapport aux systèmes conçus selon l'état de la technique : 1 Indépendance du système à la direction du vent 2 Légèreté de l'ensemble permettant des longueurs importantes sans appui 3 Emprise foncière libre, à l'exception des poteaux de loin en loin soutenant les câbles tendus 4 Possibilité de ramener les charges induites par l'installation en dehors de la surface couverte : la tension des câbles porteurs sur un toit peut être ramenée, par exemple au sol à l'extérieur du bâtiment recouvert. (cf. dessin 2) Durée d'installation beaucoup plus rapide. Il suffit simplement de tendre les câbles. Les coûts sont donc réduits. 6 Grâce à la longueur des éléments, ceux-ci peuvent être directement mis en série sans câble externe pour pouvoir obtenir la tension électrique de sortie optimale : moins de câble électrique à installer que sur un système classique 7 La mise en parallèle des modules peut se faire sans câblage dans la mesure où le tube et ses éléments associés transporte également le courant : suppression des boites de jonction et des câbles électriques jusqu'aux boites de jonction. 8 Productivité 30% supérieure dans le cas d'une rotation contrôlée du tube. 9 Dans le cas d'une installation sur un toit, L'ombrage procuré participe à la qualité d'isolation du bâtiment en protégeant le toit du le soleil. Dans le cas d'une chute de neige, celle-ci restera moins longtemps sur un tube cylindrique que sur un châssis au sol et la production reprendra plus rapidement. 11 Possibilité aisée de refroidissement du module PV et donc d'éviter la dégradation de production due à l'élévation de la température. 12 Possibilité d'installer des modules PV avec des rendements supérieurs à 14% sur des toitures jusqu'ici équipées seulement de membranes avec des couches minces PV de rendement bien inférieur. [ 013] Pour illustrer l'invention, nous avons pris l'exemple d'une installation sur un toit plat de bâtiment industriel la structure du toit n'admet pas de surcharge supérieure à 10Kg. Dans ce cas, aucune installation photovoltaïque, hors les systèmes de membranes dont les inconvénients sont connus, ne peut être installée. Nous prendrons pour exemple, une cellule de bâtiment dont la longueur Nord Sud est de 100m et la largeur de 60m (cf. dessin n° 2) 3 Les tubes cylindriques auront un diamètre de 320mm et une longueur de 2 Mètres ils seront traversés par un câble d'une longueur légèrement supérieure à 100m et calculée pour rejoindre les murs nord sud du bâtiment avec l'angle de chainette retenu. . Nous aurons ainsi, 50 Tubes enfilés sur une longueur. Le premier tube de la série sera rejoint à un système asservi aux éphémérides lui permettant de pivoter sur son axe Nord Sud, d'un angle fixé pour l'exemple à +30°-30°. Les tubes seront rejoints les uns aux autres par un système transmettant cette rotation. Nous réalisons dans ce cas, un système tubulaire à poursuite solaire Est Ouest. Dans cet exemple, les câbles seront espacés de 320 mm. Nous auront donc 93 câbles parallèles. Ces câbles seront soutenus par des câbles porteurs perpendiculaires. Un calcul des forces en jeu permettra d'optimiser le cout d'installation en définissant le diamètre du câble axial au cylindre en fonction de la distance entre deux appuis qui sont les câbles porteurs perpendiculaires. Les efforts de tension sont repris en pied de bâtiment par des poteaux extérieurs à la structure. Sur cette installation, on constate en particulier que le toit du bâtiment ne reprend aucune charge de poids. Ceci est rendu possible notamment grâce à la légèreté des tubes photovoltaïques et la stabilité d'un élément cylindrique à la prise au vent. Cette installation sur une toiture après avoir tenu compte des réglementations au feu aura une puissance de 314 KWc comparativement à la même surface installée en membranes avec des cellules couche mince qui aura une puissance de 180 KWc, soit 74% de plus. 4