Brevet FR2957952A1 — publié le 20110930

Elément photovoltaïque fortement galbé Domaine technique de l'invention L'invention concerne un élément photovoltaïque ayant une forte courbure et utilisant des cellules en silicium monocristallin ou polycristallin, cet élément photovoltaïque étant destiné à être monté en toiture ou en façade. L'invention concerne également un système photovoltaïque réalisé avec cet élément photovoltaïque. État de la technique Une cellule photovoltaïque fournit un courant électrique dépendant de l'éclairement qu'elle reçoit. La tension électrique dépend du type du semi-conducteur formant la cellule. Cette tension est habituellement de l'ordre de 0,5 Volt à 0,7 Volt. Un module photovoltaïque est formé par association de cellules photovoltaïques. Les tensions souhaitées en sortie d'un module photovoltaïque sont généralement comprises entre quelques volts et plusieurs dizaines de volts. Pour cela, un module photovoltaïque est formé d'un assemblage de plusieurs cellules montées en série. Dans toute la description qui suit, la face avant d'une cellule est celle qui reçoit le rayonnement solaire. De même, la face avant d'un module est celle qui reçoit le rayonnement solaire. Un module photovoltaïque peut être réalisé par association de cellules en silicium cristallin, monocristallin ou polycristallin. Les cellules possèdent sur leur face avant selon une première direction un réseau d'électrodes étroites de largeur typiquement comprise entre 80 et 150 gm et espacées de 1,5 à 3 mm. Les cellules possèdent également des bus qui collectent le courant issu des électrodes étroites et qui servent également de zones de connexion sur leur face avant. Sur leur face arrière, les cellules possèdent une métallisation, en pleine surface ou sous forme d'une grille, à base d'aluminium ainsi que deux bus généralement placés à l'aplomb des bus 1/13 de la face avant. Les électrodes étroites ainsi que les bus sont réalisés avec un matériau riche en argent. Les cellules sont alors connectées entre elles en série par des conducteurs électriques soudés sur la face avant d'une cellule et sur la face arrière de la cellule suivante. Dans un module photovoltaïque, plusieurs séries de cellules peuvent être montées en parallèle pour accroître le courant fourni par le module. Les cellules sont ensuite encapsulées entre deux substrats, un substrat avant transparent en verre et un substrat arrière en verre ou en un polymère faisant barrière à la diffusion de la vapeur d'eau. Un polymère transparent comme du polyvinylbutyrate, plus connu sous l'appellation PVB, ou un copolymère éthylène-acétate de vinyle, plus connu sous l'appellation EVA, disposé entre les substrats avant et arrière entoure les cellules et assure la cohésion de l'ensemble. Les modules photovoltaïques sont destinés à de nombreuses applications, et sont ainsi installés en des emplacements très variés. L'installation en toiture a été proposée depuis longtemps, notamment dans le brevet FR2354430 déposé en 1976. Ce brevet décrit l'empilement de cellules photovoltaïques en silicium polycristallin sur une tuile de toiture. Le brevet (DE4438858) décrit des moyens de connexion électrique pour des éléments de toiture photovoltaïques. Les modules photovoltaïques placés en toiture sont de plusieurs types : • des modules photovoltaïques de grande dimension, typiquement plus d'un demi mètre carré, réalisés soit en technologie « silicium cristallin » sur substrat de silicium épais, typiquement 250 µm, soit en technologie « couches minces » de silicium amorphe ou d'autres semi-conducteurs comme CIS ou CdTe. Ces modules photovoltaïques de grande dimension sont installés soit en lieu et place de la couverture, qu'elle soit en tuiles, tôles, ou toute autre matière, soit en superposition à la couverture existante. Ces modules photovoltaïques de grande dimension sont plans, leur face avant étant formée d'un verre plan. • des modules photovoltaïques de petite dimension qui sont installés en lieu et place de plusieurs éléments de la couverture, par exemple à la place de 5 tuiles. Ces modules 2/13 photovoltaïques de petite dimension sont réalisés soit en technologie « silicium cristallin », soit en technologie « couches minces ». Ces modules photovoltaïques de petite dimension sont également plans, leur face avant étant formée d'un verre plan. Des éléments de couverture, par exemple une tuile ou une ardoise, contenant un module photovoltaïque font également partie de l'état de l'art et sont commercialisés. Ces éléments peuvent être: • soit constitués d'un module photovoltaïque rapporté par collage sur la partie supérieure 10 de la tuile ou de l'ardoise • soit formés par dépôt et interconnexion de cellules photovoltaïques sur la partie supérieure de la tuile ou de l'ardoise et protection de ces cellules par un substrat en verre transparent. Il est également connu d'utiliser une tuile en verre comme support d'un module 15 photovoltaïque et en particulier d'intégrer un module photovoltaïque sous une tuile galbée en verre. Le brevet W02007132027 décrit un module photovoltaïque placé dans une tuile galbée. Les brevets japonais JP5005344 et européen EP0749557A1 décrivent un arrangement dans lequel un module photovoltaïque est placé en arrière d'une tuile transparente à la lumière et dont la surface est courbe. Ce module est espacé de la tuile par un cadre d'adaptation de forme 20 entre la tuile courbe et le module photovoltaïque plan. Dans cette configuration, une lame d'air est présente entre la tuile transparente et le module photovoltaïque ce qui provoque la multiplication des interfaces verre ù air, avec une perte de l'ordre de 5% de l'intensité lumineuse à chaque interface. Il est également connu de remplir le volume présent entre la tuile transparente et le module 25 photovoltaïque avec un corps transparent composé d'un polymère transparent ou de verre ou de placer en avant d'un élément photovoltaïque un corps transparent ayant une forme galbée comme dans le brevet FR2354430. 30 3/13 2957952 Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, en particulier, de permettre la réalisation d'un élément de couverture photovoltaïque par l'assemblage de cellules 5 photovoltaïques sous la face inférieure d'une tuile transparente fortement galbée, sans générer de perte optique due à une multiplication des interfaces. Dans la description suivante, la face avant d'une cellule est la face de la cellule qui reçoit directement le rayonnement solaire, et la face supérieure de la tuile est la face de la tuile en contact avec le milieu extérieur. Par opposition, la face inférieure de la tuile est la face de la tuile protégée du milieu extérieur et qui repose sur les éléments de la charpente de la toiture. Selon l'invention, ce but est atteint par une géométrie particulière de la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée, cette géométrie particulière permettant l'assemblage de cellules photovoltaïques sous la tuile sans générer de perte optique due à une multiplication des interfaces. Selon l'invention, la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée constituant l'élément photovoltaïque est formée sur au moins 50% de sa surface d'une pluralité de zones planes non coplanaires, chacune de ces zones planes étant équipée d'une cellule photovoltaïque, l'ensemble de ces cellules étant interconnectées électriquement. Selon une variante de l'invention, la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée constituant l'élément photovoltaïque est formée sur au moins 75% de sa surface d'une pluralité de zones planes non coplanaires, chacune de ces zones planes étant équipée d'une cellule photovoltaïque, l'ensemble de ces cellules étant interconnectées électriquement. Selon un développement de l'invention, chacune de ces zones planes de la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée constituant l'élément photovoltaïque est équipée de plusieurs cellules photovoltaïques. Selon un autre développement de l'invention, l'au moins une cellule photovoltaïque équipant une zone plane de la face inférieure de la tuile transparente est encapsulée à l'aide d'un 4/13 polymère transparent entre la surface de ladite zone plane de la tuile et un substrat arrière formé par un polymère. Selon un autre développement de l'invention, une feuille unique d'un polymère forme l'ensemble des substrats arrière encapsulant la pluralité de cellules photovoltaïques équipant l'ensemble des zones planes de la face inférieure de la tuile. L'invention concerne également un système photovoltaïque utilisant des éléments photovoltaïques réalisés par l'assemblage de cellules photovoltaïques, notamment des cellules photovoltaïques, sous la face inférieure d'une tuile transparente fortement galbée, la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée étant formée sur au moins une partie de sa surface d'une pluralité de zones planes non coplanaires, chacune de ces zones planes étant équipée d'au moins une cellule photovoltaïque, l'ensemble de ces cellules étant interconnectées électriquement. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente selon l'invention la section d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques. La figure 2 représente selon l'invention, en vue de dessous, une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques. 5/13 La figure 3 représente, selon l'invention, un exemple de la section AA d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques interconnectées dans une direction perpendiculaire à l'axe de la tuile. La figure 4 représente selon l'invention, un exemple en vue de dessous d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques interconnectées dans une direction perpendiculaire à l'axe de la tuile. La figure 5 représente, selon l'invention, un exemple de la section BB d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques interconnectées dans une direction parallèle à l'axe de la tuile. La figure 6 représente selon l'invention, un exemple en vue de dessous d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques interconnectées dans une direction parallèle à l'axe de la tuile. Description de modes particuliers de réalisation. Un mode de réalisation de l'invention représenté en coupe en figure 1, un élément de couverture photovoltaïque est formé par une tuile transparente fortement galbée 1 dont la face supérieure 2 présente une forte courbure selon au moins une direction et dont la face inférieure possède sur au moins la moitié de sa surface une pluralité de zones planes non coplanaires 10 formant entre elles un angle non nul et par l'encapsulation d'une cellule photovoltaïque 20 sous chacune des zones planes 10. Les zones planes non coplanaires 10 sont notées l0a pour la première et 10k pour la k-ème. La cellule photovoltaïque encapsulées sous la zone plane 10k est notée 20k. Les cellules photovoltaïques sont interconnectées afin de former un circuit électrique continu ayant une connexion d'entrée et une connexion de sortie. Les cellules photovoltaïques 20 sont choisies parmi les cellules dites couches minces, les cellules dites épaisses et les cellules dites hétérojonction, les cellules dites couches minces étant constituées d'une couche mince d'un semi-conducteur choisi notamment parmi le silicium amorphe, le 6/13 silicium micro-cristallin, le tellurure de cadmium, l'alliage cuivre-indium-sélénium et l'alliage cuivre-indium-gallium-sélénium, les cellules dites épaisses ayant une épaisseur d'au moins 40 gm et étant constituées d'au moins un matériau semi-conducteur choisi notamment parmi le silicium monocristallin, le silicium polycristallin, l'arséniure de gallium. La tuile transparente fortement galbée 1 est constituée d'un matériau transparent choisi parmi le verre, un polymère transparent ou un assemblage de verre et d'un polymère transparent, le polymère transparent pouvant être notamment un polycarbonate ou un poly-méthyl-meta-acrylate connu sous le nom de PMMA. Un mode de réalisation de l'invention représenté en vue de dessous en figure 2, un élément de couverture photovoltaïque est formé par une tuile transparente fortement galbée 1 dont la face supérieure présente une forte courbure selon au moins une direction et dont la face inférieure possède sur au moins la moitié de sa surface une pluralité de zones planes non coplanaires 10 formant entre elles un angle non nul et par l'encapsulation de plusieurs cellules photovoltaïques 20 sont encapsulées chacune des zones planes 10. La j-ème cellule photovoltaïque encapsulée sous la zone plane 10k est notée 20k j. L'ensemble des cellules photovoltaïques sont interconnectées en série ou en parallèle comme il est connu de le faire dans les panneaux photovoltaïques traditionnels afin de former un circuit électrique continu ayant une connexion d'entrée et une connexion de sortie. Ces connexions d'entrée et de sortie ainsi que le boitier de connexion ne sont pas représentés sur la figure 2. La tuile transparente fortement galbée 1 est constituée d'un matériau transparent choisi parmi le verre, un polymère transparent ou un assemblage de verre et d'un polymère transparent, le polymère transparent pouvant être notamment un polycarbonate ou un poly-méthyl-meta-acrylate connu sous l'appellation PMMA. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'au moins une cellule photovoltaïque 20 placée sous une zone plane 10 de la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée est encapsulée à l'aide d'un polymère transparent entre un substrat avant formé par la surface de ladite zone plane 10 de la tuile et un substrat arrière. Le polymère transparent sera choisi parmi les copolymères d'acétate de vinyle, notamment le copolymère éthylène-acétate de 7113 vinyle, plus connu sous l'appellation EVA, et les résines silicones. Ce polymère transparent assure la cohésion mécanique entre le substrat avant, les cellules 10 et le substrat arrière. Ce polymère transparent assure également l'adaptation d'indice optique entre le matériau du substrat avant et les cellules 10. Le matériau du substrat arrière sera choisi parmi le verre et les polymères, notamment les polymères fluorés afin d'apporter une grande résistance à la migration des molécules d'eau vers le semi-conducteur des cellules photovoltaïques. Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, l'ensemble des cellules photovoltaïques 20 composant l'élément de couverture photovoltaïque sont encapsulées à l'aide d'un polymère transparent entre un substrat avant formé par la pluralité des zones planes 10 de la face inférieure de la tuile et d'un unique substrat arrière, ce substrat arrière couvrant l'intégralité de la surface recevant toutes les cellules photovoltaïques 20. Le polymère transparent sera choisi parmi les copolymères d'acétate de vinyle, notamment le copolymère éthylène-acétate de vinyle et les résines silicones. Le matériau du substrat arrière sera de préférence une feuille d'un matériau polymère fluoré. L'invention s'applique également à un élément de couverture photovoltaïque formé par une tuile transparente fortement galbée possédant sur sa face inférieure au moins trois zones planes 20 non coplanaires dont au moins deux sont équipées de cellules photovoltaïques. Exemple 1 Un élément de couverture photovoltaïque représenté en section AA en figure 3 et en vue de 25 dessous en figure 4 est réalisé par l'encapsulation de 36 cellules photovoltaïques sous une tuile 1 transparente fortement galbée. La tuile 1 en verre moulé présente la même géométrie que les tuiles en terre cuite qu'elle remplace en toiture. La tuile 1 est une tuile à fort galbe de dimension 280 x 480 mm2 et qui présente sur sa face supérieure un rayon de courbure irrégulier compris entre 120 mm et 200 mm. La tuile 1 comporte les mêmes éléments de 30 raccordement avec les tuiles voisines et destinés au cheminement de l'eau que les tuiles en terre cuite. 8/13 La tuile 1 présente sur sa face inférieure quatre zones planes 10-1 à 10-4 formant entre elles un angle de 30 degrés. Ces zones ont une largeur de 60 mm et une longueur de 345 mm. La tuile 1 est constituée d'un verre sodo-calcique avec une très faible teneur en fer, connu sous le nom de verre extra-blanc. L'épaisseur du verre est typiquement comprise entre 8 et 18 mm. La tuile a un coefficient de transmission voisin de 88% dans tout le spectre solaire entre le proche ultraviolet à 350 nm et le proche infrarouge à 1,2 µm. Des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin d'une épaisseur de 200 gm environ sont assemblées en une guirlande constituée de neuf branches de quatre cellules. Les quatre cellules d'une même branche sont disposées de telle façon qu'il y a une cellule 20 en regard de chacune des zones planes 10. Par exemple, la première branche contient les cellules 20-1-1, 20-2-1, 20-3-1 et 20-4-1 disposées respectivement en regard des zones planes 10-1, 10-2, 10-3 et 10-4. Les quatre cellules d'une même branche sont électriquement assemblées en série. Pour cela un ruban 30 en cuivre étamé d'épaisseur 0,13 mm et de largeur 2 mm relie électriquement la face supérieure d'une cellule de la branche à la face inférieure de la cellule suivante dans cette même branche. Les neuf branches sont ensuite électriquement assemblées en parallèle par l'intermédiaire des conducteurs 33 et 34 réalisés en cuivre étamé d'épaisseur 0,13 mm et de largeur 4 mm. Les conducteurs 33 et 34 constituent ainsi les extrémités de la guirlande de cellules et sont connectés dans la boite de jonction 60. L'encapsulation des cellules photovoltaïques sous la tuile 1 est réalisée en déposant, par enduction au rouleau, une résine silicone transparente 50 d'indice optique 1.44, proche de celui du verre, sur chacune des quatre zones planes 10-1 à 10-4. La guirlande des cellules photovoltaïques 20 est ensuite mise en place sur les zones planes 10-1 à 10-4. Une feuille 40 d'épaisseur 0.3 mm d'un polymère fluoré et enduite de la même résine silicone est alors placée sur l'ensemble de la guirlande de cellules, la face enduite de la résine silicone contre les cellules. L'ensemble est ensuite placé dans une poche en élastomère et le vide est réalisé dans cette poche, la pression résiduelle étant de 20 millibars. La poche est alors placée dans une étuve à une température de 110°C pendant 30 minutes afin que la résine silicone réticule. 9/13 L'opération finale consiste alors à fixer la boite de jonction 60 est à souder les conducteurs 33 et 34 à un connecteur dans cette boite. L'élément de couverture photovoltaïque ainsi réalisé fourni une puissance de 9 W crête. Exemple 2 Un élément de couverture photovoltaïque représenté en section BB en figure 5 et en vue de dessous en figure 6 est réalisé par l'encapsulation de 48 cellules photovoltaïques sous une tuile 1 transparente fortement galbée. La tuile 1 en verre moulé présente la même géométrie que les tuiles en terre cuite qu'elle remplace en toiture. La tuile 1 est une tuile à fort galbe de dimension 310 x 450 mm2 et qui présente sur sa face supérieure une partie arrondie avec un rayon de courbure d'environ 180 mm et une zone plane. La tuile 1 comporte les mêmes éléments de raccordement avec les tuiles voisines et destinés au cheminement de l'eau que les tuiles en terre cuite. La tuile 1 présente sur sa face inférieure cinq zones planes 10-1 à 10-5 formant entre elles un angle de 40 degrés en regard de la partie arrondie en face supérieure et une zone plane 10-6 en regard de la partie plane en face supérieure. Ces zones 10 ont une largeur de 52 mm et une longueur de 330 mm. La tuile 1 est constitué d'un verre sodo-calcique avec une très faible teneur en fer, connu sous le nom de verre extra-blanc. L'épaisseur du verre est typiquement comprise entre 8 et 18 mm. La tuile a un coefficient de transmission voisin de 90% dans tout le spectre solaire entre le proche ultraviolet à 350 nm et le proche infrarouge à 1,2 µm. Des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin d'une épaisseur de 200 gm environ sont assemblées en une guirlande constituée de six branches de huit cellules. Les huit cellules d'une même branche sont disposées de telle façon qu'elles sont toutes en regard d'une même zone plane 10. Par exemple, la première branche contient les cellules 20-1-1 à 20-1-8 disposées en regard de la zone plane 10-1. Les huit cellules d'une même branche sont électriquement assemblées en série. Pour cela un ruban 30 en cuivre étamé d'épaisseur 0,13 mm et de largeur 2 mm relie électriquement la face supérieure d'une cellule de la branche à la face inférieure de la cellule suivante dans cette même branche. 10 / 13 Les six branches sont ensuite électriquement assemblées en parallèle par l'intermédiaire des conducteurs 35 et 36 réalisés en cuivre étamé d'épaisseur 0,13 mm et de largeur 4 mm. Les conducteurs 35 et 36 constituent ainsi les extrémités de la guirlande de cellules et sont connectés dans la boite de jonction 60. L'encapsulation des cellules photovoltaïques sous la tuile 1 est réalisée en déposant une feuille d'un copolymère éthylène-acétate de vinyle (EVA) d'épaisseur 0.38 mm sur la totalité de la zone couverte par les zones planes 10-1 à 10-6. La guirlande des cellules photovoltaïques est ensuite mise en place sur cette feuille d'EVA et en regard des zones planes 10-1 à 10-6. Une seconde feuille d'EVA d'épaisseur 0.38 mm et de même dimension que la première est déposée sur les cellules photovoltaïques, à l'aplomb de la première feuille d'EVA. Ces deux feuilles d'EVA formeront le milieu transparent 50 après ramollissement et réticulation. Une feuille 40 d'épaisseur 0.3 mm d'un polymère fluoré est alors placée sur la seconde feuille d'EVA. L'ensemble est ensuite placé dans une poche en élastomère et le vide est réalisé dans cette poche, la pression résiduelle étant de 20 millibars. La poche est alors placée dans une étuve à une température de 150°C pendant 30 minutes afm que l'EVA se ramollisse, flue et réticule. L'opération finale consiste alors à fixer la boite de jonction 60 est à souder les conducteurs 35 et 36 à un connecteur dans cette boite. L'élément de couverture photovoltaïque ainsi réalisé fourni une puissance de 11 W crête. 11 113 Revendications1. Elément de couverture photovoltaïque réalisé par assemblage de cellules photovoltaïques sous la face inférieure d'une tuile transparente fortement galbée caractérisé en ce que la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée est formée sur au moins 50% de sa surface d'une pluralité de zones planes non coplanaires, ces zones planes étant équipée d'une cellule photovoltaïque, l'ensemble de ces cellules étant interconnectées électriquement. 2. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 1 caractérisé en ce que la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée est formée sur au moins 75% de sa surface d'une pluralité de zones planes non coplanaires, ces zones planes étant équipée d'une cellule photovoltaïque, l'ensemble de ces cellules étant interconnectées électriquement. 3. Elément de couverture photovoltaïque selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que chacune des zones planes de la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée est équipée de plusieurs cellules photovoltaïques. 4. Elément de couverture photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'au moins une cellule photovoltaïque équipant une zone plane de la face inférieure de la tuile transparente est encapsulée à l'aide d'un polymère transparent entre la surface de ladite zone plane de la tuile et un substrat arrière formé par un polymère. 5. Elément de couverture photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'au moins une cellule photovoltaïque équipant une zone plane de la face inférieure de la tuile transparente est encapsulée à l'aide d'un polymère transparent entre un substrat avant formé par la surface de ladite zone plane de la tuile et un substrat arrière et que ce substrat arrière est commun à toutes les cellules encapsulées sous la tuile et qu'il est formé par une feuille unique d'un polymère. 12 113. Elément de couverture photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la tuile transparente fortement galbée est en verre moulé. 7. Elément de couverture photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la tuile transparente fortement galbée est en poly-méthyl-metaacrylate. 8. Système photovoltaïque constitué d'une pluralité d'éléments de couverture photovoltaïques caractérisé en ce que les éléments de couverture sont constitués par l'assemblage de cellules photovoltaïques sous la face inférieure d'une tuile transparente fortement galbée, la face inférieure de la tuile en transparente fortement galbée étant formée sur au moins une partie de sa surface d'une pluralité de zones planes non coplanaires, chacune de ces zones planes étant équipée d'au moins une cellule photovoltaïque, l'ensemble de ces cellules étant interconnectées électriquement. 13/13