Brevet FR2958454A1 — publié le 20111007

Dispositif photovoltaïque amélioré L'invention a pour domaine celui des dispositifs photovoltaïques en vue de la production d'un courant alternatif apte à être injecté sur un réseau. Plus particulièrement, l'invention a pour domaine celui des dispositifs photovoltaïques à intégrer dans des installations de petites dimensions équipant par exemple les domiciles des particuliers. Pour inciter les particuliers à s'équiper d'installations solaires de production d'énergie, les pouvoirs publics ont fixé un prix de rachat élevé de l'énergie (en kWh) électrique produite au moyen d'une telle installation. Pour bénéficier de ces prix de rachat, l'installation photovoltaïque du particulier doit avoir une puissance crête (en kWc) inférieure ou égale à une puissance crête prédéfinie, valant actuellement en France, 3 kWc. La puissance crête d'une installation donne la puissance maximale que peut fournir une installation pour des conditions standard d'ensoleillement. Cette caractéristique permet de comparer différentes installations photovoltaïques entre elles, mais ne présage pas de la production annuelle d'énergie d'une installation par rapport à une autre, qui dépend des conditions réelles d'ensoleillement. Il y a donc un besoin pour des installations destinées aux particuliers respectant la contrainte de puissance crête en kWc imposée par les pouvoirs publics afin de bénéficier du prix de rachat du kWh, tout en maximisant la production annuelle d'énergie en nombre de kWh fournie au réseau. L'invention a donc pour but de proposer un dispositif photovoltaïque amélioré, ainsi qu'une installation photovoltaïque comportant un tel dispositif. Pour cela l'invention a pour objet un dispositif photovoltaïque, caractérisé en ce qu'il comporte un module photovoltaïque du type à couche mince de CIGS apte à délivrer, entre deux bornes de sortie, un courant continu, et un moyen dédié de détermination du point maximal de puissance, le moyen de détermination du point maximal de puissance comportant deux bornes d'entrée connectées aux bornes de sortie dudit module et deux bornes de sorties constituant les bornes de sortie dudit dispositif, ledit moyen étant propre à déterminer, en temps réel, le point de fonctionnement de puissance maximale dudit module. Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le dispositif comporte un cadre de support du module photovoltaïque ayant des moyens de fixation adaptés au maintien dudit moyen de détermination du point maximal de puissance ; - le dispositif comporte des moyens d'étanchéité permettant de rendre le dispositif utilisable en tant qu'élément de toiture. L'invention a également pour objet une installation photovoltaïque comportant un onduleur et une pluralité de dispositifs photovoltaïques, caractérisé en ce que chaque dispositif photovoltaïque est un dispositif photovoltaïque tel que mentionné ci-dessus, les bornes de sorties des différents dispositifs étant connectées aux bornes d'entrée de l'onduleur. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'installation comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'onduleur comporte uniquement des moyens de conversion du courant continu appliqué entre ses bornes d'entrée, en un courant alternatif adapté pour être injecté sur un réseau ; et - les différents dispositifs photovoltaïques sont connectés en série aux bornes d'entrée de l'onduleur de l'installation. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif ressortiront plus clairement de la description détaillée qui va suivre, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique du montage électrique d'une installation photovoltaïque ; - la figure 2 est une vue schématique, en perspective, d'un dispositif photovoltaïque de l'installation de la figure 1 ; et, - la figure 3 est une coupe, selon la ligne III-III, du dispositif de la figure 2. En se référant à la figure 1, l'installation photovoltaïque 1 comporte N dispositifs photovoltaïques 3 et un onduleur 5. Un dispositif 3 comporte deux bornes de sortie 7 et 9. L'onduleur 5 présente deux bornes d'entrée 11 et 13 et deux bornes de sortie 15 et 17. Les N dispositifs 3 de l'installation 1 sont connectés, en série, les uns aux autres, entre les bornes d'entrée 11 et 13 de l'onduleur 5. Le courant continu DC, généré par les différents dispositifs 3, est ainsi appliqué en entrée de l'onduleur 5. Du côté de sa sortie, l'onduleur 5 est raccordé électriquement à un réseau 19 auquel l'onduleur 5 délivre un courant alternatif ayant des caractéristiques adaptées. L'onduleur 5 comporte uniquement des moyens de conversion permettant de transformer le courant continu appliqué en entrée, en un courant alternatif en sortie. Un dispositif photovoltaïque 3 comporte un module photovoltaïque 21 auquel est associé un moyen 23 dédié de détermination du point maximale de puissance du module 21. Le module 21 est du type à couche mince de CIGS. Il s'agit d'un stratifié comportant un substrat en verre d'environ 4 mm d'épaisseur, sur lequel est déposée une couche mince ou film de CIGS de quelques micromètres d'épaisseur, elle-même recouverte d'une couche de protection, en verre, d'environ 3 mm d'épaisseur. La couche de protection constitue la face extérieure du module 21, face destinée à être exposée à la lumière solaire. Le CIGS est un matériau poly-cristallin comportant du Cuivre, de l'Indium, du Galium et du Sélénium. Un film de CIGS est par exemple réalisé par déposition en phase gazeuse d'un mélange, sur le substrat en verre. Le film est subdivisé en plusieurs cellules fonctionnant en autant de pile apte à produire un courant continu entre les bornes de sortie 25 et 27 du modules 21. Un tel module photovoltaïque présente un coût abordable, même pour un particulier, car il ne nécessite pas l'utilisation d'un substrat en silicium, matériau dont les coûts deviennent élevés. Le moyen 23 est une carte électronique 29 propre à mettre en oeuvre un algorithme de recherche du point maximal de puissance du module 21 auquel la carte 29 est associée. Les bornes de sortie 25 et 27 du module 21 sont connectées à deux bornes d'entrée 31 et 33 de la carte. Les bornes de sortie de la carte constituent les bornes de sortie 7 et 9 du dispositif 3. La carte 29 met par exemple en oeuvre l'algorithme suivant. Pour une première tension U1 maintenue constante entre les bornes d'entrée 31 et 33, un moyen 35 de mesure du courant électrique délivré par le module 21 permet le calcul d'une première puissance P1 délivrée par le module 21. Puis, une seconde tension U2 est maintenue entre les bornes d'entrée 31 et 33 de la carte 29. Cette seconde tension U2 est égale à la première tension U1 augmentée d'une variation de tension prédéterminée AU. Le moyen 35 de mesure du courant permet le calcul d'une seconde puissance P2. Puis, un moyen 37 de comparaison compare la seconde puissance P2 à la première puissance P1. Si la seconde puissance P2 est supérieure à la première puissance P1, la valeur de la seconde tension U2 est prise comme valeur de la première tension U1. L'algorithme est ensuite itéré avec le test d'une valeur plus importante de la tension. En revanche, si la seconde puissance P2 est inférieure à la première puissance P1, la tension U1 est inchangée. Une seconde tension U2' est maintenue entre les bornes d'entrée 31 et 33 de la carte 29. Cette seconde tension U2' est égale à la première tension U1 diminuée de la variation de tension prédéterminée AU. Le moyen 35 de mesure du courant permet le calcul d'une seconde puissance P2'. Si le moyen 37 détermine que la seconde puissance P2' est supérieure à la première puissance P1, la valeur de la seconde tension U2' est prise comme valeur de la première tension U1. L'algorithme est ensuite itéré avec le test d'une valeur plus petite de la tension jusqu'à ce que la condition précédente ne soit plus vérifiée. Dans ce cas, l'algorithme est itéré avec le test d'une valeur plus importante de la tension. L'algorithme est itéré à une fréquence élevée, par exemple toute les secondes, pour pouvoir tenir compte, en temps réel, de l'évolution instantanée de la puissance que le module peut fournir, par exemple alors qu'une ombre projetée momentanément sur le module 21 conduit à une diminution de la puissance que celui-ci est capable de fournir. Ainsi, à chaque instant du fonctionnement de l'installation, chacun des N dispositifs 3 délivre la puissance instantanée maximale qu'il est capable de fournir compte tenu des caractéristiques intrinsèques du module 21, des conditions réelles instantanées d'ensoleillement du module 21, etc. En conséquence, la tension et le courant fournis par les différents dispositifs 3 aux bornes de l'onduleur 5 correspondent à la puissance maximale que l'installation 1 peut délivrer. L'onduleur 5 utilisé peut ainsi être un onduleur standard n'offrant que la fonctionnalité de convertisseur courant continu / courant alternatif. La figure 2 représente en perspective un dispositif 3, et la figure 3 représente une coupe transversale du dispositif 3 de la figure 2. Le module 21 est maintenu dans un cadre 40 rectangulaire comportant quatre montants latéraux 44 à 47. Chaque montant est un profilé réalisé par exemple en aluminium. Comme cela est représenté sur la figure 3, un montant a une section adaptée pour maintenir le module 21 plaqué contre une pluralité d'entretoises 51 de support à section carrée, disposées transversalement et s'étendant du montant 45 au montant opposé 47. Pour se faire, la section d'un montant comporte une rainure 53 dont les dimensions sont adaptées pour recevoir intérieurement le bord du module 21 et les extrémités des différentes entretoises 51. Avantageusement, un joint en caoutchouc 55 garni la rainure 53 et vient en appui contre la face extérieure du module 21 de manière à rendre le dispositif 3 étanche. Dans ce cas, le dispositif 3 peut constituer un élément de toiture apte à être intégré dans la toiture d'un bâtiment, de préférence une maison d'habitation. Comme cela est représenté sur la figure 3, la carte 29 est disposée dans l'espace 57 délimité intérieurement par le cadre 40, à l'arrière du module 21. Avantageusement, la carte 29 est placée dans un boîtier 59 fixé à l'un des montants du cadre, par exemple le montant 45. Le boîtier permet d'isoler électriquement la carte de l'environnement. Le montant 45 comporte un moyen de fixation de la carte. Le rebord arrière 61 du montant 45 est replié à 90° vers l'intérieur du cadre 40. Ce rebord 61 porte une patte 63 en forme de « L ». Le boîtier 59 est maintenu entre le rebord 61 et la patte 63. Des moyens de serrage adaptés, tels qu'une vis 65, permettent de rapprocher la patte 63 du rebord 61 de manière à serrer le boîtier 59 pour le maintenir en position. Les bornes d'entrée 31 et 33 et de sortie 7 et 9 de la carte 29 sont facilement accessibles depuis l'arrière du cadre 40 pour la maintenance. Un module photovoltaïque du type à couche mince de CIGS présente un rendement crête plus faible que celui, par exemple, d'un module photovoltaïque polycristallin. En revanche, un module photovoltaïque du type à couche mince de CIGS présente l'avantage de conserver un rendement relativement important hors des conditions standard d'ensoleillement, et ceci contrairement à un module photovoltaïque poly-cristallin dont le rendement chute brutalement hors des conditions standard d'ensoleillement. Aussi, un module photovoltaïque du type à couche mince de CIGS permet-il une production annuelle d'énergie supérieure à celle d'un module poly-cristallin, de l'ordre de 10% à surface active identique. Un module photovoltaïque du type à couche mince de CIGS présentant une puissance crête plus faible, il est nécessaire d'augmenter le nombre de modules photovoltaïques du type à couche mince de CIGS dans une installation pour que celle-ci atteigne les 3 kWc. Par exemple, pour avoir une puissance crête de 3 kWc, une installation doit comporter 34 modules photovoltaïques du type à couche mince de CIGS couvrant une surface active de 26 m2 , là où il fallait auparavant 12 modules polycristallins couvrant une surface active de 20 m2. Ceci présente les deux désavantages suivants : Lorsqu'une installation comporte N modules, l'onduleur travaille à un point de fonctionnement en tension et en courant qui ne correspond pas à la puissance instantanée maximale que pourrait fournir l'installation. De nombreuses pertes interviennent du fait de la disparité des points de fonctionnement instantanés de chacun des modules. Ces pertes augmentent lorsque le nombre de modules de l'installation augmente. Par ailleurs, l'accroissement de la surface active de l'installation peut empêcher un particulier de s'équiper de la technologie CIGS, la surface de la toiture de son habitation ou de son jardin ne pouvant pas permettre d'y déployer une telle installation. C'est pourquoi, prend tout son sens l'association à un module photovoltaïque du type à couche mince de CIGS, un moyen dédié de détermination du point maximal de puissance. En effet, le moyen de détermination du point maximal de puissance permet d'augmenter d'environ 10% la production annuelle d'énergie d'un module photovoltaïque du type à couche mince de CIGS. Cette association permet ainsi de compenser largement par une augmentation du rendement énergétique annuel de chacun des modules de l'installation, la réduction du nombre de modules et/ou de la surface active de l'installation qui bien que présentant une puissance crête en dessous des 3 kWc, a un rendement énergétique supérieure à celui d'une installation de l'art antérieur de 3 kWc, pour une surface active identique. REVENDICATIONS1.- Dispositif photovoltaïque (3), caractérisé en ce qu'il comporte un module photovoltaïque du type à couche mince de CIGS (21) apte à délivrer, entre deux bornes de sortie, un courant continu, et un moyen (23) dédié de détermination du point maximal de puissance, le moyen de détermination du point maximal de puissance comportant deux bornes d'entrée connectées aux bornes de sortie dudit module et deux bornes de sorties constituant les bornes de sortie dudit dispositif, ledit moyen (23) étant propre à déterminer, en temps réel, le point de fonctionnement de puissance maximale dudit module. 2.- Dispositif photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (3) comporte un cadre (40) de support du module photovoltaïque (21) ayant des moyens de fixation (61, 63, 59) adaptés au maintien dudit moyen (23) de détermination du point maximal de puissance. 3.- Dispositif photovoltaïque selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'étanchéité (55) permettant de rendre le dispositif (3) utilisable en tant qu'élément de toiture. 4.- Installation photovoltaïque (1) comportant un onduleur et une pluralité de dispositifs photovoltaïques, caractérisé en ce que chaque dispositif photovoltaïque est un dispositif photovoltaïque (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, les bornes de sorties des différents dispositifs étant connectées aux bornes d'entrée de l'onduleur (5). 5.- Installation photovoltaïque selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'onduleur (5) comporte uniquement des moyens de conversion du courant continu appliqué entre ses bornes d'entrée, en un courant alternatif adapté pour être injecté sur un réseau (19). 6.- Installation photovoltaïque selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisée en ce que les différents dispositifs photovoltaïques (3) sont connectés en série aux bornes d'entrée (11, 13) de l'onduleur de l'installation.