Brevet FR2954000A1 — publié le 20110617

DISPOSITIF REFLECTEUR POUR MODULE PHOTOVOLTAÏQUE A CELLULES BIFACIALES DOMAINE TECHNIQUE L'invention s'inscrit dans le domaine de la production d'énergie par le biais de cellules photovoltaïques. Elle vise plus particulièrement l'optimisation de la collecte des photons par de telles cellules. A cet effet, elle concerne un dispositif réflecteur pour module photovoltaïque à cellules bifaciales, apte à diriger des flux de photons en direction de la face arrière desdites cellules. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE De manière générale et en référence aux figures 1 et 2, un module 1 photovoltaïque est formé d'une pluralité de cellules solaires bifaciales 2 présentant chacune une face avant 20 active et une face arrière 21 active, aptes à collecter et à transformer en énergie électrique des photons d'un rayonnement lumineux incident arrivant sur lesdites faces avant et arrière. Ces cellules sont espacées les unes des autres au sein d'une structure 3 formée d'une plaque avant 30 transparente au rayonnement incident et située en regard des faces avant 20, d'une plaque arrière 31, transparente audit rayonnement, et située en regard des faces arrières 21, et d'un cadre de scellement 32 de l'ensemble pour améliorer la résistance et étanchéifier la structure. La puissance électrique générée par le module photovoltaïque dépendant notamment du flux lumineux incident, ces modules photovoltaïques sont généralement placés au niveau des toitures ou en remplacement de la toiture, afin de bénéficier d'un éclairement maximum. Ainsi, la plaque avant de la structure est de préférence en matériau transparent présentant un bon coefficient de transmission lumineuse et une résistance aux chocs et aux intempéries. Par ailleurs, les cellules étant disposées de manière espacée les unes des autres, des photons peuvent traverser la structure via les espacements entre les cellules adjacentes, sans interagir avec les cellules. La collecte de ces photons perdus pour les renvoyer vers les faces arrières actives des cellules constitue une solution pour améliorer la collecte, et donc le rendement du module photovoltaïque. Pour ce faire, une plaque réfléchissante peut être placée en regard des faces arrières des cellules. La surface de cette plaque réfléchissante est notamment pourvue de moyens réflectifs tels que miroirs, ou de moyens réfractifs tels que prismes ou lentilles. Par exemple, le document US 6,410,843 propose l'utilisation d'une plaque réfléchissante continue, c'est-à-dire de dimensions égales à celles de la plaque arrière de la structure, dont la surface présente des aspérités sous forme d'une alternance continue de saillies et de creux, pour capter et renvoyer les photons perdus en direction des faces arrières des cellules. De même, le document US 5,994,641 propose de couvrir la surface de la plaque réfléchissante d'un film texturé présentant des reliefs agencés en regard des espacements entre les cellules adjacentes, chaque relief ayant une orientation distincte en fonction de sa position par rapport aux cellules. Bien que ces solutions permettent le renvoi des photons perdus en direction de la face arrière 15 des cellules, l'ensemble formé par le module photovoltaïque et la plaque réfléchissante est volumineux, encombrant, fragile, couteux et pas optimisé. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un autre dispositif réflecteur exempt de l'une au moins des limitations précédemment évoquées. L'invention a notamment 20 pour but d'améliorer le rendement d'un module photovoltaïque, en proposant une solution qui permette d'optimiser la collecte et le renvoi des photons perdus en direction de la face arrière active des cellules. L'invention a également pour objectif de proposer une solution moins couteuse et moins encombrante. 25 EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne à cet effet un dispositif réflecteur pour module photovoltaïque formé d'une pluralité de cellules photovoltaïques bifaciales espacées les unes des autres, chaque cellule présentant une face avant active et une face arrière active aptes à capter des photons 30 de rayons lumineux incidents arrivant sur lesdites faces avant et arrière. Selon l'invention, le dispositif réflecteur comprend au moins un module réflecteur destiné à être agencé sous les cellules sensiblement à l'aplomb des espacements entre les cellules adjacentes, le module réflecteur comprenant : - une première portion dont les surfaces en regard de l'espacement entre les cellules présentent une première courbure de manière à envoyer tout ou partie des photons incidents en direction de la face arrière des cellules ; et - une deuxième portion surmontant la première portion, dont les surfaces en regard de l'espacement présentent une deuxième courbure de manière à envoyer tout ou partie des photons incidents en direction de la face arrière des cellules, la deuxième courbure étant différente de la première courbure. En d'autres termes, le dispositif de l'invention n'est pas constitué d'une surface continue texturée disposée sous les cellules, mais comprend un ou plusieurs modules réflecteurs disposés en regard des espacements entre des cellules adjacentes du module photovoltaïque. Chaque module réflecteur comprend une superposition de portions, chacune des portions présentant une courbure différente permettant de diriger tout ou partie des photons vers les faces arrières des cellules. Ainsi, les photons perdus issus notamment de rayons lumineux tombant au niveau des espacements entre les cellules, atteignent au moins l'une des surfaces du module réflecteur et sont renvoyés en direction de la face arrière des cellules, augmentant de manière significative la collecte de la face arrière active des cellules, et donc le rendement du module photovoltaïque correspondant. Avantageusement, les première et deuxième courbures sont de type concave, convexe ou plan. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, la première courbure est de type convexe (par rapport à la direction du rayonnement incident) et la deuxième courbure est de type plan. Par exemple, la section transversale de la première portion peut se présenter sous forme hemi-sphérique, et celle de la deuxième portion peut se présenter sous forme triangulaire. La base de la première portion est de préférence plus large que celle de la deuxième portion de sorte que les photons tombant au niveau de l'espacement entre les cellules, atteignent la première ou la deuxième portions du module réflecteur pour être redirigés vers la face arrière des cellules. Le module peut, par exemple, être réalisé en métal (Aluminium, acier inoxydable), ou en 35 polymère, comme le PMMA. Lorsque le module est réalisé en un matériau peu réfléchissant, les surfaces de chacune des première et deuxième portions sont de préférence recouvertes d'un matériau réfléchissant ou semi-réfléchissant. Par exemple, le matériau réfléchissant peut être de l'aluminium ou de l'argent, ou du chrome. Il est particulièrement intéressant d'obtenir une réflexion supérieure à 80% pour les longueurs d'onde comprises entre 300 et 1200 nanomètres. Les surfaces réfléchissantes du module réflecteur peuvent être obtenues par dépôt d'une couche de chrome ou d'aluminium, cette couche pouvant ensuite être protégée par une couche transparente au rayonnement incident, telle qu'une couche de silice (SiO2). Avantageusement, les surfaces de chacune des première et deuxième portions du module réflecteur peuvent également être recouvertes d'un matériau présentant un comportement optique spectral sélectif. Par exemple, ledit matériau peut être transparent pour les rayons infrarouges et être réflectif pour les autres longueurs d'onde. L'avantage de cette solution réside dans la possibilité de filtrer certain rayons lumineux. On peut utiliser par exemple un multicouche à base de TiO2 et de SiO2. Avantageusement, les surfaces du module réflecteur peuvent aussi être recouvertes d'un matériau présentant un comportement bifonctionnel transparent û réfléchissant. 20 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif réflecteur comprend en outre un support sur lequel est rapportée la première portion dudit module réflecteur, ledit support présentant au moins une zone libre exempte de module réflecteur, ladite zone libre étant recouverte d'un matériau réfléchissant ou semi-réfléchissant apte à renvoyer tout ou partie 25 des photons incidents en direction de la face arrière des cellules et/ou en direction de l'un au moins des modules réflecteurs. En pratique, les surfaces du module réflecteur peuvent être un miroir et les zones peuvent être recouvertes d'un matériau diffusant. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif réflecteur comprend en outre au moins une entretoise intercalée entre ledit support de module réflecteur et une plaque intermédiaire sur laquelle repose la face arrière des cellules. 30 De préférence, ladite plaque intermédiaire est réalisée en un matériau transparent à tout ou partie des rayons lumineux incidents. Par exemple, ladite plaque intermédiaire peut être en matériau transparent tel que du verre. L'entretoise peut également être recouverte d'un matériau réfléchissant. Avantageusement, la zone dudit support recouverte par le module réflecteur est réalisée en un matériau apte à laisser passer tout ou partie des photons d'un rayonnement lumineux, par exemple en matériau transparent ou semi-transparent. 10 En pratique, le dispositif réflecteur comprend une pluralité de modules réflecteurs chacun étant destiné à être disposé à l'aplomb d'un espacement séparant des cellules adjacentes, les modules réflecteurs reposant sur ledit support, et deux modules réflecteurs adjacents étant séparés par une entretoise. Les surfaces du module réflecteur peuvent être recouvertes d'un matériau présentant un comportement optique spectral sélectif, le support et la plaque 15 intermédiaire peuvent être réalisés dans un matériau transparent tel que du verre, et l'entretoise et les zones libres peuvent être recouvertes d'un film réfléchissant. Par exemple, chaque module réflecteur peut être associé à un dispositif récupérateur de calories disposé sous le support, afin de chauffer l'eau sanitaire ou l'air. 20 Le module réflecteur peut être un profilé destiné à être placé en regard d'un espacement entre deux rangées adjacentes de cellules photovoltaïques. L'invention concerne également un module photovoltaïque formé d'une structure dans laquelle est disposée une pluralité de cellules photovoltaïques bifaciales espacées les unes 25 des autres, chaque cellule présentant une face avant active et une face arrière active aptes à capter des photons de rayons lumineux incidents arrivant sur lesdites faces avant et arrière, ladite structure étant formée d'une plaque avant transparente en regard des faces avants des cellules, d'une plaque arrière transparente en regard des faces arrières des cellules, et d'un cadre de scellement des plaques avant et arrière. Le module photovoltaïque selon l'invention 30 intègre en outre un dispositif réflecteur tel que décrit précédemment. Avantageusement, le support sur lequel repose la première portion du module réflecteur est formé par la plaque arrière de la structure.5 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins 5 annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en plan d'un module photovoltaïque ; - la figure 2 est une vue schématique en section du module photovoltaïque de la figure 1 réalisée selon l'axe AA' ; - la figure 3 est une vue schématique en section partielle du dispositif réflecteur intégré à 10 un module photovoltaïque selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique en section partielle du dispositif réflecteur intégré à un module photovoltaïque selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue schématique partielle de la face avant d'un module photovoltaïque intégrant un dispositif réflecteur selon un autre mode de réalisation ; 15 - la figure 6 est une vue schématique en section du module photovoltaïque de la figure ; et - la figure 7 est une vue schématique en section du module photovoltaïque muni d'un dispositif récupérateur de calorie selon un autre mode de réalisation de l'invention. 20 EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Un module photovoltaïque comprend notamment une pluralité de cellules photovoltaïques 2 disposées de manière espacée les unes des autres dans une structure 3. Chaque cellule bifaciale présente une face avant 20 active et une face arrière 21 active, c'est-à-dire aptes à 25 capter des photons de rayons lumineux incidents arrivant sur lesdites faces avant 20 et arrière 21, et à les transformer en électricité. La structure 3 est formée d'une plaque avant 30 transparente au rayonnement incident et située en regard des faces avant 20, d'une plaque arrière 31 transparente au rayonnement réfléchi par un dispositif réflecteur approprié, et située en regard des faces arrières 21, et d'un cadre de scellement 32 de l'ensemble pour 30 améliorer la résistance et étanchéifier la structure. Du fait des espacements 22 entre les cellules 2 adjacentes, les photons issus de rayons lumineux incidents tombant au niveau de ces espacements 22 n'interagissent pas avec les cellules 2, et ces photons sont donc perdus. Afin de renvoyer ces photons perdus vers la face 35 arrière 21 des cellules 2, le module photovoltaïque intègre un dispositif réflecteur qui 6 comprend notamment une pluralité de modules réflecteurs 4, agencés sous les cellules 2, et sensiblement à l'aplomb des espacements 22 entre les cellules 2 adjacentes. Chaque module réflecteur 4 comprend une superposition de deux portions 41, 42, chacune des portions pouvant être recouverte d'un matériau réfléchissant ou semi-réfléchissant et présentant une courbure différente permettant de diriger tout ou partie des photons vers la face arrière 21 des cellules 2. Tel qu'illustré sur les figures 3 et 4, un module réflecteur 4 comprend notamment : - une première portion 41 dont les surfaces en regard de l'espacement 22 présentent une première courbure de manière à envoyer tout ou partie des photons incidents transitant par l'espacement 22 en direction de la face arrière 21 des cellules 2, cette courbure pouvant également présenter deux centres de courbure, et - une deuxième portion 42 surmontant la première portion 41, dont les surfaces en regard de l'espacement 22 présentent une deuxième courbure de manière à envoyer 15 tout ou partie des photons incidents en direction de la face arrière 21 des cellules 2, la deuxième courbure étant différente de la première courbure. La première courbure peut être de type convexe par rapport à la direction du flux incident, et la section transversale de la première portion se présente alors sous la forme d'une ou de 20 deux demi-sphères. En outre, la deuxième courbure peut être de type plan et la section transversale de la deuxième portion est triangulaire. Bien entendu, la base de la première portion 41 est de préférence plus large que celle de la deuxième portion de sorte que les photons traversant l'espacement 22, atteignent les surfaces des première et deuxième portions 41, 42 du module réflecteur 4 pour ensuite être redirigés vers la face arrière 21 des 25 cellules 2. Les surfaces de chacune des première et deuxième portions du module réflecteur sont recouvertes d'un matériau réfléchissant ou semi-réfléchissant. Par exemple, le matériau réfléchissant peut être de l'aluminium, de l'argent ou du chrome. 30 Par ailleurs, les cellules 2 sont rapportées sur une plaque intermédiaire 6 réalisée en un matériau transparent tel que du verre. Les modules réflecteurs 4 sont quant à eux rapportés sur un support 5 qui peut être constitué par la plaque arrière 31 précitée de la structure 3, les modules réflecteurs étant de fait positionnés entre le support 5 et la plaque intermédiaire 6. 35 Le support 5 présente ainsi des zones libres 50 exemptes de tout module réflecteur, en regard de la face arrière des cellules 2. Pour améliorer la réflexion des photons perdus en direction des faces arrières 21 des cellules 2, ces zones libres 50 sont recouvertes d'un matériau réfléchissant ou diffusant. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, chaque module réflecteur se présente sous la forme d'un profilé, et est disposé à l'aplomb d'un espacement entre deux rangées 2a, 2b adjacentes de cellules 2, comme illustré sur la figure 5. Tel qu'illustré sur les figures 3 et 6, des entretoises 7 peuvent être interposées entre la plaque intermédiaire 6 et le support 5 pour assurer une cohésion et un maintien mécanique de l'ensemble. Les entretoises sont de préférence disposées en regard des faces arrières des cellules entre deux modules réflecteurs adjacents, et recouvertes d'un matériau réfléchissant. Les photons perdus se réfléchissent ainsi sur les modules réflecteurs, mais également sur les entretoises et le support, augmentant la probabilité pour les photons d'être renvoyés en direction des faces arrières des cellules. Tel qu'illustré sur la figure 4, le maintien mécanique peut également être assuré par les modules réflecteurs 4, la plaque intermédiaire 6 reposant sur la partie supérieure de la deuxième portion desdits modules réflecteurs, puis étant fixée sur ses bords par des moyens mécaniques. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, et en référence à la figure 7, la plaque intermédiaire et le support sont réalisées dans un matériau transparent tel que du verre, et les zones libres du support sont recouvertes d'un matériau réfléchissant. Ainsi, les zones sur lesquelles sont rapportés les modules réflecteurs sont transparentes, laissant ainsi passer une partie de la lumière pour éclairer une pièce. Il est également possible de recouvrir les surfaces de chaque module réflecteur d'un matériau présentant un comportement optique spectral sélectif, tel que transparent pour les rayons infrarouges et réflectif pour les autres longueurs d'onde. Ce filtrage permet d'associer à au moins une partie des modules réflecteurs, des dispositifs récupérateurs de calories 8 pour chauffer de l'eau ou l'air. Il est également possible de recouvrir les surfaces d'un matériau de type électrochrome qui présente les deux fonctions de transparence et de réflexion en fonction d'un courant électrique appliqué.35 Bien entendu, les formes du module réflecteur sont de préférence symétriques dans la mesure où le dispositif adresse au moins deux cellules ou rangées de cellules juxtaposées, et les paramètres géométriques du module réflecteur dépendent notamment de l'architecture du module photovoltaïque et notamment de sa taille, de son épaisseur, et de l'espacement entre les cellules. A titre exemplatif et dans le cas d'un module réflecteur selon les figures 3 et 4, on a les caractéristiques suivantes : 0,5GAG G/5 D 0,5G 10°C35° 0,5BF2B AB expressions dans lesquelles : - A désigne l'espacement entre les cellules photovoltaïques bifaciales ; - B désigne la longueur de la base du module réflecteur , - G est la largeur d'une cellule ; - C est l'angle séparant les plans concourrants de la portion supérieure ou deuxième portion du module réflecteur ; - F est le rayon de courbure de la première portion du module réflecteur ; et - D est la hauteur de l'entretoise ou l'espacement entre le support et la plaque intermédiaire. Il ressort de ce qui précède que la structure particulière du dispositif réflecteur de l'invention permet notamment de renvoyer plus de photons perdus en direction la face arrière des cellules, et corollairement d'augmenter de façon significative la performance du module photovoltaïque de façon simple, facilement réalisable et donc peu coûteuse. Il est ainsi possible de récupérer plus de 90% des photons incidents. La solution de l'invention offre également la possibilité de réaliser un module polyvalent pouvant fournir à la fois de l'électricité et de la chaleur via un système d'échangeur thermique. REVENDICATIONS1. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque (1) formé d'une pluralité de cellules (2) photovoltaïques bifaciales ou de rangées de telles cellules espacées les unes des autres, chaque cellule (2) présentant une face avant (20) active et une face arrière (21) active aptes à capter des photons de rayons lumineux incidents arrivant sur lesdites faces avant (20) et arrière (21), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un module réflecteur (4) destiné à être agencé sous les cellules (2) sensiblement à l'aplomb du ou des espacements (22) séparant deux cellules (2) adjacentes ou deux rangées de cellules adjacentes, le module réflecteur (4) comprenant : - une première portion (41) dont les surfaces en regard de l'espacement (22) présentent une première courbure de manière à envoyer tout ou partie des photons incidents en direction de la face arrière (21) des cellules (2) ; et - une deuxième portion (42) surmontant la première portion (41), dont les surfaces en regard de l'espacement (22) présentent une deuxième courbure de manière à envoyer tout ou partie des photons incidents en direction de la face arrière (21) des cellules (2), la deuxième courbure étant différente de la première courbure. 2. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième courbures sont de type concave, convexe ou plan. 3. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces de chacune des première et deuxième portions (41, 42) du module réflecteur (4) sont recouvertes d'un matériau réfléchissant pour les rayons incidents. 4. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces de chacune des première et deuxième portions (41, 42) du module réflecteur (4) sont recouvertes d'un matériau présentant un comportement optique spectral sélectif ou un comportement optique bifonctionnel transparent/réfléchissant. 5. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un support (5) sur lequel est rapportée la première portion (41) dudit module réflecteur (4), ledit support (5) présentant au moins une zone libre (50) exempte de module réflecteur (4), ladite zone libre (50) étant recouverte d'un matériau réfléchissant ou semi-réfléchissant apte à envoyer tout ou partie des photons incidents en direction de la face arrière (21) des cellules (2) et/ou en direction de l'un au moins des modules réflecteurs (4). 6. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une entretoise (7) intercalée entre ledit support (5) des modules réflecteurs et une plaque intermédiaire (6) sur laquelle est rapportée la face arrière (21) des cellules (2), ladite plaque intermédiaire (6) étant réalisée en un matériau transparent au rayons incidents, et l'entretoise (7) étant recouverte d'un matériau réfléchissant pour lesdits rayons incidents. 7. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le module réflecteur (4) se présente sous la forme d'un profilé destiné à être placé à l'aplomb d'un espacement séparant deux rangées (2a, 2b) adjacentes de cellules (2) photovoltaïques. 8. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la deuxième portion (42) présente une section transversale triangulaire. 25 9. Dispositif réflecteur pour module photovoltaïque selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il présente les caractéristiques dimensionnelles suivantes : 0,5GAG G/5D0,5G 10°C35° 30 0,5BF2B AB expressions dans lesquelles : - A désigne l'espacement entre les cellules photovoltaïques bifaciales ; - B désigne la longueur de la base du module réflecteur ,20- G est la largeur d'une cellule ; - C est l'angle séparant les plans concourrants de la portion supérieure ou deuxième portion du module réflecteur ; - F est le rayon de courbure de la première portion du module réflecteur ; et - D est la hauteur de l'entretoise ou l'espacement entre le support et la plaque intermédiaire. 10. Module photovoltaïque (1) formé d'une structure (3) dans laquelle est disposée une pluralité de cellules (2) photovoltaïques espacées les unes des autres, chaque cellule (2) présentant une face avant (20) active et une face arrière (21) active aptes à capter des photons de rayons lumineux incidents arrivant sur lesdites faces avant (20) et arrière (21), ladite structure (3) étant formée d'une plaque avant (30) transparente auxdits rayons lumineux en regard des faces avants (20) des cellules (2), d'une plaque arrière (31) transparente auxdits rayons lumineux en regard des faces arrières (21) des cellules (2), et d'un cadre (32) de scellement des plaques avant (30) et arrières (31), caractérisé en ce que ledit module photovoltaïque intègre en outre un dispositif réflecteur selon l'une des revendications 1 à 9. 11. Module photovoltaïque selon la revendication 10, caractérisé en ce que le support (5) sur lequel est rapportée la première portion (41) du module réflecteur (4) est formé par la plaque arrière (31) de la structure (3).