Brevet FR3009891A1 — publié le 20150227

Dispositif pour améliorer la dissipation thermique des cellules photovoltaïques. La présente invention se rapporte au refroidissement des cellules 5 photovoltaïques et plus particulièrement à celles qui reçoivent un rayonnement solaire concentré. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 Les cellules photovoltaïques transforment l'énergie lumineuse en énergie électrique grâce à des composants comme le silicium qui, après traitement, ont la propriété de faire apparaître une différence de potentiel entre la face qui est exposée au rayonnement lumineux et la face opposée. Cette tension électrique transforme donc la cellule en une pile qui est capable de produire un courant électrique dont les 15 caractéristiques dépendent notamment de l'intensité lumineuse reçue et de la température. Dans le domaine de l'énergie solaire il est donc intéressant d'augmenter l'intensité lumineuse reçue par la cellule photovoltaïque en concentrant le rayonnement solaire grâce à des optiques de type miroirs ou lentilles de Fresnel, ce qui a pour conséquence d'augmenter la puissance électrique produite par la 20 cellule. Toutefois une partie seulement de l'énergie solaire est transformée en électricité alors qu'une autre partie est transformée en chaleur. Cette chaleur par contre fait diminuer la puissance électrique fournie par la cellule, d'une manière sensiblement proportionnelle à sa température. Il est donc important de refroidir la cellule pendant son fonctionnement afin de limiter les pertes de puissance électrique. 25 Ce refroidissement peut se faire soit par des radiateurs passifs placés derrière la cellule, soit par des refroidisseurs actifs composés d'échangeurs thermiques parcourus par un liquide calo-porteur. Dans tous les cas le dispositif de refroidissement est placé au dos de la cellule afin de ne pas intercepter le rayonnement solaire incident. 30 BUT DE L'INVENTION L'invention a pour but principal d'améliorer le refroidissement des cellules photovoltaïques grâce à un dispositif qui va diminuer la température de fonctionnement des cellules et ainsi augmenter la puissance de conversion électrique, ce dispositif devant se faire à moindre coût car le gain en production électrique ainsi réalisé ne doit pas se faire au détriment d'un surcoût matériel qui serait supérieur à la valeur du gain électrique produit. RESUME DE L'INVENTION Dans son principe de base, l'invention a pour objet de faciliter la dissipation thermique des cellules photovoltaïques en couplant la face avant de la cellule à un radiateur. La face avant de la cellule est en effet celle qui reçoit directement le rayonnement lumineux, c'est donc la partie de la cellule qui est la plus chaude. En général la chaleur créée à cet endroit se propage au travers de la cellule et est dissipée au niveau de sa face arrière par le contact avec un radiateur à ailettes. Afin de protéger la cellule contre les impacts extérieurs toute la face avant est recouverte d'une plaque de protection transparente. La protection de la cellule et de ses contacts électriques contre l'oxydation est assurée par un verni, de préférence à base de silicone transparent, qui les recouvre entièrement. La face avant de la cellule est donc recouverte d'un verni et d'une plaque transparente souvent en verre. Ces deux éléments étant par nature de mauvais conducteurs thermiques ils limitent particulièrement la dissipation des calories générées à cet endroit de la cellule et provoque donc localement une élévation de la température. On observe par ailleurs que les cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin contiennent sur leur face avant des collecteurs électroniques qui se présentent sous forme d'un réseau de fils métalliques parallèles. Ces collecteurs ont pour fonction de transporter les électrons libres qui sont en surface jusque vers les deux conducteurs électriques principaux situés de part et d'autre de la cellule. Ces collecteurs et ces conducteurs électriques sont de bons conducteurs de chaleur, ils transportent donc efficacement les calories qui apparaissent à la surface de la cellule jusque vers les deux conducteurs latéraux. Ces derniers se présentent généralement sous forme de bandes métalliques soudées à la cellule et ils assurent les liaisons électriques avec les autres cellules ou avec les circuits électriques annexes. En général ces conducteurs sont recouverts par la plaque de verre qui assure la protection de la cellule. Le dispositif selon l'invention comprend une cellule photovoltaïque avec sur sa face avant une grille de collecte électronique conductrice d'électricité et au moins un radiateur thermique caractérisée en ce que les dits radiateurs thermiques sont en contact direct ou indirect avec la dite grille de collecte électronique de sorte que les dits radiateurs thermiques soient apte à dissiper les calories qui apparaissent à la surface de la dite cellule sous l'effet du rayonnement solaire. La plaque de verre ne recouvre que la partie active de la cellule, et non les conducteurs principaux et les radiateurs, ce qui permet aux radiateurs de dissiper les calories à l'extérieur de la cellule, principalement dans l'air. Ainsi une partie seulement de la dite cellule photovoltaïque est recouverte par une plaque transparente, l'autre partie de la dite cellule étant recouverte par les dits radiateurs. Chaque radiateur a des dimensions et est positionné de sorte qu'il n'intercepte pas le rayonnement lumineux qui éclaire la cellule. Ainsi la face éclairée de la cellule, bien que recouverte par une plaque de verre, est refroidie grâce à ses collecteurs électriques de surface qui transportent les calories jusque vers les conducteurs latéraux qui sont eux-mêmes refroidis par les radiateurs. Selon un mode de réalisation particulier les radiateurs positionnés en face avant de la cellule photovoltaïque sont réfléchissants sur leur face avant et inclinés par rapport à la cellule de manière à rediriger une partie du faisceau de la lumière incidente vers la surface de la dite cellule photovoltaïque. Ce mode de réalisation particulier permet donc de créer un effet de concentration optique supplémentaire car les radiateurs latéraux ont alors les mêmes propriétés que des réflecteurs qui augmentent la quantité de lumière reçue par la cellule. Dans tous les cas la lumière incidente peut être un rayonnement solaire 30 concentré. La concentration du rayonnement solaire pouvant s'effectuer par une optique de type miroir concave, lentille de Fresnel ou un réseau d'héliostats. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description 5 des figures 1 à 6 indexées. La figure 1 est un schéma en perspective montrant les différentes parties constitutives d'une cellule photovoltaïque classique. La figure 2 est un schéma en coupe de la figure 1 La figure 3 est un schéma en perspective d'une cellule photovoltaïque avec 10 son dispositif de refroidissement avant suivant l'invention. La figure 4 est un schéma en coupe de la figure 3 La figure 5 est un schéma en perspective d'un mode de réalisation particulier lorsque les radiateurs sont réflectifs. La figure 6 est un schéma en coupe de la figure 5 qui montre le parcours 15 optique du rayonnement solaire incident concentré. En référence à la figure 1 une cellule photovoltaïque (1) cristalline classique, comme par exemple une cellule en silicium, est recouverte d'une grille de conducteurs métalliques (3), souvent de l'argent ou de l'aluminium, apte à collecter les électrons de surface et à les rediriger vers d'autres conducteurs électriques 20 (4a,4b) placés sur les bords de la cellule (1). La face arrière (2) de la cellule (1) est recouverte d'une couche métallique fine qui redirige les électrons vers des conducteurs (5a,5b) qui assurent le transport du courant électrique vers d'autres cellules ou vers un dispositif électronique de couplage (non illustré). La cellule (1) est recouverte d'une plaque de protection transparente (11) et le tout est posé sur un 25 support (6) qui, pour les cellules qui reçoivent un rayonnement solaire concentré, doit assurer le transfert des calories vers l'extérieur afin de limiter l'échauffement excessif de la cellule (1). La figure 2 montre que généralement la plaque de protection transparente (11) est posée sur toutes la surface de la cellule (1) y compris les connecteurs 30 électriques latéraux de surface (4a,4b), ce qui engendre une accumulation de calories et des températures élevées à la surface de la cellule (1) car la plaque transparente (11) est généralement faite de matériaux peu conducteurs de chaleur comme du verre cristallin ou du verre organique. Les figures 3 et 4 illustrent en perspective et en coupe un exemple de réalisation d'une cellule photovoltaïque (1) refroidie en face avant suivant le dispositif de l'invention. La cellule (1) est couverte par une grille de collecteurs électroniques (3) qui redirigent les électrons et les calories vers les connecteurs électriques principaux (4a,4b) situés sur les bords de la cellule (1). La plaque de protection transparente (7) recouvre la face avant de la cellule (1) mais pas les connecteurs électriques principaux (4a,4b) placés en bordure. Des radiateurs (8a,8b) sont en contact avec les connecteurs électriques principaux (4a,4b) de manière à dissiper à l'extérieur les calories qui se sont déplacées de la surface avant de la cellule jusqu'aux dits radiateurs (8a,8b) en empruntant le chemin des conducteurs métalliques (3,4a,4b) qui sont de bons conducteurs thermiques. Les calories de la face arrière (2) de la cellule (1) se dissipent au travers des conducteurs face arrière (5a,5b) et du support (6). Les figures 5 et 6 illustrent un mode particulier de réalisation dans lequel les radiateurs (8a,8b) sont réfléchissants sur leur face avant (9a,9b) de sorte qu'une partie (10a,10e) de la lumière incidente (10a...10e) est réfléchie vers la cellule (1). Pour rendre la face avant des radiateurs (9a,9b) réfléchissante celle-ci est par exemple constituée d'une surface d'aluminium polie. EXEMPLE DE REALISATION Les figures 3 et 4 illustrent un exemple concret de réalisation. Une première cellule photovoltaïque carrée (1) en silicium cristallin de marque Narec fait 37 mm de côtés. Elle est recouverte d'une plaque de verre (7) de protection de 2 mm d'épaisseur qui ne recouvre pas les bandes métalliques (4a,4b) qui sont recouvertes chacune d'un radiateur en aluminium (8a,8b) d'un millimètre d'épaisseur, sensiblement de même taille que la cellule et incliné de 45° par rapport à la cellule (1). Le tout est posé et en contact avec une plaque d'aluminium (6) de 2 mm d'épaisseur qui sert de refroidisseur arrière. Une deuxième cellule photovoltaïque (1, figure 1 et 2) identique à la première cellule photovoltaïque (1, figure 3 et 4) est encapsulée entre une plaque de verre (11) et un refroidisseur arrière (6) identique à celui de la première cellule. Chacune des deux cellules est placée de la même manière à la focale d'une lentille de Fresnel identique pour les deux cellules. La concentration solaire sur les deux cellules est identique et vaut sensiblement 20 soleils. Après stabilisation de la température on observe que la tension de la première cellule vaut 0,465 Volt alors que la tension de la deuxième cellule vaut 0,412 Volt ce qui signifie que la température de la première cellule est plus faible que celle de la deuxième cellule. Par ailleurs les courbes tension/intensité des deux cellules montrent que la première cellule possède un point de puissance maximum à 1,56 Watts alors que le point de puissance maximum de la deuxième cellule vaut 1,32 Watts. La première cellule montée avec les radiateurs en face avant suivant le dispositif de l'invention a donc fait gagner 18% de puissance par rapport à la deuxième cellule montée d'une manière classique. AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention répond aux buts fixés et permet bien d'améliorer le refroidissement de la face avant des cellules photovoltaïques lorsque celles-ci possèdent des grilles de collecte électronique en surface et des radiateurs en contact avec ces dites grilles de collecte. Cette amélioration du refroidissement de la cellule entraine un gain de production électrique à moindre coût puisque les radiateurs sont constitués de matériaux peu onéreux comme par exemple de l'aluminium. REVENDICATIONS1 - Cellule photovoltaïque (1) comprenant sur sa face avant une grille de collecte électronique (3) conductrice d'électricité et au moins un radiateur thermique (8a,8b) caractérisée en ce que les dits radiateurs thermiques (8a,8b) sont en contact direct ou indirect avec la dite grille de collecte électronique (3) de sorte que les dits radiateurs thermiques (8a,8b) sont apte à dissiper les calories qui apparaissent sur la face avant de la dite cellule (1) sous l'effet du rayonnement solaire (10a.. 10e). 2 - Cellule photovoltaïque (1) selon la revendication 1 précédente caractérisée en ce que les dits radiateurs (8a,8b) n'interceptent pas la lumière qui éclaire la cellule (1). 3 - Cellule photovoltaïque (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce que les dits radiateurs (8a,8b) ont une face qui est réfléchissante et inclinée par rapport à la surface de la cellule de manière à rediriger une partie du rayonnement solaire (10a,10e) vers la cellule photovoltaïque (1). 4 - Cellule photovoltaïque (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une partie seulement de la dite cellule photovoltaïque (1) est recouverte par une plaque transparente (7), l'autre partie de la dite cellule (1) étant recouverte par les dits radiateurs (8a,8b). 5 - Cellule photovoltaïque (1) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que la lumière incidente (10a,10e) est un rayonnement solaire concentré.30