Brevet FR3019885A1 — publié le 20151016

Dispositif de production d'énergie photovoltaïque et de filtrage dichroïque de la lumière solaire adapté aux serres agricoles. La présente invention se rapporte aux dispositifs de production d'énergie 5 solaire photovoltaïque, et plus particulièrement à ceux qui utilisent des filtres colorés pour optimiser la photosynthèse et la pousse des plantes à l'intérieur d'une serre agricole. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 Les panneaux solaires photovoltaïques produisent de l'électricité et sont en général opaques à la lumière solaire. Il est parfois intéressant de positionner ces panneaux solaires sur des serres agricoles afin de diminuer la luminosité solaire qui éclaire les plantes. Mais avec certaines variétés de plantes ou d'algues il est nécessaire au contraire de maintenir un maximum de luminosité à l'intérieur de la 15 serre et les panneaux solaires photovoltaïques, même ceux qui sont semi transparents, deviennent alors des obstacles trop importants au rayonnement solaire et au bon dévelopement des plantes. Il existe déjà des panneaux solaires en couches minces composés de matériaux qui ont la propriété de ne laisser passer qu'une partie du spectre solaire et qui absorbent et transforment en électricité l'autre partie du 20 spectre solaire. L'avantage de ces panneaux solaires est que la partie du spectre solaire qui les traverse et qui éclaire les plantes peut correspondre à la couleur idéale pour la photosynthèse des plantes alors que la partie du spectre solaire qui est absorbée par le panneau solaire peut correspondre aux longueurs d'ondes qui optimisent les rendements énergétiques desdits panneaux solaires. Toutefois ces 25 panneaux solaires en couches minces qui filtrent le spectre solaire afin de s'adapter à la bonne pousse des plantes utilisent des matériaux qui sont rares, difficiles à fabriquer et très coûteux. BUT DE L'INVENTION 30 L'invention a pour but de décrire un dispositif photovoltaïque et optique qui reste transparent à une partie du spectre solaire et qui absorbe et transforme en énergie électrique l'autre partie du spectre solaire, ledit dispositif étant composé de matériaux connus et bon marché. Positionné sur une serre agricole le dispositif permettra d'une part de filtrer la lumière solaire afin d'optimiser les rendements de production des cultures par le choix de couleurs adaptées à la photosynthèse, et d'autre part de produire de l'énergie électrique photovoltaïque à partir de l'autre partie du spectre solaire qui n'est pas ou peu utilisé par les plantes; ledit dispositif devant rester intéressant même pour les plantes qui demandent beaucoup de lumière. RESUME DE L'INVENTION Dans son principe de base l'invention est un dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière composé d'une pluralité de surfaces photovoltaïques planes disposées parallèlement les unes par rapport aux autres, la face active de l'une en regard de la face non active de l'autre, avec la face active desdites surfaces photovoltaïques qui est recouverte d'un filtre miroir dichroïque et la face non active desdites surfaces photovoltaïques qui est recouverte d'une surface réflective de type miroir. La lumière qui éclaire ledit dispositif photovoltaïque, quelque soit son angle d'incidence, se partage d'une part en une partie du spectre lumineux qui est réfléchie par lesdits filtres miroirs dichroïques et ressort dudit dispositif, éventuellement avant ou après une réflexion sur lesdites surfaces réflectives de type miroir, et se partage d'autre part en une autre partie du spectre lumineux qui traverse les filtres miroirs dichroïques et est absorbée et convertie en électricité par lesdites surfaces photovoltaïques. Le fait que les deux surfaces réfléchissantes (celle du filtre dichroïque et celle de la surface miroir) soient l'une en face de l'autre et parallèles entre elles, provoque des réflexions multiples du rayonnement incident entre ces deux surfaces jusqu'à faire ressortir ledit rayonnement incident de l'autre côté du dispositif. Les deux surfaces réfléchissantes ont donc la propriété d'un guide de lumière qui, quelque soit l'angle d'incidence par rapport aux dites surfaces, fait traverser le rayonnement incident de l'autre côté du dispositif optique. Une partie du spectre solaire traversera le filtre dichroïque et éclairera la surface photovoltaïque qui est située derrière le filtre, et une autre partie du spectre solaire sera réfléchie par le filtre vers la surface miroir qui se situe en face. Ledit dispositif photovoltaïque et optique est un filtre de lumière qui transforme une partie du spectre solaire en électricité et laisse passer une autre partie du spectre solaire. Ledit dispositif filtrant fonctionne donc avec très peu de perte de lumière contrairement à ceux qui utilisent des filtres colorés non réfléchissants qui absorbent une partie importante de la lumière incidente. Dans un mode de réalisation particulier ladite surface réflective de type miroir a la fonction d'électrode conductrice pour ladite surface photovoltaïque. En effet la surface photovoltaïque possède en général une électrode avant sous forme de grille de collecte électronique et une électrode arrière sous forme d'une couche métallique conductrice. Cette couche conductrice métallique est souvent de l'argent ou de l'aluminium ou un alliage composé d'un de ces deux éléments. Cette couche métallique dans ce mode de réalisation est alors suffisamment polie pour créer un effet optique de miroir réfléchissant dans une gamme étendue du spectre solaire. Dans un mode de réalisation particulier ledit filtre miroir dichroïque est réflectif en majorité pour les longueurs d'ondes qui favorisent la photosynthèse des plantes, avec une couleur proche du magenta, et plus précisément pour des gammes spectrales comprise entre 400-500 nm et entre 600-700 nm. Dans un autre mode de réalisation particulier la surface photovoltaïque est 20 constituée de matériaux qui sont au choix : cristallin, amorphe, en silicium, en couches minces, rigide, souple, et dont les performances sont adaptées aux et/ou optimisées pour les longueurs d'ondes de transmission dudit filtre miroir dichroïque. Dans un autre mode de réalisation particulier ledit dispositif photovoltaïque et optique est encapsulé entre deux surfaces planes transparentes, ceci afin 25 d'empêcher les poussières de se déposer sur les surfaces réfléchissantes et aussi si nécessaire afin de rendre ledit dispositif étanche. Dans un autre mode de réalisation particulier l'espace compris entre les surfaces photovoltaïques est rempli d'un matériau transparent, cristallin ou organique, avec un indice de réfraction de préférence supérieur à 1,4 afin d'une part 30 à consolider la structure mécanique dudit dispositif et d'autre part afin de forcer les rayons incidents à former avec les surfaces réfléchissantes des angles inférieurs à 45° . Dans ce mode de réalisation l'épaisseur dudit dispositif et la distance entre les surfaces photovoltaïques sont faibles et peuvent être inférieures à dix millimètres. Dans un autre mode de réalisation particulier ledit dispositif photovoltaïque et optique est placé sur ou à l'intérieur d'une serre agricole de manière à colorer la lumière solaire qui illumine les plantes et en même temps convertir en électricité une partie du rayonnement solaire. Dans ce cas le spectre de réflexion de la surface miroir dichroïque sera de préférence celui qui est adapté à la photosynthèse des plantes. Dans un autre mode de réalisation particulier ledit dispositif photovoltaïque et optique est placé sur ou sous une multitude de panneaux plans et mobiles autour d'un axe, lesdits panneaux ayant la propriété d'intercepter une partie du rayonnement solaire afin de diminuer et/ou réguler l'intensité lumineuse globale qui va traverser ou qui a traversé ledit dispositif. Dans un autre mode de réalisation plus particulier lesdits panneaux du mode 15 de réalisation précédent sont des panneaux photovoltaïques aptés à convertir une partie du rayonnement solaire en électricité. Enfin dans un autre mode de réalisation particulier ledit dispositif photovoltaïque et optique colore la lumière qui éclaire une culture de micro-algues de type : Asterionella formosa, Ceratium furca, Ceratium furcoides, Ceratium fusus, 20 Cryptomonas marssonii, Cysclotella meneghiniana, Dinobryon divergens, Porphyrium cruentum, Scenedesmus sp, Spiruline, Tychonema bourrelyi. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description 25 des figures 1 à 4 indexées. La figure 1 est un schéma de principe du dispositif qui montre le parcours optique du rayonnement solaire qui traverse le-dit dispositif et qui entre dans une serre agricole. La figure 2 représente la courbe typique du taux de photosynthèse en 30 fonction de la longueur d'onde de la lumière d'éclairement. La figure 3 est un exemple de graphique qui montre le pourcentage de transmission d'un filtre miroir dichroïque Magenta en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente. La figure 4 est un schéma de principe du dispositif lorsque celui-ci est placé 5 en surface d'une serre agricole et recouvert d'un limiteur de luminosité composé de panneaux solaires amovibles. En référence à la figure 1 le dispositif est composé d'une multitude de surfaces (1,2,3,...) dont une des faces est photovoltaïque (51,52,53,...) et recouverte d'un filtre miroir dichroïque (41,42,43,...) et l'autre face (61,62,63) est de type miroir 10 réfléchissant. On entend ici par miroir réfléchissant une surface ayant la propriété de réfléchir au moins 90% de la lumière visible. Lesdites surfaces (1,2,3,...) sont disposées parallèlement les unes aux autres avec leur face miroir dichroïque (41, 42, 43) respectivement en regard de leur face miroir réfléchissant (61,62,63). On peut montrer, suivant les lois de l'optique géométrique, que quelque soit l'angle 15 d'incidence du rayonnement (71,81) qui éclaire la face miroir dichroïque (41, 42, 43) ou la face miroir réfléchissant (61,62,63), ledit rayonnement incident (71,81) est réfléchi (72,82) vers la surface réfléchissante opposée (62,42) et ressort (74,84) de l'autre côté du dispositif. On sait par ailleurs que lorsque l'angle d'incidence du rayonnement solaire par rapport aux faces réfléchissantes est important et/ou 20 lorsque la distance (d) entre les surfaces (1,2,3,...) est faible par rapport à leur largeur (L), alors ledit rayonnement incident (71,81) peut effectuer une multitude réflexions (non illustrées) entre la face dichroïque (42,43) et la face miroir réfléchissant (62,61) avant de sortir du dispositif. Dans tous les cas le filtre miroir dichroïque (41,42,43) ne réfléchit qu'une partie du spectre solaire (84,72) et ne 25 laisse passer qu'une autre partie du spectre solaire (73,83). La partie du spectre solaire qui est réfléchie par les filtres dichroïques (41,42,43) ressort (84,74) du dispositif avec un spectre lumineux , donc une couleur, prédéfini. Lorsque le dispositif est placé sur une face transparente d'une serre agricole (4) la lumière du soleil (71,81) qui traverse le dispositif prend une couleur qui peut être bien adaptée à la 30 photosynthèse des plantes (5) qui poussent sous cette serre (4). Par ailleurs la lumière (73,83) qui est retenue par le dispositif est transformée en énergie électrique par les surfaces photovoltaïques (51,52,53). Il est important de remarquer d'une part que la filtration de la lumière solaire (71,81) ne provoque pas de perte d'énergie lumineuse comme c'est le cas avec les filtres colorés (éventuellement dichroïques) non réflectifs, ce qui permet donc de conserver une luminosité importante lorsqu'elle 5 est nécessaire pour des cultures comme par exemple celle de la tomate, et remarquer d'autre part que le dispositif filtre la lumière sous tous les angles d'incidence donc aussi bien la lumière directe du soleil (7) que la lumière diffuse (8) ce qui, en plus de la remarque précédente, permet de filtrer la totalité de la lumière disponible à un endroit et de maintenir une luminosité optimale pour tous les types 10 de cultures qui en ont besoin. La figure 2 est un graphique représentant typiquement la variation de vitesse de la photosynthèse (axe des ordonnées) dans les plantes en fonction des longueurs d'ondes de la lumière d'éclairement (l'axe des abscisses). On y remarque notamment que la photosynthèse est meilleure pour les longueurs d'ondes comprises entre 400 15 et 500 nm et entre 630 et 690 nm (ce qui correspond sensiblement aux couleurs bleue et rouge) et est moins bonne pour les longueurs d'ondes comprises entre 500 et 630 nm (ce qui correspond sensiblement à la couleur verte). La figure 3 est un graphique représentant pour exemple le pourcentage de transmission lumineuse (axe des ordonnées) d'un filtre miroir dichroïque de type 20 magenta en fonction des longueurs d'ondes (axe des abscisses). On y remarque notamment que ce type de filtre dichroïque est très transparent pour les longueurs d'ondes comprises entre 480 et 580 nm, ce qui correspond sensiblement à la couleur verte, et très réflectif pour les longueurs d'ondes inférieures à 480 nm et supérieures à 580 nm ce qui correspond respectivement à la couleur bleue et à la couleur rouge. 25 On peut remarquer alors que ce type de filtre correspond bien en réflexion à la lumière qui est bonne pour la photosynthèse et en transmission à la lumière qui est bonne pour la génération d'électricité par du silicium amorphe. Le dispositif photovoltaïque et optique selon l'invention, pour des applications de cultures sous serres, aurait alors avantage à utiliser ces deux composants (filtre miroir dichroïque 30 magenta et cellules en silicium amorphe). La figure 4 illustre un mode particulier de réalisation dans lequel le dispositif (A) est disposé dans une serre agricole (4) et est recouvert par une multitude de panneaux solaires photovoltaïques (6) disposés les uns à côté des autres et de préférence mobiles autour d'un axe de rotation de manière à faire obstacle au 5 rayonnement solaire (71), plus ou moins en fonction de leur angle de rotation par rapport au soleil (7), et ainsi limiter la luminosité (74) qui traverse le dispositif (A). L'autre avantage de cette multitude de panneaux solaires (6) est qu'ils produisent de l'électricité photovoltaïque à partir d'une quantité de lumière qui n'est pas nécessaire à la photosynthèse des plantes (5). Ce mode de réalisation est avantageux lorsque 10 les plantes ont besoin de peu de lumière comme c'est le cas par exemple avec certaines algues. EXEMPLE DE REALISATION Un exemple concret de réalisation est composé d'une centaine de surfaces 15 photovoltaïques rectangulaires en silicium amorphe de 2 cm de large, de 5 mm d'épaisseur et d'un mètre de long, disposées perpendiculairement à une plaque carrée transparente en verre organique d'un mètre de côté, toutes les surfaces photovoltaïques étant parallèles entre elles et espacées de 5 mm. La face active des surfaces photovoltaïques est recouverte d'un film miroir dichroïque magenta qui 20 laisse passer principalement la couleur verte et réfléchit la couleur violette (le rouge et le bleu). La face non active des surfaces photovoltaïques est composée d'une électrode conductrice électriquement d'aluminium polie et très réfléchissante. Les faces actives dichroïques sont en regard des faces non actives de type miroir réfléchissant. L'espace entre chaque surface photovoltaïque est comblé avec un gel 25 de silicone transparent d'indice de réfraction 1,5 qui solidifie la structure, isole les surfaces de l'oxygène et de l'humidité de l'air, et incline davantage les rayons incidents par rapport à la perpendiculaire des surfaces photovoltaïques et des surfaces réfléchissantes. Les surfaces photovoltaïques sont couplées électriquement en partie en mode série (x10) et en partie en mode parallèle (x10) afin d'obtenir une 30 tension de sortie du dispositif qui soit proche de 12 volts. Ce dispositif correspond à un panneau photovoltaïque qui filtre la lumière solaire suivant un spectre proche de celui de la photosynthèse. Une juxtaposition et connexion électrique de cinq lignes de vingt de ces panneaux est disposées à la surface de 20 x 5 m d'une serre agricole. La couleur violette qui traverse le dispositif est propice à la photosynthèse des cultures qui demandent beaucoup de lumière. Malgré cela la part de lumière non utilisée pour la photosynthèse (la couleur verte) est transformée avec une bonne efficacité par le silicium amorphe en énergie électrique. AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant à une surface photovoltaïque filtrante d'être à la fois transparente à une partie du spectre solaire et de transformer en énergie électrique l'autre partie du spectre solaire, cela avec des matériaux connus et bon marché, ce qui permet de filtrer la lumière solaire afin d'optimiser les rendements de production des cultures par le choix de couleurs adaptées à la photosynthèse, et d'autre part de produire de l'énergie électrique photovoltaïque à partir de l'autre partie du spectre solaire qui n'est pas ou peu utilisé par les plantes; le dispositif restant intéressant même pour les plantes qui demandent beaucoup de lumière. REVENDICATIONS1 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière composé d'une pluralité de surfaces photovoltaïques planes disposées parallèlement les unes par rapport aux autres, la face active de l'une en regard de la face non active de l'autre, caractérisé en ce que la face active desdites surfaces photovoltaïques est recouverte d'un filtre miroir dichroïque et la face non active desdites surfaces photovoltaïques est recouverte d'une surface réflective de type miroir, de sorte que la lumière qui éclaire ledit dispositif photovoltaïque, quelque soit son angle d'incidence, se partage d'une part en une partie du spectre lumineux qui est réfléchie par lesdits filtres miroirs dichroïques et ressort dudit dispositif, éventuellement avant ou après une réflexion sur lesdites surfaces réflectives de type miroir, et se partage d'autre part en une autre partie du spectre lumineux qui traverse les filtres miroirs dichroïques et est absorbée et convertie en électricité par lesdites surfaces photovoltaïques. 2 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon la revendication 1 précédente caractérisé en ce que ladite surface réflective de type 20 miroir a la fonction d'électrode conductrice pour ladite surface photovoltaïque. 3 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit filtre miroir dichroïque est réflectif en majorité pour les longueurs d'ondes qui favorisent la 25 photosynthèse des plantes, la couleur magenta, et/ou de préférence pour les spectres compris entre 400-500 nm et entre 600-700 nm. 4 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la surface 30 photovoltaïque est constituée de matériaux au choix : cristallin, amorphe, en silicium,en couches minces, rigide, souple, dont les performances sont adaptées aux ou optimisées pour les longueurs d'ondes de transmission dudit filtre miroir dichroïque. - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon l'une 5 quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit dispositif photovoltaïque et optique est encapsulé entre deux surfaces planes transparentes. 6 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'espace compris 10 entre les surfaces photovoltaïques est rempli d'un matériau transparent, cristallin ou organique dont l'indice de réfraction est de préférence supérieur à 1,4. 7 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit dispositif 15 photovoltaïque et optique est placé sur ou à l'intérieur d'une serre agricole de manière à colorer la lumière solaire qui illumine les plantes et en même temps convertir en électricité une partie du rayonnement solaire. 8 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon l'une 20 quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit dispositif photovoltaïque et optique est placé sur ou sous une multitude de panneaux plans et mobiles autour d'un axe, les-dits panneaux ayant la propriété d'intercepter une partie du rayonnement solaire afin de diminuer et/ou réguler l'intensité lumineuse globale qui va traverser ou qui a traversé ledit dispositif. 25 9 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon la revendication 8 précédente caractérisé en ce que lesdits panneaux sont des panneaux photovoltaïques aptes à convertir une partie du rayonnement solaire en électricité. 3010 - Dispositif photovoltaïque et optique de filtration de la lumière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dit dispositif photovoltaïque et optique colore la lumière qui éclaire une culture de micro-algues de type : Asterionella formosa, Ceratium furca, Ceratium furcoides, Ceratium fusus, Cryptomonas marssonii, Cysclotella meneghiniana, Dinobryon divergens, Porphyrium cruentum, Scenedesmus sp, Spiruline, Tychonema bourrelyi. 15 20 25 30