Brevet FR3055492A1 — publié le 20180302

Dispositif d'amplification de production d'énergie photovoltaïque La présente invention concerne un dispositif de production d'énergie photovoltaïque. Les dispositifs de génération d'énergie électrique à partir de la lumière solaire sont bien connus. Ces dispositifs comprennent par exemple des cellules photovoltaïques permettant d'absorber une part de l'énergie des photons incidents, avec un rendement d'absorption qui varie selon les technologies. La génération d'une quantité importante d'énergie passe généralement par l'utilisation de panneaux comportant un grand nombre de cellules photovoltaïques exposées au soleil, ce qui nécessite une surface disponible importante. Ce type de panneaux n'est pas satisfaisant pour les applications où l'espace est restreint, par exemple dans le cas d'un véhicule utilisant l'énergie électrique. En effet, il est peu pratique de recouvrir toute la surface externe d'un véhicule de panneaux photovoltaïques, ces derniers formant des surfaces planes fragiles et peu esthétiques. De plus, les panneaux d'un tel véhicule ne seraient pas toujours exposés à la lumière solaire, ce qui réduirait l'efficacité du système. Un but de l'invention est de fournir un dispositif de génération d'énergie solaire compact du point de vue énergétique, c'est-à-dire permettant une génération d'énergie importante par unité de surface ou de volume occupée. A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type précité, comportant : - une structure définissant un espace intérieur et un espace extérieur, la structure présentant une ouverture d'entrée et une pluralité d'emplacements ; - une pluralité de cellules photovoltaïques aptes à générer une puissance électrique sous l'effet d'une lumière incidente, chaque cellule photovoltaïque étant reçue par un emplacement et orientée vers l'espace intérieur de la structure - un dispositif optique positionné dans l'ouverture d'entrée agencé pour concentrer vers l'espace intérieur des rayons lumineux incidents sur le dispositif optique et pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques. Un tel dispositif permet de concentrer un plus grand nombre de cellules photovoltaïques sur un élément de surface. De plus, ce dispositif permet de mieux exploiter l'énergie des photons incidents en permettant l'alimentation simultanée de toutes les cellules photovoltaïques du dispositif et des réflexions multiples qui améliorent le rendement et réduisent la quantité de photons non absorbés par une cellule. Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif selon l'invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises indépendamment ou selon toute combinaison techniquement possible : 3055492 2 - le dispositif optique comprend une lentille externe agencée pour concentrer les rayons lumineux incidents sur la face externe de ladite lentille externe vers l'espace intérieur et une lentille interne agencée pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques, 5 - la structure présente une forme polyédrique, la structure comportant une pluralité de faces carrées, chaque face carrée présentant un des emplacements ou l'ouverture d'entrée, - la structure comporte dix-huit faces carrées et huit faces triangulaires, - la structure comporte six faces carrées, 10 - la structure comporte une surface interne réfléchissante pour la lumière, - les cellules photovoltaïques présentent des maxima d'absorption différents. L'invention concerne également un système de production d'énergie photovoltaïque comprenant une pluralité de dispositifs de production d'énergie photovoltaïque tels que décrits ci-dessus. 15 Selon une autre caractéristique du système de production les dispositifs de production d'énergie voltaïque sont empilés de façon pyramidale. L'invention a également pour objet un véhicule comportant un moteur électrique alimenté par au moins une batterie, le véhicule comportant au moins un dispositif, le ou chaque dispositif étant apte à recharger la ou chaque batterie. 20 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un premier dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 représente la répartition des rayons lumineux dans le dispositif des 25 figures 1 et 2, - la figure 4 représente le parcours d'un rayon lumineux dans le dispositif des figures 1 et 2 ; et - la figure 5 est une vue d'une variante du dispositif selon l'invention ; - la figure 6 est une vue en perspective d'un système de production d'énergie selon 30 l'invention, et - la figure 7 représente une vue de côté d'un véhicule comportant le dispositif des figures 1 à 3. Un dispositif 10 de production d'énergie photovoltaïque est représenté sur les figures 1 à 3. 3055492 3 Le dispositif 10 comprend une structure 12, définissant un espace intérieur 14 et un espace extérieur 16. La structure 12 présente une géométrie polyédrique comportant une pluralité de faces carrées 18. La structure 12 est par exemple fermée. 5 Dans l'exemple représenté sur les figures 1 à 3, la structure 12 présente une géométrie en rombicuboctaèdre, la structure 12 comportant dix-huit faces carrées 18 ainsi que huit faces triangulaires 20. La structure 12 définit une pluralité d'emplacements 22, recevant des cellules photovoltaïques 24. Les emplacements 22 se situent au niveau de certaines des faces 10 carrées 18 de la structure 12. Avantageusement, toutes les faces carrées 18 présentent un emplacement 22, sauf une unique face d'entrée 26. Dans l'exemple des figures 1 à 3, la structure 12 définit dix-sept emplacements 22. La structure 12 comporte également une surface interne 27, qui correspond à l'ensemble de la structure 12 faisant face à l'espace intérieur 14 à l'exclusion des 15 emplacements 22. La surface interne 27 est réfléchissante pour la lumière, c'est-à-dire qu'une majorité de l'énergie d'un photon incident sur la surface interne 27 est réfléchie et non absorbée. Chaque cellule photovoltaïque 24 présente une face absorbante 28. La cellule photovoltaïque 24 est apte à générer une puissance électrique photovoltaïque sous l'effet 20 d'une lumière incidente, en absorbant une partie de l'énergie des photons incidents sur sa face absorbante 28. Les cellules photovoltaïques 24 sont orientées vers l'espace intérieur 14, c'est-à-dire que leur face absorbante 28 fait face à l'espace intérieur 14. Le photon incident présente une longueur d'onde, qui varie d'un photon à l'autre. 25 La cellule photovoltaïque 24 présente un taux d'absorption, qui est le rapport entre l'énergie du photon incident et l'énergie électrique photovoltaïque convertie. Ce taux d'absorption est toujours inférieur à 1, et dépend de la longueur d'onde du photon incident. Chaque cellule photovoltaïque 24 présente un maximum d'absorption, qui est une 30 valeur de longueur d'onde du photon incident pour laquelle le taux d'absorption de la cellule photovoltaïque 24 est maximal. Avantageusement, les cellules photovoltaïques 24 du dispositif 10 présentent des maxima d'absorption différents selon les cellules photovoltaïques 24. Ceci permet d'absorber plus efficacement la lumière solaire blanche, qui présente un spectre de 35 longueurs d'onde large. En effet, les rayons lumineux subissent des réflexions multiples 3055492 4 sur plusieurs cellules photovoltaïques 24 présentant des maxima d'absorption différents, et ainsi les différentes longueurs d'onde du spectre de la lumière sont absorbées. La face d'entrée 26 présente une ouverture d'entrée 30, débouchant dans l'espace intérieur 14 et dans l'espace extérieur 16. Un dispositif optique 32 est positionné dans 5 l'ouverture d'entrée 30. Le dispositif optique 32 est agencé pour concentrer vers l'espace intérieur 14 des rayons lumineux incidents sur le dispositif optique 32 et pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques, comme représenté sur la figure 3. A cet effet, le dispositif optique 32 comprend une lentille externe 33dépassant de la 10 face d'entrée 26 dans l'espace extérieur 16. La lentille 33 présente une face interne 34 orientée vers l'espace intérieur 14, et une face externe 36, orientée vers l'espace extérieur 16. La lentille 33 est adaptée pour concentrer des rayons lumineux incidents sur la face externe 36 vers l'espace intérieur 14. Par exemple, la face externe 36 est sensiblement 15 hémisphérique. La lentille 33 permet de capter les rayons lumineux de l'espace extérieur, avec des directions d'incidence très variées, et de les concentrer dans l'espace intérieur. Le dispositif optique 32 comprend en outre une lentille interne 35 disposée dans l'espace intérieur 14 en regard de la lentille externe 33. La lentille interne 35 est agencée 20 pour orienter les rayons lumineux passés par la lentille externe 33 de façon uniforme vers toutes les cellules photovoltaïques 24 du dispositif. La face de la lentille interne 35 tournée vers l'espace intérieur 14 est sensiblement hémisphérique. La forme de la lentille externe 33 est adaptée pour orienter les rayons lumineux incidents vers la lentille interne 35 quelle que soit la direction de provenance de ces 25 rayons. La forme de la lentille interne 35 est quant à elle adaptée pour diriger les rayons en provenance de la lentille externe vers chacune des cellules photovoltaïques 24. C'est-à-dire que la lentille interne 35 distribue les rayons de sorte à ce qu'ils se répartissent de façon uniforme sur toutes les cellules photovoltaïques 24, comme représenté sur la figure 3. 30 Comme représenté sur la figure 4, les photons ainsi captés sont en outre absorbés à plusieurs reprises, par plusieurs cellules photovoltaïques 24 successives, ce qui permet d'améliorer le rendement de production d'énergie. La surface interne 27 réfléchissante permet de minimiser les pertes lors de réflexions des photons hors des cellules photovoltaïques 24. 3055492 5 La figure 5 représente une variante du dispositif 10, dans laquelle la structure présente une géométrie cubique, la structure comportant six face carrées 18. Le dispositif 10 comprend alors cinq emplacements 22 et cinq cellules photovoltaïques 24. La figure 6 représente un système de production d'énergie comprenant une pluralité 5 de dispositifs de production 10 tels que décrits en références aux figures 1 à 4. Selon un mode de réalisation, les dispositifs 10 sont empilés de façon pyramidale de sorte à exposer à la lumière tous les dispositifs optiques 32 des dispositifs de production 10 du système. Ainsi, à titre d'exemple, le système comprend une première couche 39 de seize 10 dispositifs 10 adjacents les uns aux autres, une deuxième couche 41 de neuf dispositifs 10 disposés sur la première couche tout en laissant les dispositifs optiques 32 de la première couche exposés, une troisième couche 43 de quatre dispositifs 10 et une quatrième couche 45 d'un seul dispositif 10. D'autres formes d'empilement pourraient être envisagées tant qu'elles laissent les 15 dispositifs optiques 32 de chaque dispositif 10 exposés à la lumière. Un tel système permet d'amplifier la quantité d'énergie produite par unité de surface. La figure 7 représente un véhicule 40 comprenant un moteur électrique 42 alimenté par au moins une batterie 44. Le véhicule 40 comporte de plus un dispositif 10 dont la structure 12 est fixée à une carrosserie 46 du véhicule 40. Le dispositif 10 est relié 20 électriquement à la ou à chaque batterie 44 afin d'en assurer la recharge. Selon un autre mode de réalisation, un système tel que décrit ci-dessus pourrait être utilisé pour alimenter le véhicule en énergie électrique. Les dimensions réduites du dispositif 10 permettent d'avoir un grand nombre de cellules photovoltaïques 24 illuminées pour une faible surface externe occupée sur la 25 carrosserie 46 du véhicule 40. De plus, la captation des photons incidents sur le dispositif optique 32 permet un meilleur rendement de génération d'énergie électrique par photon absorbé par rapport à un système de panneaux classique. Le dispositif 10 peut aussi être installé sur d'autres types de véhicules, comme des bateaux et autres véhicules marins, qui sont soumis à des illuminations importantes grâce 30 à l'environnement dégagé. Le dispositif 10 est également intéressant pour les bâtiments présentant des contraintes en termes d'encombrement, comme par exemple les bâtiments résidentiels, qui nécessitent une grande quantité d'énergie et un encombrement minimal, tout en préservant l'esthétique autant que possible. 35 REVENDICATIONS1. Dispositif (10) de production d'énergie photovoltaïque comportant : - une structure (12) définissant un espace intérieur (14) et un espace extérieur (16), la structure (12) présentant une ouverture d'entrée (30) et une pluralité d'emplacements (22) ; - une pluralité de cellules photovoltaïques (24) aptes à générer une puissance électrique sous l'effet d'une lumière incidente, chaque cellule photovoltaïque (24) étant reçue par un emplacement (22) et orientée vers l'espace intérieur (14) de la structure (12) ; - un dispositif optique (32) positionné dans l'ouverture d'entrée (30) agencé pour concentrer vers l'espace intérieur (14) des rayons lumineux incidents sur le dispositif optique (32) et pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques. 2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif optique (32) comprend une lentille externe agencée pour concentrer les rayons lumineux incidents sur la face externe de ladite lentille externe vers l'espace intérieur (14) et une lentille interne agencée pour orienter lesdits rayons lumineux de façon uniforme vers les cellules photovoltaïques. 3. Dispositif (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la structure (12) présente une forme polyédrique, la structure (12) comportant une pluralité de faces carrées (18), chaque face carrée (18) présentant un des emplacements (22) ou l'ouverture d'entrée (30). 4. Dispositif (10) selon la revendication 3, dans lequel la structure (12) comporte dix-huit faces carrées (18) et huit faces triangulaires (20). 5. Dispositif (10) selon la revendication 3, dans lequel la structure (12) comporte six faces carrées (18). 6. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure (12) comporte une surface interne (27) réfléchissante pour la lumière. 3055492 7 7. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les cellules photovoltaïques (24) présentent des maxima d'absorption différents. 5 8. Système de production d'énergie photovoltaïque comprenant une pluralité de dispositifs (10) de production d'énergie photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9.- Système selon la revendication 8, dans lequel les dispositifs (10) de production 10 d'énergie voltaïque sont empilés de façon pyramidale. 10. Véhicule (40) comportant un moteur électrique (42) alimenté par au moins une batterie (44), le véhicule (40) comportant au moins un dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, le ou chaque dispositif (10) étant apte à 15 recharger la ou chaque batterie (44).