Brevet FR3086102A1 — publié le 20200320

Description Titre de l'invention : Module solaire amélioré [0001] La présente invention se situe dans le domaine de la production d'énergie. Elle concerne un module solaire, notamment de type photovoltaïque. [0002] Les modules photovoltaïques sont généralement composés de cellules de base. Les modules comportent couramment 60 cellules, agencées en six rangées de 10 cellules. Les cellules sont de forme carrée, avec un côté pouvant mesurer entre 125 et 165 mm. Il est possible de couper les cellules pour modifier les caractéristiques de courant et de tension des modules. Dans le cas de cellules coupées en deux, les panneaux comportent généralement 120 cellules de dimension 156 x 78 mm ou 161.7 x 80.85 mm [0003] Les cellules d'un module peuvent être arrangées selon différentes configurations. Dans les modules les plus simples, elles forment une chaine unique de cellules en série. Il existe également des modules comportant plusieurs chaines de cellules en parallèle. Ceci permet de réduire les pertes par effet Joule en diminuant le niveau de courant circulant dans les connecteurs entre les cellules. Ceci peut aussi permettre de lutter contre les problèmes d'ombrage. En effet lorsque les cellules d'un module sont toutes agencées en série, le courant du module correspond au courant de la cellule par laquelle passe le courant le plus faible. Il suffit donc qu'une seule cellule soit ombragée pour que la performance du module tout entier soit affectée. L'usage de chaînes agencées en parallèle permet de partager le courant du module dans plusieurs chaines afin de limiter ce problème. Toutefois si par exemple le module comporte deux chaines, et si le courant d'une des chantes est annulé à cause d'une de ses cellules, le courant total du module sera divisé par deux. Pour résoudre ce problème, certains modules comportent des diodes de dérivation, qui permettent de court-circuiter une chaine, et ainsi de préserver le courant total du module. Un système intelligent d'optimisation des performances du module permet de décider en temps réel l'activation ou non d'une diode de dérivation. [0004] Le secteur de l'énergie solaire étant en plein développement, il existe différentes solutions combinant des demi-cellules et des arrangements particuliers de demi-cellules dans des modifies, dans le but d'optimiser les performances des modules. [0005] Lc document CN104835874 propose un module comportant des demi-cellules, lesquelles sont disposées en série sur deux chaincs montées en parallèle. Lc courant à l'intérieur des demi-cellules est divisé par deux, cc qui diminue les pertes résistives et permet d'optimiser le rendement du module. Toutefois, les arrangements proposés comportent des problèmes. L'arrangement illustré en fig. 10 présente l'inconvénient de ne pas disposer les extrémités des chaines sur le même côté du module. L'arrangement I illustré en fig. 12, quant à lui, est difficile à fabriquer, notamment en raison de l'élément à placer au milieu du module. De plus ces arrangements ne modifient pas fondamentalement les caractéristiques électriques globales du module et n'apportent donc pas d'amélioration par rapport à un module classique. [0006] Un objet de la présente invention est de proposer un module solaire permettant de produire de l'électricité de façon plus performante, plus simple et moins coûteuse. [0007] Un autre objet de la présente invention est de proposer un module solaire dont l'intégration dans une centrale solaire permet d'obtenir une centrale solaire simplifiée et moins coûteuse. [0008] La présente invention a pour objet de répondre au moins en partie aux objets précités en proposant un module solaire permettant de produire la même puissance électrique avec une tension plus faible. A cet effet, elle propose un module solaire comprenant des chaines, chaque chaine comportant des cellules reliées électriquement en série, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois chaines aller disposées entre une borne d'entrée sur une première extrémité dudit module et une borne intermédiaire à l'autre extrémité dudit module, lesdites chaines aller étant reliées électriquement en parallèle entre elles, et au moins trois chaines retour disposées entre ladite borne intermédiaire et une borne de sortie sur la première extrémité dudit module, lesdites chaines retour étant reliées électriquement en parallèle entre elles. [0009] Grâce à ces dispositions, le module est simple de fabrication, tout en offrant une sen- sibilité réduite aux ombrages et des meilleures performances de production d'électricité. Ce module peut également permettre d'économiser des câbles et de simplifier la centrale solaire dans lequel il est intégré, grâce à sa tension plus faible pour une même puissance électrique, qui permet un branchement en série d'un plus grand nombre de modules. [0010] Selon d'autres caractéristiques : lesdites cellules peuvent être des demi-cellules de base, ce qui permet d'optimiser encore la production d'énergie et d'obtenir un module facilement intégrable dans une centrale solaire existante. chaque chaine peut comporter entre 18 et 25 cellules, ce qui est un moyen simple et performant de réalisation de l'invention, ledit module solaire peut comporter une diode de dérivation disposée entre ladite borne d'entrée et ladite borne intermédiaire, et une diode de dérivation disposée entre ladite borne intermédiaire et ladite borne de sortie, ceci constituant une solution simple et peu chère permettant de court-circuiter une partie du module ne captant pas suffisamment d'énergie, afin d'éviter de faire chuter le courant du module tout entier ; on peut ainsi, avec seulement deux diodes de dérivation, obtenir un module ayant une plus faible sensibilité aux ombrages que les solutions de l'état de la technique qui utilisent 3 pourtant trois diodes de dérivation par module, ledit module solaire peut comporter deux l'eiders dans chacun desquels est disposée une diode de dérivation, ceci permettant de limiter leur échauffement et de les placer aux endroits les plus adéquats pour économiser de la longueur de câble, ledit module solaire peut comporter un seul boitier dans lequel sont disposées les deux diodes de dérivation, ceci constituant un mode de réalisation plus simple, lesdites cellules peuvent être des cellules hi faciales, c'est-à-dire capables de capter la lumière par l'avant et par l'arrière du module, permettant ainsi, selon la disposition des modules, un gain supplémentaire de productivité ; de plus, l'arrière du module étant beaucoup plus ombragée que l'avant, une plus faible sensibilité aux ombrages est encore plus bénéfique pour la partie de la lumière captée par l'arrière du module. [0011] La présente invention concerne également un dispositif solaire comportant une pluralité de modules selon l'invention, lesdits modules étant reliés électriquement en série entre eux, et connectés par une extrémité de la série à un onduleur. [0012] Grâce à ces dispositions, les avantages du module selon l'invention peuvent bé- néficier à une centrale solaire, dans laquelle la quantité de câbles reliant les modules à l'onduleur peut être réduite. [0013] La présente invention concerne enfin un procédé de fabrication d'un module solaire selon l'invention, comportant les étapes suivantes : disposition d'une pluralité de cellules selon au moins six rangées, connexion desdites cellules en série le long desdites rangées pour former au moins trois chaines aller et au moins trois chaines retour, connexion en parallèle des au moins trois chaines aller, connexion en parallèle des au moins trois chaines retour, connexion en série des chaines aller et des chaines retour. [0014] Grâce à ces dispositions, un module selon l'invention peut être fabriqué de façon simple et efficace. [0015] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui fait suite, en référence aux figures annexées dans lesquelles : [0016] [fig. I] est une vue schématique d'un module selon un mode préféré de réalisation de l'invention. [0017] Le module selon l'invention comporte des chaines 1, chaque chaine 1 comprenant une pluralité de cellules 2 reliées électriquement en série. Les cellules 2 peuvent être mono faciales, ne captant la lumière que par leur face supérieure, ou bifaciales, captant la lumière par leur face supérieure et par leur face inférieure, permettant de capter de la lumière réfléchie après un passage entre les interstices de l'installation. [0018] Le module comporte une borne d'entrée 3 et une borne de sortie 4, situés à une 4 première extrémité du module, et une borne intermédiaire 5 située à l'autre extrémité du module. [0019] L'ensemble des chaines 1 se compose de trois chaines aller la reliées électriquement en parallèle, s'étendant entre la home d'entrée 3 et la home intermédiaire 5, et trois chaines retour lb reliées électriquement en parallèle et s'étendant entre la home intermédiaire 5 et la borne de sortie 4. [0020] De par cet arrangement des cellules 2 à l'intérieur du module, les caractéristiques électriques du module diffèrent de celles d'un module classique. En effet dans un module classique dont toutes les cellules sont en série, le courant du module est égal au courant d'une cellule. Or de par l'arrangement en deux groupes de trois chaines parallèles, le courant des trois chaines s'additionne dans les bornes d'entrée 3, de sortie 4 et intermédiaire 5. Le courant maximal théorique du module selon l'invention est donc trois fois plus important que dans un module classique à une seule chainc. La tension d'une chainc correspond à la somme des tensions de toutes ses cellules 2. En branchant trois chaines identiques en parallèle entre les bornes d'entrée 3 et intermédiaire 5, on obtient une tension égale à la somme des tensions d'une chainc, ce qui représente une tension valant le tiers de celle qu'on obtiendrait en branchant les trois chaines en série. [0021] Dans un mode de réalisation préféré, les cellules 2 sont des demi-cellules de hase. On entend par cellule de hase une cellule de taille standard, de 156 x 156 mm. Une demi-cellule de hase a donc une taille de 156 x 78 mm. Les cellules de hase peuvent également être des cellules de taille 125 x 125 mm 156 75 x 156.75 mm, 157 25 x 157.25 mm ou de 161.7 x 161.7mm, sans sortir du cadre de la présente invention. Le courant maximal théorique d'une demi-cellule de base est proportionnel à sa surface. Le courant maximal théorique d'une demi-cellule est donc égal à la moitié de celui d'une cellule de base. En ce qui concerne la tension, elle dépend de la nature des couches de matériaux composant la cellule, et reste donc la même, que ce soit aux bornes d'une cellule de base ou d'une demi cellule de base. [0022] Un module selon l'invention dans lequel les cellules 2 sont des demi-cellules de base, comporte deux fois plus de demi cellules 2 qu'un module classique dans lequel les cellules 2 sont des cellules de base, pour une surface donnée, par exemple de 1 m x 1,6 m. [0023] Si on considère qu'une cellule de base produit un courant Io avec une tension Vo, un module selon l'état de la technique, avec 60 cellules de base branchées en série avec six chaines de 10 cellules de base, produit un courant L avec une tension de 60 x Vo. El en est de même avec des modules comportant six chaines de 20 demi cellules de base chacune, les six chaines étant branchées en parallèle deux par deux. [0024] En comparaison, un module de la même taille selon l'invention sera alors constitué de six chaines 1, constituées chacune de 20 demi cellules de base 2 branchées en série, lesdites chaines 1 étant branchées en parallèle 3 par 3. [0025] Chacune des chaines 1 produit alors un courant de 0,5 x Io avec une tension de 20 x Vo. [0026] Un ensemble de trois chaines en parallèle produit un courant de 1,5 x Io avec une tension de 20 x Vo. [0027] Lc module produit alors un courant de 1,5 x lo avec une tension de 40 x Vo. [0028] Cela représente un courant 1,5 x plus élevé avec une tension 1,5 x plus basse qu'un module de l'état de la technique. On obtient donc la même puissance avec une tension plus faible. [0029] L'usage de demi-cellules permet d'obtenir des caractéristiques globales du module moins éloignées des caractéristiques d'un module classique. Ceci permet une intégration plus facile avec les équipements existants, notamment les onduleurs, les diodes éventuelles, etc... qui ne supportent pas tous des courants très élevés. [0030] La baisse de la tension du module permet d'augmenter le nombre de modules branchés en série sur un même onduleur, du fait qu'un tel onduleur présente une capacité limitée en tension. On réduit donc le nombre d'onduleurs pour une puissance donnée, et donc le coût global d'une installation solaire. La longueur de câble nécessaire est également réduite, ce qui simplifie l'installation et permet de réduire les coûts. De plus la réduction de la longueur de câble permet de réduire les pertes par effet Joule, et fait plus que compenser l'augmentation de l'intensité. On peut ainsi améliorer les performances énergétiques globales de l'installation. [0031] Dans une installation solaire, notamment de type photovoltaïque, les modules sont habituellement disposés en plusieurs lignes parallèles entre elles. Les modules sont de préférence orientés vers le soleil, afin de capter le plus d'énergie lumineuse possible au cours de la journée. Dans ces conditions, à certains moments de la journée, les modules forment une zone d'ombre sur les modules situés derrière eux. Cette ombre s'étend sur une partie basse du module, en-dessous d'un certain niveau. Les modules, souvent rectangulaires, sont disposés de manière à ce que leur grand côté soit à l'horizontale, de sorte que la partie basse d'un module corresponde à une chaine de cellules branchées en série entre elles. L'exemple de réalisation représenté en fig. 1 est représenté tourné de 90° pal- rapport à son implantation préférée, pour des besoins de format de page. Une disposition grand côté à la verticale peut être envisagée aussi dans des situations où l'ombrage serait vertical, sans sortir du cadre de la présente invention. [0032] Dans le cas du module selon l'invention, la zone ombragée correspondrait d'abord à une chaine 1, puis s'étendrait vers le haut, chaine 1 par chaine 1. L'arrangement des cellules 2, représenté dans un mode de réalisation préféré en fig. 1, permet de réduire la sensibilité du module aux problèmes d'ombrage. En effet si une seule chaine est à l'ombre, le courant pal-courant les chaines parallèles ne sera pas affecté, et les per- 6 formances du module seront moins dégradées que si toutes les cellules étaient en série. Par exemple si une des chaines ne produit pas d'énergie et que son courant est nul, le courant total du module ne sera réduit que d'un tiers, alors qu'il serait totalement annulé si toutes les cellules avaient été reliées en série. [0033] Cette réduction de la sensibilité du module aux ombrages permet de disposer les lignes de modules plus proches les unes des autres, et ainsi de disposer plus de modules et de capter plus d'énergie solaire dans un espace donné. [0034] Les chaines 1 comportent de préférence toutes un nombre identique de cellules 2, ledit nombre étant par exemple compris entre 18 et 25 cellules 2 par chaine 1. [0035] Lc module selon l'invention peut comporter des diodes de dérivation 6. Il comporte de préférence une diode de dérivation 6 entre la borne d'entrée 3 et la borne intermédiaire 5, et une borne de dérivation 6 entre la borne intermédiaire 5 et la borne de sortie 4. Lorsqu'une diode 6 est activée, un des groupes de trois chaines 1 est court-circuité, ce qui revient à désactiver une moitié du panneau. Les modules classiques comportent habituellement trois diodes de dérivation. Dans la présente invention, l'arrangement particulier des cellules permet de n'utiliser que deux diodes 6 tout en améliorant les performances énergétiques par ailleurs. Ceci permet de réduire la complexité et les coûts de fabrication du module. [0036] Les bornes d'entrée 3 et de sortie 4 étant disposées sur le même côté du module, il suffit de ramener un câble 7 de la borne intermédiaire vers ce côté pour pouvoir placer les diodes 6 très proches l'une de l'autre. Il est alors possible de les placer dans un seul boîtier de jonction unique ou de préférence dans deux boîtiers. L'usage de deux boîtiers distincts permet de mieux dissiper la chaleur, le module selon l'invention opérant à un courant important. Ceci permet également, en choisissant judicieusement la position de chaque boitier, d'utiliser des câbles plus courts, et de réduire ainsi les coûts et les pertes énergétiques. [0037] Plusieurs modules selon l'invention peuvent être reliés électriquement et disposés dans un dispositif solaire, un tel dispositif pouvant bénéficier des avantages en termes d'économies de câblage évoqués ci-dessus. [0038] Exemple de réalisation [0039] Considérons une intensité de la cellule de base de Io = 8 A, avec une tension Vo = 0,6 V. [0040] Un module de l'état de la technique comprenant 60 cellules branchées en série produit alors une intensité de 8 A avec une tension de 36 V. [0041] Considérant un onduleur de capacité 1000 V, cela permet de brancher en théorie 27, dans la pratique 23 modules en série sur un tel onduleur, pour tenir compte d'une augmentation de la tension en fonctionnement par grand froid. [0042] Un module équivalent selon l'invention comprenant des demi cellules de base 7 produit une intensité de 12 A, avec une tension de 24 V. [0043] On peut donc brancher en théorie 40, dans la pratique 37 modules selon l'invention sur le même onduleur. [0044] En plus de réduire le nombre d'onduleurs, cela réduit également la longueur globale des câbles. En effet les onduleurs sont généralement installés dans une armoire, à une certaine distance des modules. Il faut donc d'autant plus de câbles qu'il y a plus d'ensemble de modules branchés en série. [0045] Par ailleurs les diodes de dérivation 6 courantes peuvent absorber un courant maximal de 15 A à 20 A. Le module selon l'invention produisant 12 A à 15 A suivant la technologie de cellule conserve une marge de sécurité suffisante pour un fonctionnement industriel. Un des avantages de prévoir un [initier individuel par diode 6 est ainsi qu'on améliore la dissipation de la chaleur, et donc la marge de sécurité disponible. [0046] Bien que la description ci-dessus se hase sur des modes de réalisation particuliers, elle n'est nullement limitative de la portée de l'invention, et des modifications peuvent être apportées, notamment par substitution d'équivalents techniques ou par combinaison différente de tout ou partie des caractéristiques développées ci-dessus. 8