Brevet FR3084542A1 — publié le 20200131

Cellule photovoltaïque à thermomanagement La présente invention concerne un dispositif de production d'électricité à fonctionnement amélioré, en particulier comprenant au moins un module photovoltaïque et un dispositif de valorisation de la chaleur reçue par un module photovoltaïque. La présente invention concerne également un procédé de production d'électricité et de valorisation de l'énergie utilisant un tel dispositif et les applications de ce dispositif, en particulier pour améliorer la production d'électricité. État de la technique Dans le domaine du photovoltaïque, différentes architectures de modules photovoltaïques pour la production d'électricité à partir des radiations solaires sont envisagées dans l'état de la technique. L'architecture et les matériaux utilisés pour la préparation des modules photovoltaïques font l'objet d'efforts de développement très importants à ce jour, notamment pour améliorer le rendement des dispositifs photovoltaïques. L'invention s'inscrit dans un tel développement. L'efficacité d'un module photovoltaïque est fortement affectée par la température, en particulier lorsque celle-ci augmente. Or, lors de son fonctionnement, le module, qui a vocation à être exposé au maximum aux radiations solaires, reçoit une quantité importante de chaleur. La chaleur reçue par les modules photovoltaïques fait augmenter nécessairement la température du module et dégrade ainsi le rendement de conversion photovoltaïque de l'ordre de 0,5%/K. Ce phénomène vient donc malheureusement contrebalancer les efforts de développements techniques sur l'architecture et les matériaux améliorant le fonctionnement d'un module photovoltaïque. Il est connu dans la littérature de coupler un module photovoltaïque avec un matériau stockant de la chaleur par changement d'état, appelé aussi matériau à changement de phase (PCM pour « Phase-Change Material » en anglais) placé à l'arrière du module pour réduire sa température de fonctionnement et ainsi augmenter son efficacité. On peut citer par exemple: S. Khanna et al., "Performances analysis of tilted photovoltaic system integrated with phase change material under varying operating conditions", Energy 133 (2017) 887-899; A. Machniewicz et al., "Effect of transition temperature on efficiency of PV/PCM 2 panels", Energy Procedia 78 (2015) 1684-1689. De telles approches se limitent finalement à un piégeage de la chaleur lors de la journée, le matériau PCM peut alors relarguer cette chaleur la nuit. La quantité de PCM en jeu reste assez réduite ce qui limite le gain en efficacité du module photovoltaïque. D'autres systèmes ont 5 été proposés permettant le stockage d'une partie de la chaleur du module photovoltaïque et sa possible utilisation pour chauffer un fluide, de l'air ou de l'eau. L'idée étant alors de tenter de valoriser cette chaleur piégée au sein du PCM. On peut citer notamment, C.S. Malvi et al. "Energy balance model of combined photovoltaic solar-thermal system incorporating phase change material", Solar 10 Energy 85 (2011) 1440-1446, M.C. Browne et al., « Phase change materials for photovoltaic thermal management », Renewable and Sustainable Energy Reviews 47 (2015) 762-782 et Hasan et al., "Energy Efficiency Enhancement of Photovoltaics by Phase Change Materials through Thermal Energy Recovery; Energies 2016, 9(10), 782; https://doi.org/10.3390/en9100782. Le fonctionnement 15 des modules photovoltaïques demande toutefois à être encore amélioré. Buts de l'invention Ainsi, l'invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir un dispositif de production d'électricité à partir d'un ou plusieurs modules 20 photovoltaïques. L'invention a en particulier pour but de résoudre le problème technique consistant à améliorer le rendement de conversion d'un module photovoltaïque. L'invention a encore pour but de résoudre le problème technique consistant à améliorer le fonctionnement énergétique d'un dispositif de production d'électricité. 25 En particulier, l'invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à améliorer le fonctionnement d'un module photovoltaïque. L'invention a aussi pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir un dispositif de production d'électricité notamment pour diminuer les coûts de commercialisation et d'exploitation de modules photovoltaïques. 30 Description de l'invention L'invention concerne donc un dispositif de production d'électricité améliorant le fonctionnement d'un module photovoltaïque en limitant son échauffement, notamment lié à la réception d'énergie solaire. 3 Avantageusement, l'invention permet d'améliorer le rendement de modules photovoltaïques en limitant leur température. En effet, le rendement de modules photovoltaïques refroidis est plus élevé qu'à plus haute température (sans refroidissement). La production d'électricité est ainsi améliorée par un dispositif ou 5 procédé selon la présente invention. Avantageusement, l'invention permet de valoriser la chaleur reçue par un module photovoltaïque et de stocker au moins une partie de cette chaleur. Avantageusement, l'invention permet de convertir la chaleur stockée en froid. Avantageusement, l'invention permet d'utiliser le froid généré pour améliorer 10 le rendement photovoltaïque tout en valorisant au maximum l'énergie solaire, notamment avec des cycles générant et/ou stockant de la chaleur et du froid. L'invention concerne donc aussi un dispositif de production d'électricité améliorant le fonctionnement énergétique en valorisant à la fois les radiations solaires sous forme d'électricité et d'énergie thermique (chaleur/froid). 15 Le terme « chaleur » est utilisé ici dans son sens technique classique de thermodynamique. Typiquement, la chaleur représente le transfert thermique (échange d'énergie thermique entre deux systèmes). La quantité de chaleur Q, exprimée en joule (J), est la quantité d'énergie échangée. 20 Le terme « froid » désigne ici a contrario la perte d'une quantité de chaleur. La présente invention concerne un dispositif de production d'électricité comprenant : - une ou plusieurs modules photovoltaïques, - au moins un dispositif ou moyen de transfert d'au moins une partie de la 25 chaleur, reçue par au moins un module photovoltaïque, vers au moins un moyen ou dispositif de stockage de chaleur, ledit dispositif de stockage de chaleur comprenant au moins un matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie du matériau), ledit dispositif de production d'électricité comprenant un dispositif ou moyen de production de froid à partir de la chaleur stockée. 30 La présente invention concerne donc également une méthode d'amélioration du rendement photovoltaïque lors de la production d'électricité par un ou plusieurs modules photovoltaïques et la gestion (ou management) de l'énergie thermique reçue par le ou les modules photovoltaïques. L'invention permet donc très avantageusement une gestion améliorée, voire 35 optimale, de l'énergie solaire tout en optimisant le rendement de conversion 4 photovoltaïque en diminuant la température de fonctionnement du module photovoltaïque qui produit un meilleur rendement, par exemple à 20°C qu'au-delà de 50°C. La présente invention concerne donc un dispositif et une méthode maintenant 5 la température d'un ou plusieurs modules photovoltaïques en-dessous d'une température prédéterminée, par exemple fixée à 50°C Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l'invention comprend un dispositif ou moyen de régulation de la température à une température inférieure à une température prédéterminée. 10 Selon un mode de réalisation, le dispositif ou moyen de régulation comprend ou consiste en un dispositif ou une boucle de rétroaction actionnant et/ou régulant le transfert de froid vers un ou plusieurs modules photovoltaïques. Ce dispositif ou boucle peut comprendre avantageusement une régulation électronique du transfert de froid. 15 Le terme « matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie du matériau » désigne un composé ou combinaison de composés chimiques permettant de stocker de la chaleur par modification de l'enthalpie du matériau, et par exemple par changement d'état, y compris par une ou plusieurs réactions chimiques (appelée en général enthalpie de réaction) et notamment par la sorption- 20 désorption, par exemple d'un composé adsorbé sur un élément adsorbant (appelé aussi sorbant), en général solide, ledit composé adsorbé étant en général désorbé sous forme gazeuse dans les conditions de pression et température de fonctionnement. Selon une variante, le matériau stockant de la chaleur par modification de 25 l'enthalpie forme un couple d'un premier composé, en général solide et d'un deuxième composé susceptible d'être « piégé » ou « libéré » par le premier selon les conditions thermodynamiques, notamment de pression et température. En général, le premier composé permet d'adsorber, de manière physique et/ou chimique, le deuxième composé. En général le deuxième composé est un composé 30 libéré sous une forme fluide pour son transfert du moyen ou dispositif de stockage de chaleur vers le moyen ou dispositif de production de froid. Avantageusement, selon une variante, le composé piégé par le composé solide est libéré sous forme gazeuse et circule du moyen ou dispositif de stockage de chaleur vers le moyen ou dispositif de production de froid où il y est condensé. 35 Le liquide condensé peut ensuite être vaporisé par un évaporateur le moment 5 souhaité. C'est lors du passage liquide/gaz que l'invention permet de générer du froid par changement d'état. Selon une variante, le matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie est choisi parmi les composés chimiques (« piége » ou sorbant) 5 susceptibles de libérer des molécules de solvants sous forme de gaz (aux conditions de pression et de température de fonctionnement), notamment lors d'une élévation de température (apport de chaleur). Lorsque le composé est adsorbé, le phénomène de désorption du gaz présent sur le sorbant est en effet endothermique (qui nécessite l'apport d'une quantité de chaleur AHsorp). A l'opposé, la fixation de 10 gaz sur le sorbant est exothermique (libère la quantité de chaleur de sorption AHsorp). Ainsi, avantageusement, l'invention utilise le phénomène réversible de sorption chimique et/ou physique entre un composé, susceptible d'être sous forme gazeuse ou liquide, et un sorbant. La sorption est de préférence chimique pour générer une quantité de chaleur plus importante. 15 Avantageusement, le dispositif de production d'électricité selon l'invention comprend au moins un dispositif ou moyen de transfert du froid généré vers un ou plusieurs modules photovoltaïques. Selon un mode de réalisation, le dispositif de production d'électricité selon l'invention comprend au moins un dispositif ou moyen de stockage du froid généré. 20 Selon un mode de réalisation, le dispositif de production d'électricité selon l'invention comprend au moins un dispositif ou moyen de relargage du froid stocké. Selon un mode de réalisation, le moyen ou dispositif de stockage de chaleur est en communication fluidique avec un dispositif ou moyen de production de froid. Comme matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie, on 25 peut par exemple citer les sels et sorbants, par exemple utilisés dans des dispositifs fonctionnant avec de l'ammoniac (comme par exemple décrit par N. Le Pierrès et al., « Experimental results of a solar powered cooling system at low temperature», International Journal of Refrigeration 30 (2007) 1050-1058), le stockage de chaleur se réalise par exemple par un élément adsorbant l'ammoniac gazeux, l'élément 30 adsorbant étant disposé dans un réservoir (ou réacteur). Cet élément adsorbant est un sel (préférentiellement BaCl2) éventuellement supporté sur une matrice de graphite. La chaleur apportée au réservoir provoque la désorption du gaz de l'adsorbant et engendre la circulation du gaz dans la conduite de communication entre le réservoir de stockage et un évaporateur. L'évaporateur forme un réservoir 35 de stockage de l'ammoniac sous forme liquide dans cette étape. Pour la production 6 de froid, l'ammoniac liquide est évaporé et circule dans la conduite de communication sous forme gazeuse dans le sens inverse pour s'adsorber sur l'élément adsorbant. Ainsi, comme matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie 5 on peut utiliser un système {sorbant-gaz}, comme par exemple du chlorure de baryum (BaCl2) en combinaison avec l'ammoniac (NH3). Selon un mode de réalisation, l'étape de stockage de la chaleur est réalisée par déshydratation d'un sel, typiquement d'un sel hydraté. Le sel hydraté est contenu dans un premier réservoir. Lors de la déshydratation, l'eau produite est 10 transférée vers un deuxième réservoir. Lors de l'étape de production de froid, le phénomène inverse est utilisé, c'est-à-dire que l'eau du deuxième réservoir est transférée vers le premier réservoir contenant le sel pour hydraté le sel. Ainsi, selon une variante, le matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie est choisi parmi les sels hydratés. Ils sont en général issus d'une 15 combinaison de sels et d'eau. On peut citer par exemple : le sulfate de sodium hydraté (Na2SO4, 10H20), les chlorures de calcium (CaCl2, 6 H2O), de magnésium (MgCl2, 6H20), le nitrate de magnésium (Mg(NO3)2, 6H20). Avantageusement, le sel hydraté ou solvaté est couplé à des charges conductrices thermiques, comme par exemple des charges carbonées type graphite, noirs de carbone, nanotubes de 20 carbone, graphène ; ou des métaux inoxydables pour favoriser le transfert thermique au sein du matériau. Typiquement, le matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie (sorbant ou sel hydraté) peut comprendre des charges conductrices, avec de préférence les charges conductrices thermiques présentant une morphologie poreuse pour favoriser les transferts de masse (gaz). 25 De préférence, pour stocker efficacement la chaleur accumulée au sein d'un module photovoltaïque, par exemple lors d'une journée, la quantité nécessaire de matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie est importante et doit être stockée au sein d'un réservoir en contact indirect avec le module photovoltaïque (module PV). On parle de contact indirect lorsque que le matériau 30 stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie est en contact indirect, c'est-à- dire via l'intermédiaire d'un autre matériau, par exemple conducteur thermique, avec au moins un matériau du module PV. On désigne ici par matériau du module PV, un matériau utile pour le fonctionnement du module PV. Selon une variante, le matériau conducteur thermique est un fluide 35 caloporteur. 7 Ainsi, avantageusement, la présente invention limite la température d'un ou plusieurs modules PV, d'une part par extraction de la chaleur reçue. Avantageusement, la chaleur reçue est transférée vers un dispositif de stockage de la chaleur et permet la production de froid grâce au dispositif ou moyen de 5 production de froid, lequel transfert avantageusement le froid généré vers un ou plusieurs modules PV, de préférence en ayant besoin. Selon un mode de réalisation particulier, le module PV est en contact direct avec un matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie, et en particulier un matériau à changement d'état (connu sous la dénomination de 10 « PCM »). Un matériau à changement de phase (MCP ou plus connu en anglais sous l'acronyme PCM pour REVENDICATIONS1. Dispositif de production d'électricité comprenant : - une ou plusieurs modules photovoltaïques, - au moins un dispositif ou moyen de transfert d'au moins une partie de la chaleur, reçue par au moins un module photovoltaïque, vers au moins un moyen ou dispositif de stockage de chaleur, ledit dispositif de stockage de chaleur comprenant au moins un matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie du matériau), ledit dispositif de production d'électricité comprenant un dispositif ou moyen de production de froid à partir de la chaleur stockée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif ou moyen de transfert du froid généré vers un ou plusieurs modules photovoltaïques. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif ou moyen de stockage du froid généré. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif ou moyen de relargage du froid stocké. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen ou dispositif de stockage de chaleur est en communication fluidique avec un dispositif ou moyen de production de froid. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif ou moyen de stockage de froid comprend au moins un matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie du matériau . 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le PCM du moyen ou dispositif de stockage de froid (PCM2) est en contact, direct ou indirect, avec au moins un matériau du module photovoltaïque. 15 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau stockant de la chaleur par modification de l'enthalpie du matériau du moyen ou dispositif de stockage de chaleur (M1) comprend au moins deux composés chimiques fonctionnant en coopération dont un 5 premier des composés peut être sous forme gazeuse ou liquide, désigné ici « composé G/ » et un deuxième des composés, de préférence solide, étant capable d'adsorber le composé CIL, désigné ici sorbant, le dispositif comprend une conduite de communication fluidique dudit composé G/L du dispositif ou moyen de stockage de chaleur vers le dispositif ou moyen de 10 production de froid et une conduite de communication fluidique du composé G/L du dispositif ou moyen de production de froid vers le dispositif ou moyen de stockage de chaleur, identique ou différente de la conduite de communication fluidique dudit composé G/L du dispositif ou moyen de stockage de chaleur vers le dispositif ou moyen de production 15 de froid, ledit dispositif ou moyen de stockage de chaleur comprenant un réservoir de stockage du composé G/L adsorbé par le sorbant, et ledit dispositif ou moyen de production de froid comprenant un réservoir de stockage du composé G/L sous forme liquide. 20 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la ou les conduites permettent le transfert du composé G/L sous forme gazeuse. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif comprend un dispositif ou moyen de condensation du composé 25 G/L pour condenser le composé G/L gazeux dans le réservoir du dispositif ou moyen de production de froid. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que ladite conduite comprend une vanne d'arrêt et/ou de 30 régulation du débit fluidique du composé G/L entre le dispositif ou moyen de stockage de chaleur et dispositif ou moyen de production de froid. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un dispositif ou 35 moyen de production de froid comprenant un matériau conducteur thermique transférant du froid stocké par le moyen ou dispositif de 16 stockage de froid vers un élément ou dispositif nécessitant un refroidissement. 5 13. Procédé de production d'électricité à partir d'énergie solaire, ledit procédé comprenant la conversion d'énergie solaire reçue par au moins un module photovoltaïque en électricité, le stockage d'au moins une partie de la chaleur reçue par au moins un module photovoltaïque, la génération de froid à partir de la chaleur stockée, et éventuellement le stockage du froid 10 généré et la restitution du froid stocké, dans lequel du froid généré, ou éventuellement stocké, est transféré à au moins un module photovoltaïque. 14. Procédé de valorisation de l'énergie solaire caractérisé en ce qu'il met en oeuvre au moins un dispositif de production d'électricité selon l'une 15 quelconque des revendications 1 à 12. 15. Immeuble comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 ou mettant en couvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 14. 20 25