Brevet FR3100949A1 — publié le 20210319

L'objet principal de l'invention est une structure photovoltaïque flottante (10), destinée à être positionnée sur une étendue d’eau (E), mobile en rotation autour d’un axe horizontal (X), comportant : un élément flottant formant réflecteur (2), comprenant une paroi creuse (P), comprenant une surface interne (Pi) pourvue d’un matériau réfléchissant (4), et une surface externe (Pe), ladite surface interne (Pi) présentant la forme d’une surface quadratique et comprenant une première extrémité (P1) et une deuxième extrémité (P2) distinctes ; un élément de couverture transparent (3), s’étendant entre la première extrémité (P1) et la deuxième extrémité (P2) de sorte à définir un volume interne (Vi) ; et au moins un module photovoltaïque bifacial (1), apte à collecter la lumière solaire sur ses deux faces opposées, positionné de telle sorte à recevoir au moins la lumière solaire traversant l’élément de couverture transparent (3) et réfléchie par ledit au moins un matériau réfléchissant (4). Figure pour l’abrégé : Figure 1 Structure photovoltaïque flottante La présente invention se rapporte au domaine des modules photovoltaïques, qui comportent un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement, et préférentiellement des cellules photovoltaïques dites « cristallines », c’est-à-dire qui sont à base de silicium monocristallin ou multicristallin. Plus spécifiquement, l’invention concerne le domaine des modules photovoltaïques utilisés sur des installations flottantes, positionnées sur des étendues d’eau, pour former des centrales solaires flottantes aptes à produire de l’électricité. L’invention propose ainsi une structure photovoltaïque flottante, ainsi qu’une centrale solaire flottante comporte une pluralité de telles structures photovoltaïques flottantes. Un module photovoltaïque est un assemblage de cellules photovoltaïques disposées côte à côte entre une première couche transparente formant une face avant du module photovoltaïque et une seconde couche formant une face arrière du module photovoltaïque. La première couche formant la face avant du module photovoltaïque est avantageusement transparente pour permettre aux cellules photovoltaïques de recevoir un flux lumineux. La deuxième couche formant la face arrière du module photovoltaïque peut quant à elle être réalisée à base de film polymère ou de matériaux composites de type préimprégnés, à base de renforts de type verre ou autre. Les cellules photovoltaïques peuvent être reliées électriquement entre elles (interconnectées) par des éléments de contact électrique avant et arrière, appelés conducteurs de liaison, et formés par exemple par des bandes (ou rubans) ou fils de cuivre étamé. Par ailleurs, les cellules photovoltaïques, situées entre les première et deuxième couches formant respectivement les faces avant et arrière du module photovoltaïque, peuvent être encapsulées. L’encapsulant peut être réalisé à partir d’au moins un matériau polymère choisi parmi : les copolymères d’acides, les ionomères, le poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA), les acétals de vinyle , tels que les polyvinylbutyrals (PVB), les polyuréthanes, les polyéthylènes, tels que les polyéthylènes linéaires basse densité, les polyoléfines élastomères de copolymères, les copolymères d’α-oléfines et des α-, β- esters d’acide carboxylique à éthylénique, tels que les copolymères éthylène-acrylate de méthyle et les copolymères éthylène-acrylate de butyle, les élastomères de silicone et/ou les résines époxy, entre autres. Ces différentes couches sont mises en œuvre par un procédé de lamination à chaud, à environ 150°C, sous vide pour l’obtention du module photovoltaïque. De nos jours, l’utilisation des modules photovoltaïques pour produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire est largement répandue. Depuis quelques années, il est même connu d’utiliser les modules photovoltaïques sur des installations flottantes positionnées sur des étendues d’eau, par exemple des lacs ou des étangs. A titre d’exemple, la demande internationale WO 2019/122712 A1 décrit un ensemble modulaire de centrale solaire flottante comprenant un support flottant et un panneau photovoltaïque solidarisé à ce support. Les solutions connues de l’art antérieur repose sur le principe d’ajout de modules photovoltaïques sur des structures déjà prévues pour flotter, indépendamment de leur usage pour le domaine du photovoltaïque. Ce type de solution génère donc un encombrement et une masse importants, et ne permet pas d’optimiser l’usage des modules photovoltaïques, en particulier dans l’optique d’utiliser des modules photovoltaïques bifaciaux configurés pour permettre de récupérer l’énergie solaire sur leurs deux faces opposées. Or, l’installation de structures photovoltaïques sur des étendues d’eau est une perspective prometteuse en comparaison aux installations terrestres. Ainsi, par exemple, la présence de modules photovoltaïques sur seulement 1 % de la surface des lacs artificiels mondiaux équivaudrait à générer la puissance mondiale obtenue par les installations photovoltaïques terrestres actuelles. L’invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l’art antérieur. L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, une structure photovoltaïque flottante, destinée à être positionnée sur une étendue d’eau, apte à être mobile en rotation autour d’un axe horizontal, comportant : - un élément flottant formant réflecteur, comprenant : - au moins un matériau réfléchissant de la lumière solaire, - une paroi creuse, comprenant une surface interne pourvue dudit au moins un matériau réfléchissant, et une surface externe, opposée à la surface interne, destinée à être au contact de l’étendue d’eau, ladite surface interne présentant la forme d’une surface quadratique s’étendant parallèlement à l’axe horizontal, et ladite paroi creuse comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité distinctes entre lesquelles ladite paroi creuse s’étend, - un élément de couverture transparent, s’étendant entre la première extrémité et la deuxième extrémité de ladite paroi creuse de sorte à définir, avec ladite paroi creuse, un volume interne fermé de la structure photovoltaïque flottante, - au moins un module photovoltaïque bifacial, apte à collecter la lumière solaire sur ses deux faces avant et arrière opposées, positionné relativement à la surface interne de ladite paroi creuse et à l’élément de couverture transparent de telle sorte à recevoir au moins la lumière solaire traversant l’élément de couverture transparent et réfléchie par ledit au moins un matériau réfléchissant sur au moins l’une des faces opposées du module photovoltaïque. Le terme « transparent » signifie que l’élément de couverture est au moins partiellement transparent à la lumière visible, laissant passer au moins environ 80 % de cette lumière. De façon avantageuse, la structure photovoltaïque flottante selon l’invention, et notamment l’élément flottant formant réflecteur est étanchéifié et protégé de l’environnement aquatique dans lequel elle est destinée à être positionnée. Grâce à l’invention, il peut être possible de proposer une structure photovoltaïque autoflottante dans laquelle la fonctionnalité de flottaison est intégrée dans le réflecteur. De cette manière, il peut être possible d’utiliser la face arrière de modules photovoltaïques bifaciaux. Au contraire, dans les solutions de l’art antérieur, les systèmes photovoltaïques sont ajoutés sur des structures flottantes préexistantes. Par ailleurs, à l’inverse des solutions connues d’applications terrestres pour lesquelles l’intégration de réflecteurs à des modules photovoltaïques bifaciaux génère des modules volumineux non souhaitables, du fait de la distance nécessaire entre réflecteur et face arrière, l’existence d’un tel volume pour une application flottante peut permettre d’obtenir une solution de flottaison recherchée dans le cadre de la présente invention. La structure photovoltaïque selon l’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. Selon une première réalisation, ledit au moins un module photovoltaïque peut être positionné dans le volume interne de la structure photovoltaïque flottante de telle sorte que ses deux faces opposées soient en vis-à-vis d’au moins une portion de la surface interne de ladite paroi creuse pour recueillir la lumière solaire réfléchie, ledit au moins un module photovoltaïque s’étendant notamment au contact de et entre la surface interne de ladite paroi creuse et l’élément de couverture transparent. Dans ce cas, le positionnement dudit au moins un module photovoltaïque dans le volume interne permet d’assurer son étanchéité et sa protection contre l’environnement aquatique et contre les nuisances animales, tels que des oiseaux. Ledit au moins un module photovoltaïque peut être fixe par rapport à l’élément flottant formant réflecteur et l’élément de couverture transparent. En variante, ledit au moins un module photovoltaïque peut être apte à être mobile en rotation autour de l’axe horizontal indépendamment de l’élément flottant formant réflecteur et de l’élément de couverture transparent. Autrement dit, ledit au moins un module photovoltaïque peut être mobile par rapport à l’élément flottant formant réflecteur et à l’élément de couverture transparent. Il peut ainsi être possible d’imposer une rotation autour de l’axe horizontal uniquement audit au moins un module photovoltaïque, par exemple pour le faire varier entre des positions correspondant à différents moments de la journée en fonction de la position du soleil, par exemple des positions matin et midi. Selon une deuxième réalisation, ledit au moins un module photovoltaïque peut être positionné en dehors du volume interne de la structure photovoltaïque flottante de telle sorte à s’étendre à distance et sensiblement parallèlement à l’élément de couverture transparent, la structure photovoltaïque flottante comportant des moyens de fixation, notamment des barres de fixation, dudit au moins un module photovoltaïque à l’élément de couverture transparent. Avantageusement, le positionnement externe dudit au moins un module photovoltaïque, à distance de l’élément de couverture transparent, permet d’obtenir un refroidissement par convection dudit au moins un module photovoltaïque. Par ailleurs, ledit au moins un module photovoltaïque peut comprendre une pluralité de modules photovoltaïques bifaciaux s’étendant sous forme de bandes sensiblement parallèles les unes aux autres et espacées entre elles d’une distance prédéterminée, étant notamment espacées régulièrement. En variante, ledit au moins un module photovoltaïque peut comprendre un module photovoltaïque bifacial semi-transparent, comprenant des zones pourvues de cellules photovoltaïques et des zones transparentes, les zones se présentant notamment sous forme de bandes sensiblement parallèles les unes aux autres et espacées entre elles d’une distance correspondant à la largeur des zones transparentes, étant notamment espacées régulièrement. En outre, ladite paroi creuse peut comporter un réservoir de ballast contrôlable apte à contenir une quantité d’eau pour la stabilisation et le contrôle de la position de la structure photovoltaïque flottante par rapport au soleil. Ladite paroi creuse peut encore comporter, sur sa surface externe, au moins un réservoir formant une quille creuse, notamment une pluralité de réservoirs formant une quille creuse régulièrement espacés les uns des autres, apte à contenir une quantité d’eau pour la stabilisation et le contrôle de la position de la structure photovoltaïque flottante par rapport au soleil. Ladite paroi creuse peut également comporter, sur sa surface externe, au moins un réservoir formant une quille rétractable creuse, apte à passer d’une position dite « déployée » dans laquelle la quille rétractable creuse est remplie d’une quantité d’eau permettant son déploiement à une position dite « rétractée » dans laquelle la quille rétractable creuse est vide permettant son repliement vers la surface externe de ladite paroi creuse, de sorte à permettre la stabilisation et le contrôle de la position de la structure photovoltaïque flottante par rapport au soleil. En outre, ledit au moins un module photovoltaïque bifacial peut s’étendre au contact de la paroi interne de ladite paroi vers l’élément de couverture transparent, sans contact avec l’élément de couverture transparent, la dimension dudit au moins un module photovoltaïque bifacial, par observation en section par rapport à l’axe horizontal, étant inférieure à la distance entre l’axe horizontal et la paroi interne de ladite paroi, pour permettre un abaissement du centre de gravité de la structure photovoltaïque flottante et une stabilité mécanique. Par ailleurs, la surface quadratique de ladite surface interne peut être une surface cylindrique ou cylindrique parabolique, présentant respectivement, en section par rapport à l’axe horizontal, une forme circulaire ou parabolique. La surface quadratique de ladite surface interne peut tout particulièrement être de forme parabolique, en section par rapport à l’axe horizontal, notamment du type de celle d’un réflecteur de type CPC (pour « Compound Parabolic Concentrator » en anglais). De façon avantageuse, ladite paroi creuse peut se présenter sous une forme tubulaire creuse. L’utilisation d’une paroi creuse de forme tubulaire quadratique, notamment cylindrique, peut permettre un gain en termes d’aérodynamisme, et en particulier permettre de réduire la sensibilité au vent. De ce fait, la structure photovoltaïque peut être moins sensible aux phénomènes climatiques sévères, tels que des tempêtes ou typhons. Il peut ainsi être possible de mettre en rotation ledit au moins un module photovoltaïque de manière simplifiée pour suivre la course du soleil et donc de réaliser un suivi. Ladite paroi creuse peut être réalisée en métal, notamment en acier inoxydable, ledit métal formant ledit au moins un matériau réfléchissant. Ladite paroi creuse peut encore être réalisée en polymère, notamment en polychlorure de vinyle (PVC), et ledit au moins un matériau réfléchissant peut comporter une couche métallique réfléchissante disposée sur la surface interne de ladite paroi creuse. Par ailleurs, l’élément de couverture transparent peut être réalisé à partir de verre et/ou de polymère, par exemple le polyfluorure de vinylidène (PVDF), l’éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), l’éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), l’éthylène propylène fluoré (FEP), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polycarbonate (PC), et/ou un matériau composite de type préimprégné avec des renforts de type verre, entre autres. L’élément de couverture transparent peut se présenter sous la forme d’une plaque de forme plane ou incurvée, notamment cylindrique, s’étendant parallèlement à l’axe horizontal. En particulier, l’élément de couverture transparent peut se présenter sous la forme d’un cylindre, présentant en section par rapport à l’axe horizontal une forme de demi-cercle. De même, ladite paroi creuse peut se présenter sous la forme d’un cylindre, présentant en section par rapport à l’axe horizontal une forme de demi-cercle. Ainsi, par observation en section par rapport à l’axe horizontal, l’élément de couverture transparent et ladite paroi creuse peuvent former un cercle complet. Par ailleurs, l’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une centrale solaire flottante, caractérisée en ce qu’elle comporte : - au moins une structure de flottaison, destinée à être positionnée sur une étendue d’eau, - une pluralité de structures photovoltaïques flottantes telles que celle définie précédemment, les structures photovoltaïques flottantes étant montées en rotation autour d’axes horizontaux respectifs, solidarisés à et entraînés en rotation par ladite au moins une structure de flottaison. Les structures photovoltaïques flottantes peuvent avantageusement s’étendre sensiblement parallèlement les unes par rapport aux autres, selon les axes horizontaux sensiblement parallèles entre eux, et ladite au moins une structure de flottaison peut s’étendre sensiblement perpendiculairement aux structures photovoltaïques flottantes. En outre, ladite au moins une structure de flottaison peut comporter des moyens motorisés permettant la mise en rotation des structures photovoltaïques flottantes, notamment au moyen de câbles, pour leur donner une orientation en fonction de la position du soleil. Par ailleurs, la centrale solaire peut comporter au moins une structure de flottaison annulaire, définissant un volume interne à l’intérieur duquel sont positionnés les structures photovoltaïques flottantes, ladite au moins une structure de flottaison annulaire étant mobile en rotation selon un axe vertical perpendiculaire aux axes horizontaux. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu’à l’examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : représente, selon une vue partielle de côté, une première configuration de structure photovoltaïque flottante conforme à l’invention avec présence d’un module photovoltaïque interne, représente, selon une vue partielle de côté, une deuxième configuration de structure photovoltaïque flottante conforme à l’invention avec présence d’un module photovoltaïque externe, illustre, partiellement selon une vue de dessus, un exemple de réalisation d’un module photovoltaïque pour une structure photovoltaïque flottante conforme à l’invention, par exemple du type de celle représentée sur [Fig. 1] ou [Fig. 2], illustre, partiellement selon une vue de dessus, un exemple de réalisation d’une pluralité de modules photovoltaïques pour une structure photovoltaïque flottante conforme à l’invention, par exemple du type de celle représentée sur [Fig. 1] ou [Fig. 2], représente, partiellement en vue de dessus, un premier exemple de centrale solaire flottante conforme à l’invention, représente, partiellement en vue de dessus, un deuxième exemple de centrale solaire flottante conforme à l’invention, , , et représentent, selon des vues partielles de côté, des exemples d’une première variante de réalisation d’une structure photovoltaïque flottante conforme à l’invention, représente, selon une vue partielle de côté, un exemple d’une deuxième variante de réalisation d’une structure photovoltaïque flottante conforme à l’invention, et représentent, selon des vues partielles de côté, un exemple d’une troisième variante de réalisation d’une structure photovoltaïque flottante conforme à l’invention, et et représentent, selon des vues partielles de côté, des exemples de positionnement de modules photovoltaïques dans structure photovoltaïque flottante conforme à l’invention. Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Structure photovoltaïque flottante (10), destinée à être positionnée sur une étendue d’eau (E), apte à être mobile en rotation autour d’un axe horizontal (X), comportant : - un élément flottant formant réflecteur (2), comprenant : - au moins un matériau réfléchissant (4) de la lumière solaire, - une paroi creuse (P), comprenant une surface interne (Pi) pourvue dudit au moins un matériau réfléchissant (4), et une surface externe (Pe), opposée à la surface interne (Pi), destinée à être au contact de l’étendue d’eau (E), ladite surface interne (Pi) présentant la forme d’une surface quadratique s’étendant parallèlement à l’axe horizontal (X), et ladite paroi creuse (P) comprenant une première extrémité (P1) et une deuxième extrémité (P2) distinctes entre lesquelles ladite paroi creuse (P) s’étend, - un élément de couverture transparent (3), s’étendant entre la première extrémité (P1) et la deuxième extrémité (P2) de ladite paroi creuse (P) de sorte à définir, avec ladite paroi creuse (P), un volume interne (Vi) fermé de la structure photovoltaïque flottante (10), - au moins un module photovoltaïque bifacial (1), apte à collecter la lumière solaire sur ses deux faces avant et arrière opposées, positionné relativement à la surface interne (Pi) de ladite paroi creuse (P) et à l’élément de couverture transparent (3) de telle sorte à recevoir au moins la lumière solaire traversant l’élément de couverture transparent (3) et réfléchie par ledit au moins un matériau réfléchissant (4) sur au moins l’une des faces opposées du module photovoltaïque (1). Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un module photovoltaïque (1) est positionné dans le volume interne (Vi) de la structure photovoltaïque flottante (10) de telle sorte que ses deux faces opposées soient en vis-à-vis d’au moins une portion de la surface interne (Pi) de ladite paroi creuse (P) pour recueillir la lumière solaire réfléchie, ledit au moins un module photovoltaïque (1) s’étendant notamment au contact de et entre la surface interne (Pi) de ladite paroi creuse (P) et l’élément de couverture transparent (3). Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit au moins un module photovoltaïque (1) est fixe par rapport à l’élément flottant formant réflecteur (2) et l’élément de couverture transparent (3). Structure selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit au moins un module photovoltaïque (1) est apte à être mobile en rotation autour de l’axe horizontal (X) indépendamment de l’élément flottant formant réflecteur (2) et de l’élément de couverture transparent (3). Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un module photovoltaïque (1) est positionné en dehors du volume interne (Vi) de la structure photovoltaïque flottante (10) de telle sorte à s’étendre à distance (d) et sensiblement parallèlement à l’élément de couverture transparent (3), la structure photovoltaïque flottante (10) comportant des moyens de fixation (6), notamment des barres de fixation (6), dudit au moins un module photovoltaïque (1) à l’élément de couverture transparent (3). Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit au moins un module photovoltaïque (1) comprend une pluralité de modules photovoltaïques bifaciaux (1) s’étendant sous forme de bandes sensiblement parallèles les unes aux autres et espacées entre elles d’une distance (DS) prédéterminée, étant notamment espacées régulièrement. Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit au moins un module photovoltaïque (1) comprend un module photovoltaïque bifacial semi-transparent (1), comprenant des zones (ZP) pourvues de cellules photovoltaïques et des zones (ZT) transparentes, les zones (ZP) se présentant notamment sous forme de bandes sensiblement parallèles les unes aux autres et espacées entre elles d’une distance (DT) correspondant à la largeur des zones (ZT) transparentes, étant notamment espacées régulièrement. Structure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite paroi creuse (P) comporte un réservoir de ballast contrôlable (9) apte à contenir une quantité d’eau (QE) pour la stabilisation et le contrôle de la position de la structure photovoltaïque flottante (10) par rapport au soleil. Structure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite paroi creuse (P) comporte, sur sa surface externe (Pe), au moins un réservoir formant une quille creuse (11), notamment une pluralité de réservoirs formant une quille creuse (11) régulièrement espacés les uns des autres, apte à contenir une quantité d’eau (QE) pour la stabilisation et le contrôle de la position de la structure photovoltaïque flottante (10) par rapport au soleil. Structure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite paroi creuse (P) comporte, sur sa surface externe (Pe), au moins un réservoir formant une quille rétractable creuse (12), apte à passer d’une position dite « déployée » dans laquelle la quille rétractable creuse (12) est remplie d’une quantité d’eau (QE) permettant son déploiement à une position dite « rétractée » dans laquelle la quille rétractable creuse (12) est vide permettant son repliement vers la surface externe (Pe) de ladite paroi creuse (P), de sorte à permettre la stabilisation et le contrôle de la position de la structure photovoltaïque flottante (10) par rapport au soleil. Structure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface quadratique de ladite surface interne (Pi) est une surface cylindrique ou cylindrique parabolique, présentant respectivement, en section par rapport à l’axe horizontal (X), une forme circulaire ou parabolique. Centrale solaire flottante (20), caractérisée en ce qu’elle comporte : - au moins une structure de flottaison (21, 22, 23), destinée à être positionnée sur une étendue d’eau (E), - une pluralité de structures photovoltaïques flottantes (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, les structures photovoltaïques flottantes (10) étant montées en rotation autour d’axes horizontaux (X) respectifs, solidarisés à et entraînés en rotation par ladite au moins une structure de flottaison (21, 22, 23). Centrale selon la revendication 12, caractérisée en ce que les structures photovoltaïques flottantes (10) s’étendent sensiblement parallèlement les unes par rapport aux autres, selon les axes horizontaux (X) sensiblement parallèles entre eux, et en ce que ladite au moins une structure de flottaison (21, 22, 23) s’étend sensiblement perpendiculairement aux structures photovoltaïques flottantes (10). Centrale selon la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce que ladite au moins une structure de flottaison (21, 22, 23) comporte des moyens motorisés permettant la mise en rotation des structures photovoltaïques flottantes (10) pour leur donner une orientation en fonction de la position du soleil. Centrale selon l’une des revendications 12 à 14, caractérisée en ce qu’elle comporte au moins une structure de flottaison annulaire (23), définissant un volume interne (SI) à l’intérieur duquel sont positionnés les structures photovoltaïques flottantes (10), ladite au moins une structure de flottaison annulaire (23) étant mobile en rotation (RC) selon un axe vertical (Z) perpendiculaire aux axes horizontaux (X).