Brevet FR3151724A1 — publié le 20250131

Dispositif de conception de Modules photovoltaïques spécifiques légers grâce à l’utilisation de mousses polymères à la fois légères et suffisamment rigides pour remplir toutes les exigences et spécifications techniques et même pour apporter de nouvelles fonctionnalités, de nouvelles possibilités, de nouveaux modes d’installation participant ainsi à un plus large déploiement de cette énergie renouvelable. Bloc-modules photovoltaïques allégés. La présente invention concerne une conception spécifique de modules photovoltaïques légers qui autorise de nouvelles possibilités d’utilisation, des nouveaux modes d’installation et qui participe ainsi à un plus large déploiement de ces générateurs d’énergie renouvelable. Les modules photovoltaïques, ou panneaux solaires photovoltaïques, ont pour but de générer un courant électrique continu lorsqu’ils sont exposés aux rayonnements solaire. Ils se composent typiquement d’une face avant transparente en verre ou en matériaux polymères, laissant passer un maximum de lumière. Au cœur des modules, on trouve la partie des éléments réactifs photovoltaïques encapsulés dans un matériau polymère, le tout relié par des connections électriques menant à une boite de jonction qui assure la sortie des câbles électriques. En partie arrière on trouve un matériau isolant le plus souvent en polymère; le tout formant un « laminé » photovoltaïque. Pour assurer le maintien, la rigidité et la solidité du laminé, on distingue deux grands axes de conception : Soit ces laminés sont entourés en leur périphérie par un cadre résistant, le plus souvent en aluminium. Soit, plus marginalement, ils peuvent être conçus pour être utilisés directement sans cadre. Dans ce cas précis, ils sont destinés à être encollés directement sur un support de pose suffisamment rigide pour garantir leur résistance mécanique (par exemple sur des éléments de couvertures ou de façades de bâtiments etc.). Tous les modules photovoltaïques sont conçus pour garantir de bonnes performances à travers les années. Ils ont des spécifications électriques physiques et mécaniques correspondantes aux normes en vigueurs (comme par exemple les normes IEC-61215 IEC-61730). On trouve typiquement dans ce cadre normatif des exigences minimales de résistances aux contraintes environnementales telles que le vent, la neige, l’intrusion d’humidité, la chaleur, les chocs ainsi que des exigences de sécurité notamment sur le volet électrique. Tout ceci influence les matériaux, le dimensionnement des pièces et les options de conception choisies pas les fabricants de modules. Ces exigences induisent également des contraintes dans l’installation des modules avec divers systèmes ou structures de fixations ; Des contraintes aussi en terme de poids, en terme de surcharge totale du dispositif, et éventuellement aussi sur le positionnement de points de fixation, et la nécessité de faire des percements sur les supports d’installation voire de lester la structure d’installation. Tout ceci peut compliquer, limiter voire exclure l’installation de systèmes photovoltaïques. Un exemple de mise en œuvre délicate est celui de grandes toitures dont la résistance statique de la structure ne permet pas l’ajout de systèmes trop lourds (typiquement entre 12 et 15Kg par m2). Ainsi, les industriels, fabricants de modules photovoltaïques, recherchent des solutions pour des systèmes plus légers et intégrants toutes ou parties des composants ou des structures d’installations. Ceci, tout en garantissant des niveaux satisfaisants de solidité, de maniabilité et de tenue dans le temps. Les solutions envisagées doivent rester compétitives et si possible, proposer un bon taux de recyclabilité. Ici la liste des schémas et illustrations situés à la fin du document. - La représente un schéma simplifié d’un bloc-modules photovoltaïque vue de face puis en coupe latérale. Légende : 1 : Laminé photovoltaïque 2 : Partie support du bloc en matériau polymère 3: Le support de pose des bloc-modules photovoltaïques (toitures, sols etc.) - La représente une vue de dessus puis une vue en coupe latérale d’une installation de bloc-modules en simple exposition solaire. - La représente une vue de face horizontale d’une série de cinq bloc-modules interconnectés sur un support plane. - La représente une vue de dessus puis une vue en coupe latérale d’une installation de bloc-modules en double exposition (par exemple Est-ouest). - La représente une vue en coupe de face puis latérale d’un exemple de bloc-module conçu avec une option spécifique pour améliorer l’écoulement des eaux en partie inférieure. - La représente une vue en coupe de face d’un bloc-module dessiné avec une option spécifique pour améliorer la ventilation du laminé. - La représente une vue de dessus d’un exemple de bloc-modules dessinés avec une option d’inter emboitement. - La représente un schéma de principe d’une version de bloc-modules sans inclinaison propre. Ici une coupe latérale et deux vues de face en perspective, l’une d’une configuration portrait et l’autre en paysage. - La représente une vue latérale de quatre bloc-modules sans inclinaison collés sur un support de pose incliné. Ici nous développons la conception d’un bloc module photovoltaïque renforcé en face arrière du laminé photovoltaïques, grâce à l’utilisation d’un bloc de mousse de polymère expansé ou réticulé. Le type de mousse polymère choisie peut varier mais il peut être constitué par exemple de polypropylène expansé EPP ou PPE, de polyuréthane expansé, de PVC expansé, de polyéthylène expansé PE ou LDPE, de polystyrène PS, si possible il peut également être à base de biomatériaux ou matériaux biosourcés etc. Pour obtenir les formes recherchées cette partie de support arrière en polymère pourra être thermo moulée ou thermoformée et/ou découpée voire même faite à partir de mousses liquides solidifiées. Ces matériaux sont généralement disponibles en plusieurs grades de densité. Les décisions sur les densités se feront selon les objectifs de résistance et de rigidité toute en gardant un maximum de légèreté possible, également en fonction des couts, des applications et les propriétés recherchées. Ces matériaux ici énumérés sont accessibles, compétitifs, légers et résistent plus ou moins aux multiples contraintes climatiques telle que la pluie, les UV, le feu, et les contraintes mécaniques tel que les pressions et les chocs. Ils sont, pour beaucoup, déjà utilisés dans le secteur de la construction et du bâtiment et dans bon nombre d’applications d’objets courants. Pour constituer cette partie support des bloc-modules, il peut également être envisagé d’utiliser une combinaison de matériaux avec par exemple avec une partie extérieure ou « enveloppe », plus résistante aux chocs et aux rayons UV, et une partie intérieure ou « âme », en matériau moins dense mais plus léger. Dans ce contexte on pourra imaginer que l’enveloppe soit en matière polymère, mais possiblement aussi en matière métallique telle que l’aluminium, le zinc, l’acier ou des combinaisons de matériaux métalliques éventuellement même recouvert d’une peinture ou d’un vernis de protection. Description des éléments du module photovoltaïque ainsi conçu : Un module photovoltaïque est constitué d’une partie appelé « laminé photovoltaïque » car ils sont les plus souvent assemblés via la technique de lamination combinant chaleur et vide d’air. En face avant ou face extérieure exposée au rayonnement solaire, ces laminés sont constitués d’une couche transparente en verre ou en matériaux polymère/composite plus ou moins épais. Sous cette couche de protection on trouve la partie sensible photovoltaïque et les connections électriques encapsulés dans un matériau adéquat comme l’EVA. Cette partie active peut-être de diverses technologies, utiliser des matériaux semi-conducteurs photo-réactifs de tous types : des Cellules en Silicium (c-Si), des couches actives à base de CIGS, de CDTE, de Pérovskite, d’OPV, etc. Les connexions électriques au cœur des laminés peuvent être de tous types ou configurations mais elles cheminent vers des boites de connexion d’où partent les câbles électriques à l’extérieur des modules. La face arrière est typiquement constituée d’un film isolant et protecteur en matière synthétique souvent à base de Tedlar (TPT, TPA, mais aussi APA, PO, KPE (PVDF-PET-EVA etc). C’est sur cette face arrière que nous venons coller, ou thermocoller, ou thermosouder, la partie support en polymère. Celle-ci peut être de formes diverses selon les utilisations visées (voir les illustrations). Cette partie support pourra elle-même être collé sur le support existant dans l’environnement de pose du système photovoltaïques et pour toute la durée de son exploitation (typiquement de vingt ans et plus). Ces bloc-modules pourront également être maintenus ou fixés par des dispositifs ou structures d’installations plus classique et communs, tels que des pinces, des crochets, des parecloses ou des profilés en aluminium par exemple. Les boites de connections peuvent être installées traditionnellement : collés ou thermocollés sur la partie laminé des modules, le plus souvent en face arrière. Ces modules photovoltaïques nouvellement crées que nous appelons « blocs-modules » devront à leur tour passer les tests et les certifications en vigueur avant leur installation. Dans certains cas, ces tests et certifications devront être envisagés spécifiquement en lien avec un support de pose. Avantages du procédé: Plusieurs avantages découlent de la mise en œuvre de cette conception innovante et de l’utilisation de polymère dans la réalisation de cette partie support des bloc-modules: Cette pièce de support assure sa tenue mécanique, sa rigidité à l’ensemble du bloc module photovoltaïque ce qui permet de se dispenser d’un cadre périphérique. Cette rigidité recherchée est ajustable en fonction des matériaux mis en œuvre et notamment de leur densité. Ainsi, il peut être envisagé de réduire, l’épaisseur de la face transparente de protection avant, en verre ou en polymère/composite, et de gagner ainsi en légèreté tout en conservant une résistance aux chocs de type grêle. Cette pièce de support permet aux bloc-modules de proposer des formes adaptés pour qu’ils se positionnent au mieux sur les supports d’installation plans ou inclinés, en assurant la pente et l’inclinaison idéale choisie pour la face exposée du laminé photovoltaïque. Le dessin de la partie-support pourra par exemple, proposer une inclinaison idéale à l’exposition solaire souhaitée, typiquement une simple exposition (Cf. et 3). ou une double exposition (est/ouest par exemple) en associant les blocs modules dos à dos (Cf. ). Cette conception autorise le développement de formes spécifiques ou de passages pour le ruissellement des eaux autour des blocs modules positionnés sur leurs différents supports possibles d’installation (Cf. ). Cette conception autorise de développer des formes spécifiques ou passages d’air pour une ventilation par l’arrière, des laminés photovoltaïques (Cf. ). Cette conception autorise le développement des formes pour un emboitement des blocs les uns dans les autres pour ainsi constituer un maillage de bloc-modules physiquement interconnectés (Cf. ). Ce système d’emboitement est utile pour faciliter l’installation et pour renforcer la tenue au vent. Cette conception autorise le développement de bloc-modules photovoltaïques extrêmement simples, peu encombrants et économiques dans une configuration plate (Cf. et 9) Cette conception autorise également le développement de formes pour les passages des câbles électriques autour des bloc-modules photovoltaïques pour permettre l’organisation et le maintien dans le temps de ces câbles indispensables à tous systèmes photovoltaïques. Exemples non limitatifs de mise en œuvre: Ci-dessous une liste de contextes d’installation de systèmes photovoltaïques pour lesquels cette innovation peut apporter une réponse positive. - Dans les cas de grandes toitures en couverture bacs aciers : on pourra coller des blocs modules spécifiquement découpés sur la couverture, après vérification de la bonne adhérence. On peut imaginer une simple exposition plutôt sud, ou une double exposition, plutôt est-ouest. - Dans les cas de toitures à faibles pentes recouverte de membrane d’étanchéité, notamment pour des bâtiments qui ne peuvent accepter de fortes surcharges additionnelles. A l’occasion de la rénovation de la couverture et de la pose d’une nouvelle membrane, les bloc-modules pourrons être collés sur la nouvelle couverture. A noter que la technique d’encollage aura été validée et certifiée en amont. On peut dans ce cas imaginer une simple exposition plutôt sud, ou une double exposition, est-ouest. - Dans le cas de façades de bâtiments, la forme des bloc-modules pourra être adaptée pour un positionnement idéal suivant le rayonnement solaire et l’architecture choisie. Dans cette configuration, la partie support en mousse polymère bloc-modules pourra constituer une couche d’isolation thermique supplémentaire au bâtiment. - Dans le cas d’installation de centrales photovoltaïques au sol, sur des structures de pose dédiées : les bloc-modules ainsi conçus pourrons remplacer l’utilisation de modules classiques avec leur cadre aluminium. Il y aura un gain sur les coûts de production et possiblement aussi sur les bilans carbone ou énergétiques de l’installation. Conception de bloc-modules photovoltaïques pour lequel un laminé photovoltaïque est associé par collage en face arrière, sur une pièce dite de support en mousse de polymère expansé ou réticulé en ce qui se caractérise par le fait que le laminé photovoltaïque est ainsi soutenu sur une partie majoritaire de sa surface arrière. Ce matériau polymère pourra-être constitué par exemple de polypropylène expansé EPP ou PPE, de polyuréthane expansé, de PVC expansé, de polyéthylène PE ou LDPE expansé, de Polystyrène PS expansé, ou de toutes autres matières polymères synthétiques expansées; il pourra également être constitué de biomatériaux ou de matériaux biosourcés. Si l’âme de cette pièce de support peut être constituer de mousse de polymère telle que décrit précédemment, elle pourra possiblement aussi être conçu avec une combinaison de plusieurs matériaux avec l’âme ou l’intérieure de la pièce en mousse de polymère expansé, mais recouverte par une enveloppe de protection extérieure dans un matériau plus résistants aux chocs et aux ultra-violets tel qu’un matériau métallique, un autre polymère, voire le même polymère mais dans une densité supérieure. Pour obtenir les formes recherchées cette pièce de support pourra, selon les procédés de fabrication, être thermo-moulée, thermoformée, découpée, imprimée en 3D, voire conçue à partir de mousses liquides solidifiées. Conception selon la revendication 1, pour laquelle la forme de la partie support du bloc-module pourra présenter une pente ou une inclinaison du laminé photovoltaïque pour optimiser le ruissèlement des eaux de pluie et l’exposition solaire. Conception selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la forme de la partie support du bloc-module pourra autoriser un emboitement ou une connexion mécanique vers un autre bloc-module voisin ou périphérique selon les configurations d’installations retenues. Conception selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la forme de la partie support du bloc-module pourra prévoir des formes pour faciliter l’écoulement et le passage des eaux de pluie. Conception selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la forme de la partie support du bloc-module pourra prévoir des passages d’air ou tunnels d’aération sous le laminé photovoltaïque pour permettre une ventilation naturelle et ainsi réduire l’échauffement de celui-ci. Conception selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la forme de la partie support du bloc-module pourra prévoir des voies de passages et de fixation des câbles électriques.