Brevet FR3152685A1 — publié le 20250307

Dispositif de conception de Modules photovoltaïques spécifiques légers grâce à l’utilisation de plaques alvéolaires, par exemple en polycarbonate. Ces plaques alvéolaires sont déjà utilisées et disponibles. Elles sont à la fois légères et rigides pour pouvoir remplir les exigences de spécifications techniques de cette application spécifique. Cette innovation apportera de nouvelles possibilités, de nouveaux modes d’installations, participant ainsi à un plus large déploiement de cette énergie renouvelable. Modules photovoltaïques alvéolaires allégés. La présente invention concerne une conception spécifique de modules photovoltaïques légers qui autorise de nouveaux champs d’utilisation, de 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 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). 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 ou IEC-61730). On trouve typiquement dans ce cadre normatif des exigences minimales de résistances aux contraintes environnementales telles que le vent, la neige, la grêle, 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 la structure d’installation. Tout ceci peut compliquer, limiter voire exclure l’installation de systèmes photovoltaïques. Ainsi, les industriels, fabricants de modules photovoltaïques, recherchent des solutions pour des systèmes plus légers et plus économiques. 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 bilan carbone réduit ainsi qu’un taux de recyclabilité élevé. Ici la liste des schémas et illustrations situés à la fin du document. Légende : 1 : Laminé photovoltaïque 2 : Partie du module photovoltaïque constituée de plaque alvéolaire - La FIG. 1 est un schéma simplifié qui représente un module photovoltaïque alvéolaire allégé vue de face puis en coupe latérale. - La FIG. 2 représente quatre exemples de plaques alvéolaires avec différentes épaisseurs, structures et géométries de parois intérieures. La vue est une coupe de la tranche de ces quatre exemples de plaques. - La FIG. 3 est un schéma simplifié qui représente une déclinaison du concept avec le laminé photovoltaïque disposé en mode portrait par rapport aux tunnels de ventilation de la plaque alvéolaire. - La FIG. 4 est un schéma simplifié qui représente une déclinaison du concept avec 3 laminés photovoltaïques disposés sur une plus grande plaque alvéolaire. - La FIG. 5 est un schéma simplifié qui représente une déclinaison du concept avec un laminé photovoltaïque disposé sur chacun des côtés du support en plaque alvéolaire. Ici nous développons la conception d’un module photovoltaïque par association ou collage du laminé photovoltaïque sur un substrat en plaque de polymère rigide de structure géométrique alvéolaire que nous nommons « plaque alvéolaire ». Le type de polymère choisi pour ses plaques alvéolaires peut, par exemple, être constitué de polycarbonate PC, de PMMA, de PVC, de polyéthylène PE ou PEHD, de polystyrène PS, de polypropylène PP. Si possible il pourra être à base de biomatériaux ou matériaux biosourcés. Une association de plusieurs matériaux polymères peut aussi être envisagé. Le concept de cette innovation réside dans le fait d’associer, de coller, un ou plusieurs laminés photovoltaïques sur une plaque alvéolaire. Celle-ci est alvéolaire dans son dessin, dans sa géométrie et non par sa structure physique, dans la mesure où la plaque se compose dans son épaisseur de plusieurs compartiments de vide de matière géométriquement organisés. Ces vides ou passages d’air sont très utiles dans le cadre de cette innovation car les laminés photovoltaïques sont plus performants si une forme de ventilation vient limiter leur échauffement. Aussi, la disposition des laminés photovoltaïques par rapport à l’orientation des tubes d’aération se fera selon les applications et modes d’installation. Des plaques alvéolaires sont déjà utilisées dans la construction de toitures ou de façades. Elles sont reconnues pour leurs résistances aux aléas climatiques et leurs tenues dans le temps. Les plaques alvéolaires le plus couramment utilisées étant en polycarbonate, elles sont en outre disponibles en plusieurs épaisseurs, plusieurs géométries, plusieurs systèmes d’emboitement ou de fixation par divers profilés. Les décisions sur le ou les matériaux utilisés, l’épaisseur des plaques, leurs géométries, leurs teintes ou leur degrés de transparence se feront selon les applications et les propriétés recherchées, en fonction des objectifs de résistance, de rigidité, d’encombrement, des critères esthétiques, également en fonction des coûts. 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 plus ou moins épaisse en verre ou en matériaux polymère/composite. Sous cette couche de protection on trouve la partie sensible photovoltaïque et les connections électriques encapsulées dans un matériau adéquat comme l’EVA. Cette partie active peut-être de technologies diverses, 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. 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 des laminés photovoltaïques que nous venons associer, par collage, ou thermocollage, ou thermo soudage, la plaque alvéolaire pour en faire la partie support du module. Celle-ci pourra être de dimensions et de structures diverses selon les utilisations visées. De nombreuses formules de colles ont été testées et éprouvées sur ces matériaux. Il sera aisé de choisir les plus appropriées selon les besoins. Il existe aussi des colles transparentes. Ultérieurement, après réalisation d’étude et de tests, une alternative d’assemblage sera d’envisager l’utilisation de la plaque alvéolaire directement comme face d’isolation arrière des laminés photovoltaïques. Les boites de connexions, d’où partent les câbles électriques à l’extérieur des laminés photovoltaïques, pourront, au choix, être placées sur la face avant des laminés photovoltaïques, ou en face arrière moyennant la découpe de la plaque alvéolaire. Ces modules photovoltaïques que nous appelons « Modules photovoltaïques alvéolaires allégés » auront à passer les tests et les certifications en vigueur avant leurs commercialisation et installation. Avantages du procédé : Plusieurs avantages découlent de la mise en œuvre de cette conception innovante et de l’utilisation des plaques alvéolaires pour ces modules photovoltaïques: Ces modules présentent une bonne tenue mécanique, une bonne rigidité et résistance aux impacts ce qui permet avantageusement de se passer du cadre périphérique. La rigidité est ajustable en fonction des plaques utilisées et de leurs spécifications notamment épaisseur et structure. Ainsi, il peut également être envisagé de réduire l’épaisseur de la face transparente de protection avant, en verre ou en polymère/composite, et de gagner encore en légèreté tout en conservant une résistance suffisante aux chocs et notamment à la grêle. On obtient ainsi des modules photovoltaïques plus légers et potentiellement moins volumineux. Les plaques alvéolaires ont pour caractéristique d’être naturellement ventilées par les multiples tunnels d’air qui les composent. Cette ventilation naturelle est utile pour refroidir les laminés photovoltaïques dont les performances s’amenuisent au fur et à mesure que leurs températures augmentent. Les plaques alvéolaires sont utilisées depuis plusieurs décennies comme éléments de couverture de bâtiment. Les modules ainsi conçus pourront ainsi facilement assurer cette fonction de couverture et d’étanchéité tout en y ajoutant la fonction de générateurs photovoltaïques. Les plaques alvéolaires peuvent proposer une forte transparence, très utile dans le cas d’un besoin de lumière au cœur des bâtiments mais également dans le cadre de l’utilisation de laminés bi-faces qui ont pour caractéristiques de transformer le rayonnement lumineux en courant électrique via la face avant mais également via la face arrière. Cette conception peut également s’envisager dans une configuration de modules biface en ajoutant un laminé sur chacun des côtés de la plaque alvéolaire. Dans ce cas précis, la plaque alvéolaire entre deux laminés, ne constitue plus la face arrière du module mais sa partie centrale. Cette configuration est idéale pour une utilisation dans un cadre agricole avec des rangées ou lignes de modules photovoltaïques disposées verticalement et orientées vers l’Est et l’Ouest laissant libre le passage des engins et de la surface pour les cultures ou les pâtures. Ces plaques alvéolaires sont reconnues pour leur tenue dans le temps et face aux aléas climatiques. Suite à de nombreux développements produits et retours d’expérience dans les applications du bâtiment, elles sont mise en place via un grand nombre de techniques de pose éprouvées. Il existe par exemple de nombreux accessoires périphériques de fixation tels que des profilés spécialement adaptés mais aussi des systèmes d’emboitement d’une plaque à l’autre. Outre cette dimension de pose et de fixation des modules, ces accessoires pourront facilement accueillir et maintenir en place les câbles et chemins de câbles électriques que ce soit en face avant ou en face arrière des modules photovoltaïques. L’organisation et le bon maintien dans le temps des câbles sont essentiels 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 pourra apporter une réponse satisfaisante. Dans les cas de couverture de bâtiment on pourra simplement remplacer la couverture existante par une couverture en modules alvéolaires. Ceux-ci feront une couverture fiable, génératrice courant, et ils proposeront aussi en option une part de transparence à cette nouvelle couverture. Dans les cas de toitures de bâtiments qui ne peuvent accepter de fortes surcharges additionnelles, ces modules allégés pourront apporter une réponse au défi de la surcharge. Dans le cas d’installation de centrales photovoltaïques au sol, sur des structures de poses dédiées : les modules ainsi conçus pourrons remplacer l’utilisation de modules classiques avec leurs cadres aluminium. Il y aura alors un gain sur les coûts de production et possiblement également sur les bilans carbone et énergétiques de l’installation. En outre, dans le cadre d’une activité mixte, avec agriculture et production d’énergie, aussi appelée « agrivoltaïsme », ou pourra avantageusement disposer ces modules dans leur configuration biface de manière verticale pour une double exposition idéalement Est-Ouest, très recherchée par les acteurs du marché. Conception de modules photovoltaïques pour lequel un ou plusieurs laminés photovoltaïques, quelle que soit leur technologie photovoltaïque, sont associés par collage, thermocollage ou thermo soudure, sur une plaque de support en polymère alvéolaire aussi appelée plaque alvéolaire en ce qui se caractérise par le fait que le ou les laminés photovoltaïques sont ainsi soutenus mécaniquement sur leur face arrière et non plus uniquement en périphérie. Ces plaques alvéolaires peuvent être constituées de polymères comme par exemple le polycarbonate PC, le PMMA, le PVC, le polyéthylène PE ou PEHD, le polystyrène PS, le polypropylène PP. Si possible tout ou partie de la matière pourra être constituée de biomatériaux ou de matériaux biosourcés. Une association de plusieurs matériaux polymères peut également être envisagée. Conception de modules photovoltaïques selon la revendication 1, pour laquelle les deux faces de la plaque alvéolaire se voient recouvertes d’un ou de plusieurs laminés photovoltaïques pour constituer un module photovoltaïque biface à double exposition.