INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
La suppression du verre en face avant des modules photovoltaïques a fait l’objet de plusieurs brevets ou demandes de brevet dans l’art antérieur. On peut ainsi citer à ce titre la demande de brevet FR 2 955 051 A1, la demande de brevet américain US 2005/0178428 A1 ou encore les demandes internationales WO 2008/019229 A2 et WO 2012/140585 A1. D’autres brevets ou demandes de brevet ont décrit l’utilisation de renforts seuls ou en composites, comme par exemple la demande de brevet européen EP 2 863 443 A1, ou encore les demandes internationales WO 2018/076525 A1, WO 2019/006764 A1 et WO 2019/006765 A1.
Il existe ainsi un besoin pour concevoir une solution alternative de module photovoltaïque prévu pour être léger afin de s’adapter à certaines applications, tout en présentant des propriétés mécaniques suffisantes lui permettant d’être résistant aux chocs et à la charge mécanique, et en particulier aux normes IEC 61215 et IEC 61730.
L’invention a donc 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, un module photovoltaïque obtenu à partir d’un empilement comportant : - une première couche transparente formant la face avant du module photovoltaïque, destinée à recevoir un flux lumineux, - une pluralité de cellules photovoltaïques disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles, - un ensemble encapsulant la pluralité de cellules photovoltaïques, - une deuxième couche formant la face arrière du module photovoltaïque, l’ensemble encapsulant et la pluralité de cellules photovoltaïques étant situés entre les première et deuxième couches, caractérisé en ce que la première couche comporte : - une couche avant réalisée en au moins un matériau polymère, dite « couche avant polymère », et - au moins un ensemble avant comprenant une couche avant d’interface et une couche avant en verre, la couche avant en verre présentant une épaisseur inférieure ou égale à 2 mm, ledit au moins un ensemble avant étant situé entre la couche avant polymère et l’ensemble encapsulant, et la couche avant d’interface dudit au moins un ensemble avant étant située entre la couche avant polymère et la couche avant en verre.
De façon avantageuse, l’invention permet le remplacement du verre épais standard d’épaisseur d’environ 3 mm, habituellement utilisé en face avant dans un module photovoltaïque classique, par une combinaison de couche(s) polymère(s) et de couche(s) mince(s) en verre. Ainsi, l’utilisation de verre(s) mince(s) et de polymère(s) permet d’obtenir une faible masse et une transparence équivalente à un module standard. Si l’on compare l’invention aux modules légers disponibles commercialement, la présence de verre mince dans la structure permet une meilleure résistance aux chocs, aux dilatations thermomécaniques et à la pénétration d’humidité.
Le terme « transparent » signifie que la première couche formant la face avant du module photovoltaïque est au moins partiellement transparente à la lumière visible, laissant passer au moins environ 80 % de cette lumière.
En particulier, la transparence optique, entre 300 et 1200 nm, de la première couche formant la face avant du module photovoltaïque, notamment la couche avant polymère, peut être supérieure à 80 %. De même, la transparence optique, entre 300 et 1200 nm, de l’ensemble encapsulant peut être supérieure à 90 %, tout comme celle de la couche avant d’interface.
En outre, par le terme « encapsulant » ou « encapsulé », il faut comprendre que la pluralité de cellules photovoltaïques est disposée dans un volume, par exemple hermétiquement clos vis-à-vis des liquides, au moins en partie formé par au moins deux couches de matériau(x) d’encapsulation, réunies entre elles après lamination pour former l’ensemble encapsulant.
En effet, initialement, c’est-à-dire avant toute opération de lamination, l’ensemble encapsulant est constitué par au moins deux couches de matériau(x) d’encapsulation, dites couches de cœur, entre lesquelles la pluralité de cellules photovoltaïques est encapsulée. Toutefois, pendant l’opération de lamination des couches, les couches de matériau d’encapsulation fondent pour ne former, après l’opération de lamination, qu’une seule couche (ou ensemble) solidifiée dans laquelle sont noyées les cellules photovoltaïques.
Par ailleurs, grâce à l’invention, il peut être possible d’obtenir un nouveau type de module photovoltaïque léger qui, par l’utilisation de verre mince, peut présenter un poids surfacique inférieur à 6 kg/m², voire 5 kg/m², tout en conservant la transparence optique de la face avant et en assurant une bonne fiabilité du module photovoltaïque avec une faible dilatation thermomécanique et une haute durabilité. De plus, l’utilisation de la couche avant polymère et de couche(s) d’interface permet de protéger le verre mince des chocs, notamment de type grêlons.
Le module photovoltaïque selon l’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
La couche avant en verre peut avantageusement présenter une épaisseur inférieure ou égale à 1,5 mm, préférentiellement comprise entre 500 µm et 1 mm.
Par ailleurs, la couche avant en verre peut avantageusement être réalisée en verre non trempé. Autrement dit, le verre ne subit aucune trempe thermique ou chimique. En effet, le verre non trempé peut être moins résistant aux chocs, notamment ceux liés aux impacts de grêlons. Cependant, étant placé entre des couches protectrices polymères, notamment entre la couche avant polymère et la couche avant d’interface, le verre non trempé peut être protégé des chocs. Le verre non trempé peut également permettre d’assurer une barrière de protection à l’humidité pour les cellules photovoltaïques. L’utilisation de verre non trempé, plutôt que du verre trempé, peut permettre de réduire considérablement les coûts de sorte à rendre le module photovoltaïque adaptable à de nombreuses applications.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE 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. Elle est traditionnellement réalisée en une seule plaque de verre, notamment du verre trempé, présentant une épaisseur typiquement comprise entre 2 et 4 mm, classiquement de l’ordre de 3 mm.
La deuxième couche formant la face arrière du module photovoltaïque peut quant à elle être réalisée à base de verre, de métal ou de plastique, entre autres. Elle est souvent formée par une structure polymérique à base d’un polymère isolant électrique, par exemple du type polytéréphtalate d'éthylène (PET) ou polyamide (PA), pouvant être protégée par une ou des couches à base de polymères fluorés, comme le polyfluorure de vinyle (PVF) ou le polyfluorure de vinylidène (PVDF), et ayant une épaisseur de l’ordre de 300 µm.
Les cellules photovoltaïques peuvent être reliées électriquement entre elles par des éléments de contact électrique avant et arrière, appelés conducteurs de liaison, et formés par exemple par des bandes de cuivre étamé, respectivement disposées contre les faces avant (faces se trouvant en regard de la face avant du module photovoltaïque destinée à recevoir un flux lumineux) et arrière (faces se trouvant en regard de la face arrière du module photovoltaïque) de chacune des cellules photovoltaïques, ou bien encore uniquement en face arrière pour les cellules photovoltaïques de type IBC (pour « Interdigitated Back Contact » en anglais).
Il est à noter que les cellules photovoltaïques de type IBC (« Interdigitated Back Contact ») sont des structures pour lesquelles les contacts sont réalisés sur la face arrière de la cellule en forme de peignes interdigités. Elles sont par exemple décrites dans le brevet américain US 4,478,879 A.
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. De façon classique, l’encapsulant choisi correspond à un polymère du type élastomère (ou caoutchouc), et peut par exemple consister en l’utilisation de deux couches (ou films) de poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA) entre lesquelles sont disposées les cellules photovoltaïques et les conducteurs de liaison des cellules. Chaque couche d’encapsulant peut présenter une épaisseur d’au moins 0,2 mm et un module de Young typiquement compris entre 2 et 400 MPa à température ambiante.
On a ainsi représenté partiellement et schématiquement, respectivement en coupe sur la et en vue éclatée sur la , un exemple classique de module photovoltaïque 1 comportant des cellules photovoltaïques 4 cristallines.
Comme décrit précédemment, le module photovoltaïque 1 comporte une face avant 2, généralement réalisée en verre trempé transparent d’épaisseur d’environ 3 mm, et une face arrière 5, par exemple constituée par une feuille polymère, opaque ou transparente, monocouche ou multicouche, ayant un module de Young supérieur à 400 MPa à température ambiante.
Entre les faces avant 2 et arrière 5 du module photovoltaïque 1 se situent les cellules photovoltaïques 4, reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison 6 et immergées entre deux couches avant 3a et arrière 3b de matériau d’encapsulation formant toutes les deux un ensemble encapsulant 3.
La représente en outre une variante de réalisation de l’exemple de la dans laquelle les cellules photovoltaïques 4 sont de type IBC, les conducteurs de liaison 6 étant uniquement disposés contre les faces arrières des cellules photovoltaïques 4.
Par ailleurs, les figures 1 et 2 représentent également la boîte de jonction 7 du module photovoltaïque 1, destinée à recevoir le câblage nécessaire à l’exploitation du module. Classiquement, cette boîte de jonction 7 est réalisée en plastique ou en caoutchouc, et présente une étanchéité complète.
De façon habituelle, le procédé de réalisation du module photovoltaïque 1 comporte une étape dite de lamination sous vide des différentes couches décrites précédemment, à une température supérieure ou égale à 120°C, voire 140°C, voire encore 150°C, et inférieure ou égale à 170°C, typiquement comprise entre 145 et 165°C, et pendant une durée du cycle de lamination généralement d’au moins 10 minutes, voire 15 minutes.
Pendant cette étape de lamination, les couches de matériau d’encapsulation 3a et 3b fondent et viennent englober les cellules photovoltaïques 4, en même temps que l’adhérence se crée à toutes les interfaces entre les couches, à savoir entre la face avant 2 et la couche avant de matériau d’encapsulation 3a, la couche avant de matériau d’encapsulation 3a et les faces avant 4a des cellules photovoltaïques 4, les faces arrière 4b des cellules photovoltaïques 4 et la couche arrière de matériau d’encapsulation 3b, et la couche arrière de matériau d’encapsulation 3b et la face arrière 5 du module photovoltaïque 1. Le module photovoltaïque 1 obtenu est ensuite encadré, typiquement par le biais d’un profilé en aluminium.
Une telle structure est maintenant devenue un standard qui possède une résistance mécanique importante grâce à l’utilisation d’une face avant 2 en verre épais et du cadre aluminium, lui permettant, notamment et dans la majorité des cas, de respecter les normes IEC 61215 et IEC 61730.
Néanmoins, un tel module photovoltaïque 1 selon la conception classique de l’art antérieur présente l’inconvénient d’avoir un poids relativement élevé, en particulier un poids par unité de surface d’environ 10 à 12 kg/m², et n’est ainsi pas adapté pour certaines applications pour lesquelles la légèreté est une priorité.
Ce poids élevé du module photovoltaïque 1 provient principalement de la présence du verre épais, avec une épaisseur d’environ 3 mm, pour former la face avant 2, la densité du verre étant en effet élevée, de l’ordre de 2,5 kg/m²/mm d’épaisseur, et du cadre aluminium. Pour pouvoir résister aux contraintes lors de la fabrication et également pour des raisons de sécurité, par exemple du fait du risque de coupure, le verre est trempé. Or, l’infrastructure industrielle de la trempe thermique est configurée pour traiter du verre d’au moins 2 mm d’épaisseur. En outre, le choix d’avoir une épaisseur de verre d’environ 3 mm est également lié à une résistance mécanique à la pression normée de 5,4 kPa. En définitif, le verre représente ainsi à lui seul pratiquement 70 % du poids du module photovoltaïque 1, et plus de 80 % avec le cadre en aluminium autour du module photovoltaïque 1.
La poudre d’oxyde métallique initiale obtenue par hydrolyse d’un chlorure métallique possède des particules présentent un diamètre médian faible, avec des propriétés souhaitées, par exemple une structure cristalline particulière de l’oxyde métallique.
La formation de la suspension et le séchage, de préférence par atomisation, permettent d’obtenir une poudre d’oxyde métallique granulée formée de grains présentent un diamètre médian strictement supérieur à celui des particules de la poudre d’oxyde métallique initiale, tout en préservant d’autres caractéristiques des particules de la poudre d’oxyde métallique granulée, comme la structure cristalline de l’oxyde métallique, la pureté chimique de l’oxyde métallique ou la surface spécifique de la poudre d’oxyde métallique granulée.
La poudre d’oxyde métallique granulée présent ainsi des caractéristiques d’écoulement différentes de celles de la poudre d’oxyde métallique initiale, ce qui permet l’utilisation de la poudre d’oxyde métallique granulée dans des procédés de fabrication différents.
Selon des modes de mise en œuvre particuliers, le procédé de fabrication comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’hydrolyse du chlorure métallique est réalisée à partir du chlorure métallique en phase vapeur et/ou d’eau en phase vapeur ;
- l’étape de séchage est réalisée par atomisation de la suspension ;
- le milieu de suspension est l’eau ;
- le liant organique est choisi parmi du polyéthylène glycol (PEG), de l’alcool polyvinylique (APV), de l’amidon et de l’acide stéarique ;
- le procédé de fabrication comprend une étape de calcination de la poudre d’oxyde métallique granulée ;
- le diamètre médian des particules de la poudre d’oxyde métallique initiale est égal ou inférieur à 1 µm ;
- le diamètre médian des grains de la poudre d’oxyde métallique granulée est égal ou supérieur à 5 µm, en particulier égal ou supérieur à 10 µm, encore plus en particulier égal ou supérieur à 15 µm ;
- la poudre d’oxyde métallique granulée présente une compressibilité égale ou inférieur à 25%, en particulier une compressibilité égale ou inférieur à 20% ;
- le métal est du zirconium, la poudre d’oxyde métallique granulée obtenue étant une poudre de dioxyde de zirconium granulée ;
- le métal est de l’hafnium, la poudre d’oxyde métallique obtenue étant une poudre de dioxyde d’hafnium granulée.
L’invention concerne aussi une poudre d’oxyde métallique granulée, en particulier une poudre d’oxyde de zirconium granulée ou une poudre d’oxyde d’hafnium granulée, obtenue ou susceptible d’être obtenu par un procédé tel que défini ci-dessus.
En pratique, ici, le vecteur d’état comporte dix variables d’état. Une représentation de l’invention devrait donc être tracée en dix dimensions.
Avec l’hypothèse posée dans l’équation ci-dessus, les inégalités suivantes sont satisfaites pour toutes les matrices diagonales positives U 1 et U 2 , qui sont plus précisément ici des grandeurs scalaires positives :
On notera ici que ces grandeurs scalaires U 1 et U 2 sont ici introduites simplement pour faciliter les calculs subséquents (selon la S-procédure).
Pour résumer, les équations Math.43 et Math.44 sont deux modèles de saturation, respectivement en amplitude et en vitesse, qui, tant qu’ils restent valables au sens de l’équation Math.45, permettent de s’assurer que les équations Math.46 le sont également.
On peut alors utiliser ces modèles pour la synthèse (c’est-à-dire l’optimisation) des gains principaux K δ p , K Mz p du retour d’état liés aux variables d’état du système en boucle ouverte P et des gains K δ aw , K Mz aw de compensation des saturations (ou « gain anti-windup ») du contrôleur K.
L’équation Math.34 en boucle fermée et la représentation du système Psys représenté sur la permettent d’écrire :
On suppose que la perturbation w est limitée en énergie, c’est à dire bornée, de sorte qu’on peut écrire :
Cette hypothèse est liée au fait que la courbure de la trajectoire (qui est ici considérée comme une perturbation) et la durée d’activation de la fonction AES sont toujours bornées.
Donc, dans l’équation Math.48, où le terme w est lié à la courbure de la trajectoire d’évitement, la valeur maximale w max de ce terme est connue (puisqu’on connaît les limites dynamiques du véhicule et donc la courbure maximale que le véhicule peut suivre en toute sécurité et de fait imposable par la planification de trajectoire).
Pour obtenir une solution optimale du contrôleur K, on définit tout d’abord une fonction de Lyapunov V(t) pour les conditions de stabilité :
Dans cette équation, la matrice P est définie positive et symétrique.
L’intérêt de cette fonction de Lyapunov V(t) est que si sa dérivée première est strictement négative, elle garantit que le système sera toujours stable en l’absence de perturbation.
Sur les figures 6 et 7, on a représenté les deux polyèdres assurant la stabilité et la performance du système. On va alors chercher un espace situé simultanément dans ces deux polyèdres. Il pourrait par exemple s’agir de l’intersection de ces deux espaces.
Toutefois, ici, on préfèrera modéliser cet espace sous la forme d’une ellipse appelée bassin d’attraction. Ce bassin d’attraction ε est ici défini sous la forme :
En complément de la condition de stabilité portant sur cette fonction de Lyapunov V(t), ce bassin d’attraction doit être inclus dans les deux polyèdres S1 et S2, qui modélisent respectivement les saturations en amplitude et en vitesse, pour garantir la stabilité du système (qui reste la priorité à garantir).
Le bassin d’attraction ε est donc un espace de stabilité (ou espace invariant) du système considéré. En d‘autres termes, il s’agit d’un espace au sein duquel les trajectoires des variables d’état (c’est-à-dire les composantes du vecteur d’état x) restent, pour autant qu’elles aient été initialisées dans cet espace (même si le système est soumis à des perturbations et des saturations des actionneurs).
Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval », et « interne/dessous» et « externe/dessus » sont utilisés en référence à un positionnement par rapport à un axe d’écoulement des flux d’air le long de l’axe longitudinal X-X de la turbomachine. Ainsi, un cylindre s'étendant selon l'axe X-X comporte une face intérieure tournée vers l'axe X-X et une face extérieure, opposée à sa face intérieure. On entend par « longitudinal » ou « longitudinalement » toute direction parallèle à l’axe X-X, et par « radialement » ou « radial » toute direction perpendiculaire à l’axe X-X.
Le carter 3 auquel l’invention s’applique présente une forme générale annulaire autour de l’axe longitudinal X-X. Le carter 3 comporte une structure annulaire 4 qui s’étend également autour et le long de l’axe longitudinal X-X. Cette structure annulaire 4 comporte une couche médiane 9. Cette couche médiane 9 présente une forme générale annulaire autour de l’axe longitudinal X-X. Dans un mode de réalisation préféré, cette couche médiane 9 est réalisée en matériau composite. Les pièces en matériau composite, utilisées dans le domaine de l’aéronautique comme dans de nombreux autres domaines, présentent l’avantage de posséder de bonnes propriétés mécaniques tout en étant plus légères que des pièces métalliques de fonction similaire.
Comme représenté sur la , la couche médiane 9 est pourvue d’une surface externe annulaire 9’ et d’une surface interne annulaire 9’’. La surface externe annulaire 9’ est solidarisée à une couche externe annulaire 10 qui est en matériau métallique. La fixation de la couche externe 10 sur la surface externe 9’ de la couche médiane 9 est réalisée, à titre d’exemple, en utilisant un adhésif à base époxyde ou directement par auto-adhésion de la matrice époxyde lors de la fabrication de la couche médiane 9 en matériau composite
Par ailleurs, la surface interne 9’’ est rendue solidaire d’une couche interne 11 annulaire par l’intermédiaire de moyens de fixation (non représenté). À titre d’exemple, ces moyens de fixation peuvent être un adhésif à base époxyde ou directement une auto-adhésion de la matrice époxyde lors de la fabrication de la couche médiane 9 en matériau composite.
La couche médiane 9 annulaire, qui est réalisée en matériau composite, comprend une structure tissée tridimensionnelle. Dans un mode de réalisation particulier, cette structure tissée tridimensionnelle forme l’ensemble de la couche médiane 9. Dans une variante, la couche médiane 9 comprend des structures tissées tridimensionnelles ou bidimensionnelles qui peuvent être à la fois superposées et agencées conjointement les unes aux autres de sorte à former, ensemble, la couche médiane 9 annulaire.
La structure tissée tridimensionnelle peut être formée par tissage en trois dimensions de fibres.
La structure tissée bidimensionnelle est formée par un tissu ou par des tissus superposés. Ce tissu ou ces tissus peu(ven)t être enroulé(s) sur lui-même ou sur eux-mêmes de façon à lui/leur donner une forme générale annulaire.
Dans un mode de réalisation particulier, la structure tissée (bidimensionnelle ou tridimensionnelle) comporte des fibres de carbone noyée dans une matrice de résine qui est, de préférence mais non limitativement, une résine époxyde. Dans une variante, la structure tissée tridimensionnelle comporte des fibres de verres. Dans une autre variante, la structure tridimensionnelle comporte un mélange de fibres de carbone et de fibres de verres. La combinaison de fibres de verre et de fibres de carbone formant le matériau composite augmente la capacité de la couche médiane 9 à absorber l’énergie provenant des chocs contre le carter 3 par déformation des fibres.
Dans un mode de réalisation préféré, la couche interne 11 annulaire comporte au moins deux feuillets métalliques 12. Dans le cadre de l’invention, on entend par « feuillet » une plaque suffisamment souple pour être déformée dans au moins une direction privilégiée.
Dans un mode de réalisation préféré, chacun des feuillets 12 métalliques de la couche interne 11 annulaire est une plaque enroulée sur elle-même de sorte à former un cylindre suivant l’axe longitudinal X-X, comme représenté sur la . Dans une variante, chacun des feuillets 12 métalliques est enroulée sur lui-même de sorte à former une spirale (non représenté). Chacun des feuillets 12 métalliques est réalisés par laminage.
Les feuillets 12 métalliques de la couche interne 11 annulaire sont superposés radialement les uns sur les autres successivement suivant la direction radiale représentée par la flèche F sur la . Les feuillets 12 métalliques sont stratifiés ensemble. Le feuillet 12 métallique le plus interne comporte une surface interne 12’ en regard d’une extrémité libre de chacune des aubes 2 de la soufflante 1. Cette surface interne 12’ est la surface interne 4’ de la structure annulaire 4 sur laquelle peut être fixée une cartouche support abradable 8.