D'UN MODULE PHOTOVOLTAÏQUE

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour régénérer les performances d'un module photovoltaïque, par exemple après la dégradation sous éclairement du rendement de conversion des cellules photovoltaïques.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

Les cellules photovoltaïques qui contiennent des atomes de bore et d'oxygène peuvent souffrir d'une dégradation du rendement sous éclairement. Ce phénomène, appelé « LID » (pour « Light Induced Dégradation » en anglais), survient lors des premiers temps d'exposition des cellules au rayonnement solaire. Il est lié à la formation, lors cette exposition, de complexes qui associent un atome de bore (B) et un atome d'oxygène (O). Les complexes bore-oxygène agissent comme centres de recombinaison des porteurs de charge libres, et diminuent par conséquent la durée de vie des porteurs et le rendement de conversion photovoltaïque des cellules (rapport de la puissance électrique fournie en sortie sur la puissance lumineuse reçue). La dégradation peut atteindre 7 à 8 % du rendement de conversion avant exposition. Les substrats en silicium monocristallin de type p, dopés au bore et cristallisés selon la technique « Czochralsky » (Cz), sont particulièrement sensibles à la dégradation du rendement sous éclairement à cause des concentrations élevées en oxygène, ce dernier étant principalement issu du creuset en silice utilisé pour la cristallisation. Toutefois, cette dégradation a également été mise en évidence dans les substrats en silicium Cz de type n, compensés avec du bore, ainsi que dans des substrats en silicium multicristallin (lorsqu'ils contiennent du bore).

Le document WO2007/107351 vise à résoudre ce problème de diminution du rendement d'une cellule photovoltaïque, en rajoutant une étape dite de stabilisation au procédé de fabrication de la cellule. Cette étape consiste à générer des porteurs de charge minoritaires en excès dans le substrat en silicium, tout en chauffant le substrat à une température comprise entre 50°C et 230°C. Les porteurs de charge sont générés soit en illuminant le substrat, par exemple au moyen d'une lampe halogène, soit en le polarisant au moyen d'une source de tension externe.

On observe alors que les performances de la cellule photovoltaïque, et en particulier son rendement, se dégradent dans un premier temps et se régénèrent ensuite à leur niveau initial. La cellule présente alors des performances stables sous des conditions normales de fonctionnement. La cellule est dite « régénérée » puisqu'elle a subi, d'abord, une dégradation de son rendement puis une régénération.

L'étape de stabilisation peut également avoir lieu à l'échelle du module après que celui-ci ait été finalisé, c'est-à-dire après que les cellules photovoltaïques aient été encapsulées et interconnectées électriquement, mais avant que le module ne soit livré au consommateur final. Par exemple, le module est mis sous tension pour générer des porteurs de charge minoritaires en excès et stocké dans une chambre chauffée à 140°C pendant approximativement une heure.

Qu'elle soit réalisée avant ou après l'encapsulation des cellules photovoltaïques, l'étape de stabilisation du document WO2007/107351 constitue une étape supplémentaire dans le procédé de fabrication d'un module photovoltaïque. Cela nécessite donc de prévoir des moyens, humains et matériels, spécifiquement pour cette étape de fabrication, par exemple une lampe halogène, un four ou une pièce pour entreposer et chauffer les modules photovoltaïques. En outre, la manipulation des modules pour les stocker dans la pièce chauffée entraîne un risque de casse des modules. Il en découle que la solution proposée par le document WO2007/107351 pour lutter contre la diminution du rendement de conversion des cellules n'est pas viable économiquement. RÉSUMÉ DE L'INVENTION

Il existe donc un besoin de prévoir un dispositif de régénération des performances d'un module photovoltaïque, permettant d'accomplir un processus de régénération à moindre coût tout en évitant une manipulation supplémentaire des modules.

Selon l'invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant dans ce dispositif de régénération :

- un élément chauffant configuré pour chauffer des cellules photovoltaïques appartenant au module, lorsque les cellules photovoltaïques sont exposées à un rayonnement solaire, en utilisant l'énergie provenant du rayonnement solaire ;

- un commutateur capable de basculer entre une première position, dans laquelle l'élément chauffant est activé, et une seconde position, dans laquelle l'élément chauffant est désactivé ; et

- un circuit de commande du commutateur configuré pour mesurer une quantité de rayonnement solaire reçue par au moins une cellule photovoltaïque de référence et basculer le commutateur dans la seconde position lorsque la quantité de rayonnement solaire reçue atteint une valeur seuil.

En prévoyant un élément chauffant capable d'élever la température des cellules photovoltaïques du module en utilisant l'énergie solaire, on peut régénérer rapidement les performances du module, non pas lors de sa fabrication, mais pendant son utilisation. Cela évite de prévoir une étape à part entière dans le procédé de fabrication du module, et donc d'engendrer des coûts supplémentaires importants. Il n'y a plus lieu de déplacer et stocker les modules dans une pièce chauffée spécialement prévue à cet effet. Le risque de casse des modules est par conséquent limité. Le commutateur et son circuit de commande permettent de contrôler la charge énergétique produite par le module à cette fin de régénération, cette charge étant directement proportionnelle au nombre de photons absorbés et convertis. Ainsi, on monopolise le module photovoltaïque uniquement le temps d'obtenir une régénération satisfaisante de ses performances et l'énergie solaire peut ensuite être utilisée exclusivement à la production d'électricité. En effet, le circuit de commande désactive l'élément chauffant dès lors que la quantité de rayonnement solaire reçue par au moins une cellule de référence atteint une valeur seuil. Cette valeur seuil correspond à une quantité de rayonnement maximale permettant une régénération de la cellule de référence, c'est-à-dire une amélioration du rendement jusqu'à un rendement attendu. Le rendement attendu est, de préférence, le rendement initial de la cellule à l'issue de sa fabrication. La valeur seuil est déterminée préalablement par expérimentation pour chaque filière de fabrication de cellules photovoltaïques, en fonction du niveau de régénération attendu.

Plutôt que de parler de « quantité de rayonnement reçu », on peut parler « d'énergie solaire reçue » (le rayonnement étant défini comme un transfert d'énergie). En d'autres termes, grâce au dispositif de régénération selon l'invention, la régénération des performances a lieu sur le site d'installation des modules, par exemple en toiture ou au sein d'une centrale solaire photovoltaïque, et de façon autonome. L'exposition au rayonnement solaire d'un module photovoltaïque équipé du dispositif de régénération permet de créer dans les cellules des porteurs de charge minoritaires en excès, en plus de chauffer les cellules. Le dispositif de régénération peut donc remédier à la dégradation sous éclairement du rendement de conversion photovoltaïque (phénomène « LID ») dans des cellules photovoltaïques contenant du bore et de l'oxygène. Toutefois, à la différence des procédés de restauration de l'art antérieur, aucune source de lumière artificielle n'est nécessaire. La lumière naturelle provenant du soleil remplace avantageusement la lampe halogène utilisée dans le procédé de restauration du document WO2007/107351 . En outre, il est désormais possible de régénérer le rendement plusieurs fois dans la vie du module photovoltaïque, sans avoir à désinstaller le module pour le soumettre à cette source de lumière artificielle.

Le dispositif de régénération décrit ci-dessus trouve d'autres applications que la régénération du rendement sous éclairement. Il permet également de lutter contre la dégradation induite par le potentiel (« Potential Induced Dégradation » en anglais, PID), un phénomène lié à la migration ionique d'éléments recombinants (par exemple le sodium) à travers le matériau d'encapsulation des cellules, en particulier depuis la face avant en verre vers la surface des cellules. Cette migration est favorisée en présence d'humidité dans le matériau d'encapsulation. Le dispositif de régénération est efficace contre le phénomène PID, car il permet de réduire le taux d'humidité dans le module en le chauffant, autrement dit de le « sécher ». En outre, l'élément chauffant comprend une résistance électrique. Le commutateur est alors configuré pour connecter les cellules photovoltaïques du module à la résistance électrique dans la première position, de sorte que la résistance électrique soit alimentée par les cellules photovoltaïques lorsqu'elles sont exposées au rayonnement solaire, et pour connecter les cellules photovoltaïques du module à un circuit électrique extérieur dans la seconde position.

La résistance électrique est un moyen simple et économique de chauffer les cellules photovoltaïques du module. En outre, comme cette résistance est alimentée en énergie électrique directement par le module, il n'est pas nécessaire de prévoir une source d'énergie supplémentaire. Le dispositif de régénération selon l'invention est donc autonome et simple d'utilisation.

Selon un développement du dispositif de régénération, l'élément chauffant comprend en outre un caisson d'isolation thermique muni d'au moins un volet d'aération. Le commutateur est alors configuré pour fermer le volet d'aération dans la première position et ouvrir le volet d'aération dans la seconde position.

La cellule photovoltaïque dite de référence, grâce à laquelle on mesure la quantité de rayonnement solaire reçue, peut être l'une des cellules du module photovoltaïque, ou une cellule photovoltaïque additionnelle faisant partie du dispositif de régénération et soumise au même rayonnement solaire que les cellules du module. On peut aussi utiliser plusieurs cellules photovoltaïques du module comme cellules de référence, voire l'ensemble des cellules photovoltaïques du module. Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- le circuit de commande comporte :

o un capteur configuré pour mesurer le courant fourni par ladite au moins une cellule photovoltaïque exposée au rayonnement solaire ;

o un convertisseur courant-fréquence configuré pour convertir le courant fourni par ladite au moins une cellule photovoltaïque en un train d'impulsions de fréquence variable ; et

o un compteur d'impulsions, recevant en entrée le train d'impulsions issu du convertisseur et configuré pour faire basculer le commutateur dans le seconde position lorsque le nombre d'impulsions comptées atteint une nombre d'impulsions de référence correspondant à la valeur seuil de la quantité de rayonnement solaire ;

- le compteur d'impulsions du circuit de commande est muni d'une entrée de réinitialisation ; et

- le dispositif de régénération comprend un dispositif de limitation de la température des cellules photovoltaïques.

Un autre aspect de l'invention concerne un module photovoltaïque comprenant des cellules photovoltaïques et un dispositif de régénération selon l'invention.

Lorsque les cellules photovoltaïques du module sont enrobées d'un matériau d'encapsulation et disposées entre une plaque de protection arrière et une plaque de protection avant, exposée au rayonnement solaire, la résistance électrique peut être enrobée du matériau d'encapsulation et disposée en regard des cellules photovoltaïques, avantageusement entre les cellules photovoltaïques et la plaque de protection arrière.

Alternativement, la résistance électrique peut être contenue dans la plaque de protection arrière ou recouvrir la face arrière du module. La face arrière du module est opposée à la face avant, qui est exposée au rayonnement solaire L'invention vise également un procédé de régénération des performances, qui soit facile à mettre en œuvre et économiquement viable. Ce procédé comprend les étapes suivantes :

- exposer les cellules photovoltaïques à un rayonnement solaire ;

- chauffer les cellules photovoltaïques lors de l'exposition des cellules photovoltaïques au rayonnement solaire, au moyen d'une résistance électrique alimentée en énergie électrique par les cellules photovoltaïques ;

- mesurer une quantité de rayonnement solaire reçue par au moins une cellule photovoltaïque de référence ; et

- déconnecter la résistance électrique des cellules photovoltaïques et connecter les cellules photovoltaïques à un circuit électrique extérieur lorsque la quantité de rayonnement solaire reçue atteint une valeur seuil.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :

- la figure 1 est abaque donnant la quantité d'énergie requise pour régénérer les performances d'une cellule photovoltaïque fonctionnant à son point de fonctionnement maximum, en fonction de la température et de l'irradiance de la cellule ;

- la figure 2 est abaque donnant la quantité d'énergie requise pour régénérer les performances d'une cellule photovoltaïque en circuit ouvert, en fonction de la température et de l'irradiance de la cellule ;

- la figure 3 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif de régénération selon l'invention, couplé à un module photovoltaïque ;

- la figure 4 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de régénération selon l'invention, couplé à un module photovoltaïque ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un module photovoltaïque dans lequel est intégré un élément chauffant ;

- la figure 6 représente des caractéristiques courant-tension d'un module photovoltaïque du commerce, pour plusieurs valeurs d'irradiance ; et

- la figure 7 représente un élément chauffant passif couplé à un module photovoltaïque, d'après un troisième mode de réalisation du dispositif de régénération selon l'invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION

Pour parvenir à une régénération complète des performances d'un module photovoltaïque, une certaine quantité d'énergie doit être apportée aux cellules photovoltaïques du module. Une étude menée par les inventeurs de la présente demande a montré que cette quantité dépendait de nombreux paramètres, en particulier de la température de fonctionnement et de l'irradiance des cellules. L'irradiance, appelée également éclairement énergétique, désigne la quantité de puissance, ou flux énergétique, reçue par unité de surface. Elle s'exprime en W/m ² .

La figure 1 est un exemple d'abaque représentant l'énergie E nécessaire à une complète régénération des performances d'une cellule photovoltaïque, en fonction de la température de fonctionnement et de l'irradiance moyenne de cette cellule. Pour chaque technologie de cellule photovoltaïque, cet abaque peut être obtenu par expérimentation, d'une part en mesurant la puissance électrique générée par la cellule, lorsqu'elle est soumise à des niveaux d'irradiance et de température donnés, et d'autre part en suivant l'évolution du rendement de conversion de la cellule. La valeur d'énergie E, pour ce couple irradiance/température, est l'énergie absorbée par la cellule, jusqu'au moment où le rendement retrouve sa valeur initiale (i.e. immédiatement après la fabrication). La cellule photovoltaïque correspondant à l'abaque de la figure 1 est une cellule en silicium monocristallin à homojonction, dont la surface est égale à 1 cm ² . Elle comporte un substrat en silicium Cz monocristallin (de résistivité comprise entre 0,5- 100 Q.cm), une couche de passivation (ex. SiN) en face avant du substrat et une plaque en aluminium produisant un champ répulsif en face arrière du substrat (BSF, « Back Surface Field »).

Sur l'abaque de la figure 1 , la cellule fonctionne à son maximum de puissance, appelé communément « MPP » (pour « Maximum Power Point » en anglais). On constate que l'énergie E est significative, mais diminue au fur et à mesure que la température de fonctionnement de la cellule augmente. La régénération des performances est donc un processus activé thermiquement, i.e. qui se produit plus rapidement à haute température. L'influence de l'irradiance sur l'énergie E est faible, comparée à celle de la température.

L'étude a également pu mettre en évidence que l'énergie nécessaire à une complète régénération des performances de la cellule dépendait de la concentration en porteurs de charge minoritaires dans le substrat en silicium (ce qui explique pourquoi l'énergie E dépend du niveau d'irradiance - le rayonnement photonique reçu par la cellule crée des paires électron-trou). Or cette concentration de porteurs de charge minoritaires, parfois appelé « niveau d'injection », est fortement influencée par le point de fonctionnement courant de la cellule. Sur la figure 2, on a donc représenté à titre de comparaison le même type d'abaque en énergie, mais lorsque la cellule photovoltaïque est en circuit ouvert. Dans ces conditions, la cellule ne produit aucun courant et la tension à ses bornes est maximale (tension de circuit ouvert). L'énergie E dépend toujours autant de l'irradiance. Par contre, l'énergie E diminue bien plus rapidement en augmentant la température, comparativement au cas où le module est à son maximum de puissance (Fig.1 ). Il est donc préférable, pour régénérer les performances d'un module photovoltaïque, de polariser ce module à une tension proche de la tension en circuit ouvert, notée ci-après Uoc. Partant des résultats de cette étude, les inventeurs ont mis au point un dispositif de régénération fonctionnant à l'énergie solaire, permettant de chauffer les cellules photovoltaïques d'un module jusqu'à une température cible et d'arrêter le chauffage lorsque la quantité de rayonnement reçu par une ou plusieurs cellules photovoltaïques de référence atteint une valeur seuil correspondant à la température cible. Cette valeur seuil est, de préférence, une valeur d'énergie solaire reçue par unité de surface active (i.e. surface des cellules de référence) et s'exprime donc en Wh/m ² . Elle est avantageusement calculée à partir d'un abaque de l'énergie E (énergie requise pour obtenir une régénération complète des performances d'une cellule) à la tension de fonctionnement de la cellule de référence : par exemple celui de la figure 2 lorsque la tension est égale à la tension en circuit ouvert ou un autre abaque du même type lorsque la tension est inférieure à la tension en circuit ouvert. Cet autre abaque peut d'ailleurs être dérivé de celui des figures 1 et 2 (par exemple en supposant que la variation entre les deux points de fonctionnement est linéaire). Par exemple, lorsqu'on utilise une seule cellule de référence, la valeur seuil est égale à la valeur d'énergie E obtenue sur l'abaque pour un point d'ordonnée égale à la température cible et d'abscisse égale à l'irradiance (solaire) moyenne à laquelle est soumise la cellule de référence, divisée par la surface de la cellule ayant servi à construire l'abaque (ici 1 cm ² ). La cellule ayant servi à construire l'abaque est, de préférence, identique à la cellule de référence. L'irradiance moyenne dépend des conditions météorologiques lors la régénération des performances. La température cible est, de préférence, supérieure à 70 °C. La figure 3 représente un premier mode de réalisation de ce dispositif de régénération, couplé à un module photovoltaïque 100. Par module, on entend un ensemble de cellules photovoltaïques interconnectées électriquement et encapsulées afin de les protéger de l'environnement, en particulier de l'oxygène et de l'humidité. Le module photovoltaïque 100 est lui-même couplé à un circuit électrique extérieur 200, par exemple celui d'une installation photovoltaïque. D'autres modules photovoltaïques peuvent être branchés sur le circuit électrique 200, formant ainsi une chaîne de modules photovoltaïques. En bout de chaîne, on trouve généralement un onduleur capable de transformer le courant continu des modules photovoltaïques en un courant alternatif.

Le dispositif de régénération 300 comporte un élément chauffant 310 destiné à chauffer les cellules photovoltaïques du module 100, un commutateur 320 permettant d'activer et désactiver l'élément chauffant 310, et un circuit de commande 330 du commutateur 320.

L'élément chauffant 310 comprend, dans ce mode de réalisation, une résistance électrique chauffante alimentée en énergie par les cellules photovoltaïques du module 100, lorsque le commutateur 320 relie électriquement le module à la résistance. En effet, le commutateur 320 peut basculer, sur ordre du circuit de commande 330, entre une première position (cf. Fig.3 ; position (1 )) dans laquelle le module 100 est connecté à la résistance chauffante, et une seconde position (cf. Fig.3 ; position (2)), dans laquelle le module est déconnecté de la résistance chauffante et raccordé au circuit électrique 200. Autrement dit, l'élément chauffant 310 est actif lorsque le commutateur 320 est dans la première position et inactif lorsque le commutateur est dans la seconde position. Par contre, dans la seconde position, le module photovoltaïque 100 alimente en énergie le circuit électrique 200 de l'installation photovoltaïque, ce qui correspond bien sûr à une utilisation classique du module.

Le circuit de commande 330 décide à partir de quand la résistance chauffante 310 peut être déconnectée du module photovoltaïque 100, en basculant le commutateur 320 de la première position à la seconde position, c'est-à-dire à quel moment mettre fin au processus de régénération des performances du module.

Comme cela est illustré sur la figure 3, le circuit de commande 330 comprend de préférence un capteur de courant 332 permettant de mesurer le courant électrique I produit par le module 100, lorsque celui-ci est exposé au rayonnement solaire et qu'il alimente la résistance chauffante 310 (commutateur 320 en position (1 )). Le capteur de courant 332 est par exemple formé d'un shunt de mesure connecté en série avec la résistance chauffante 310.

Le circuit 330 comprend en outre un convertisseur courant-fréquence 333 connecté aux bornes du capteur de courant 332 et un compteur d'impulsions 334 dont une des entrées est connectée à la sortie du convertisseur 333.

En particulier, le convertisseur 333 capte la tension V aux bornes du capteur de courant 332 et produit en sortie un train d'impulsions 335 de fréquence F variable. Ce train d'impulsions 335 constitue un signal périodique dont la fréquence (ou la période, notée 1 /F sur la figure 3) dépend de la tension V. Les impulsions sont par exemple de forme rectangulaire.

Puisque la tension V aux bornes du capteur 332 est une image du courant I produit par le module 100 à un instant t donné, la fréquence F des impulsions est représentative du niveau d'irradiance du module à cet instant. Ainsi, en intégrant grâce au compteur d'impulsions 334 le niveau d'irradiance au cours du temps (i.e. à partir du moment où le commutateur 320 est en position (1 ) jusqu'à l'instant t), on obtient une valeur de l'énergie solaire reçue par unité de surface active. La surface active est la surface des cellules de référence servant à mesurer le niveau d'irradiance solaire, soit la surface de l'ensemble des cellules du module dans ce mode de réalisation. En d'autres termes, le nombre N d'impulsions enregistrées par le compteur 334 est équivalent à une valeur d'énergie solaire par unité de surface, ou quantité de rayonnement solaire, reçue par le module photovoltaïque 100.

Le compteur d'impulsions 334 est en outre configuré pour comparer le nombre d'impulsions N à un nombre d'impulsions de référence NREF. Ainsi, dans ce mode de réalisation du circuit de commande 330, le nombre d'impulsions de référence NREF correspond à la valeur seuil d'énergie solaire (par unité de surface) requise pour régénérer (au moins en partie) les performances du module. La valeur seuil d'énergie solaire a été précédemment décrite en relation avec la figure 2, dans le cas d'une régénération complète des performances (par exemple, énergie E divisée par la surface de la cellule).

Lorsque le nombre d'impulsions N du compteur 334 atteint la valeur NREF, cela signifie que le module a reçu suffisamment d'énergie solaire pour retrouver un niveau de performances acceptable et que le processus de régénération peut être stoppé. Le compteur 334 commande alors le basculement du commutateur dans la position (2).

Dans une variante du circuit de commande non représentée sur les figures, on peut ne considérer qu'une seule cellule du module pour mesurer la quantité de rayonnement solaire reçue, plutôt que d'utiliser l'ensemble de ses cellules. Dans ce cas, une autre valeur de référence NREF peut être choisie ou, si l'on conserve la même valeur de référence, la valeur du shunt de mesure est adaptée.

La valeur seuil de rayonnement solaire (dont découle NREF) dépend en fait du courant généré par la (ou les) cellule(s) de référence. Avec une seule cellule de référence, elle est ajustée en fonction des caractéristiques de cette cellule, et notamment de son rendement photonique (le rendement photonique permet, à partir de l'irradiance, de remonter au courant généré). Lorsqu'on utilise plusieurs cellules de référence reliées électriquement en série, ce qui est généralement le cas dans un module photovoltaïque, on prendra en compte les caractéristiques de la cellule qui génère le moins de courant pour déterminer la valeur seuil. Lorsqu'on utilise plusieurs cellules de référence reliées électriquement en parallèle, les courants s'additionnent. Dans ce cas, pour être représentative de la régénération, la valeur seuil peut être adaptée au nombre de cellules connectées en parallèle (ou au nombre de chaînes de cellules connectées en parallèle), par exemple en multipliant la valeur seuil déterminée pour une cellule par le nombre de cellules connectées en parallèle. C'est donc les caractéristiques de toutes ces cellules qui seront prises en compte. Plus généralement, pour fixer la valeur seuil, on caractérise au préalable toutes les cellules qui contribueront au courant servant à mesurer la quantité de rayonnement reçu.

Le compteur d'impulsions 334 est, de préférence, muni d'une entrée de réinitialisation RST permettant un remise à zéro du nombre d'impulsions N. Cette remise à zéro peut être commandée de façon manuelle, par exemple lors de la maintenance du module, ou de façon automatique, par exemple après une certaine durée d'exposition au rayonnement solaire. La réinitialisation du compteur d'impulsions 334 permet d'effectuer plusieurs processus de régénération durant la vie du module photovoltaïque. Cela est particulièrement avantageux pour lutter contre les phénomènes LID et PID, car ces phénomènes peuvent réapparaître après guérison du module. La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation 400 du dispositif de régénération, et en particulier une autre configuration du circuit de commande du commutateur. Le circuit de commande 430 de la figure 4 diffère du circuit de commande 330 de la figure 3 en ce qu'une cellule photovoltaïque de référence 431 , distincte des cellules appartenant au module photovoltaïque 100, est utilisée pour mesurer le niveau d'irradiance du module. Elle est, de préférence, identique aux cellules photovoltaïques du module 100. En dehors de ce circuit de commande 430, le dispositif de régénération 400 est identique au dispositif de régénération 300 de la figure 3. Sur la figure 4, la résistance chauffante et le commutateur portent les mêmes références (respectivement 310 et 320) que sur la figure 3.

La cellule photovoltaïque de référence 431 est disposée à proximité des cellules du module 100, de sorte qu'elle soit soumise au même rayonnement solaire, et donc au même niveau d'irradiance que le module. Un capteur de courant 432, semblable ou identique au capteur de courant 332 de la figure 3, mesure le courant électrique produit par la cellule de référence 431 . De préférence, le capteur de courant 432 est un shunt de mesure connecté en série avec la cellule de référence 431 . La tension V aux bornes du shunt est alors proportionnelle au courant de la cellule 431 . À l'instar du circuit de commande 330 (Fig.3), le circuit de commande 430 de la figure 4 comprend un convertisseur courant-fréquence 433 et un compteur d'impulsions 434. Le convertisseur 433 et le compteur d'impulsions 434 fonctionnent de la même manière que le convertisseur 332 et le compteur 333 de la figure 3. Puisque la cellule de référence 431 montre le même niveau d'irradiance que le module photovoltaïque 100, l'énergie reçue par unité de surface de la cellule 431 est égale à l'énergie reçue par unité de surface du module. On peut donc valablement utilisée la cellule de référence 431 pour estimer la quantité de rayonnement reçue par le module.

Ce mode de réalisation du dispositif de régénération est particulièrement avantageux, car il permet de déporter plus facilement l'électronique de commande du commutateur 320. En outre, dans ce mode de réalisation, le circuit de commande 430 peut être partagé entre plusieurs modules photovoltaïques 100, chacun étant équipé d'une résistance chauffante 310 et d'un commutateur 320. Les commutateurs 320 sont alors commandés simultanément par cet unique circuit de commande 430.

À partir du moment où le commutateur 320 du dispositif de régulation bascule dans la première position (Figs.3-4), la température des cellules photovoltaïques augmente progressivement. Partant de la température ambiante, c'est-à-dire la température à l'extérieur du module (par exemple 25 °C), elle augmente jusqu'à atteindre une température d'équilibre, qui dépend des conditions météorologiques, en particulier du niveau d'ensoleillement et de la vitesse du vent. Si cette température d'équilibre est inférieure à la température cible à laquelle on souhaite régénérer les performances du module, cela signifie que l'énergie électrique fournie par le module à la résistance chauffante 310 n'est pas suffisante pour chauffer les cellules à la température cible. Ce cas de figure est susceptible de se présenter pour des modules photovoltaïques de faible surface (et donc de faible puissance), où la dissipation thermique par effets de bord est prépondérante (du fait d'un plus fort ratio périmètre/surface). Plutôt que de reconsidérer la valeur de température cible, la résistance chauffante 310 du dispositif de régénération équipant ce module peut être alimentée par d'autres modules photovoltaïques, un générateur électrique externe ou le réseau électrique à laquelle est raccordée l'installation photovoltaïque.

Dans une chaîne de modules photovoltaïques où chaque module est équipé d'un dispositif de régénération, la régénération des performances peut avoir lieu sur chaque module, l'un après l'autre, en utilisant l'énergie photovoltaïque produite par l'ensemble de la chaîne. Un seul commutateur est alors dans la première position à chaque instant du processus de régénération de la chaîne de modules photovoltaïques. Lorsque les conditions météorologiques sont favorables, ou lorsque l'énergie électrique fournie à la résistance chauffante est plus grande que nécessaire, la température d'équilibre peut dépasser la température cible. Pour éviter une dégradation du module (en particulier du matériau d'encapsulation des cellules photovoltaïques) sous l'effet d'une trop forte température, le dispositif de régénération comprend avantageusement un dispositif de limitation de la température. Ce dispositif de limitation est, de préférence, réglé sur la température cible. Il est par exemple formé d'un protecteur thermique bilame câblé en série avec la résistance chauffante 310. Collé sur le dos du module ou intégré au laminé qui compose le module, ce composant ouvre le circuit électrique de la résistance chauffante 310 dès lors qu'il atteint un seuil de température prédéfini, par exemple 120 °C (température à partir de laquelle l'éthylène-acétate de vinyle (EVA), habituelle utilisé comme matériau d'encapsulation, commence à se dégrader) et ferme à nouveau le circuit après que la température ait diminuée en dessous du seuil.

Alternativement, la résistance chauffante et le dispositif de régulation de la température peuvent former un unique composant, par exemple un câble autorégulé, i.e. un câble dont la résistance électrique augmente avec la température. Ce type de câble comprend une matrice isolante dans laquelle sont dispersées des particules conductrices électriquement. À faible température, les particules sont suffisamment proches les unes des autres pour former des chemins conducteurs, qui produisent de la chaleur par effet Joule. Plus la température du câble augmente, plus les particules se dispersent, diminuant ainsi le nombre de chemins conducteurs. En d'autres termes, le câble s'autorégule en température. Une feuille de polymère autorégulé fonctionne selon le même principe qu'un câble autorégulé et peut donc servir à former simultanément la résistance chauffante et le dispositif de régulation.

La résistance chauffante 310 du dispositif de régénération des figures 3 et 4 peut être constituée d'une feuille métallique (par exemple en aluminium), d'un tissu comportant des fibres textiles et métalliques (par exemple les tissus commercialisés sous la marque « Devifoil » par la société « Danfoss Electric Heating Systems ») ou d'une couverture chauffante (par exemple celle commercialisée par la société « INSULFLEX »). Elle est alors plaquée contre la face arrière du module. La résistance chauffante 310 peut aussi être formée d'un revêtement polymérique conducteur (par exemple le polyéthylène dioxythiofène, PEDT) déposé sur la face arrière du module, par exemple par immersion du module dans une dispersion aqueuse. Elle recouvre, de préférence, la totalité de la face arrière du module. En reportant ainsi l'élément chauffant sur la face arrière du module, le dispositif de régénération peut équiper des modules photovoltaïques existants. Toutefois, dans une variante de réalisation, l'élément chauffant est intégré au module photovoltaïque lors de sa fabrication.

La figure 5 représente schématiquement un module photovoltaïque 500 comprenant un lot de cellules photovoltaïques 510 interconnectées et un élément chauffant 310, chacun étant enrobé de matériau d'encapsulation 520. Le matériau d'encapsulation 520 est transparent au rayonnement solaire et vise à protéger les cellules photovoltaïques 510 de l'oxygène et de l'humidité. Les cellules photovoltaïques 510 (entourées du matériau d'encapsulation 520) sont disposées en regard de l'élément chauffant 310 entre une plaque avant 530 en un matériau transparent, par exemple en verre, et une plaque arrière 540 (ou « backsheet » en anglais). La plaque avant 530, soumise au rayonnement solaire, protège les cellules photovoltaïques des intempéries (pluie, grêle...), tandis que la plaque arrière joue le rôle de support mécanique. En outre, la plaque arrière 540 participe à la protection des cellules vis-à-vis de l'oxygène et de l'humidité, au même titre que le matériau d'encapsulation 520 et la plaque avant 530. Elle peut être en verre ou formée d'un laminé de plusieurs couches, notamment polymères, par exemple de type TPT (PVF/PET/PVF, PVDF/PET/PVDF) ou TPE (PVF/PET/EVA).

Afin de ne pas diminuer la quantité de photons absorbés par les cellules photovoltaïques, l'élément chauffant 310 peut être placé entre les cellules photovoltaïques 510 et la plaque arrière 540. De préférence, l'élément chauffant 310 est disposé parallèlement aux cellules photovoltaïques 510 et ses dimensions sont sensiblement identiques à celles de l'ensemble de cellules photovoltaïques 510, afin que l'effet de chauffage sur les cellules soit homogène. Lorsqu'il est intégré au module, l'élément chauffant 310 est de préférence formé d'un ruban électriquement résistif comprenant une multitude de fils métalliques, entremêlés, tissés ou au contraire agencés parallèlement les uns aux autres.

Le module photovoltaïque 500 comporte avantageusement une feuille d'isolation électrique 550, par exemple en polytéréphtalate d'éthylène (PET), disposée entre les cellules photovoltaïques 510 et l'élément chauffant 310. Cette feuille 550 renforce l'isolation électrique réalisée par le matériau d'encapsulation 520, par exemple de l'éthylène-acétate de vinyle (EVA), entre les cellules photovoltaïques 510 et l'élément chauffant 310. Elle s'avère particulièrement utile lorsque l'épaisseur du matériau d'encapsulation 520 entre les cellules 510 et l'élément chauffant 310 (épaisseur D2 sur la figure 5) est faible.

Plutôt que de disposer l'élément chauffant 310 dans le matériau d'encapsulation 520 des cellules photovoltaïques, l'élément chauffant peut être inséré au sein de la plaque arrière 540 du module 500, lorsqu'elle est constituée d'un laminé de plusieurs couches. L'élément chauffant peut avoir la forme d'un ruban de fils électriques, comme décrit précédemment, ou être constitué d'une feuille métallique, par exemple en aluminium (Al). Certaines plaques arrière disponibles dans le commerce comprennent déjà d'une feuille en aluminium, afin d'empêcher la vapeur d'eau de pénétrer à l'intérieur du module, comme les plaques arrière de type TAT (PVF/AI/EVA), PAP (PEN/AI/PET) ou TPAT (PVF/PET/AI/PVF). Il suffit donc d'appliquer une tension sur cette feuille d'aluminium pour générer de la chaleur par effet Joule.

En supposant que la totalité de l'énergie dissipée par l'élément chauffant 310 sert à élever la température au niveau des cellules 510, c'est-à-dire en négligeant les pertes thermiques entre le matériau d'encapsulation 520 et l'extérieur du module 500, les pertes thermiques entre le matériau d'encapsulation 520 et la plaque arrière 540, ainsi que l'influence de la feuille d'isolation 550, l'énergie Q que doit générer l'élément chauffant 310 pour atteindre une variation de température ΔΤ s'écrit :

Q = p _e X C _p x V _e X AT

où V _e est le volume du matériau d'encapsulation 520, p _e sa masse volumique et C _P sa capacité thermique massique.

Le volume V _e du matériau d'encapsulation 520 est égal à : V _e = ( l + D2 + D3) X L * l

où L est la longueur du module, / est sa largeur, et où D1 , D2 et D3 sont les épaisseurs du matériau d'encapsulation 520, respectivement entre la plaque arrière 540 et la feuille d'isolation électrique 550, entre la feuille d'isolation électrique 550 et les cellules photovoltaïques 510, et entre les cellules photovoltaïques 510 et la plaque avant 530. (cf. Fig.5).

Les dimensions du module photovoltaïques sont par exemple les suivantes : L = 150 cm, I = 100 cm et D1 = D2 = D3 = 0,04 cm ; soit un volume d'encapsulant égal à :

V _e = 0,12 X 15000 = 1800 cm ³

Le matériau d'encapsulation le plus courant est l'EVA dont les caractéristiques sont les suivantes :

p _e = 0,98 g/cm ³ ; et

C _P = 2,5 J/g/K.

Ainsi, pour générer une augmentation de 50 °C de la température des cellules photovoltaïques 510 dans le module schématisé sur la figure 5, l'élément chauffant 310 doit dégager une énergie thermique Q égale à :

Q = 0,98 X 2,5 X 1800 X 50 = 220 kj = 61,2 Wh

En fonction de la puissance électrique fournie par le module photovoltaïque, la montée en température se fera plus ou moins rapidement. En effet, la puissance fournie par le module est la même que celle dissipée par la résistance chauffante, car la résistance chauffante 310 est connectée en parallèle du module 100 (cf. Figs.3-4 - l'éventuel shunt de mesure 332 connecté en série avec la résistance chauffante 310 étant de valeur négligeable). Par exemple, si la puissance du module est de 120 W, plus d'une demi-heure sera nécessaire pour passer d'une température ambiante de 25 °C à la température cible de 75 °C. De préférence, l'énergie fournie par le module est comptabilisée (via le compteur d'impulsions) en tant qu'énergie utile au processus de régénération, après expiration de ce délai de chauffe. La puissance électrique développée par un module photovoltaïque dépend de ses caractéristiques intrinsèques et du niveau d'irradiance, mais également de la manière dont il est polarisé.

Comme indiqué précédemment, il est préférable que le module soit polarisé à une tension au plus près de la tension de circuit ouvert Uoc, afin que l'énergie nécessaire à la régénération soit contenue. Or la polarisation du module photovoltaïque 100 s'effectue au moyen de la résistance chauffante 310 dans les modes de réalisation des figures 3 et 4.

La figure 6 représente, à titre d'exemple, des caractéristiques courant-tension (l-V) d'un module photovoltaïque du commerce (module commercialisé par la société « CanadianSolar » sous la référence « Quartech CS6P-255P »), pour différentes valeurs d'irradiance :

- courbe C1 : 400 W/m ²

- courbe C2 : 600 W/m ²

- courbe C3 : 800 W/m ² ; et

- courbe C4 : 1000 W/m ² .

À ces caractéristiques l-V, on a superposé deux droites correspondant à deux valeurs de la résistance chauffante : R1 = 4,5 Ω et R2 = 12 Ω.

En considérant l'une quelconque des caractéristiques l-V du module (le constat est vrai pour toutes les courbes C1 à C4), par exemple la courbe C1 , on constate que plus la résistance est élevée (R2>R1 ), plus la tension de fonctionnement U du module (i.e. l'abscisse du pont d'intersectionA1 /A2 entre la droite R1 /R2 et la courbe C1 ) est proche de la tension en circuit ouvert (Uoc = 36 V pour une irradiance de 400 W/m ² ). Par contre, le courant I issu du module (en ordonnées) faiblit lorsqu'on augmente la valeur de résistance. Or le module doit pouvoir produire suffisamment de courant pour alimenter la résistance chauffante 310 et atteindre la température cible. La polarisation du module par la résistance chauffante résulte donc d'un compromis entre la tension (la plus élevée possible pour minimiser l'énergie nécessaire à la régénération) et le courant (suffisamment fort pour réduire le temps de chauffe et/ou maintenir la température). Le point d'intersection entre la droite de la résistance chauffante 310 (R1 ou R2) et la caractéristique l-V sélectionnée (ici C1 ) du module correspond aux équations suivantes :

U

' = Έ

I = /({/) où f est une fonction décrivant la caractéristique l-V sélectionnée. Déterminer la valeur de résistance optimale, c'est-à-dire celle offrant le meilleur compromis entre régénération et chauffage, consiste donc à résoudre ces équations, en se donnant en outre comme paramètre d'entrée une valeur donnée de gradient de chauffe, par exemple 1 °C/minute. Ce dernier critère, en lien avec la capacité massique de l'encapsulant, fournit une condition supplémentaire sur la puissance du module, et donc sur le courant I et sur la tension U. S'il existe plusieurs solutions à ce système d'équations, on choisira celle dont la tension de fonctionnement U est la plus élevée.

Dans l'exemple de module ci-dessus, une résistance d'environ 12 Ω à 25 °C (droite R2) répond aux différentes équations et constitue donc le meilleur compromis entre tension et courant (compte tenu du gradient de chauffe visé).

Pour obtenir une telle valeur de résistance, du fil électrique ou un ruban conducteur peut être utilisé. On appelle « ruban » une bande conductrice continue et monobloc (dont la section transversale est rectangulaire) ou une nappe composée de plusieurs fils (dont la section est un disque) pouvant être isolés les uns aux autres. Deux exemples de résistance électrique chauffante de 12 Ω formée d'un ruban sont donnés ci-dessous. Le premier exemple de résistance chauffante consiste en un ruban comprenant 100 fils de cuivre allié avec du zinc (CuZns) (résistivité électrique : pcuzns = 1 ,80.10 ^"8 Q.m). Les fils ont chacun une longueur de 150 cm (soit une longueur totale de fil de 150 m), une section en disque d'environ 0,0019 cm ² et sont espacés les uns des autres d'une distance égale à 0,9 cm. Les fils sont répartis sur toute la surface du module - qui mesure 164,5 cm de longueur par 98,6 cm de largeur (mesures prises au niveau de la plaque arrière en verre) - et orientés dans le sens de la longueur. A la température de 25 °C, les valeurs correspondantes de tension U et de courant I, pour une irradiance de 1000 W/m ² et 400 W/m ² , sont données par le tableau 1 suivant. Elles proviennent de la résolution des équations ci- dessus. Elles sont également visibles sur les caractéristiques l-V de la figure 6.

Tableau 1 Sous l'effet de la température, la valeur de résistance R (déterminée initialement pour une température de 25°C) augmente, car la longueur totale de fil augmente (de 14 cm dans le cas présent) (coefficient de dilation de l'alliage cuivre-zinc : Acuzns = 1 ,8.10 ⁵ /°C). La variation de résistance s'accompagne d'une modification de la tension U aux bornes du module et du courant I issu du module. Les nouvelles valeurs de la résistance R, de la tension U et du courant I à la température cible de75°C ont été calculées à partir des équations suivantes :

U?5°C = ^25°C * (1 + «AT)

R _7SOC = R _{2 SO} * (i + τΔΓ)

, _ ^75°

z°c— n

75°C

où U75°c, l75°c et R75°c sont respectivement les valeurs de tension, courant et résistance à 75 °C, U25°c et R25°c sont respectivement les valeurs de tension et résistance à 25 °C (cf. Tableau 1 ), a est le coefficient de température en tension (a = -0.34 %/°C pour le module CS6P-255P), τ est le coefficient thermique (τ = 3,93E-03 /°K ; ce coefficient traduit la dépendance de la résistivité du matériau en fonction de la température ) et ΔΤ est le gradient de température (ici, 50 °C).

Elles sont répertoriées dans le tableau 2 ci-dessous : Irradiance (W/m ² ) Résistance R (Ω) Tension U (V) Courant I (A)

1000 14,3 28,7 2

400 14,3 25,8 1 ,8

Tableau 2

Le deuxième exemple de résistance chauffante (P»25°c = 12 Ω) est formé de deux résistances de 24 Ω connectées en parallèle. Chaque résistance de 24 Ω consiste en un ruban comprenant 15 fils d'un alliage nickel-chrome (Ni80/Cr20) (résistivité électrique : pisncr = 1 ,08.10 ^"6 Q.m). Les fils ont chacun une longueur de 90 cm (soit une longueur totale de fil de 27 m), une section d'environ 0,0061 cm ² et sont espacés les uns des autres d'une distance égale à 5 cm. Les fils sont répartis sur toute la surface du module et orientés dans le sens de la largeur. À 25 °C, les valeurs de tension U et de courant I sont les mêmes que celles du tableau 1 ci-dessus. Par contre, à 75 °C, les nouvelles valeurs de résistance, de tension et de courant, indiquées dans le tableau 3 ci-après, diffèrent de celles du premier exemple. En effet, l'alliage nickel-chrome se dilate moins que le cuivre sous l'action de la température (coefficient de dilation du Ni80/Cr20 = 1 ,4.10- ⁵ /°C).

Tableau 3

Le dispositif de régénération a jusqu'ici été décrit en relation avec un élément chauffant actif, i.e. qui nécessite d'être alimenté en énergie (en l'occurrence photovoltaïque) pour produire de la chaleur, et plus particulièrement un élément chauffant de type résistif. Cependant, d'autres types d'élément chauffant peuvent être envisagés, par exemple du chauffage radiatif par infrarouge qui nécessite aussi d'être alimenté par une source d'énergie électrique. On peut aussi envisager d'utiliser en face arrière du module un réservoir comprenant des produits chimiques qui, en réagissant entre eux, dégagent de la chaleur. À titre d'exemple, on peut citer le système de réchauffage de nourriture « Crosse & Blackwell » qui est basé sur la réaction du magnésium et de l'eau salée. La figure 7 représente un troisième mode de réalisation 700 d'un dispositif de régénération des performances d'un module 100, dans lequel l'élément chauffant 710 est de type confinement. La résistance électrique est remplacée par un caisson d'isolation thermique plaqué contre la face arrière du module.

Cet élément chauffant peut être qualifié de passif dans le sens où il empêche la chaleur générée par le module photovoltaïque de s'extraire du module par convection naturelle (sans ventilation) ou forcée (avec ventilation) en face arrière du module. Au contraire, un élément chauffant « actif » comme la résistance électrique génère de la chaleur supplémentaire, mais n'agit pas sur la dissipation thermique du module.

Dans ce mode de réalisation, l'augmentation de la température est donc uniquement due au fait qu'une partie au moins de l'énergie des photons absorbés par le matériau semi-conducteur est transformée en énergie thermique (on parle de « thermalisation des photons »), l'autre partie étant convertie en énergie électrique par effet photovoltaïque. Lorsqu'un photon absorbé n'a pas suffisamment d'énergie pour générer une paire électron-trous (suivant la bande interdite du matériau), la totalité de son énergie est dissipée sous forme de chaleur.

Le caisson d'isolation 710 comprend au moins un volet d'aération 71 1 , et avantageusement plusieurs volets d'aération 71 1 pour créer un courant d'air au dos du module. Les volets 71 1 sont par exemple au nombre de 3 sur la figure 7. En position fermée, les volets 71 1 occupent des ouvertures aménagées dans la paroi du caisson 710. Chaque volet 71 1 est commandé en ouverture ou en fermeture par un actionneur 720, par exemple un électro-aimant rotatif. Lorsque les volets 71 1 sont fermés, l'air ne peut plus circuler au dos du module 100 et la température du module augmente jusqu'à atteindre ou dépasser la température cible. La régénération des performances étant activée thermiquement, elle se produit bien plus rapidement à haute température. Au contraire, lorsque les volets 71 1 sont ouverts, le module 100 est ventilé. Sa température atteint un seuil d'équilibre bien plus faible que celui atteint lorsque les volets 71 1 sont fermés. Dans ces conditions, le module photovoltaïque peut être utilisé efficacement pour la production d'électricité (la puissance électrique du module a tendance à diminuer avec la température).

Les actionneurs 720 sont équivalents aux commutateurs 320 des figures 3 et 4, car dans une première position (dite « fermée »), l'élément chauffant 710 est activé (il chauffe les cellules photovoltaïques), et dans une seconde position (« ouverte »), l'élément chauffant 710 est désactivé (la face arrière du module est ventilée).

La commande des actionneurs 720 peut être réalisée par l'un des circuits de commande 330 et 430 décrits en relation avec les figures 3 et 4. Autrement dit, les volets 71 1 s'ouvrent dès lors que le module 100 (Fig.3) ou la cellule photovoltaïque additionnelle 331 (Fig.4) a reçu suffisamment d'énergie solaire.

Ce mode de réalisation de l'élément chauffant peut être combiné avec celui des figures 3 et 4, pour atteindre plus rapidement la température cible ou atteindre une température cible plus importante. L'élément chauffant comprend alors une résistance électrique, de préférence intégrée au module (par exemple dans l'encapsulant ou dans la plaque arrière), et un caisson d'isolation thermique. Le dispositif de régénération comprend alors deux commutateurs, l'un pour l'ouverture/fermeture du circuit électrique connectant la résistance au module, l'autre pour l'ouverture/fermeture du caisson d'isolation thermique.

Avec le dispositif de régénération 700 de la figure 7, les cellules photovoltaïques du module n'ont pas besoin d'être polarisées à une tension strictement inférieure à la tension de circuit ouvert. En effet, puisqu'ici le courant généré par les cellules n'est pas utilisé pour leur chauffage, on peut polariser les cellules à leur tension de circuit ouvert, minimisant ainsi l'énergie solaire nécessaire à leur régénération. On se basera alors sur l'abaque de la figure 2 pour déterminer la valeur seuil de rayonnement solaire.

De nombreuses variantes et modifications du dispositif de régénération décrit ci- dessus apparaîtront à l'homme du métier. Le dispositif des figures 3, 4 et 7 est notamment applicable à tous les types de module et à tous les types de cellules photovoltaïques : à base de silicium (monocristallin, multicristallin, amorphe), à base de cuivre, d'indium, de gallium et sélénium (CIGS), les cellules organiques... Le dispositif de régénération peut répondre à d'autres problématiques que la dégradation sous éclairement du rendement (LID), qui affecte uniquement les cellules à base de silicium contenant du bore et de l'oxygène.