CHEVRIER, Jean-Baptiste (197 chemin des Tortiers, Saint Vincent de Mercuze, F-38660, FR)
SALASCA, Olivier (630 chemin du Vivier, Bernin, F-38190, FR)
BARET, Guy (Lotissement du Vieux Tilleul, Rue de la Martelière, Voiron, F-38500, FR)
CHEVRIER, Jean-Baptiste (197 chemin des Tortiers, Saint Vincent de Mercuze, F-38660, FR)
SALASCA, Olivier (630 chemin du Vivier, Bernin, F-38190, FR)
| Revendications 1. Elément de couverture photovoltaïque comprenant une tuile à fort galbe, en un matériau transparent et comprenant une face supérieure munie d'une surface convexe, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de cellules photovoltaïques et en ce que la tuile comprend une face inférieure aménagée pour définir une pluralité de zones planes non coplanaires, chaque cellule photovoltaïque étant associée à une zone plane de la face inférieure de la tuile. 2. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les cellules photovoltaïques sont interconnectées électriquement. 3. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque zone plane est équipée de plusieurs cellules photovoltaïques. 4. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les cellules photovoltaïques sont encapsulées à l'aide d'un matériau polymère transparent entre un substrat avant formé par les zones planes de la tuile et un substrat arrière formé par une couche de polymère. 5. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la tuile est en verre moulé. 6. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la tuile est en polyméthacrylate de méthyle. |
FORTEMENT GALBE
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un élément photovoltaïque ayant une forte courbure et utilisant des cellules en silicium monocristallin ou polycristallin, cet élément photovoltaïque étant destiné à être monté en toiture ou en façade.
État de la technique
Une cellule photovoltaïque fournit un courant électrique dépendant de l'éclairement qu'elle reçoit. La tension électrique dépend du type du semi-conducteur formant la cellule. Cette tension est habituellement de l'ordre de 0,5 Volt à 0,7 Volt. Un module photovoltaïque est formé par association de cellules photovoltaïques. Les tensions souhaitées en sortie d'un module photovoltaïque sont généralement comprises entre quelques volts et plusieurs dizaines de volts. Pour cela, un module photovoltaïque est formé d'un assemblage de plusieurs cellules montées en série.
Dans toute la description qui suit, la face avant d'une cellule est celle qui reçoit le rayonnement solaire. De même, la face avant d'un module est celle qui reçoit le rayonnement solaire.
Un module photovoltaïque peut être réalisé par association de cellules en silicium cristallin, monocristallin ou polycristallin. Les cellules possèdent sur leur face avant selon une première direction un réseau d'électrodes étroites de largeur typiquement comprise entre 80 et 150 pm et espacées de 1 ,5 à 3 mm. Les cellules possèdent également des bus qui collectent le courant issu des électrodes étroites et qui servent également de zones de connexion sur leur face avant. Sur leur face arrière, les cellules possèdent une métallisation, en pleine surface ou sous forme d'une grille, à base d'aluminium ainsi que deux bus généralement placés à l'aplomb des bus de la face avant. Les électrodes étroites ainsi que les bus sont réalisés avec un matériau riche en argent.
Les cellules sont alors connectées entre elles en série par des conducteurs électriques soudés sur la face avant d'une cellule et sur la face arrière de la cellule suivante. Dans un module photovoltaïque, plusieurs séries de cellules peuvent être montées en parallèle pour accroître le courant fourni par le module. Les cellules sont ensuite encapsulées entre deux substrats, un substrat avant transparent en verre et un substrat arrière en verre ou en un polymère faisant barrière à la diffusion de la vapeur d'eau. Un polymère transparent comme du polyvinylbutyrate, plus connu sous l'appellation PVB, ou un copolymère éthylène-acétate de vinyle, plus connu sous l'appellation EVA, disposé entre les substrats avant et arrière entoure les cellules et assure la cohésion de l'ensemble.
Les modules photovoltaïques sont destinés à de nombreuses applications, et sont ainsi installés en des emplacements très variés. L'installation en toiture a été proposée depuis longtemps, notamment dans le brevet FR2354430 déposé en 1976. Ce brevet décrit l'empilement de cellules photovoltaïques en silicium polycristallin sur une tuile de toiture. Le brevet DE4438858 décrit des moyens de connexion électrique pour des éléments de toiture photovoltaïques.
Les modules photovoltaïques placés en toiture sont de plusieurs types : des modules photovoltaïques de grande dimension, typiquement plus d'un demi mètre carré, réalisés soit en technologie « silicium cristallin » sur substrat de silicium épais, typiquement 250 pm, soit en technologie « couches minces » de silicium amorphe ou d'autres semi-conducteurs comme CIS ou CdTe. Ces modules photovoltaïques de grande dimension sont installés soit en lieu et place de la couverture, qu'elle soit en tuiles, tôles, ou toute autre matière, soit en superposition à la couverture existante.
Les modules photovoltaïques de grande dimension sont plans, leur face avant étant formée d'un verre plan. des modules photovoltaïques de petite dimension qui sont installés en lieu et place de plusieurs éléments de la couverture, par exemple à la place de 5 tuiles. Ces modules photovoltaïques de petite dimension sont réalisés soit en technologie « silicium cristallin », soit en technologie « couches minces ».
Les modules photovoltaïques de petite dimension sont également plans, leur face avant étant formée d'un verre plan.
Des éléments de couverture, par exemple une tuile ou une ardoise, contenant un module photovoltaïque font également partie de l'état de l'art et sont commercialisés. Ces éléments peuvent être : soit constitués d'un module photovoltaïque rapporté par collage sur la partie supérieure de la tuile ou de l'ardoise soit formés par dépôt et interconnexion de cellules photovoltaïques sur la partie supérieure de la tuile ou de l'ardoise et protection de ces cellules par un substrat en verre transparent.
Il est également connu d'utiliser une tuile en verre comme support d'un module photovoltaïque et en particulier d'intégrer un module photovoltaïque sous une tuile galbée en verre.
Le brevet WO2007132027 décrit un module photovoltaïque placé dans une tuile galbée.
Les brevets japonais JP5005344 et européen EP0749557A1 décrivent un arrangement dans lequel un module photovoltaïque est placé en arrière d'une tuile transparente à la lumière et dont la surface est courbe. Ce module est espacé de la tuile par un cadre d'adaptation de forme entre la tuile courbe et le module photovoltaïque plan. Dans cette configuration, une lame d'air est présente entre la tuile transparente et le module photovoltaïque ce qui provoque la multiplication des interfaces verre - air, avec une perte de l'ordre de 5% de l'intensité lumineuse à chaque interface.
Il est également connu de remplir le volume présent entre la tuile transparente et le module photovoltaïque avec un corps transparent composé d'un polymère transparent ou de verre ou de placer en avant d'un élément photovoltaïque un corps transparent ayant une forme galbée comme dans le brevet FR2354430.
Résumé de l'invention
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, en particulier, de permettre la réalisation d'un élément de couverture photovoltaïque par l'assemblage de cellules photovoltaïques sous la face inférieure d'une tuile transparente fortement galbée, sans générer de perte optique due à une multiplication des interfaces.
Dans la description suivante, la face avant d'une cellule est la face de la cellule qui reçoit directement le rayonnement solaire, et la face supérieure de la tuile est la face de la tuile en contact avec le milieu extérieur. Par opposition, la face inférieure de la tuile est la face de la tuile protégée du milieu extérieur et qui repose sur les éléments de la charpente de la toiture.
Selon l'invention, ce but est atteint par une géométrie particulière de la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée, cette géométrie particulière permettant l'assemblage de cellules photovoltaïques sous la tuile sans générer de perte optique due à une multiplication des interfaces.
Selon l'invention, l'élément de couverture photovoltaïque comporte une tuile à fort galbe en un matériau transparent, comprenant une face supérieure munie d'une surface convexe, et une pluralité de cellules photovoltaïques. La tuile comprend une face inférieure aménagée pour définir une pluralité de zones planes non coplanaires. Chaque cellule photovoltaïque est associée à une zone plane de la face inférieure de la tuile.
Selon un développement de l'invention, les cellules photovoltaïques sont interconnectées électriquement.
Selon un autre développement de l'invention, chacune de ces zones planes est équipée de plusieurs cellules photovoltaïques.
Selon un autre développement de l'invention, les cellules photovoltaïques sont encapsulées à l'aide d'un matériau polymère transparent entre un substrat avant formé par les zones planes de la tuile et un substrat arrière formé par une couche de polymère.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés à l'aide des dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente, selon l'invention, la section d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques.
La figure 2 représente, selon l'invention, en vue de dessous, une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques.
La figure 3 représente, selon l'invention, un exemple de la section AA d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques interconnectées dans une direction perpendiculaire à l'axe de la tuile. La figure 4 représente, selon l'invention, un exemple en vue de dessous d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques interconnectées dans une direction perpendiculaire à l'axe de la tuile.
La figure 5 représente, selon l'invention, un exemple de la section BB d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques interconnectées dans une direction parallèle à l'axe de la tuile.
La figure 6 représente, selon l'invention, un exemple en vue de dessous d'une tuile à fort galbe dont la face inférieure formée d'une pluralité de zones planes non coplanaires est équipée de cellules photovoltaïques interconnectées dans une direction parallèle à l'axe de la tuile.
Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention
Dans un mode de réalisation de l'invention représenté en coupe en figure 1 , un élément de couverture photovoltaïque comprend une tuile transparente fortement galbée 1 dont la face supérieure 2 de la tuile présente une forte courbure selon au moins une direction et dont la face inférieure possède une pluralité de zones planes non coplanaires 10 formant entre elles un angle non nul. Une cellule photovoltaïque 20 est encapsulée sous chacune des zones planes 10.
Par tuile fortement galbée, on entend une tuile dont la face supérieure 2 présente une partie convexe. Le rayon de courbure de la partie convexe est typiquement compris entre 15 cm et 30 cm. Une tuile fortement galbée est, par exemple, de type canal lorsque la face supérieure 2 a la forme d'un arc de cercle ou d'ellipse (Figure 1 et 3). Une tuile fortement galbée pourra également désigner une tuile dite oméga, avec une partie plane et une partie courbée (Figure 5).
Les zones planes non coplanaires 10 sont notées 10a pour la première et 10k pour la k-ème. La cellule photovoltaïque encapsulées sous la zone plane 10k est notée 20k. Les cellules photovoltaïques sont, de préférence, interconnectées afin de former un circuit électrique continu ayant une connexion d'entrée et une connexion de sortie.
Les cellules photovoltaïques 20 sont, de préférence, choisies parmi les cellules dites couches minces, les cellules dites épaisses et les cellules dites hétérojonction. Les cellules dites couches minces sont constituées d'une couche mince d'un semi- conducteur choisi notamment parmi le silicium amorphe, le silicium microcristallin, le tellurure de cadmium, l'alliage cuivre-indium-sélénium et l'alliage cuivre-indium- gallium-sélénium. Les cellules dites épaisses ont une épaisseur d'au moins 40 pm et sont constituées d'au moins un matériau semi-conducteur choisi notamment parmi le silicium monocristallin, le silicium polycristallin et l'arséniure de gallium.
La tuile transparente fortement galbée 1 est constituée d'un matériau transparent choisi, de préférence, parmi le verre, un polymère transparent ou un assemblage de verre et d'un polymère transparent, le polymère transparent pouvant être notamment un polycarbonate ou un poly-méthyl-meta-acrylate connu sous le nom de PMMA.
Dans un mode de réalisation de l'invention représenté en vue de dessous en figure 2, un élément de couverture photovoltaïque est formé par une tuile transparente fortement galbée 1 et par l'encapsulation de plusieurs cellules photovoltaïques 20 dans chacune des zones planes 10.
La j-ème cellule photovoltaïque encapsulée sous la zone plane 10k est notée 20k-j. L'ensemble des cellules photovoltaïques sont, de préférence, interconnectées en série ou en parallèle comme il est connu de le faire dans les panneaux photovoltaïques traditionnels afin de former un circuit électrique continu ayant une connexion d'entrée et une connexion de sortie. Ces connexions d'entrée et de sortie ainsi que le boîtier de connexion ne sont pas représentés sur la figure 2.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, au moins une cellule photovoltaïque 20 placée sous une zone plane 10 de la face inférieure de la tuile transparente fortement galbée est encapsulée à l'aide d'un polymère transparent entre un substrat avant formé par ladite zone plane 10 de la tuile et un substrat arrière. Le polymère transparent sera choisi parmi les copolymères d'acétate de vinyle, notamment le copolymère éthylène-acétate de vinyle, plus connu sous l'appellation EVA, et les résines silicones.
Ce polymère transparent assure la cohésion mécanique entre le substrat avant, les cellules 10 et le substrat arrière. Ce polymère transparent assure également l'adaptation d'indice optique entre le matériau du substrat avant et les cellules 10.
Le matériau du substrat arrière sera choisi parmi le verre et les polymères, notamment les polymères fluorés afin d'apporter une grande résistance à la migration des molécules d'eau vers le semi-conducteur des cellules photovoltaïques. Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, l'ensemble des cellules photovoltaïques 20 de l'élément de couverture photovoltaïque est encapsulée à l'aide d'un polymère transparent entre un substrat avant formé par la pluralité de zones planes 10 de la face inférieure de la tuile et d'un unique substrat arrière. Ce substrat arrière couvre l'intégralité de la surface recevant les cellules photovoltaïques 20.
Le polymère transparent sera choisi parmi les copolymères d'acétate de vinyle, notamment le copolymère éthylène-acétate de vinyle et les résines silicones. Le matériau du substrat arrière sera de préférence une feuille d'un matériau polymère fluoré.
L'invention s'applique également à un élément de couverture photovoltaïque formé par une tuile transparente fortement galbée comprenant sur sa face inférieure au moins trois zones planes non coplanaires dont au moins deux sont équipées de cellules photovoltaïques.
Exemple 1
Un élément de couverture photovoltaïque représenté en section AA en figure 3 et en vue de dessous en figure 4 est réalisé par l'encapsulation de 36 cellules photovoltaïques sous une tuile 1 transparente fortement galbée. La tuile 1 en verre moulé présente la même géométrie que les tuiles en terre cuite qu'elle remplace en toiture. La tuile 1 est une tuile à fort galbe de dimension 280 x 480 mm 2 et qui présente sur sa face supérieure un rayon de courbure irrégulier compris entre 120 mm et 200 mm. La tuile 1 comporte les mêmes éléments de raccordement avec les tuiles voisines et destinés au cheminement de l'eau que les tuiles en terre cuite.
La tuile 1 présente sur sa face inférieure quatre zones planes 10-1 à 10-4 formant entre elles un angle de 30 degrés. Ces zones ont une largeur de 60 mm et une longueur de 345 mm.
La tuile 1 est constituée d'un verre sodo-calcique avec une très faible teneur en fer, connu sous le nom de verre extra-blanc. L'épaisseur du verre est typiquement comprise entre 8 et 18 mm. La tuile a un coefficient de transmission voisin de 88% dans tout le spectre solaire entre le proche ultraviolet à 350 nm et le proche infrarouge à 1 ,2 pm.
Des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin d'une épaisseur de 200 pm environ sont assemblées en une guirlande constituée de neuf branches de quatre cellules. Les quatre cellules d'une même branche sont disposées de telle façon qu'il y a une cellule 20 en regard de chacune des zones planes 10. Par exemple, la première branche contient les cellules 20-1-1 , 20-2-1 , 20-3-1 et 20-4-1 disposées respectivement en regard des zones planes 10-1 , 10-2, 10-3 et 10-4.
Les quatre cellules d'une même branche sont électriquement assemblées en série. Pour cela un ruban 30 en cuivre étamé d'épaisseur 0,13 mm et de largeur 2 mm relie électriquement la face supérieure d'une cellule de la branche à la face inférieure de la cellule suivante dans cette même branche.
Les neuf branches sont ensuite électriquement assemblées en parallèle par l'intermédiaire des conducteurs 33 et 34 réalisés en cuivre étamé d'épaisseur 0,13 mm et de largeur 4 mm. Les conducteurs 33 et 34 constituent ainsi les extrémités de la guirlande de cellules et sont connectés dans la boîte de jonction 60.
L'encapsulation des cellules photovoltaïques sous la tuile 1 est réalisée en déposant, par enduction au rouleau, une résine silicone transparente 50 d'indice optique 1.44, proche de celui du verre, sur chacune des quatre zones planes 10-1 à 10-4. La guirlande des cellules photovoltaïques 20 est ensuite mise en place sur les zones planes 10-1 à 10-4. Une feuille 40 d'épaisseur 0.3 mm d'un polymère fluoré et enduite de la même résine silicone est alors placée sur l'ensemble de la guirlande de cellules, la face enduite de la résine silicone contre les cellules. L'ensemble est ensuite placé dans une poche en élastomère et le vide est réalisé dans cette poche, la pression résiduelle étant de 20 millibars. La poche est alors placée dans une étuve à une température de 110°C pendant 30 minutes afin que la résine silicone réticule. L'opération finale consiste alors à fixer la boite de jonction 60 est à souder les conducteurs 33 et 34 à un connecteur dans cette boite.
L'élément de couverture photovoltaïque ainsi réalisé fourni une puissance de 9 W crête.
Exemple 2
Un élément de couverture photovoltaïque représenté en section BB en figure 5 et en vue de dessous en figure 6 est réalisé par l'encapsulation de 48 cellules photovoltaïques sous une tuile 1 transparente fortement galbée. La tuile 1 en verre moulé présente la même géométrie que les tuiles en terre cuite qu'elle remplace en toiture. La tuile 1 est une tuile à fort galbe de dimension 310 x 450 mm 2 et qui présente sur sa face supérieure une partie arrondie avec un rayon de courbure d'environ 180 mm et une zone plane. La tuile 1 comporte les mêmes éléments de raccordement avec les tuiles voisines et destinés au cheminement de l'eau que les tuiles en terre cuite.
La tuile 1 présente sur sa face inférieure cinq zones planes 10-1 à 10-5 formant entre elles un angle de 40 degrés en regard de la partie arrondie en face supérieure et une zone plane 10-6 en regard de la partie plane en face supérieure. Ces zones 10 ont une largeur de 52 mm et une longueur de 330 mm.
La tuile 1 est constituée d'un verre sodo-calcique avec une très faible teneur en fer, connu sous le nom de verre extra-blanc. L'épaisseur du verre est typiquement comprise entre 8 et 18 mm. La tuile a un coefficient de transmission voisin de 90% dans tout le spectre solaire entre le proche ultraviolet à 350 nm et le proche infrarouge à 1 ,2 m.
Des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin d'une épaisseur de 200 μιτι environ sont assemblées en une guirlande constituée de six branches de huit cellules. Les huit cellules d'une même branche sont disposées de telle façon qu'elles sont toutes en regard d'une même zone plane 10. Par exemple, la première branche contient les cellules 20-1-1 à 20-1-8 disposées en regard de la zone plane 10-1.
Les huit cellules d'une même branche sont électriquement assemblées en série. Pour cela un ruban 30 en cuivre étamé d'épaisseur 0,13 mm et de largeur 2 mm relie électriquement la face supérieure d'une cellule de la branche à la face inférieure de la cellule suivante dans cette même branche.
Les six branches sont ensuite électriquement assemblées en parallèle par l'intermédiaire des conducteurs 35 et 36 réalisés en cuivre étamé d'épaisseur 0,13 mm et de largeur 4 mm. Les conducteurs 35 et 36 constituent ainsi les extrémités de la guirlande de cellules et sont connectés dans la boite de jonction 60.
L'encapsulation des cellules photovoltaïques sous la tuile 1 est réalisée en déposant une feuille d'un copolymère éthylène-acétate de vinyle (EVA) d'épaisseur 0.38 mm sur la totalité de la zone couverte par les zones planes 10-1 à 10-6. La guirlande des cellules photovoltaïques est ensuite mise en place sur cette feuille d'EVA et en regard des zones planes 10-1 à 10-6. Une seconde feuille d'EVA d'épaisseur 0.38 mm et de même dimension que la première est déposée sur les cellules photovoltaïques, à l'aplomb de la première feuille d'EVA. Ces deux feuilles d'EVA formeront le milieu transparent 50 après ramollissement et réticulation. Une feuille 40 d'épaisseur 0.3 mm d'un polymère fluoré est alors placée sur la seconde feuille d'EVA. L'ensemble est ensuite placé dans une poche en élastomère et le vide est réalisé dans cette poche, la pression résiduelle étant de 20 millibars. La poche est alors placée dans une étuve à une température de 150°C pendant 30 minutes afin que l'EVA se ramollisse, flue et réticule. L'opération finale consiste alors à fixer la boîte de jonction 60 et à souder les conducteurs 35 et 36 à un connecteur dans cette boite.
L'élément de couverture photovoltaïque ainsi réalisé fourni une puissance de 11 W crête.
Dans les modes de réalisation et exemples ci-dessus, seule la face inférieure de la tuile galbée est aménagée pour disposer des cellules photovoltaïques. La surface extérieure de la tuile n'est pas modifiée. La géométrie de la tuile, vue de l'extérieur est donc identique à celle des tuiles classiques en terre cuite. Ainsi, elle s'adapte parfaitement avec les tuiles classiques et la géométrie de la toiture est respectée, ce qui contribue à l'esthétique du bâtiment.
En étant disposées majoritairement sous la partie convexe de la tuile, les cellules photovoltaïques sont moins sensibles aux effets d'ombrages causés, par exemple, par des feuilles recouvrant la tuile. En effet, les saletés ont tendance à s'accumuler entre deux tuiles (dans le cas des tuiles selon la figure 1) ou sur les zones planes de recouvrement (dans le cas des tuiles selon la figure 5), et non sur la partie arrondie de la tuile. Le rendement de la tuile photovoltaïque n'est donc pas diminué.
La tuile transparente est formée d'une seule pièce en verre ou polymère transparent. Il n'y a donc pas de raccords, ni de matériaux de différentes natures, ce qui garantit une étanchéité élevée et durable dans le temps.