Titre de l’invention : Dispositif photovoltaïque de référence universel

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[0001 ] L’invention se situe dans le domaine des dispositifs photovoltaïques. L’invention se situe plus précisément dans le domaine des dispositifs photovoltaïques de référence permettant d’évaluer et/ou de suivre les performances de dispositifs photovoltaïques, et notamment de mesurer l’éclairement et/ou le courant photogénéré, et éventuellement la température de cellules de dispositifs photovoltaïques.

[0002] Plus spécifiquement, l’invention concerne un dispositif photovoltaïque de référence dit « universel >>, c’est-à-dire permettant d’évaluer et/ou de suivre les performances de différentes technologies de dispositifs photovoltaïques.

[0003] L’invention concerne également une méthode de conception d’un tel dispositif photovoltaïque de référence universel.

ETAT DE LA TECHNIQUE

[0004] L’invention se situe dans le domaine des dispositifs photovoltaïques, définis comme étant des dispositifs regroupant plusieurs cellules photovoltaïques (ou plusieurs cellules en couche mince) chaque cellule étant en un matériau photovoltaïque. Les cellules peuvent être assemblées en un ou plusieurs modules photovoltaïques et un dispositif photovoltaïque peut ainsi comprendre un ou plusieurs modules photovoltaïques.

[0005] Dans le domaine de l’invention, il est connu qu’un matériau photovoltaïque est caractérisé par sa réponse spectrale, qui définit pour chaque longueur d’onde reçue le rapport entre le nombre d’électrons créés et le nombre de photons reçus, et qui dépend de la longueur d’onde de la lumière reçue (ou des photons reçus).

[0006] De même, il est connu qu’un dispositif photovoltaïque peut être caractérisé par ses caractéristiques électriques : le courant photogénéré, généralement déterminé par le courant de court-circuit l _cc ; la tension en circuit ouvert V _co ; la courbe tension- courant permettant de déterminer le point de puissance maximum et ainsi le courant Ipmax, la tension Vpm _ax et la puissance Pp _m ax en ce point de puissance maximum. Par puissance, il est bien compris par l’homme du métier que l’on désigne la puissance électrique.

[0007] Le rendement énergétique d’un dispositif photo voltaïque est défini comme étant le rapport entre la puissance au point de puissance maximum et la puissance lumineuse reçue par le matériau photovoltaïque. En outre, la puissance-crête d’un dispositif photovoltaïque désigne sa puissance au point de puissance maximum dans les conditions standard de test (ou de référence), c’est à dire lorsqu’il reçoit un éclairement spectral d’une intensité lumineuse et d’un spectre déterminé, notamment défini par la norme IEC 60904, pour une puissance lumineuse totale de 1000 W/m ² et sous une température du dispositif de 25°C : on définit également les valeurs du courant de court-circuit, de la tension en circuit ouvert ainsi que celles du courant et de la tension au point de puissance maximum dans les mêmes conditions standard de test.

[0008] Il est à noter qu’on parlera de courant photogénéré, bien que généralement on détermine le courant de court-circuit l _cc .

[0009] Pour un éclairement donné, le courant photogénéré dépend de la température du matériau mais cette dépendance est faible : le coefficient de température du courant photogénéré ou du courant de court-circuit l _cc est de moins d’un pour mille par degré Kelvin aux températures ambiantes pour les matériaux photovoltaïques courants. Par contre, pour un éclairement donné, la tension en circuit ouvert V _co et la puissance au point de puissance maximum Ppm _ax dépendent plus fortement de la température : on parle de coefficient de température de la tension en circuit ouvert et de coefficient de température de la puissance au point de puissance maximum.

[0010] Mais le courant photogénéré est aussi lié à l’éclairement reçu par le dispositif photovoltaïque, et celui-ci dépend de nombreux paramètres : paramètres environnementaux, paramètres de disposition (orientation, inclinaison, système de montage) du dispositif photovoltaïque.

[0011] Le suivi des performances d’un dispositif photo voltaïque en fonctionnement est la comparaison entre la puissance électrique qu’il délivre et la puissance électrique qu’il délivrerait si, soumis aux mêmes conditions environnementales, il fonctionnait constamment en son point de puissance maximum. [0012] Ainsi, la production d’un dispositif photovoltaïque dépend principalement de l’éclairement reçu et plus précisément, du courant photogénéré par cet éclairement et de la température des cellules photovoltaïques. Pour évaluer ou suivre le plus précisément possible la production électrique d’un dispositif photovoltaïque, que ce soit en caractérisation usine d’un dispositif photovoltaïque ou bien en conception ou en fonctionnement d’une installation solaire, on cherche donc à connaître :

- le courant photogénéré (ou le courant de court-circuit l _cc ) par l’éclairement reçu ou, par défaut et de façon indirecte, la valeur de cet éclairement moyennée sur toute la surface du dispositif ; et

- la température du dispositif photovoltaïque.

[0013] La température d’un dispositif photovoltaïque est définie comme étant la température moyenne de l’ensemble des cellules composant ledit dispositif photovoltaïque. En pratique, on détermine un point représentatif de la température moyenne de l’ensemble des cellules, et on mesure la température en ce point. Dans certaines formules connues dans le domaine de l’invention, on prend une température de jonction des cellules.

[0014] On détermine alors la puissance du dispositif photovoltaïque, généralement à l’aide d’un modèle exprimant cette puissance en fonction du courant photogénéré (ou à défaut, de la mesure de l’éclairement reçu) et de sa température.

[0015] L’éclairement peut être mesuré par un radiomètre. Les radiomètres (pyranomètres, pyrhéliomètres) sont des capteurs qui mesurent un flux thermique (une énergie par unité de surface) en transformant les photons reçus en élévation de température d’un corps noir. Mais les radiomètres ne sont pas adaptés pour suivre précisément les performances d’un dispositif photovoltaïque car ils ne permettent pas de déterminer avec précision le courant photogénéré. En outre, les radiomètres ne permettent pas de déterminer avec précision la température de fonctionnement du matériau photovoltaïque qui doit donc être mesurée de façon indépendante.

[0016] Pour évaluer ou suivre les performances et la production électrique d’un dispositif photovoltaïque, il est connu d’utiliser un dispositif photovoltaïque de référence (que l’on pourra désigner par raccourci « dispositif de référence »). Un dispositif de référence peut être utilisé pour déterminer le courant photogénéré (ou le courant de court-circuit l _cc ) ou à défaut l’éclairement, voire mesurer la température des matériaux photovoltaïques.

[0017] Un dispositif photovoltaïque de référence est constitué de cellules, de modules (voire de mini-modules), dont le matériau est le même que celui pour lequel on cherche à évaluer ou suivre les performances, de préférence dont la réponse spectrale est également sensiblement la même, et dont on a déterminé de manière précise les caractéristiques dans les conditions standard de test ainsi que le comportement en température. Le dispositif de référence doit de préférence être dans les mêmes dispositions (orientation, inclinaison, système de montage) et dans le même environnement que le dispositif dont on cherche à évaluer ou suivre les performances.

[0018] L’utilisation d’un dispositif photovoltaïque de référence est particulièrement intéressante en conception d’une future installation solaire, notamment pour déterminer le potentiel photovoltaïque de chaque dispositif photovoltaïque de l’installation solaire en un lieu donné, c’est-à-dire la puissance électrique que le dispositif photovoltaïque serait susceptible de fournir en ce lieu, s’il était constamment maintenu à son point de puissance maximum. En effet, dans ce cas, on ne peut pas disposer des capteurs de température et/ou mesurer le courant photogénéré (ou le courant de court-circuit l _cc ) directement sur un dispositif photovoltaïque, puisqu’il n’est pas encore installé et/ou en fonctionnement. La puissance électrique peut alors être déterminée en se basant sur la détermination du courant de court-circuit et de la température du dispositif photovoltaïque de référence, et avantageusement en utilisant un modèle permettant de déterminer, à partir de la valeur du courant de court-circuit et de la température, les valeurs de la tension en circuit ouvert, du courant, de la tension et de la puissance au point de puissance maximum.

[0019] Mais un dispositif photovoltaïque de référence peut être également et avantageusement utilisé pour suivre les performances et la production électrique d’un dispositif photovoltaïque en fonctionnement, également en se basant sur la détermination du courant de court-circuit et de la température du dispositif photovoltaïque de référence, et avantageusement en utilisant un modèle permettant de déterminer, à partir de la valeur du courant de court-circuit et de la température, les valeurs de la tension en circuit ouvert, du courant, de la tension et de la puissance au point de puissance maximum.

[0020] Les dispositifs photovoltaïques de référence connus comprennent des cellules de référence de même matériau, et plus précisément de même technologie que les dispositifs photovoltaïques dont on cherche à étudier les performances.

[0021 ] Cependant, tout matériau photovoltaïque est caractérisé par sa réponse spectrale qui est une signature de la technologie employée : silicium massif, silicium en couches minces, cuivre-gallium-indium-sélénium, tellure de cadmium, etc. En conséquence, pour un ensemble de spectres solaires reçus, deux cellules photovoltaïques de même technologie produisent des courants photogénérés quasiment proportionnels, alors que ce n’est pas le cas pour deux cellules photovoltaïques de technologies différentes. Comme en environnement réel, la composition spectrale de l’éclairement varie constamment en fonction de la hauteur du soleil et des conditions atmosphériques, deux cellules de technologies différentes produisent des courants photogénérés non proportionnels et il n’est pas possible de suivre les performances d’un dispositif photovoltaïque utilisant des cellules photovoltaïques d’une technologie donnée à l’aide d’une cellule photovoltaïque de référence d’une autre technologie.

[0022] Il est connu d’ajouter un filtre à une cellule photovoltaïque en une technologie donnée ou de remplacer le verre transparent en face avant par un verre avec des capacités de filtration de certaines longueurs d’onde, de manière à modifier la réponse spectrale de ladite cellule photovoltaïque et de se rapprocher de la réponse spectrale d’une autre technologie cible. L’inconvénient est que, dans ce cas, la cellule photovoltaïque filtrée peut suivre les performances de la technologie cible mais n’est plus capable de suivre les performances de sa propre technologie.

[0023] Pour suivre différentes technologies de cellules photovoltaïques cibles, il faudrait donc différentes technologies de cellules photovoltaïques de référence, ou alors différents filtres combinés avec des cellules photovoltaïques de référence, ce qui nécessite d’avoir une très grande quantité de cellules et/ou de combinaisons cellule/filtre pour couvrir un large panel de technologies de cellules photovoltaïques cibles.

[0024] L’invention vise à surmonter les inconvénients précités. [0025] L’invention vise à disposer d’un dispositif photo voltaïque de référence dit « universel », c’est-à-dire permettant d’évaluer et/ou de suivre, plus généralement de déterminer, les performances de dispositifs photovoltaïques de différentes technologies, et qui ne nécessite pas de multiplier les cellules photovoltaïques de référence.

[0026] De préférence, il est recherché un dispositif photovoltaïque de référence universel qui soit de conception simple, qui présente un coût de fabrication réduit, et qui soit avantageusement de taille réduite.

EXPOSE DE L’INVENTION

[0027] Un premier objet de l’invention permettant de remédier à ces inconvénients est un dispositif photovoltaïque de référence apte à déterminer les performances d’au moins un dispositif photovoltaïque cible, et de préférence de plusieurs dispositifs photovoltaïques cibles différents, ledit dispositif photovoltaïque de référence comprenant :

- une pluralité de cellules photovoltaïques de référence disposées les unes à côté des autres sensiblement selon un même plan, chaque cellule photovoltaïque de référence comprenant en face avant une plaque avant dimensionnée pour recouvrir ladite face avant ; les plaques avant des cellules de référence étant définies de manière à ce que les cellules photovoltaïques de référence fournissent des réponses spectrales différentes entre elles ; chaque cellule photovoltaïque de référence comportant en outre une plaque arrière dimensionnée pour recouvrir la face arrière de ladite cellule ; ladite cellule étant encapsulée avec les plaques avant et arrière dans une couche d’encapsulation ;

- des moyens de mesure aptes à mesurer au moins un paramètre d’intérêt pour chaque cellule photovoltaïque de référence ;

- une unité de calcul apte à implémenter un algorithme configuré pour déterminer une valeur d’un paramètre d’intérêt d’au moins un dispositif photovoltaïque cible en fonction des valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence. [0028] En d’autres termes, les plaques avant des cellules de référence ont des capacités de filtrage telles que les cellules photovoltaïques de référence fournissent des réponses spectrales différentes entre elles.

[0029] Selon un mode de réalisation, les plaques avant d’au moins deux cellules de référence ont des capacités de filtrage différentes.

[0030] Dans l’ensemble de la présente description, par souci de simplification, une cellule photovoltaïque de référence peut être désignée par « cellule de référence >> voire « cellule ». De même, un dispositif photovoltaïque de référence peut être désigné par « dispositif de référence >> voire « dispositif >>. En outre, un dispositif photovoltaïque dont on cherche à suivre ou évaluer les performances peut être désigné par « dispositif photovoltaïque cible >>, ou « dispositif cible >>. Un dispositif photovoltaïque cible appartient à une technologie donnée, qui est désignée par « technologie cible >>.

[0031 ] Par convention, on désigne par « face avant >> ou « plaque avant >> la face ou la plaque exposée le plus directement au rayonnement, et par « face arrière >> ou « plaque arrière >> la face ou la plaque exposée le moins directement au rayonnement. Plus généralement, « avant >> (ou « devant >>) se réfère au côté exposé le plus directement au rayonnement, et « arrière >> (ou « derrière >>) se réfère au côté exposé le moins directement au rayonnement.

[0032] L’invention permet de disposer d’un dispositif photovoltaïque de référence qui peut caractériser plusieurs dispositifs photovoltaïques cibles, pouvant appartenir à plusieurs technologies cibles, sans que cela nécessite de multiplier indûment les cellules de référence et/ou les filtres.

[0033] Le terme « technologie >> désigne un matériau photovoltaïque donné élaboré selon un type de procédé donné, caractérisé par une réponse spectrale donnée.

[0034] L’invention consiste à disposer de plusieurs cellules photovoltaïques de référence, pouvant être des cellules filtrées selon des capacités de filtrage différentes et/ou au moins une cellule avec un verre de haute qualité optique présentant une grande transparence et donc un effet filtrant très limité, puis, pour chaque dispositif photovoltaïque cible, à rechercher la meilleure combinaison mathématique possible de signaux issus de cellules photovoltaïques de référence afin de s’approcher le plus précisément possible du signal du dispositif photovoltaïque cible. Un signal pouvant être exploité est typiquement le courant de court-circuit.

[0035] Il existe différentes technologies au sein des potentiels dispositifs photovoltaïques cibles, et au sein de chaque technologie, différents dispositifs photovoltaïques pouvant constituer des dispositifs photovoltaïques cibles. Ceci conduit à un potentiel très grand nombre de cas de cibles à couvrir par un dispositif « universel >> de référence. L’invention a pour caractéristique de couvrir au travers d’un nombre limité de cellules de référence, un nombre notablement plus élevé de dispositifs cibles. En d’autres termes, il n’est pas nécessaire de disposer d’autant de cellules de référence que de dispositifs photovoltaïques cibles, et il n’est même pas nécessaire d’avoir autant de cellules de référence que de technologies cibles.

[0036] L’invention consiste donc en la détermination d’une meilleure combinaison mathématique de cellules de référence de manière à représenter le plus précisément possible un dispositif photovoltaïque cible donné. Cette détermination de la meilleure combinaison mathématique est basée sur la réponse spectrale (et en pratique sur la mesure de courant de court-circuit). Plus précisément elle est basée sur la réponse spectrale de chacune desdites cellules de référence, et vise à s’approcher au plus près de la réponse spectrale du dispositif cible. Cela permet de déterminer une fonction de correspondance. Cette fonction de correspondance peut ensuite être exploitée pour déterminer la valeur d’un paramètre d’intérêt du dispositif photovoltaïque cible à partir de valeurs du même paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules de référence, permettant ainsi d’évaluer ou de suivre les performances du dispositif photovoltaïque cible. L’invention permet ainsi d’affiner la précision de détermination de cette valeur du paramètre d’intérêt pour tout dispositif photovoltaïque cible.

[0037] La fonction de correspondance peut être une combinaison linéaire. La détermination de la fonction de correspondance revient alors à rechercher les meilleurs coefficients de cette combinaison.

[0038] Pour couvrir un large panel de technologies cibles et/ou de dispositifs photovoltaïques cibles, la cellule photovoltaïque de référence non filtrée présente de préférence la réponse spectrale la plus large possible, c’est-à-dire la réponse spectrale mesurable pour une plage de longueurs d’onde la plus large possible. [0039] Le dispositif photovoltaïque de référence selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles.

[0040] Le dispositif de référence peut comprendre autant de cellules de référence que de technologies cibles, mais ce n’est pas une obligation.

[0041] Selon un mode de réalisation, au moins deux cellules de référence sont de même technologie et les au moins deux plaques avant desdites cellules ont des capacités de filtrage de la lumière différentes entre elles.

[0042] Des cellules photovoltaïques sont dites de même technologie lorsqu’elles sont en un même matériau semi-conducteur et que ce même matériau semi-conducteur a été élaboré selon un même type de procédé, de façon à ce que les cellules présentent la même réponse spectrale ou des réponses spectrales similaires. Il peut s’agir de : cellules photovoltaïques en silicium monocristallin (c-Si), en silicium multi- cristallin (mc-Si), ou en silicium amorphe (en couche mince) ; cellules photovoltaïques en couche mince à base de tellure de cadmium (CdTe), d’alliage cuivre, indium et sélénium (CIS) ou d’alliage cuivre, indium, sélénium et gallium (CIGS), cellules photovoltaïques multi-jonctions (lll/V), notamment en arséniure de gallium (GaAs)... Il est à noter que deux cellules photovoltaïques de même technologie peuvent différer par leur encapsulation et/ou par la qualité optique de leurs verres (plaques) en face avant et/ou arrière, pouvant générer des différences dans les réponses spectrales.

[0043] Selon un mode de réalisation particulier, toutes les cellules photovoltaïques de référence sont de même technologie, et les plaques avant desdites cellules ont toutes des capacités de filtrage de la lumière différentes entre elles.

[0044] Selon une première variante de réalisation, les cellules photovoltaïques de référence sont des cellules photovoltaïques monofaciales.

[0045] Selon une deuxième variante de réalisation, les cellules photovoltaïques de référence sont des cellules photovoltaïques bifaciales, les plaques arrière et avant d’une même cellule ayant la même capacité de filtrage. En particulier, la plaque arrière peut être identique à la plaque avant d’une même cellule.

[0046] Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de mesure comprennent : - un circuit électrique relié à chaque cellule photovoltaïque de référence, chaque circuit étant fermé et comportant une résistance en dérivation et

- des moyens de mesure de la tension aux bornes de ladite résistance.

[0047] Selon l’invention, un circuit électrique « relié à >> une cellule signifie qu’il est relié aux bornes de ladite cellule.

[0048] Selon un mode de réalisation particulier, au moins un circuit électrique fermé comporte en outre un cavalier amovible entre la résistance et la cellule photovoltaïque de référence reliée audit circuit électrique.

[0049] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un moyen de mesure de la température d’au moins une cellule photovoltaïque de référence.

[0050] Selon un mode de réalisation particulier, tout ou partie des plaques avant sont des verres filtrants. De préférence, au moins une plaque avant n’est pas un verre transparent de haute qualité optique.

[0051] Selon un mode de réalisation particulier, au moins une plaque avant est un verre transparent de haute qualité optique.

[0052] Au moins une cellule photovoltaïque de référence peut être en silicium monocristallin et/ou être une cellule photovoltaïque multi-jonctions (lll/V), de préférence en arséniure de gallium (GaAs).

[0053] L’algorithme peut être configuré (préconfiguré) pour déterminer au moins une valeur d’un paramètre d’intérêt d’au moins un dispositif photovoltaïque cible en s’appuyant sur une combinaison linéaire des valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence.

[0054] L’algorithme peut être configuré pour déterminer une fonction de correspondance à partir des réponses spectrales et/ou des courants de court-circuit des cellules photovoltaïques de référence et de la réponse spectrale et/ou du courant de court-circuit du dispositif photovoltaïque cible, ladite fonction de correspondance étant mise en oeuvre pour déterminer la au moins une valeur du paramètre d’intérêt du au moins un dispositif photovoltaïque cible à partir de valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence.

[0055] La fonction de correspondance peut être une combinaison linéaire, la détermination de la fonction de correspondance consistant en la détermination des coefficients de ladite combinaison linéaire. [0056] Au moins un paramètre d’intérêt peut être le courant de court-circuit et/ou la température des cellules photovoltaïques.

[0057] Un deuxième objet de l’invention est une méthode de conception d’un dispositif photovoltaïque de référence selon le premier objet de l'invention, ladite méthode comprenant les étapes suivantes :

- une étape de définition de technologies cibles de dispositifs photovoltaïques et des réponses spectrales desdites technologies cibles ;

- une étape de détermination d’au moins une cellule photovoltaïque de base, au moins une cellule photo voltaïque de base ayant de préférence la meilleure réponse spectrale dans un ensemble de longueurs d’onde d’un domaine spectral donné, typiquement le domaine spectral recouvrant l’ensemble des réponses spectrales des technologies cibles ;

- une étape de détermination de filtres, pouvant comprendre au moins un filtre à très faible capacité de filtrage, qui, individuellement associés avec la au moins une cellule photovoltaïque de base, forment les cellules photovoltaïques de référence permettant de déterminer les réponses spectrales et/ou les courants de court-circuit et/ou les températures des technologies cibles définies, en fonction des réponses spectrales et/ou des courants de court-circuit et/ou des températures desdites cellules photovoltaïques de référence, en utilisant une fonction de correspondance.

[0058] La fonction de correspondance peut être une combinaison linéaire.

[0059] Selon un mode de réalisation, la méthode comprend une étape de définition d’un nombre M de cellules photovoltaïques de référence.

[0060] En particulier, lorsqu’on connait à l’avance les technologies cibles dont on souhaite évaluer ou suivre les performances, on peut déterminer la réponse spectrale caractéristique de chaque technologie cible (dite « réponse spectrale cible ») et en déduire un domaine spectral global (dit « domaine spectral cible »), réunion de l’ensemble des domaines spectraux où les réponses spectrales cibles ne sont pas nulles.

[0061] Pour définir les cellules photovoltaïques de référence, on définit au moins une cellule photovoltaïque de base, non filtrée, c’est-à-dire au moins une cellule photovoltaïque qui va servir de base pour les cellules photovoltaïques de référence. On peut avoir une cellule de base d’une seule et même technologie, ou plusieurs cellules de base de technologies différentes. On peut sélectionner comme cellule(s) photovoltaïque(s) de base, au moins une cellule photovoltaïque dont la fabrication garantit la meilleure réponse spectrale dans chacune des longueurs d’onde du domaine spectral cible, et de préférence une cellule photovoltaïque ayant une réponse spectrale la plus élevée et la plus homogène possible dans le domaine spectral cible. Cette réponse spectrale est la réponse spectrale de référence de cette cellule photovoltaïque de base.

[0062] Dans le cas particulier où toutes les cellules photovoltaïques de base sont de même technologie, on peut réaliser les étapes suivantes.

[0063] Soit M le nombre de cellules photovoltaïques de base. Ce nombre M peut être égal au nombre de technologies cibles dont on souhaite étudier les performances, mais ce n’est pas obligatoire.

[0064] Ensuite, on présélectionne un nombre N de filtres, où N est supérieur à M, et on calcule la combinaison spectrale de chacun de ces filtres avec la cellule photovoltaïque de base, pour obtenir les différentes réponses spectrales des cellules photovoltaïques de base filtrées, qu’on désigne par « réponses spectrales filtrées ».

[0065] Disposant déjà des réponses spectrales cibles, on recherche ensuite, par une méthode d’optimisation, un ensemble de M cellules photovoltaïques de référence (c’est-à-dire M cellules photovoltaïques de base associées avec M filtres parmi les N filtres présélectionnés) permettant en utilisant une fonction de correspondance (par exemple une combinaison linéaire) de s’approcher au mieux de toutes les réponses spectrales cibles. L’ensemble de filtres finalement choisis pour être combinés avec la cellule photovoltaïque de base est obtenu par le résultat de la méthode d’optimisation. Ainsi l’ensemble de filtres est choisi de façon à ce que les réponses spectrales de toutes les technologies cibles dont on souhaite évaluer ou suivre les performances puissent être déterminées en fonction des réponses spectrales des cellules photovoltaïques de référence (par la fonction de correspondance).

[0066] Comme indiqué plus avant, la fonction de correspondance peut consister en une combinaison linéaire des réponses spectrales. Alternativement, elle peut consister en une fonction plus complexe, par exemple une combinaison non linéaire, une méthode de réseaux de neurones, en particulier à noeuds cachés... [0067] De manière optionnelle, dans la méthode d’optimisation, on peut pondérer le poids des longueurs d’onde considérées par les valeurs de spectres de référence choisis. Cette pondération peut par exemple être effectuée en calculant le courant photogénéré pour chaque longueur d’onde pour un ensemble de spectres représentatifs d’une journée type. Comme spectres représentatifs, on peut utiliser par exemple les spectres lumineux de référence de la norme et/ou des spectres lumineux mesurés dans des conditions réelles.

[0068] Chaque cellule photovoltaïque de base est ensuite encapsulée individuellement avec un des filtres sélectionnés (un filtre différent pour chaque cellule dans le cas particulier décrit, un filtre pouvant être un verre transparent de haute qualité optique).

[0069] Afin que les cellules photovoltaïques de référence aient la réponse spectrale voulue une fois fabriquées, il est important que les cellules photovoltaïques de base aient chacune la réponse spectrale la plus proche possible de la réponse spectrale des cellules photovoltaïques de base « simulées >> définies lors de la méthode de conception.

[0070] On peut ensuite mesurer la réponse spectrale de chaque cellule photovoltaïque de référence ainsi obtenue. Les valeurs des coefficients de la fonction de correspondance (par exemple de la combinaison linéaire) utilisées pour le choix des filtres dans la méthode d’optimisation peuvent ainsi être adaptées en utilisant cette fois les valeurs réelles des réponses spectrales des cellules photovoltaïques de référence.

[0071 ] Les cellules photovoltaïques de référence sont disposées de façon coplanaire dans un même support, de façon amovible ou non amovible.

[0072] Le dispositif photovoltaïque de référence et la méthode de conception selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques précédemment énoncées, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0073] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux figures annexées données à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : [0074] La Fig.1 représente un mode de réalisation d’un dispositif photovoltaïque de référence conforme à l’invention.

[0075] La Fig.2 représente une première variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 .

[0076] La Fig.3 représente une deuxième variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 .

[0077] La Fig.4 représente une troisième variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 .

[0078] La Fig.5 représente un exemple de méthode de conception d’un dispositif photovoltaïque de référence de l’invention.

[0079] Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.

[0080] De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

[0081 ] Les figures 1 à 4 représentent un mode de réalisation avec plusieurs variantes d’un dispositif photovoltaïque de référence conforme à l’invention (dénommé ci-après « dispositif de référence »).

[0082] Dans l’ensemble des figures 1 à 4, les cellules photovoltaïques de référence sont représentées encapsulées chacune dans une couche d’encapsulation transparente à la lumière, et sont disposées les unes à côté des autres selon un même plan. La couche d’encapsulation peut être du polyéthylène-acétate de vinyle (EVA), du polyvinylbutyral (PVB) ou tout autre matériau adapté et connu dans le domaine de l’invention, apte à protéger lesdites cellules photovoltaïques de l'environnement extérieur, tout en perturbant au minimum la réception du rayonnement lumineux. Une partie des conducteurs formant les circuits décrits ci- après est également encapsulée dans la couche d’encapsulation.

[0083] En outre, chaque cellule est intercalée entre une plaque avant (en face avant AV de la cellule) et éventuellement une plaque arrière (en face arrière AR de ladite cellule), la couche d’encapsulation permettant d’encapsuler la cellule avec les plaques avant et arrière. Chaque cellule est associée avec une plaque avant qui lui est propre et qui a une capacité de filtrage de la lumière différente d’une cellule à l’autre. La plaque avant de chaque cellule peut être en verre. Le verre d’une des cellules peut être un verre transparent de haute qualité optique, utilisé classiquement dans la fabrication des modules photovoltaïques. Si les cellules photovoltaïques de référence sont monofaciales, la face arrière d’une cellule n’est pas nécessairement transparente ou avec une capacité de filtrage donnée. En revanche, si les cellules photovoltaïques de référence sont bifaciales, les plaques avant et arrière d’une cellule ont une même capacité de filtrage, la plaque arrière étant de préférence identique à la plaque avant.

[0084] Le fait que les cellules photovoltaïques de référence avec leur plaque face avant et leur plaque arrière soient encapsulées séparément permet de les rendre amovibles, pour être intégrées dans le dispositif et/ou les retirer du dispositif. Ceci permet à l’utilisateur de définir plus de technologies cibles, tout en ne nécessitant pas d’augmenter la taille du dispositif par un nombre excessif de cellules de référence.

[0085] Alternativement, les cellules photovoltaïques de référence avec leur plaque face avant et leur plaque arrière peuvent être encapsulées ensemble, toujours les unes à côté des autres. Si les cellules sont encapsulées ensemble, elles peuvent avoir une plaque arrière commune, notamment si elles sont monofaciales.

[0086] Chaque ensemble cellule / couche d’encapsulation / plaques avant et arrière est fabriqué et assemblé par un des procédés connus dans le domaine de l’invention, typiquement par un procédé de lamination à chaud (voire à froid) et sous vide.

[0087] Il est à noter que la disposition des cellules dans le dispositif n’est pas nécessairement comme représenté dans les figures 1 à 4. L’essentiel est d’avoir des cellules disposées les unes à côté des autres selon un même plan, mais il n’est pas obligatoire que la disposition soit aussi régulière que celle représentée. En outre, les cellules n’ont pas nécessairement toutes la même surface. Dans le cas où elles n’ont pas la même surface, il peut être nécessaire de recalculer les valeurs du paramètre d’intérêt (par exemple le courant de court-circuit) pour qu’elles correspondent toutes à une même surface de cellule. Par exemple, le coefficient dans la combinaison linéaire d’une cellule deux fois plus petite qu’une cellule de base, qui produit donc deux fois moins de l _cc , est à multiplier par deux par rapport à la cellule de base. [0088] Il n’est pas nécessaire que les cellules de référence soient toutes de la même technologie.

[0089] Enfin, bien que cela ne soit pas représenté dans les figures, le dispositif photovoltaïque de référence comprend une unité de calcul implémentant un algorithme apte à réaliser au moins les opérations décrites plus après.

[0090] Dans les variantes décrites ci-après, le paramètre d’intérêt est le courant photogénéré ou le courant de court-circuit l _cc . Comme décrit plus après, le courant de court-circuit est mesuré pour chaque cellule de référence, en mesurant la tension aux bornes d’une résistance en dérivation (shunt) d’un circuit fermé relié à ladite cellule de référence, et en en déduisant le courant de court-circuit par la loi d’Ohm. L’algorithme de calcul est configuré pour déterminer le courant de court-circuit de chaque dispositif photovoltaïque cible à partir des courants de court-circuit des cellules de références.

[0091 ] Un autre paramètre d’intérêt peut être la température des cellules, éventuellement en combinaison avec le courant de court-circuit.

[0092] Les différentes tensions délivrées par le dispositif photovoltaïque de référence selon l’invention peuvent être traitées classiquement au niveau du dispositif en fournissant des courants 4-20 mA ou en les incluant avant ou après traitement dans des registres du type Modbus.

[0093] La figure 1 représente un dispositif de référence 10 comprenant une pluralité de cellules photovoltaïques de référence 21 , 22, 23, 24, 25, 26 disposées les unes à côté des autres selon un même plan, lesdites cellules pouvant être de même technologie, mais pas obligatoirement. On a représenté six cellules, mais ce nombre n’est en rien limitatif.

[0094] Chaque cellule photovoltaïque de référence 21 , 22, 23, 24, 25, 26 comprend :

- en face avant AV : une plaque avant 51 , 52, 53, 54, 55, 56 dimensionnée pour recouvrir la face avant de ladite cellule ;

- en face arrière AR : une plaque arrière 50 dimensionnée pour recouvrir la face arrière de ladite cellule ; chaque cellule étant encapsulée avec la plaque avant et la plaque arrière dans une couche d’encapsulation 40. [0095] Pour des cellules de base de même technologie, les plaques avant des différentes cellules photovoltaïques de référence ont des capacités de filtrage de la lumière différentes entre elles. Par contre, pour deux cellules de base de technologies différentes, les plaques avant peuvent avoir les mêmes capacités de filtrage, voire être en un verre de haute qualité optique présentant une grande transparence.

[0096] Pour les cellules monofaciales représentées en figure 1 , les plaques arrière et les couches d’encapsulation sont de même nature pour toutes les cellules. En outre, dans un souci de clarté des figures, elles ont été repérées uniquement pour la cellule 21 , mais il est évident qu’elles sont également présentes pour les autres cellules.

[0097] Dans le dispositif représenté, l’ensemble des plaques avant 51 , 52, 53, 54, 55 est un verre filtrant, tandis que la plaque avant 56 est un verre transparent de haute qualité optique, utilisé classiquement dans la fabrication des modules photovoltaïques. Par souci de simplification, chaque plaque avant peut être dénommée « filtre >> par la suite, même si un des filtres a une capacité de filtrage très faible, comme le verre transparent de haute qualité optique. Par raccourci, on pourra parler de « verre filtrant >> bien qu’il puisse s’agir d’un autre matériau que du verre, par exemple un polycarbonate.

[0098] Le dispositif de référence comprend en outre :

- des moyens de détermination 30 d’au moins un paramètre d’intérêt pour chaque cellule de référence ;

- une unité de calcul implémentant un algorithme configuré pour déterminer une valeur d’un paramètre d’intérêt d’un dispositif photovoltaïque cible à partir de valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour chaque cellule de référence (unité de calcul non représentée).

[0099] La figure 2 représente une première variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 , et plus précisément des moyens de détermination 30. La figure 2 représente en détail une cellule photovoltaïque de référence 21 et un circuit électrique 31 relié à ladite cellule.

[0100] Le circuit électrique 31 représenté est un circuit fermé comportant un shunt, c’est-à-dire une résistance 310 placée en dérivation de valeur connue R-i. [0101] La cellule photovoltaïque de référence 21 ainsi reliée au shunt doit être maintenue proche de son état de court-circuit. La valeur R ₁ de la résistance doit être connue avec précision et doit être convenablement choisie, de manière connue de l’homme du métier. On choisit généralement une valeur de résistance définie pour que, sous l’éclairement maximum considéré, la tension aux bornes du shunt permette de rester dans la partie rectiligne de la courbe courant-tension, soit par exemple 50 mV. A titre d’exemple, si le courant est de 10 A sous l’éclairement maximum, une valeur convenable de résistance est de 5 mQ.

[0102] Des moyens de mesure (non représentés) de la tension aux bornes de la résistance sont prévus. Cette tension mesurée correspond à la tension du courant de court-circuit ou tension de court-circuit V| _CC de chaque cellule. On peut ainsi déterminer le courant de court-circuit l _cc selon la loi d’Ohm.

[0103] Ainsi, les moyens de détermination d’au moins un paramètre d’intérêt (ici le courant de court-circuit) comprennent les circuits électriques des cellules ainsi que les moyens de mesure de tension.

[0104] Chacune des autres cellules de référence est reliée à son propre circuit électrique qui est similaire au circuit électrique décrit dans ce qui précède.

[0105] Le dispositif de référence selon l’invention peut permettre de déterminer le courant de court-circuit (pouvant être désigné par raccourci par « éclairement >> bien qu’il ne s’agisse pas de la même grandeur) du dispositif cible en utilisant un algorithme implémenté dans l’unité de calcul. L’algorithme est configuré pour déterminer le courant de court-circuit du dispositif photovoltaïque cible à partir des courants de court-circuit des cellules de référence. Plus précisément, l’algorithme peut déterminer la meilleure combinaison des cellules de référence, en se basant sur la réponse spectrale de chacune desdites cellules de référence, pour s’approcher au plus près de la réponse spectrale du dispositif cible. Par exemple, l’algorithme peut déterminer que la réponse spectrale du dispositif cible est une combinaison linéaire des réponses spectrales des différents cellules de référence, et déterminer les coefficients de cette combinaison, et dans ce cas le courant de court-circuit du dispositif cible est la combinaison linéaire avec les mêmes coefficients des courants de court-circuit des cellules de référence. [0106] La figure 3 représente une deuxième variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 , et plus précisément des moyens de détermination 30. Cette deuxième variante diffère de la première variante en ce que le circuit électrique 31 relié à la cellule 21 comprend en outre un cavalier amovible 315 entre la résistance 310 et ladite cellule. Un tel cavalier amovible ainsi disposé sur un des conducteurs du circuit électrique permet de déterminer avec précision la valeur du courant de court-circuit de la cellule de référence 21 dans les conditions standards de test. Il est rappelé que le principe du cavalier est de rester fermé tant qu’il n’est pas nécessaire de faire cette mesure, il est enlevé et le circuit est ainsi ouvert pour permettre de réaliser cette mesure en mettant à la place un shunt bien défini. Notamment, il peut être utilisé par les laboratoires de métrologie accrédités pour réaliser de telles mesures, qui, pour plus de précision, mesurent directement le courant de court- circuit sans passer par la tension aux bornes du shunt.

[0107] Un tel cavalier peut être ajouté à un ou plusieurs des circuits reliés aux cellules photovoltaïques de référence du dispositif de référence.

[0108] En outre, cette caractéristique peut être combinée avec la troisième variante décrite dans ce qui suit.

[0109] La figure 4 représente une troisième variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 . Cette troisième variante diffère de la première variante en ce que le dispositif comprend en outre au moins un capteur de température 60 derrière la face arrière d’au moins une cellule photovoltaïque de référence.

[0110] Bien que cela ne soit pas représenté, chaque capteur est relié, de manière connue par l’homme du métier, par des fils aux appareils de mesure, le nombre de fils dépendant du type de capteur et du montage choisi.

[0111] Un capteur de température permet notamment de corriger en température les valeurs des courants de court-circuit et ainsi d’augmenter la précision des calculs. Cela permet de déterminer avec plus de précision les performances d’un ou de plusieurs dispositifs photovoltaïques cibles, notamment la puissance électrique.

[0112] La puissance électrique peut être déterminée en utilisant un modèle permettant de calculer, à partir de la valeur du courant de court-circuit et de la température, les valeurs de la tension en circuit ouvert, du courant, de la tension et de la puissance au point de puissance maximum. Il peut s’agir par exemple du modèle MotherPV décrit notamment dans la publication « Description of MotherPV, the new method developed at INES / CEA for the assessment of the energy production of photovoltaic modules », Guérin de Montgareuil, Antoine, 22 ^nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, 2007, Milano, Italy, 2007 >> et dans la publication « A new tool for the MotherPV method: modelling of the irradiance coefficient of photovoltaic modules », Guérin de Montgareuil, Antoine, Sicot , Lionel, Martin, Jean-Luc, Mezzasalma, Frédéric, Merten, Jens 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 2009, Hamburg, Germany, 2009.

[0113] Le capteur de température peut être un thermocouple, une thermistance, ou une sonde résistive (par exemple à base de platine, cuivre, alliages de nickel ou oxydes métalliques...).

[0114] Plusieurs capteurs de température peuvent être associés à plusieurs cellules de référence.

[0115] Nous allons maintenant décrire un exemple de méthode de conception d’un dispositif de référence conforme à l’invention, en référence à la figure 5. Cette méthode est décrite avec des cellules photovoltaïques de base de même technologie et avec un verre filtrant différent pour chaque cellule.

[0116] Il est à noter que la notion de technologie cible doit s’entendre au sens large, pouvant couvrir des technologies différentes de matériaux photovoltaïques, des différences d’implémentation au sein d’une même technologie de matériaux photovoltaïques, voire un mélange des deux aspects.

[0117] La méthode de conception représentée comprend les étapes suivantes, pour un nombre M de cellules photovoltaïques de référence (dans l’exemple M = 4) :

- étape 101 : définir les réponses spectrales de technologies cibles (et ainsi les domaines spectraux) ;

- étape 102 : définir une cellule photovoltaïque de base, typiquement la cellule photovoltaïque ayant la meilleure réponse spectrale (par exemple la plus élevée et la plus homogène possible) d’un large domaine spectral, typiquement le domaine spectrale recouvrant l’ensemble des domaines spectraux des technologies cibles (typiquement entre 280 et 1200 nm) ;

- étape 103 : lister N filtres disponibles (par exemple des verres filtrants disponibles dans un catalogue donné) et récupérer les caractéristiques de filtrage de ces N filtres, y compris les caractéristiques d’un filtre à très faible capacité de filtrage (par exemple verre très transparent ou à haute qualité optique), avec N > M et dans l’exemple N > 4 ;

- étape 104 : définir des spectres solaires de référence d'une journée ensoleillée (spectres lumineux de référence de la norme ou spectres lumineux mesurés) ;

- étape 105 : pour chaque technologie cible, déterminer le courant photogénéré lcc_cibie de la technologie cible pour l'ensemble des spectres solaires de référence considérés simultanément et faire les opérations suivantes :

-- étape 1051 : pour chaque technologie cible, sélectionner successivement toutes les combinaisons possibles de 4 filtres différents sur les N filtres disponibles pour être associés avec 4 cellules photovoltaïques de base ;

-- étape 1052 : pour chaque technologie cible et pour chaque combinaison de filtres, calculer les courants photogénérés Iccjntrage de chacune des 4 associations cellules photovoltaïques de base + filtre pour l'ensemble des spectres solaires de référence considérés simultanément ;

-- étape 1053 : pour chaque technologie cible, trouver la meilleure combinaison linéaire des 4 courants photogénérés l _cc jiitrage s’approchant le plus du courant photogénéré l _cc _cibie (en utilisant par exemple une méthode de régression linéaire multi-variables, comme sur Excel la fonction « droitereg >>) ;

-- étape 1054 : pour chaque technologie cible, déterminer l'erreur E obtenue pour la meilleure combinaison linéaire : par exemple en calculant :

-- étape 1055 : pour chaque technologie cible, enregistrer pour chaque combinaison de filtres la valeur de cette erreur E et trier les combinaisons de filtres en fonction de l'erreur obtenue par ordre croissant ; éventuellement tracer le graphe des erreurs ; et -- étape 1056 : retenir les P meilleures combinaisons de filtres (ayant les plus faibles erreurs) ; on peut noter pour chaque filtre le nombre d'apparitions dans les P meilleures combinaisons de filtres pour cette technologie cible ;

- étape 106 : déterminer les filtres qui apparaissent dans les P meilleures combinaisons de filtres obtenues pour toutes les technologies cibles et définir ainsi les 4 filtres ; à ce stade, on peut vérifier si une combinaison de filtres donne des erreurs plus faibles que d’autres pour l'ensemble des technologies cibles. [0118] A noter qu’on peut alternativement, après l’étape 1054, procéder de la façon suivante : pour chaque combinaison de filtres, on calcule comme erreur la moyenne quadratique des erreurs pour l'ensemble des technologies cibles ; alternativement, on peut calculer comme erreur la valeur maximum des erreurs pour l'ensemble des technologies cibles ; et on sélectionner la combinaison de filtres avec l’erreur calculée la plus faible.

[0119] En pratique, la méthode décrite ci-dessus a permis de définir, pour une cellule photovoltaïque de base en silicium monocristallin, quatre filtres adaptés, qui sont les filtres passe haut coupant à des longueurs d'onde autour de 400 nm, 500 nm, 800 nm et 1000 nm, qui caractérisent la différence entre une cellule monocristalline et d'autres technologies.

[0120] La méthode a été décrite en prenant des verres filtrants, mais il peut s’agir d’autres filtres, par exemple un polycarbonate.

[0121] Le dispositif selon l’invention est disposé idéalement le plus près possible du (ou des) dispositif(s) photovoltaïques cible(s) dont on cherche à suivre les performances, dans les mêmes dispositions (orientation, inclinaison, système de montage) et dans le même environnement que ledit dispositif, lorsque celui-ci est déjà en place, ou dans l’environnement projeté d’un dispositif photovoltaïque qui n’est pas encore en place.

[0122] En cas de suivi de performances d’un dispositif photovoltaïque en fonctionnement, il est possible de déterminer ou de corriger les coefficients de la fonction de correspondance, notamment de la combinaison linéaire, à partir de la connaissance de la réponse spectrale d’un dispositif photovoltaïque représentatif du dispositif photovoltaïque en fonctionnement ou à partir de la mesure directe du courant de court-circuit de ce dispositif photovoltaïque représentatif.

[0123] Lorsque le dispositif photovoltaïque ou l’installation photovoltaïque n’est pas encore installé(e), le dispositif selon l’invention est disposé de préférence dans le futur lieu d’installation, ou du moins dans un lieu représentatif.

[0124] Les différents modes présentés peuvent être combinés entre eux, selon toutes les combinaisons techniquement possibles.

[0125] Le dispositif de référence selon l’invention peut être configuré de différentes manières selon les applications et/ou utilisations visées, et notamment cela peut être :

- un dispositif photovoltaïque de référence configuré pour fournir à un utilisateur des évaluations de performance d’une seule technologie cible (dispositif dimensionné et algorithme préconfiguré pour une seule technologie cible) ;

- dispositif photovoltaïque de référence configuré pour fournir à un utilisateur des évaluations de performance de plusieurs technologies cibles (dispositif dimensionné et algorithme préconfiguré pour plusieurs technologies cibles), soit directement, soit moyennant une identification préalable par l’utilisateur de la technologie cible à l’unité de calcul ;

- dispositif photovoltaïque de référence configuré pour fournir à un utilisateur des évaluations de performance d’une ou plusieurs technologies cibles (dispositif dimensionné mais algorithme non préconfiguré), moyennant la fourniture par l’utilisateur à l’unité de calcul de spectres correspondant à la (ou les) technologie(s) cible(s) : ceci permet à un utilisateur d’utiliser le dispositif sans que les technologies cibles aient été définies lors de la fourniture du dispositif. L’algorithme est alors configuré pour calculer la meilleure combinaison des cellules photovoltaïques de référence du dispositif permettant de s’approcher au mieux de la réponse spectrale correspondant à une technologie cible donnée.

[0126] En outre, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation entrant dans la portée des revendications.