FR2945376A1 - Recepteur solaire hybride pour la production d'electricite et de chaleur et systeme solaire a concentration comportant un tel recepteur - Google Patents

Recepteur solaire hybride pour la production d'electricite et de chaleur et systeme solaire a concentration comportant un tel recepteur Download PDF

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Abstract

Le récepteur solaire hybride selon l' invention a pour objet pour générer simultanément de l'électricité et de la chaleur de façon optimale. Il comprend des cellules photovoltaïques (2) pour convertir les rayons solaires concentrés sur ces cellules en électricité et un caloduc (3) pour évacuer la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques (2) via un liquide caloporteur. La face arrière des cellules photovoltaïques (2). Le caloduc (3) a une zone d'évacuation thermique (3a) faisant l'office d'évaporateur pour évacuer la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques (2) et une zone de dissipation (3c) pour dissiper la chaleur qu'il absorbe, toute la face arrière (S2) des cellules photovoltaïques (2) étant posée sur et en contact avec la zone d'évacuation thermique (3a) du caloduc (3) via une couche d'interface double fonction (4) qui isole électriquement les cellules photovoltaïques (2) du caloduc (3), et qui a une résistance thermique inférieure à 7.10 m K/W, pour transmettre instantanément la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques (2) au liquide caloporteur du caloduc.

Description

Récepteur solaire hybride pour la production d'électricité et de chaleur et système solaire à concentration comportant un tel récepteur DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un récepteur solaire hybride, photovoltaïque et thermique, destiné à générer simultanément de l'électricité et de la chaleur en optimisant la surface de cellules photovoltaïques utilisée, particulièrement bien adapté à des usages domestiques. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Avec le développement, le secteur énergétique, au niveau mondial doit accompagner une demande croissante malgré une raréfaction des ressources, tout en répondant aux menaces du changement climatique induites par l'émission de gaz à effet de serre. Les changements dans les technologies utilisées, le basculement des sources conventionnelles vers les énergies renouvelables, dépendront évidemment du prix du kilowattheure produit. Aujourd'hui, avec les améliorations qui s'enchaînent, le rendement des panneaux solaires photovoltaïques est d'environ 15%. Ce rendement est évidemment encore bas et le prix de l'électricité produite est encore supérieur à celui de l'électricité produite par les voies traditionnelles, ce qui souvent amène les projets solaires photovoltaïques à n'exister qu'avec des subventions. Pour diminuer le coût de la technologie solaire photovoltaïque et pour récupérer la partie de chaleur à diffuser, il existe aujourd'hui des récepteurs solaires hybrides. Le brevet FR 2 727 790 concerne un module solaire hybride photovoltaïque et thermique. Un panneau photovoltaïque est utilisé pour produire de l'électricité, en même temps qu'un gaz est ventilé sous le panneau photovoltaïque pour le refroidir. Le gaz ainsi réchauffé cède sa chaleur en circulant au travers d'un échangeur. L'avantage d'un tel récepteur est qu'il permet d'extraire et de récupérer une partie de la chaleur accumulée sur le panneau photovoltaïque tandis que le ventilateur est alimenté par une partie de l'électricité produite par le panneau photovoltaïque. Cependant, l'inconvénient est que le flux gazeux d'extraction ne peut pas évacuer 2 rapidement et suffisamment la chaleur accumulée sur le panneau photovoltaïque, et donc, le rendement total n'est pas élevé, ce qui en limite l'usage. Le brevet WO 2006/038508 décrit un système solaire hybride en cogénération de chaleur et d'électricité qui utilise la partie évaporateur d'un caloduc pour récupérer la chaleur accumulée sur le panneau solaire photovoltaïque. Le caloduc a une structure de deux plaques dans laquelle un canal méandrique est ménagé, un fluide réfrigérant circulant dans ce canal. L'avantage de ce système est que le haut flux de chaleur transféré par le caloduc permet de maintenir le panneau photovoltaïque à une basse température. Cependant, ce système résulte de la simple superposition d'un panneau photovoltaïque classique et d'un caloduc : la dissipation de la chaleur du panneau photovoltaïque n'est pas optimisée à cause de la résistance thermique élevée de la face arrière du panneau photovoltaïque formé d'une couche de copolymère éthylène vinyle acétate, EVA dans la suite, et d'une couche de colaminé de fluorure de polyvinyle, de polyéthylène de téréphtalate commercialisé sous la marque TEDLAR . De plus, le canal méandrique du caloduc est prévu pour augmenter la surface d'échange, mais cette structure limite la circulation du fluide caloporteur dans le caloduc. Un tel système ne peut fonctionner qu'à une basse intensité solaire, car quand l'intensité solaire est élevée, le canal méandrique empêche la circulation du fluide caloporteur vers le condenseur et finalement le caloduc ne peut pas fonctionner correctement. Enfin avec une structure à deux plaques avec un canal méandrique, la surface d'échange thermique du caloduc est indépendante de la surface des cellules photovoltaïques et il y a un risque de non homogénéité de la température sur la surface des cellules photovoltaïques.
Aujourd'hui, la problématique des récepteurs solaires hybrides en cogénération d'électricité et de chaleur est qu'il y a un conflit entre la température moyenne efficace des cellules photovoltaïques et celle du récepteur thermique. En effet la plupart des cellules photovoltaïques fonctionnent mieux quand leur température est autour de celle de l'environnement, mais pour une bonne efficacité thermique, on a souvent besoin d'une température plus élevée. A cause de la relativement basse intensité des rayons solaires et le bas niveau 3 de rendement des cellules photovoltaïques environ 15%, si on augmente la température moyenne des cellules photovoltaïques pour pouvoir récupérer de l'énergie thermique à haute température, la puissance crête des cellules photovoltaïques décroît fortement (0.4%/°C) et le rendement de production est encore plus mauvais. En conséquence,pour éviter le problème de surchauffe de la cellule photovoltaïque, la solution la plus connue est de refroidir cette cellule photovoltaïque par une ventilation naturelle ou artificielle placée au-dessous du panneau photovoltaïque, la chaleur n'etant pas alors récupérée et étant rejetée dans l'environnement. En résumé, les récepteurs solaires photovoltaïques à cogénération d'électricité et de chaleur ne sont que des juxtapositions qui ne permettent pas du tout d'optimiser la génération simultanée d'électricité et de chaleur à partir du rayonnement solaire. Par ailleurs, un autre aspect économique joue un rôle important pour les produits d'énergie solaire et la technologie appliquée. Dans les panneaux solaires photovoltaïques classiques, les cellules photovoltaïques comptent pour environ 70% du coût total du panneau.
Une meilleure utilisation du silicium de la cellule photovoltaïque contribue à diminuer le coût total du panneau. La technologie de concentration solaire est un moyen de diminuer la surface de cellules photovoltaïques nécessaire et donc la quantité de matériau silicium nécessaire. Cependant la concentration conduit à une élévation de la température de la cellule photovoltaïque très importante dans la mesure où le rendement des cellules est de l'ordre de 15% seulement, 85% du rayonnement solaire étant dissipé en chaleur. De plus, comme indiqué ci-dessus une cellule photovoltaïque fonctionne mieux quand sa température est autour de la température ambiante (sauf avec des cellules mettant en oeuvre du silicium amorphe). En conséquence, il est nécessaire de dissiper la chaleur pour maintenir la température de la cellule photovoltaïque et éviter qu' elle ne s' élève à des valeurs où son rendement se dégrade. Pour résoudre le problème de surchauffe éventuelle dans les systèmes solaires hybrides sans concentration, la solution est souvent de coller un échangeur thermique directement sous le panneau photovoltaïque. Cependant, les couches au-dessous des cellules photovoltaïques dans le panneau photovoltaïque sont constituées de 4 matériaux qui ont très grande résistance thermique, tels que l'EVA et le TELDAR. Ces couches sont des composants essentiels pour le panneau solaire photovoltaïque classique qui ne peuvent pas être enlevées. Compte tenu de l'intensité d'ensoleillement relativement basse, la chaleur à dissiper n'est pas très importante et la ventilation sous un panneau photovoltaïque classique est suffisante pour réguler la surchauffe éventuelle. Par contre, dans un système solaire photovoltaïque à concentration, le problème de surchauffe des cellules photovoltaïque est crucial : la solution classiquement adoptée est de combiner un échangeur thermique avec une surface d' échange beaucoup plus grande que celle des cellules photovoltaïques. L'échangeur thermique est placé sous les cellules photovoltaïques avec un fluide caloporteur qui circule à l'intérieur. La surface d'échangeur thermique est très grande et sa capacité d'échange thermique par unité de surface n'est pas élevée, la température du fluide caloporteur reste donc assez basse. Le brevet WO 2004/042828 concerne un tel système de refroidissement par l'air à la température ambiante d'un système photovoltaïque à concentration. Dans ce système, les cellules photovoltaïques sont attachées à un caloduc de forme spéciale par une couche adhésive de conductivité thermique, une couche intermédiaire en métal et une plaque élastique, ou par une couche adhésive de conductivité thermique, une couche intermédiaire en métal, une couche adhésive de conductivité thermique (ou une couche de brasure) et une plaque élastique. Un tel système a beaucoup d'inconvénients : d'abord, les cellules photovoltaïques ne sont pas protégées contre l'air et l'humidité et sont donc corrodables ; de plus, avec la concentration du rayonnement solaire, le courant d'électricité produite est élevé et il y a une risque de conduction électrique entre les cellules et le caloduc puisque les couches intermédiaires ne sont que des couches de conductivité thermique et métal(conducteur électrique); ensuite, les couches intermédiaires sont attachées mécaniquement au caloduc par une plaque élastique, et ceci pose un problème mécanique sur les cellules photovoltaïques car il y a un risque d'écrasement des cellules photovoltaïques par la force différentielle créée par une température non-homogène ; enfin, ce système ne sert que refroidir les cellules par l'air avec une surface considérable d'échange thermique et ne peut pas produire de liquide caloporteur chaud L'objet de l'invention est de proposer une solution innovante pour résoudre la problématique contradictoire de la température 5 versus le rendement des cellules photovoltaïques dans un système solaire photovoltaïque à concentration minimisant la surface de matériau photovoltaïque(silicium), qui permet en même temps de produire de la chaleur à une température directement adaptée à la production d'eau chaude à usage domestique, dans un récepteur solaire hybride photovoltaïque et thermique particulièrement efficace pour la production simultanée d'électricité et de chaleur. Selon l'invention, le récepteur solaire hybride destiné aux systèmes solaires à concentration , pour générer simultanément de l'électricité et de la chaleur, du type comprenant des cellules photovoltaïques pour convertir les rayons solaires concentrés sur ces cellules en électricité et un caloduc pour évacuer la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques (2) via un liquide caloporteur, est caractérisé en ce que : - les cellules photovoltaïques ont une face avant (Si) pour 20 accueillir les rayons solaires concentrés et une face arrière(S2) au dos de la face (Si); - le caloduc a une zone d'évacuation thermique faisant l'office d'évaporateur pour évacuer la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques et une zone de dissipation pour dissiper la chaleur 25 qu'il absorbe,toute la face arrière (S2) des cellules photovoltaïques étant en contact avec la zone d'évacuation thermique du caloduc via une couche d'interface double fonction qui isole électriquement les cellules photovoltaïques du caloduc et qui a une résistance thermique inférieure à 7.10-4 m2K/W, pour transmettre instantanément la 30 chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques au liquide caloporteur du caloduc ; - toute la surface des cellules photovoltaïques, sauf la face arrière (S2), étant recouverte d'une couche d'encapsulation; - une plaque transparente est déposée sur la couche 35 d'encapsulation; - l'ensemble formé par la plaque transparente, la couche d' encapsulation les cellules photovoltaïques et la couche d'interface étant fixé sur le caloduc.
PRESENTATION DES FIGURES L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description 5 suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels les mêmes références désignent les mêmes éléments et où: - la figure 1 est un schéma en perspective, d'un mode de réalisation d'un récepteur solaire hybride selon l'invention destiné aux systèmes solaires à concentration linéaire avec un caloduc de 10 section semi circulaire; - la figure 2a est un schéma éclaté des composants d'un panneau solaire photovoltaïque classique. - la figure 2b est un schéma éclaté des composants d'un panneau solaire hybride selon l'invention. 15 -la figure 3a est un schéma en perspective de récepteur solaire hybride destiné aux systèmes solaires à concentration linéaire illustrée dans la figure 1 en revêtant un tube clos et en connectant avec un échangeur d'extraction selon l'invention. -la figure 3b est un schéma d'une vue en coupe A-A de la figure 20 3a ; - la figure 4a est un schéma en perspective, d'un mode de réalisation d'un récepteur solaire hybride destiné aux systèmes solaires à concentration linéaire avec un caloduc de section rectangulaire selon l'invention ; 25 -la figure 4b est un schéma d'une vue en coupe A-A de la figure 4a. - la figure 5a est un schéma en perspective, d'un mode de réalisation d'un récepteur solaire hybride destiné aux systèmes solaires à concentration linéaire avec un caloduc de section 30 circulaire selon l'invention ; - la figure 5b est un schéma d'une vue en coupe A-A de la figure 5a. - la figure 6a est un schéma en perspective, d'un mode de réalisation d'un récepteur solaire hybride destiné aux systèmes 35 solaires à concentration linéaire, avec un caloduc de section circulaire ayant des ailettes, selon l'invention ; - la figure 6b est un schéma d'une vue en coupe A-A de la figure 6a. 7 - La figure 7a est un schéma en perspective d'un mode de réalisation d'un récepteur solaire hybride selon l'invention associé à un concentrateur solaire tel que décrit dans le brevet WO2008132300. - La figure 7b est un schéma d'une vue en coupe A-A de la figure 7a où est représentée la trajectoire d'un faisceau solaire parallèle dans tel concentrateur.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La présente invention permet d'apporter une solution simple et efficace pour diminuer le coût de la technologie de l'énergie solaire par la voie de la concentration solaire et de générer simultanément de l'électricité et de la chaleur entre 45°C à 150°C pour répondre à la plupart de besoins quotidiens. Le récepteur solaire hybride selon l'invention est destiné en particulier aux systèmes solaires à concentration linéaire. Un système solaire à concentration est dit linéaire lorsque les rayons solaires sont concentrés sur une ligne ou une petite bande linéaire : c'est par exemple, un système solaire à concentration à parabole cylindrique, un système solaire à concentration à miroir de Fresnel, un système solaire à concentration à lentille cylindrique, ou un concentrateur solaire tel que décrit dans le brevet WO2008132300. Si des cellules photovoltaïques sont appliquées directement sur la zone de concentration d'un tel concentrateur qui peut concentrer environ 20 fois l'intensité d'ensoleillement, les solutions classiques d'évacuation de la chaleur produite se révèlent notablement insuffisantes pour éviter la surchauffe des cellules photovoltaïques.
L'invention concerne un récepteur solaire hybride particulièrement bien adapté à l'utilisation d'un tel concentrateur linéaire, mais est également applicable à d'autres systèmes à concentration.35 8 A cette fin, selon la présente invention et en référence à la Figure 1, le récepteur solaire hybride destiné en particulier aux systèmes solaires à concentration linéaire du type précité, comporte des cellules photovoltaïques (2) qui ont une face avant(S1) pour recevoir les rayons solaires concentrés, et une face arrière (S2) pour évacuer la chaleur accumulée. Un caloduc (3) a une zone d'évacuation thermique (3a) utilisée pour extraire la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques(2) et une zone de dissipation (3c) pour dissiper la chaleur qu'il absorbe : toute la face arrière des cellules (S2) est positionnée en contact avec la zone d'évacuation thermique (3a) du caloduc (3) via une couche d' interface double fonction (4) qui isole électriquement les cellules photovoltaïques (2) du caloduc (3) et qui possède également une résistance thermique inférieure à 7.10-4 m2K/W permettant d'évacuer instantanément la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques (2). Cette couche d'interface (4), isolante électriquement et conductrice thermiquement, est une couche de matériau céramique, par exemple, une couche de composé époxyde chargée en nitrure d'aluminium (AIN), ou une couche d' oxyde de béryllium (BeO) , ou de silicone. Toute la surface des cellules photovoltaïques (2), sauf la face arrière (S2) recouverte de la couche d'interface double fonction (4) est recouverte d'une couche d'encapsulation (5). Une plaque transparente 9, est déposée sur la couche d'encapsulation(5) et la plaque transparente 9 est fixée sur l'échangeur thermique (3) ayant un vide d'air autour desdites cellules photovoltaïques (2) par des moyens dans le domaine de compétence de l'homme du métier. La zone de dissipation (3c) a des ailettes (11) sur sa surface pour augmenter la surface d'échange thermique ; la zone de dissipation (3c) est connectée à un échangeur d'extraction de chaleur(7) alimenté en un fluide caloporteur entrant froid selon 7a et ressortant chaud selon 7b, en évacuant la chaleur absorbée par le caloduc(3). De manière classique, les cellules photovoltaïques (2) sont formées soit à base de silicium, multi cristallin, monocristallin ou amorphe, en une ou des couches minces de silicium, en hétéro-structure à base de silicium amorphe et silicium cristallin, ou par silicium nanocristallin, soit à base de tellurure de cadmium et de séléniure de cuivre indium, soit à base de matériaux organiques. Elles sont connectées soit en série, soit en parallèle, soit couplées 9 en série et en parallèle, et sont munies de deux conducteurs électriques pour conduire l'électricité produite à l'extérieur. La couche d'encapsulation(5) peut être constituée d'une membrane de copolymère d'éthylène/vinyle acétate (EVA), ou polyvinyl butyral(PVB), ou EVA amélioré (dopé des particules métaux pour augmenter son conductivité thermique sans provoquer la conductivité électrique), ou PVB amélioré (dopé des particules métaux pour augmenter son conductivité thermique sans provoquer la conductivité électrique).
La plaque transparente (9) peut être en verre, en verre trempé ou en plastique. La surface de la plaque transparente (9) est traitée de façon à posséder une capacité anti-réflexion pour que le maximum de rayons puisse atteindre les cellules photovoltaïques. La couche d'interface double fonction (4) peut être composée du même matériau que la couche (5) d'encapsulation pour un tau de concentration solaire inférieure à 5 fois pour laquelle la chaleur à dissiper et la dilatation liée à la température ne sont pas très importantes. La couche d'interface double fonction (4) peut être une double-couche de la couche (5) d'encapsulation et une couche de céramique citée précédemment pour un tau de concentration solaire supérieur à 5 fois pour laquelle la chaleur à dissiper et la dilatation liée à la température sont plus importantes. Cependant, la couche(4) de préférence est une couche de céramique citée précédemment.
La zone de dissipation (3c) est instrumentée d' ailettes (11) pour intensifier l'échange thermique et la forme des ailettes (11) est adaptée en fonction de la qualité d'intensification d'échange. Toute la surface du caloduc, à l'exception de la surface de contact avec la face arrière (S2) des cellules et sauf la surface de la zone de dissipation (3c) est recouverte d'un matériau dont le coefficient d'absorption de rayonnement est supérieur au coefficient d'émission de rayonnement.
Comme la figure 2a le montre, les couches superposées dans un module solaire photovoltaïque classique se composent de : 111), Vitre en verre trempé ; 112) et 1140), Feuilles d'encapsulation en EVA ; 113), cellules photovoltaïques ; 1150,Laminé de TPT(Tedlar - Polyéthylène téréphtalaque -Tedlar). i0 Dans un tel panneau solaire photovoltaïque classique de 1482x676mm, les épaisseurs et les rôles des couches qui le composent peuvent être décrits comme suit: - 111 verre trempé d'épaisseur3mm : rôles 1) protéger l'EVA contre l'air et l'humidité extérieur; 2) servir de couverture pour protéger la cellule PV contre les éléments naturels, par exemple la grêle; 3) assurer la transmission de la lumière;-112 Feuille d'encapsulation EVA de 0, 4mm d'épaisseur: Rôles 1) encapsuler la cellule PV; 2) coller la couche verre trempé avec la cellule PV; 3) amortisseur pour la dilatation de cellule PV en cas de changement de température; 4) assurer la transmission de la lumière; 5) résistivité électrique très élevée pour former un très bon isolant électrique; - 113 Cellules photovoltaïques : Générer de l'électricité - 1140 Feuille d'encapsulation EVA de 0,4mm : rôles 1) encapsuler la cellule PV ; 2) coller la cellule PV avec la couche TPT ; 3) amortir la dilatation des cellules PV en cas de changement la température; -1150 Laminé de TPT de 0,25mm : rôle protéger contre l'humidité.
Par opposition, comme la figure 2b le montre, les couches superposées dans un récepteur solaire hybride selon l'invention se composent de : 111), Vitre en verre trempé ; 112), Feuille d'encapsulation EVA ; 113), cellules photovoltaïques ; 1141), Feuille d'encapsulation EVA et/ou laminé de céramique de faible résistance thermique (inférieure à 7. 10-4 m2 K/W) et d'isolation électrique ; ou pâte de silicone ; 1151), caloduc pour évacuer la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques. Dans un tel récepteur solaire hybride selon l'invention de 30 1500x20mm, les épaisseurs et les rôles des couches le composant peuvent être décrits comme suit: - 111 verre trempé d'épaisseur inférieure à 2mm : rôles: 1) protéger l'EVA contre l'air et l'humidité; 2) servir de couverture pour protéger la cellule PV contre les éléments naturels par exemple 35 la grêle; 3) assurer la transmission de la lumière; - 112 Feuille d'encapsulation EVA de 0,4mm d'épaisseur: Rôlesl) encapsuler la cellule PV; 2) coller la couche verre trempé avec la cellule PV; 3) amortir la dilatation des cellules PV en cas de changement de température; 4) assurer la transmission de la lumière; 11
5) résistivité électrique très élevée pour former un très bon isolant électrique; -113 Cellules photovoltaïques : 1) Générer de l'électricité; 2) générer de la chaleur; -1141 Feuille d'encapsulation EVA et/ou laminé de céramique: rôles 1) encapsuler la cellule PV ; 2) coller la cellule PV avec le caloduc; 3) amortir la dilatation des cellules PV en cas de changement de température; 4) résistivité électrique très élevée pour former un très bon isolant électrique; 5) conduire la chaleur via une bonne conduction thermique; -1151 Caloduc en demi-cylindre de diamètre 20 mm et de 1800mm de longueur: rôlesl) refroidir les cellules PV; 2) transporter la chaleur; 3) protéger ensemble de la couche EVA et les cellules photovoltaïques contre l'humidité.
Ceci montre que les épaisseurs et les rôles des couches constituées dans les deux systèmes ne sont pas identiques même lorsqu'elles sont constituées des mêmes matériaux, ceci résultant des caractéristiques physiques des matériaux choisis pour permettre la dissipation de chaleur dans un tel système solaire à concentration, et également des valeurs caractéristiques des différents matériaux utilisés rappelées ci-dessous ( valeurs générales à une température 30 D'après les valeurs ci-dessus, dans le panneau photovoltaïque 35 classique, la somme des résistances thermiques est égale à : - en face avant de la cellule PV Résistances (Verre+EVA)=2,73.10-3+6,7.104 =3, 4.10-3 [W • m-1 • K-1 ] pour une épaisseur de verre de 3mm (3.10-3m) et une épaisseur d'EVA de 0,4mm (4.10-4m) ; de 20°C) : Conductivité thermique* épaisseur Résistance thermique A [W•m-1•K-1] mm e/À [m2-K-W-1] verre 1,1 3 2,73.10-3 EVA 0,6 0,4 6,7.10-4 Silicium PV 150 0,18 1,2.10-6 Pâte de silicone 1,5 0,2 1,3.10-4 Al2O3 39 0,2 5,1.10-6 BeO 218 0,2 9,2.10-7 A1N 170 0,2 1,2.10-6 TELDAR 0,033 0,254 7,7.10-3 12 - en face arrière de la cellule PV Résistances (EVA+TELDAR) = 6,7.10-4+7,7.10 3 =8, 37.10-3 [W•m-1•K-1] pour une épaisseur d'EVA de 0,4mm et pour une épaisseur de TELDAR de 0,254mm.
La résistance thermique en face arrière est 2,46 fois plus élevée que celle de la face avant. En pratique, le verre et le TEDLAR se comportent comme des isolants thermiques. Si un module photovoltaïque classique était utilisé dans un système solaire à concentration linéaire de taux de concentration 20 sans évacuation de chaleur, la température de la face arrière monterait à plus de 750°C,et détruirait le module. Même si un caloduc est utilisé pour évacuer la chaleur, du fait de la résistance thermique très élevée du TEDLAR (7,7.10-3 W•m-1•K-1 pour une épaisseur de 2,54.10-4m), la température de la face arrière montera encore à plus de 200°C et le module se dégradera. Une caractéristique essentielle de l'invention est donc de diminuer la résistance thermique de la couche en face arrière des cellules photovoltaïques, et pour ce faire, d'enlever la couche TEDLAR et de la remplacer par une couche d'un matériau de meilleure conductivité thermique : sans la couche TEDLAR, la température de la face arrière atteindra entre 100°C et 150°C avec une dissipation de chaleur par un caloduc. L'EVA n'est pas un matériau idéal pour conduire la chaleur, mais il peut malgré tout être maintenu. Néanmoins, dans un mode de réalisation vraiment optimal, la couche d'EVA sera aussi remplacée par un matériau de moindre résistance thermique. En résumé, la performance de fonctionnement d'un récepteur solaire hybride selon l'invention est fonction du taux de concentration du rayonnement sur les cellules photovoltaïques et de la résistance thermique entre la cellule photovoltaïque et l'échangeur thermique, pour évacuer la chaleur accumulée sur la zone des cellules photovoltaïques. Pour chaque taux de concentration du rayonnement solaire, le choix du matériau pour les couches intermédiaires et celui de l'échangeur thermique sont adaptés pour évacuer la chaleur des cellules en la transférant à une température maximum de l'ordre de 90°C à 120°C, adaptée aux usages domestiques. Dans un mode de réalisation, en prenant compte du taux de concentration solaire du concentrateur, pour recevoir tous les 13 rayons concentrés sans augmenter le diamètre du caloduc (3), on peut rajouter des ailettes (10) sur l'échangeur thermique (3). La longueur d'ailette ne dépasse pas la taille de rayon extérieur du caloduc (3) pour que l'écart de la température entre le caloduc et le bord d'ailette ne soit pas trop élevé. Si cet écart de température ne dépasse pas 5°C, on peut déposer des cellules photovoltaïques sur les ailettes (10) si nécessaire. Le récepteur solaire hybride destiné aux systèmes solaires à concentration linéaire (1) selon l'invention peut revêtir la forme d'un tube pour étancher la partie où se situe les cellules photovoltaïques (2) et diminuer la perte thermique par infrarouge. Le tube peut être un tube simple paroi sous-vide. Le tube peut être un tube de double-paroi sous vide dont l'intérieur est en dépression, ou rempli avec de l'air sec exempt d'oxygène, ou d'un gaz inerte.
Le tube peut contenir des produits dessicatifs ou antioxydants. L'électricité nécessaire pour alimenter le moteur d'asservissement pour le suivi du soleil (tracking permettant de maintenir le rayonnement du soleil concentré sur une bande linéaire de cellules photovoltaïques quelle que soit la position du soleil par rapport au récepteur) et/ou pour la pompe de fluide caloporteur du caloduc peut être fournie par le récepteur lui-même, ou par une batterie de stockage d'électricité. Ainsi, la structure du récepteur solaire hybride destiné aux systèmes solaires à concentration linéaire (1) selon l'invention a 25 les avantages suivants : - le récepteur utilisant un système solaire à concentration possède une surface réduite pour accueillir les rayons solaires : la quantité de matériau photovoltaïque nécessaire pour recevoir les rayons solaires est très diminuée par rapport aux systèmes à panneaux 30 classiques sans concentration et le coût d'investissement sur ce matériau est moins élevé. - le récepteur produit de l'électricité et en même temps permet de récupérer de la chaleur pour produire notamment l'eau chaude sanitaire. Le rendement total est donc plus élevé, et c'est une très 35 bonne solution pour les installations avec une surface ensoleillée limitée. - le récepteur augmente la chaleur à dissiper sur la surface des cellules. De ce fait il devient plus intéressant de la récupérer 14 pour produire, par exemple, de l'eau chaude sanitaire à une température élevée. - selon l'invention, toute la surface des cellules photovoltaïques est en contact avec la surface d'échange du caloduc.
L'utilisation de la technique de caloduc permet de transférer la chaleur immédiatement et permet de fonctionner en quasi isotherme. De ce fait la température de toute la surface des cellules photovoltaïques est maintenue quasi uniforme et il y a donc moins de risques de rupture des cellules photovoltaïques par les contraintes engendrées par les différentiels de température : la durée de vie des cellules photovoltaïques peut donc être beaucoup plus longue et garantie. - la perte thermique est proportionnelle à la surface de transfert de chaleur et le rendement photovoltaïque est proportionnel à l'intensité de flux du rayonnement solaire. L'invention met en oeuvre une surface beaucoup réduite pour absorber les rayons solaires, donc le rendement de cellule photovoltaïque est plus élevé et la perte thermique est moins importante. - la surface pour capter les rayons solaires est réduite par 20 rapport aux panneaux solaires photovoltaïques classiques, et la maintenance et l'entretien sont donc réduits.
La jonction entre couches est très importante car il faut éviter l'air et l'humidité entre deux couches. Pour ce faire, un procédé 25 de fabrication de ce récepteur solaire hybride 1 selon l'invention peut être effectué selon les étapes suivantes : 1. Une pièce de céramique de Nitrure d' aluminium, AIN, de forme parallélépipède d'épaisseur de 2 à 6.10-4 m, est polie jusqu'à la finesse 0,15 0,3 pm, puis est nettoyée à l'acétone et placée dans 30 un four à 1200°C pendant 12heures avec une quantité d'oxygène maîtrisée pour obtenir une laminé de 4pm d'alumine Al2O3. Ensuite, la céramique est refroidie à 1000°C avec une vitesse de refroidissement 5°C par minute, puis la céramique est transférée dans une enceinte sous vide. 35 2. un tube en cuivre avec une surface plane qui est polie jusqu' à 0.15 0.3 pm, puis est nettoyée à l'acétone, est chauffé à 1000°C pendant une heure dans plein d' air pour obtenir une laminé 4pm d' oxyde 15 de cuivre, Cu2O, sur la surface plane. En suite, le tube est transféré dans l'enceinte sous vide. 3. la céramique pré-oxydée résultant de l'étape 1 est mise sur le tube pré-oxydé résultant de l'étape 2, puis ils sont réchauffés à une température supérieure à celle du système eutectique de cuivre et oxyde de cuivre (soit environ 1065°C), mais inférieure à celle de fusion de cuivre (soit 1084°C) pendant 3 minutes dans cette enceinte sous vide pour obtenir une jonction forte de Cu-Cu2O/Al2O3-A1N. Ensuite, ils sont refroidis à 1000°C avec une vitesse de refroidissement 5°C par minute, puis ils sont refroidis jusqu'à 120°C avec une vitesse de refroidissement 10°C par minute. 4. Le tube est ensuite rempli de fluide caloporteur et fermé en ses deux extrémités pour former un caloduc par des procédés standard de fabrication de caloduc. 5. Ensuite, une couche d'EVA, la couche de cellules photovoltaïques et un verre sont déposés sur la céramique, puis ils sont chauffés ensemble à 120-150°C pour fondre l'EVA et se coller ensemble. Le verre est fixé sur le caloduc par des techniques de l'homme de métier.
Ce procédé de fabrication du récepteur selon l'invention n'est qu'un exemple de réalisation.
Le récepteur solaire hybride 1 peut revêtir la forme d'un tube 8 clos pour étancher la partie où se situe lesdites cellules 25 photovoltaïques 2, comme la figure 3a le montre. La figure 3b montre la section A-A de la figue 3a. La structure intérieure dudit caloduc peut avoir des rainures faisant l'office de structure capillaire, mais il peut avoir autres structures capillaires (non représentées) permettant de drainer le flux 30 thermique pour intensifier le transfert thermique. La figure 4a montre un deuxième mode de réalisation avec un caloduc ayant une section rectangulaire. La zone d'évacuation thermique (3a) a quatre surfaces planes, et la surface S2 est posée sur et en contact avec une des quatre surfaces planes de la zone 35 d'évacuation thermique (3a) dudit caloduc 3 par l'intermédiaire d'une couche 4. La figure 4b montre la section A-A de la figue 4a. La structure intérieure du caloduc peut avoir des rainures faisant office de 16 structure capillaire, mais il peut avoir d'autres structures capillaires (non représentées) permettant de drainer le flux thermique pour intensifier le transfert thermique. La figure 5a montre un troisième mode de réalisation avec un caloduc ayant une section circulaire. La zone d'évacuation thermique (3a) est un cylindre, et la surface S2 est sur et en contact avec la surface cylindrique de la zone d'évacuation thermique (3a) par l'intermédiaire de la couche 4. La figure 5b montre la section A-A de la figure 5a. La structure intérieure dudit caloduc peut avoir des rainures faisant office de structure capillaire, mais il peut avoir autres structures capillaires (non représentées) permettant de drainer le flux thermique pour intensifier le transfert thermique. La figure 6a présente un autre mode de réalisation avec un caloduc ayant une section circulaire et ayant des ailettes. La zone d'évacuation thermique (3a) est un cylindre avec une ailette à chaque côté de tube. La surface S2 est sur et en contact avec la surface cylindrique de la zone d'évacuation thermique (3a) par l'intermédiaire de la couche 4. La surface S2 peut être posée sur et en contact avec lesdites ailettes. La figure 6b montre la section A-A de la figue 6a. La structure intérieure du caloduc peut avoir des rainures faisant office de structure capillaire, mais il peut avoir autres structures capillaires (non représentées) permettant de drainer le flux thermique pour intensifier le transfert thermique. La figure 7a montre récepteur solaire hybride selon l'invention comportant un concentrateur solaire (100) tel que décrit dans le brevet WO2008132300. le concentrateur concentre les rayons sur le foyer image final (FIF),le récepteur solaire hybride selon l'invention est placé au foyer FIF et suit le mouvement du foyer FIF. La face avant des cellules photovoltaïques est tournée vers le fond du concentrateur pour recevoir les rayons concentrés. La figure 7b montre la section A-A de la figure 7a. Un faisceau solaire parallèle représenté par les rayons R1 et R2 frappe sur le concentrateur solaire (100). Le faisceau traverse la lentille en se réfractant puis est réfléchi par les miroirs latéraux et le miroir de fond, pour se concentrer finalement au foyer image final (FIF) où le récepteur solaire hybride (1) selon l'invention est placé.
17 A titre d'exemple, pour un concentrateur solaire (100) tel que décrit dans le brevet WO2008132300 ayant par exemple une surface d'ensoleillement de 40cm x 100cm, les rayons solaires qui frappent le concentrateur sont concentrés sur son foyer image finale sur une bande de 2cmx100cm où le récepteur solaire hybride est placé. Le récepteur solaire hybride est composé d'une bande de cellules photovoltaïques ayant une surface 2cmxl00cm et un caloduc de section semi-circulaire dont la zone d'évacuation thermique (3a) aune surface de contact avec la bande de cellules qui est aussi 2cmx100cm et dont la zone de dissipation (3c) est connectée avec un échangeur thermique pour évacuer la chaleur condensée. Pour plus détailler les dimensions des éléments représentés sur la figure 1, la zone de dissipation (3c) est de 15cm de longueur ; la zone adiabatique 3b entre la zone d'évacuation thermique (3a) et la zone de dissipation (3c) est de 15cm de longueur. Donc la longueur de caloduc est de 100cm+15cm+15cm=130cm. Il est bien entendu que ces valeurs ne sont données qu'à titre d'exemple non limitatif, pour permettre de bien comprendre le principe de l'invention.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Récepteur solaire hybride destiné aux systèmes solaires à concentration (1), pour générer simultanément de l'électricité et de la chaleur, du type comprenant des cellules photovoltaïques (2) pour convertir les rayons solaires concentrés sur ces cellules en électricité et un caloduc (3) pour évacuer la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques (2) via un liquide caloporteur, caractérisé en ce que : - les cellules photovoltaïques (2) ont une face avant (S1) pour 10 accueillir les rayons solaires concentrés et une face arrière(S2) au dos de la face (S1); - le caloduc(3) a une zone d'évacuation thermique (3a)faisant l'office d'évaporateur pour évacuer la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques (2) et une zone de dissipation(3c) pour 15 dissiper la chaleur qu'il absorbe,toute la face arrière (S2) des cellules photovoltaïques (2) etant posée sur et en contact avec la zone d'évacuation thermique (3a) dudit caloduc (3) via une couche d'interface double fonction (4) qui isole électriquement les cellules photovoltaïques (2) du caloduc (3) et qui a une résistance thermique 20 inférieure à 7.10-4 m2K/W, pour transmettre instantanément la chaleur accumulée sur les cellules photovoltaïques (2) au liquide caloporteur du caloduc ; - toute la surface des cellules photovoltaïques (2), sauf la face arrière (S2), étant recouverte d'une couche (5) d'un produit 25 d'encapsulation ; - une plaque transparente (9) est déposée sur la couche (5) ; - l'ensemble formé par la plaque transparente 9, les cellules photovoltaïques (2) et les couches intermédiaires etant fixé sur le caloduc (3). 30
  2. 2. Récepteur solaire hybride selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau constituant la couche d'interface double fonction (4) est choisi parmi l'EVA, un matériau céramique, une association d'EVA et de matériau céramique, une pâte de silicone.
  3. 3. Récepteur solaire hybride selon la revendication 2, caractérisé 35 en ce que le matériau céramique est choisi parmi le nitrure d' aluminium AIN, l'oxyde de beryllium BeO, et l'alumine Al2O3.
  4. 4. Récepteur solaire hybride selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche 18 19 d'encapsulation (5) est choisi parmi l'EVA, le PVB, l'EVA amélioré, le PVB amélioré.
  5. 5. Récepteur solaire hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de dissipation (3c) a des ailettes (11) sur sa surface pour augmenter la surface d'échange thermique et la zone de dissipation (3c) est connectée à un échangeur d'extraction (7) alimenté en un fluide caloporteur.
  6. 6. Récepteur solaire hybride selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que toute la surface du caloduc (3), sauf la surface de contact avec la face arrière (S2) des cellules photovotaïques et la surface de la zone de dissipation (3c), est recouverte d'un matériau dont le coefficient d'absorption de rayonnement est supérieur au coefficient d'émission de rayonnement.
  7. 7. Récepteur solaire hybride destiné aux systèmes solaires à concentration linéaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, la section extérieure de la zone d'évacuation thermique (3a) est semi circulaire avec une surface plane, et la face arrière (S2) des cellules photovoltaïques fait face à cette surface plane de la zone d'évacuation thermique (3a) à laquelle elle est liée via la la couche d'interface double fonction (4).
  8. 8. Récepteur solaire hybride (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la section extérieure de la zone d'évacuation thermique (3a) est rectangulaire, l'une des quatre surfaces planes et la face arrière (S2) des cellules photovoltaïques étant en contact via la couche d'interface double fonction (4).
  9. 9. Récepteur solaire hybride (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, la section extérieure de la zone d'évacuation thermique (3a) est circulaire, la face arrière (S2) des cellules photovoltaïques étant en contact avec la surface extérieure de la zone d'évacuation thermique (3a) cylindrique via la couche d'interface double fonction (4).
  10. 10. Récepteur solaire hybride (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le caloduc (3) a une ailette (10) de chaque côté de la zone d'évacuation thermique (3a).
  11. 11. Récepteur solaire hybride (1) selon les revendications 1 et 10, la plaque transparente (9) est traitée de façon anti-reflet. 20
  12. 12. Récepteur solaire hybride (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les cellules photovoltaïques (2) recouvrent toute la surface de la zone d'évacuation thermique (3a).
  13. 13. Récepteur solaire hybride (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la zone d'évacuation thermique (3a) du caloduc (3) est enfermée par un tube (8) sous vide pour diminuer la perte thermique.
  14. 14. Système solaire comportant un concentrateur solaire à concentration linéaire et un récepteur solaire hybride (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que, l'électricité qui lui est nécessaire pour alimenter un moteur d'entraînement pour suivre la course du soleil et pour faire circuler le fluide caloporteur, est fournie par le système lui-même.
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