1. Perfectionnements photovoltaïques existants
1.a)
Le refroidissement des panneaux photovoltaïques est un enjeu important car la puissance d’un panneau décroît typiquement de 0,35% à 0.5% par °C au dessus de 20°C, tel qu’illustré aux figures 10 et 11.
Les statistiques solaires estiment qu’en France,
une installation avec panneaux intégrés à la toiture perd de 5 à 15% de sa production annuelle à cause de leur échauffement, et jusqu’à 35% de sa puissance instantanée par les journées chaudes et fortement ensoleillées.
Ainsi
plusieurs dispositifs de refroidissement des panneaux ont été proposés, le plus souvent avec de l’eau liquide. Ainsi on trouve :
- des exemples de
modules photovoltaïques avec refroidissement intégré dans le panneau dans DE2020060160108U1 par SUNZENIT Gmbh ou bien dans FR2566183A1 par Roger LUCCIONI ou aussi FR2911997A1 par Guy DIEMUNSCH, également un liquide entourant complètement les cellules comme dans WO0036618A1 par le Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland,
- des exemples de
refroidissement avec ruissellement de liquide sur la toiture (souvent en circuit fermé et récupération de l’eau de pluie) dans SI22844A/ WO2010005402A3 par Kajetan BAJT ou bien JP62013084A par Katsumi KAWASHIMA qui sont jugés comme un état de l’art proche de la présente invention,
- des exemples
d’installations réfrigérantes et/ou à pompe à chaleur comme dans JP2006183933A par Masahisa OTAKE ou EP2093808A2 par Alfonso DI DONATO,
- des
exemples de panneaux hybrides photovoltaïques et thermiques (PVT) avec diverses variantes, notamment dans CN201365210 par JUNJIE/DANDAN, CN201368606Y par WU / GOU, JP2003199377 par KOMAI / YOSHIKA, ou KR100622949B1 par KIM JONG/KIM TAE, ou WO2009111017A3 par Edwin COX. Il est parfois proposé de concentrer le rayonnement comme dans US6630622B2 par Annemarie HVISTENDAHL KONOLD ou bien WO0008690A2 par Windbaum Forschungs und Entwicklungs Gmbh. Pour information, les figures 10 et 11 sont issues de publications de performances par la Société Holtkamp SES sur ses panneaux hybrides photovoltaïques/ thermiques vitrés
1.b)
Le déneigement / dégivrage des panneaux photovoltaïques est un thème moins souvent abordé ; cependant, il revêt une importance particulière dans les zones montagneuses ou enneigées : pour bénéficier du fort albédo de la neige et avoir une bonne production, il est nécessaire de chasser la neige ou le givre tombés sur l’installation photovoltaïque. Dans ce cas, la problématique du refroidissement est obsolète et remplacée par une problématique de déneigement et plusieurs méthodes ont été proposées à cet effet :
-
des exemples d’éléments chauffants électriques pour fondre la glace, additionnels comme dans CN201340855, ou bien intégrés dans les panneaux par courant inverse comme dans DE102006004712A1 par Inek Solar AG ou JP9023019 ou JP62179776 par KYOCERA, ou KR20100005291A par YU HEUNG SOO
-
des exemples de fonte par courant d’air chaud comme dans DE102006054114A1 par Gertraud HÖCHSTETTER ou bien par courant de CO2 comme dans JP2006029668 par OTAKE/MURATA,
-
des exemples de fonte par ruissellement d’eau comme dans JP2003056135 par Hitoshi HORIKAWA ou JP2005155272 par OE/TANIKOSHI, ou WO2009139586 par Soo YU HEUNG
- des
exemples de déneigement mécanique comme dans DE10013989A1 par René NEUMANN ou CN201338000Y par DAJIAN/HONGSHENG, ou DE202005012844U1 par STEIBLE/ALBRECHT
1.c)
Le nettoyage des panneaux photovoltaïques est également proposé selon différentes méthodes :
-
module à surface auto-nettoyante comme dans CN201181709Y par Liu JINWEI, ou bien films physicochimiques autonettoyants à appliquer a posteriori sur les panneaux,
-
utilisation de moyens mécaniques (brossage, essuyage…) comme dans DE10013989A1 par René NEUMANN ou KR20090090722A par JUNG HAE/KIM GYEONG ou WO2008014760A2 par Gerd HETTINGER,
-
combinaison du ruissellement de liquide réfrigérant et du nettoyage comme dans KR20090071895A par Jae LEE CHAN ou WO2009139586 par Soo YU HEUNG.
1.d)
Le filtrage concerne les applications où le ruissellement du liquide se fait directement à l’air libre. En pratique, il est souvent proposé un circuit d’eau fermé avec réservoir pour ne pas fonctionner à « eau perdue » tout en collectant l’eau de pluie.
Cependant, les toitures collectent de nombreux déchets organiques (déjections d’oiseaux, insectes, résidus de végétaux (feuilles, brindilles, poussières) et minéraux (poussières de pierre ou de sable, pollutions amenées par le vent et/ou la pluie). Ceci entraîne un encrassement très rapide des réservoirs et compromet gravement le fonctionnement de la pompe et de la rampe d’arrosage assurant le ruissellement du liquide sur le champ photovoltaïque. Très peu de brevets sur le sujet d’OPALE abordent techniquement cette question du filtrage ; on peut toutefois citer JP62013084A qui préconise de compartimenter le réservoir d’eau de pluie en un espace de stockage et un autre de décantation, mais sans filtrage du fluide, ou SI22844A qui signale un simple filtrage de retour des eaux chargées. Un filtrage de départ n’est pas proposé.
1.e)
Les surfaces anti-reflet sont développées le plus souvent par le dépôt de fines couches à la surface du verre du panneau photovoltaïque de manière à canaliser le maximum de rayonnement vers les cellules photosensibles. Néanmoins, il demeure une différence d’indices optiques importante entre l’air (n=1) et le verre de protection(n=1.5) qui provoque la réflexion partielle du rayonnement et donc un effet photovoltaïque affaibli sur les cellules.
1.f)
L’extraction thermique pour panneaux photovoltaïques est possible.
Comme illustré qualitativement à la figure 15,
les imperfections de l’effet photovoltaïque et les matières photosensibles très sombres conduisent à une dégradation d’environ 80% du rayonnement en chaleur. La température du panneau croît toujours jusqu’à ce que la puissance thermique perdue par le panneau (par conducto-convection et ré-émission infrarouge) soit égale à la puissance thermique reçue.
Sans refroidissement forcé, la température d’équilibre est au voisinage de 90°C lorsque l’atmosphère est chaude avec un rayonnement intense, et typiquement 50 à 70°C – ce qui entraîne une baisse d’environ 30% pour la puissance électrique -.
De plus,
ces cycles de température à forte amplitude font vieillir les éléments photosensibles à travers une lente baisse du rendement électrique (de 10 à 20% sur une période de 20 ans par rapport aux performances initiales). Ce phénomène d’échauffement a priori néfaste est parfois valorisé en combinant la techniques des panneaux solaires thermiques (liquide circulant sous verre) avec celle des panneaux solaires photovoltaïques (constituant la surface chaude absorbante).
Mais le rafraîchissement intense des panneaux et l’obtention d’eau très chaude sont incompatibles. Seul un compromis entre les deux est possible, avec des besoins saisonniers.
Intégration d'OPALE sur centrale solaire modulaire au sol avec gestion centralisée
