Caractérisation de la chambre thermique

L’ajout de deux verres en amont et en aval de la lentille va inévitablement modifier l’intensité et le spectre de la lumière sur la cellule. Plusieurs méthodes permettent de s’affranchir de cet effet: une méthode par le calcul, où une correction est appliquée aux résultats, ou une méthode plus empirique où deux verres de même type sont ajoutés en amont des instruments de référence. Ce procédé permet aux deux instruments de ’voir’ le même spectre et la même intensité de lumière que le dispositif testé. La méthode par le calcul nécessite de connaitre plusieurs paramètres: la réponse spectrale des cellules, la transmittance du verre et le spectre lumineux incident. Ces exigences complexifient fortement le procédé de mesure, et favorisent ainsi une préférence pour la méthode dite empirique.

Figure 3.6: Photographie du banc d’expérimentation METHOD avec les caractéristiques des différents composants.

Pour cette méthode, la configuration optique varie entre le dispositif et les instruments de référence. Dans le cas des instruments, la lumière arrive perpendiculairement aux deux verres. En revanche pour le dispositif testé, la lumière arrive bien perpendiculairement au premier verre, mais sort avec une certaine distribution angulaire en sortie du concentrateur et traverse le deuxième verre avec différents angles d’incidence. Voyons d’abord théoriquement comment cela affecte l’irradiance, et ensuite par la mesure si l’ajout de deux verres devant les instruments est effectivement un moyen valable de correction.

Les lois de Fresnel gouvernent la portion de lumière réfléchie lorsque la lumière entre dans un nouveau milieu optique [100]. Si l’on considère que le verre en amont de la lentille est illuminé avec un faisceau collimaté, normal à la surface, la réflection Re f entre l’air et le verre peut s’écrire selon l’équation 3.1:

Re f =^nverre− n_air

n_verre+ n_air ^(3.1)

Avec n_verre et n_air, respectivement l’indice optique du verre et de l’air.

Pour un indice nverre égal à 1,5, la réflection obtenue pour chaque interface est approxima-tivement de 4,2%, correspondant à une perte totale de flux transmis de 8,3% pour le premier verre. Pour le deuxième verre, la distribution angulaire de la lumière peut provoquer des pertes réflectives supplémentaires. Il est possible de connaître l’angle d’incidence maximal

des rayons à partir d’une valeur appelée nombre-f (f-number dans la littérature). Cette valeur correspond au ratio entre le diamètre de la lentille et la focale de la lentille. L’angle maximale δ_maxd’incidence maximale peut alors se calculer selon l’équation 3.2:

δmax= ¹

2 f ^(3.2)

Les valeurs typiques de nombre-f oscillent entre 0,8 et 1,5 dans le cas de dispositifs commerciaux [101]. Partant de l’équation 3.2, nous obtenons la variation de l’angle maximum d’incidence avec le nombre f (Fig. 3.7).

Figure 3.7: Angle maximal d’incidence des rayons sur le récepteur en fonction du nombre-f de l’optique primaire.

L’angle maximum obtenu est de 32° pour un dispositif à nombre-f égal à 0,8. Or, la réflectance pour un rayon lumineux passant de l’air au verre reste relativement constante jusqu’à 40° [100], et la part de rayons réfléchis est quasiment identique entre un faisceau collimaté et un faisceau convergent d’angle maximal inférieur à 40°. En conséquence, les pertes totales dûes à la réflection sont théoriquement de 15,8%. Pour adapter les mesures de référence du simulateur, il devrait donc être suffisant de placer deux verres devant les instruments de mesure.

Afin de vérifier expérimentalement ce procédé, nous regardons comment varie le courant de court-circuit I_sc de deux cellules isotypes top et middle, normalisé par le DNI_i correspon-dant, mesuré par le spectro-pyrhéliomètre. Les graphiques de la figure 3.8 illustrent les résultats obtenus. Pour cette expérience, la lumière est concentrée 400 fois sur les cellules isotypes de 1 cm². Le nombre-f du dispositif est de 0,82, correspondant au cas limite des dispositifs commerciaux.

En référence à la figure 3.8, les points oranges représentent le cas où aucun verre n’est utilisé pour la mesure. Les points noirs correspondent au cas où seule la chambre thermique

Figure 3.8: Evolution du courant I_sc,i pour des cellules isotypes top et middle, normalisé par la valeur de DNI_icorrespondante. Les valeurs sont données pour trois cas: 1) aucun verre n’est utilisé, 2) seule la chambre est pourvue de deux plaques en verre, 3) la chambre et les instruments sont pourvus de plaques de verres pour ajuster la mesure de référence.

est dotée de deux couches de verre en amont et en aval à la lentille. Et enfin, pour le dernier cas, les points bleus, deux verres sont ajoutés devant les instruments de référence pour ajuster la mesure. Pour le cas "chambre fermée", les DNItop et DNI_mid mesurés par le spectro-pyrhéliomètre seront supérieurs à ceux "vus" par le dispositif testé, provoquant la baisse des rapports Isc/DNI pour chaque isotype. Cette baisse correspond à la réflexion de la lumière par les deux verres de la chambre et est de l’ordre de 17 à 18% pour les deux isotypes proches de la valeur théorique de 15,8%. Cette limitation entraîne une réduction de la gamme de DNI avec laquelle nous pouvons tester les dispositifs: celle-ci passe ainsi de 0-1000 W/m² à une gamme d’environ 0-800 W/m². Si nous nous intéressons maintenant au cas "chambre fermée - référence ajustée", les valeurs coïncident au cas "sans verre". Ceci implique que l’ajout de verre devant le spectro-pyrhéliomètre a bien permis d’ajuster la mesure de DNItopet DNI_mid. Nous observons en outre un autre phénomène sur le graphique: un décalage des points en abscisse entre les points bleus et orange. Ceci correspond à un décalage spectral qui correspond à une augmentation du SMR^top_mid de l’ordre de 5% lorsque du verre est ajouté. Cette augmentation est liée à la transmittance du verre utilisé. En effet, nous avons choisi du verre qualifié de "solaire", utilisé en face avant des panneaux photovoltaïques de type silicium. Ce type de matériau présente typiquement une meilleure transmission dans la région 400-600 nm que dans la région 600-800 nm. Ainsi la lumière obtenue après avoir traversé les deux verres, se trouvera plus riche en bleu qu’en entrée, d’où une augmentation du SMR^top_mid. Le décalage reste cependant acceptable et nous pouvons effectuer des mesures sur une gamme de SMR^top_mid de 0,8 à 1,2, autour de la valeur standard SMR^top_mid égale 1 du spectre AM1.5D.

Maintenant que nous avons validé l’utilisation de la chambre sur les aspects optique et électrique, voyons comment celle-ci se comporte thermiquement et si elle permet d’obtenir une bonne uniformité de la température sur la lentille. Pour augmenter la température, nous utilisons deux dispositifs de chauffage de 250 W chacun, placés sur les côtés de la chambre. Pour les mesures électrique et optique à différentes températures de lentille, nous montons la chambre à une température supérieure à la température désirée et éteignons alors le chauffage. La température dans la chambre descend peu à peu et nous travaillons sur la descente thermique. Après plusieurs tests, il a été montré qu’une chambre de grande taille (voir photo Fig.3.9) permet une meilleure uniformité de la température sur la lentille.

Figure 3.9: Photographies de la chambre thermique (gauche) et du dispositif de mesures électrique et optique situé à l’arrière de la chambre (droite).

Une expérience a été conduite pour s’assurer de la stabilité et l’uniformité de la tempéra-ture de la lentille. Dix thermocouples ont été installés à différentes positions en face avant et arrière d’une lentille placée dans la chambre. Nous procédons à une chauffe et mesurons la température lors de cette chauffe et de la descente en température. Les mesures sont visibles sur la figure 3.10.

Les résultats montrent que la température moyenne de la lentille passe de 25 à 62,4°C en 48 minutes. La descente en revanche est plus longue et prend environ 105 minutes. La dispersion des valeurs obtenue en fin de chauffe diminue grandement lors la descente, puisque la convection de l’air permet d’homogénéiser la température sur la plaque de verre. La dispersion des valeurs de ± 2°C en-dessous d’une température moyenne de 50°C est considérée satisfaisante. Nous ne travaillerons pas à des températures supérieures à cette valeur, compte-tenu des valeurs maximales observées en extérieur de 45°C. Passons maintenant à la calibration du dispositif d’imagerie.

Figure 3.10: Variation de la température de la lentille en fonction du temps pour un cycle de chauffe-refroidissement. En bleu, la température moyenne donnée par les thermocouples et en noir les valeurs pour chaque thermocouple.