Considérations optiques

La Figure 3.4 montre le gain biface en Pm normalisé gPm-norm (voir équation (2.1)) du module Bstand1

comparé au module M en fonction de l’albédo effectif incident en face arrière du module biface Gfar /

Gfav puis en fonction de f pour différents réflecteurs au cours du mois de décembre 2012. Notons que

l’albédo effectif Gfar / Gfav n’est pas l’albédo du réflecteur utilisé, qui lui est mesurable par une méthode

décrite dans [76]. On observe à gauche que les gains sont localisés pour un albédo effectif donné dans le cas des réflecteurs blanc et noir (par exemple, le module biface gagne environ 15% pour un albédo effectif d’environ 0,2). En revanche, le rayonnement réfléchi par le miroir spéculaire est directif, il est donc moins susceptible d’atteindre uniformément la face arrière du module et le pyranomètre arrière, ce qui induit un nuage de points bien moins localisé. De plus, la tendance linéaire observée à droite pour le miroir montre que le gain chute d’environ 23% à 11% lorsque la proportion de rayonnement diffus augmente d’environ 15% à 100%. Les gains élevés pour les f faibles sont dus à l’orientation favorable du soleil (élévation h d’environ 8° en moyenne à cette période) pour que le rayonnement soit réfléchi spéculairement et renvoyé uniformément sur la face arrière du module. Au contraire, les tendances restent stables quel que soit f pour les réflecteurs noir et blanc.

Notons que les trois points négatifs oranges sont probablement dus à un ombrage d’un coin de toiture des maisons étudiées sur le site de l’INES le matin à 8h à cette période (h = 1,8° et az = -54,5°), et le point négatif bleu résulte probablement de l’ombrage des sapins à 14h à cette période (point ayant échappé à notre filtrage).

Pour la suite nous n’étudierons pas plus en détail le miroir dans notre application. En effet, bien que dans certains cas des gains plus élevés qu’avec un réflecteur blanc sont possibles, un rayonnement diffus incident sur la face arrière du module reste à privilégier pour avoir une bonne uniformité d’éclairement et ainsi éviter les phénomènes de « hot spot » (cellule moins éclairée fonctionnant en tension inverse). De plus, dans le cas de notre banc de test le module biface ne peut capter tout le rayonnement diffus renvoyé par le réflecteur blanc, mais dans une application réelle les modules bifaces côte à côte auraient une plus grande surface de capture d’où une meilleur utilisation du rayonnement renvoyé par le réflecteur.

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Figure 3.4 – Gain biface en Pm normalisé en fonction de l’albédo effectif (Gfar / Gfav) à

gauche, et de la fraction de diffus f à droite. Les données sont filtrées et représentées avec un pas horaire pour différents réflecteurs. La distance module – réflecteur est de c = 36 cm.

Figure 3.5 - Gain biface en Pm normalisé en fonction de l’albédo effectif (Gfar / Gfav) à

gauche, et de la fraction de diffus f à droite. Les données sont filtrées et représentées avec un pas horaire pour différentes distances module – réflecteur (en multiple de c = 36 cm). Le réflecteur utilisé est le PVC blanc.

Influence de la distance module – réflecteur :

La Figure 3.5 montre l’évolution de gPm-norm pour différentes distances module – réflecteur en utilisant

le réflecteur blanc au cours des mois de janvier – février 2013. Les deux graphiques montrent des gains plus faibles avec un accroissement de la distance. En effet, pour une distance plus élevée le rayonnement incident et réfléchi par le réflecteur a plus de probabilité d’être absorbé par les parois noires internes de notre banc de test d’où un albédo effectif plus faible. Cette tendance est bien visible dans le cas d’une forte fraction de diffus, en revanche les gains s’uniformisent dans le cas d’une forte proportion de direct. En effet, le rayonnement direct a moins de probabilité d’être absorbé par les parois internes avant d’atteindre le réflecteur que le rayonnement diffus. Une fois réfléchi le comportement du rayonnement est le même qu’avec une forte fraction de diffus puisque l’on considère le réflecteur comme quasi- lambertien.

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Notons que les trois points verts hors de la tendance correspondent à la présence de neige fraiche au sol (albédo très élevé) qui induit une meilleure pénétration du rayonnement diffus derrière le module biface et ainsi un gain plus élevé. Le point violet hors de la tendance correspond une fois de plus à l’ombrage des sapins à 16h.

Aux vues de ces résultats il semble qu’une distance module - réflecteur plus faible donne de meilleurs gains pouvant atteindre 15 - 20%. En revanche, nos tests ont été conduits successivement à une période précise de l’année (en hiver) et pour quelques distances seulement. On voit donc l’intérêt d’utiliser un modèle optique pour extrapoler nos données expérimentales à d’autres périodes de l’année, et mettre en évidence l’influence de la distance de manière plus précise.

Tests supplémentaires :

Les deux configurations supplémentaires testées au cours du mois de mars 2013 (en comparaison à la configuration réflecteur blanc de taille 3c x 2c en position basse à une distance de 0,5c du module) peuvent être visualisées sur la Figure 3.3, et la Figure 3.6 montre l’évolution de gPm-norm pour ces

configurations.

L’utilisation d’un réflecteur blanc plus large amène un gain 5% plus élevé en moyenne comparé à la configuration initiale. Ce test a pour unique but de montrer la dépendance des performances d’un module biface à un paramètre supplémentaire dans l’application. Dans la suite nous ne développerons pas plus l’influence de la taille du réflecteur dans la mesure où nous nous sommes focalisés sur une application où les modules bifaces sont intégrés verticalement entre les étages d’un bâtiment (les surfaces vitrées ne peuvent donc pas être utilisées pour renvoyer plus de rayonnement sur la face arrière du module). Notons que l’albédo effectif mesuré pour cette configuration ne diffère pas de celui de la configuration initiale car le positionnement des pyranomètres SP lite n’est pas optimisé pour la surface 3c x 3c. En effet, ils sont positionnés au centre de la surface 3c x 2c pour capter un maximum d’albédo de cette surface (voir Figure 2.9).

Pour finir, on peut quantifier la contribution de la semi-transparence du module (interstices entre cellules et transparence des cellules au rayonnement IR) en bloquant les ouvertures au-dessus et en dessous du module. Dans ce cas-là, le module biface gagne entre 1% et 2% en moyenne par rapport au module monoface. Rappelons que les Pm sont normalisés par rapport au STC, on ne prend donc pas en compte

le gain de 2,7% du module M comparé au module Bstand1 grâce aux réflexions internes sur le

« backsheet » blanc. La contribution de la semi-transparence du module est donc minime dans notre cas. Néanmoins cela reste un paramètre qui pourrait être optimisé dans d’autres applications bifaces (vitrage PV par exemple où l’éclairage naturel a de l’importance) ou si un rayonnement plus uniforme sur la face arrière du module est nécessaire. Notons que les points de gain élevé (9,5% et 18,8%) sont probablement

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dus à l’ombrage du profilé aluminium du côté est du banc sur le module M au lever du soleil en mars (h = 8,5° et az = -82°) qui n’affecte pas le module Bstand1 au centre du banc.

Figure 3.6 - Gain biface en Pm normalisé en fonction de l’albédo effectif (Gfar / Gfav) à

gauche, et de la fraction de diffus f à droite. Les données sont filtrées et représentées avec un pas horaire pour différentes configurations : réflecteur de taille 3c x 2c, réflecteur de taille 3c x 3c et ouvertures cachées. Le réflecteur utilisé est le PVC blanc et la distance module – réflecteur est de 0,5c = 18 cm.

Bilan :

Les analyses précédentes ont montré les gains que l’on peut obtenir avec un module biface suivant quelques paramètres opto-géométriques de l’application. Il s’agit là de gains optiques puisque les gains sur Vm normalisé par rapport au STC sont compris entre -2% et +3% pour les sept configurations

étudiées au-dessus. Dans la suite nous allons étudier les comportements thermiques du module biface et du module monoface.

Notons que pour toutes les configurations utilisant des réflecteurs diffusants, les gains varient dans une marge de ±5% en données horaires sur toute la gamme de fraction de diffus. Ce comportement est relativement différent de celui montré par Kreinin pour une centrale standard au sol (voir Figure 1.16 à droite [81]) où sont identifiés des gains variant de 5% à 30% en hiver suivant la proportion de diffus en données journalières. La raison est que la géométrie de notre application est bien adaptée au renvoi de rayonnement sur la face arrière d’un module biface quel que soit le soit le type d’éclairement (diffus ou direct). A l’inverse dans une centrale solaire standard, le rayonnement direct pénètre beaucoup moins bien sur le réflecteur blanc au sol d’où un gain plus faible (du moins en hiver).

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