Module 6 x 10 avec interconnexion en parallèle et verres texturés

Nous avons vu dans le premier chapitre que le développement de l’utilisation de cellules bifaces dans les modules PV est en cours mais qu’aucune architecture s’adaptant aux conditions spécifiques des applications bifaces (non-uniformité d’éclairement et rayonnement diffus) n’a été proposée. La Figure 5.1 schématise l’uniformité du rayonnement incident sur la face arrière d’un module biface pour quelques exemples d’applications : module incliné vers l’équateur à angle proche de la latitude et

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module vertical est - ouest sur un sol ou une toiture réfléchissants, et module décalé par rapport à une façade verticale réfléchissante de bâtiment. Un risque de non-uniformité d’éclairement lié aux ombres portées des modules sur les réflecteurs (diminuant localement le flux renvoyé par ces derniers) est présent dans ces trois applications prometteuses. Il semble donc intéressant de proposer une architecture analogue à celle étudiée dans le chapitre précédent qui pourrait apporter des gains (à vérifier expérimentalement) sur toutes ces applications.

Figure 5.1 – Schémas de l’uniformité du rayonnement incident sur la face arrière d’un module biface (liée à l’ombre portée en noir, du module en bleu, sur le réflecteur blanc) dans le cas de trois applications : pour un module incliné vers l’équateur à angle proche de la latitude à gauche, pour un module vertical sur une façade de bâtiment au milieu, et pour un module vertical orienté est - ouest à droite.

La Figure 5.2 montre l’architecture standard d’un module 6 x 10 cellules en série, ainsi que trois nouvelles architectures à cellules découpées et interconnexion en parallèle à étudier dans le futur. Sans prendre en compte les gains résistifs liés à la découpe des cellules, ces quatre architectures ont une puissance STC résultante équivalente en théorie. En effet, elles diffèrent principalement par le facteur de découpe d’une cellule qui est égal au nombre de blocs de « strings » en parallèle (cellules entières donc une seule série de cellules pour l’architecture standard). Un facteur de découpe de deux semble le plus réalisable en pratique dans la mesure où un facteur de trois implique des croisements de rubans qui ne doivent pas être en contact (voir les deux couleurs de rubans sur le schéma, jaune clair et jaune foncé), et un facteur de quatre conduit à un grand nombre de cellules relativement petites donc des difficultés potentielles de fabrication (comme cela été le cas pour notre module de test décrit en section 4.1.2.2). Ainsi, avec les trois architectures proposées, les pertes résistives seront diminuées (dans une proportion différente suivant le facteur de découpe de la cellule) et les non-uniformités d’éclairement mieux gérées (les gains induits devraient croître avec le nombre de blocs de « strings » en parallèle). Notons qu’une

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architecture analogue avait été brevetée par Sanyo (voir Figure 1.5 à droite [42]) et qu’un module commercial récent utilise ce type d’architecture en configuration monoface [43], sans mentionner l’avantage potentiel en cas d’éclairement non-uniforme. Enfin, il est utile de préciser que l’utilisation de cellules découpées est plus intéressante économiquement que la production de petites cellules [110]. Ces architectures peuvent être combinées avec l’utilisation de verres texturés en face avant et en face arrière dans la mesure où ils apportent des gains optiques importants comme montré au chapitre précédent. Dans notre application, le verre linéaire apportait des gains supérieurs au verre uniforme de par sa texturation plus profonde et l’orientation verticale apportait plus de gains que l’orientation horizontale. Cependant il est fort probable qu’un verre à texturation uniforme apporte des gains dans une plus grande gamme d’applications. En effet, il semble plus judicieux industriellement de fabriquer un module biface standard adapté à une majorité d’application plutôt que d’optimiser un module pour une application particulière. A l’avenir, il serait bon d’utiliser un modèle d’évaluation des performances annuelles donnant les distributions d’angle d’incidence de façon à dimensionner une texturation en face arrière qui donne des gains optimums dans une majorité d’applications bifaces.

D’autres aspects de l’architecture du module comme le choix de l’encapsulant, l’utilisation de verres ou de polymères transparents, le type de cellules, la connectique appliquée (« busbars » ou « smartwire » - ensemble de fils appliqués sur la cellule pour une meilleure collection du courant) doivent être étudiés et feront l’objet d’études à venir. Nous nous contenterons ici d’identifier sur les architectures montrées en Figure 5.2 les positions possibles des diodes « bypass ». L’architecture standard en possède typiquement trois, chacune en parallèle de 20 cellules en série. L’architecture utilisant des demi-cellules en possède deux, chacune en parallèle de 40 demi-cellules avec deux positions possibles (à gauche ou à droite) sur chaque bloc parallèle du module. De manière analogue, l’architecture utilisant des quart- cellules en possède quatre. Et l’architecture utilisant des tiers-cellules ne permet pas la mise en parallèle simple (sans connecteurs additionnels) de diodes « bypass » au sein d’une même série de 60 tiers- cellules, ce qui discrédite de nouveau cette architecture. Notons que la présence de blocs en parallèle dans ces architectures pourrait justifier l’utilisation de diodes de blocage en série dans chaque bloc (afin d’éviter qu’un bloc ne reçoive de l’énergie d’un bloc ombré connecté en parallèle par le biais de courants inverses), cependant il semblerait que l’utilisation de ce type de diode soit à éviter car elles amènent une forte résistance série [44]. Enfin, les nouvelles boites de jonction positionnées sur les côtés du module et permettant la dissipation de forts courants (exemple dans [26]) peuvent être utilisées pour abriter les diodes « bypass » à gauche et à droite des architectures concernées.

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Figure 5.2 – De haut en bas, architecture standard d’un module 6 x 10 cellules, et architectures à cellules découpées et interconnexion en parallèle équivalentes pour un facteur de découpe des cellules de deux, de trois et de quatre.

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Pour finir, les deux architectures les plus intéressantes (avec demi-cellules et quart-cellules) apportent a priori des avantages au niveau système en termes de diminution du câblage entre les modules. En effet, les deux sorties électriques du module sont positionnées chacune sur un bord du module ce qui permet de connecter le module en série avec son voisin par un câblage court (moins d’encombrement et moins de pertes résistives). Cela est d’autant plus intéressant dans une application façade verticale biface où les modules sont plus difficiles d’accès et les câbles les reliant plus difficiles à cacher (pour l’aspect esthétique qui est important dans la thématique du BIPV). La Figure 5.3 illustre un élément de façade verticale de bâtiment où les modules bifaces (décalés par rapport au plan de la vitre et du revêtement blanc) sont facilement connectables en série. Des connecteurs adaptés pourraient être développés pour ce type de modules.

Notons que dans le cas d’une application façade verticale de taille réelle comme celle schématisée, des outils (modèle de simulation et dispositif expérimental) sont nécessaires pour évaluer la distance entre les « strings » de modules et les revêtements blancs maximisant l’énergie électrique produite sur l’année. Pour notre banc de test à échelle réduite, la distance optimale est comprise entre 0,5c et 0,75c. Si ce critère s’applique à plus grande échelle, cela mènerait à des distances comprises entre 43,1 cm et 64,7 cm pour un module de côté c = 86,2 cm (exemple du module Sanyo [65]). Le critère serait alors compris dans la gamme de distances utilisées dans les façades double peaux qui s’étale de 20 cm à 200 cm [111].

Figure 5.3 – Schéma d’un élément de façade verticale de bâtiment montrant la connexion simplifiée des modules adjacents ayant chacun une sortie électrique à gauche et à droite.

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