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WO2022128778A1 - Dispositif photovoltaïque de reference universel - Google Patents

Dispositif photovoltaïque de reference universel Download PDF

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Publication number
WO2022128778A1
WO2022128778A1 PCT/EP2021/085170 EP2021085170W WO2022128778A1 WO 2022128778 A1 WO2022128778 A1 WO 2022128778A1 EP 2021085170 W EP2021085170 W EP 2021085170W WO 2022128778 A1 WO2022128778 A1 WO 2022128778A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photovoltaic
cells
target
cell
parameter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2021/085170
Other languages
English (en)
Inventor
Antoine GUERIN DE MONTGAREUIL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of WO2022128778A1 publication Critical patent/WO2022128778A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention lies in the field of photovoltaic devices.
  • the invention lies more specifically in the field of reference photovoltaic devices making it possible to evaluate and/or monitor the performance of photovoltaic devices, and in particular to measure the illumination and/or the photogenerated current, and possibly the temperature of cells photovoltaic devices.
  • the invention relates to a so-called “universal" reference photovoltaic device, that is to say making it possible to evaluate and/or monitor the performance of different photovoltaic device technologies.
  • the invention also relates to a method for designing such a universal reference photovoltaic device.
  • the invention lies in the field of photovoltaic devices, defined as being devices comprising several photovoltaic cells (or several thin-film cells), each cell being made of a photovoltaic material.
  • the cells can be assembled into one or more photovoltaic modules and a photovoltaic device can thus comprise one or more photovoltaic modules.
  • a photovoltaic material is characterized by its spectral response, which defines for each wavelength received the ratio between the number of electrons created and the number of photons received. , and which depends on the wavelength of the light received (or of the photons received).
  • a photovoltaic device can be characterized by its electrical characteristics: the photogenerated current, generally determined by the short-circuit current I cc ; the open circuit voltage V co ; the voltage-current curve making it possible to determine the maximum power point and thus the current Ipmax, the voltage Vpm ax and the power Pp max at this maximum power point.
  • the term electrical power is designated.
  • the energy efficiency of a photovoltaic device is defined as being the ratio between the power at the point of maximum power and the light power received by the photovoltaic material.
  • the peak power of a photovoltaic device designates its power at the maximum power point under standard test (or reference) conditions, i.e. when it receives spectral illumination of a luminous intensity and a given spectrum, in particular defined by standard IEC 60904, for a total light power of 1000 W/m 2 and under a device temperature of 25°C: the values of the short-circuit current, the open circuit voltage as well as current and voltage at the maximum power point under the same standard test conditions.
  • the photogenerated current depends on the temperature of the material but this dependence is low: the temperature coefficient of the photogenerated current or of the short-circuit current l cc is less than one per thousand per degree Kelvin at ambient temperatures for common photovoltaic materials.
  • the open circuit voltage V co and the power at the maximum power point Ppm ax depend more strongly on the temperature: we speak of the temperature coefficient of the open circuit voltage and of the temperature coefficient of the power at the maximum power point.
  • the photogenerated current is also linked to the illumination received by the photovoltaic device, and this depends on many parameters: environmental parameters, layout parameters (orientation, inclination, mounting system) of the photovoltaic device.
  • the temperature of a photovoltaic device is defined as being the average temperature of all the cells making up said photovoltaic device.
  • a point representative of the average temperature of all the cells is determined, and the temperature is measured at this point.
  • a junction temperature of the cells is taken.
  • the power of the photovoltaic device is then determined, generally using a model expressing this power as a function of the photogenerated current (or failing that, of the measurement of the illumination received) and its temperature.
  • Radiometers are sensors that measure heat flux (energy per unit area) by transforming the photons received into a rise in temperature of a black body. But radiometers are not suitable for precisely monitoring the performance of a photovoltaic device because they cannot accurately determine the photogenerated current. In addition, radiometers do not make it possible to accurately determine the operating temperature of the photovoltaic material, which must therefore be measured independently.
  • a reference photovoltaic device which can be abbreviated as “reference device”.
  • a reference device can be used to determine the photogenerated current (or the short-circuit current l cc ) or failing that, the illumination, or even measure the temperature of the photovoltaic materials.
  • a reference photovoltaic device is made up of cells, modules (or even mini-modules), the material of which is the same as that for which the performance is to be evaluated or monitored, preferably the spectral response of which is also substantially the same, and whose characteristics have been precisely determined under standard test conditions as well as behavior at temperature.
  • the reference device should preferably be in the same arrangements (orientation, inclination, mounting system) and in the same environment as the device whose performance is to be assessed or monitored.
  • a reference photovoltaic device is particularly interesting in the design of a future solar installation, in particular to determine the photovoltaic potential of each photovoltaic device of the solar installation in a given place, that is to say i.e. the electrical power that the photovoltaic device would be capable of supplying in this place, if it were constantly maintained at its maximum power point. Indeed, in this case, it is not possible to have temperature sensors and/or measure the photogenerated current (or the short-circuit current I cc ) directly on a photovoltaic device, since it is not yet installed and /or in operation.
  • the electrical power can then be determined based on the determination of the short-circuit current and the temperature of the reference photovoltaic device, and advantageously by using a model making it possible to determine, from the value of the short-circuit current and temperature, the values of open circuit voltage, current, voltage and power at the maximum power point.
  • a reference photovoltaic device can also and advantageously be used to monitor the performance and electrical production of a photovoltaic device in operation, also based on the determination of the short-circuit current and the temperature of the device.
  • reference photovoltaic and advantageously by using a model making it possible to determine, from the value of the short-circuit current and the temperature, the values of open circuit voltage, current, voltage and power at the maximum power point.
  • Known reference photovoltaic devices comprise reference cells of the same material, and more precisely of the same technology as the photovoltaic devices the performance of which is to be studied.
  • any photovoltaic material is characterized by its spectral response which is a signature of the technology used: solid silicon, silicon in thin layers, copper-gallium-indium-selenium, cadmium telluride, etc. Consequently, for a set of solar spectra received, two photovoltaic cells of the same technology produce almost proportional photogenerated currents, whereas this is not the case for two photovoltaic cells of different technologies.
  • the spectral composition of the illumination varies constantly according to the height of the sun and the atmospheric conditions, two cells of different technologies produce non-proportional photogenerated currents and it is not possible to follow the performance of a photovoltaic device using photovoltaic cells of a given technology using a reference photovoltaic cell of another technology.
  • the invention aims to overcome the aforementioned drawbacks.
  • the invention aims to have a so-called “universal" reference photovoltaic device, that is to say making it possible to evaluate and/or monitor, more generally to determine, the performance of photovoltaic devices of different technologies, and which does not require multiplying the reference photovoltaic cells.
  • a universal reference photovoltaic device is sought which is of simple design, which has a reduced manufacturing cost, and which is advantageously of reduced size.
  • a first object of the invention making it possible to remedy these drawbacks is a reference photovoltaic device capable of determining the performance of at least one target photovoltaic device, and preferably of several different target photovoltaic devices, said photovoltaic device of reference including:
  • each reference photovoltaic cell comprising on the front face a front plate sized to cover said front face; the front plates of the reference cells being defined so that the reference photovoltaic cells provide different spectral responses to each other; each reference photovoltaic cell further comprising a rear plate sized to cover the rear face of said cell; said cell being encapsulated with the front and rear plates in an encapsulation layer;
  • the front plates of the reference cells have filtering capacities such that the reference photovoltaic cells provide different spectral responses to each other.
  • the front plates of at least two reference cells have different filtering capacities.
  • a reference photovoltaic cell can be designated by “reference cell” or even “cell”.
  • a reference photovoltaic device can be designated by “reference device” or even “device”.
  • a photovoltaic device whose performance is sought to be monitored or evaluated may be referred to as a “target photovoltaic device”, or “target device”.
  • a target photovoltaic device belongs to a given technology, which is referred to as “target technology”.
  • front face or “front plate” designates the face or plate most directly exposed to radiation
  • rear face or “rear plate” denotes the face or plate least directly exposed to radiation. More generally, “front” (or “in front”) refers to the side most directly exposed to radiation, and “rear” (or “behind”) refers to the side less directly exposed to radiation.
  • the invention makes it possible to have a reference photovoltaic device which can characterize several target photovoltaic devices, which can belong to several target technologies, without this requiring unduly multiplying the reference cells and/or the filters.
  • technology designates a given photovoltaic material produced according to a given type of process, characterized by a given spectral response.
  • the invention consists in having several reference photovoltaic cells, which may be cells filtered according to different filtering capacities and/or at least one cell with a glass of high optical quality having high transparency and therefore a filtering effect. very limited, then, for each target photovoltaic device, to seek the best possible mathematical combination of signals from reference photovoltaic cells in order to come as close as possible precisely as possible of the signal of the target photovoltaic device.
  • a signal that can be exploited is typically the short-circuit current.
  • the feature of the invention is to cover, through a limited number of reference cells, a significantly higher number of target devices. In other words, it is not necessary to have as many reference cells as target photovoltaic devices, and it is not even necessary to have as many reference cells as target technologies.
  • the invention therefore consists in determining a better mathematical combination of reference cells so as to represent a given target photovoltaic device as accurately as possible.
  • This determination of the best mathematical combination is based on the spectral response (and in practice on the short-circuit current measurement). More specifically, it is based on the spectral response of each of said reference cells, and aims to come as close as possible to the spectral response of the target device.
  • This makes it possible to determine a correspondence function.
  • This correspondence function can then be exploited to determine the value of a parameter of interest of the target photovoltaic device from values of the same parameter of interest determined for the reference cells, thus making it possible to evaluate or monitor the performance. of the target photovoltaic device.
  • the invention thus makes it possible to refine the precision of determination of this value of the parameter of interest for any target photovoltaic device.
  • the correspondence function can be a linear combination. The determination of the correspondence function then amounts to seeking the best coefficients of this combination.
  • the unfiltered reference photovoltaic cell preferably has the widest possible spectral response, that is to say the measurable spectral response for a widest possible wavelength range.
  • the reference photovoltaic device according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics taken in isolation or in all possible technical combinations.
  • the reference device can include as many reference cells as there are target technologies, but this is not an obligation.
  • At least two reference cells are of the same technology and the at least two front plates of said cells have different light filtering capacities between them.
  • Photovoltaic cells are said to be of the same technology when they are made of the same semiconductor material and this same semiconductor material has been produced using the same type of process, so that the cells have the same spectral response or similar spectral responses.
  • These may be: photovoltaic cells in monocrystalline silicon (c-Si), in multi-crystalline silicon (mc-Si), or in amorphous silicon (in thin layer); thin film photovoltaic cells based on cadmium tellurium (CdTe), copper, indium and selenium alloy (CIS) or copper, indium, selenium and gallium alloy (CIGS), multi-junction photovoltaic cells (III/V ), in particular in gallium arsenide (GaAs)..
  • two photovoltaic cells of the same technology can differ by their encapsulation and/or by the optical quality of their glasses (plates) on the front and/or rear face, which can generate differences in the spectral responses.
  • all the reference photovoltaic cells are of the same technology, and the front plates of said cells all have different light filtering capacities between them.
  • the reference photovoltaic cells are monofacial photovoltaic cells.
  • the reference photovoltaic cells are bifacial photovoltaic cells, the rear and front plates of the same cell having the same filtering capacity.
  • the rear plate may be identical to the front plate of the same cubicle.
  • the measurement means comprise: - an electrical circuit connected to each reference photovoltaic cell, each circuit being closed and comprising a shunt resistor and
  • an electrical circuit “connected to” a cell means that it is connected to the terminals of said cell.
  • At least one closed electrical circuit further comprises a removable jumper between the resistor and the reference photovoltaic cell connected to said electrical circuit.
  • the device further comprises means for measuring the temperature of at least one reference photovoltaic cell.
  • all or part of the front plates are filter glasses.
  • at least one front plate is not a high optical quality transparent glass.
  • At least one front plate is a transparent glass of high optical quality.
  • At least one reference photovoltaic cell can be made of monocrystalline silicon and/or be a multi-junction (III/V) photovoltaic cell, preferably made of gallium arsenide (GaAs).
  • the algorithm can be configured (preconfigured) to determine at least one value of a parameter of interest of at least one target photovoltaic device based on a linear combination of the values of said parameter of interest determined for reference photovoltaic cells.
  • the algorithm can be configured to determine a correspondence function from the spectral responses and/or the short-circuit currents of the reference photovoltaic cells and the spectral response and/or the short-circuit current of the device target photovoltaic, said correspondence function being implemented to determine the at least one value of the parameter of interest of the at least one target photovoltaic device from values of said parameter of interest determined for the reference photovoltaic cells.
  • the correspondence function may be a linear combination, the determination of the correspondence function consisting of the determination of the coefficients of said linear combination.
  • At least one parameter of interest can be the short-circuit current and/or the temperature of the photovoltaic cells.
  • a second object of the invention is a method for designing a reference photovoltaic device according to the first object of the invention, said method comprising the following steps:
  • a step of determining at least one basic photovoltaic cell at least one basic photovoltaic cell preferably having the best spectral response in a set of wavelengths of a given spectral domain, typically the spectral domain covering all of the spectral responses of the target technologies;
  • a filter determination step which may comprise at least one filter with very low filtering capacity, which, individually associated with the at least one basic photovoltaic cell, form the reference photovoltaic cells making it possible to determine the spectral responses and/or the short-circuit currents and/or the temperatures of the defined target technologies, according to the spectral responses and/or the short-circuit currents and/or the temperatures of said reference photovoltaic cells, using a correspondence function.
  • the correspondence function can be a linear combination.
  • the method comprises a step of defining a number M of reference photovoltaic cells.
  • target spectral response characteristic spectral response of each target technology
  • target spectral domain domain global spectral
  • At least one basic, unfiltered photovoltaic cell is defined, that is to say at least one photovoltaic cell which will serve as the basis for the reference photovoltaic cells.
  • M be the number of basic photovoltaic cells. This number M can be equal to the number of target technologies whose performance we want to study, but this is not mandatory.
  • a number N of filters is preselected, where N is greater than M, and the spectral combination of each of these filters with the base photovoltaic cell is calculated, to obtain the different spectral responses of the filtered base photovoltaic cells. , which is referred to as “filtered spectral responses”.
  • an optimization method searches for a set of M reference photovoltaic cells (that is to say M basic photovoltaic cells associated with M filters among the N filters preselected) allowing by using a correspondence function (for example a linear combination) to best approach all the target spectral responses.
  • the set of filters finally chosen to be combined with the basic photovoltaic cell is obtained by the result of the optimization method.
  • the set of filters is chosen so that the spectral responses of all the target technologies whose performance is to be evaluated or monitored can be determined according to the spectral responses of the reference photovoltaic cells (by the correspondence function).
  • the correspondence function can consist of a linear combination of the spectral responses. Alternatively, it can consist of a more complex function, for example a nonlinear combination, a neural network method, in particular with hidden nodes...
  • the weight of the wavelengths considered can be weighted by the values of the reference spectra chosen. This weighting can for example be carried out by calculating the photogenerated current for each wavelength for a set of spectra representative of a typical day.
  • representative spectra it is possible to use, for example, the reference light spectra of the standard and/or light spectra measured under real conditions.
  • Each basic photovoltaic cell is then encapsulated individually with one of the selected filters (a different filter for each cell in the particular case described, a filter possibly being a transparent glass of high optical quality).
  • the base photovoltaic cells In order for the reference photovoltaic cells to have the desired spectral response once manufactured, it is important that the base photovoltaic cells each have the spectral response as close as possible to the spectral response of the "simulated" base photovoltaic cells. defined during the design method.
  • the spectral response of each reference photovoltaic cell thus obtained can then be measured.
  • the values of the coefficients of the correspondence function (for example of the linear combination) used for the choice of the filters in the optimization method can thus be adapted by using this time the real values of the spectral responses of the reference photovoltaic cells.
  • the reference photovoltaic cells are arranged coplanar in the same support, removable or non-removable.
  • the reference photovoltaic device and the design method according to the invention may include any of the characteristics listed above, taken in isolation or according to any technically possible combination with other characteristics.
  • Fig.1 shows an embodiment of a reference photovoltaic device according to the invention.
  • Fig.2 represents a first variant of the reference photovoltaic device of FIG.
  • Fig.3 represents a second variant of the reference photovoltaic device of FIG. 1 .
  • Fig.4 represents a third variant of the reference photovoltaic device of FIG. 1 .
  • Fig.5 represents an example of a method for designing a reference photovoltaic device of the invention.
  • Figures 1 to 4 represent an embodiment with several variants of a reference photovoltaic device according to the invention (hereinafter referred to as "reference device").
  • the reference photovoltaic cells are shown each encapsulated in an encapsulation layer transparent to light, and are arranged next to each other in the same plane.
  • the encapsulation layer may be polyethylene-vinyl acetate (EVA), polyvinyl butyral (PVB) or any other suitable material known in the field of the invention, capable of protecting said photovoltaic cells from the external environment, while while disturbing the reception of the light radiation as much as possible.
  • EVA polyethylene-vinyl acetate
  • PVB polyvinyl butyral
  • Part of the conductors forming the circuits described below are also encapsulated in the encapsulation layer.
  • each cell is interposed between a front plate (on the AV front face of the cell) and optionally a rear plate (on the rear rear face of said cell), the encapsulation layer making it possible to encapsulate the cell with the front and rear plates.
  • Each cell is associated with a front plate which is clean and has different light filtering capacity from cell to cell.
  • the front plate of each cell can be made of glass.
  • the glass of one of the cells can be a transparent glass of high optical quality, conventionally used in the manufacture of photovoltaic modules. If the reference photovoltaic cells are monofacial, the rear face of a cell is not necessarily transparent or with a given filtering capacity. On the other hand, if the reference photovoltaic cells are bifacial, the front and rear plates of a cell have the same filtering capacity, the rear plate preferably being identical to the front plate.
  • reference photovoltaic cells with their front face plate and their rear plate are encapsulated separately makes it possible to make them removable, to be integrated into the device and/or to remove them from the device. This allows the user to define more target technologies, while not requiring to increase the size of the device by an excessive number of reference cells.
  • the reference photovoltaic cells with their front face plate and their rear plate can be encapsulated together, still side by side. If the cells are encapsulated together, they may have a common backplate, especially if they are monofacial.
  • Each cell/encapsulation layer/front and back plate assembly is manufactured and assembled by one of the processes known in the field of the invention, typically by a hot (or even cold) and vacuum lamination process.
  • the layout of the cells in the device is not necessarily as shown in Figures 1 to 4.
  • the main thing is to have cells arranged next to each other in the same plane, but it is not necessary that the arrangement be as regular as that represented.
  • the cells do not necessarily all have the same surface.
  • the coefficient in the linear combination of a cell twice as small as a basic cell which therefore produces half as much as l cc , is to be multiplied by two with respect to the basic cell.
  • the reference cells it is not necessary for the reference cells to all be of the same technology.
  • the reference photovoltaic device comprises a calculation unit implementing an algorithm capable of carrying out at least the operations described later.
  • the parameter of interest is the photogenerated current or the short-circuit current I cc .
  • the short-circuit current is measured for each reference cell, by measuring the voltage across a shunt resistor of a closed circuit connected to said reference cell, and by deducing short-circuit current by Ohm's law.
  • the calculation algorithm is configured to determine the short-circuit current of each target photovoltaic device from the short-circuit currents of the reference cells.
  • Another parameter of interest can be the cell temperature, possibly in combination with the short-circuit current.
  • the different voltages delivered by the reference photovoltaic device according to the invention can be processed conventionally at the level of the device by supplying 4-20 mA currents or by including them before or after processing in registers of the Modbus type.
  • Figure 1 shows a reference device 10 comprising a plurality of reference photovoltaic cells 21, 22, 23, 24, 25, 26 arranged next to each other in the same plane, said cells can be of the same technology , but not necessarily. Six cells have been represented, but this number is in no way limiting.
  • Each reference photovoltaic cell 21, 22, 23, 24, 25, 26 comprises:
  • a front plate 51, 52, 53, 54, 55, 56 sized to cover the front face of said cell;
  • a rear plate 50 sized to cover the rear face of said cell; each cell being encapsulated with the front plate and the back plate in an encapsulation layer 40.
  • the front plates of the different reference photovoltaic cells have different light filtering capacities between them.
  • the front plates can have the same filtering capacities, or even be made of high optical quality glass with great transparency.
  • the rear plates and the encapsulation layers are of the same nature for all the cells.
  • they have been marked only for cell 21, but it is obvious that they are also present for the other cells.
  • each front plate 51, 52, 53, 54, 55 is a filter glass
  • the front plate 56 is a transparent glass of high optical quality, conventionally used in the manufacture of modules. photovoltaic.
  • each front plate may be referred to as a "filter” hereafter, even if one of the filters has a very low filtering capacity, such as high optical quality transparent glass.
  • filtering glass although it may be a material other than glass, for example a polycarbonate.
  • the reference device further comprises:
  • calculation unit implementing an algorithm configured to determine a value of a parameter of interest of a target photovoltaic device from values of said parameter of interest determined for each reference cell (calculation unit not shown).
  • FIG. 2 represents a first variant of the reference photovoltaic device of FIG. 1, and more precisely determination means 30.
  • FIG. 2 represents in detail a reference photovoltaic cell 21 and an electrical circuit 31 connected to said cell. .
  • the electrical circuit 31 shown is a closed circuit comprising a shunt, that is to say a resistor 310 placed as a shunt of known value Ri.
  • the reference photovoltaic cell 21 thus connected to the shunt must be kept close to its short-circuit state.
  • the value R 1 of the resistor must be known with precision and must be suitably chosen, in a manner known to those skilled in the art.
  • a value of resistance defined is generally chosen so that, under the maximum illumination considered, the voltage across the terminals of the shunt makes it possible to remain in the rectilinear part of the current-voltage curve, ie for example 50 mV. By way of example, if the current is 10 A under maximum illumination, a suitable resistance value is 5 m ⁇ .
  • Means for measuring (not shown) the voltage across the resistor are provided. This measured voltage corresponds to the voltage of the short-circuit current or short-circuit voltage V
  • the means for determining at least one parameter of interest comprise the electrical circuits of the cells as well as the voltage measurement means.
  • Each of the other reference cells is connected to its own electrical circuit which is similar to the electrical circuit described above.
  • the reference device can make it possible to determine the short-circuit current (which can be denoted by shortcut "illumination" although it is not the same magnitude) of the target device by using an algorithm implemented in the computing unit.
  • the algorithm is configured to determine the short circuit current of the target photovoltaic device from the short circuit currents of the reference cells. More specifically, the algorithm can determine the best combination of reference cells, based on the spectral response of each of said reference cells, to come as close as possible to the spectral response of the target device.
  • FIG. 3 represents a second variant of the reference photovoltaic device of FIG. 1, and more precisely determination means 30. This second variant differs from the first variant in that the electrical circuit 31 connected to the cell 21 comprises furthermore a removable jumper 315 between the resistor 310 and said cell.
  • Such a removable jumper thus arranged on one of the conductors of the electric circuit makes it possible to determine with precision the value of the short-circuit current of the reference cell 21 under standard test conditions. It is recalled that the principle of the jumper is to remain closed as long as it is not necessary to make this measurement, it is removed and the circuit is thus opened to allow this measurement to be carried out by putting in place a well-defined shunt . In particular, it can be used by accredited metrology laboratories to carry out such measurements, which, for greater accuracy, directly measure the short-circuit current without passing through the voltage at the shunt terminals.
  • Such a jumper can be added to one or more of the circuits connected to the reference photovoltaic cells of the reference device.
  • FIG. 4 represents a third variant of the reference photovoltaic device of FIG. This third variant differs from the first variant in that the device further comprises at least one temperature sensor 60 behind the rear face of at least one reference photovoltaic cell.
  • each sensor is connected, in a manner known to those skilled in the art, by wires to the measuring devices, the number of wires depending on the type of sensor and the mounting chosen.
  • a temperature sensor makes it possible in particular to correct the values of the short-circuit currents in temperature and thus to increase the precision of the calculations. This makes it possible to more accurately determine the performance of one or more target photovoltaic devices, in particular the electrical power.
  • the electrical power can be determined by using a model making it possible to calculate, from the value of the short-circuit current and the temperature, the values of the open-circuit voltage, of the current, of the voltage and of the power at the maximum power point.
  • a model making it possible to calculate, from the value of the short-circuit current and the temperature, the values of the open-circuit voltage, of the current, of the voltage and of the power at the maximum power point.
  • It may be, for example, the MotherPV model described in particular in the publication "Description of MotherPV, the new method developed at INES / CEA for the assessment of the energy production of photovoltaic modules", Guérin de Montgareuil, Antoine, 22 nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, 2007, Milano, Italy, 2007 >> and in the publication “A new tool for the MotherPV method: modeling of the irradiance coefficient of photovoltaic modules”, Guérin de Montgareuil, Antoine, Sicot, Lionel, Martin, Jean-Luc, Mezza
  • the temperature sensor can be a thermocouple, a thermistor, or a resistive probe (for example based on platinum, copper, nickel alloys or metal oxides, etc.).
  • Several temperature sensors can be associated with several reference cells.
  • target technology must be understood in the broad sense, which may cover different technologies of photovoltaic materials, differences in implementation within the same technology of photovoltaic materials, or even a mixture of two aspects.
  • step 101 defining the spectral responses of target technologies (and thus the spectral domains);
  • step 102 defining a basic photovoltaic cell, typically the photovoltaic cell having the best spectral response (for example the highest and most homogeneous possible) of a wide spectral domain, typically the spectral domain covering all of the spectral domains target technologies (typically between 280 and 1200 nm);
  • N filters available for example filter glasses available in a given catalog
  • retrieve the filtering characteristics of these N filters including the characteristics of a filter with very low filtering capacity (for example very transparent or high optical quality glass), with N > M and in the example N >4;
  • step 104 defining reference solar spectra of a sunny day (reference light spectra of the standard or measured light spectra);
  • step 105 for each target technology, determine the photogenerated current lcc_cibie of the target technology for all the reference solar spectra considered simultaneously and perform the following operations:
  • step 1051 for each target technology, successively select all the possible combinations of 4 different filters out of the N filters available to be associated with 4 basic photovoltaic cells;
  • step 1052 for each target technology and for each combination of filters, calculate the photogenerated currents Iccjntrage of each of the 4 basic photovoltaic cell+filter associations for all of the reference solar spectra considered simultaneously;
  • step 1053 for each target technology, find the best linear combination of the 4 photogenerated currents l cc jiitrage closest to the photogenerated current l cc _cibie (by using for example a multi-variable linear regression method, as in Excel the “linereg” function);
  • step 1054 for each target technology, determine the error E obtained for the best linear combination: for example by calculating:
  • step 1055 for each target technology, recording for each combination of filters the value of this error E and sorting the combinations of filters according to the error obtained in ascending order; possibly draw the error graph; and step 1056: retaining the P best combinations of filters (having the smallest errors); it is possible to note for each filter the number of appearances in the P best combinations of filters for this target technology;
  • step 106 determining the filters which appear in the P best combinations of filters obtained for all the target technologies and thus defining the 4 filters; at this stage, one can check whether a combination of filters gives lower errors than others for all of the target technologies. Note that it is possible alternatively, after step 1054, to proceed as follows: for each combination of filters, the error is calculated as the quadratic mean of the errors for all of the target technologies; alternatively, the maximum error value for all of the target technologies can be calculated as error; and selecting the combination of filters with the lowest calculated error.
  • the method described above has made it possible to define, for a basic monocrystalline silicon photovoltaic cell, four matched filters, which are the high-pass filters cutting at wavelengths around 400 nm, 500 nm, 800 nm and 1000 nm, which characterize the difference between a monocrystalline cell and other technologies.
  • filter glasses may be other filters, for example a polycarbonate.
  • the device according to the invention is ideally placed as close as possible to the target photovoltaic device(s) whose performance is sought to be monitored, in the same arrangements (orientation, inclination, mounting system ) and in the same environment as said device, when the latter is already in place, or in the projected environment of a photovoltaic device which is not yet in place.
  • the device according to the invention is preferably placed in the future place of installation, or at least in a representative place.
  • the reference device according to the invention can be configured in different ways depending on the intended applications and/or uses, and in particular this can be :
  • a reference photovoltaic device configured to provide a user with performance evaluations of a single target technology (device sized and algorithm preconfigured for a single target technology);
  • - reference photovoltaic device configured to provide a user with performance evaluations of several target technologies (dimensioned device and preconfigured algorithm for several target technologies), either directly, or subject to prior identification by the user of the target technology at the calculation unit;
  • - reference photovoltaic device configured to provide a user with performance evaluations of one or more target technologies (dimensioned device but non-preconfigured algorithm), subject to the supply by the user to the calculation unit of spectra corresponding to the ( or the) target technology(ies): this allows a user to use the device without the target technologies having been defined when the device was supplied.
  • the algorithm is then configured to calculate the best combination of the device's reference photovoltaic cells to best approach the spectral response corresponding to a given target technology.

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif photovoltaïque de référence (10) apte à déterminer les performances d'au moins un dispositif photo voltaïque cible et comprenant : - une pluralité de cellules photovoltaïques de référence (21, 22, 23, 24, 25, 26) disposées les unes à côté des autres sensiblement selon un même plan, chaque cellule photovoltaïque de référence comprenant en face avant (AV) une plaque avant (51, 52, 53, 54, 55, 56) dimensionnée pour recouvrir ladite face avant; les plaques avant des cellules de référence étant définies de manière à ce que les cellules photovoltaïques de référence fournissent des réponses spectrales différentes entre elles; - des moyens de mesure (30) aptes à mesurer au moins un paramètre d'intérêt pour chaque cellule photovoltaïque de référence; - une unité de calcul apte à implémenter un algorithme configuré pour déterminer une valeur d'un paramètre d'intérêt d'au moins un dispositif photovoltaïque cible en fonction des valeurs dudit paramètre d'intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Dispositif photovoltaïque de référence universel
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0001 ] L’invention se situe dans le domaine des dispositifs photovoltaïques. L’invention se situe plus précisément dans le domaine des dispositifs photovoltaïques de référence permettant d’évaluer et/ou de suivre les performances de dispositifs photovoltaïques, et notamment de mesurer l’éclairement et/ou le courant photogénéré, et éventuellement la température de cellules de dispositifs photovoltaïques.
[0002] Plus spécifiquement, l’invention concerne un dispositif photovoltaïque de référence dit « universel >>, c’est-à-dire permettant d’évaluer et/ou de suivre les performances de différentes technologies de dispositifs photovoltaïques.
[0003] L’invention concerne également une méthode de conception d’un tel dispositif photovoltaïque de référence universel.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[0004] L’invention se situe dans le domaine des dispositifs photovoltaïques, définis comme étant des dispositifs regroupant plusieurs cellules photovoltaïques (ou plusieurs cellules en couche mince) chaque cellule étant en un matériau photovoltaïque. Les cellules peuvent être assemblées en un ou plusieurs modules photovoltaïques et un dispositif photovoltaïque peut ainsi comprendre un ou plusieurs modules photovoltaïques.
[0005] Dans le domaine de l’invention, il est connu qu’un matériau photovoltaïque est caractérisé par sa réponse spectrale, qui définit pour chaque longueur d’onde reçue le rapport entre le nombre d’électrons créés et le nombre de photons reçus, et qui dépend de la longueur d’onde de la lumière reçue (ou des photons reçus).
[0006] De même, il est connu qu’un dispositif photovoltaïque peut être caractérisé par ses caractéristiques électriques : le courant photogénéré, généralement déterminé par le courant de court-circuit lcc ; la tension en circuit ouvert Vco ; la courbe tension- courant permettant de déterminer le point de puissance maximum et ainsi le courant Ipmax, la tension Vpmax et la puissance Ppmax en ce point de puissance maximum. Par puissance, il est bien compris par l’homme du métier que l’on désigne la puissance électrique.
[0007] Le rendement énergétique d’un dispositif photo voltaïque est défini comme étant le rapport entre la puissance au point de puissance maximum et la puissance lumineuse reçue par le matériau photovoltaïque. En outre, la puissance-crête d’un dispositif photovoltaïque désigne sa puissance au point de puissance maximum dans les conditions standard de test (ou de référence), c’est à dire lorsqu’il reçoit un éclairement spectral d’une intensité lumineuse et d’un spectre déterminé, notamment défini par la norme IEC 60904, pour une puissance lumineuse totale de 1000 W/m2 et sous une température du dispositif de 25°C : on définit également les valeurs du courant de court-circuit, de la tension en circuit ouvert ainsi que celles du courant et de la tension au point de puissance maximum dans les mêmes conditions standard de test.
[0008] Il est à noter qu’on parlera de courant photogénéré, bien que généralement on détermine le courant de court-circuit lcc.
[0009] Pour un éclairement donné, le courant photogénéré dépend de la température du matériau mais cette dépendance est faible : le coefficient de température du courant photogénéré ou du courant de court-circuit lcc est de moins d’un pour mille par degré Kelvin aux températures ambiantes pour les matériaux photovoltaïques courants. Par contre, pour un éclairement donné, la tension en circuit ouvert Vco et la puissance au point de puissance maximum Ppmax dépendent plus fortement de la température : on parle de coefficient de température de la tension en circuit ouvert et de coefficient de température de la puissance au point de puissance maximum.
[0010] Mais le courant photogénéré est aussi lié à l’éclairement reçu par le dispositif photovoltaïque, et celui-ci dépend de nombreux paramètres : paramètres environnementaux, paramètres de disposition (orientation, inclinaison, système de montage) du dispositif photovoltaïque.
[0011] Le suivi des performances d’un dispositif photo voltaïque en fonctionnement est la comparaison entre la puissance électrique qu’il délivre et la puissance électrique qu’il délivrerait si, soumis aux mêmes conditions environnementales, il fonctionnait constamment en son point de puissance maximum. [0012] Ainsi, la production d’un dispositif photovoltaïque dépend principalement de l’éclairement reçu et plus précisément, du courant photogénéré par cet éclairement et de la température des cellules photovoltaïques. Pour évaluer ou suivre le plus précisément possible la production électrique d’un dispositif photovoltaïque, que ce soit en caractérisation usine d’un dispositif photovoltaïque ou bien en conception ou en fonctionnement d’une installation solaire, on cherche donc à connaître :
- le courant photogénéré (ou le courant de court-circuit lcc) par l’éclairement reçu ou, par défaut et de façon indirecte, la valeur de cet éclairement moyennée sur toute la surface du dispositif ; et
- la température du dispositif photovoltaïque.
[0013] La température d’un dispositif photovoltaïque est définie comme étant la température moyenne de l’ensemble des cellules composant ledit dispositif photovoltaïque. En pratique, on détermine un point représentatif de la température moyenne de l’ensemble des cellules, et on mesure la température en ce point. Dans certaines formules connues dans le domaine de l’invention, on prend une température de jonction des cellules.
[0014] On détermine alors la puissance du dispositif photovoltaïque, généralement à l’aide d’un modèle exprimant cette puissance en fonction du courant photogénéré (ou à défaut, de la mesure de l’éclairement reçu) et de sa température.
[0015] L’éclairement peut être mesuré par un radiomètre. Les radiomètres (pyranomètres, pyrhéliomètres) sont des capteurs qui mesurent un flux thermique (une énergie par unité de surface) en transformant les photons reçus en élévation de température d’un corps noir. Mais les radiomètres ne sont pas adaptés pour suivre précisément les performances d’un dispositif photovoltaïque car ils ne permettent pas de déterminer avec précision le courant photogénéré. En outre, les radiomètres ne permettent pas de déterminer avec précision la température de fonctionnement du matériau photovoltaïque qui doit donc être mesurée de façon indépendante.
[0016] Pour évaluer ou suivre les performances et la production électrique d’un dispositif photovoltaïque, il est connu d’utiliser un dispositif photovoltaïque de référence (que l’on pourra désigner par raccourci « dispositif de référence »). Un dispositif de référence peut être utilisé pour déterminer le courant photogénéré (ou le courant de court-circuit lcc) ou à défaut l’éclairement, voire mesurer la température des matériaux photovoltaïques.
[0017] Un dispositif photovoltaïque de référence est constitué de cellules, de modules (voire de mini-modules), dont le matériau est le même que celui pour lequel on cherche à évaluer ou suivre les performances, de préférence dont la réponse spectrale est également sensiblement la même, et dont on a déterminé de manière précise les caractéristiques dans les conditions standard de test ainsi que le comportement en température. Le dispositif de référence doit de préférence être dans les mêmes dispositions (orientation, inclinaison, système de montage) et dans le même environnement que le dispositif dont on cherche à évaluer ou suivre les performances.
[0018] L’utilisation d’un dispositif photovoltaïque de référence est particulièrement intéressante en conception d’une future installation solaire, notamment pour déterminer le potentiel photovoltaïque de chaque dispositif photovoltaïque de l’installation solaire en un lieu donné, c’est-à-dire la puissance électrique que le dispositif photovoltaïque serait susceptible de fournir en ce lieu, s’il était constamment maintenu à son point de puissance maximum. En effet, dans ce cas, on ne peut pas disposer des capteurs de température et/ou mesurer le courant photogénéré (ou le courant de court-circuit lcc) directement sur un dispositif photovoltaïque, puisqu’il n’est pas encore installé et/ou en fonctionnement. La puissance électrique peut alors être déterminée en se basant sur la détermination du courant de court-circuit et de la température du dispositif photovoltaïque de référence, et avantageusement en utilisant un modèle permettant de déterminer, à partir de la valeur du courant de court-circuit et de la température, les valeurs de la tension en circuit ouvert, du courant, de la tension et de la puissance au point de puissance maximum.
[0019] Mais un dispositif photovoltaïque de référence peut être également et avantageusement utilisé pour suivre les performances et la production électrique d’un dispositif photovoltaïque en fonctionnement, également en se basant sur la détermination du courant de court-circuit et de la température du dispositif photovoltaïque de référence, et avantageusement en utilisant un modèle permettant de déterminer, à partir de la valeur du courant de court-circuit et de la température, les valeurs de la tension en circuit ouvert, du courant, de la tension et de la puissance au point de puissance maximum.
[0020] Les dispositifs photovoltaïques de référence connus comprennent des cellules de référence de même matériau, et plus précisément de même technologie que les dispositifs photovoltaïques dont on cherche à étudier les performances.
[0021 ] Cependant, tout matériau photovoltaïque est caractérisé par sa réponse spectrale qui est une signature de la technologie employée : silicium massif, silicium en couches minces, cuivre-gallium-indium-sélénium, tellure de cadmium, etc. En conséquence, pour un ensemble de spectres solaires reçus, deux cellules photovoltaïques de même technologie produisent des courants photogénérés quasiment proportionnels, alors que ce n’est pas le cas pour deux cellules photovoltaïques de technologies différentes. Comme en environnement réel, la composition spectrale de l’éclairement varie constamment en fonction de la hauteur du soleil et des conditions atmosphériques, deux cellules de technologies différentes produisent des courants photogénérés non proportionnels et il n’est pas possible de suivre les performances d’un dispositif photovoltaïque utilisant des cellules photovoltaïques d’une technologie donnée à l’aide d’une cellule photovoltaïque de référence d’une autre technologie.
[0022] Il est connu d’ajouter un filtre à une cellule photovoltaïque en une technologie donnée ou de remplacer le verre transparent en face avant par un verre avec des capacités de filtration de certaines longueurs d’onde, de manière à modifier la réponse spectrale de ladite cellule photovoltaïque et de se rapprocher de la réponse spectrale d’une autre technologie cible. L’inconvénient est que, dans ce cas, la cellule photovoltaïque filtrée peut suivre les performances de la technologie cible mais n’est plus capable de suivre les performances de sa propre technologie.
[0023] Pour suivre différentes technologies de cellules photovoltaïques cibles, il faudrait donc différentes technologies de cellules photovoltaïques de référence, ou alors différents filtres combinés avec des cellules photovoltaïques de référence, ce qui nécessite d’avoir une très grande quantité de cellules et/ou de combinaisons cellule/filtre pour couvrir un large panel de technologies de cellules photovoltaïques cibles.
[0024] L’invention vise à surmonter les inconvénients précités. [0025] L’invention vise à disposer d’un dispositif photo voltaïque de référence dit « universel », c’est-à-dire permettant d’évaluer et/ou de suivre, plus généralement de déterminer, les performances de dispositifs photovoltaïques de différentes technologies, et qui ne nécessite pas de multiplier les cellules photovoltaïques de référence.
[0026] De préférence, il est recherché un dispositif photovoltaïque de référence universel qui soit de conception simple, qui présente un coût de fabrication réduit, et qui soit avantageusement de taille réduite.
EXPOSE DE L’INVENTION
[0027] Un premier objet de l’invention permettant de remédier à ces inconvénients est un dispositif photovoltaïque de référence apte à déterminer les performances d’au moins un dispositif photovoltaïque cible, et de préférence de plusieurs dispositifs photovoltaïques cibles différents, ledit dispositif photovoltaïque de référence comprenant :
- une pluralité de cellules photovoltaïques de référence disposées les unes à côté des autres sensiblement selon un même plan, chaque cellule photovoltaïque de référence comprenant en face avant une plaque avant dimensionnée pour recouvrir ladite face avant ; les plaques avant des cellules de référence étant définies de manière à ce que les cellules photovoltaïques de référence fournissent des réponses spectrales différentes entre elles ; chaque cellule photovoltaïque de référence comportant en outre une plaque arrière dimensionnée pour recouvrir la face arrière de ladite cellule ; ladite cellule étant encapsulée avec les plaques avant et arrière dans une couche d’encapsulation ;
- des moyens de mesure aptes à mesurer au moins un paramètre d’intérêt pour chaque cellule photovoltaïque de référence ;
- une unité de calcul apte à implémenter un algorithme configuré pour déterminer une valeur d’un paramètre d’intérêt d’au moins un dispositif photovoltaïque cible en fonction des valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence. [0028] En d’autres termes, les plaques avant des cellules de référence ont des capacités de filtrage telles que les cellules photovoltaïques de référence fournissent des réponses spectrales différentes entre elles.
[0029] Selon un mode de réalisation, les plaques avant d’au moins deux cellules de référence ont des capacités de filtrage différentes.
[0030] Dans l’ensemble de la présente description, par souci de simplification, une cellule photovoltaïque de référence peut être désignée par « cellule de référence >> voire « cellule ». De même, un dispositif photovoltaïque de référence peut être désigné par « dispositif de référence >> voire « dispositif >>. En outre, un dispositif photovoltaïque dont on cherche à suivre ou évaluer les performances peut être désigné par « dispositif photovoltaïque cible >>, ou « dispositif cible >>. Un dispositif photovoltaïque cible appartient à une technologie donnée, qui est désignée par « technologie cible >>.
[0031 ] Par convention, on désigne par « face avant >> ou « plaque avant >> la face ou la plaque exposée le plus directement au rayonnement, et par « face arrière >> ou « plaque arrière >> la face ou la plaque exposée le moins directement au rayonnement. Plus généralement, « avant >> (ou « devant >>) se réfère au côté exposé le plus directement au rayonnement, et « arrière >> (ou « derrière >>) se réfère au côté exposé le moins directement au rayonnement.
[0032] L’invention permet de disposer d’un dispositif photovoltaïque de référence qui peut caractériser plusieurs dispositifs photovoltaïques cibles, pouvant appartenir à plusieurs technologies cibles, sans que cela nécessite de multiplier indûment les cellules de référence et/ou les filtres.
[0033] Le terme « technologie >> désigne un matériau photovoltaïque donné élaboré selon un type de procédé donné, caractérisé par une réponse spectrale donnée.
[0034] L’invention consiste à disposer de plusieurs cellules photovoltaïques de référence, pouvant être des cellules filtrées selon des capacités de filtrage différentes et/ou au moins une cellule avec un verre de haute qualité optique présentant une grande transparence et donc un effet filtrant très limité, puis, pour chaque dispositif photovoltaïque cible, à rechercher la meilleure combinaison mathématique possible de signaux issus de cellules photovoltaïques de référence afin de s’approcher le plus précisément possible du signal du dispositif photovoltaïque cible. Un signal pouvant être exploité est typiquement le courant de court-circuit.
[0035] Il existe différentes technologies au sein des potentiels dispositifs photovoltaïques cibles, et au sein de chaque technologie, différents dispositifs photovoltaïques pouvant constituer des dispositifs photovoltaïques cibles. Ceci conduit à un potentiel très grand nombre de cas de cibles à couvrir par un dispositif « universel >> de référence. L’invention a pour caractéristique de couvrir au travers d’un nombre limité de cellules de référence, un nombre notablement plus élevé de dispositifs cibles. En d’autres termes, il n’est pas nécessaire de disposer d’autant de cellules de référence que de dispositifs photovoltaïques cibles, et il n’est même pas nécessaire d’avoir autant de cellules de référence que de technologies cibles.
[0036] L’invention consiste donc en la détermination d’une meilleure combinaison mathématique de cellules de référence de manière à représenter le plus précisément possible un dispositif photovoltaïque cible donné. Cette détermination de la meilleure combinaison mathématique est basée sur la réponse spectrale (et en pratique sur la mesure de courant de court-circuit). Plus précisément elle est basée sur la réponse spectrale de chacune desdites cellules de référence, et vise à s’approcher au plus près de la réponse spectrale du dispositif cible. Cela permet de déterminer une fonction de correspondance. Cette fonction de correspondance peut ensuite être exploitée pour déterminer la valeur d’un paramètre d’intérêt du dispositif photovoltaïque cible à partir de valeurs du même paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules de référence, permettant ainsi d’évaluer ou de suivre les performances du dispositif photovoltaïque cible. L’invention permet ainsi d’affiner la précision de détermination de cette valeur du paramètre d’intérêt pour tout dispositif photovoltaïque cible.
[0037] La fonction de correspondance peut être une combinaison linéaire. La détermination de la fonction de correspondance revient alors à rechercher les meilleurs coefficients de cette combinaison.
[0038] Pour couvrir un large panel de technologies cibles et/ou de dispositifs photovoltaïques cibles, la cellule photovoltaïque de référence non filtrée présente de préférence la réponse spectrale la plus large possible, c’est-à-dire la réponse spectrale mesurable pour une plage de longueurs d’onde la plus large possible. [0039] Le dispositif photovoltaïque de référence selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles.
[0040] Le dispositif de référence peut comprendre autant de cellules de référence que de technologies cibles, mais ce n’est pas une obligation.
[0041] Selon un mode de réalisation, au moins deux cellules de référence sont de même technologie et les au moins deux plaques avant desdites cellules ont des capacités de filtrage de la lumière différentes entre elles.
[0042] Des cellules photovoltaïques sont dites de même technologie lorsqu’elles sont en un même matériau semi-conducteur et que ce même matériau semi-conducteur a été élaboré selon un même type de procédé, de façon à ce que les cellules présentent la même réponse spectrale ou des réponses spectrales similaires. Il peut s’agir de : cellules photovoltaïques en silicium monocristallin (c-Si), en silicium multi- cristallin (mc-Si), ou en silicium amorphe (en couche mince) ; cellules photovoltaïques en couche mince à base de tellure de cadmium (CdTe), d’alliage cuivre, indium et sélénium (CIS) ou d’alliage cuivre, indium, sélénium et gallium (CIGS), cellules photovoltaïques multi-jonctions (lll/V), notamment en arséniure de gallium (GaAs)... Il est à noter que deux cellules photovoltaïques de même technologie peuvent différer par leur encapsulation et/ou par la qualité optique de leurs verres (plaques) en face avant et/ou arrière, pouvant générer des différences dans les réponses spectrales.
[0043] Selon un mode de réalisation particulier, toutes les cellules photovoltaïques de référence sont de même technologie, et les plaques avant desdites cellules ont toutes des capacités de filtrage de la lumière différentes entre elles.
[0044] Selon une première variante de réalisation, les cellules photovoltaïques de référence sont des cellules photovoltaïques monofaciales.
[0045] Selon une deuxième variante de réalisation, les cellules photovoltaïques de référence sont des cellules photovoltaïques bifaciales, les plaques arrière et avant d’une même cellule ayant la même capacité de filtrage. En particulier, la plaque arrière peut être identique à la plaque avant d’une même cellule.
[0046] Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de mesure comprennent : - un circuit électrique relié à chaque cellule photovoltaïque de référence, chaque circuit étant fermé et comportant une résistance en dérivation et
- des moyens de mesure de la tension aux bornes de ladite résistance.
[0047] Selon l’invention, un circuit électrique « relié à >> une cellule signifie qu’il est relié aux bornes de ladite cellule.
[0048] Selon un mode de réalisation particulier, au moins un circuit électrique fermé comporte en outre un cavalier amovible entre la résistance et la cellule photovoltaïque de référence reliée audit circuit électrique.
[0049] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un moyen de mesure de la température d’au moins une cellule photovoltaïque de référence.
[0050] Selon un mode de réalisation particulier, tout ou partie des plaques avant sont des verres filtrants. De préférence, au moins une plaque avant n’est pas un verre transparent de haute qualité optique.
[0051] Selon un mode de réalisation particulier, au moins une plaque avant est un verre transparent de haute qualité optique.
[0052] Au moins une cellule photovoltaïque de référence peut être en silicium monocristallin et/ou être une cellule photovoltaïque multi-jonctions (lll/V), de préférence en arséniure de gallium (GaAs).
[0053] L’algorithme peut être configuré (préconfiguré) pour déterminer au moins une valeur d’un paramètre d’intérêt d’au moins un dispositif photovoltaïque cible en s’appuyant sur une combinaison linéaire des valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence.
[0054] L’algorithme peut être configuré pour déterminer une fonction de correspondance à partir des réponses spectrales et/ou des courants de court-circuit des cellules photovoltaïques de référence et de la réponse spectrale et/ou du courant de court-circuit du dispositif photovoltaïque cible, ladite fonction de correspondance étant mise en oeuvre pour déterminer la au moins une valeur du paramètre d’intérêt du au moins un dispositif photovoltaïque cible à partir de valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence.
[0055] La fonction de correspondance peut être une combinaison linéaire, la détermination de la fonction de correspondance consistant en la détermination des coefficients de ladite combinaison linéaire. [0056] Au moins un paramètre d’intérêt peut être le courant de court-circuit et/ou la température des cellules photovoltaïques.
[0057] Un deuxième objet de l’invention est une méthode de conception d’un dispositif photovoltaïque de référence selon le premier objet de l'invention, ladite méthode comprenant les étapes suivantes :
- une étape de définition de technologies cibles de dispositifs photovoltaïques et des réponses spectrales desdites technologies cibles ;
- une étape de détermination d’au moins une cellule photovoltaïque de base, au moins une cellule photo voltaïque de base ayant de préférence la meilleure réponse spectrale dans un ensemble de longueurs d’onde d’un domaine spectral donné, typiquement le domaine spectral recouvrant l’ensemble des réponses spectrales des technologies cibles ;
- une étape de détermination de filtres, pouvant comprendre au moins un filtre à très faible capacité de filtrage, qui, individuellement associés avec la au moins une cellule photovoltaïque de base, forment les cellules photovoltaïques de référence permettant de déterminer les réponses spectrales et/ou les courants de court-circuit et/ou les températures des technologies cibles définies, en fonction des réponses spectrales et/ou des courants de court-circuit et/ou des températures desdites cellules photovoltaïques de référence, en utilisant une fonction de correspondance.
[0058] La fonction de correspondance peut être une combinaison linéaire.
[0059] Selon un mode de réalisation, la méthode comprend une étape de définition d’un nombre M de cellules photovoltaïques de référence.
[0060] En particulier, lorsqu’on connait à l’avance les technologies cibles dont on souhaite évaluer ou suivre les performances, on peut déterminer la réponse spectrale caractéristique de chaque technologie cible (dite « réponse spectrale cible ») et en déduire un domaine spectral global (dit « domaine spectral cible »), réunion de l’ensemble des domaines spectraux où les réponses spectrales cibles ne sont pas nulles.
[0061] Pour définir les cellules photovoltaïques de référence, on définit au moins une cellule photovoltaïque de base, non filtrée, c’est-à-dire au moins une cellule photovoltaïque qui va servir de base pour les cellules photovoltaïques de référence. On peut avoir une cellule de base d’une seule et même technologie, ou plusieurs cellules de base de technologies différentes. On peut sélectionner comme cellule(s) photovoltaïque(s) de base, au moins une cellule photovoltaïque dont la fabrication garantit la meilleure réponse spectrale dans chacune des longueurs d’onde du domaine spectral cible, et de préférence une cellule photovoltaïque ayant une réponse spectrale la plus élevée et la plus homogène possible dans le domaine spectral cible. Cette réponse spectrale est la réponse spectrale de référence de cette cellule photovoltaïque de base.
[0062] Dans le cas particulier où toutes les cellules photovoltaïques de base sont de même technologie, on peut réaliser les étapes suivantes.
[0063] Soit M le nombre de cellules photovoltaïques de base. Ce nombre M peut être égal au nombre de technologies cibles dont on souhaite étudier les performances, mais ce n’est pas obligatoire.
[0064] Ensuite, on présélectionne un nombre N de filtres, où N est supérieur à M, et on calcule la combinaison spectrale de chacun de ces filtres avec la cellule photovoltaïque de base, pour obtenir les différentes réponses spectrales des cellules photovoltaïques de base filtrées, qu’on désigne par « réponses spectrales filtrées ».
[0065] Disposant déjà des réponses spectrales cibles, on recherche ensuite, par une méthode d’optimisation, un ensemble de M cellules photovoltaïques de référence (c’est-à-dire M cellules photovoltaïques de base associées avec M filtres parmi les N filtres présélectionnés) permettant en utilisant une fonction de correspondance (par exemple une combinaison linéaire) de s’approcher au mieux de toutes les réponses spectrales cibles. L’ensemble de filtres finalement choisis pour être combinés avec la cellule photovoltaïque de base est obtenu par le résultat de la méthode d’optimisation. Ainsi l’ensemble de filtres est choisi de façon à ce que les réponses spectrales de toutes les technologies cibles dont on souhaite évaluer ou suivre les performances puissent être déterminées en fonction des réponses spectrales des cellules photovoltaïques de référence (par la fonction de correspondance).
[0066] Comme indiqué plus avant, la fonction de correspondance peut consister en une combinaison linéaire des réponses spectrales. Alternativement, elle peut consister en une fonction plus complexe, par exemple une combinaison non linéaire, une méthode de réseaux de neurones, en particulier à noeuds cachés... [0067] De manière optionnelle, dans la méthode d’optimisation, on peut pondérer le poids des longueurs d’onde considérées par les valeurs de spectres de référence choisis. Cette pondération peut par exemple être effectuée en calculant le courant photogénéré pour chaque longueur d’onde pour un ensemble de spectres représentatifs d’une journée type. Comme spectres représentatifs, on peut utiliser par exemple les spectres lumineux de référence de la norme et/ou des spectres lumineux mesurés dans des conditions réelles.
[0068] Chaque cellule photovoltaïque de base est ensuite encapsulée individuellement avec un des filtres sélectionnés (un filtre différent pour chaque cellule dans le cas particulier décrit, un filtre pouvant être un verre transparent de haute qualité optique).
[0069] Afin que les cellules photovoltaïques de référence aient la réponse spectrale voulue une fois fabriquées, il est important que les cellules photovoltaïques de base aient chacune la réponse spectrale la plus proche possible de la réponse spectrale des cellules photovoltaïques de base « simulées >> définies lors de la méthode de conception.
[0070] On peut ensuite mesurer la réponse spectrale de chaque cellule photovoltaïque de référence ainsi obtenue. Les valeurs des coefficients de la fonction de correspondance (par exemple de la combinaison linéaire) utilisées pour le choix des filtres dans la méthode d’optimisation peuvent ainsi être adaptées en utilisant cette fois les valeurs réelles des réponses spectrales des cellules photovoltaïques de référence.
[0071 ] Les cellules photovoltaïques de référence sont disposées de façon coplanaire dans un même support, de façon amovible ou non amovible.
[0072] Le dispositif photovoltaïque de référence et la méthode de conception selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques précédemment énoncées, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0073] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux figures annexées données à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : [0074] La Fig.1 représente un mode de réalisation d’un dispositif photovoltaïque de référence conforme à l’invention.
[0075] La Fig.2 représente une première variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 .
[0076] La Fig.3 représente une deuxième variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 .
[0077] La Fig.4 représente une troisième variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 .
[0078] La Fig.5 représente un exemple de méthode de conception d’un dispositif photovoltaïque de référence de l’invention.
[0079] Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
[0080] De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
[0081 ] Les figures 1 à 4 représentent un mode de réalisation avec plusieurs variantes d’un dispositif photovoltaïque de référence conforme à l’invention (dénommé ci-après « dispositif de référence »).
[0082] Dans l’ensemble des figures 1 à 4, les cellules photovoltaïques de référence sont représentées encapsulées chacune dans une couche d’encapsulation transparente à la lumière, et sont disposées les unes à côté des autres selon un même plan. La couche d’encapsulation peut être du polyéthylène-acétate de vinyle (EVA), du polyvinylbutyral (PVB) ou tout autre matériau adapté et connu dans le domaine de l’invention, apte à protéger lesdites cellules photovoltaïques de l'environnement extérieur, tout en perturbant au minimum la réception du rayonnement lumineux. Une partie des conducteurs formant les circuits décrits ci- après est également encapsulée dans la couche d’encapsulation.
[0083] En outre, chaque cellule est intercalée entre une plaque avant (en face avant AV de la cellule) et éventuellement une plaque arrière (en face arrière AR de ladite cellule), la couche d’encapsulation permettant d’encapsuler la cellule avec les plaques avant et arrière. Chaque cellule est associée avec une plaque avant qui lui est propre et qui a une capacité de filtrage de la lumière différente d’une cellule à l’autre. La plaque avant de chaque cellule peut être en verre. Le verre d’une des cellules peut être un verre transparent de haute qualité optique, utilisé classiquement dans la fabrication des modules photovoltaïques. Si les cellules photovoltaïques de référence sont monofaciales, la face arrière d’une cellule n’est pas nécessairement transparente ou avec une capacité de filtrage donnée. En revanche, si les cellules photovoltaïques de référence sont bifaciales, les plaques avant et arrière d’une cellule ont une même capacité de filtrage, la plaque arrière étant de préférence identique à la plaque avant.
[0084] Le fait que les cellules photovoltaïques de référence avec leur plaque face avant et leur plaque arrière soient encapsulées séparément permet de les rendre amovibles, pour être intégrées dans le dispositif et/ou les retirer du dispositif. Ceci permet à l’utilisateur de définir plus de technologies cibles, tout en ne nécessitant pas d’augmenter la taille du dispositif par un nombre excessif de cellules de référence.
[0085] Alternativement, les cellules photovoltaïques de référence avec leur plaque face avant et leur plaque arrière peuvent être encapsulées ensemble, toujours les unes à côté des autres. Si les cellules sont encapsulées ensemble, elles peuvent avoir une plaque arrière commune, notamment si elles sont monofaciales.
[0086] Chaque ensemble cellule / couche d’encapsulation / plaques avant et arrière est fabriqué et assemblé par un des procédés connus dans le domaine de l’invention, typiquement par un procédé de lamination à chaud (voire à froid) et sous vide.
[0087] Il est à noter que la disposition des cellules dans le dispositif n’est pas nécessairement comme représenté dans les figures 1 à 4. L’essentiel est d’avoir des cellules disposées les unes à côté des autres selon un même plan, mais il n’est pas obligatoire que la disposition soit aussi régulière que celle représentée. En outre, les cellules n’ont pas nécessairement toutes la même surface. Dans le cas où elles n’ont pas la même surface, il peut être nécessaire de recalculer les valeurs du paramètre d’intérêt (par exemple le courant de court-circuit) pour qu’elles correspondent toutes à une même surface de cellule. Par exemple, le coefficient dans la combinaison linéaire d’une cellule deux fois plus petite qu’une cellule de base, qui produit donc deux fois moins de lcc, est à multiplier par deux par rapport à la cellule de base. [0088] Il n’est pas nécessaire que les cellules de référence soient toutes de la même technologie.
[0089] Enfin, bien que cela ne soit pas représenté dans les figures, le dispositif photovoltaïque de référence comprend une unité de calcul implémentant un algorithme apte à réaliser au moins les opérations décrites plus après.
[0090] Dans les variantes décrites ci-après, le paramètre d’intérêt est le courant photogénéré ou le courant de court-circuit lcc. Comme décrit plus après, le courant de court-circuit est mesuré pour chaque cellule de référence, en mesurant la tension aux bornes d’une résistance en dérivation (shunt) d’un circuit fermé relié à ladite cellule de référence, et en en déduisant le courant de court-circuit par la loi d’Ohm. L’algorithme de calcul est configuré pour déterminer le courant de court-circuit de chaque dispositif photovoltaïque cible à partir des courants de court-circuit des cellules de références.
[0091 ] Un autre paramètre d’intérêt peut être la température des cellules, éventuellement en combinaison avec le courant de court-circuit.
[0092] Les différentes tensions délivrées par le dispositif photovoltaïque de référence selon l’invention peuvent être traitées classiquement au niveau du dispositif en fournissant des courants 4-20 mA ou en les incluant avant ou après traitement dans des registres du type Modbus.
[0093] La figure 1 représente un dispositif de référence 10 comprenant une pluralité de cellules photovoltaïques de référence 21 , 22, 23, 24, 25, 26 disposées les unes à côté des autres selon un même plan, lesdites cellules pouvant être de même technologie, mais pas obligatoirement. On a représenté six cellules, mais ce nombre n’est en rien limitatif.
[0094] Chaque cellule photovoltaïque de référence 21 , 22, 23, 24, 25, 26 comprend :
- en face avant AV : une plaque avant 51 , 52, 53, 54, 55, 56 dimensionnée pour recouvrir la face avant de ladite cellule ;
- en face arrière AR : une plaque arrière 50 dimensionnée pour recouvrir la face arrière de ladite cellule ; chaque cellule étant encapsulée avec la plaque avant et la plaque arrière dans une couche d’encapsulation 40. [0095] Pour des cellules de base de même technologie, les plaques avant des différentes cellules photovoltaïques de référence ont des capacités de filtrage de la lumière différentes entre elles. Par contre, pour deux cellules de base de technologies différentes, les plaques avant peuvent avoir les mêmes capacités de filtrage, voire être en un verre de haute qualité optique présentant une grande transparence.
[0096] Pour les cellules monofaciales représentées en figure 1 , les plaques arrière et les couches d’encapsulation sont de même nature pour toutes les cellules. En outre, dans un souci de clarté des figures, elles ont été repérées uniquement pour la cellule 21 , mais il est évident qu’elles sont également présentes pour les autres cellules.
[0097] Dans le dispositif représenté, l’ensemble des plaques avant 51 , 52, 53, 54, 55 est un verre filtrant, tandis que la plaque avant 56 est un verre transparent de haute qualité optique, utilisé classiquement dans la fabrication des modules photovoltaïques. Par souci de simplification, chaque plaque avant peut être dénommée « filtre >> par la suite, même si un des filtres a une capacité de filtrage très faible, comme le verre transparent de haute qualité optique. Par raccourci, on pourra parler de « verre filtrant >> bien qu’il puisse s’agir d’un autre matériau que du verre, par exemple un polycarbonate.
[0098] Le dispositif de référence comprend en outre :
- des moyens de détermination 30 d’au moins un paramètre d’intérêt pour chaque cellule de référence ;
- une unité de calcul implémentant un algorithme configuré pour déterminer une valeur d’un paramètre d’intérêt d’un dispositif photovoltaïque cible à partir de valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour chaque cellule de référence (unité de calcul non représentée).
[0099] La figure 2 représente une première variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 , et plus précisément des moyens de détermination 30. La figure 2 représente en détail une cellule photovoltaïque de référence 21 et un circuit électrique 31 relié à ladite cellule.
[0100] Le circuit électrique 31 représenté est un circuit fermé comportant un shunt, c’est-à-dire une résistance 310 placée en dérivation de valeur connue R-i. [0101] La cellule photovoltaïque de référence 21 ainsi reliée au shunt doit être maintenue proche de son état de court-circuit. La valeur R1 de la résistance doit être connue avec précision et doit être convenablement choisie, de manière connue de l’homme du métier. On choisit généralement une valeur de résistance définie pour que, sous l’éclairement maximum considéré, la tension aux bornes du shunt permette de rester dans la partie rectiligne de la courbe courant-tension, soit par exemple 50 mV. A titre d’exemple, si le courant est de 10 A sous l’éclairement maximum, une valeur convenable de résistance est de 5 mQ.
[0102] Des moyens de mesure (non représentés) de la tension aux bornes de la résistance sont prévus. Cette tension mesurée correspond à la tension du courant de court-circuit ou tension de court-circuit V|CC de chaque cellule. On peut ainsi déterminer le courant de court-circuit lcc selon la loi d’Ohm.
[0103] Ainsi, les moyens de détermination d’au moins un paramètre d’intérêt (ici le courant de court-circuit) comprennent les circuits électriques des cellules ainsi que les moyens de mesure de tension.
[0104] Chacune des autres cellules de référence est reliée à son propre circuit électrique qui est similaire au circuit électrique décrit dans ce qui précède.
[0105] Le dispositif de référence selon l’invention peut permettre de déterminer le courant de court-circuit (pouvant être désigné par raccourci par « éclairement >> bien qu’il ne s’agisse pas de la même grandeur) du dispositif cible en utilisant un algorithme implémenté dans l’unité de calcul. L’algorithme est configuré pour déterminer le courant de court-circuit du dispositif photovoltaïque cible à partir des courants de court-circuit des cellules de référence. Plus précisément, l’algorithme peut déterminer la meilleure combinaison des cellules de référence, en se basant sur la réponse spectrale de chacune desdites cellules de référence, pour s’approcher au plus près de la réponse spectrale du dispositif cible. Par exemple, l’algorithme peut déterminer que la réponse spectrale du dispositif cible est une combinaison linéaire des réponses spectrales des différents cellules de référence, et déterminer les coefficients de cette combinaison, et dans ce cas le courant de court-circuit du dispositif cible est la combinaison linéaire avec les mêmes coefficients des courants de court-circuit des cellules de référence. [0106] La figure 3 représente une deuxième variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 , et plus précisément des moyens de détermination 30. Cette deuxième variante diffère de la première variante en ce que le circuit électrique 31 relié à la cellule 21 comprend en outre un cavalier amovible 315 entre la résistance 310 et ladite cellule. Un tel cavalier amovible ainsi disposé sur un des conducteurs du circuit électrique permet de déterminer avec précision la valeur du courant de court-circuit de la cellule de référence 21 dans les conditions standards de test. Il est rappelé que le principe du cavalier est de rester fermé tant qu’il n’est pas nécessaire de faire cette mesure, il est enlevé et le circuit est ainsi ouvert pour permettre de réaliser cette mesure en mettant à la place un shunt bien défini. Notamment, il peut être utilisé par les laboratoires de métrologie accrédités pour réaliser de telles mesures, qui, pour plus de précision, mesurent directement le courant de court- circuit sans passer par la tension aux bornes du shunt.
[0107] Un tel cavalier peut être ajouté à un ou plusieurs des circuits reliés aux cellules photovoltaïques de référence du dispositif de référence.
[0108] En outre, cette caractéristique peut être combinée avec la troisième variante décrite dans ce qui suit.
[0109] La figure 4 représente une troisième variante du dispositif photovoltaïque de référence de la figure 1 . Cette troisième variante diffère de la première variante en ce que le dispositif comprend en outre au moins un capteur de température 60 derrière la face arrière d’au moins une cellule photovoltaïque de référence.
[0110] Bien que cela ne soit pas représenté, chaque capteur est relié, de manière connue par l’homme du métier, par des fils aux appareils de mesure, le nombre de fils dépendant du type de capteur et du montage choisi.
[0111] Un capteur de température permet notamment de corriger en température les valeurs des courants de court-circuit et ainsi d’augmenter la précision des calculs. Cela permet de déterminer avec plus de précision les performances d’un ou de plusieurs dispositifs photovoltaïques cibles, notamment la puissance électrique.
[0112] La puissance électrique peut être déterminée en utilisant un modèle permettant de calculer, à partir de la valeur du courant de court-circuit et de la température, les valeurs de la tension en circuit ouvert, du courant, de la tension et de la puissance au point de puissance maximum. Il peut s’agir par exemple du modèle MotherPV décrit notamment dans la publication « Description of MotherPV, the new method developed at INES / CEA for the assessment of the energy production of photovoltaic modules », Guérin de Montgareuil, Antoine, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, 2007, Milano, Italy, 2007 >> et dans la publication « A new tool for the MotherPV method: modelling of the irradiance coefficient of photovoltaic modules », Guérin de Montgareuil, Antoine, Sicot , Lionel, Martin, Jean-Luc, Mezzasalma, Frédéric, Merten, Jens 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 2009, Hamburg, Germany, 2009.
[0113] Le capteur de température peut être un thermocouple, une thermistance, ou une sonde résistive (par exemple à base de platine, cuivre, alliages de nickel ou oxydes métalliques...).
[0114] Plusieurs capteurs de température peuvent être associés à plusieurs cellules de référence.
[0115] Nous allons maintenant décrire un exemple de méthode de conception d’un dispositif de référence conforme à l’invention, en référence à la figure 5. Cette méthode est décrite avec des cellules photovoltaïques de base de même technologie et avec un verre filtrant différent pour chaque cellule.
[0116] Il est à noter que la notion de technologie cible doit s’entendre au sens large, pouvant couvrir des technologies différentes de matériaux photovoltaïques, des différences d’implémentation au sein d’une même technologie de matériaux photovoltaïques, voire un mélange des deux aspects.
[0117] La méthode de conception représentée comprend les étapes suivantes, pour un nombre M de cellules photovoltaïques de référence (dans l’exemple M = 4) :
- étape 101 : définir les réponses spectrales de technologies cibles (et ainsi les domaines spectraux) ;
- étape 102 : définir une cellule photovoltaïque de base, typiquement la cellule photovoltaïque ayant la meilleure réponse spectrale (par exemple la plus élevée et la plus homogène possible) d’un large domaine spectral, typiquement le domaine spectrale recouvrant l’ensemble des domaines spectraux des technologies cibles (typiquement entre 280 et 1200 nm) ;
- étape 103 : lister N filtres disponibles (par exemple des verres filtrants disponibles dans un catalogue donné) et récupérer les caractéristiques de filtrage de ces N filtres, y compris les caractéristiques d’un filtre à très faible capacité de filtrage (par exemple verre très transparent ou à haute qualité optique), avec N > M et dans l’exemple N > 4 ;
- étape 104 : définir des spectres solaires de référence d'une journée ensoleillée (spectres lumineux de référence de la norme ou spectres lumineux mesurés) ;
- étape 105 : pour chaque technologie cible, déterminer le courant photogénéré lcc_cibie de la technologie cible pour l'ensemble des spectres solaires de référence considérés simultanément et faire les opérations suivantes :
-- étape 1051 : pour chaque technologie cible, sélectionner successivement toutes les combinaisons possibles de 4 filtres différents sur les N filtres disponibles pour être associés avec 4 cellules photovoltaïques de base ;
-- étape 1052 : pour chaque technologie cible et pour chaque combinaison de filtres, calculer les courants photogénérés Iccjntrage de chacune des 4 associations cellules photovoltaïques de base + filtre pour l'ensemble des spectres solaires de référence considérés simultanément ;
-- étape 1053 : pour chaque technologie cible, trouver la meilleure combinaison linéaire des 4 courants photogénérés lccjiitrage s’approchant le plus du courant photogénéré lcc_cibie (en utilisant par exemple une méthode de régression linéaire multi-variables, comme sur Excel la fonction « droitereg >>) ;
-- étape 1054 : pour chaque technologie cible, déterminer l'erreur E obtenue pour la meilleure combinaison linéaire : par exemple en calculant :
Figure imgf000023_0001
-- étape 1055 : pour chaque technologie cible, enregistrer pour chaque combinaison de filtres la valeur de cette erreur E et trier les combinaisons de filtres en fonction de l'erreur obtenue par ordre croissant ; éventuellement tracer le graphe des erreurs ; et -- étape 1056 : retenir les P meilleures combinaisons de filtres (ayant les plus faibles erreurs) ; on peut noter pour chaque filtre le nombre d'apparitions dans les P meilleures combinaisons de filtres pour cette technologie cible ;
- étape 106 : déterminer les filtres qui apparaissent dans les P meilleures combinaisons de filtres obtenues pour toutes les technologies cibles et définir ainsi les 4 filtres ; à ce stade, on peut vérifier si une combinaison de filtres donne des erreurs plus faibles que d’autres pour l'ensemble des technologies cibles. [0118] A noter qu’on peut alternativement, après l’étape 1054, procéder de la façon suivante : pour chaque combinaison de filtres, on calcule comme erreur la moyenne quadratique des erreurs pour l'ensemble des technologies cibles ; alternativement, on peut calculer comme erreur la valeur maximum des erreurs pour l'ensemble des technologies cibles ; et on sélectionner la combinaison de filtres avec l’erreur calculée la plus faible.
[0119] En pratique, la méthode décrite ci-dessus a permis de définir, pour une cellule photovoltaïque de base en silicium monocristallin, quatre filtres adaptés, qui sont les filtres passe haut coupant à des longueurs d'onde autour de 400 nm, 500 nm, 800 nm et 1000 nm, qui caractérisent la différence entre une cellule monocristalline et d'autres technologies.
[0120] La méthode a été décrite en prenant des verres filtrants, mais il peut s’agir d’autres filtres, par exemple un polycarbonate.
[0121] Le dispositif selon l’invention est disposé idéalement le plus près possible du (ou des) dispositif(s) photovoltaïques cible(s) dont on cherche à suivre les performances, dans les mêmes dispositions (orientation, inclinaison, système de montage) et dans le même environnement que ledit dispositif, lorsque celui-ci est déjà en place, ou dans l’environnement projeté d’un dispositif photovoltaïque qui n’est pas encore en place.
[0122] En cas de suivi de performances d’un dispositif photovoltaïque en fonctionnement, il est possible de déterminer ou de corriger les coefficients de la fonction de correspondance, notamment de la combinaison linéaire, à partir de la connaissance de la réponse spectrale d’un dispositif photovoltaïque représentatif du dispositif photovoltaïque en fonctionnement ou à partir de la mesure directe du courant de court-circuit de ce dispositif photovoltaïque représentatif.
[0123] Lorsque le dispositif photovoltaïque ou l’installation photovoltaïque n’est pas encore installé(e), le dispositif selon l’invention est disposé de préférence dans le futur lieu d’installation, ou du moins dans un lieu représentatif.
[0124] Les différents modes présentés peuvent être combinés entre eux, selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
[0125] Le dispositif de référence selon l’invention peut être configuré de différentes manières selon les applications et/ou utilisations visées, et notamment cela peut être :
- un dispositif photovoltaïque de référence configuré pour fournir à un utilisateur des évaluations de performance d’une seule technologie cible (dispositif dimensionné et algorithme préconfiguré pour une seule technologie cible) ;
- dispositif photovoltaïque de référence configuré pour fournir à un utilisateur des évaluations de performance de plusieurs technologies cibles (dispositif dimensionné et algorithme préconfiguré pour plusieurs technologies cibles), soit directement, soit moyennant une identification préalable par l’utilisateur de la technologie cible à l’unité de calcul ;
- dispositif photovoltaïque de référence configuré pour fournir à un utilisateur des évaluations de performance d’une ou plusieurs technologies cibles (dispositif dimensionné mais algorithme non préconfiguré), moyennant la fourniture par l’utilisateur à l’unité de calcul de spectres correspondant à la (ou les) technologie(s) cible(s) : ceci permet à un utilisateur d’utiliser le dispositif sans que les technologies cibles aient été définies lors de la fourniture du dispositif. L’algorithme est alors configuré pour calculer la meilleure combinaison des cellules photovoltaïques de référence du dispositif permettant de s’approcher au mieux de la réponse spectrale correspondant à une technologie cible donnée.
[0126] En outre, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation entrant dans la portée des revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif photovoltaïque de référence (10) apte à déterminer les performances d’au moins un dispositif photovoltaïque cible, et de préférence de plusieurs dispositifs photovoltaïques cibles différents, ledit dispositif photovoltaïque de référence comprenant :
- une pluralité de cellules photovoltaïques de référence (21 , 22, 23, 24, 25, 26) disposées les unes à côté des autres sensiblement selon un même plan, chaque cellule photovoltaïque de référence comprenant en face avant (AV) une plaque avant (51 , 52, 53, 54, 55, 56) dimensionnée pour recouvrir ladite face avant ; les plaques avant des cellules de référence étant définies de manière à ce que les cellules photovoltaïques de référence fournissent des réponses spectrales différentes entre elles ; chaque cellule photovoltaïque de référence comportant en outre une plaque arrière (50) dimensionnée pour recouvrir la face arrière de ladite cellule ; ladite cellule étant encapsulée avec les plaques avant et arrière dans une couche d’encapsulation (40) ;
- des moyens de mesure (30) aptes à mesurer au moins un paramètre d’intérêt pour chaque cellule photovoltaïque de référence ;
- une unité de calcul apte à implémenter un algorithme configuré pour déterminer au moins une valeur du paramètre d’intérêt d’au moins un dispositif photovoltaïque cible, et de préférence de plusieurs dispositifs photovoltaïques cibles différents, en fonction des valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence.
2. Dispositif (10) selon la revendication 1 , au moins deux cellules de référence étant de même technologie et les au moins deux plaques avant desdites cellules ayant des capacités de filtrage de la lumière différentes entre elles.
3. Dispositif (10) selon la revendication 2, toutes les cellules photovoltaïques de référence étant de même technologie, et les plaques avant desdites cellules ayant toutes des capacités de filtrage de la lumière différentes entre elles.
4. Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 3, les cellules photovoltaïques de référence étant des cellules photovoltaïques monofaciales.
5. Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 3, les cellules photovoltaïques de référence étant des cellules photovoltaïques bifaciales, les plaques arrière et avant d’une même cellule ayant la même capacité de filtrage, la plaque arrière étant de préférence identique à la plaque avant d’une même cellule.
6. Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 5, les moyens de mesure (30) comprenant :
- un circuit électrique (31 ) relié à chaque cellule photovoltaïque de référence, chaque circuit étant fermé et comportant une résistance (310) en dérivation ;et
- des moyens de mesure de la tension aux bornes de ladite résistance.
7. Dispositif (10) selon la revendication 6, au moins un circuit électrique (31 ) fermé comportant en outre un cavalier amovible (315) entre la résistance (310) et la cellule photovoltaïque de référence (21 ) reliée audit circuit électrique.
8. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un moyen de mesure (60) de la température d’au moins une cellule photovoltaïque de référence (21).
9. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, tout ou partie des plaques avant (51 , 52, 53, 54, 55) étant des verres filtrants.
10. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, au moins une plaque avant (56) étant un verre transparent de haute qualité optique.
11 . Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 10, au moins une cellule photovoltaïque de référence étant en silicium monocristallin.
12. Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 11 , au moins une cellule photovoltaïque de référence étant une cellule photovoltaïque multi-jonctions (lll/V), de préférence en arséniure de gallium (GaAs).
13. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, l’algorithme configuré pour déterminer au moins une valeur du paramètre d’intérêt d’au moins un dispositif photovoltaïque cible s’appuyant sur une combinaison linéaire des valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence.
14. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, l’algorithme étant en outre configuré pour déterminer une fonction de correspondance à partir des réponses spectrales et/ou des courants de court-circuit des cellules photovoltaïques de référence et de la réponse spectrale et/ou du courant de court-circuit du dispositif photovoltaïque cible, ladite fonction de correspondance étant mise en oeuvre pour déterminer la au moins une valeur du paramètre d’intérêt du au moins un dispositif photovoltaïque cible à partir de valeurs dudit paramètre d’intérêt déterminées pour les cellules photovoltaïques de référence.
15. Dispositif (10) selon la revendication 14, la fonction de correspondance étant une combinaison linéaire des réponses spectrales et/ou des courants de court-circuit des cellules photovoltaïques de référence, la détermination de la fonction de correspondance consistant en la détermination des coefficients de ladite combinaison linéaire.
16. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, au moins un paramètre d’intérêt étant le courant de court-circuit et/ou la température des cellules photovoltaïques.
17. Méthode de conception d’un dispositif photovoltaïque de référence (10) choisi selon l’une des revendications 1 à 16, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : - une étape de définition de technologies cibles de dispositifs photovoltaïques et des réponses spectrales desdites technologies cibles ;
- une étape de détermination d’au moins une cellule photovoltaïque de base, au moins une cellule photovoltaïque de base ayant de préférence la meilleure réponse spectrale dans un ensemble de longueurs d’onde d’un domaine spectral donné, typiquement le domaine spectral recouvrant l’ensemble des réponses spectrales des technologies cibles ;
- une étape de détermination de filtres, pouvant comprendre au moins un filtre à très faible capacité de filtrage, qui, individuellement associés avec la au moins une cellule photovoltaïque de base, forment les cellules photovoltaïques de référence permettant de déterminer les réponses spectrales et/ou les courants de court-circuit et/ou les températures des technologies cibles définies, en fonction des réponses spectrales et/ou des courants de court-circuit et/ou des températures desdites cellules photovoltaïques de référence, en utilisant une fonction de correspondance.
18. Méthode de conception selon la revendication 17, la fonction de correspondance étant une combinaison linéaire.
19. Méthode de conception selon l’une des revendications 17 ou 18, comprenant une étape de définition d’un nombre M de cellules photovoltaïques de référence.
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