Mise en œuvre d'un procédé de thermocompression pour la fabrication de modules photovoltaïques composites à double courbure - Approches numérique et expérimentale

Implementation of a thermocompression process for the manufacturing of double-curved composite photovoltaic modules - Numerical and experimental approaches

• Auteur / Autrice : Tatiana Duigou
• Direction : Georges Habchi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance en 2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Habchi, Anne Bergeret, Philippe Olivier, Matthieu Despeisse, Julien Gaume, Lionel Tenchine, Manuel Lagache
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Bergeret, Philippe Olivier

Mots clés

Mots clés libres

Module PV spécifique

Modélisation

Développement de procédé

Charactérisation

Courbure

Automobile

Integrated photovoltaics

Modelling

Process development

Characterisation

Curved panels

Automotive

Résumé

Ce travail de recherche multidisciplinaire propose une approche de conception de modules photovoltaïques composites à double courbure dans le contexte d'une application automobile. Il va de la définition du cahier des charges du produit à sa pré-qualification, en utilisant une approche expérimentale et numérique. Tout d'abord, la sélection d'un procédé de fabrication de modules photovoltaïques à double courbure est justifiée techniquement et scientifiquement. Le procédé de thermocompression, permettant notamment des cadences de production élevées et l’utilisation de matières thermoplastiques, a été retenu. Par la suite, une étude numérique a abordé deux aspects. Une première étude numérique porte sur les contraintes mécaniques impliquées par la double courbure. Elle vise à définir des règles de conception pour assurer l'intégrité mécanique des cellules et a été validée expérimentalement. Les résultats ont été intégrés dans un second modèle simulant la fabrication d'un module PV par un procédé de thermocompression. Ce second modèle multi-étapes vise à simuler le retour élastique de la pièce, ainsi que le comportement mécanique du produit final. Il permet d'adapter les paramètres du procédé de fabrication et l’architecture de la pièce composite afin de minimiser à la fois son retour élastique, et sa masse par rapport à une pièce de carrosserie automobile en acier. De plus, le procédé de thermocompression a été adapté expérimentalement afin de s'adapter aux contraintes d'intégration des cellules photovoltaïques. Cette étape de développement du procédé a impliqué une étude exploratoire pour sélectionner les matériaux adéquats et des paramètres de procédé adaptés. Les pièces produites ont permis de valider le modèle numérique multi-étapes à l'aide de mesures métrologiques. Enfin, un ensemble de modules photovoltaïques produits a été pré-qualifié au regard de normes identifiées issues de l'industrie photovoltaïque. Une ligne directrice pour la qualification de ce produit pour une application automobile est dessinée. Des perspectives pour l'industrialisation du procédé développé, incluant la pré-évaluation de son analyse de cycle de vie, concluent ce travail.

This multidisciplinary research work proposes an approach to design double-curved composite photovoltaic modules in the context of an automotive application. It goes from the definition of the product specifications to its pre-qualification, including both experimental and numerical approaches. First, the selection of a process for manufacturing double-curved PV modules is technically and scientifically justified. The thermocompression process, enabling, among all, high production rates and the manufacturing of thermoplastic materials, was chosen. Then, a numerical study addressed two aspects. A first numerical study focused on the mechanical stresses implied by double curvature. This aimed at defining the design rules to ensure the mechanical integrity of cells and was validated experimentally. The results were integrated into a second model simulating the manufacturing of a PV module by a thermocompression process. This second multistep model aims at simulating the elastic return of the part, as well as the final product mechanical behaviour. It enables to adapt the parameters of the manufacturing process and the stack of the composite part in order to minimize both its elastic return, and its weight with regard to an automotive steel part. Further, the thermocompression process was experimentally adapted in order to fit with constraints of photovoltaic cells integration. This process development stage implied an exploratory study to select adequate materials and adapted process parameters. The produced parts enabled validating the multistep numerical model using metrological measurements. Lastly, a set of produced PV modules were pre-qualified with regard to identified norms from the PV industry. A guideline for the qualification of this product for an automotive application is drawn. Perspectives for the industrialisation of the developed process, including pre-evaluation of its life cycle assessment, concludes this work.