Une nouvelle dimension pour l’énergie solaire

Une nouvelle dimension pour l’énergie solaire

Une nouvelle dimension pour l’énergie solaire 954 1183 Sébastien BAGES

Une conception innovante en 3D développée par une équipe du MIT peut plus que doubler la production d’énergie solaire dans une zone donnée.


Des recherches intensives autour du globe ont souhaité mettre l’accent sur ​​l’amélioration de la performance des cellules solaires photovoltaïques et en faire baisser le coût. Mais très peu d’attention a été accordée aux meilleures façons d’arranger ces cellules, qui sont généralement placées à plat sur un toit ou une autre surface, ou parfois sur des structures motorisées servant à maintenir les cellules pointées vers le soleil.

Une équipe de chercheurs du MIT a mis au point une approche très différente : un format en tour cubique qui valorise les cellules solaires par l’aspect 3D. Étonnamment, les résultats de cette structure, faisant suite aux tests, montrent une puissance de sortie allant de deux à plus de 20 fois supérieur à celui des conceptions 2D (ou plates) présentant pourtant une superficie similaire.

Les plus hauts pics de puissance ont été observés dans des situations où les améliorations de l’énergie solaire sont les plus demandées, comme dans des endroits éloignés de l’équateur, dans les mois d’hiver et durant les périodes où le temps est maussade. Les nouveaux résultats, basés d’une part sur la modélisation assistée par ordinateur et d’autre part sur les essais en plein air en condition réelle, ont été publiés dans le journal Energy and Environmental Science.

« Je pense que ce concept pourrait devenir une partie importante pour l’avenir de l’énergie photovoltaïque », explique l’auteur principal de l’article, Jeffrey Grossman, Carl Richard Soderberg Career Development Associate Professor, agrégé en génie électrique au MIT.

L’équipe du MIT a en premier lieu utilisé un algorithme informatique pour explorer une grande variété de configurations possibles, et a développé un logiciel d’analyse qui permet de tester une configuration donnée en fonction de toute une gamme de latitudes, saisons et conditions météorologiques. Ensuite, pour confirmer les prédictions de leurs modèles, ils ont construit et testé trois différents arrangements de cellules solaires sur le toit d’un bâtiment du laboratoire du MIT pendant plusieurs semaines.

« Bien que le coût d’une quantité donnée d’énergie produite par ces modules 3-D soit supérieur à celui des panneaux plats ordinaires, la dépense est partiellement compensée par une production d’énergie beaucoup plus élevée pour un encombrement donné. De plus, la puissance de sortie est beaucoup plus uniforme au cours d’une journée, au cours des saisons et lorsque le ciel est ombrageux ou complètement obscurcit. Ces améliorations rendent la puissance de sortie plus prévisible et uniforme, ce qui pourrait rendre l’intégration avec le réseau électrique plus aisée qu’avec les systèmes classiques », disent les auteurs.

 

D’où vient cette qualité ?

« La raison physique de cette amélioration provient des surfaces des structures 3-D verticales pouvant percevoir plus de lumière le matin, le soir et durant les hivers, quand le soleil est au plus proche de l’horizon », déclare le co-auteur Marco Bernardi, un étudiant diplômé du département du MIT en génie et science des matériaux (DMSE).


« Le temps est venu pour une telle innovation », ajoute Grossman, « parce que les cellules solaires sont devenues moins chers que les structures de soutien, le câblage et l’installation. Comme le coût des cellules elles-mêmes continue à baisser plus rapidement que les autres, les avantages du système 3D va croître en conséquence ».

« Il y a 10 ans, cette idée n’aurait pas été économiquement justifiable parce que les modules avaient un prix si élevé… », dit Grossman. Il ajoute : « Mais maintenant le tarif des cellules de silicium n’est plus qu’une fraction du tarif total, une tendance qui se poursuivra à la baisse dans un proche avenir ». Actuellement, jusqu’à 65% du total est associé à l’installation et d’autres paramètres en-dehors des cellules elles-mêmes.

« Bien que la modélisation informatique de Grossman et ses collègues a montré que le plus grand avantage viendrait de formes complexes, ce sera difficile à fabriquer », convient le co-auteur Nicola Ferralis, un chercheur de la DMSE. « Les algorithmes peuvent aussi être utilisés pour optimiser et simplifier les formes avec peu de perte d’énergie. Il s’avère que la différence de puissance entre ces formes optimisées et un simple cube n’est que de 10 à 15% – une différence qui est éclipsé par la performance considérablement améliorée de la forme 3D en général », dit-il. L’équipe a analysé les deux formes : le simple cube et le plus complexe en accordéon lors de leurs essais expérimentaux sur le toit.

Dans un premier temps, les chercheurs furent affligés en subissant, lors des tests, près de deux semaines sans aucun jour clair et ensoleillé. Mais en regardant les données, ils ont réalisé qu’ils avaient appris des leçons importantes des jours nuageux : leur système avait montré une amélioration considérable de la puissance de sortie contrairement aux panneaux plats classiques.

Concernant la tour en accordéon – la plus haute structure que l’équipe a testé -, l’idée était de simuler une tour que « vous pourriez recevoir en plaque, et qui pourrait s’ouvrir sur site. Une telle tour pourrait être installée dans un parking pour fournir une station de recharge pour véhicules électriques », raconte Grossman.

« Jusqu’à présent, l’équipe a développé des modules 3D individuels. La prochaine étape sera d’étudier toute une collection de ces tours, permettant ainsi de passer outre les problématiques d’ombrage se produisant au fil de la journée. En général, les formes 3D pourraient avoir un grand avantage à n’importe quel endroit où l’espace est limité, la toiture est horizontale ou dans certains espaces urbains », disent-ils. De telles formes pourraient également être utilisées à plus grande échelle avec des applications plus imposantes comme les fermes solaires, une fois que les effets d’ombrage entre les tours seront soigneusement minimisés.

D’autres s’attellent à une disposition 3D de cellules photovoltaïques. Seulement, dit Grossman, « notre étude est de nature différente, car elle est la première à aborder le problème avec une analyse systématique et prédictive ».

David Gracias, professeur agrégé de chimie et en génie biomoléculaire à l’Université Johns Hopkins, qui n’était pas impliqué dans cette recherche, affirme que Grossman et son équipe « ont démontré, via la théorie et la preuve de concept, que les éléments photovoltaïques 3D pourraient offrir des avantages significatifs en termes de captation de la lumière avec des angles différents. Le défi, cependant, sera de produire en masse ces éléments de manière rentable ».


Citations du M.I.T.
Crédit image : Allegra Boverman

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Sébastien BAGES
About the author

Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

Un commentaire
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    Guillaume de questions-ebr.com 10 avril 2012 à 4h56

    Bonjour.
    Sachant que les panneaux solaires monocristallins ont un rendement d’environ 11 à 17%, même une sortie multipliée par 2 serait déjà une avancée.
    Le photovoltaïque est encore cher en 2012 par rapport aux watts récupérés derrière.
    Effectivement, tout l’art consistera à créer ces nouveaux panneaux tout en gardant un rapport prix / production électrique plus intéressant que les panneaux solaires monocristallins 2D actuels.
    Cordialement.
    Guillaume

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