Panneau solaire bifacial parabolique avec système de refroidissement

Les panneaux solaires conventionnels ont été conçus et utilisés pour convertir le rayonnement solaire en électricité avec une seule face. Or, ils présentent un faible rendement de conversion énergétique et un coût élevé, car ils ne peuvent absorber la lumière que par un seul côté. Afin de réduire le coût de la production d’énergie solaire, un panneau photovoltaïque (PV) bifacial a été proposé dans ce brevet (US3278811A). Il peut potentiellement diminuer le coût de l’électricité produite, car ce type de cellule solaire peut convertir la lumière du soleil incidente en énergie électrique par ses deux faces. Cuevas et al. ont démontré des modules bifaciaux produisant 50 % d’électricité en plus grâce à la collecte du rayonnement d’albédo provenant du toit et de l’environnement. Les cellules solaires bifaciales n’augmentent donc pas seulement la densité de puissance, elles pourraient aussi réduire le coût lié à la surface d’un système photovoltaïque (PV). Par ailleurs, un panneau solaire bifacial en silicium cristallin doté d’un réflecteur a été proposé dans ce brevet (US9379269B2) afin d’absorber davantage de lumière par la face arrière du panneau. D’autre part, une hausse de la température entraîne une réduction de la bande interdite, ce qui provoque à son tour une baisse du rendement de conversion énergétique. Il est donc avantageux d’appliquer un refroidissement artificiel aux modules PV pour améliorer la puissance de sortie et obtenir des performances optimales, et diverses méthodes ont été appliquées à cette fin. Néanmoins, à la connaissance des auteurs, aucune référence n’a été trouvée dans la littérature présentant un panneau PV qui combine les deux solutions, le refroidissement et le bifacial avec réflecteur. Ce travail présente donc une conception améliorée d’un panneau solaire bifacial intégré qui convertit efficacement le rayonnement solaire en énergie électrique grâce à un système de refroidissement.

L’objectif du présent concept est de fournir un panneau solaire capable de convertir le rayonnement solaire en énergie électrique avec les caractéristiques suivantes : 1) la diminution de la température du photovoltaïque ; 2) la conversion de la lumière du soleil incidente en énergie électrique par les deux faces de la cellule à l’aide de miroirs ; 3) la réduction du coût lié à la surface d’un système photovoltaïque. Il convient de préciser que le concept proposé fait l’objet d’une demande de brevet déposée auprès de l’OMPIC (Office marocain de la propriété industrielle et commerciale) sous le numéro MA42181B1 par Badre El Majid, Saad Motahhir et Abdelaziz El Ghzizal.

CONCEPT DE CONCEPTION

Comme le montre la figure 1, le but du concept est de fournir un panneau solaire bifacial qui double les surfaces exposées au rayonnement solaire afin de produire davantage d’énergie électrique. Le matériau qui circule dans les tubes sert à refroidir le dispositif photovoltaïque, et il doit aussi être transparent pour laisser passer les rayons solaires jusqu’aux miroirs réfléchissants, qui les renvoient vers la face arrière du panneau. On peut remarquer que le système utilise des cellules PV bifaciales paraboliques reliées entre elles par des tubes. La raison de l’utilisation de cellules PV paraboliques est de réduire le coût lié à la surface d’un système PV. Notons que des cellules PV bifaciales en polymère sont nécessaires pour construire le système proposé.

Figure 1 : vue latérale 3D du panneau solaire bifacial parabolique

Figure 2 : vue frontale 3D en coupe du panneau solaire bifacial parabolique

Les figures 1 et 2 montrent la fonction des tubes conducteurs transparents ; il existe deux types de tubes (jaunes et bleus), qui servent à relier les cellules PV entre elles de la manière suivante :

Le tube jaune sert à relier les cellules PV et à construire une chaîne PV à l’horizontale.

Les tubes bleus servent à relier les chaînes PV à la verticale. Chaque chaîne est reliée à l’autre avec un décalage de ½ par rapport à la cellule PV adjacente, en reliant le tube jaune de chaque chaîne au tube bleu de l’autre chaîne. Le décalage est effectué alternativement une fois vers la zone inférieure et une fois vers la partie supérieure. Notons que les tubes bleus sont fixés au milieu de la face arrière de la cellule PV. Les tubes (jaunes et bleus) sont remplis d’un matériau capable de refroidir la cellule PV en son milieu (tubes bleus) ou à ses extrémités (tubes jaunes). Cette disposition améliore ainsi le rendement du panneau PV. Il est important de noter que le matériau des tubes bleus n’est pas fusionné avec celui des tubes jaunes, afin d’éviter que la température des tubes bleus n’augmente sous l’effet du matériau des tubes jaunes, qui est exposé au soleil.

Comme le montre la figure 3, la forme parabolique des cellules PV et la connexion alternée des chaînes PV laissent passer le rayonnement solaire vers le miroir par tous les trous résultant de cette conception. De plus, comme le matériau et le tube sont transparents, le rayonnement solaire peut aussi atteindre le miroir à travers les tubes jaunes. Ainsi, le système proposé peut convertir la lumière du soleil incidente en énergie électrique par les deux faces de la cellule et produire davantage d’électricité en captant un maximum de rayonnement.

Figure 3 : le concept de réflexion du rayonnement du système proposé

Défis

Sur la base des résultats prometteurs présentés dans cette invention, les travaux sur les questions restantes se poursuivent et seront présentés dans de futures publications, comme suit :

• Déterminer le matériau approprié pour les tubes transparents. Il doit pouvoir refroidir efficacement le système proposé et être transparent. Par exemple, dans un article récent portant le DOI suivant (10.1016/j.jclepro.2018.04.057), un matériau à changement de phase a été utilisé pour refroidir un panneau PV. Il n’est toutefois pas transparent.
• Des cellules PV bifaciales en polymère sont nécessaires pour construire le système proposé. Il est donc impératif de commencer par rechercher ce type de cellules PV.
• Modéliser le système proposé à l’aide d’outils de simulation comme Matlab/Simulink.
• Choisir le degré parabolique nominal qui maximise le rendement PV
• Par exemple, le rendement d’un panneau PV monofacial se calcule par l’équation suivante :

Ici, I(t) est l’intensité lumineuse, qui peut être définie comme l’irradiance (E), c’est-à-dire la puissance du rayonnement électromagnétique par unité de surface incidente sur une surface, et A est la surface de la cellule solaire en silicium. Il est donc nécessaire de modéliser une équation permettant de calculer le rendement du système proposé.

La dépendance du rendement de la cellule solaire à la température est modélisée par l’équation suivante pour un panneau PV monofacial :

Ici, ηc et ηTref sont les rendements de la cellule solaire respectivement à la température de la cellule et à la température ambiante, β0 est le coefficient de température du rendement (0,004 K−1), Tc et Tref sont respectivement la température de la cellule et la température de référence de la cellule solaire. La quantité (Tc−Tref) augmente avec la température de la cellule et, par conséquent, le rendement du panneau PV monofacial diminue. Il est donc également nécessaire de modéliser la dépendance du rendement de la cellule solaire à la température pour le système proposé.

6.La tâche la plus difficile est de construire le premier prototype du système proposé, puis de calculer son rendement et de le comparer à celui des panneaux PV existants.

CONCLUSION

À partir du concept qui a été élaboré, il est possible de tirer les conclusions suivantes :

• Le concept proposé de panneau solaire bifacial parabolique permet de récupérer un maximum d’énergie solaire sur une surface réduite, avec le système de refroidissement. Cela peut donc assurer l’amélioration du rendement de conversion énergétique.
• Réduire le coût lié à la surface d’un système photovoltaïque.
• Plusieurs autres questions restent à traiter, par exemple « ce concept sera-t-il plus efficace que les panneaux PV existants ? ». Des recherches supplémentaires sur les défis mentionnés dans la section 3 sont donc encore nécessaires avant d’obtenir une réponse définitive à ces questions, ouvrant ainsi une nouvelle voie qui pourrait aboutir à une énergie PV plus compacte et plus efficace.

Lien vers le brevet : https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/068426003/publication/MA42181B1?q=motahhir

Auteur : Saad Motahhir (ENSA, université SMBA, Fès, Maroc)