Le photovoltaïque à concentration 

  • 19 mai 2020
Le photovoltaïque à concentration 

Avec des rendements de conversion de l'énergie solaire qui peuvent atteindre 

plus de 43 %, le photovoltaïque à concentration, de développement plus récent que le photovoltaïque classique, est à même d'offrir une solution intéressante dans 

les régions à fort ensoleillement. 

Système de panneaux photovoltaïques à moyenne concentration IMCPV) de la société Axiosun déployé dans le sud de la France. Les systèmes MCPV utilisent des trackers à un axe, orienté ici est-ouest. Les miroirs, qui concentrent la lumière sur les modules CPV, sont bien visibles. Ces derniers sont collés à des dissipateurs de chaleur à ailettes pour limiter l'augmentation de la température au niveau des cellules. 

armi les technologies de production de l'énergie basées sur le solaire photovoltaïque, le photo 

voltaïque à concentration (CPY pour Concentration Photo VoZtaie) estl'unedesmoinsconnues. Cependant, il entre rapidement dans le circuit des énergies renou velables. Le concept repose sur l'emploi de systèmes optiques qui permettent de concentrer la lumière du soleil sur des cellules photovoltaïques possédant un rendement de conversion élevé (figure). 

Améliorer la conversion de l énergie solaire 

Les recherches autour du CPY ont été initiées dans l'optique d'accroître le rendement des cellules solaires. Dans un article fondateur paru en 1961 (Il, le physicien américain William Shockley etson collègue allemand Hans J. Queisser établissent que le rende ment de conversion maximum des cellules photo voltaïques simple jonction, sous un fluxlumineux de 1000 W/m2, est d'environ 30 %. Ce flux constitue la valeur standard d'éclairement utilisée pour la mesure des performances des cellules photovoltaïques. Il correspond à la valeur de l'éclairement solaire. Dans le même article, les deux chercheurs posent la première brique du concept de CPY. En effet, selon 

Schéma de principe du photovoltaïque à concentration. 

La lumière du soleil est concentrée sur une cellule photovoltaïque de petite taille grâce à un système optique. 

calculs, le rendement devrait augmenter avec --ensité lumineuse incidente sur la cellule. validité des prédictions de Shockley et Queisser est 

ontrée en 1987, quand l'wllversité de Stanford ::.ats- Unis) bat, avec une même cellule, deux records - monde en matière de rendement de conversion de ules solaires à base de silicium: 20 % de rendement un éclairement de 1X(2) (soit 1000W/m2) et - % de rendement pour un taux de concentration 

- 140X, soit 140 fois l'intensité lumineuse du soleil. 

technologies CPV exploitent donc la possibi -~ des cellules photovoltaïques de travailler sous ux lumineux plus intense avec des rendements nversion plus élevés. il est important de noter l'emploi de systèmes optiques implique que les ules CPV soient constamment orientés vers le 

eil, Cette fonction est assurée par des appareils suivi de la course du soleil, les trackers, dont la plexité technologique et le besoin en précision t de pair avec le taux de concentration. 

procédés de concentration 

différentes technologies CPV disponibles peuvent distinguées selon leur taux de concentration du lwnineux. Elles comprennent: 

technoLogies à basse concentration (LCPV pour ~"'W Concentration PhotoVoltaic), entre 2X et lOX, .appuyant généralement sur des panneaux photo taïques classiques à base de silicium cristallin et des .ssemblages de miroirs simples accolés aux modules -:- tovoltaïques. Le taux maximal de concentration limité à 10X. En effet, au-delà, la lumière diffuse 

- est plus collectée par ces systèmes. Le principal :roblème posé par cette technologie réside dans :rtilisation de panneaux photovoltaïques conven nnels, car peu de fabricants de modules classiques ~tiennent leurs garanties dans le cas d'un usage us un flux lumineux concentré; 

les technologies à moyenne concentration (MCPV zour Medium Concentration Photo Voltaie), entre lOX • lOOX, qui réclament des récepteurs spécifiques. -2 conversion photovoltaïque est toujours assurée 

des cellules à haut rendement, à base de silicium :ristallin. Ces systèmes nécessitent des cellules solaires - nt le rendement de conversion se maintient à un . 'eau élevé avec la concentration du flux lumineux - l'augmentation de température qui en résulte. Le ode de concentration du flux lumineux reste basé des miroirs. Pour des taux de concentration supé ";eurs à lOOX, les trackers à un axe de rotation ne 

les technologies à haute concentration (HCPV rour High Concentration Photo Voltaic), qui sont ~ployées pour des taux de concentration supé ieurs à 100X. Elles reposent souvent sur des lentilles 

':e Fresnel et des cellules à base de matériaux III-V matériaux binaires, ternaires, quaternaires ou plus, .:omposés des éléments de la colonne III et de la .:olonne V du tableau de Mendeleïev). Le tracker iemande alors un suivi sur deux axes. 

- aujourd'hui, les cellules à base de silicium exploitées dans le CPV permettent d'atteindre des rendements e conversion de 27,6 %_ Les dernières technologies e cellules à base de matériaux III-V offrent quant à 

elles des rendements de conversion de 43,5 %, rende ments qui augmentent de 1 % par an depuis 1999. Pour les produits industriels, certains fabricants vendent des modules présentant des rendements de conversion d'environ 34 %, contre en moyenne 18 % pour les mod ules photovoltaïques classiques à base de silicium. Des chiffres qui font rêver, mais qui doivent être appréciés à la lumière d'autres aspects du CPV. Du fait de l'utilisation de systèmes optiques, les modules CPV ne captent que la lumière solaire directe. Il n'y a donc que peu, voire pas, de production lors de passages nuageux ou en cas de ciel totalement couvert. Ces équipements sont ainsi destinés à des zones à fort ensoleillement, pourtour méditerranéen par exemple. Par ailleurs, les trackers comportent des composants mécaniques mobiles, critiques pour la production d'énergie. Si ces composants confèrent aux systèmes CPVune courbe de production d'éner gie au cours de la journée beaucoup plus intéressante, leur présence augmente la probabilité de parme sur les installations CPV. 

Les systèmes CPV, qui n'ont pas encore bénéficié de l'effet de production de masse dont a profité le photovoltaïque, sont plus chers que les installations classiques. L'accroissement de leur production leur confère néanmoins un retour sur investissement plus rapide lorsqu'ils sont employés dans de grandes centrales de production d'énergie. Celles-ci consti tuent d'ailleurs leur marché principal. Sile nombre de grands fabricants se compte encore sur les doigts d'une main, il n'en reste pas moins que près de 700 MW de CPV ont été installés en 2012 et sont opérationnels. 

Module photovoltaïque à moyenne concentration (MCPV) de la société Axiosun. On y voit les cellules à base de silicium. les dissipateurs de chaleur et le flux lumineux incident Sur les cellules en provenance du miroir. 

Au niveau du CEA, de nombreuses compétences pluridisciplinaires se développent autour du CPY. En effet, dans ce domaine d'activité, les thématiques abordées sont variées et les chercheurs sont impli qués sur la recherche et développement autour de la thermique, de l'optique, de la physique des serni conducteurs et des procédés d'assemblage, ou encore de la mécanique ou de la gestion de l'énergie . 

Si l'utilisation par Archimède de miroirs ardents pour brûler la flotte romaine attaquant Syracuse est sujette à caution, il n'en demeure pas moins que l'intérêt de concentrer le rayonnement solaire à l'aide de miroirs pour produire de l'énergie est connu depuis l'Antiquité, C'est ce principe qui est exploité aujourd'hui dans les centrales solaires thermodynamiques à concentration. 

À la différence des systèmes photovoltaïques qui convertissent l'énergie solaire directement en électricité, ces centrales génèrent de la chaleur, laquelle est ensuite transformée en énergie électrique. La technologie, qui avait fait ses preuves dans les années quatre-vingt, connaît depuis 2000 un regain d'intérêt face aux défis environnementaux [diminution des gaz à effet de serre], au coût des énergies fossiles et à leur raréfaction prévisible. En 2012, la puissance installée totale des centrales solaires thermodynamiques à concentration s'est ainsi élevée à 2GW. Une puissance qui, selon l'Agence internationale de l'énergie [AIE], sera de l'ordre de 20GW en 2020 pour atteindre 1 000 GWen 2050. 

Le solaire à concentration: l'autre alternative pour 

la production d'électricité 

Concentrer l'énergie du soLeiL 

Basées sur l'exploitation du rayonnement solaire concentré à l'aide de champs de miroirs, les centrales solaires thermodynamiques à concentration permettent de chauffer des fluides à des températures susceptibles d'atteindre les 800°C, Associées à des systèmes de stockage de la chaleur, elles peuvent être utilisées non seulement pour la production d'électricité 24 heures sur 24, mais aussi pour le chauffage, le dessalement de l'eau ou 

la fabrication d'hydrogène. 

Boucles de capteurs solaires thermiques du démonstrateur SAED installé sur la plateforme solaire du CEA à Cadarache. Les boucles, mesurant environ 200 m et montées en parallèle, sont composées de tuyauteries entièrement soudées en acier noir. 

es centrales solaires thermodynamiques (CST) à concentration correspondent à l'ensemble des 

techniques qui visent à transformer l'énergie rayon née par le soleil, concentrée sur tille surface focale, en chaleur à température élevée. Cette chaleur est 

ensuite convertie en énergie mécanique puis élec trique (moteur ou turbine couplé à une génératrice de courant), au moyen d'un cycle thermodynamique. Les CST à concentration génèrent de]' électricité dans des gammes de puissance allant de quelques kWe à quelques centaines de MWe. En les couplant à un système de stockage thermique, il est possible d'étendre leur durée de fonctionnement jusqu'à une douzaine d'heures. En outre, l'énergie thermique non convertie en électricité peut être directement utilisée pour le chauffage ou être valorisée sous forme de source chaude pour des dispositifs de climati sation (systèmes à sorption)'!' ou de dessalement ( distillation), 

Il existe quatre types principaux de CST à concen tration selon la nature de la surface réfléchissante et la manière dont la lumière solaire est concentrée: 1 centrales à tour à héliostats et les centrales à collec teurs paraboliques, à concentration ponctuelle, et les centrales à miroirs cylindre-paraboliques et à miroir 

 (1) Sorption: processus par lequel une substance est adsorbée ou absorbée sur ou dans une autre substance. Elle résulte de l'action de molécules de gaz ou de liquide qui, mises en contact avec lin liquide ou un solide, adhèrent à sa surface (adsorption) ou s'incorporent dans la totalité de son volume (absorption). 

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