Un concentrateur solaire moins cher

Nicolas Morgan tient un carré d'acrylique transparent moulé d'environ un centimètre d'épaisseur et projette une lampe-stylo directement sur sa surface plane. Un faisceau vert pénètre dans l'acrylique et se penche vers le centre du carré. Morgan répète le processus à différents points de la surface, et à chaque fois, le faisceau se dirige vers le centre.

Lumière guidante : L'optique de haute précision de Morgan Solar, en partie en acrylique et en partie en verre, est moulée de manière à ce que la lumière soit piégée et rebondisse vers son centre. Une optique secondaire en verre concentre la lumière sur 1 000 soleils et la dirige vers une minuscule cellule solaire à haut rendement. La conception à profil bas promet de réduire les coûts de fabrication et de transport.

Le composant acrylique, appelé optique solaire à guidage de lumière (LSO), est un nouveau type de concentrateur solaire qui pourrait réduire considérablement le coût de production d'électricité à partir du soleil. Contrairement aux conceptions existantes, il n'y a pas besoin de miroirs, d'optiques complexes ou de produits chimiques pour piéger et manipuler la lumière. C'est de l'optique géométrique pure, explique Morgan, directeur du développement des affaires chez Morgan Solar, basé à Toronto.

Les concentrateurs solaires sont apparus ces dernières années comme un moyen d'intensifier la quantité de lumière solaire frappant les cellules solaires, qui sont la partie la plus chère des panneaux solaires. Pour rendre l'énergie solaire plus abordable, les ingénieurs ont cherché à utiliser moins de matériaux de cellules solaires en concentrant la lumière du soleil sur des espaces beaucoup plus petits.

Mais cette approche a ses propres défis. La plupart des concentrateurs ont tendance à être des systèmes complexes qui utilisent des lentilles spéciales, des miroirs incurvés et d'autres composants optiques avec une distance focale non nulle. Cela signifie qu'il doit y avoir suffisamment de distance – un entrefer – entre la cellule solaire et l'optique pour focaliser correctement la lumière. En conséquence, les systèmes à concentrateur sont généralement emballés dans des boîtiers volumineux, avec une profondeur suffisante pour s'adapter à la distance focale et protéger tous les composants pendant le transport. Cela signifie des coûts de matériel et d'assemblage plus élevés et des frais d'expédition plus élevés.

Il y a quelques années, le frère de Nicolas, John Paul Morgan, a eu l'idée d'un système de concentrateur solaire à l'état solide : une optique acrylique plate et mince qui piège la lumière et la guide vers son centre. Au centre du concentrateur de Morgan Solar se trouve une optique secondaire ronde en verre. Avec un fond plat et un sommet convexe en miroir, l'optique reçoit le barrage de lumière entrant à une concentration d'environ 50 soleils et l'amplifie jusqu'à près de 1 000 soleils avant de plier la lumière à un angle de 90 degrés.

Contrairement aux autres concentrateurs, la lumière ne quitte pas l'optique avant de frapper une cellule solaire. Au lieu de cela, une cellule à haute efficacité de la taille de l'ongle du pouce d'un nourrisson est directement collée au centre inférieur de l'optique en verre, où elle absorbe la lumière courbée vers le bas. Il n'y a pas d'entrefer et il n'y a aucune chance que des composants fragiles soient désalignés.

Il s'agit de contrôler de manière critique les angles une fois que la lumière pénètre dans la première optique, explique Nicolas Morgan. La conception tire parti d'un phénomène appelé réflexion interne totale - l'angle auquel un faisceau de lumière à l'intérieur d'un matériau optique se reflétera dans le matériau plutôt que de s'échapper.

L'astuce consiste à mouler l'acrylique de manière à ce qu'il courbe la lumière dans une certaine direction lorsqu'elle pénètre dans la première optique. Il doit s'assurer que la lumière maintient cet angle pour l'empêcher de s'échapper et la guider vers l'optique en verre au centre. La précision est cruciale, non seulement dans la conception des optiques, mais aussi dans la création des moules pour les produire en série.

La société s'attend à ce que ses premières versions commerciales du système soient composées de plaquettes acryliques d'environ huit pouces carrés contenant une optique en verre secondaire d'environ deux fois le diamètre d'un nickel.

Ray LaPierre, professeur de génie physique à l'Université McMaster, en Ontario, au Canada, et expert en cellules solaires à haut rendement, a vu pour la première fois le prototype LSO de Morgan Solar en décembre lors d'une conférence solaire canadienne et est reparti impressionné. Leur conception est certainement nouvelle, physiquement saine, peut être fabriquée à moindre coût et a de bonnes chances de révolutionner le concentrateur [la technologie], explique LaPierre.

Mais comme d'autres concentrateurs photovoltaïques, la technologie de Morgan Solar nécessite toujours un système de suivi pour le maintenir face au soleil. Les chercheurs du MIT ont éliminé le besoin de trackers en développant des revêtements de colorants spéciaux capables d'absorber la lumière diffuse, mais la technologie de Morgan Solar est plus proche du marché. Nicolas Morgan ajoute que les trackers d'aujourd'hui sont précis, fiables et ajoutent un coût marginal pour 44% de puissance en plus. Certaines décisions commerciales et techniques doivent encore être prises, mais il s'attend à ce que l'entreprise soit en mesure de construire son système pour moins de 1 $ le watt d'ici 2011 – et avec une certaine intégration verticale, beaucoup moins. Cela conduirait à un produit d'une efficacité proche de 30 % à des coûts compétitifs par rapport aux films minces.

Je pense que le concept devrait être poursuivi, déclare le professeur d'ingénierie Roland Winston, expert en optique sans imagerie à l'Université de Californie à Merced. Il remet cependant en question l'utilisation de l'acrylique comme matériau de concentrateur : l'acrylique n'a pas fait ses preuves pour une utilisation à long terme, en particulier sous une lumière solaire concentrée.

John Paul Morgan dit que c'est la principale raison pour laquelle l'entreprise utilise à la fois de l'acrylique et du verre dans son système. La société a intentionnellement limité les concentrations dans la partie acrylique à 50 soleils et confie le gros du travail à la plus petite optique en verre. Nous voulons que ce système dure 25 ans, alors nous essayons vraiment de sous-estimer le matériau, dit-il. Une fois que nous aurons prouvé que nous pouvons pousser l'acrylique plus loin, nous allons rétrécir l'optique en verre.

Plusieurs projets pilotes prévus pour 2009 testeront le concentrateur sur le terrain. La société s'attend à ce que la production commerciale commence en 2010.

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