211service.com
Un meilleur photovoltaïque thermique
Une nouvelle approche pour convertir la chaleur en électricité à l'aide de cellules solaires pourrait rendre plus pratique une technologie appelée photovoltaïque thermique (TPV). MTPV , une startup basée à Boston qui a levé 10 millions de dollars, affirme avoir développé des prototypes suffisamment grands pour des applications pratiques. La société a récemment annoncé des accords pour installer les dispositifs dans des usines de verre afin de produire de l'électricité à partir des gaz d'échappement chauds.
Point chaud : Espaceur microscopique utilisé pour supporter des cellules solaires à moins d'un micromètre au-dessus d'un autre matériau dans un dispositif photovoltaïque thermique.
En général, le photovoltaïque thermique utilise des cellules solaires pour convertir la lumière émise par une surface chaude en électricité. Alors que les premières applications produiront de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle, la technologie pourrait éventuellement être utilisée pour produire de l'électricité à partir de la lumière du soleil beaucoup plus efficacement que les panneaux solaires. Dans un tel système, la lumière du soleil est concentrée sur un matériau pour le réchauffer, et la lumière qu'elle émet est ensuite convertie en électricité par une cellule solaire.
Jusqu'à présent, la technologie s'est avérée peu pratique pour les applications commerciales, en partie à cause des températures élevées requises et en partie à cause de la concurrence des technologies existantes, telles que les turbines à vapeur, pour convertir la chaleur en électricité. L'innovation de MTPV est une méthode pour augmenter le flux de photons du matériau chauffé vers le panneau solaire de 10 fois par rapport aux systèmes photovoltaïques thermiques typiques, ce qui pourrait rendre ses systèmes plus petits, moins chers et pratiques à des températures plus basses, explique Robert DiMatteo, MTPV's PDG.
Un panneau solaire conventionnel absorbe la lumière de tout le spectre, mais il ne convertit efficacement que certaines couleurs. Une grande partie de l'énergie dans les autres longueurs d'onde de la lumière est gaspillée. En conséquence, l'efficacité théorique maximale d'une cellule solaire conventionnelle est de 30 pour cent, ou de 41 pour cent si la lumière du soleil est d'abord concentrée à l'aide d'un miroir ou d'une lentille. Dans un système photovoltaïque thermique, la lumière est concentrée sur un matériau pour le réchauffer. Le matériau est sélectionné de sorte que lorsqu'il chauffe, il émet de la lumière à des longueurs d'onde qu'une cellule solaire peut convertir efficacement. En conséquence, l'efficacité maximale théorique d'un système photovoltaïque thermique est de 85 %.
Dans la pratique, les défis d'ingénierie rendront cela difficile à atteindre, mais DiMatteo dit que les modèles informatiques de l'entreprise suggèrent que des efficacités supérieures à 50 % devraient être possibles. Les prototypes ne sont pas aussi efficaces : ils convertissent environ 10 à 15 % de la chaleur qu'ils absorbent des gaz d'échappement de la verrerie en électricité, ce qui, selon DiMatteo, est suffisant pour rendre les appareils économiques. (L'efficacité attendue des appareils TPV est également beaucoup plus élevée que les efficacités prévues pour les appareils thermoélectriques, qui convertissent directement la chaleur en électricité.)
La principale différence entre la technologie MTPV et les autres systèmes photovoltaïques thermiques réside dans le positionnement de la cellule solaire et du matériau chauffé (MTPV signifie TPV micron-gap). Dans son travail d'abord en tant qu'étudiant au MIT et plus tard en tant que chercheur aux laboratoires Draper, à Cambridge, MA, DiMatteo a découvert que le fait de placer le matériau chauffé extrêmement près de la cellule solaire permettait à beaucoup plus de photons de s'échapper d'une zone donnée du matériau et d'être absorbé par la cellule solaire.
Dans un système TPV conventionnel, la plupart des photons générés dans le matériau chauffé sont réfléchis dans le matériau lorsqu'ils atteignent sa surface ; c'est le même phénomène qui piège la lumière dans les câbles à fibres optiques. Lorsque la cellule solaire et le matériau chauffé sont rapprochés, de sorte que l'écart entre les deux est plus court que la longueur d'onde de la lumière émise, la surface ne réfléchit plus la lumière. Les photons voyagent d'un matériau à l'autre comme s'il n'y avait pas d'espace entre eux. L'espacement étroit permet également aux électrons d'un côté de l'espace de transférer de l'énergie aux électrons de l'autre côté. (Un vide entre le matériau chauffé et la cellule solaire maintient une différence de température entre les deux qui est nécessaire pour atteindre des rendements élevés.) Étant donné que le matériau chauffé émet plus de photons, la cellule solaire peut générer 10 fois plus d'électricité pour une zone donnée, par rapport à une cellule solaire dans un TPV conventionnel.
Cela permet d'utiliser un dixième de matériau de cellule solaire, ce qui réduit considérablement les coûts. Alternativement, il permet de générer plus de puissance à des températures plus basses, ce qui Pierre Peumans , professeur de génie électrique à l'Université de Stanford, affirme que c'est l'un des principaux avantages de l'approche. Le photovoltaïque thermique conventionnel peut nécessiter des températures de 1 500 °C, dit-il. Les premiers prototypes de MTPV fonctionnent bien à moins de 1 000 °C, et DiMatteo affirme qu'en théorie, la technologie pourrait générer de l'électricité de manière économique à des températures aussi basses que 100 °C. Cette large plage de températures pourrait rendre la technologie attrayante pour la production d'électricité à partir de chaleur à partir de diverses sources, y compris les gaz d'échappement des automobiles, qui seraient autrement gaspillées.
Mais Peumans dit que la technologie a un compromis : parce que le matériau chauffé et la cellule solaire sont placés si près l'un de l'autre, il n'est pas possible de mettre un filtre entre eux pour aider à régler les longueurs d'onde de la lumière qui atteignent la cellule solaire. Cela pourrait limiter les efficacités ultimes que le système peut atteindre.
DiMatteo a publié pour la première fois des travaux sur le concept MTPV à la fin des années 1990, mais il a fallu jusqu'à présent pour concevoir des prototypes suffisamment grands pour être pratiques. L'un des principaux défis a été de trouver des moyens de créer un espace d'un dixième de micromètre de diamètre tout en pouvant être maintenu sur les zones relativement vastes nécessaires à un appareil pratique. DiMatteo dit que la société améliorera les performances des appareils en réduisant progressivement l'écart, ce qui, selon les modèles informatiques, améliorera l'efficacité.