L’Avenir de l’Énergie Solaire: Cellules Photovoltaïques à Haute Concentration (CPV)

Écrit par Olivier Loidi

En août 2018, ennomotive a lancé un défi de l’économie circulaire pour trouver des moyens de réutiliser les déchets trouvés dans les résidus miniers.

Pendant 6 semaines, 74 ingénieurs de 30 pays ont accepté le défi et soumis différentes solutions. Après une évaluation approfondie, les solutions qui répondaient le mieux aux critères d’évaluation ont été soumises par Cliff Edwards, du Canada, et Oliver Loidi, de France.

ennomotive a demandé à Olivier d’écrire un article sur un sujet qu’il affectionne et voici ses points de vue sur l’avenir de l’énergie solaire et du photovoltaïque à haute concentration.

L’énergie solaire est essentielle pour freiner le réchauffement climatique, je le crois vraiment. En effet, il y a dix ans, je travaillais activement dans ce domaine et plus particulièrement dans le domaine photovoltaïque à haute concentration (CPV). À l’époque, il était considéré comme un véritable concurrent pour les panneaux photovoltaïques standard, mais des années de dumping agressif sur les prix ont sérieusement compromis son développement.

L’approche à court terme du “faible coût en capital / faible durée de vie” du PV standard semble être beaucoup plus tentante que la voie plus sage du “coût initial modéré / longue durée de vie”, même avec plus du double de l’efficacité.

Maintenant que les panneaux solaires standard commencent à concurrencer favorablement les sociétés de charbon et de gaz et de CPV qui luttent toujours pour survivre, il pourrait être facile de conclure que le match est déjà terminé. Cependant, la recherche continue de progresser pour réduire l’écart de coûts en capital et, si le seuil est atteint, pourrait ouvrir la voie à un retour massif du CPV.

Dans cet article, je vais essayer d’expliquer les avantages et les inconvénients des technologies CPV ainsi que mon point de vue personnel sur ce qui devrait être amélioré pour réussir.

Qu’est-ce que le Photovoltaïque à Haute Concentration?

Le principe du CPV est de concentrer la lumière du soleil sur une cellule solaire à très haut rendement qui serait autrement trop coûteuse à utiliser directement.

Ces cellules solaires d’une robustesse exceptionnelle, généralement conçues pour des applications spatiales ou militaires, peuvent supporter un rapport de concentration de mille ou plus et sont encore près de trois fois plus efficaces qu’une cellule photovoltaïque traditionnelle en silicium (Si-Pv).

Cette approche a ses propres inconvénients : elle doit être directement orientée vers le soleil et équipée d’optiques de concentration.

Types d’optiques

• Transmissif:

Des lentilles grossissantes peuvent être utilisées, mais la conception de la lentille de Fresnel la plus élégante est la plus souvent utilisée.

• Réfléchissant:

Il s’agit de concentrer la lumière du soleil avec des miroirs ayant généralement une forme parabolique. Des systèmes utilisant une réflexion existent, mais la conception la plus populaire est dérivée du télescope Cassegrain, qui permet un placement de cellules solaires moins complexe.

Avantages du CPV par rapport aux panneaux solaires normaux

• Efficacité

Les meilleures cellules solaires au silicium commerciales atteignent un rendement de 21% alors que les cellules à jonctions multiples utilisées pour le CPV peuvent atteindre 46% et s’améliorent encore, cet écart de performance peut être observé au niveau du module même avec des pertes optiques élevées pour le CPV.

• Performances très stables à haute température

Les performances des cellules solaires au silicium sont très sensibles à la température avec un coefficient de température d’environ -0.5% par ° C, ce qui signifie que pour chaque degré supérieur à 25 ° (ou 20 ° c selon le fabricant), il perd 0,5% de performance.

Cela ne semble pas être beaucoup mais, en été, il n’est pas rare qu’il atteigne 80°C (comme dans une voiture exposée au soleil) ce qui dégraderait les performances d’un panneau de qualité supérieure de 19% à seulement 14% !

En revanche, les cellules solaires CPV sont faites de matériaux avec un coefficient de température très bas d’environ -0,05% / ° C, le meilleur atteignant -0,01% / ° C, ce qui est près de 10 à 50 fois meilleur que les cellules solaires au silicium! Cela permet à la cellule CPV de fonctionner à très haute température (100 ° c ou plus) sans problème.

• Très bonne durabilité

Dans tous les systèmes industriels, les composants actifs sont les plus susceptibles de tomber en panne ou de se dégrader et le PV ne fait pas exception. Dans le Si-Pv traditionnel, les composants actifs (cellule solaire) représentent près de 100% de la surface exposée en plus des composants électroniques (diodes de dérivation), donc un risque de défaillance ou de dégradation est un réel problème.

Pour aggraver la situation, l’énorme concurrence sur les prix empêche l’utilisation de composants de très haute qualité qui se traduisent par de mauvaises performances à long terme, en particulier dans les climats très chauds qui ont également un potentiel solaire important. Par exemple, les plastiques transparents (EVA) utilisés pour l’encapsulation et le collage du verre avant sont soumis à un jaunissement dû au cycle thermique, le taux de dégradation typique est de 0,5% par an dans un environnement tempéré jusqu’à 3% / an dans les endroits chauds.

Les cellules solaires CPV sont dérivées d’applications spatiales et militaires et sont pratiquement immunisées contre les dommages thermiques ou radiologiques. La concentration permet également l’utilisation de composants électroniques haut de gamme car leur nombre est également réduit. La technologie étant relativement jeune, les performances à long terme du CPV n’existent pas en soi, mais les retours de technologies similaires basées sur des applications militaires ou spatiales semblent indiquer une performance très stable même après 20 ans d’exploitation. Toutes les autres surfaces exposées peuvent être constituées de matériaux inorganiques (verre, Aluminium) qui ne se dégradent pas avec le temps.

• Une double utilisation potentielle de la terre

De grands trackers peuvent être suffisamment élevés pour permettre l’habitation ou les cultures en dessous.

• Facilement recyclables

Le démontage des modules CPV est plus facile car les éléments constitutifs sont facilement séparables et composés principalement de matériaux inorganiques qui peuvent être entièrement recyclés. Au contraire, les cellules et le châssis SI-PV sont entièrement liés à des plastiques fluorés complexes, ce qui nécessite un broyage avancé et un traitement thermique pour un recyclage partiel.

Pourquoi le CPV a-t-il échoué jusqu’à présent?

• Coût en capital initial plus élevé

Le CPV peut être plus rentable à long terme, mais cet avantage n’est pas assez important pour compenser l’investissement en capital beaucoup plus élevé pour l’installation, qui peut aller de 2,5 à 4 fois plus élevé que pour la technologie SI-PV traditionnelle.

Note CSP est la production d’électricité par concentration solaire thermique

• Besoin de maintenance plus élevé

Suivi de haute précision du soleil (jusqu’à 0.précision angulaire de 1 °) nécessite une attention constante de la part d’un personnel dédié. De plus, le lavage des panneaux peut être plus difficile en raison de la hauteur des trackers.

• Les nuages dégradent les performances

Le CPV ne peut fonctionner qu’avec la lumière directe du soleil, il ne peut donc pas fonctionner tout le temps. Le CPV est généralement destiné à être installé dans un endroit ensoleillé avec plus de 80% des jours clairs par an. À titre de référence, le CPV ne peut fonctionner que si des ombres nettes sont présentes, ce qui est le signe que la lumière du soleil vient principalement d’une direction.

• Faible densité d’occupation des sols

Pour éviter les effets d’ombre le matin ou le soir, les trackers doivent être placés à quelques mètres de distance. L’occupation du sol qui en résulte n’atteint qu’environ 50%, ce qui n’est que partiellement compensé par les 25% d’énergie solaire offerte par le suivi. En conséquence, le CPV est viable sur un terrain à faible coût ou si un seul tracker doit être installé.

• La technologie est encore jeune

Bien qu’elle mûrisse assez rapidement, CPV a souffert d’un manque de supply chain dédiée, ce qui a obligé chaque entreprise à développer et produire elle-même la plupart des composants (modules de trackers, etc..).

Les cellules étaient trop grandes au début, ce qui se traduisait par des besoins de dissipation élevés (de plus grandes cellules généraient des températures plus élevées) et des modules plus gros et plus lourds, ce qui se traduisait par des coûts d’exploitation supplémentaires.

Dans le même temps, l’industrie PHOTOVOLTAÏQUE a connu une chute de prix massive de plus de 80% provenant d’industries subventionnées qui pouvaient vendre des produits avec peu ou pas de rentabilité avec l’objectif de gagner des parts de marché.

Pourquoi le CPV a le potentiel de réussir à l’avenir

• Les cellules CPV deviennent meilleures, plus petites et moins chères

Les cellules à jonction multiple utilisées dans le CPV bénéficient de l’essor récent de l’industrie des LED, car l’équipement de fabrication est presque le même. Comme de nombreux réacteurs à LED peuvent être modernisés pour le CPV, le prix a commencé à baisser beaucoup plus rapidement qu’auparavant.

Avec le placement automatisé développé à l’origine pour les LED, la fabrication de conceptions de cellules extrêmement petites est possible à grande vitesse avec de très faibles erreurs de fabrication. Les tailles standard peuvent être 25 fois plus petites qu’il y a 10 ans (4mm2 contre 100), ce qui réduit le prix du module, car les cellules à faible encombrement dissipent plus facilement la chaleur.

• La baisse des prix des modules SI-PV stagne

Maintenant que la poussière est retombée après la guerre commerciale du PHOTOVOLTAÏQUE, les prix des modules Si-Pv ont atteint un plateau tandis que le CPV a encore un potentiel de baisse des prix énorme.

• Les emplacements disponibles restants sont plus exigeants

L’installation photovoltaïque dans un climat tempéré est un environnement de plus en plus compétitif, de sorte que la nouvelle croissance de l’énergie solaire doit provenir d’emplacements plus difficiles.

Les endroits où le potentiel en énergie solaire est le plus élevé, tels que les déserts, sont également les plus difficiles. Les composants des panneaux photovoltaïques standard ont du mal à faire face au cycle thermique nuit / jour, ce qui se traduit par des rendements bien inférieurs à ceux installés dans les climats tempérés.

Ce que je pense qu’il faut améliorer pour que le CPV réussisse

Comme je l’ai dit au début, le CPV occupe une place particulière dans mon cœur et je n’ai jamais cessé de penser à de nouveaux designs ou à des améliorations possibles.

Voici mes réflexions sur les points qui nécessitent une attention particulière pour le succès futur du VPC:

• Réduire le poids du module est essentiel

Oubliez de pousser plus loin les performances, le poids du module est de loin un paramètre le plus important en matière de réduction des coûts d’exploitation simplement parce qu’il permet un tracker plus grand pour la même précision et le même coût. Plus de modules signifient plus de revenus par unité mondiale pour la même maintenance, ou permettent même à la maintenance automatisée (nettoyage) d’être rentable, réduisant ainsi le personnel nécessaire.

Ce n’est pas une tâche difficile, car le poids n’a pas été un paramètre très optimisé depuis les générations précédentes. J’ai personnellement développé des conceptions qui pèsent moins de 10 kg / m2 par rapport aux 40-45 kg / m2 moyens des modules CPV courants.

• L’utilisation des lentilles de Fresnel optiques est une impasse

L’idée derrière elles est incroyablement élégante mais elle souffre de défauts fatals lorsqu’elle est utilisée pour la concentration solaire de précision. Premièrement, le design doit être parfait pour être vraiment efficace: tout compromis dans la netteté des bords, tel que l’arrondi qui se produit avec le moulage plastique, entraîne des performances de dégradation importantes.

Ensuite, les lentilles de Fresnel sont très sensibles aux erreurs de pointage, les rayons du soleil ont une divergence angulaire inhérente de +/-0,5° qui ne laisse qu’une infime marge de +/-0,1° pour les erreurs de suivi. Le suivi avec une telle précision est l’une des principales sources de coûts de maintenance pour les technologies utilisant ce type d’optique.

• L’optique réfléchissante devrait évoluer à partir de la conception classique du télescope”

Les optiques réfléchissantes, malgré leur aspect maladroit initial, ne souffrent pas des limitations des lentilles de Fresnel, elles peuvent généralement faire face à de grandes erreurs de suivi de plus de +/- 1 ° permettant des coûts de maintenance beaucoup plus faibles. Le seul inconvénient est que les conceptions actuelles basées sur le “télescope Cassegrain” ne sont pas facilement produites en série avec des technologies standard qui se traduisent par des coûts de fabrication très élevés

L’amélioration du coût de fabrication peut se faire avec l’utilisation de conceptions plus “déformées” qui se débarrassent de la formation de l’image pour ne garder que la capacité de concentration, les possibilités sont très grandes et j’ai créé moi-même un design qui peut réduire le coût de production de 10 ou plus.

• Utilisation du nettoyage automatisé avec une très faible consommation d’eau

Comme expliqué précédemment, le CPV brille vraiment dans des endroits particulièrement difficiles où la disponibilité en eau est généralement très rare. L’ajout d’un système de nettoyage très économique est essentiel, l’utilisation de technologies de nettoyage de vitres de bâtiments existantes plutôt que d’en développer de nouvelles pourrait être la clé.

Conclusion

La disparition apparente du CPV peut n’être qu’un revers, car cette technologie a encore le potentiel de surpasser les systèmes photovoltaïques standard. Maintenant que la poussière est retombée après des périodes de dumping effréné des prix, le CPV pourrait jouer un grand rôle en tant qu’outil durable de lutte contre le réchauffement climatique.

Dites-nous ce que vous pensez de l’avenir de l’énergie solaire et explorez ce qu’ennomotive a à offrir.