Les modules photovoltaïques (PV) sont des dispositifs qui convertissent la lumière du soleil en énergie électrique. Ils souffrent toutefois d’un faible rendement de conversion d’environ 20%, car ils ne peuvent convertir que les longueurs d’onde proches infrarouges en électricité, tandis que les autres longueurs d’onde ne font que réchauffer le module PV, réduisant son efficacité.
Pour contrer cela, les scientifiques ont développé des systèmes photovoltaïques-thermiques (PVT), dans lesquels la chaleur générée est évacuée par un échangeur de chaleur contenant un fluide caloporteur (air ou liquide). Ceci, à son tour, refroidit le module PV, augmentant son efficacité. De plus, la chaleur capturée peut être utilisée sous forme d’énergie thermique.
Pour améliorer davantage l’effet de refroidissement des modules PV et récupérer l’énergie thermique, des systèmes PVT découplés équipés de filtres liquides ont été conçus. Ces filtres, placés sur les modules PV, capturent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière du soleil qui contribuent minimalement à la production d’électricité, notamment les ultraviolets (UV), la lumière visible et le proche infrarouge, facilitant leur conversion en énergie thermique pour diverses applications.
Cependant, l’eau, un filtre liquide populaire, ne peut pas absorber les rayons UV.
Une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur adjoint Jae Won Lee de la Korea Maritime & Ocean University, a introduit une émulsion innovante (mélange) d’huile de poisson et d’eau comme filtre liquide. Elle absorbe efficacement à la fois les infrarouges et les UV, augmentant le potentiel de récupération d’énergie des systèmes PVT découplés.
Une émulsion pour améliorer l’efficacité des systèmes PV
«La plupart des filtres liquides utilisent soit de l’eau, soit un mélange d’eau et de nanoparticules solides pour absorber les longueurs d’onde inutilisées du rayonnement solaire. Cependant, l’eau n’absorbe que la partie infrarouge de la lumière du soleil avec des longueurs d’onde supérieures à 1250 nm. Les nanoparticules solides, en revanche, ont tendance à se déposer avec le temps, ce qui diminue leur efficacité», souligne le Dr Lee.
En revanche, l’émulsion proposée reste stable à des températures élevées allant jusqu’à 70°C. En outre, les gouttelettes d’huile au sein de l’émulsion sont efficaces pour absorber les UV avec des longueurs d’onde inférieures à 500 nm.
La présence du filtre à émulsion a considérablement amélioré le rendement de conversion et abaissé la température de fonctionnement par rapport aux systèmes avec échangeurs de chaleur seuls. L’efficacité est passée de 70,9% à 84,4%, tandis que la température est passée de 46,7°C à 33,1°C.
Des gains en efficacité énergétique et économique
Les chercheurs ont constaté que, sous un rayonnement solaire standard de 1000 W/m2, le système PVT découplé avec filtre à émulsion produisait des énergies électriques et thermiques s’élevant respectivement à 72,2 Wh et 1176,7 Wh par jour. Cela s’est avéré économiquement bénéfique, avec un temps de retour sur investissement plus faible que les systèmes PVT et les systèmes PVT découplés avec filtre à eau.
Le système proposé peut même être exploité dans des conditions spécifiques et environnementales. Par exemple, en été, le fluide du filtre liquide pourrait être dérivé pour maximiser la production d’électricité, tandis qu’en hiver, le filtre liquide pourrait capturer l’énergie thermique pour des applications de chauffage.
Une mise en œuvre facile grâce à la technologie des émulsions
Sa mise en œuvre devrait également être simple.
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«La technologie des émulsions est déjà bien établie et trouve des applications dans diverses industries, telles que les cosmétiques et l’alimentation, explique le Dr Lee. Par conséquent, les filtres à émulsion peuvent être facilement appliqués aux systèmes existants. De plus, ils recèlent un immense potentiel pour de nouvelles applications, notamment la séparation sélective du spectre des longueurs d’onde solaires».
En synthèse
Cette recherche propose l’utilisation innovante d’une émulsion eau-huile de poisson comme filtre liquide pour améliorer l’efficacité des systèmes photovoltaïques-thermiques découplés. Comparée à l’eau, l’émulsion capture plus efficacement le spectre solaire en absorbant les UV en plus de l’infrarouge. Les gains en efficacité de conversion et en production d’énergies électrique et thermique sont importants. De plus, cette solution est facile à mettre en œuvre et ouvre la voie à de nouvelles applications de séparation sélective des longueurs d’onde.
Pour une meilleure compréhension
Quel est le problème des modules PV classiques ?
Les modules PV classiques ont un faible rendement car ils ne convertissent que l’infrarouge en électricité. Les autres longueurs d’onde réchauffent le module.
Comment l’émulsion améliore-t-elle l’efficacité ?
L’émulsion absorbe l’UV et l’infrarouge, refroidissant le module PV et augmentant son rendement de conversion.
Quels sont les avantages de cette solution ?
Gains en efficacité de conversion, en production d’énergie, réduction des coûts. Mise en œuvre facile grâce à la technologie des émulsions.
Comment l’émulsion est-elle composée ?
Il s’agit d’un mélange innovant d’huile de poisson et d’eau qui reste stable à haute température.
Quelles sont les perspectives d’application ?
L’émulsion ouvre la voie à la séparation sélective des longueurs d’onde solaires pour de nouvelles applications en énergies renouvelables.
Les travaux ont été mis en ligne et publié dans la revue Energy Conversion and Management en juillet 2023.
Article : « Development of solar radiation spectrum-controlled emulsion filter for a photovoltaic-thermal (PVT) system » / Journal: Energy Conversion and Management / DOI: 10.1016/j.enconman.2023.117087
