Le solaire photovoltaïque à concentration mis sous la loupe

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En plus des modules au silicium et à couche mince, il existe une troisième technique de captation d’énergie solaire photovoltaïque (PV) : les concentrateurs. Ce sont des systèmes qui concentrent la lumière, élèvent ainsi la densité de flux énergétique, et produisent de l’électricité. Les systèmes de concentrateurs pourraient assurer la réduction des coûts en photovoltaïque [1]. Divers concepts sont en concurrence, développés notamment par des entreprises américaines ou allemandes.
La Silicon Valley est le bastion des techniques informatiques. Pourtant depuis longtemps, c’est l’industrie photovoltaïque qui est le domaine réellement porteur d’innovations. Par exemple, l’entreprise Solaria de Fremont démarre actuellement la production de modules de concentration d’un nouveau genre : les spécialistes de Solaria coupent des cellules PV en petites bandes et couvrent les espaces vacants avec des conducteurs de lumière coniques en plastique.

Ceux-ci concentrent la lumière du soleil, qui rencontre ensuite les bandes de silicium avec une intensité lumineuse doublée. Ainsi, selon Solaria, des économies sont réalisées sans perte d’efficacité. « Avec un rendement de 12 %, nous nous trouvons au même niveau que les modules standards, mais grâce à l’épargne réalisée en semi-conducteurs nous pouvons produire des cellules PV avec des économies de 15 à 30 % », affirme Philipp Kunze, chef de Solaria Allemagne. L’entreprise veut fabriquer cette année des modules avec une puissance de crête totale de 1 MW, pour atteindre en 2010 une capacité de 25 MW.

Une concurrence importante

Pour les cellules courantes, le silicium recouvre la surface totale du module et capte ainsi la lumière sur tout le domaine. « Avec notre procédé, nous n’avons besoin que de la moitié de ce silicium et pouvons donc produire deux cellules polycristallines au lieu d’une », selon l’explication de Kevin Gibson, membre de la direction technique de Solaria. Même s’il semble improductif de scier des modules déjà constitués et de les réassembler, cette approche permet d’économiser de l’argent, selon Mr.Gibson, les coûts totaux pour le plastique et les nouvelles phases du processus étant réduits par rapport aux cellules conventionnelles.
La concurrence est importante pour Solaria. De nombreuses entreprises travaillent sur des techniques de concentration de la lumière, dont la plupart des concepts repose sur une concentration beaucoup plus élevée de la lumière. Ainsi, la société Concentrix Solar de Fribourg fabrique des modules dans lesquels les lentilles de Fresnel [2] guident la lumière amplifiée 385 fois sur des cellules multiples minuscules avec un rendement supérieur à 37 %. « Dans les pays à fort ensoleillement, la technique se révèle jusqu’à 20 % plus avantageuse économiquement que pour les systèmes PV conventionnels », affirme Hansjörg Lerchenmüller, chef de Concentrix Solar.
Cependant, la production est coûteuse : afin que le focus de chaque lentille soit réalisé sur la cellule respective, les deux éléments doivent être alignés au millimètre près. Concentrix peut donc employer des cellules plus petites qu’un ongle et ainsi se permettre d’incorporer des cellules multiples relativement chères sur trois couches absorbantes superposées. Comme les lentilles ne fonctionnent que par rayonnement direct, elles sont montées sur des systèmes de poursuite, nommés « trackers solaires » [3]. Les hauts rendements du système légitiment l’investissement : sous le soleil du sud, la technique transforme 25 % de la lumière incidente en électricité, soit deux deux fois plus que dans les centrales solaires conventionnelles. Actuellement, Concentrix fabrique ainsi ses premières centrales en Espagne et aux USA.

Rendement contre économie des coûts

L’entreprise canadienne Morgan Solar [4] promet, par l’intermédiaire de son chef Eric Morgan, de proposer une technique produisant dans les régions ensoleillées de l’électricité jusqu’à 70 % moins chère que les modules standards actuels. La clé de ces prix réduits serait l’optique de direction de la lumière : au lieu de lentilles à coût élevé, Morgan emploie une plaque acrylique, qui rassemble la lumière et la dirige sur un verre spécial, qui concentre la lumière avec un facteur 1.000, et conduit le faisceau lumineux vers une cellule multiple. Les systèmes que Morgan Solar veut mettre sur le marché en 2010 devraient atteindre une efficacité de 21 %.
Pour les concentrateurs solaires, de nombreuses jeunes entreprises cherchent à pénétrer le marché. Les miroirs paraboliques de l’entreprise australienne Solar Systems capturent la lumière du soleil. Ils envoient leur lumière sur une cellule multiple disposée à proximité de leur foyer avec un rendement proche de 40 %. L’entreprise espagnole Guascor Fotón emploie une optique complexe de lentilles, qu’elle combine cependant avec des cellules silicium courantes. Ainsi, s’ils se contentent d’un rendement du système réduit à 16 %, ils économisent les coûts.

Malgré la concurrence, Solaria voit de bonnes chances de pénétration sur le marché : « La technique fonctionne aussi sans incidence directe du soleil », affirme Kunze, chef de Solaria Allemagne. Les modules de Solaria pourraient aussi être installés dans des régions peu ensoleillées comme l’Allemagne. Kunze envisage un potentiel de développement technique encore supérieur : les développeurs de Solaria veulent à l’avenir équiper les collecteurs de lumière de plastiques très concentrateurs, ou bien réaliser les raccordements électriques au verso des modules, afin que les dispositifs de contact ne gênent pas en interceptant la lumière. Mais le prochain défi de l’entreprise est la production en série.

[1] Dans un module solaire PV, lecomposant le plus cher est, de loin, la cellule PV. En intercalant undispositif concentrateur entre le soleil et la cellule, on peututiliser une surface de cellule beaucoup plus petite, et ainsi utiliserdes cellules à rendement très supérieur.

[2] Voir article de Wikipédia sur les lentilles de Fresnel : http://fr.wikipedia.org/wiki/Lentille_de_Fresnel
[3] Tracker : type d’héliostat, dispositif pour orienter toute lajournée les rayons solaires vers un point ou à une petite surface fixe,à l’aide de miroirs. Un exemple de centrale utilisant un champd’héliostats en France est la centrale solaire Thémis qui a fonctionnéde 1983 à 1986 et fait l’objet d’une nouvelle expérimentation depuis2008. Voir http://fr.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9liostat
[4] http://www.morgansolar.com/

Origine :

BE Allemagne numéro 455 (15/10/2009) – Ambassadede France en Allemagne / ADIT – http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/60815.htm
 
Claire Vaille est rédactrice pour la rubrique énergie des bulletins électroniques de l’ambassade de France en Allemagne.