Prix Hans Eggenberger 2014 pour une technologie solaire innovante

Thomas Cooper, qui travaille aujourd'hui en tant que chercheur titulaire d'un doctorat dans le laboratoire "Renewable Energy Carriers" du professeur Aldo Steinfeld, a commencé sa thèse de doctorat en 2010 dans ce même laboratoire. Depuis, ses recherches ont permis de développer des technologies qui augmentent considérablement l'efficacité de l'énergie solaire tout en réduisant significativement les co?ts.

Le principe connu sous le nom de photovolta?que à concentration (CPV) utilise des miroirs qui s'orientent en fonction de la position du soleil et concentrent la lumière solaire avant qu'elle ne frappe les cellules solaires. En concentrant plus de 500 fois le rayonnement solaire, il faut une quantité nettement moindre de cellules photovolta?ques pour produire la même quantité d'électricité. En outre, la cellule solaire peut fonctionner beaucoup plus efficacement avec une lumière concentrée.

Pour concentrer la lumière du soleil, les miroirs conventionnels ne suffisent pas. Jusqu'à présent, les miroirs paraboliques à symétrie de rotation étaient considérés comme la forme idéale pour le CPV. Ils sont toutefois co?teux en raison de leur construction tridimensionnelle. Pour rester rentable et compétitif, le matériau des concentrateurs solaires doit être aussi bon marché que possible.

Construction de lignes pneumatiques

C'est précisément là qu'intervient la première innovation importante : un nouveau type de miroir constitué d'une fine feuille de polymère qui peut être gonflée avec précision. Il en résulte la forme de quatre arcs de cercle reliés tangentiellement. Cette forme peut en outre être con?ue de manière à obtenir les mêmes performances qu'avec un miroir parabolique. Outre ses excellentes propriétés optiques, le miroir pneumatique offre un ballon intégré qui protège les cellules solaires et les composants électroniques.

Le degré de concentration solaire est un paramètre significatif pour la construction du système. Pour pouvoir utiliser des cellules solaires à triple jonction, dont le rendement est aujourd'hui supérieur à 40%, il faut une concentration de lumière solaire plus de 500 fois supérieure. Auparavant, des concentrations aussi élevées n'étaient possibles qu'avec des systèmes de miroirs tridimensionnels qui concentraient la lumière sur un point focal. Le problème des systèmes de miroirs à symétrie linéaire, moins chers et plus robustes, était qu'ils ne pouvaient théoriquement concentrer le rayonnement solaire que 200 fois au maximum.

Un concentrateur secondaire révolutionnaire

C'est ici qu'intervient la deuxième innovation révolutionnaire de Thomas Cooper : un concentrateur secondaire d'un nouveau genre, capable de multiplier par plus de 500 la concentration dans un système à symétrie linéaire. Cooper a optimisé ce concentrateur secondaire spécialement pour le combiner avec le miroir primaire pneumatique.

Le laboratoire d'Aldo Steinfeld a mené ces recherches en collaboration avec l'entreprise suisse Airlight Energy et la haute école spécialisée de la Suisse italienne (SUPSI). Le projet a été financé par la Commission pour la technologie et l'innovation (CTI). Airlight Energy est un fournisseur de technologies propres spécialisé dans les solutions innovantes dans le domaine de l'énergie solaire. Au siège de l'entreprise à Biasca (TI), la collaboration a construit un prototype du système en taille réelle. Lors du premier test, il a atteint le rapport de concentration solaire le plus élevé jamais mesuré pour des concentrateurs cylindro-paraboliques. En outre, les chercheurs ont mesuré un rendement maximal de 20,2 % en courant continu - un record mondial pour une telle construction.

Option pour les coins reculés de la planète

Ce projet multidisciplinaire a fait appel aux connaissances de l'ingénierie mécanique, de l'électrotechnique et de la géomatique pour construire le système de manière stable. La nouvelle construction, basée sur un cadre en béton coulé, garantit une solidité maximale, une excellente résistance au vent et une longue durée de vie. En outre, les ressources nécessaires à ce type de construction sont également disponibles dans les régions reculées des pays en développement. La main-d'?uvre locale pourrait ainsi construire une grande partie de la construction sur place.

Les miroirs, qui influencent fortement le poids et le co?t dans un système conventionnel, sont fabriqués à partir d'une membrane polymère très fine. Cette membrane fait moins d'un dixième de millimètre d'épaisseur et peut être transportée sous forme de rouleau. Cela aussi est un avantage dans les régions isolées. Les cellules solaires elles-mêmes sont plus de 500 fois plus petites que les cellules correspondantes d'un système conventionnel, mais elles offrent la même performance tout en utilisant nettement moins de matériaux.

Au sein des capteurs solaires, ce type de construction représente un changement de paradigme vers des structures moins co?teuses, capables de couvrir de grandes surfaces et donc de générer des puissances électriques élevées. Enfin, le mode de construction présenté dans le travail primé de Thomas Cooper, associé aux méthodes présentées, ouvre de nouvelles possibilités pour des capteurs solaires à concentration bon marché et à haut rendement. Le champ d'application possible de ces capteurs s'en trouve ainsi élargi.