Un composite de refroidissement absorbant l’humidité améliore l’efficacité et la durabilité des panneaux solaires dans les climats chauds et humides.
Un composite à base de polymère absorbant l’humidité, ou hydrogel, devrait améliorer l’efficacité et la durée de vie des panneaux solaires, offrant une solution évolutive et peu coûteuse pour les environnements chauds et humides. Ce matériau, développé à la KAUST, absorbe l’humidité ambiante pendant la nuit et assure un refroidissement en libérant lentement de l’eau tout au long de la journée.
Les panneaux solaires jouent un rôle central dans la transition vers les énergies propres, représentant la plupart des ajouts renouvelables dans le monde et réduisant de près de 1,5 milliard de tonnes les émissions de dioxyde de carbone chaque année. La découverte de nouveaux matériaux et l’amélioration des techniques de fabrication sont essentielles à la poursuite de ces progrès, car elles améliorent les performances des panneaux solaires.
L’un des principaux défis des panneaux solaires est qu’en plus de convertir la lumière du soleil en électricité, ils absorbent également la lumière sous forme de chaleur. Cette accumulation thermique augmente la température des panneaux, ce qui réduit leur puissance et raccourcit leur durée de vie. Les systèmes de refroidissement existants conçus pour gérer ces effets dépendent souvent de sources d’énergie externes pour faire circuler l’eau ou l’air, une approche à la fois énergivore et coûteuse. Ces systèmes nécessitent également un entretien fréquent.
Afin de concevoir une alternative moins coûteuse et plus écologique, une équipe dirigée par Qiaoqiang Gan et le post-doctorant Saichao Dang a créé une couche d’hydrogel qui utilise le refroidissement par évaporation naturelle. Fixée à l’arrière des panneaux solaires, cette couche fonctionne de manière autonome, sans électricité ni entretien.
L’hydrogel est composé de sel de chlorure de lithium intégré dans un réseau polymère réticulé formé par du polyacrylate de sodium. Grâce à cette matrice polymère microporeuse, le sel aide à absorber l’humidité de l’air. Le réseau polymère contient de minuscules pores qui piègent les molécules d’eau et comprend des groupes carboxylates hydrophiles, qui améliorent encore la capacité de stockage de l’eau.
« Chaque composant joue un rôle », explique M. Dang. « En ajustant leurs proportions, nous avons trouvé le juste équilibre permettant au gel de retenir suffisamment d’eau et de la libérer lentement tout au long de la journée. »
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Les chercheurs ont fabriqué l’hydrogel à l’aide d’un procédé simple. Ils ont mélangé la poudre de polymère à la solution saline pendant trois minutes, ont versé le mélange dans un moule, l’ont aplati et l’ont laissé durcir à température ambiante pendant une heure.
L’hydrogel a démontré un refroidissement soutenu et une forte absorption d’eau. Lors d’un test à long terme en extérieur à des températures comprises entre 25 °C et 41 °C et à des humidités relatives de 31 à 91 %, il a absorbé et libéré de l’eau de manière réversible pendant 21 jours sans défaillance. À 38 °C, il a atteint une baisse de température record de 14,1 °C, augmentant ainsi le rendement de conversion énergétique de 12,9 %.
« Nous nous attendions à une libération lente, mais nous avons été surpris par la stabilité et la durée du refroidissement, même sous un fort ensoleillement pendant 10 heures », indique M. Dang.
Les évaluations de performance en cours dans des conditions extrêmement chaudes et arides à la Cité du roi Abdulaziz pour la science et la technologie (KACST) à Riyad contribuent à démontrer la robustesse de l’hydrogel dans un environnement désertique réel, qui reflète les conditions rencontrées dans de nombreux sites de fermes solaires à travers le monde, note M. Gan.
Le système de refroidissement devrait prolonger la durée de vie des panneaux solaires de plus de 200 % et réduire le coût actualisé de l’électricité de 18 %, ce qui représente un avantage économique significatif pour les installations résidentielles et à l’échelle des services publics. M. Gan ajoute : « Nous explorons les voies de commercialisation pour déployer ce système dans des fermes solaires opérationnelles. »
Fang, H., Dang, S., Kumar, P., Wang, J., Xu, L., Zhu, Y., Almogbel, A., Albadri, A., De Wolf, S. & Gan, Q. Streamlined fabrication of an inexpensive hygroscopic composite for low maintenance evaporative cooling of solar panels. Materials Research and Engineering R: Reports 165, 101016 (2025). Advance online publication, 16 May 2025. DOI : 10.1016/j.mser.2025.101016.
Source : Kaust
