Le grand inventeur Thomas Edison a dit un jour : « Tant que le soleil brillera, l’homme pourra développer de l’énergie en abondance. » Il n’était pas le premier grand esprit à s’émerveiller à l’idée d’exploiter la puissance du soleil ; depuis des siècles, les inventeurs réfléchissent et perfectionnent la manière de récupérer l’énergie solaire.
Ils ont accompli un travail remarquable avec les cellules photovoltaïques qui convertissent directement la lumière du soleil en énergie. Pourtant, malgré toutes les recherches, l’histoire et la science qui la sous-tendent, il existe des limites à la quantité d’énergie solaire que l’on peut récupérer et utiliser, car sa production est limitée à la journée.
Un professeur de l’université de Houston poursuit cette quête historique en présentant un nouveau type de système de collecte de l’énergie solaire qui bat le record d’efficacité de toutes les technologies existantes. Et, non moins important, il ouvre la voie à l’utilisation de l’énergie solaire 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
« Avec notre architecture, l’efficacité de la collecte de l’énergie solaire peut être améliorée jusqu’à la limite thermodynamique », rapporte Bo Zhao, professeur adjoint d’ingénierie mécanique à Kalsi, et son doctorant Sina Jafari Ghalekohneh dans la revue Physical Review Applied. La limite thermodynamique est le rendement maximal absolu théoriquement possible pour convertir la lumière du soleil en électricité.
Il est essentiel de trouver des moyens plus efficaces d’exploiter l’énergie solaire pour passer à un réseau électrique sans carbone. Selon une étude récente du Bureau des technologies de l’énergie solaire du ministère américain de l’énergie et du Laboratoire national des énergies renouvelables, l’énergie solaire pourrait représenter jusqu’à 40 % de l’approvisionnement en électricité du pays d’ici à 2035 et 45 % d’ici à 2050, sous réserve d’une forte réduction des coûts, de politiques favorables et d’une électrification à grande échelle.
Comment cela fonctionne-t-il ?
Les systèmes solaires thermophotovoltaïques (STPV) traditionnels s’appuient sur une couche intermédiaire pour adapter la lumière du soleil et obtenir un meilleur rendement. La face avant de la couche intermédiaire (le côté faisant face au soleil) est conçue pour absorber tous les photons provenant du soleil. De cette façon, l’énergie solaire est convertie en énergie thermique de la couche intermédiaire et élève la température de celle-ci.
Mais la limite d’efficacité thermodynamique des STPV, qui a longtemps été considérée comme la limite du corps noir (85,4 %), est encore bien inférieure à la limite de Landsberg (93,3 %), la limite d’efficacité ultime pour la récolte de l’énergie solaire.
« Dans ce travail, nous montrons que le déficit d’efficacité est causé par l’inévitable émission en retour de la couche intermédiaire vers le soleil résultant de la réciprocité du système. Nous proposons des systèmes STPV non réciproques qui utilisent une couche intermédiaire avec des propriétés radiatives non réciproques », a déclaré Zhao. « Une telle couche intermédiaire non réciproque peut supprimer considérablement son émission vers le soleil et canaliser davantage de flux de photons vers la cellule.«
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« Nous montrons qu’avec une telle amélioration, le système STPV non réciproque peut atteindre la limite de Landsberg, et les systèmes STPV pratiques avec des cellules photovoltaïques à jonction unique peuvent également connaître une augmentation significative de leur efficacité.«
Outre l’amélioration du rendement, les systèmes STPV promettent d’être compacts et dispatchables (électricité pouvant être programmée à la demande en fonction des besoins du marché).
Dans un important scénario d’application, les STPV peuvent être couplés à une unité de stockage d’énergie thermique économique pour produire de l’électricité 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
« Notre travail met en évidence le grand potentiel des composants photoniques thermiques non réciproques dans les applications énergétiques. Le système proposé offre une nouvelle voie pour améliorer considérablement les performances des systèmes STPV. Il pourrait ouvrir la voie à la mise en œuvre de systèmes non réciproques dans les systèmes STPV pratiques actuellement utilisés dans les centrales électriques« , a déclaré M. Zhao.
Légende : Bo Zhao, professeur adjoint Kalsi d’ingénierie mécanique à l’Université de Houston, a créé une nouvelle architecture qui améliore l’efficacité de la récolte de l’énergie solaire jusqu’à la limite thermodynamique.
CRÉDIT image : Université de Houston
JOURNAL : Physical Review Applied
ARTICLE TITLE : Nonreciprocal Solar Thermophotovoltaics
