Les panneaux photovoltaïques produisent de l’électricité, les capteurs solaires thermiques fournissent de la chaleur, tandis que le refroidissement est généralement assuré par des systèmes de climatisation qui consomment eux-mêmes de l’électricité. Les bâtiments ont donc besoin de différentes technologies qui se disputent l’espace limité disponible sur les toits et les façades.
La solution développée par une équipe dirigée par le Dr Gan Huang à l’Institut de technologie des microstructures du KIT, en revanche, fournit simultanément refroidissement, électricité et chauffage à partir d’une seule surface. Ce système hybride PDRC-solaire combine photovoltaïque, solaire thermique et refroidissement radiatif passif diurne (PDRC). Les chercheurs envisagent des applications partout où le refroidissement et l’énergie sont nécessaires en même temps.
« Notre vision est que les toits et les façades pourraient devenir des surfaces énergétiques actives qui fournissent à la fois électricité, chauffage et refroidissement », explique Huang. « Le concept pourrait également être intéressant pour des applications énergivores telles que les centres de données d’IA, qui exigent une puissance importante et un refroidissement intensif. »
Rayonner la chaleur à travers la fenêtre atmosphérique
Au cœur du système se trouve un émetteur transparent composé d’un substrat de silice recouvert de polydiméthylsiloxane, un polymère de silicone. Cette couche laisse passer la lumière du soleil tout en émettant simultanément de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge à travers la fenêtre atmosphérique – la gamme de longueurs d’onde dans laquelle l’atmosphère terrestre est très transparente au rayonnement thermique. Sous l’émetteur transparent, une lentille de Fresnel concentre la lumière solaire transmise sur un capteur photovoltaïque-thermique compact, où sont produits électricité et chaleur.
Lors d’essais en extérieur, le prototype a simultanément atteint un refroidissement allant jusqu’à 6,5 °C sous la température ambiante, une densité de puissance électrique de 60,6 W/m² et des températures de chauffage allant jusqu’à 110,8 °C.
« Feu » et « glace » dans un même système
« Nous démontrons qu’un seul système peut exploiter à la fois le soleil brûlant et le froid de l’univers », affirme Huang, qui dirige le laboratoire Hybrid Solar Technologies au KIT.
Le plus grand défi consistait à combiner deux processus fondamentalement opposés. « Nous réunissons feu et glace », explique Huang. « Alors que le capteur solaire doit absorber le plus d’énergie solaire possible, le refroidisseur radiatif doit rester aussi froid que possible. »
Une couche refroidissante transparente sépare le chaud et le froid
« Nous avons résolu ce problème en laissant d’abord la lumière du soleil traverser la couche refroidissante transparente. En dessous, une lentille de Fresnel concentre la lumière sur un capteur solaire beaucoup plus petit. Cela maintient le capteur solaire chaud physiquement séparé de la couche refroidissante », explique Iván Alberto Cruz García, de l’Institut de technologie des microstructures du KIT, doctorant et premier auteur de l’étude.
Vers des systèmes énergétiques multifonctionnels
L’étude s’appuie sur les travaux antérieurs de l’équipe. En 2024, les chercheurs ont présenté un matériau transparent qui refroidit passivement les bâtiments tout en transmettant la lumière du jour. En s’appuyant sur ce concept, l’équipe a désormais intégré le refroidissement radiatif à un composant de captage de l’énergie solaire. « Sur la base de ces travaux, nous avons maintenant combiné le refroidissement radiatif et le captage de l’énergie solaire. Cela transforme une surface unique en un système énergétique multifonctionnel », explique Huang. Les prochaines étapes consistent à améliorer la conception optique, la gestion thermique et les cellules solaires.
Pour Huang, cette étude – menée en collaboration avec le professeur Shanhui Fan de l’université de Stanford, expert de premier plan en PDRC – représente un changement de perspective : « Le soleil n’est pas la seule ressource énergétique dans le ciel. Le froid de l’espace est une autre ressource renouvelable. Si nous apprenons à exploiter ensemble le soleil brûlant et l’univers froid, nous pouvons ouvrir la voie à une nouvelle génération de systèmes énergétiques. »
Article : Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity, and heating – Journal : Cell Reports Physical Science – DOI : Lien vers l’étude
Source : KIT
