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"Produisons notre propre énergie électrique avec un système photovoltaïque optimisé"

 

L'idée de cette section est très simple: présenter chronologiquement les travaux de développement d'un système photovoltaïque à concentration que chacun peut construire chez soi. Bref c'est mon projet DIY (Do It Yourself)... comme il en existe plein sur le net.

Par photovoltaïque à concentration (ou CP = concentrated photovoltaic) on entend un module équipé de capteurs photovoltaïques qui ne reçoivent pas la lumière de manière directe mais par l'intermédiaire d'un système optique qui concentre le rayonnement sur les capteurs.

Je ferai de mon mieux pour décrire l'intérêt que je vois dans ce système, quelles sont les étapes par lesquelles je passe, les difficultés et les solutions qui se sont imposées ou qui ont été choisies. Comme je ne suis pas un bon bricoleur,  si j'y arrive ça veut dire que tout monde peut le faire!

Si je partage tous les détails de ce mini projet c'est également pour que vous puissiez me donner vos conseils avisés et éventuellement partager votre expérience et vos solutions pour des problèmes que vous auriez déjà rencontrés.

Merci d'utiliser le formulaire de contact pour toute question ou suggestion par rapport à ce projet, précisez bien la nature de votre message pour faciliter le traitement. A l'avenir je vais essayer de simplifier l'interaction avec un système de commentaires ou éventuellement en passant par un réseau social... à définir.

Voici quelques raisons qui m'ont poussé à regarder ce que l'on peut faire avec le photovoltaïque à concentration:

  • Je pense que nous sommes nombreux a  souhaiter fabriquer notre propre électricité, à la fois pour apporter une mince contribution à la problématique énergétique, et également pour soulager la facture électrique à la fin du mois. Cependant l'installation de panneaux photovoltaïques standards coûte cher, l'intégration dans l'architecture bâtie n'est pas toujours facile, de plus  la rentabilité d'une toiture photovoltaïque peut ne pas être/sembler à la hauteur de l'investissement consenti.
  • Je suis très intéressé par les systèmes de cogénération domestique (production de chaleur et d'électricité) qui ne font pas appel à un brûleur à gaz (ou mazout)... le photovoltaïque me semble une solution à creuser comme base d'un système de cogénération.
  • La troisième raison est moins idéaliste... je pense que c'est en faisant des essais avec ce type de technologie que je vais en comprendre davantage, et peut être avoir les moyens d'avoir un point de vue plus affuté et prendre de meilleures décisions à l'avenir...

Un petit dessin vaut mieux que de long discours, alors voici comment j'envisage le système de mes rêves! Ici il est représenté sur une véranda:

 

 

(1) Lentille de Fresnel linéaire
(2) Cellules photovoltaïques monocristallines
(3) Onduleur
(4) Connexion au réseau 220V domestique

Dans cet exemple de véranda on voit une rangée de lentilles de Fresnel (1) qui concentrent le rayonnement sur une bande de capteurs photovoltaïques de haut rendement (monocristallins) (2). A partir du moment ou le toit de la véranda est orienté vers le Sud et que sont inclinaison est adéquate (on verra plus tard ce que cela signifie en terme d'angle d'inclinaison) l'essentiel du rayonnement direct journalier sera dirigé sur la bande de capteurs. De plus une grand partie du rayonnement diffus le sera également... là aussi on tentera une petite estimation ultérieurement, ça dépend évidemment de la focale de la lentille de Fresnel ainsi que de ses autres caractéristiques optiques.

Les cellules photovoltaïques, à l'intérieur de la véranda, transforment le rayonnement en énergie électrique... on choisir de bonnes cellules. Ill y en a moins que pour un système standard, mais elle sont davantage illuminées, autant choisir des cellules avec un très bon rendement. Il faudra se préoccuper de la température sur les cellules. En effet l'effet photovoltaïque perd de son efficacité lorsque la température augmente (pour une même exposition au rayonnement).

Les cellules sont branchées sur un onduleur (3) qui accorde le caractéristique électrique à celle du réseau domestique (DC --> AC, voltage et fréquence). A la sortie de l'onduleur on connecte sur une prise du réseau domestique pour réinjecter le courant produit dans le système.

 

Les technologies solaires à concentration son généralement utilisée pour du solaire "thermique" et non photovoltaïque. La raison est simple, en effet en concentrant le rayonnement on augmente la température sur les récepteurs. Ceci est un avantage pour un système solaire thermique car la conversion en énergie électrique se fait à l'aide d'un cycle thermodynamique dont le rendement augmente avec la température. Les cellules photovoltaïques, par contre, n'apprécient pas une augmentation de température et leur rendement diminue lorsque la température augmente.

Dans notre cas on utilise un très faible facteur de concentration (entre 5 et 10) et le problème de la température devrait être gérable/secondaire. Voyons quels sont les avantages / inconvénients du système qui est envisagé ici:


Coûts

En divisant par un facteur 3 (voir plus) la surface des cellules photovoltaïques, on devrait obtenir une confortable diminution du coût pour une installation à puissance égale. Je considère que le prix des lentilles de Fresnel sera bien moindre que celui d'un panneau photovoltaïque.

Installation

Plus subtile que des panneaux posés sur un toit! L'intégration dans l'architecture du bâtiment (véranda, garage,...) est indispensable puisque notre système à une lentille qui donne sur l'extérieur et le récepteur qui est à l'intérieur.

Emprunte écologie

Toujours en supposant que la lentille est un élément qui peut être fabriqué en gros volume avec des technologies très basiques on peut considérer que diviser par 3 (ou plus) l'utilisation de cellules photovoltaïques aura un impact très favorable sur l'emprunte écologie globale

Rendement

Qu'en est-il au niveau du rendement à surface égale?

En première approximation je dirais que le rendement sera identique... En effet la production d'une cellule augmente linéairement par rapport à l'intensité du rayonnement, pour autant que la température soit maintenue constante, sinon on perd un peu de rendement.

On peut encore se demander si l'illumination diffuse (celle qui ne vient pas directement du soleil) sera mieux exploitée?... A priori la réponse est non... du moins au niveau de la sortie des capteurs. On pourra certainement compléter cette réponse ultérieurement.

 

On va commencer par fabriquer un tout petit module pour pouvoir faire des tests et pour mieux cerner les difficultés qui vont se présenter. Il s'agit donc de rassembler une lentille de Fresnel et des cellules photovoltaïques, le tout sur un support qui permet d'orienter le système tout en maintenant les cellules à la bonne distance. J'ai rapidement esquissé qqch sur Inventor pour voir à quoi ça va ressembler:

 

 

Quelques infos sur le choix des composants:

Lentille de Fresnel

Pour cet essai il nous faut une lentille de Fresnel linéaire (et non concentrique) avec des dimensions raisonnables (de 40cm à 1m de côté). Pour l'instant la matière importe peu (mais à l'avenir il faudra se préoccuper de ce point), pareil pour l'épaisseur.

J'ai trouvé mon bonheur chez un fournisseur japonnais: www.ntkj.co.jp/product_linearfresnel_solar_en.html

Le modèle LF500-B me semble le plus adapté pour ce test, c'est du PMMA et la focale fait 50cm

Cellules photovoltaïques

J'ai acheté un kit sur e-Bay qui comprend environ 50 cellules polycristallines + le ruban pour connecter les cellules + le flux de soudage. Ce matériel est vendu par la société Everbright (USA)... mais il y a d'autres fournisseurs de kit solaire "Do It Yourself" à moins de 100$.