A. M. Alinia et al. on récemment publié dans la section Scientific reports de la revue Nature une analyse d'un système photovoltaïque hybride qui inclut un concentrateur optique, un fluide à changement de phase, des nano-matériaux ainsi qu'un générateur thermo-électrique.

Ce système a été simulé par les auteurs et les résultats sont comparés à des tests réalisés et publiés par d'autres équipes à travers le monde, chacune étant focalisée sur l'un ou l'autre des composants assemblés ici.

Le but de ce concept hybride est d'améliorer l'efficacité globale en intégrant des réflecteurs paraboliques, un système de refroidissement avancé ainsi qu'un générateur thermo-électrique.

Les concentrateurs optiques sont généralement installés sur des systèmes solaires thermiques, où il s'agit de chauffer un fluide. Ce fluide est alors utilisé soit directement pour du chauffage (domestique, eau sanitaire) soit pour actionner un cycle thermique (Rankine, Stirling,...) qui permettra de générer une puissance électrique.

Récemment on les trouve également sur des panneaux photovoltaïques (CPV pour "Concentrated PhotoVoltaic") pour améliorer le rendement global d'un système. Néanmoins l'échauffement que produit la concentration des rayons sur les cellules photovoltaïques diminue l'efficacité de ces dernières et accélère le vieillissement des composants. Il faut donc combiner la concentration optique avec un dispositif de refroidissement afin d'optimiser le système.

Sur les systèmes fixes (non équipés de tracker) le concentrateur est généralement de forme parabolique. La propriété optique de cette géométrie est de concentrer des rayons entrants parallèlement à l'axe principal vers une ligne focale.

Différentes équipes de recherche ont étudié des systèmes photovoltaiques auxquels ils ont ajouté des généreateurs thermo-électriques afin d'utiliser la chaleur des panneaux pour fournir une puissance électrique supplémentaire.

Ces générateurs fonctionnent grâce à l'effet Seebeck, qui permet d'utiliser une différence de température pour obtenir une force électromotrice.

D. Kraemer et al. (Nature Materials/vol10/July2011) ont publié des résultats de tests d'un tel système appliqué à des panneaux photovoltaïques simples, sans concentrateurs paraboliques. Ils utilisent la "concentration thermique" en reliant de grandes surfaces chaudes sur les panneaux vers de petites surfaces sur un générateur thermo-électrique. Cette surface fait office de source chaude pour le générateur à effect Seebeck.

La chaleur générée par le panneau photovoltaïque est extraite et transmise au générateur thermoélectrique par l'intermédiaire d'un dispositif astucieux. Il s'agit d'un matériau à changement de phase, la paraffine, auquel on a ajouté des nanotubes de carbone, dont la conductivité électrique est particulièrement élevée.

Ce système permet de maintenir une température chaude stable, donc en évitant la surchauffe du panneau, tout en constituant une réserve de chaleur pour le bon fonctionnement du générateur thermoélectrique.

L'équipe de A. M. Alinia a également considéré des cas qui se veulent très réalistes, par exemple en incluant la présence de poussière sur les panneaux.

Elle a également considéré une variante avec des ailettes conductrices au sein du fluide à changement de phase. Ce dispositif permet une répartition plus rapide et plus homogène de la chaleur dans le fluide.

Différentes variantes du système composé de concentrateurs paraboliques, panneaux photovoltaïques monocristallins, systèmes de refroidissement à changement de phase + nanotubes de carbone et générateurs thermoélectriques ont été simulés en utilisant une approche multiphysique.

Le flux de rayonnement sur les panneaux a été calculé avec SolTrace, puis le comportement thermique du système, y compris la partie fluidique, a été simulé avec Ansys Fluent.

De plus les équations caractérisant le comportement des cellules photovoltaïques ainsi que du générateur thermoélectriques permettent de compléter les résultats avec l'ensemble des valeurs physiques.

Le modèle de simulation a été validé en reproduisant des tests effectués en laboratoire par différentes équipe de recherche et qui se focalisent sur différents composants du système complexe étudié ici. Cette étude est la première à considérer l'ensemble des dispositifs mentionnés précédemment.

Les simulations SolTrace ont montré qu'une irradiation solaire de 850 W/m² sur les concentrateurs permettent de fournir une irradiation moyenne entre 1500 et 2400 W/m² sur le panneau, selon la distance focale utilisée.

La température moyenne des panneaux augmente davantage, avec le temps on obtient une surchauffe de 10% par rapport a des panneaux sans concentrateurs.

La puissance électrique est améliorée de 12% lorsque le dispositif de refroidissement est ajouté. Cette amélioration est plus marquée si la couche paraffine/CNC est complété avec des ailettes conductrices afin d'améliorer encore l'extraction de la chaleur.

On note que le refroidissement des panneaux est non seulement avantageux en terme de rendement photovoltaïque, mais il limite également le vieillissement et les contraintes sur le système.

Après 60 minutes de fonctionnement, une augmentation de l'efficacité globale de 11% est observée avec l'ajout du générateur thermoélectrique.

Publications:
A.M. Alinia, M. Sheikholeslami, Nature Scientific Reports 2025 15:1336
doi.org/10.1038/s41598-025-85161-5