vignette|Des panneaux photovoltaïques à concentration du projet Golmund en Chine Un panneau photovoltaïque à concentration, parfois simplement dénommé « panneau à concentration »Le photovoltaïque sous concentration, sur le site solarpedia.net, consulté le 31 octobre 2014 est un module solaire photovoltaïque composé d'une série de dispositifs optiques de concentration de la lumière (lentilles ou miroirs) sur des cellules photovoltaïques (qui doivent être refroidies si le taux de concentration est élevé).

Le composant le plus cher d'un module est - de loin - la cellule photovoltaïque. En intercalant un dispositif concentrateur entre le soleil et la cellule, on peut utiliser une surface de cellule beaucoup plus petite, et ainsi utiliser des cellules à rendement très supérieur, avec des valeurs oscillant typiquement entre 30 et 40 % (et qui, à moyen terme, devraient dépasser 50 %).

Dans les années 2000-2010, les progrès des cellules utilisées et des moyens de concentration sont rapidesD. Aiken, E. Dons, N. Miller, F. Newman, P. Patel, et al., Commercial concentrator cell results and record IMM solar cell efficiency, in: 8th International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems, 44-48 (Toledo, Spain, 2012).

Histoire Cette technologie a d'abord été réservée aux satellites et à l'exploration spatiale où les coûts de mise en orbite justifient des performances très élevées.

Puis elle a été testée dans quelques prototypes et opérations pilotes (dont en Espagne par le programme européen Hercules et ses suites (capacité installée ou en construction en 2014 : ) et aux États-Unis (capacité installée ou en construction en 2014 : Connaissance des énergies (2014), Solaire photovoltaïque à concentration (Fiches pédagogiques ; Énergies renouvelables )).

Marché En 2014, les modules photovoltaïques à concentration (CPV) sont devenus compétitifs ( (>/an) et de futures réductions de coûts et les améliorations de la technologie semble prometteuse. Ils ne constituent néanmoins encore qu'un marché émergent et très réduit (par rapport aux modules classiques).

Selon l'institut de recherche allemand Fraunhofer ISE et le National Renewable Energy Laboratory (NREL), fin 2014, de centrales CPV étaient raccordé au réseau dans le monde, et le prix de revient du kWh produit, qui oscillait fin 2013, selon les conditions d'utilisation, entre et , contre à pour le photovoltaïque classique, devrait s'abaisser d'ici 2030 à -, niveau compétitif avec les modules classiques Current status of concentration photovoltaic (CPV) Technology (janvier 2015) ; étude d'état des lieux (des marchés et de la technologie photovoltaïque) publiée par L'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire allemande (ISE) et le National Renewable Energy Laboratory États-Unis (NREL), 24 pages, téléchargeable sur les sites Internet de ces deux institutions ; sera mis à jour tous les six mois..

Différents constructeurs proposent ce type d'appareil : Soitec en France (à travers sa filiale Concentrix Solar installe des centrales au Nouveau-Mexique , Afrique du Sud , Californie , Maroc...), Heliotrop en France, Sol3G en Espagne, Pyron Solar et Sunrgi en Californie, Solar Systems en Australie (cette dernière construit actuellement une centrale photovoltaïque de ).

Début 2015, il existe plusieurs centrales photovoltaïques à concentration produisant plus de : En , Amonix met en service la centrale Cogentrix () à Alamosa au Colorado (États-Unis) Alamosa Solar Project, cpvconsortium, 12 janvier 2015..

En Chine, deux projets ont été réalisés par Suncore () dans la province de Qinghai, sur le plateau du Tibet : Golmud 1 (), mis en service en Golmud 1, cpvconsortium, 21 janvier 2015. et Golmud 2 (), opérationnel en 2016 Golmud 2, cpvconsortium, 25 août 2016..

Soitec parvient en 2014 à finaliser le financement de son projet de centrale solaire à concentration de Touwsrivier grâce au soutien du Government Employees Pension Fund, et valide ainsi le contrat d'achat d'électricité conclu avec la compagnie nationale EskomSoitec boucle son projet de centrale solaire en Afrique, Le Figaro, 3 juin 2014.. En 2020, l'exploitation de la centrale solaire à concentration de Touwsrivier, dans la province du Cap-Occidental en Afrique du Sud, est confiée à juwi Solar ZA O&M 1, filiale de l’entreprise allemande juwi Renewable Energies. La centrale est composée de de traqueurs solaires CX-S530-II à deux axes, répartis en 60 sections. Chaque section est composée de 25 systèmes, composés chacun de 12 panneaux solaires et connectés en parallèle à un onduleur central de . La centrale occupe un terrain de avec une capacité de production de Afrique du sud : juwi exploitera la centrale solaire à concentration de Touwsrivier, Afrik21, 7 avril 2020..

L’architecte allemand André Broessel a conçu et commercialisé en 2013 Rawlemon, une sphère solaire constituée d'une sphère transparente en polymère acrylique servant de lentille qui concentre les rayons du soleil et de la lune sur une cellule photovoltaïque multi-jonction, ce qui permet de réduire d'un la surface de cellule pour une puissance donnée, réduisant ainsi à presque rien l'empreinte carbone ; un système d'orientation à deux axes permet de maximiser le rendement : le taux de conversion de l'énergie solaire est amélioré de près de 70 % par rapport aux panneaux solaires photovoltaïques ; une batterie stocke l'électricité produite pour utilisation en soiréeRawlemon, une boule d’énergie, site EDF-pulse consulté le 13 février 2014.. Le modèle le plus petit : Beta.ey () a une cellule de et une batterie de ; une prise USB 2.0 permet de recharger un portable ou une tablette, et une LED colorée transforme la sphère en lampe ; des sphères de ou de diamètres sont commercialisées pour installation en toiture, ainsi qu'un module de façade à plusieurs sphères qui a fait l'objet d'une première certification en par le Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Rawlemon Solar Devices, site Indiegogo consulté le 13 février 2014..

Technique La concentration est obtenue par un système de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel, comme sur les phares d'automobiles.

Le rapport de concentration de la lumière solaire sur une petite surface s'exprime en une unité dite « soleil » (ou « sun » pour les anglophones)Raccordé au réseau : les systèmes à concentration ; il indique de combien l’énergie incidente du soleil est multipliée : On parle de basse concentration si la lentille ou les miroirs apportent de 2 à 100 « soleils » à la cellule ; On parle de moyenne concentration pour de 100 à 300 « soleils » ; On parle de haute concentration au-delà de 300 « soleils » avec jusque plus de 1000 soleils (). La cellule photovoltaïque est souvent une multi-jonctions couteuse, mais très efficaces (à base de semiconducteurs III-V, par exemple en triple jonction GaInP/GaInAs/Ge). Des cellules à quadruple jonction existent aussi (efficacité : 36.7 %)M. Steiner, A. Bösch, A. Dilger, F. Dimroth, T. Dörsam, et al., FLATCON® CPV module with 36.7 % efficiency equipped with four-junction solar cells, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, in press (2014).R. M. France, J. F. Geisz, I. Garcıa, M. A. Steiner, W. E. McMahon, et al., Quadruple-Junction Inverted Metamorphic Concentrator Devices, IEEE Journal of Photovoltaics, available online (2014)..

La plupart des systèmes sont à haute-concentration, mais il existe aussi des systèmes à basse concentration (ratios de concentration de moins de 100x), moins efficaces, mais moins chers ; ils utilisent principalement des cellules solaires de silicium cristallin (c-Si) et le module ne suit le soleil que sur un axe unique (parfois sur deux axes)Plesniak, A. P., & Pfefferkorn, C. (2014). High and Low Concentrator Systems for Solar Energy Applications IX. In Proc. of SPIE Vol (Vol. 9175, pp. 917501-1) (résumé)..

Contraintes Il faut que la lumière concentrée soit bien focalisée sur la cellule, et non à côté : un tel panneau ne fonctionne donc correctement qu'avec un dispositif de "tracking" (héliostat) pour rester en permanence perpendiculaire aux rayons du soleil. Favorable au rendement (il augmente la production d'environ la moitié sur une journée), ce type de dispositif a l'inconvénient d'accroître la complexité et la maintenance.

Il existe deux systèmes de trackers (suivant le soleil sur un ou deux axes).

Il faut ensuite évacuer la chaleur excessive, préjudiciable au rendement des cellules et surtout à leur durée de vie: sans dispositif de refroidissement, ces dernières fondraient.

Enfin, ces modules plus complexes sont plus fragiles, plus délicats à transporter et à monter.

Ces technologies nécessitent de faire appel à des métaux précieux (Tellurium, Indium et Gallium)M. Woodhouse, A. Goodrich, R. Margolis, T. L. James, M. Lokanc, et al., Supply-Chain Dynamics of Tellurium, Indium, and Gallium Within the Context of PV Manufacturing Costs, IEEE Journal of Photovoltaics 3(2), 833-837 (2013), mais uniquement sur une petite partie du module et en facilitant la récupération de ces métaux en fin de vie du panneau.

Globalement, si le rendement est environ deux à trois fois supérieur à celui d'un module plat classique, toutes ces contraintes ont aussi un coût, de sorte que les modules classiques dominent toujours le marché.

Rendement Pour calculer la puissance de ces appareils, il faut utiliser les données concernant l'intensité de la lumière directe qui arrive à la surface du sol. Cette intensité varie en fonction de la latitude. Par exemple, à Lyon, la valeur moyenne basée sur d'observations effectuées par la NASA est de , soit une puissance moyenne de .

Notes et références

Voir aussi Articles connexes Cellule photovoltaïque Optique non imageante

Liens externes site de SOITEC site dd'Heliotrop site de Sol3G site de SunRgi site de Solarsystems

Bibliographie Angel, R. (2014, October). Big optics for astronomy and solar energy. In SPIE Optical Engineering+ Applications (). International Society for Optics and Photonics (résumé) R. Angel, T. Stalcup, B. Wheelwright, S. Warner, K. Hammera, et al., Shaping solar concentrator mirrors by radiative heating in: Proceedings of SPIE 9175, High and Low Concentrator Systems for Solar Energy Applications IX, (San Diego, California, USA, 2014) (résumé). F. Dimroth, M. Grave, P. Beutel, U. Fiedeler, C. Karcher, et al., Wafer bonded four-junction GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs concentrator solar cells with 44.7% efficiency, Progress in Photovoltaics : Research and Applications 22(3), 277-82 (2014). P. Pérez-Higuerasa, E. Muñoz, G. Almonacida, P. G. Vidala, High concentrator photovoltaics efficiencies: Present status and forecast, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15(4), 1810-1815 (2011) (résumé). J. E. Haysom, O. Jafarieh, H. Anis, K. Hinzer, D. Wright, Learning curve analysis of concentrated photovoltaic systems, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, in press (2014). K. Sasaki, T. Agui, K. Nakaido, N. Takahashi, R. Onitsuka, et al., Development of InGaP/GaAs/InGaAs inverted triple junction concentrator solar cells, in: Proceedings of the 9th International Conference on Concentrator Photovoltaic Systems, 22-25 (Miyazaki, Japan, 2013). T. N. D. Tibbits, P. Beutel, M. Grave, C. Karcher, E. Oliva, et al., New Efficiency Frontiers with Wafer-Bonded Multi-Junction Solar Cells, in: Proceedings of the 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, in press (Amsterdam, The Netherlands, 2014). R. King, A. Boca, W. Hong, D. Larrabee, K. M. Edmondson, et al., Band-gap-engineered architectures for high-efficiency multijunction concentrator solar cells, in: Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 55-61 (Hamburg, Germany, 2009).