Guadeloupe

Permettre au fablab de jarry de faire des recherches sur une héliosienne innovante, éolienne solaire à concentration photovoltaïque à noyau tournant.

Environnement

Slogan

Nous sommes convaincus que l’héliosienne nécessite et mérite de plus amples recherches, surtout avec l'arrivée des nouvelles cellules photovoltaïques GaSa de troisième génération. Pour être prêt demain pour ce nouveau marché et défis, nous devons investir maintenant en recherche et développement, au risque de manquer purement et simplement ce marché d’avenir.

L’heliosienneDepuis la nuit des temps, l’éolienne convertie le déséquilibre de force de poussée du vent sur ses pales en mouvement rotatif dans le but de récupérer l’énergie ainsi produite.Récupérer la poussée de la lumière n'est pour le moment qu'une théorie pour des projets spatiaux de voile solaire permettant de voyager dans l'espace. Pourtant, les panneaux photovoltaïques prouvent couramment que l’énergie véhicules par la lumière est bien réelle, bien que la poussée des photons soit elle infime tout comme leur masse.L’idée initiale à donc été de convertir directement cette énergie photonique en poussée au sein même du rotor d’un moteur proche de l’électrique devenu par la même moteur photonique. Seul tentative réussie à ce jour, le moteur mendocino, mais au rendement si faible, qu'il est resté au stade de gadget vendu sur internet pour les amateurs de moteurs exotiques et d'énergie libre.Pour parvenir à une puissance suffisante, le stator de l'héliosienne de part sa conception triple le rendement du moteur mendocino, et de par sa forme, permet la concentration de la lumière de plusieurs soleils pour sur-alimenter le rotor central couvert de cellules photovoltaïquesDictée par des contraintes budgétaires, L'unique à ce jour héliosienne que nous avons prototypée n'est qu'un systèmes à très basse concentration (ratios de concentration entre 3 et 4), assez peu efficace, mais pleinement opérationnel et suffisant pour valider le concept même avec des cellules au silicium de génération 2. En effet, sa logique et son design original permettent deja un fonctionnement avec des cellules solaires de silicium courantes du marché. Basé sur une concentration mixte, à lentille et à parabole, pour moins de 5 kilos et de dimension réduite à 60 x 30 x 30 cm environ, elle permet déja la recharger de téléphone portable, ou de mettre en rotation une petite pompe a eau.En effet, une fois le rotor lancé, et l’énergie d’auto-maintien de la rotation étant infime (1 à 2 soleils..), le surplus d’énergie produit est de plusieurs formes : le couple de l’axe en rotation, pouvant directement faire tourner un ensemble mécanique (pompe à eau),  ou électrique en prélevant simplement les soleils restants issus du rotor vers un appareillage électrique, moteur, batteries ou autres dispositifs, dont le système de tracking solaire sur deux axes sur lequel nous travaillons.Bien que paraissant compliqué, les avantages du procédé sont multiples :- Energie produite mécanique et électrique directement utilisable.- L'électricité produite dans le rotor est de forme alternative et non pas continue comme sur une installation classique, ce qui facilite l'électronique de traitement.- Utilisation des cellules photovoltaïques en régime intermittent ce qui permet de les pousser bien au dela de leur régime d’utilisation théorique, tout en chauffant moins.- Concentration des cellules à la seule surface du rotor donc moins de surface photovoltaïque couverte pour un cout de silicium moindre.- les miroirs sont à très bas prix, et l’utilisation de cellules à faible concentration permet de profiter d’un marché compétitif et moins onéreux. - Ecoulement d’air sur les cellules proportionnel à leur ensoleillement, pouvant être forcé par une simple hélice fixée en bout d'arbre, ce qui permet leur refroidissement directe sans système dédié et augmente leur longévité.- Concentration mixte : parabolique pour l’arrière du rotor, lentille pour l’avant.- Concentration de plusieurs soleils, donc réactif même aux premiers rayons du soleil le matin ou le soir, ou par ciel voilé.- Forma léger et compact, la surface étant réduite et l'ensemble étant équilibré, la poursuite du soleil de l’aube au couchant avec des moteurs minimalistes est possible.- La simplicité du système mécanique et électrique, gage de fiabilité, est de plus restreinte à la partie rotor. Bien que pas encore installée sur notre prototype deja fonctionnel, l'électronique d'une gestion intelligente prenant en compte la température du rotor, la vitesse de rotation et les besoins en énergie mécanique et électrique est à l'étude à base de composants open sources.- Le système de tracking solaire sur deux axes est classique, mais un repliage motorisé en position fermé des miroirs parabolique est aussi possible pour les préserver des éventuelles précipitations.- La mécanique de l’appareil ne nécessitant pas de technologie d’usinage lourd, ceci permet d’envisager la mise en place de petites unités de production locales.- Les nuisances sonores et visuelles sont moindre que les éoliennesIl est mathématiquement prévu que le fait de changer le rotor actuel de notre prototype équipé de cellules classiques de génération 2 pour un autre de diamètre plus petit à cellules à concentration plus performantes permettra instantanément d'augmenter la puissance de l'héliosienne proportionnellement au rendement des dites cellules à concentration, tant en terme de nombre de soleil par cellules et donc de puissance restituée, mais aussi de vitesse de rotation et donc de refroidissemant à l’air de part le montage rotatif des cellules photovoltaïques. Sur le modèle de l'eolienne, l’heliosienne est une idée simple qui devrait permettre d'obtenir à terme un très bon prix de la production électrique, et/ou mécanique, avec une réduction de l'encombrement des panneaux, des composants couteux que sont les cellules photovoltaïques, tout en étant prêt pour suivre l'évolution du photovoltaïque du futur en suivant sa progression technologique. Un pitch sur le premier prototype de l'heliosienne est visible ici : https://www.facebook.com/lefablabdejarry/videos/1769512806452780/Le photovoltaïque à concentrationUn panneau photovoltaïque à concentration, parfois simplement dénommé « panneau à concentration » 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 quand le taux de concentration est élevé.Il est important de ne pas confondre une centrale solaire photovoltaïque à concentration d’une centrale solaire à concentration de type thermodynamique qui n’utilise pas du tout les panneaux photovoltaïques pour produire de l’électricité.HistoireCette 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 : 18 MW) et aux États-Unis (capacité installée ou en construction en 2014 : 330 MW2).C’est ainsi que la centrale solaire photovoltaïque à concentration est née il y à quelques années.PrincipeLe but de la centrale solaire photovoltaïque à concentration est exactement le même que celui d’une centrale solaire photovoltaïque classique, c’est à dire produire de l’électricité grâce à l’énergie délivrée par le soleil.La différence étant que la centrale solaire à concentration dispose de moins de panneaux solaires au profit de miroir et de dispositifs qui vont permettre de concentrer la lumière à la manière d’une loupe. La lumière du soleil est alors reflétée sur des panneaux solaires photovoltaïques à haut rendement afin d’augmenter la production d’électricité délivrée par la centrale. Il existe différent type de cellules photovoltaïques ayant des rendements différents. Dans le cas de la mise en place d’un dispositif à concentration, on utilisera des cellules photovoltaïques microcristallines.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 %).Depuis les années 2000, les progrès des moyens de concentration et surtout le rendement des cellules utilisées sont en croissance constante.TechniqueLes clés de cette technologie résident sur l’utilisation de cellule photovoltaïque à haut rendement, mais aussi sur la concentration de la lumière sur cette cellule afin que celle-ci produise plus de courant.Pour concentrer la lumière sur la cellule, il existe deux principales méthodes: par un système de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel, comme sur les phares d'automobiles.    1.    La plus simple: l’utilisation de miroir. Si vous placez 4 miroirs autour de votre panneau solaire et que vous orienter tous ces miroirs vers votre panneau, vous aurez alors 5 fois plus de lumière (oui 5 fois car il y a également un flot du lumière qui provient directement du soleil). Vous pouvez d’ailleurs très bien utiliser ce procéder sur votre installation personnelle si vous avez des panneaux solaires chez vous. Les miroirs étant beaucoup moins chez que les cellules, vous augmenter alors le rendement de votre panneau à moindre coût.    2.    L’utilisation d’une lentille. Un autre procéder,  plus performant que celui qui consiste à utiliser des miroirs est l’utilisation d’une lentille grossissante directement au dessus de la cellule photovoltaïque. La lentille va alors concentre la lumière en la déformant à la manière d’une loupe ou encore d’un laser, ce qui va apporter plus de lumière à la cellule photovoltaïque qui va produire plus d’électricité. Pour ce faire, on utilise une lentille de Fresnel qui à l’avantage d’être beaucoup moins volumineuse qu’une lentille normale tout en conservant une bonne performanceLe rapport de concentration de la lumière solaire sur une petite surface s'exprime en une unité dite « soleil » (ou « sun » pour les anglophones) ; 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 ; Elle est réalisée le plus généralement grâce à des miroirs de Fresnel car ils ne permettent pas une grande concentration.     •    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 (le record étant détenu par la société Sunrgi avec une valeur de 1600.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 %)ContraintesIl 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, et son dimentionnement est problématique compte tenu de la forme et de la surface des panneaux à orienter.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.Ces technologies nécessitent de faire appel à des métaux précieux (Tellurium, Indium et Gallium)10, 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 entrainent aussi un coût, de sorte que les modules classiques dominent toujours le marché.MarchéEn 2014, les modules photovoltaïques à concentration (CPV) sont devenus compétitifs (« dans les régions ensoleillées avec des valeurs élevées de rayonnement direct » (>2 000 kWh/m2/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). C'est donc maintenant que les recherches dans le domaine doivent être entreprises pour être prêtes demain sur ce marché d'avenir.Selon l'institut de recherche allemand Fraunhofer ISE et le National Renewable Energy Laboratory (NREL), fin 2014, 330 MWc 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 8 c€/kWh et 15 c€/kWh, contre 6 c€/kWh à 10 c€/kWh pour le photovoltaïque classique, devrait s'abaisser d'ici 2030 à 4,5 c€/kWh-7,5 c€/kWh, niveau compétitif avec les modules classiques.Début 2015, il existe plusieurs usines produisant plus de 30 MWc de cette manière, dont deux unités construites pour Golmud dans la province du Qinghai en Chine par SunCORE (58 et 80 MWp) ; la centrale de Touwsrivier en Afrique du Sud (Soitec, 44 MWc) ; la centrale d'Alamosa au Colorado (États-Unis) construit par Amonix (35,28 MWp) 5Différents constructeurs proposent ce type d'appareil : Soitec en France (à travers sa filiale Concentrix Solar installe des centrales au Nouveau Mexique 1 MW, Afrique du Sud 50 MW, Californie 300 MW, 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 154 MW).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 facteur 100 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 soirée11. Le modèle le plus petit : Beta.ey (10 cm) a une cellule de 16 W et une batterie de 27,5 Wh ; 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 1 m ou 1,80 m 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 janvier 2013 par le Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg12.Le Fablab de Jarry https://www.facebook.com/lefablabdejarry/Depuis 3 ans sur le territoire Guadeloupéen et fort de ses 40 membres actifs, le Fablab de Jarry possède toutes les compétences techniques pour mener à bien du prototypage et la réalisation d'un produit fini tel que l'héliosienne. Plus qu'un chalenge, c'est mission sera un symbole pour tous les citoyens en prouvant qu'une association, même sur les territoires ultra périphériques nationaux sont capables de jouer un rôle important dans notre environnement industriel et économique actuel.