Récupérer la chaleur et l’électricité du soleil, quand vous en avez besoin.
Raphael Kay (à droite) et Rafiq Omair avec leur système de captation solaire. (Institut Salata)
Un dispositif de captation solaire mis au point par des ingénieurs de Harvard utilise des composants simples pour produire de la chaleur par temps froid et de l’électricité par temps chaud, basculant passivement d’un mode à l’autre en fonction des variations de température.
L’énergie solaire est abondante, mais malheureusement peu disponible au bon moment. Un rayon de soleil peut se transformer en électricité (indispensable à la vie moderne) ou en chaleur (utile pour chauffer les bâtiments). Or, les installations solaires classiques sont limitées à une seule fonction : les panneaux photovoltaïques produisent de l’électricité, qu’on le veuille ou non ; les capteurs solaires thermiques produisent de la chaleur même par temps chaud.
À l’intérieur, les priorités s’inversent au fil des saisons : le chauffage est primordial en hiver, tandis que l’électricité est primordiale en été pour la climatisation.
Dans un article récemment publié dans PNAS , une équipe du laboratoire de Joanna Aizenberg à Harvard SEAS décrit une solution novatrice. Au lieu de laisser les occupants du bâtiment ou les systèmes de contrôle décider de l’utilisation de la lumière solaire, ils conçoivent un système qui bascule automatiquement entre différents modes de fonctionnement. Leur approche transforme un simple changement de phase – la condensation et l’évaporation de l’eau – en un interrupteur optique.
Comment fonctionne l’interrupteur
Leur dispositif est construit autour d’une lentille de Fresnel : une lentille aplatie dotée de fines nervures qui concentre la lumière sans l’encombrement d’une lentille courbe traditionnelle. Au-dessus de la lentille se trouve une cavité étanche contenant une quantité fixe d’eau. En dessous, une petite cellule photovoltaïque (PV) est placée ; encore en dessous, l’espace intérieur sert de dissipateur thermique, absorbant la lumière sous forme de chaleur.
Lorsque l’eau contenue dans la cavité est chaude (au-dessus du point de rosée), elle reste à l’état de vapeur. Dans cet état, il existe une forte différence d’indice de réfraction entre la vapeur et le matériau de la lentille, permettant aux lentilles de Fresnel de focaliser la lumière sur la cellule photovoltaïque et de produire de l’électricité. Lorsque la cavité refroidit (en dessous du point de rosée), l’eau se condense en une fine couche qui réduit cette différence d’indice, diminuant ainsi le pouvoir de focalisation de la lentille. Une plus grande quantité de lumière contourne alors la cellule photovoltaïque et pénètre dans l’espace intérieur, où elle est absorbée sous forme de chaleur.
En résumé, le même matériel achemine la lumière du soleil vers différentes destinations en fonction de la température : électricité lorsqu’il fait chaud ; chaleur lorsqu’il fait froid.
« La capacité de commutation est calibrée en fonction des besoins saisonniers du bâtiment, qui dépendent de la température », explique Raphael Kay , auteur principal de l’étude. « Ce commutateur permet un système de récupération d’énergie passif à double mode », ajoute-t-il – passif car aucun système de pompes, de capteurs ou d’électronique n’est nécessaire pour changer de mode.
Lors d’une démonstration, le point de rosée de l’air confiné était proche de 15 degrés Celsius. La condensation – et le changement de mode – se produisaient donc lorsque la température de la lentille descendait en dessous de ce seuil. Compte tenu des températures saisonnières moyennes à Boston, par exemple, cela signifie que la production d’électricité serait prédominante de mai à octobre, tandis que l’appareil produirait principalement de la chaleur de novembre à avril. Ajuster l’humidité à l’intérieur de l’enceinte permettrait de déplacer ce point de basculement afin de mieux répondre aux besoins locaux.
Lors de tests en laboratoire, l’équipe, dont Rafiq Omair , a simulé les conditions extérieures et observé l’évolution attendue de la focalisation. Au-dessus d’environ 15 °C, la lumière était principalement concentrée sur la cellule photovoltaïque ; en dessous, une grande partie la contournait et pénétrait dans l’espace intérieur. Lorsque la température extérieure est passée de 10 °C à 35 °C, la température intérieure mesurée a chuté d’environ 25 °C à environ 22 °C, tandis que l’intensité lumineuse relative sur la cellule photovoltaïque augmentait d’environ 50 %.
En mode chauffage, le système convertit environ 90 % du rayonnement solaire incident en chaleur intérieure. Selon une estimation approximative de Kay, cela représente environ cinq fois le rendement de chauffage solaire d’un panneau photovoltaïque associé à un chauffage par résistance électrique.
L’angle d’incidence du soleil constitue une limitation majeure. L’appareil étant installé avec une inclinaison et une orientation fixes, il ne concentre efficacement la lumière que pendant certaines heures et saisons. « La position du soleil varie au fil de la journée et de l’année, mais l’appareil doit être installé avec une inclinaison fixe », explique Kay. Lorsque le soleil est décentrée et que la lumière ne se concentre pas correctement sur la cellule solaire, l’appareil passe en mode solaire thermique, convertissant davantage de lumière en chaleur à l’intérieur. L’équipe travaille actuellement à des solutions pour étendre la durée de fonctionnement des deux modes.
Évolutif par conception
L’objectif est de concevoir des systèmes solaires qui se comportent comme une partie intégrante et réactive de l’enveloppe d’un bâtiment, et non comme un générateur à production unique.
L’équipe souligne que les composants sont simples, peu coûteux et adaptables à grande échelle, avec des applications potentielles dans les bâtiments, les serres et même les véhicules. Si le procédé est déployé à grande échelle, il pourrait faciliter un compromis courant : sacrifier le chauffage passif pour produire plus d’électricité, ou inversement. Cela ouvre également la voie à une commercialisation prometteuse, explique Aizenberg : « Un composant pouvant être intégré aux puits de lumière ou aux façades et privilégiant naturellement l’électricité lors des pics de chaleur pourrait s’avérer très attractif face à la demande croissante de climatisation sur une planète qui se réchauffe. »