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Qu'est-ce qu'un concentrateur solaire luminescent?

Un concentrateur solaire luminescent (LSC) est un dispositif capable d'absorber et de concentrer la lumière du soleil pour la production d'énergie électrique. Les concentrateurs solaires luminescents captent le rayonnement solaire sur une grande surface. Par la suite, ils convertissent ce rayonnement en luminescence et le dirigent vers une cible plus petite.

Qu'est-ce qu'un concentrateur solaire luminescent?

L'acronyme LSC vient de l'anglais Luminiscent Solar Concentrator.

Les panneaux LSC sont moins chers que les panneaux photovoltaïques classiques. En fait, ils sont constitués de plaques de plastique ou de verre sur lesquelles se déposent les molécules luminescentes.

La technologie de cette forme d' énergie renouvelable est connue depuis les années 1960, mais a été progressivement abandonnée en raison du faible rendement et des difficultés de production de colorants appropriés.

Comment fonctionne un concentrateur solaire luminescent?

Les concentrateurs solaires luminescents LSC sont des plaques photographiques actives transparentes capables d'absorber la lumière d'un large spectre de rayonnement solaire.

Ces éléments utilisent des colorants luminescents spéciaux capables de capter la lumière et de l'émettre à l'intérieur de la plaque. Le rayonnement est ensuite transporté vers les bords par réflexions successives à l'intérieur de la plaque. Sur les bords des panneaux se trouvent des cellules photovoltaïques qui transforment la lumière du soleil en électricité.

Le système de concentration présente de nombreux avantages. La surchauffe des cellules de silicium est réduite, conduisant souvent à une efficacité réduite et à une perte d'énergie sous forme de chaleur.

De plus, en passant à travers les panneaux solaires, le rayonnement incident est converti en longueurs d'onde qui maximisent l'efficacité des cellules.

Avantages des concentrateurs solaires luminescents (LSC)

Parmi les avantages des concentrateurs solaires luminescents figurent:

  • Ils permettent de déplacer la région de rayonnement à ondes courtes du spectre solaire vers une plage de longueurs d'onde plus longue. Dans cette plage, l'efficacité de conversion des cellules solaires est plus élevée.

  • Obtenez une concentration optique élevée de lumière solaire dans les appareils fixes grâce à la capacité de capturer non seulement la lumière directe, mais également la lumière diffuse.

  • Empêche les cellules solaires de surchauffer.

  • L'utilisation du LSC en combinaison avec un système solairephotovoltaïque pour la production d' énergie électrique augmentera l'efficacité globale.

  • En raison de l'utilisation de cellules photovoltaïques de petite surface dans la conception de tels systèmes, il est possible d'utiliser les cellules solaires les plus efficaces et les plus chères. Les cellules solaires sont ce qui convertit l'énergie lumineuse en électricité.

Inconvénients des concentrateurs solaires luminescents (LSC)

En revanche, ces concentrateurs présentent certains inconvénients:

Le "cône de perte" exerce une influence assez importante sur le rendement de la structure à travers laquelle une partie de la lumière réémise quitte le volume du guide d'onde et ne peut plus être utilisée pour la conversion en énergie électrique.

Pour réduire les pertes au sein du guide d'ondes, il est nécessaire d'abaisser l'angle critique en augmentant son indice de réfraction. Cependant, dans ce cas, la perte due à la réflexion de la lumière solaire augmente en raison d'une augmentation de l'angle critique externe. La solution à ce problème est possible en appliquant un revêtement avec un indice de réfraction intermédiaire à l'interface air-guide d'ondes, en conséquence de quoi les pertes dues à la réflexion et au rayonnement émis par le guide d'ondes vont diminuer.

La perte résultant de la réabsorption de la lumière réémise par un luminophore est inextricablement liée au "cône de perte". Lors du déplacement du rayonnement le long du guide d'ondes vers les extrêmes, il peut être réabsorbé et réémis. La luminescence étant quasi isotrope, une partie du rayonnement est à nouveau perdue à travers le "cône de perte". Ceci est dû à la superposition des régions d'excitation et de luminescence; par conséquent, il est nécessaire de sélectionner un luminophore avec le plus grand décalage de Stokes possible.

Utilisation et applications des appareils solaires LSC

Les structures constituées de LSC et de systèmes photovoltaïques peuvent être intégrées dans les infrastructures urbaines grâce à l'utilisation de surfaces artificielles existantes. Ces structures peuvent être, par exemple, des structures de bâtiment translucides, telles que des fenêtres, des vitraux, des corniches.

L'introduction de ces systèmes dans les appareils électroniques mobiles et les tissus (par exemple les sacs à dos) est prometteuse. Le coût d'une structure constituée d'un concentrateur solaire luminescent, en combinaison avec une cellule solaire, sera inférieur au coût d'une cellule solaire pure d'efficacité similaire. Cela est dû au fait que dans le premier cas, la surface du panneau photovoltaïque sera moindre.

Quels matériaux sont utilisés pour la construction d'un concentrateur solaire luminescent?

Des plastiques, du verre ou des solvants organiques entre les feuilles de plastique ou de verre peuvent être utilisés comme matériau de matrice LSC. Les matériaux polymères sont les mieux adaptés à ces fins en raison de leurs propriétés optiques et opérationnelles, ainsi que de leur fabricabilité. A ces fins, le polyméthacrylate de méthyle et le polystyrène sont le plus souvent utilisés.

Les colorants organiques, composés d'ions métalliques rares et de points quantiques, dont les premiers sont les plus largement utilisés en raison de leur rendement quantique élevé, de leur facilité d'utilisation et de leur faible coût, peuvent agir comme un matériau luminescent.

Sa concentration pour un fonctionnement efficace ne dépasse pas 1% de la masse, ce qui a un effet positif sur le coût de la structure. 

Conclusions

L'énergie solaire moderne présente un nombre suffisant de problèmes non résolus, tels que:

  • Le coût élevé des cellules solaires

  • Le faible rendement de conversion des cellules solaires, qui ne peut être augmenté par les méthodes traditionnelles sans coûts importants,

  • L'écart entre la sensibilité spectrale des convertisseurs photovoltaïques avec le spectre de la lumière solaire et le volume des plus efficaces.

Chacun de ces problèmes peut être résolu séparément en améliorant les technologies existantes. Cette approche prend du temps et est coûteuse pour les matériaux, ce qui rend difficile le développement de l'énergie solaire car les réserves traditionnelles de combustibles fossiles sont réduites. Par conséquent, un concentrateur solaire luminescent peut être une bonne solution à envisager.

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Date de publication : 16 mars 2021
Dernier examen : 16 mars 2021