fr.wedoany.com Rapport : Les chercheurs de l'Institut coréen de recherche énergétique (Korea Institute of Energy Research, KIER) ont développé un module photovoltaïque à tuiles pouvant être combiné à un générateur thermoélectrique (TEG), visant à réaliser une récupération efficace de la chaleur résiduelle des systèmes PV-TEG. Cette architecture de module utilise une conception unique de bandes en série pour augmenter la tension de fonctionnement tout en réduisant le courant de sortie, diminuant ainsi les pertes résistives liées au courant et la chaleur Joule dans le TEG, améliorant la stabilité du facteur de remplissage et augmentant finalement l'efficacité d'extraction de puissance du système hybride.
Le TEG utilise l'effet Seebeck, où une différence de température entre deux semi-conducteurs différents génère une différence de tension, convertissant ainsi l'énergie thermique en énergie électrique. Ces dispositifs sont courants dans l'industrie, transformant la chaleur résiduelle en électricité, mais leur coût élevé et leurs performances limitées restreignent leur utilisation plus large. La technologie des cellules à tuiles remplace les interconnexions traditionnelles par des bandes de soudure en connectant directement les bandes de cellules solaires en série, augmentant non seulement la surface active de capture de la lumière, mais réduisant également les contraintes thermiques et mécaniques dans le module, offrant ainsi une meilleure efficacité et fiabilité à long terme par rapport aux méthodes d'interconnexion standard.
Lors de la fabrication du module, l'équipe du KIER a utilisé des cellules solaires PERC fournies par Shinsung Engineering (Corée du Sud) comme matériau de départ. Les cellules ont d'abord été découpées en bandes étroites à l'aide d'un laser infrarouge de 1064 nm, puis séparées mécaniquement. Des modules à tuiles composés de trois, cinq ou sept bandes de cellules ont été fabriqués, avec une surface active de 100 cm² ; tandis que la configuration à quatorze bandes portait la surface du module à 170 cm². Les dimensions des bandes variaient selon la configuration : pour les modules à trois, cinq, sept et quatorze bandes, les dimensions étaient respectivement de 100×38,83 mm, 100×21,70 mm, 100×16,07 mm et 85×16,07 mm. Les bandes adjacentes ont été assemblées en série à l'aide d'un adhésif conducteur CA 3556HF, puis durcies par thermocompression à 180 °C pendant 1 minute pour assurer une liaison solide. Des rubans de soudure photovoltaïques ont été soudés aux extrémités du module pour les contacts électriques externes, et l'ensemble a été encapsulé avec une couche de verre avant, un encapsulant en éthylène-acétate de vinyle (EVA) et une feuille arrière en polyéthylène téréphtalate (PET).
Les éléments thermoélectriques (TE) commerciaux utilisés pour les tests ont été fournis par l'entreprise chinoise Xinrong. Les chercheurs ont fabriqué un réseau TEG de 100 cm² à l'aide de 308 éléments sans substrat, remplis de polymère pour assurer la stabilité mécanique et le transfert thermique. Ce réseau a été réalisé en sérigraphiant de la soudure sur un substrat en polyimide, en effectuant un brasage par refusion et en retirant le substrat pour exposer les électrodes. Le système hybride PV-TEG a été testé dans deux configurations : dans la configuration à deux bornes (2T), le PV et le TEG étaient connectés directement en série avec une seule paire de contacts externes ; dans la configuration à quatre bornes (4T), les deux fonctionnaient indépendamment pour analyser et comparer les pertes résistives en série.
Une plateforme expérimentale personnalisée utilisait un chauffage en treillis de cuivre transparent en haut et un refroidisseur en bas pour appliquer un gradient de température contrôlé, tout en transmettant un rayonnement solaire standard, permettant une caractérisation précise des courbes I-V du PV, du TEG et des dispositifs combinés. Des mesures d'effet Hall et de résistance en fonction du temps ont été utilisées pour évaluer le comportement de transport et la stabilité des éléments TE. Le module PV a été modélisé à l'aide d'une formule à double diode combinée aux équations du générateur thermoélectrique, résolues par transformation basée sur la fonction W de Lambert. En ajustant les données expérimentales au modèle, les chercheurs ont extrait des paramètres clés tels que la résistance effective du TEG et quantifié les pertes de puissance en fonctionnement 2T.
Les résultats de mesure ont montré que la minimisation du courant PV et l'augmentation de la tension réduisaient considérablement l'impact de la résistance du TEG sur les performances, et le module PV à tuiles s'est avéré particulièrement efficace à cet égard. L'analyse thermique a indiqué que le courant généré par le PV provoquait un refroidissement ou un chauffage Peltier ainsi qu'une chaleur Joule dans le TEG, augmentant sa résistance effective au fil du temps. Parallèlement, la corrélation linéaire entre le courant et le gradient de température a confirmé le couplage entre le transport électrique et les échanges thermiques thermoélectriques. Un modèle numérique validé a prédit qu'une conception à faible courant et haute tension pouvait réduire les pertes de puissance à presque zéro. Cette prédiction a été confirmée expérimentalement sur un dispositif de grande surface de 170 cm², qui a atteint des pertes ultra-faibles et une puissance de sortie élevée dans des conditions contrôlées.
Les chercheurs ont conclu que l'utilisation d'un module à tuiles de 14 bandes pour diviser le courant et augmenter la tension sur plusieurs bandes de cellules permettait d'obtenir un module PV à tuiles robuste face à la charge. La taille et les performances de ce système PV-TEG représentent une avancée significative par rapport au plus grand dispositif (68 cm²) et au meilleur rendement (1,15 W) rapportés dans la littérature à ce jour. Les chercheurs ont souligné que, contrairement aux cellules solaires en tandem nécessitant une intégration monolithique complexe et un fractionnement spectral fin, leur PV-TEG implique simplement une connexion directe de composants PV et TEG disponibles dans le commerce, sans aucun processus de fabrication en amont. L'article de recherche intitulé « Load-resilient shingled photovoltaic module for field-scale thermoelectric coupling » a été publié dans la revue Scientific Reports.
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