Un module PV combiné à un dispositif de refroidissement thermoélectrique pourrait être amorti en 6 ans

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D’après pv magazine International

Un groupe de chercheurs de la Central University of Technology d’Afrique du Sud a conçu un module solaire intégrant un système de refroidissement reposant sur un refroidisseur thermoélectrique (TEC). Le système a été présenté dans « Enhancing photovoltaic operation system efficiency and cost-effectiveness through optimal control of thermoelectric cooling », publié dans Solar Energy Materials and Solar Cells.

Les TEC peuvent convertir la chaleur en électricité grâce à « l’effet Seebeck », qui se produit lorsqu’une différence de température entre deux semi-conducteurs différents produit une tension entre les deux substances. Ces dispositifs sont couramment utilisés dans les applications industrielles pour convertir l’excès de chaleur en électricité. Toutefois, leur coût élevé et leurs performances limitées ont jusqu’à présent freiné leur adoption à plus grande échelle.

« Le système PV-TEC proposé dans cette étude comprend un panneau photovoltaïque intégré à un dispositif TEC, fixé sur sa face arrière, un dissipateur thermique interconnecté avec la face opposée du dispositif thermoélectrique et un mécanisme de commutation, expliquent les scientifiques. Le TEC est alimenté par le panneau photovoltaïque qu’il est censé refroidir.

Le groupe a effectué une simulation numérique pour évaluer les performances du système. En outre, une fonction d’optimisation a été définie pour maximiser le rendement tout en essayant de maintenir une température cible comprise entre 23 et 27 °C lorsque la température de la cellule dépasse 25 °C. Le panneau photovoltaïque utilisé dans la simulation avait une puissance de 100 W, un rendement de 17,8 % et une taille de 20 200 cm3. Le TEC avait un courant maximal de 6,1 A, une tension maximale de 17,2 V et une taille de 6,08 cm3. Le dissipateur thermique avait une résistance thermique de 2,6 C/W et une taille de 39,2 cm3.

« Le scénario envisagé implique l’utilisation de données météorologiques obtenues à Bloemfontein, Free State, Afrique du Sud, ont déclaré les chercheurs. L’ensemble de données spécifique comprend l’irradiation horizontale diffuse, l’irradiation normale diffuse et l’irradiation horizontale globale, ainsi que les valeurs de la température ambiante, délimitant une journée d’hiver typique le 17 juillet 2021 et une journée d’été le 17 janvier 2021. » Le fonctionnement du système a été analysé pour une journée d’été et une journée d’hiver et ses performances ont été comparées à celles d’un panneau photovoltaïque de référence sans TEC ni dissipateur de chaleur. Dans les conditions hivernales simulées, la température de la cellule n’a jamais dépassé 25 °C, de sorte que le TEC n’était pas actif. Par conséquent, dans le cas du panneau PV-TEC et dans le cas de référence, la température maximale a été enregistrée à 22,9 °C, la puissance de sortie constante était de 86,9 W et la production totale d’énergie s’élevait à 363,47 Wh.

Dans le cas de l’été, cependant, le TEC est entré en action et a permis au panneau d’atteindre une puissance maximale de 104,1 W, contre 94,4 W dans le cas de référence. La température maximale dans le cas de référence était de 36,1 °C, alors que le PV-TEC n’a pas dépassé les 25 °C. Dans le cas du TEC, il a atteint une production d’énergie de 603,60 Wh, contre 547,65 Wh dans le cas de référence. « Les résultats de notre modèle proposé ont démontré une amélioration substantielle de la puissance de sortie, en particulier de 9,27 % pendant l’été », ont souligné les universitaires.

Sur la base de ces résultats, les chercheurs ont procédé à une analyse économique en supposant une durée de vie de 20 ans pour le PV et le PV-TEC, ainsi qu’une augmentation annuelle de 10 % des prix de l’électricité et un taux d’intérêt de 6 %. Alors que le prix initial du panneau solaire de 100 W était estimé à 1 235 ZAR (60,5 euros), le coût total de la technologie PV-TEC s’élevait à 1 562,77 ZAR (77 euros).

« Le seuil de rentabilité se manifeste relativement tôt au cours de la durée de vie opérationnelle du projet. Pour être précis, il apparaît au bout de 6,5 ans, concluent les scientifiques. L’analyse économique a permis de réaliser une économie de 2 905,61 ZAR (142 euros), ce qui représente une économie de 10,56 % sur la durée de vie du projet pendant 20 ans ».

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