Des panneaux solaires suisses ultrapuissants - Hiperion Project
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PA N O R A M A | É N E R G I E S R E N O U V E L A B L E S
Des panneaux solaires
suisses ultrapuissants
Innovation technologique | Grâce à une technologie hybride alliant concentration
de la lumière directe et exploitation de la lumière diffuse, un nouveau type de
panneaux photovoltaïques permet de collecter jusqu’à 50 % plus d’énergie que les
panneaux actuels. Un concept de modules translucides disposant d’un grand
potentiel d’application, par exemple dans l’« agrivoltaïsme », a aussi été développé.
J. L E V R AT, D. P E T R I , M . D E S P E I S S E , L . C O U LOT, M . AC K E R M A N N
D
epuis le début des années 1990, intégré qui suit la course du soleil, la plus élevé que celui des panneaux usuels,
l’efficacité de conversion des technologie d’Insolight [1] a pu démon- la technologie d’Insolight permet de
panneaux solaires commercia- trer 29 % d’efficacité de rendement en baisser les coûts par kW installé, mais
lisés a considérablement progressé. 2018 [2], posant ainsi un premier jalon aussi d’amortir plus rapidement les
D’environ 11 % au début des années 90, loin devant les technologies standard à émissions de CO2 générées lors de la
elle a presque doublé pour atteindre base de silicium cristallin. fabrication des panneaux par rapport à
près de 20 % aujourd’hui. Toutefois, les une installation standard. Cette créa-
limites physiques et d’implémentation Le projet Helios tion de valeur revêt un intérêt particulier
pratique inhérentes à ces technologies Cette course à l’efficacité est intime- pour les endroits où la surface de toiture
empêchent ces dernières de dépasser la ment liée au coût de l’énergie. Chaque disponible est très limitée ou dans le cas
barre des 25 %, même à long terme. kilowatt de panneau solaire installé va d’immeubles à plusieurs étages.
Pour aller plus loin dans l’efficacité de produire au cours de sa vie une certaine Le projet Innosuisse Helios s’inscrit
Figure ; Sven Almeida, pour Compáz
conversion, un changement de para- quantité d’énergie. Plus cette énergie justement dans ce contexte : augmenter
digme se révèle nécessaire. Si plusieurs est importante, plus le coût de l’électri- l’efficacité de conversion afin de baisser
voies sont envisagées, très peu ont le cité produite sera bas. Les paramètres à le coût de l’énergie. Pour y parvenir, la
potentiel d’être rapidement commer- optimiser dans cet objectif sont multi- start-up Insolight est entrée en contact
cialisées à un coût raisonnable. En ples : la durée de vie de l’installation, le avec le CSEM (Centre suisse d’électro-
convertissant efficacement la compo- coût des matières premières, les frais nique et de microtechnique) afin de
sante directe du rayonnement solaire d’installation, mais aussi la puissance bénéficier de son expertise dans le
grâce à un système de concentration des modules. Avec un rendement 50 % domaine des technologies photovol-
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a b
Assembling the optical glass Mounting the space grade cells
array onto a PV backplane
Glass cover
Optical array
Glass protective Space grade cells
layer and interconnections
Embedded
lenses
Space-grade
solar cells Glass assembly PV backplane
1 mm2
Standard
frame
Final assembly
Mobile back plane:
Horizontal movements of
a few mm per day keep
the cells aligned with
Hexagonal lenses the lights beams
concentrate lights
beams by 200x Standard frame
(45 mm)
Figure 1 Principe de fonctionnement du micro-tracking (a) et description de l’architecture hybride développée dans le cadre du projet Helios (b).
taïques (PV) tant au niveau de la cellule permet également de réduire les coûts. couverture nuageuse. En récoltant
que du module. Comme la technologie Grâce à ce concept, Insolight a déjà pu cette composante, le rendement éner-
envisagée bouleverse les standards de démontrer 29 % de rendement de gétique peut être encore augmenté.
l’industrie, sa mesure ainsi que les défis conversion de puissance avec son archi- Le CSEM a testé plusieurs approches
à relever pour valider sa fiabilité ont tecture initiale. [2] dans l’objectif de convertir efficace-
logiquement amené un troisième parte- ment la lumière diffuse grâce à des cel-
naire suisse dans l’aventure, la Supsi ... sans négliger le rayonnement lules en silicium cristallin. Dans un pre-
(Scuola universitaria professionale diffus mier temps, de petites ouvertures ont
della Svizzera italiana), qui est accrédi- Toutefois, le système de micro-tracking été découpées dans les panneaux en
tée pour délivrer des certificats de ne permet de capter que la composante silicium cristallin de manière à couvrir
conformité et de mesure. Bien sûr, dans directe du spectre solaire. La lumière complètement le plan autour des cel-
le cas présent, le concept même de la diffuse n’est pas focalisée et n’est donc lules à multijonctions. Cette approche
mesure et de la certification était à défi- pas convertie en énergie. C’est là que s’est toutefois révélée inefficace en
nir. Il a donc fallu engager des travaux réside la principale innovation du projet termes de fiabilité. L’approche retenue
de recherche pour y parvenir. Helios. Cette lumière non transformée finalement consiste à assembler les cel-
en électricité représente entre 10 et lules à haut rendement sur un circuit
Exploiter le rayonnement direct... 40 % de l’intensité lumineuse selon la imprimé transparent. Ce dernier est
La technologie développée par Insolight
repose sur le principe du « micro-
tracking » : grâce à des actuateurs méca-
niques, le plan comprenant les cellules
photovoltaïques à haut rendement se
déplace par rapport au plan des lentilles
de manière à ce que le rayonnement
direct du soleil soit en permanence
focalisé sur les cellules PV (figure 1a).
Le principal intérêt de la concentration
réside dans le fait que les cellules à mul-
tijonctions, habituellement réservées
aux applications spatiales en raison de
leur coût, ont des rendements très éle-
vés, typiquement supérieurs à 42 % avec
le facteur de concentration de 200 x uti-
Figures : Insolight
lisé dans ce projet. Un autre avantage : la
surface couverte par ces cellules ne cor- Figure 2 Seconde approche dans laquelle l’utilisation d’un circuit imprimé transparent
respond qu’à une infime partie, 1/200e, permet de séparer les plans des cellules à multijonctions (cellules primaires) et des
de la surface totale du panneau, ce qui cellules en silicium (cellules secondaires).
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a b c Translucent PV modules at 30% record e˛iciency
under direct sunlight produce more electricity
Direct sunlight
Direct sunlight
Di˛use sunlight
Di˛use sunlight
Di˛use sunlight Di˛use sunlight
Natural di˛use sunlight illuminates
the interior of the building with
no shading and no glare
Figure 3 Les modules transparents Theia (a), dont la proportion du rayonnement direct transmis peut être variée en fonction des
besoins, trouvent des applications aussi bien dans le domaine de l’« agrivoltaïque » (b) que dans les gares ou les centres commerciaux (c).
ensuite laminé sur un module en sili- 3 installateurs solaires et 2 entreprises mesurer l’efficacité des modules, ce qui
cium cristallin (figures 1b et 2). L’inté- actives dans le management et la com- n’est pas évident, car ni les outils de
rêt de cette approche réside dans le fait munication. De ce consortium est né le mesures ni les normes n’existent à ce
que les deux niveaux de cellules sont projet européen Hiperion 1), coordonné jour. En effet, un module se comportant
séparés verticalement, ce qui laisse la par le CSEM pour une durée de 4 ans et différemment selon la quantité de
possibilité de substituer aisément disposant d’un budget de 10,6 millions lumière directe et diffuse échappe à
chaque type de cellules par un autre, au d’euros. Le but de l’appel européen tous les standards. C’est pourquoi il est
gré des avancées technologiques. De consistait à accroître la compétitivité prévu d’adresser ces deux probléma-
plus, cette séparation permet de garan- de l’industrie photovoltaïque euro- tiques, soit la mise au point d’un outil de
tir plus facilement la fiabilité de l’en- péenne grâce à des solutions inno-
semble, le panneau cristallin étant vantes. Dans le cadre d’Hiperion, la
encapsulé comme dans un panneau technologie hybride initiée et démon- À propos
standard.
L’approche retenue a néanmoins sou-
trée dans le cadre du projet Helios sera
portée à maturité avec l’objectif final
d’Innosuisse
levé d’importants défis technologiques. de démontrer un potentiel industriel Innosuisse, l’Agence suisse pour
Il a fallu d’abord imprimer avec une très pouvant atteindre 1 GW de capacité l’encouragement de l’innovation,
haute précision un circuit électrique- annuelle. À cette fin, une ligne pilote permet aux entreprises (entreprises
ment très conducteur et résistant à l’hu- de production regroupant des industrielles, PME, start-up, insti-
midité et aux cyclages thermiques (de machines de haute technologie déve- tutions privées ou publiques) et
- 40 °C à + 85 °C). Ensuite, il a été néces- loppées par les partenaires est en train aux chercheurs (hautes écoles et
saire de mettre au point un procédé de d’être mise en place à Neuchâtel. Il est instituts de recherche) de collaborer
fabrication du module entier qui per- prévu d’y fabriquer des panneaux pour développer des produits, des
mette de garantir de très faibles tolé- hybrides qui seront ensuite installés services ou des procédés innovants.
rances sur de grandes distances (infé- dans plusieurs sites européens en Les entreprises obtiennent l’accès
rieures à 50 µ m sur 1 m), faute de quoi France, en Belgique, au Portugal, en au savoir-faire scientifique, tandis
l’efficacité des cellules primaires à Allemagne, en Espagne et en Suisse, que les chercheurs bénéficient
multijonctions serait fortement impac- afin de démontrer une production d’une expertise commerciale et de
tée. Ces deux défis ont pu être résolus énergétique jusqu’à 50 % supérieure la perspective client. Ensemble, ils
dans le cadre du projet Helios, permet- aux modules conventionnels sous dif- peuvent développer et introduire une
tant ainsi la fabrication de dizaines de férents types de climats. nouvelle innovation scientifique sur
modules hybrides, dont certains sont Bien sûr, il reste des défis à relever le marché, dans l’intérêt de l’écono-
actuellement en fonction dans des ins- avant de voir ces modules sur nos toits mie et de la société suisse. Innosuisse
tallations pilotes en Suisse, en Espagne et le projet Hiperion s’y emploie depuis soutient chaque année plus de
et en Allemagne. une année déjà pour chacun d’eux. Il 400 projets d’innovation, notamment
faut d’abord prouver la durabilité de ces dans les domaines de l’énergie, de
D’un projet au suivant modules sur 25 ans avec un recul suffi- l’environnement, de la mobilité et de
L’engouement suscité par cette archi- sant pour réduire le risque lors de l’im- la durabilité. Le projet Helios a, par
tecture hybride a également permis la plémentation de tels produits disrup- exemple, été soutenu par Innosuisse
mise sur pied d’un grand consortium tifs
. Comme ces modules ne pendant 24 mois avec un montant
européen, formé de 16 partenaires ressemblent à aucun autre, cette d’environ 550 000 CHF.
venant de 10 pays et regroupant autour démonstration prend un certain temps,
d’Insolight 4 centres de recherches et chaque composant étant passé au Plus d’informations : www.innosuisse.ch
universités, 6 partenaires industriels, crible. Ensuite, il faut être capable de
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mesure et la mise à jour des standards dans les gares ou les centres commer- Insolight de lever 5 mio. CHF pour sécu-
métrologiques internationaux. Enfin, ciaux (figure 3). riser le développement et la production
pour pouvoir atteindre la mise sur le Le monde agricole manifeste un de ces modules dans un avenir proche.
marché, Hiperion devra démontrer un grand intérêt pour cette technologie :
coût de l’énergie compétitif par rapport celle-ci permet non seulement de pro- Références
aux solutions existantes. duire de l’énergie, mais aussi de réguler [1] Mathieu Ackermann, « La technologie spatiale enfin
à portée de toit », Bulletin SEV/VSE 10/2018, p. 18-20,
la quantité de lumière transmise aux 2018. www.bulletin.ch/de/news-detail/la-technologie-
De nouveaux domaines cultures en défocalisant, ou non, les cel- spatiale-enfin-a-portee-de-toit.html.
d’applications en prime lules primaires selon que l’on souhaite
[2] S. A. Askins, N. Jost, A. F. Aguilar, L. Anglade,
G. Nardin, M. Duchemin, F. Gerlich, M. Ackerman,
En plus de la réalisation des modules optimiser la production d’électricité ou L. Coulot, D. Petri, J. Levrat, A. Faes, J. Cham-
hybrides, l’approche des circuits impri- la culture des plantes. Cette idée, portée
pliaud, M. Despeisse, C. Domínguez Domínguez
and I. Antón Hernández, « Performance of Hybrid
més transparents mise au point dans le dans le projet Helios qui a permis la Micro-Concentrator Module with Integrated Planar
cadre du projet Helios a permis de nou- fabrication des premiers démonstra- Tracking and Diffuse Light Collection », Proc. of the
46th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC),
veaux développements commerciaux teurs sur de grandes surfaces, a induit Chicago, Illinois, 2019. oa.upm.es/57352/.
pour Insolight, en particulier dans le Insolight à imaginer le produit Theia Auteurs
domaine « agrivoltaïque ». En effet, le (Translucency & High Efficiency In Dr Jacques Levrat est project manager au sein du CSEM.
JJ CSEM SA, 2002 Neuchâtel
plan des cellules primaires agit comme Agrivoltaics), dont le but est d’allier un JJ jacques.levrat@csem.ch
un filtre car, dans les conditions de rendement agricole optimal et une pro-
Delphine Petri est ingénieure R&D au CSEM.
fonctionnement idéal, il absorbe l’inté- duction électrique supérieure ou équi- JJ delphine.petri@csem.ch
gralité de la lumière directe, ne laissant valente à des panneaux PV standard, Dr Matthieu Despeisse est chef de secteur au CSEM.
filtrer que la lumière diffuse au plan que ce soit en serre ou en pleine terre. JJ matthieu.despeisse@csem.ch
inférieur. Au lieu de convertir la Aucune autre technologie ne permet- Laurent Coulot est CEO d’Insolight.
lumière transmise, il est possible de tant actuellement de combiner cette JJ Insolight SA, 1024 Ecublens
JJ laurent.coulot@insolight.ch
l’utiliser à une autre fin, pour les flexibilité entre transparence et produc-
cultures agricoles sous serre, en plein tion électrique, ces panneaux suscitent Mathieu Ackermann est CTO d’Insolight.
JJ mathieu.ackermann@insolight.ch
champ ou en toiture, par exemple, ou un vif intérêt auprès des producteurs
encore pour un éclairage naturel diffus agricoles, prêts à les installer dès que
1)
Projet Hiperion, financé par le programme de recherche
et innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (grant
sans ombres et sans éblouissement possible. Cet engouement a permis à agreement n° 857775).
La Haute école d’ingénierie et d’architecture Fribourg, HEIA-FR, offre avec ses six filières un vaste
spectre de formation en ingénierie et en architecture. Elle conduit à travers ses différents instituts et
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• La HEIA-FR adopte une politique de recrutement en faveur de l’égalité des chances
• Renseignements : M. Eric Fragnière, responsable de la filière de génie électrique,
tél. 026 429 69 48
• Entrée en fonction : 1er septembre 2021 ou à convenir
• Dépôt des dossiers : 10 mai 2021
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