Des revêtements sélectifs innovants améliorent l’efficacité de la technologie de l’énergie solaire à concentration
L’utilisation de capteurs solaires dans le but d’exploiter l’énergie du Soleil remonte à plus de 2 000 ans, quand le scientifique grec Archimède a utilisé la lumière réfléchie du soleil pour mettre le feu à des navires romains. Les systèmes modernes d’énergie solaire à concentration génèrent de la chaleur en utilisant des miroirs pour que la lumière du soleil reçue par une zone étendue soit concentrée sur une zone beaucoup plus petite. La chaleur produite sert ensuite à générer de l’électricité. Grâce à la mise en place de réservoirs de stockage, il est possible de conserver une production d’électricité stable tout au long de la journée. Tours ou miroirs cylindro-paraboliques? Les technologies en matière d’énergie solaire à concentration se déclinent sous différentes formes, notamment les miroirs cylindro-paraboliques et les tours centrales. Les miroirs cylindro-paraboliques sont des systèmes de concentration 1D: le rayonnement solaire incident est concentré sur une petite ligne focale par des miroirs de poursuite à axe simple. Les tours solaires, quant à elles, sont des concentrateurs 3D: leur champ de réflecteurs de poursuite à deux axes permet de récolter un niveau maximum d’énergie solaire, car ces derniers peuvent suivre le soleil verticalement et horizontalement. Par conséquent, «les tours s’avèrent beaucoup plus efficaces que les miroirs cylindro-paraboliques, car leurs rapports de concentration peuvent être 10 fois plus élevés». Les systèmes de tour solaire permettent d’atteindre des températures de travail bien plus élevées qu’avec les miroirs cylindro-paraboliques. Toutefois, il reste encore de nombreux défis technologiques à relever, notamment en ce qui concerne le manque de matériaux absorbants capables de résister à long terme à des températures supérieures ou égales à 550 °C», note le Dr Matthias Krause, coordinateur de FRIENDS2, un projet soutenu par le programme Marie Curie. Contrôler les propriétés radiatives de surface Les revêtements multicouches sélectifs aident à augmenter la température de fonctionnement et l’efficacité des absorbeurs solaires. Ils y parviennent en convertissant une grande partie du rayonnement solaire incident en chaleur et en minimisant l’émissivité dans le domaine spectral thermique et infrarouge. «Les conceptions de matériaux hautement réfléchissants à des longueurs d’ondes plus élevées (rayonnement infrarouge) aident les récepteurs centraux à retenir toute la chaleur absorbée», explique le Dr Krause. Les chercheurs ont effectué des tests cycliques en laboratoire sur certains revêtements multicouches sélectifs pendant plus de 35 jours à 600 °C. L’un des revêtements développés s’est avéré présenter une stabilité de performance à cette température qui contrastait avec celle des matériaux de pointe actuellement utilisés pour les centrales solaires à concentration, qu’elles soient à tour ou à miroirs cylindro-paraboliques, qui ont tendance à se dégrader rapidement. Interrogé sur les autres réalisations importantes du projet, le Dr Krause a évoqué un principe universel permettant de conférer une sélectivité solaire aux surfaces qui offrent une bonne capacité d’absorption mais ne sont pas sélectives. Les travaux correspondants font référence au «vieux» principe des verres thermo. «Lorsque l’oxyde d’étain est dopé au tantale, il devient très conducteur et peut être utilisé comme couche sélective pour transmettre le rayonnement solaire, au-dessus des absorbeurs solaires. Il s’est avéré mécaniquement et thermiquement stable à des températures très élevées. Dans des conditions de vide extrême, il a conservé sa stabilité à 800 °C», note le Dr Krause. Jusqu’à présent, l’oxyde d’indium-étain a été le matériau le plus largement utilisé, mais l’indium coûte cher et l’oxyde n’est pas très stable à des températures aussi élevées. Il est crucial de mettre au point des systèmes d’absorbeurs solaires sélectifs, employant des revêtements stables capables de résister à des températures élevées, aux fins de permettre l’adoption généralisée de centrales solaires à concentration efficaces et fonctionnant à haute température. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour commercialiser ces revêtements. Un des défis à relever consiste à permettre aux absorbeurs solaires de capter des niveaux élevés de lumière solaire tout en maintenant un faible niveau de pertes par rayonnement thermique.
Mots‑clés
FRIENDS2, température, revêtement, absorbeur solaire, énergie solaire à concentration, durabilité, tour solaire, miroir cylindro-parabolique, revêtement multicouche sélectif
