Les scientifiques affirment que les systèmes photovoltaïques associés au refroidissement thermoélectrique peuvent atteindre une période de récupération de 6 ans.

Une équipe de chercheurs de l'Université centrale de technologie d'Afrique du Sud a développé un module solaire qui intègre un système de refroidissement basé sur un refroidisseur thermoélectrique (TEC).

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 crée une tension entre les deux substances. Ces appareils sont généralement utilisés dans les applications industrielles pour convertir la chaleur excédentaire en électricité. Cependant, en raison de leur coût élevé et de leur puissance limitée, ils n’ont pas encore pu être utilisés à grande échelle.

"Le système PV-TEC proposé dans cette étude se compose d'un panneau photovoltaïque avec un dispositif TEC fixé à l'arrière, un dissipateur thermique fixé du côté opposé 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. Une fonction d'optimisation a également été définie pour maximiser les performances, en essayant de maintenir une température cible entre 23 C et 27 C lorsque la température de la cellule dépasse 25 C. Le panneau photovoltaïque utilisé dans la simulation avait une puissance de sortie de 100 W, soit un rendement de 17,8 %. et une taille de 20 200 cm3. Le TEC avait un courant maximum 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.

« Les données météorologiques de Bloemfontein, dans l'État libre, en Afrique du Sud, ont été utilisées pour le scénario étudié », ont indiqué les chercheurs. "L'ensemble de données spécifique comprend l'irradiation globale horizontale diffuse, diffuse normale et horizontale, ainsi que les valeurs de température ambiante décrivant 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 d'hiver, et ses performances ont été comparées à celles d'un panneau photovoltaïque de référence sans TEC ni dissipateur thermique. Dans les conditions hivernales simulées, la température des cellules n’a jamais dépassé 25 °C, le TEC n’était donc pas actif.   Par conséquent, une température maximale de 22,9 °C, une puissance de sortie constante de 86,9 W et une production d'énergie totale de 363,47 Wh ont été mesurées à la fois dans le PV-TEC et dans le cas de référence.

En été, cependant, le TEC a été utilisé et a permis au panneau d'atteindre une puissance de pointe 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, tandis que le PV-TEC ne dépassait pas 25 C. Une efficacité énergétique de 603,60 Wh a été atteinte dans le cas TEC, contre 547,65 Wh dans le cas de référence. "Les résultats de notre modèle proposé montrent une amélioration significative de la production d'énergie, en particulier de 9,27 % en été", soulignent les scientifiques.

Sur la base de ces résultats, les chercheurs ont effectué une analyse économique avec une durée de vie supposée de 20 ans pour le PV et le PV-TEC et une augmentation annuelle du prix de l'électricité de 10 % et un taux d'intérêt de 6 %. Alors que le prix initial du module solaire de 100 W à lui seul était estimé à 1 235 ZAR (66,9 $), le coût total du cas PV-TEC était de 1 562,77 ZAR.

« Le seuil de rentabilité est atteint relativement tôt pendant la durée de vie opérationnelle du projet. Pour être précis, cela se produit à 6,5 ans », ont conclu les scientifiques. "L'analyse économique a également montré des économies de coûts de 2 905,61 ZAR, ce qui correspond à une économie de 10,56 pour cent sur la durée de vie totale du projet de 20 ans."