Thèse soutenue

Photovoltaïque à concentration : optimisation de l'étage secondaire
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Auteur / Autrice : Sara El-Yahyaoui
Direction : Jean-Paul SalvestriniAli Ahaitouf
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 26/03/2021
Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Sidi Mohamed ben Abdellah (Fès, Maroc)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GTL-CNRS télécom (Metz)
Jury : Président / Présidente : Abdellah Mechaqrane
Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Salvestrini, Ali Ahaitouf, Abdelmajid Jamil, Ossama Merroun, Zakaria Djebbour, Abdallah Ougazzaden, Delphine Wolfersberger
Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelmajid Jamil, Ossama Merroun, Zakaria Djebbour

Résumé

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Le Photovoltaïque à concentration (CPV) est l’un des moyens les plus prometteurs de générer l’énergie propre à des coûts potentiellement très réduits. Son idée consiste principalement à utiliser des éléments optiques pour concentrer les rayons solaires sur des cellules multi-jonctions de petites tailles pour profiter de leurs rendements élevés. Une architecture optique typique pour un concentrateur CPV est formée par : un premier élément optique appelé élément optique primaire qui recueille les rayons directs du soleil, il peut être soit réfractif ou réfléchissant. Et un élément optique secondaire qui reçoit la lumière du primaire et la renvoie à la cellule, l’ajout de cet élément dans un système CPV aide à élargir l’angle d’acceptance et à homogénéiser la distribution de l’irradiance sur la cellule. C’est dans ce contexte que s’inscrit notre travail de recherche qui porte sur le CPV à deux étages à base des lentilles de Fresnel comme POE et de différentes formes géométriques comme secondaire. Nous avons réalisé une étude comparative de quatre concentrateurs à base de la lentille de Fresnel, dédiés aux systèmes photovoltaïques à haute concentration. Ces quatre concentrateurs sont formés de la même lentille de Fresnel comme élément optique primaire et quatre secondaires : CPC, CCPC, pyramide et cône. Quatre matériaux avec des indices de réfraction différents ont été considérés. La lentille a un diamètre d = 350mm et une distance focale f = 265mm. Nos simulations sont effectuées à l’aide du logiciel de traçage de rayons TracePro. Les résultats ont montré que la pyramide était le SOE le plus performant. Pour les tests expérimentaux nous avons conçu des prototypes de petites tailles, une analyse paramétrique a été réalisée pour mettre en évidence les principales performances de l’élément secondaire. Des bancs de mesure ont été montés pour comparer les efficacités optiques et électriques des différents prototypes. Les résultats montrent que les rendements optiques mesurés et les angles d’acceptance des unités CPV étaient très proches de ceux des simulations optiques. La pyramide offre la meilleure efficacité optique (80,81%) et le plus grand angle d’acceptance (2,03°). Les mesures électriques ont également confirmé que la meilleure solution pour l’optique secondaire est la pyramide car elle accorde une puissance et un rendement électriques plus élevés. Les efficacité optique et électrique obtenues sont respectivement 80,81% et 31%, ces résultats correspondent aux meilleures efficacités enregistrées dans la littérature.