Charlotte Vallière, Clémence Hanze, Guilherme Della Mea, Juliana Echenique, Pauline Lagrange
Les problèmes environnementaux causés par l’utilisation des combustibles fossiles comme source d’énergie, conjugués à l’épuisement de ces ressources, ont suscité un intérêt croissant pour les énergies alternatives. Parmi les sources d’énergie renouvelables, l’énergie solaire photovoltaïque connaît une véritable croissance.
Malgré les nombreux avantages liés à l’utilisation des panneaux solaires (faible coût de production de l’énergie, ressource inépuisable…) la production d’énergie photovoltaïque reste confrontée à de nombreuses difficultés. En effet, les panneaux ont une faible efficacité (conversion moyenne de l’énergie solaire en énergie électrique allant de 15 à 30%). Une production d’énergie importante nécessite donc l’utilisation de grandes surfaces. De plus, l’acquisition de panneaux photovoltaïques constitue un investissement financier important pour les particuliers et les habitations ne sont pas forcément toujours adaptées à l’installation de ces dispositifs (poids des panneaux de silicium, mauvaise orientation de la toiture…). En outre, l’aspect esthétique des panneaux est également un obstacle, que ce soit pour les particuliers qui accordent une grande importance à l’aspect de leurs toitures ou pour les pouvoirs publics, qui interdisent l’installation de panneaux dans les bâtiments historiques et classés afin de préserver l’esthétique locale.
En prenant en compte la question de l’esthétique des installations photovoltaïques, de nombreuses entreprises ont investi dans le développement et la production de toits capables de générer de l’énergie solaire tout en conservant l’aspect des toitures traditionnelles. Dans ce contexte, l’idée de « tuiles photovoltaïques » est apparue, avec l’installation de plusieurs panneaux de petites dimensions intégrés aux éléments de la toiture et connectés entre eux. Le défi consiste à rendre les panneaux aussi discrets que possible tout en conservant un rendement maximal.
L’idée est de développer des tuiles photovoltaïques compatibles et adaptées aux toitures actuelles, qui reprennent au maximum l’aspect des tuiles canal en terre cuite rouge. L’aspect esthétique est primordial pour que le système intégré soit le plus discret possible.
Les matériaux qui pourraient être utilisés afin de recouvrir les cellules photovoltaïques (figure 1) doivent répondre aux critères suivants : conserver une transmission lumineuse maximale, être résistants aux conditions extérieures (pluie, vent, grêle…) et satisfaire aux critères esthétiques. Ils doivent donc être imperméables et résistants aux chocs, ne pas se dégrader au cours du temps, et ne pas être sensibles aux agents dégradants de l’atmosphère (bonne résistance chimique). De plus, le matériau ne doit pas être trop cher car la tuile doit pouvoir être produite à l’échelle industrielle.
Le problème technique posé par ce projet réside dans le fait que la coloration d’un matériau suppose une absorption de la lumière, donc une moins bonne transmission de celle-ci vers la cellule photovoltaïque et, par conséquent, un rendement plus faible. En effet, les techniques de coloration traditionnellement utilisées atténuent les propriétés optiques des matériaux en les rendant plus opaques. De plus, il est nécessaire que la coloration du matériau soit uniforme et résistante dans le temps.
Figure 1 : Schéma de la structure d’une tuile photovoltaïque
Le choix du matériau s’est porté sur le PMMA (poly(méthacrylate de méthyle), Figure 2) car il présente les propriétés suivantes :
- Propriétés optiques excellentes (indice de réfraction de 1,49)
- Haute transparence et fini brillant
- Rigidité et stabilité dimensionnelle
- Dureté et résistance aux rayures
- Excellente résistance aux rayons solaires (rayonnement ultraviolet) et au vieillissement par les intempéries
Figure 2 : formule chimique du PMMA
Un autre axe de recherche du projet était la création de microstructures à la surface d’un polymère transparent tel que le PMMA. Ces microstructures permettent de laisser passer la lumière vers les cellules photovoltaïques tout en donnant l’impression que la surface est entièrement colorée (plus la structure est fine plus l’observateur a l’impression que la coloration est uniforme). La piste que nous avons explorée est l’impression 3D de cette microstructure (détaillée sur les figures 3 et 4).
Cependant, cette méthode comporte un inconvénient non négligeable. En effet, une partie de la lumière solaire est réfléchie et perdue du fait de la présence de la microstructure.
Figures 3 et 4 : principe de la création d’une microstructure à la surface d’une plaque polymérique
Les figures suivantes représentent nos prototypes réalisés par impression 3D. Ces derniers ont été réalisés avec les deux polymères disponibles au laboratoire, l’un étant blanc et l’autre gris. Ces prototypes démontrent la faisabilité de telles pièces en impression 3D. Le rendu correspond parfaitement à nos attentes et l’effet trompe l’oeil attendu est bien obtenu, comme le montre la figure 6.
Figure 5 : vue latérale du prototype creusé
Figure 6 : vue frontale du prototype avec une pente d’environ 25°, démontrant l’effet désiré.
Concernant l’étude de la coloration du PMMA, Dans un premier temps, nous avons effectué un test optique sur la plaque de PMMA transparente non teintée afin d’obtenir son spectre de transmission UV-visible-IR. Ce test a été réalisé à l’aide d’un spectromètre UV-Visible-IR disponible dans les laboratoires de l’école.
Dans un second temps, nous avons réalisé la coloration des plaques de PMMA. La technique utilisée est la coloration par trempage à l’aide des teintures liquides concentrées. Nous avions à notre disposition deux colorations rouge et brune fournies par la société TCN (Techniques Chimiques Nouvelles). La méthode consiste à diluer un volume de teinture dans 5 à 10 volumes d’eau chauffée entre 60°C et 90°C. La pièce à teindre est plongée dans le bain de 30 secondes à 5 minutes. Plus le temps de trempage est long, plus la teinture sera intense.
Nous avions à notre disposition des plaques de PMMA d’une épaisseur de 4 mm qui ont été découpées pour donner des morceaux de 5×10 cm. Nous avons décidé de faire différents mélanges de colorants mais aussi de faire varier le temps de trempage afin d’imiter au mieux la couleur brique souhaitée.
Des exemples de coloration de plaques de PMMA sont donnés dans les figures 7 et 8 où différents temps de trempe ont été testés.
On remarque par exemple que le choix du temps de trempage est important vis-à-vis de l’aspect visuel des plaques (couleur plus ou moins foncée). En particulier pour les tuiles du midi de la France, les toitures sont souvent constituées de tuiles de couleurs proches mais différentes : dans ce cas, un assortiment de temps de trempage pourra être utilisé. Néanmoins, comme attendu, la coloration des plaques réduit la transmission des tuiles dans le domaine d’utilisation du spectre solaire par le silicium photovoltaïque, situé en dessous de 1100 nm. Cette perte est estimée entre 25 et 40 % selon l’intensité de la coloration obtenue.
Figure 7 : Série 4, 6,5 mL de rouge + 6,5 mL de brun, temps de trempe décroissant de A à C. La plaque 4D a été colorée d’un seul côté.
Figure 8 : Spectres de transmission des plaques de la figure 7.
Texte écrit par Pascal Loiseau d’après le rapport PIG des étudiants.