Un générateur solaire de vapeur innovant
La plupart des centrales électriques, qu’elles soient à charbon, à gaz, à fioul, nucléaires ou solaires génèrent leur électricité en produisant de la vapeur d’eau qui fait tourner des turbines entraînant des génératrices de courant. Dans le cas de l’énergie solaire, la génération de vapeur est obtenue classiquement en chauffant une masse d’eau à une température proche de son point d’ébullition (100°C). Il faut pour cela concentrer la lumière solaire à l’aide d’optiques onéreuses et le rendement du procédé souffre des fortes pertes thermiques dues au liquide chaud lui-même et aux surfaces chauffées. Une nouvelle structure simple et ingénieuse mise au point au Massachusetts Institute of Technology (MIT) à Cambridge, USA, permet, avec une faible concentration optique, de maintenir le liquide avant vaporisation à basse température et d’obtenir la conversion de 85% de la chaleur solaire en vapeur . C’est en localisant la chaleur dans une mince couche poreuse absorbant la lumière que les chercheurs sont arrivés à ce résultat.
Fig.1. a) Schéma du dispositif de localisation de la chaleur ; on a figuré la section transverse de cette structure et la distribution de température par des couleurs allant du bleu clair ( froid) au rouge (température de vaporisation).
b) Cette structure est composée d’une double couche : une mousse de carbone de 10 mm d’épaisseur supportant une couche de graphite exfolié d’environ 5 mm d’épaisseur. Les deux couches sont hydrophiles pour permettre la montée de l’eau en surface. La couche supérieure absorbe le rayonnement solaire, l’inférieure est thermiquement isolante.
c) Photographie de la génération de vapeur par la structure ci-dessus lors d’une insolation de 10 kW/m¬2. Crédit Nature communications.
Le dispositif de localisation de la chaleur
La figure 1 décrit le fonctionnement du dispositif. Sous l’effet de l’illumination solaire, il se forme dans la partie supérieure de la structure un point chaud interne où se produit l’évaporation. Par capillarité le liquide monte vers le point chaud, est vaporisé. Enfin, la vapeur s’échappe. Le système présente dans sa partie supérieure une très forte absorption de la lumière du spectre solaire. La très faible conductivité thermique de sa couche inférieure empêche la conduction de chaleur à partir de la région chaude. Le caractère hydrophile de l’ensemble permet la montée par capillarité du fluide vers la région chaude et sa circulation.
L’efficacité thermique d’un tel dispositif a été mesurée pour des flux variés d’énergie solaire par unité de temps.
On a obtenu une efficacité thermique allant de 64% pour une irradiation solaire de 1 kw/m2 jusqu’à 85% pour un flux de 10kw/m2. Cette dernière valeur correspond à dix fois la valeur moyenne habituelle de l’irradiation solaire par beau temps. Elle s’obtient par une concentration optique de la lumière solaire qu’on peut obtenir de façon peu onéreuse par des systèmes simples d’optique non imageante.
Les traitements des matériaux utilisés
Il fallait obtenir un matériau qui puisse absorber la lumière solaire avec efficacité et générer la vapeur à la surface d’un liquide.
Les flocons de graphite obtenus commercialement sont hydrophobes. En les chauffant dans un four microonde, on les exfolie, un peu comme du « popcorn », ce qui les rend hydrophiles et leur donne des tailles de pores permettant l’échappement aisé de la vapeur. Ce sont les constituants de la couche supérieure du dispositif.
La couche inférieure est constituée de mousse de graphite avec des pores ouverts et fermés. Un nombre suffisant de ces derniers permet à cette couche de flotter à la surface de l’eau et de supporter la précédente. Un traitement avec une solution diluée d’acide nitrique rend sa surface hydrophile. Ce matériau conserve une faible conductivité thermique même quand il est gorgé d’eau .
La figure 2 illustre les propriétés hydrophiles des deux couches.
Fig.2. Différentes formes de graphite placées à la surface de l’eau.
a) Les flocons de graphite d’origine commerciale ont une surface hydrophobe et forment une couche flottante au dessus de l’eau.
b) Après traitement thermique au microonde, les flocons de graphite sont exfoliés et hydrophiles : il se forme alors une fine couche d’eau à leur surface.
c) La mousse de carbone en poudre est hydrophobe et forme aussi une couche de surface.
d) Après traitement à l’acide dilué la mousse est devenue hydrophile. Les forces de capillarité entraînent l’infiltration de l’eau jusqu’à sa surface. Crédit Nature communications.
En résumé, les chercheurs ont obtenu avec ce matériau spongieux une conversion de 85% de la lumière solaire en vapeur en utilisant une intensité de lumière égale à 10 fois celle d’un jour de beau temps. A comparer avec l’intensité de lumière égale à 1000 fois celle d’un jour de beau temps nécessaire aux usines solaires conventionnelles pour produire de la vapeur.
Ils pensent pouvoir encore améliorer ce rendement en jouant sur les types de matériaux utilisés, en particulier en remplaçant la mousse de carbone par un matériau plus isolant.
La production de vapeur d’eau a, outre la génération d’électricité, d’importantes applications pour la désalinisation de l’eau de mer, l’hygiène et la stérilisation. Dans des contrées où le soleil est la seule source d’énergie, ce système peut s’avérer d’un grand intérêt.
Pour en savoir plus :
Solar steam generation by heat localization
Hadi Ghasemi, George Ni, Amy Marie Marconnet, James Loomis, Selcuk Yerci1,
Nenad Miljkovic & Gang Chen
NATURE COMMUNICATIONS | 5:4449 | DOI: 10.1038/ncomms5449
