Conférencier : Nicolas Bonstein (ingénieur suisse spécialiste du solaire)

Ingénieur en électricité, Nicolas Bonstein a un parcours multidisciplinaire dans les technologies, mais aussi la culture, il concentre actuellement ses activités dans l’énergie solaire photovoltaïque. Passionné par le monde dans lequel nous vivons, il ne cesse d’apprendre et aussi de transmettre ses expériences et son vécu.

Au programme de cette conférence :

• Un très bref coup d'œil sur le dernier rapport du GIEC
• Une présentation du système politique Suisse
• Le plan helvétique pour atteindre les objectifs de la COP21 de Paris
• Quelles sont les technologies solaires, aujourd'hui à disposition en Suisse
• Un exemple pratique d'assainissement énergétique dans le bâtiment.

Sous-jacent de cette présentation, c'est le rôle et les responsabilités des ingénieurs dans cette période cruciale qui seront abordés, mais aussi la systématique d'approche pour la résolution et la réalisation d'un projet technologique.

Highly integrated photovoltaic micro-concentrator for space applications

Doctorant : Victor VAREILLES

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : ED160 : Electronique Electrotechnique Automatique

Les applications spatiales requièrent de plus en plus d’énergie électrique pour la propulsion, les constellations de satellites et les missions d’exploration en espace lointain. La micro-concentration photovoltaïque peut être une solution pour fabriquer des générateurs solaires hautement performants en diminuant l’usage des cellules solaires à base de matériaux III-V extrêmement coûteux. Prometteuse, cette technologie doit relever les défis posés par les contraintes de masse et de volume dans l'espace. Cette thèse s'articule autour d'un micro-concentrateur innovant, basé sur un réseau de miroirs hexagonaux intégrés dans un nid d'abeille. Les cellules solaires sont fixées sur un substrat en verre placé sur le réseau optique. Cet assemblage est monolithique, compact et léger.
La première partie détaille l’auto-alignement capillaire nécessaire pour positionner à quelques dizaines de microns plusieurs dizaines de milliers de micro-cellules par mètre carré. Des simulations validées par l’expérience sont effectuées pour déterminer l'influence du volume de liquide, de la taille des récepteurs et du positionnement initial des cellules, permettant d'atteindre une précision inférieure à 30 µm.
La deuxième partie se consacre au comportement mécanique du composite sous contrainte thermique. Un modèle par éléments finis permet de concevoir un micro- concentrateur en limitant sa courbure tout en minimisant sa masse.
Enfin, la troisième partie met en avant les différentes étapes de fabrication du prototype et notamment la réalisation des récepteurs déposés par sérigraphie sur le verre support, l’interconnexion des cellules et leur brasure. Un premier rendement d’un mono-module de 21 % a été obtenu sous une irradiance directe de 903 W/m² à une température ambiante de 13°C. Pour une erreur de positionnement de 50 µm de la cellule par rapport à l’optique, les pertes n’excèdent pas 5 %.
Ce travail peut s’appliquer également aux modules photovoltaïques terrestres à base de composite, et de connectiques électriques spécifiques sur substrat verre.

Refroidissement radiatif des cellules et modules solaires par structuration de surface

Doctorant : Jérémy DUMOULIN

Laboratoire INSA : INL

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Les cellules et modules photovoltaïques s’échauffent considérablement en conditions réelles de fonctionnement, ce qui est néfaste pour leur rendement de conversion et leur durée de vie. L'objectif de cette thèse est d'étudier une stratégie novatrice pour limiter leur échauffement : le refroidissement par échange radiatif avec le ciel. Cette approche consiste à optimiser l'échange radiatif dans les gammes spectrales où il n'y a pas de conversion photovoltaïque, notamment dans le moyen infrarouge pour profiter de la fenêtre de transparence qu'offre l’atmosphère dans la gamme 8-13 µm.
Grâce à des développements théoriques et numériques, le bénéfice théorique que le refroidissement radiatif avec le ciel peut apporter aux dispositifs PV a d'abord été quantifié, et le profil d'émissivité idéal pour les dispositifs photovoltaïques a été déterminé. Les pistes expérimentales prometteuses pour atteindre ce profil ont également été mises en lumière. A l'échelle d'un module en silicium cristallin, il apparaît que les voies les plus engageantes concernent l'ingénierie de l'interface air-verre. A cet égard, une structure optique basée sur une multicouche diélectrique est proposée et analysée. Pour guider d'éventuelles études futures, un ensemble d'outils numériques et méthodologiques pour trouver, concevoir, et quantifier le bénéfice des structures optiques a été développé.
En complément de ces résultats spécifiques au refroidissement radiatif avec le ciel, un modèle opto-électro-thermique est présenté. Ce dernier a pour but de prédire les performances en conditions réelles de fonctionnement directement à partir de la connaissance des matériaux et de l'architecture de la cellule. Nous montrons comment ce modèle d'un nouveau genre permet d'ouvrir de nouvelles voies pour continuer à augmenter la production d'électricité photovoltaïque via une ingénierie plus consciente des effets thermiques.

Depuis cette année, l’INSA Lyon offre la possibilité à ses étudiants de réaliser un stage partagé entre une association et une entreprise. Ghyslain Le Crom, étudiant en 4^e année de génie électrique, est le premier à profiter de ce dispositif. Rencontre.

2018. Ghyslain, élève-ingénieur, s’intéresse dans le cadre de l’association Ingénieurs sans frontières, à trouver des stages différents. « Bien souvent, les entreprises intéressées par nos profils sont des grands groupes. On voulait offrir une plus grande diversité de stage aussi bien au niveau des sujets que des entreprises. Nous avons donc rencontré Béatrice Weill-Bureau, en charge de l'Espace Carrières, qui nous a parlé des stages partagés », se souvient Ghyslain. 

20% en association, 80% en entreprise
Les stages partagés ont été proposés initialement à l’INSA par Vinci, partenaire de la Fondation Groupe INSA, pour permettre aux insaliens de développer leurs compétences au sein d’une entreprise et d’une association. L’élève, rémunéré par l’entreprise, accorde 20% de son temps à une association pour travailler sur un deuxième sujet. « Le contenu pédagogique des deux missions est validé par le responsable de stage du département et doit permettre aux étudiants de développer des compétences d’ingénieur. Il ne doit pas forcément y avoir de lien entre elles, bien que les synergies soient encouragées, comme dans le cas de Ghyslain », précise Béatrice Weill Bureau.

Un contrat gagnant-gagnant
Ghyslain décroche un stage partagé entre Citéos, filiale de Vinci Énergie dans l’éclairage urbain, et Hespul, association qui accompagne justement des projets liés au photovoltaïque et à la transition énergétique. « Une telle expérience me permet de réaliser une mission engagée en rapport avec mes valeurs en associant deux structures. Citéos, expert dans l’éclairage public depuis des années, s’est positionné sur le domaine du photovoltaïque depuis moins de deux ans. Nous avons construit tous ensemble un sujet qui permet de mobiliser les savoir-faire de chacun : ‘Comment injecter de la production d’énergie photovoltaïque dans l’éclairage public ?’ » 

Une découverte de deux environnements
Dimensionnement, amélioration de processus, visite de chantier, calcul de capacité d’accueil, réponse aux appels d’offres… Ces missions ont permis à Ghyslain de développer de solides compétences. « Depuis septembre, je me rends toutes les deux semaines à Hespul pendant deux jours. Ce rythme alterné me permet d’apprendre énormément et d’avoir une vision de structures et modes de fonctionnement différents. J’ai vraiment l’impression de réaliser deux stages en un ! », s’enthousiasme l’étudiant.

Des propositions futures
Fort de ce succès, l’INSA Lyon souhaite déployer ce modèle avec d’autres entreprises et associations. « Côté associations, Handicap International, partenaire de l'INSA, propose des missions telles que le calcul de l’impact environnemental de leurs événements. Habitat et humanisme propose des sujets dans le domaine de l’optimisation énergétique des hébergements. Nous espérons créer de nombreux stages pour les étudiants qui souhaitent s’engager autour des enjeux sociaux et environnementaux ! », conclut Béatrice Weill-Bureau.