Les collecteurs solaires hybrides PV/T

Les collecteurs solaires hybrides PV/T

Un collecteur solaire hybride photovoltaïque/thermique (PV/T) est un collecteur solaire dont les cellules photovoltaïques servent d’absorbeur solaire. Elles convertissent le rayonnement solaire en chaleur en plus de produire de l’électricité. De cette façon, ce type de collecteur produit simultanément de la chaleur et de l’électricité (Zondag, 2008). Puisqu’environ 90 [%] du rayonnement solaire incident sur les cellules photovoltaïques de silicium cristallin est absorbé et que le rendement de conversion électrique est d’environ 15 [%], il existe un potentiel de production de chaleur d’environ 75 [%] de l’énergie incidente du soleil (Dupeyrat, Ménézo et Fortuin, 2014).

Les collecteurs solaires PV

Il existe deux types de collecteurs solaires PV, les modules peuvent être encapsulés entre deux lames de verre , ou encore laminés en utilisant un matériau blanc réfléchissant à l’arrière du module .

Un module PV est formé de plusieurs matériaux assemblés sous vide où toutes les couches sont solidaires les unes des autres. La lame de verre apporte le support mécanique nécessaire en plus de protéger les cellules des conditions météo. L’EVA est un copolymère composé d’éthylène/vinyle/acétate, un plastique transparent et souple qui isole électriquement les cellules et sert de colle. Dans le cas des collecteurs laminés, l’arrière du collecteur est habituellement composé d’une feuille à base de polyfluorure de vinyle (PVF). On réfère généralement à cette feuille sous le nom de « Tedlar » qui est une marque de commerce déposée. Un cadre en aluminium incluant un scellant peut ou non entourer les modules afin de faciliter le montage (Krauter, 2007) et protéger les collecteurs durant le transport. Les collecteurs laminés sont mieux adaptés pour une utilisation hybride PV/T. La feuille arrière typiquement de couleur blanche peut alors être remplacée par une feuille de couleur noire afin de favoriser l’absorption solaire .

Les échangeurs de chaleur

Différents types d’échangeurs de chaleur sont utilisés dans les collecteurs solaires en général. L’échangeur est fixé à l’arrière de l’absorbeur qui convertit le rayonnement solaire en chaleur. Fortuin et Stryi-Hipp (2012) présentent différentes géométries d’échangeurs dont les plus populaires en forme de harpe ou de serpentin.

La géométrie en forme de harpe a l’avantage de causer peu de pertes de charge, mais il est difficile d’obtenir un débit uniforme dans toutes les branches du collecteur. Il existe alors des points chauds sur l’absorbeur solaire qui augmentent localement les pertes thermiques et réduisent les performances globales. Dans le cas de la géométrie en forme de serpentin, le débit est uniforme. Toutefois, cette géométrie cause plus de pertes de charge que sa contrepartie en forme de harpe (Fortuin et Stryi-Hipp, 2012).

Dans les collecteurs solaires hybrides PV/T, un problème majeur est associé au contact thermique entre l’échangeur de chaleur et l’absorbeur solaire composé du collecteur solaire photovoltaïque tel que mentionné par (Dupeyrat et al., 2011a). Le procédé de fabrication des collecteurs solaires PV nécessite une surface plane afin de laminer les cellules solaires. Ainsi, si l’échangeur implique des tubes ,il faut les fixer sur la face arrière une fois le collecteur fabriqué. Le défi consiste à ne pas endommager le collecteur tout en obtenant un bon contact thermique.

La couverture vitrée

Dans le cas des collecteurs solaires hybrides PV/T, il est possible de distancer la couverture vitrée de l’encapsulation des cellules photovoltaïques (EVA + cellules PV) ou même d’en ajouter une supplémentaire. Les performances thermiques du collecteur solaire sont ainsi majorées par l’ajout d’une lame d’air augmentant la résistance thermique entre le milieu ambiant et les cellules PV qui augmentent en température à mesure qu’elles absorbent l’énergie solaire. On passe alors d’une géométrie sans couverture vitrée (« unglazed ») à une géométrie avec couverture vitrée (« glazed »).

Toutefois, selon Dupeyrat et al. (2010) les fonctions photovoltaïque et thermique ne sont pas tout à fait complémentaires et plusieurs défis restent à relever afin d’intégrer les 2 technologies en un même produit. Ainsi, si la couverture vitrée du collecteur solaire PV est distancée de l’encapsulation d’EVA qui entoure les cellules photovoltaïques, l’efficacité optique du collecteur diminue dû à l’ajout d’un milieu d’indice de réfraction différent (la lame d’air). L’amélioration des performances thermiques du collecteur solaire hybride PV/T se fait donc dans une certaine mesure au détriment des performances électriques à travers l’augmentation des pertes optiques. Il faut aussi veiller à ne pas faire surchauffer le collecteur solaire durant les épisodes de stagnation (lorsque le débit de fluide caloporteur est nul) ce qui pourrait endommager les connexions électriques si la température augmente trop.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE CRITIQUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Les collecteurs solaires hybrides PV/T
1.1.1 Les collecteurs solaires PV
1.1.2 Les échangeurs de chaleur
1.1.3 La couverture vitrée
1.1.4 La cellule PV
1.1.5 Le fluide caloporteur
1.1.6 Le prototype de collecteur solaire développé
1.2 Les pompes à chaleur
1.2.1 Les particularités des systèmes au CO2
1.2.2 Le prototype de pompe à chaleur développé
1.2.3 Le modèle de compresseur
1.2.4 Le modèle d’échangeur de chaleur intermédiaire
CHAPITRE 2 A 2-D TRANSIENT NUMERICAL HEAT TRANSFER MODEL OF THE SOLAR ABSORBER PLATE TO IMPROVE PV/T SOLAR COLLECTOR SYSTEMS
2.1 Abstract
2.2 Nomenclature
2.3 Introduction
2.3.1 Context
2.3.2 The project
2.4 Mathematical models
2.4.1 Thermal model
2.4.2 Optical model
2.4.3 Electrical model
2.4.4 Multi-physics model
2.5 Discretization details
2.5.1 Domain discretization
2.5.2 Discretization equations
2.5.3 Solution of the discretization equations
2.5.4 Solution algorithm
2.6 Experimental setup description
2.7 Validation and results
2.7.1 The solar thermal absorber plate
2.7.2 The standard PV plate
2.7.3 The thermally enhanced PV plate
2.7.4 Temperature distribution
2.8 Conclusion
2.9 Acknowledgments
2.10 References
2.11 Appendix A
2.12 Appendix B
CHAPITRE 3 ONE-DIMENSIONAL MODEL OF A STRATIFIED THERMAL STORAGE TANK WITH SUPERCRITICAL COILED HEAT EXCHANGER
3.1 Abstract
3.2 Nomenclature
3.3 Introduction
3.3.1 Context
3.3.2 The project
3.3.3 Heat transfer in supercritical state
3.4 Storage tank geometry
3.5 Mathematical model
3.5.1 Tank
3.5.2 Domestic cold water heat exchanger
3.5.3 CO2 heat exchanger
3.5.4 Thermal loss
3.6 Solution method
3.7 TRNSYS comparison
3.8 Supercritical heat exchanger comparison
3.9 Thermal stratification results using the CO2 heat exchanger
3.10 Simulation results under the nominal operating conditions
3.11 Conclusion
3.12 Acknowledgments
3.13 References
3.14 Appendix A
3.15 Appendix B: Solution algorithms
3.16 Appendix C: Time step dependency analysis of selected results
CHAPITRE 4 A HYBRID PV/T SOLAR EVAPORATOR USING CO2: NUMERICAL HEAT TRANSFER MODEL AND SIMULATION RESULTS
4.1 Abstract
4.2 Nomenclature
4.3 Introduction
4.3.1 Context
4.3.2 Contribution of this work
4.3.3 Literature review
4.4 Mathematical models
4.4.1 Solar absorber plate model
4.4.2 Two-phase flow model
4.4.3 Coupling model
4.4.4 Angular temperature variation of the pipe
4.4.5 Global solution algorithm
4.5 Results
4.5.1 Validation
4.5.2 Steady state numerical results of the evaporator
4.5.2.1 Overall performance
4.5.2.2 Temperature field
4.5.2.3 Electrical performance of the solar absorber plate
4.5.2.4 Flow variables along the tube
4.5.2.5 Evolution in the P-h diagram
4.6 Conclusion
4.7 Acknowledgments
4.8 References
CONCLUSION