Capteur solaire photovoltaïque thermique hybride

Les capteurs solaires hybrides photovoltaïques, parfois appelés systèmes PV / T hybrides ou PVT, sont des systèmes qui convertissent le rayonnement solaire en énergie thermique et électrique. Ces systèmes combinent une cellule solaire, qui convertit la lumière solaire en électricité, avec un capteur solaire thermique, qui capture l’énergie restante et élimine la chaleur perdue du module PV. et donc être plus efficace en énergie que le solaire photovoltaïque (PV) ou le solaire thermique seul. Un nombre important de recherches ont été consacrées au développement de la technologie PVT depuis les années 1970.

Les cellules photovoltaïques souffrent d’une baisse d’efficacité avec l’augmentation de la température due à une résistance accrue. De tels systèmes peuvent être conçus pour éloigner la chaleur des cellules PV, refroidissant ainsi les cellules et améliorant ainsi leur efficacité en réduisant la résistance. Bien que cette méthode soit efficace, elle entraîne une sous-performance du composant thermique par rapport à un capteur solaire thermique.

Des principes
Les éléments photovoltaïques (cellules PV, généralement en silicium dopé) transforment la lumière solaire (domaine visible) en différence de potentiel et en courant électrique, tandis que la partie capteur thermique (absorbeur ou « concentrateur » …) récupère l’énergie calorifique transmise par le soleil rayonnement infrarouge généralement perdu sous forme de chaleur dispersée par le panneau) via un fluide caloporteur (air ou eau / glycol, injecté par une pompe dont le fonctionnement est alimenté en électricité).

L’électricité produite peut être utilisée localement immédiatement ou après stockage (batterie), ou être injectée dans le réseau électrique (revente / rachat).

La chaleur produite peut être connectée à toute installation thermique classique, utilisée pour chauffer ou préchauffer de l’air ou de l’eau domestique (eau chaude sanitaire, piscine, …), une unité de séchage, …

Types de système
Un certain nombre de collecteurs PV / T de différentes catégories sont disponibles dans le commerce et peuvent être répartis dans les catégories suivantes:

Collecteur de liquide PV / T
Collecteur d’air PV / T
PV / Ta collecteur de liquide et d’air
Concentrateur PV / T (CPVT)

Collecteur de liquide PV / T
La conception de base refroidie à l’eau utilise un canal pour diriger l’écoulement de fluide en utilisant la tuyauterie de divers matériaux ou plaques attachés à l’arrière d’un module PV. La disposition de l’écoulement de fluide à travers l’élément de refroidissement déterminera les systèmes auxquels les panneaux conviennent le mieux.

Dans un système standard à base de fluide, un fluide de travail, généralement de l’eau, du glycol ou de l’huile minérale, passe ensuite dans ces tuyaux ou dans ces refroidisseurs à plaques. La chaleur des cellules photovoltaïques est conduite à travers le métal et absorbée par le fluide de travail (en supposant que le fluide de travail est plus froid que la température de fonctionnement des cellules). Dans les systèmes en boucle fermée, cette chaleur est soit évacuée (pour la refroidir), soit transférée dans un échangeur de chaleur, où elle est acheminée vers son application. Dans les systèmes en boucle ouverte, cette chaleur est utilisée ou épuisée avant que le fluide ne retourne aux cellules PV. Il est également possible de disperser des nanoparticules dans le liquide pour créer un filtre liquide pour les applications PV / T. L’avantage de base de ce type de configuration fractionnée est que le capteur thermique et le collecteur photovoltaïque peuvent fonctionner à différentes températures.

Collecteur d’air PV / T
La conception de base à refroidissement par air utilise un boîtier métallique creux et conducteur pour monter les panneaux photovoltaïques (PV). Les panneaux émettent de la chaleur dans l’espace clos, où l’air circule dans un système de CVC du bâtiment pour récupérer l’énergie calorifique, ou s’élève et s’échappe par le haut de la structure.

Bien que le transfert d’énergie vers l’air ne soit pas aussi efficace qu’un collecteur de liquide, l’infrastructure requise a un coût et une complexité moindres; essentiellement une boîte en métal peu profonde. Le placement des panneaux photovoltaïques peut être vertical ou incliné.

Concentrateur PV / T (CPVT)
Un système de concentrateur a l’avantage de réduire la quantité de cellules photovoltaïques (PV) nécessaires, de sorte que des cellules photovoltaïques à jonctions multiples, plus chères et plus efficaces, permettent de maximiser le rapport entre la puissance électrique de grande valeur et la valeur thermique inférieure. Puissance. Une des principales limites des systèmes à concentrateur élevé (HCPV et HCPVT) est qu’ils conservent leur avantage sur les collecteurs conventionnels c-Si / mc-Si uniquement dans les régions qui restent systématiquement exemptes de contaminants atmosphériques (nuages ​​légers, smog, etc. ). La performance du système de concentrateur est particulièrement dégradée car 1) le rayonnement est réfléchi et diffusé en dehors du petit angle d’acceptation (souvent inférieur à 1 ° -2 °) de l’optique de collecte, et 2) l’absorption de composants spécifiques du spectre solaire séries de jonctions dans les cellules MJ à sous-performer.

Les systèmes concentrateurs nécessitent également des systèmes de contrôle fiables pour suivre avec précision le soleil et protéger les cellules PV des conditions de surchauffe préjudiciables. Dans des conditions idéales, environ 75% de la puissance solaire directement incidente sur de tels systèmes peuvent être collectés sous forme d’électricité et de chaleur. Pour plus de détails, voir la discussion du CPVT dans l’article sur le photovoltaïque concentré.

Structure d’un collecteur PVT
Comme mentionné, un collecteur PVT est une association d’un collecteur photovoltaïque et d’un échangeur de chaleur. Le collecteur photovoltaïque est presque toujours du type vitré, afin de réduire les pertes de chaleur.

Collecteurs avec une chambre à air avant
Ils exploitent l’effet de serre. Ils sont utilisés presque exclusivement pour l’échange de chaleur avec l’air.

Collecteurs sans chambre à air
Le type le plus commun Ici, l’échange thermique est effectué à l’arrière du collecteur photovoltaïque; il s’agit d’une structure obligatoire dans le cas du refroidissement par liquide, car l’échangeur masquerait les cellules photovoltaïques et aurait en tout cas l’avantage d’une position arrière des conduites d’alimentation et d’extraction du fluide, ce qui poserait des problèmes d’ombrage.

Collecteurs de liquide
Par rapport à un collecteur PV normal, dans un collecteur de liquide, il y a un échangeur de chaleur et son isolation. Cet échangeur peut être de formes diverses; dans les cas les plus fréquents, il est constitué de tubes de cuivre adhérents, de technologies diverses, sur la feuille de fond ou, plus efficacement, d’un échangeur à rouleaux d’aluminium permettant une meilleure transmission de la chaleur. L’échange thermique avec le collecteur de liquide est très efficace pour refroidir les cellules photovoltaïques, augmentant ainsi leur rendement.

Collecteurs de concentration
En abandonnant l’utilisation des cellules au silicium et en introduisant la technologie des couches minces, il est possible de concevoir un panneau hybride qui détecte l’utilisation de la concentration solaire. Une application intéressante voit la présence d’un concentrateur CPC (du concentrateur anglais parabolique anglais) dans le feu dont un tube est placé sur la surface latérale duquel est placé un film de cellules à couche mince (par exemple CIS ou CIGS). Cette configuration permet d’obtenir des rendements plus élevés de cellules photovoltaïques (grâce à la concentration) mais également une évacuation de la chaleur plus efficace (puisque la cellule entière est en contact avec le fluide caloporteur).

Installation
L’installation de panneaux PV-T comprend:

comme tout panneau solaire, panneaux de fixation (généralement sur le toit)
comme tout panneau photovoltaïque, l’installation de câbles électriques et d’équipements en aval (onduleur, …),
comme tout panneau thermique, un circuit de ventilation, s’il est refroidi par air, ou un circuit hydraulique avec un accumulateur d’eau chaude (si le panneau PV-T est directement connecté à un système d’eau chaude disponible au robinet (et pas uniquement au chauffage)), il est obligatoire de raccorder, à la sortie du stock, un mitigeur thermostatique de sécurité, de sorte que l’on ne puisse pas le brûler avec de l’eau trop chaude.

Système de trading
Plusieurs constructeurs français proposent des panneaux hybrides: DualSun, Sillia (avec absorbeur de cuivre), ABCD Intl, ainsi que Cogen’air (refroidissement par air) et Systovi.

Avantages
L’efficacité énergétique globale est nettement supérieure à celle des panneaux photovoltaïques (12-20%), principalement en raison de la composante thermique (qui valorise également l’irradiation IR non exploitée dans le seul PV – 46% du total).

De plus, la capture thermique a deux effets favorables sur la production d’électricité:

Les cellules photovoltaïques fonctionnent mieux. En effet, leur couleur sombre parce qu’ils se réchauffent au soleil ou leur efficacité énergétique diminue avec la chaleur, surtout au-dessus de 45 ° C. Dans un panneau PV-T, le capteur thermique capte les calories solaires qui refroidissent les cellules la production en particulier lors des pics d’insolation. La chaleur est injectée dans un accumulateur (circuit fermé eau / glycol en général) grâce au courant produit par les cellules photovoltaïques; cela améliore considérablement la production d’électricité (environ 15% en région parisienne selon les fabricants).

Le refroidissement permanent des panneaux améliore leur durée de vie et leur efficacité (augmentation du COP des pompes à chaleur lorsqu’une pompe à chaleur est associée).

Ces avantages sont particulièrement évidents pour les panneaux en position centrale sur un toit.

Le coût égal de l’installation d’un panneau hybride est réduit par rapport à celui d’un panneau solaire photovoltaïque et d’un panneau solaire thermique.

Un panneau PV-T hybride peut fonctionner plus rapidement en cas de neige (ou de givre ou de brouillard) qui l’occulte: il est possible de l’éliminer en faisant circuler le fluide caloporteur dans la direction opposée. Le panneau PV-T participe également par temps chaud pour réduire la chaleur dans le grenier de la maison, en refroidissant le toit.