Bienergetical optimisation for a multifunctional solar panel : from module to in situ installations

Dans un contexte de lutte contre le réchauffement climatique, le bâtiment est un secteur stratégique du fait de sa forte consommation de chaleur et d’électricité. Le solaire, thermique et photovoltaïque, a de forts atouts pour répondre à cet enjeu avec une compétitivité qui s’accélère. En particulier, le solaire hybride PVT est prometteur avec un double gain : l’extraction de la chaleur sous le module photovoltaïque apporte à la fois un gain de rendement électrique, et un gain de par l’utilisation de cette chaleur pour les besoins du bâtiment. L’état de l’art permet de toucher du doigt la diversité des concepts de solaire hybride, et le PVT plan non survitré à eau a été retenu dans cette thèse. Pour faire face à des problématiques de durabilité et de performance, DualSun a conçu un module hybride avec un échangeur en acier inoxydable directement laminé pendant le process du module photovoltaïque.L’analyse de ces capteurs est faite en Partie I, d’abord avec un modèle 3D de l’échangeur. Ce modèle permet de déterminer des débits minimaux, de quantifier l’intérêt à ne pas isoler les bords du module et de visualiser que la perte de charge pour ce concept est principalement liée aux entrées et sorties du module mais reste tout à fait acceptable. Devant les limitations en termes de périmètre et de temps de calcul de ce modèle 3D, des modèles simplifiés sont proposés et comparés. Les résultats de ces modèles simplifiés corroborent une température de stagnation du concept DualSun de l’ordre de 75°C, ce qui confirme que le design est intrinsèquement résiliant à la surchauffe même en l’absence de besoins. Enfin les performances thermiques sur 9 prototypes avec des variations de composition couche par couche ont confirmé que le modèle est robuste. La puissance thermique(non isolé) est de 758W thermique pour un besoin à 30°C et la puissance photovoltaïque de 250Wc électrique dans des conditions extérieures standards (STC).Une analyse système de ces modules intégrés dans un ensemble complexe est réalisée dans la Partie II. Pour le système dit préchauffage d’eau sanitaire en maison individuelle (CESI), les quatre logiciels PVSyst, PVGis, Polysun, Solo sont comparés au logiciel Trnsys avec les Type 295 et Type 816 qui intègrent les deux modèles simplifiés du module définis dans la partie I. Les modèles physiques de ces logiciels sont cohérents entre eux dans le domaine d’utilisation.Les résultats de ces logiciels utilisés à partir de données statistiques pour la météo et les habitudes de consommation sont comparés à des mesures terrain sur 28 installations CESI hybride chez des particuliers. L’objectif a été de quantifier les erreurs d’estimation des prédictions statistiques par rapport au réel. Si l’écart type sur productible photovoltaïque et les températures maximales atteinte par les modules reliés à l’incertitude sur la météo est faible (environ 10%), l’écart type sur l’estimation du besoin sur la base d’un volume moyen consommé est beaucoup plus forte (de l’ordre de 30%) du fait d’un comportement très irrégulier de consommation chez les particuliers en terme d’heure et de volume de puisage en fonction des jours. Les températures moyennes atteintes au niveau des modules sont supérieures à 45°C pendant la moitié de l’année et permettent un préchauffage effectif du ballon sanitaire. Des couvertures solaires des besoins d’eau chaude de 57-58% sont mesurées près de Lyon.Dans le chauffage d’eau sanitaire collectif en couplage pompe à chaleur (HP+) ou en chauffage piscine (SP), les modèles statistiques permettent une évaluation des productibles du fait d’une stabilité des besoins.En conclusion, le solaire hybride devrait être une technologie clé de la transition énergétique pour les bâtiments dans les années à venir, sa compétitivité avec le vecteur électrique est déjà réelle. La technologie est appelée à évoluer pour réduire ses coûts d’année en année à l’instar du photovoltaïque et renforcer ainsi son positionnement face au gaz.In the context of the fight against climate change, the building is a strategic sector to address because of its high consumption of heat and electricity. Solar energy, both thermal and photovoltaic, has strong assets to meet this challenge and is becoming more and more cost-competitive. In particular, the PVT hybrid solar is a promising solution with a double advantage: the extraction of heat under the photovoltaic module brings both a gain in electrical efficiency, and a gain by generating heat for the needs of the building. The state of the art demonstrates the diversity of solar hybrid technologies, and this thesis specifically addresses the unglazed flat-plate design with water as the heat transfer fluid. To address sustainability and performance issues, the company DualSun designed a PVT hybrid module with a stainless steel heat exchanger directly laminated during the photovoltaic module process.The analysis of the DualSun collector is done in Part I, first with a 3D model of the exchanger. This model makes it possible to determine minimum flows, to quantify the interest not to insulate the edges of the module and to visualize that the pressure drop for this concept is mainly related to the inlets and outlets of the module but remains acceptable. Given the limitations in terms of scope and calculation time of this 3D model, simplified models are proposed and compared. The results of these simplified models corroborate a stagnation temperature of the DualSun concept of around 75°C, which confirms that the design is intrinsically resilient to overheating even in the absence of hot water consumption. Finally, thermal performance on 9 prototypes with layer-by-layer composition variations confirm that the model is robust. The models demonstrate that the 250Wp non-insulated version of the PVT panel has a thermal power output of 758 Wth for hot water needs at 30°C.A system analysis of these modules integrated in a complex system is carried out in Part II. For the preheating Domestic Hot Water system (DHW), four software programs, PVSyst, PVGis, Polysun, Solo are compared to Trnsys with the Type 295 and Type 816, which integrate the two simplified models of the module defined in the section I. The physical models of these software programs are consistent with each other in the field of use.The results of these software programs used from statistical data for the weather and consumption habits are compared to field measurements on 28 DHW (domestic hot water) hybrid installations in private homes. The objective was to quantify the errors of estimation of the statistical predictions with respect to the reality. While the standard deviation of PV output and maximum temperatures reached by the modules related to the uncertainty on the weather is low (about 10%), the standard deviation of estimated hot water needs based on an average consumption is much higher (about 30%) because of irregular consumption behavior in individuals in terms of time and volume depending on the days. The average temperatures reached at the level of the modules are higher than 45°C during half of the year and allow an effective preheating of the sanitary tank. Solar covering of hot water needs of 57-58% are measured near Lyon.For combined solar and heat pump (HP+) systems in multi-dwelling buildings and for pool heating (SP) systems, statistical models allow a reliable evaluation of the energy production because of stable hot water needs.In conclusion, solar hybrid should be a key technology for the energy transition of buildings in the coming years. PVT technology will evolve to reduce costs from year to year as observed with photovoltaic technology and thus strengthen its cost-competitive position against gas as a heat source for homes and buildings