Systèmes photovoltaïques thermiques (PVT) pour la production combinée de chaleur et d'électricité : technologies et mise en œuvre

Résumé : La technologie solaire photovoltaïque thermique (TPV) récupère la chaleur résiduelle des panneaux photovoltaïques tout en produisant de l'électricité. Cette technologie permet non seulement de combiner la production de chaleur et d'électricité solaires, mais aussi de réduire la température des panneaux, améliorant ainsi le rendement de la production d'électricité. Cette technologie, notamment associée à un stockage saisonnier de la chaleur résiduelle à basse température, est très prometteuse pour les applications futures.

La technologie de production d'énergie photovoltaïque est très mature et largement utilisée, offrant des applications prometteuses. Cependant, son rendement n'est que d'environ 20 %, ce qui entraîne une perte importante d'énergie solaire dans l'environnement.

Sans production photovoltaïque, toute la chaleur solaire est perdue dans l'environnement. En comparaison, un rendement de 20 % est suffisant. Les panneaux photovoltaïques ont également pour effet de concentrer la chaleur, atteignant des températures allant jusqu'à 50 ou 60 °C. Cette concentration de chaleur réduit le rendement de la production d'électricité photovoltaïque, raccourcit sa durée de vie et nuit aux panneaux. De plus, une chaleur dissipée dans l'environnement de manière incontrôlée est peu propice à sa réutilisation.

Les sources d'énergie bas carbone sont rares dans des domaines comme le chauffage. La production de chaleur nécessite la consommation d'énergie primaire, ce qui est très énergivore, coûteux et génère d'importantes émissions de carbone. La réutilisation de la chaleur collectée par les panneaux photovoltaïques peut réduire leur usure, améliorer l'efficacité de la production d'électricité et fournir une source de chaleur zéro carbone, offrant des applications prometteuses. Avec la multiplication des projets photovoltaïques, cette quantité de chaleur est également considérable.

La technologie solaire photovoltaïque thermique (PVT) récupère la chaleur résiduelle de la production d’énergie photovoltaïque, obtenant ainsi une production combinée de chaleur et d’électricité solaire.

Le PVT se compose de deux éléments : des modules photovoltaïques et des dissipateurs thermiques. Les modules PV sont de technologie conventionnelle, comprenant du verre photovoltaïque, un film EVA, des cellules solaires et une feuille arrière. Les dissipateurs thermiques sont constitués d'une couche absorbante, de tubes de transfert thermique et de matériaux isolants. Ces deux éléments sont assemblés, puis les composants externes, tels que le cadre et le boîtier de jonction, sont installés pour former le PVT.

Les systèmes PVT sont disponibles en deux types : refroidis par liquide et refroidis par air. Le refroidissement par liquide utilise généralement de l'eau comme liquide de refroidissement, mais un antigel peut également être utilisé dans les régions froides. Leur structure est illustrée dans la figure ci-dessus. Le refroidissement par air utilise un gaz, généralement de l'air, comme illustré dans la figure ci-dessous. Ces deux produits ont des applications différentes.

Les PVT refroidis par air disposent de canaux de refroidissement plus larges et la température de sortie est régulée par le débit de gaz. L'air chaud généré est surchauffé, ce qui permet deux utilisations : comme source de chaleur directe pour le séchage de produits tels que les produits agricoles et alimentaires qui ne se prêtent pas au séchage à haute température ; ou comme source de chaleur basse température dans une pompe à chaleur aérothermique, générant ainsi de la chaleur haute température.

Le canal de refroidissement du PVT refroidi par eau est généralement un tube fin. Pour assurer le refroidissement de toute la surface de la plaque, le tube de transfert thermique doit être étroitement intégré à la plaque de transfert thermique afin d'optimiser la récupération de chaleur. La température de sortie de l'eau du PVT refroidi par eau est basse et difficile à utiliser directement. Il est généralement nécessaire de l'utiliser en association avec une pompe à chaleur.

Systèmes de panneaux PVT avec pompes à chaleur

En général, les scénarios d’application courants de la technologie PVT sont les suivants :

(1) Procédé de séchage : le PVT refroidi par air génère de l'air surchauffé afin d'éliminer l'humidité du produit séché. La basse température de l'air de séchage n'affecte pas la qualité. Ce procédé est généralement utilisé pour le séchage des cultures et des aliments, ainsi que pour d'autres applications exigeant une qualité élevée.

(2) Chauffage distribué : la pompe à chaleur PVT+ est utilisée pour générer de l'eau chaude pour le chauffage, l'eau chaude sanitaire, etc. Par rapport à la voie conventionnelle de la pompe à chaleur à air, la plage d'optimisation des paramètres du processus PVT+pompe à chaleur est large et l'économie est très bonne.

(3) Chauffage centralisé intersaisonnier : Il s’agit d’un scénario d’application à grande échelle de la technologie PVT à l’avenir. Elle est particulièrement adaptée aux applications nécessitant un encombrement important, comme le chauffage rural. Les systèmes de chauffage ruraux produisent peu de chaleur résiduelle exploitable ; l’utilisation directe de pompes à chaleur aérothermiques consomme donc une énergie importante. Exploitant les vastes étendues rurales, les systèmes PVT sur les toits peuvent capter la lumière du soleil, tandis que des canalisations souterraines stockent la chaleur dans le sol pendant l’intersaison. Les pompes à chaleur peuvent ensuite utiliser la chaleur géothermique pour le chauffage en hiver. Cela permet de stocker la chaleur résiduelle à basse température au fil des saisons, ce qui augmente la température de la pompe à chaleur et réduit considérablement les coûts d’exploitation.

En résumé, la technologie PVT, amélioration économique de la technologie photovoltaïque, constitue un puissant complément à la technologie solaire photovoltaïque. Si des méthodes appropriées de valorisation de la chaleur résiduelle sont disponibles, telles que le séchage, la production d'eau chaude sanitaire ou le chauffage intersaison, la technologie PVT peut améliorer considérablement l'efficacité du système, réduire les coûts d'exploitation et offre des perspectives de développement prometteuses.