Projet

Le système

Tel que présenté dans le contexte du projet:

  • d’une part, la baisse de température de la source froide affecte le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur;
  • d’autre part, l’augmentation de la température des collecteurs solaires photovoltaïques lors de leur fonctionnement réduit leur rendement de conversion photovoltaïque (PV).

L’objectif du projet consiste à utiliser le collecteur solaire pour augmenter la température de la source froide et améliorer les performances de la pompe à chaleur. Du même coup, la chaleur évacuée du collecteur solaire réduit sa température de fonctionnement et améliore son rendement de conversion PV.Schéma du système

Un nouveau type de collecteur solaire

Au cours des dernières années, l’engouement pour les collecteurs solaires photovoltaïques a fait chuter leurs coûts de fabrication et d’installation. De nombreux efforts ont été réalisés pour améliorer leur intégration aux bâtiments. Il est question de « building integrated photovoltaic solar collector ». Dans ce type d’installation, les collecteurs solaires se marient à l’architecture du bâtiment. Des solutions ont alors été proposées tel que le préchauffage de l’air de ventilation pour valoriser la chaleur parasite produite lors de la conversion photovoltaïque du rayonnement solaire en électricité. Cette idée a donné naissance à un nouveau type de collecteurs solaires qui possèdent une fonction hybride de production d’électricité et de chaleur, les collecteurs solaires photovoltaïques/thermiques (PV/T). De façon générale, un échangeur de chaleur est donc greffé à l’arrière d’un collecteur solaire PV qui sert d’absorbeur solaire. Différents fluides peuvent être utilisés comme fluide caloporteur. L’air et l’eau sont les fluides les plus souvent retenus pour circuler dans l’échangeur de chaleur et refroidir les cellules photovoltaïques. Dans notre cas, c’est directement le réfrigérant de la pompe à chaleur soit du CO2 à l’état diphasique qui circule dans l’échangeur de chaleur. La figure suivante présente le collecteur solaire hybride proposé.

collecteur solaire PVT

Un cadre en aluminium enserre un laminé composé de différentes couches:

  • 1 Verre de 4mm qui protège les cellules et donne de la rigidité;
  • 3 pellicules d’EVA, un plastique qui sert de colle, d’encapsulant et d’isolant électrique;
  • La matrice de cellules de silicium qui produisent l’électricité;
  • 1 feuille de plastique noir qui absorbe le rayonnement solaire incident;
  • 1 tôle d’acier inoxydable qui sert d’ailette pour permettre à la chaleur d’atteindre l’échangeur de chaleur tubulaire en acier inoxydable.

La pompe à chaleur au CO2

Dans le cadre du projet, un prototype de pompe à chaleur au CO2 a été développé afin de tester les performances globales du système. La pompe à chaleur opère selon un cycle transcritique c’est-à-dire que le cycle s’effectue de part et d’autre du point critique du réfrigérant. Les conditions critiques du CO2 sont une température d’environ 31°C et une pression d’environ 7377kPa.

La figure suivante présente le prototype de pompe à chaleur développée.

Le banc d’essai expérimental

Le projet a pour objectif d’évaluer les performances de ce nouveau collecteur solaire et d’explorer les problématiques de fonctionnements associées à l’opération du système. Pour ce faire, un banc d’essai expérimental permettra la comparaison entre 3 versions de ce collecteur solaire hybride. Un collecteur solaire photovoltaïque (PV), un collecteur solaire thermique (T) et un collecteur solaire hybride photovoltaïque/thermique (PV/T). La figure suivante présente le système qui permettra de comparer les collecteurs solaires.

structure de support des collecteurs solaires

D’une part, les collecteurs T et PV/T produisent de la chaleur et sont reliés à la pompe à chaleur. D’autre part, les collecteurs PV et PV/T produisent de l’électricité. Le collecteur solaire PV sert de référence pour la production d’électricité et le collecteur T est utilisé comme référence pour la production thermique.
La figure suivante présente une modélisation en 3D de l’ensemble du banc d’essais installé dans l’Héliolab Michel Trottier sur le toit de l’École de technologie supérieure, Montréal.

 

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