Modélisation et mesures expérimentales sur un collecteur solaire hybride PV/T couplé à une pompe à chaleur au CO2

Résumé

De façon générale, les recherches sur l’énergie solaire sont justifiées par les problématiques environnementales et socioéconomiques issues de la prépondérance du trio fossile dans le mix énergétique mondial. Le Québec possède toutefois des particularités qui le distinguent au niveau énergétique tel que la disponibilité d’énergie électrique non polluante d’origine hydraulique. Le présent projet porte sur une meilleure utilisation de cette électricité par le couplage d’une pompe à chaleur au CO2 avec des collecteurs solaires photovoltaïques/thermiques. En effet, les pompes à chaleur sont plus efficaces que les plinths électriques typiquement employées pour le chauffage résidentiel au Québec. De plus, le CO2 fait partie des réfrigérants naturels qui possèdent un potentiel de réchauffement climatique inférieur à celui des réfrigérants typiquement utilisés dans les pompes à chaleur. Ses avantages environnementaux le rendent donc moins vulnérable au durcissement de la réglementation. Au cours de ce projet, un banc d’essai permettant la comparaison de trois types de collecteurs solaires a été développé. De plus, ce banc d’essai comporte une pompe à chaleur transcritique au CO2 qui utilise les collecteurs solaires comme évaporateur à expansion directe. La chaleur extraite des collecteurs solaires est rejetée dans la boucle d’eau mitigée de l’École de technologie supérieure de Montréal alors que les collecteurs solaires sont installés sur le toit. Dans un premier temps, un modèle détaillé d’absorbeur solaire est proposé. Il tient en compte les aspects thermique, électrique et optique. Ce modèle s’accorde très bien avec les mesures expérimentales réalisées sur le banc d’essai. Il permet de modéliser de façon détaillée l’absorbeur solaire des trois collecteurs intégrés au montage expérimental. Ce modèle a été validé expérimentalement à l’aide de mesures prises durant une journée ensoleillée. Au niveau thermique, une différence inférieure à 2 [°C] est obtenue sur la mesure de température en un point de la plaque. De même, la distribution de température en 2-D a été comparée à une photo de l’absorbeur solaire prise à l’aide d’une caméra thermique. Finalement, au niveau photovoltaïque, la puissance électrique mesurée diffère des résultats numériques d’au plus 7 [%]. La différence s’explique entre autres à cause d’un problème d’ombrage causé par un autre montage expérimental installé à proximité sur la toiture. Par la suite, un modèle semi-transitoire d’un réservoir de stockage d’eau chaude intégrant un échangeur hélicoïdal noyé est présenté. Du CO2 à l’état supercritique circule dans l’échangeur et la stratification thermique sur la hauteur du réservoir est prise en compte. Le réservoir sert de refroidisseur de gaz pour une pompe à chaleur transcritique au CO2 et les résultats de l’opération du réservoir sont présentés dans deux modes de fonctionnement différents. Ils incluent le champ de température au long de l’axe vertical du réservoir ainsi que l’évolution des différentes variables (pression, température, vitesse, etc.) au long de l’échangeur CO2 pour différents pas de temps. Le modèle de stratification thermique du réservoir a été validé à travers une comparaison avec le Type 534 du logiciel TRNSYS alors que le modèle d’écoulement de CO2 a été comparé à des résultats expérimentaux issus de la littérature. Ensuite, le modèle d’écoulement du CO2 dans un tube est intégré au modèle d’absorbeur solaire de façon à modéliser l’ensemble des performances thermiques et électriques de l’évaporateur solaire. Des résultats numériques en régime permanent sont présentés selon quatre scenarios qui dépendent à la fois du refroidissement du module photovoltaïque et de son mode d’opération électrique. L’évaporateur solaire est alternativement connecté à une résistance électrique fixe ou à un système permettant d’extraire le maximum de puissance électrique. La distribution de température en 2-D de l’absorbeur solaire, l’évolution des variables du CO2 au long du tube (pression, température, vitesse, etc.) ainsi que le point d’opération électrique sont alors comparés pour les différents scénarios. Refroidir le collecteur solaire permet de récupérer plus de 1 [kW] thermique en réduisant du même coup la température des cellules photovoltaïques de plus de 25 [°C]. Parallèlement, la production électrique du collecteur solaire augmente et dépasse la puissance maximale obtenue dans les conditions de reference de la norme internationale IEC 60904-3. De façon plus générale, le rendement combine regroupant la production électrique et thermique du collecteur solaire a atteint 72,3 [%] dans les conditions de simulation. Ces trois contributions innovantes et originales ont été reconnues comme telles par la communauté scientifique internationale comme le démontre la rapide publication des résultats dans des revues à haut facteur d’impact et ce avant même la soutenance de cette thèse. En définitive, la présente thèse s’est intéressée au développement d’outils numériques pour la simulation d’un évaporateur solaire hybride photovoltaïque/thermique et d’un réservoir de stockage de la chaleur utilisé comme refroidisseur de gaz. Ces éléments sont essentiels au développement d’une pompe à chaleur au CO2 qui pourrait être utilisée comme système de chauffage résidentiel. Parallèlement, un système incluant la pompe à chaleur et les collecteurs solaires a été conçu, fabriqué, instrumenté et mis en service.

Date	24 août 2019
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Daniel Rousse (Directeur(-trice)), Louis Lamarche (Codirecteur(-trice)) & Hakim Nesreddine (Codirecteur(-trice))