Le Capteur Hybride Photovoltaique-Thermique : Caractérisation Dynamique Ing. Wael Boulares Laboratoire des Procédés Thermiques Centre de Recherches et des Technologies de l Energie Borj Cedria, Tunisie wael.ener@gmail.com Pr. Slah Ben Mabrouk Laboratoire des Procédés Thermiques Centre de Recherches et des Technologies de l Energie Borj Cedria, Tunisie salah.benmabrouk@crten.rnrt.tn Résumé Dans ce travail, on se propose de caractériser un capteur hybride photovoltaïque-thermique et ceci dans le but de tirer les performances énergétiques et les différentes grandeurs associées au système. Durant les expérimentations, nous avons défini les grandeurs thermiques telles que la température, le rayonnement solaire et la quantité de chaleur captée ainsi que les grandeurs électriques tels que le courant, la tension et la puissance générée. Enfin nous avons conclu les avantages de l usage des capteurs hybrides. Mots Clés température; ensoleillement;rendement; puissance; intensité ; tension. I. INTRODUCTION Le capteur hybride photovoltaïque-thermique présente l association d un module photovoltaïque pour la production d électricité et d un capteur thermique à air pour la production de chaleur par un courant d air. Le module thermique à air permet de refroidir la surface arrière des cellules photovoltaïques et de chauffer l air qui circule dans le canal. Lors de son écoulement, l air prélève une quantité de chaleur de la paroi chaude qui sert à refroidir le module photovoltaïque et augmente son rendement. Figure2 : Variation de la température ambiante La figure suivante regroupe les variations des températures dans différents points du capteur (entré, sortie, vitre et l absorbeur). II. LE CAPTEUR SOLAIRE THERMIQUE A. Tests et mesures : Nous allons étudier la variation de l ensoleillement et la température ambiante pendant une journée ensoleillée en présence de passages nuageux. Figure3: Variation des températures Figure1: Variation de l ensoleillement
climat, mais à partir de 10h :15, le débit de sortie devient supérieur à celui de l entrée ce qui entraine une augmentation au niveau du rendement du capteur, aussi on constate que les allures des vitesses d air à l entrée et à la sortie sont identiques. * On constate que le rendement varie entre 40 % et 60 %, ceci est dû à la variation de l ensoleillement et de la vitesse à la sortie du capteur, mais même pour une journée avec des passages nuageux, le rendement est important, sa valeur moyenne au cours du test est de l ordre de 48 %. III. LE CAPTEUR PHOTOVOLTAIQUE Figure 4: Variation des vitesses de l air A. Tests et mesures: Dans cette partie nous allons étudier un module photovoltaïque en faisant différents tests et mesures pour mettre en valeur l influence de l éclairement et de la température sur la variation du rendement. Figure 5 : Rendement du capteur thermique B. Interprétations: * L évolution d ensoleillement présente deux phases : l une est croissante et l autre est décroissante. La première phase commence de 08h27 à 11h42 pour atteindre un éclairement qui dépasse 1200 w/m², la deuxième commence de 12h et correspond à une diminution progressive, dans cette deuxième phase on constate qu il y a des pics dues au passage des nuages. * Pendant la durée de <<09h18 à 14h33>>, la température ambiante dépasse 20 C et reste fixée au voisinage de 21 C. * Pour l évolution des températures (d entrée, de sortie, de l absorbeur et du vitre), l air ambiant est chauffé au contact avec l absorbeur, ce dernier, sa température dépasse 60 C à 08h :27 et décroit jusqu à 40 C à cause d un passage nuageux et augmente jusqu à 50 C à 11h :45. L absorbeur transmet cette chaleur par convection à travers l air circulant. On constate que les températures de sortie et de l absorbeur restent proches au cours des tests ce qui implique qu au cours du passage de l air chaud entre l absorbeur et la sortie du capteur la chute de température est négligeable, d où les pertes sont aussi négligeables. La température de sortie est supérieure à celle d entrée, la différence est supérieure à 25 C à 11h :25. * On constate que pendant la période <<08h :45 à 10h :05>> la courbe de variation de la vitesse d air à l entrée du capteur est au-dessus de celle à la sortie à cause des perturbations du Figure 6 : Influence de l ensoleillement sur la courbe couranttension à une température ambiante de 23 C Figure7 : Influence de la température ambiante sur la courbe courant-tension
Figure8 : Variation du rendement électrique du capteur avec la température de la cellule photovoltaïque Figure10 : Variation de la température ambiante B. Interprétations: * Lorsque l éclairement augmente, les courant-tension augmentent et inversement. On constate que la variation du courant en fonction de l éclairement solaire est plus importante que la variation de la tension. * On constate que la variation de tension délivrée et la température sont inversement proportionnelles, d où la tension devient plus importante lorsque la température est faible, par contre la variation du courant est négligeable * On constate que le rendement varie au cours du temps avec la température de la cellule. La hausse de température des cellules correspond à une baisse du rendement. IV. LE CAPTEUR HYBRIDE Dans cette partie nous allons effectuer des mesures simultanées sur un capteur hybride qui comprend un module thermique ainsi qu un module photovoltaïque. Figure11 : Variations des températures (entrée, fluide, sortie) A. Partie thermique: 1) Tests et mesures : Figure 12 : variation des vitesses d air (entrée, sortie) Figure 9: Variation de l ensoleillement
B. Partie photovoltaique : 1) Tests et mesures : Figure 13 :variation du rendement thermique 2) Interprétations: * L éclairement solaire évolue en deux phases : une phase est croissante et l autre est décroissante. La première phase commence de 09h :50 à 12h :00 pour atteindre une valeur de l ordre de 1000 W/m² à 11h20, la deuxième commence de 12h10 à 15h10 et correspond à une diminution progressive d ensoleillement. * La température ambiante est proportionnelle à l ensoleillement, elle varie entre 27 C et 28 C. * On constate que la température de sortie au cours du test évolue de 50 C à 53 C, les deux courbes (Ts et Tf) sont presque confondues, ce qui implique que les pertes thermiques dans ce capteur sont faible. La température d entrée du fluide évolue en deux phases, la première est croissante, commence de 10h :00 et 11h40 pour atteindre une valeur de 38 C à 11h20, la deuxième commence de 12h10 à 14h40, constante en une valeur de l ordre de 30 C. * Les deux vitesses d air sont proportionnelles, aucours de ce test, la valeur de la vitesse à la sortie du capteur varie entre 0.6m/s et 1m/s. * Le rendement thermique de ce capteur varie au cours du temps entre 30 % et 80 %, ceci est du essentiellement à la variation de la vitesse d air à la sortie du capteur, mais on remarque dans la plupart du temps que le rendement est de l ordre de 63 %. Figure14 : caractéristique courant-tension pour un ensoleillement G= 889 W/m² Figure15 : caractéristique puissance-tension pour un ensoleillement G= 996.995 W/m² 2) Interprétations : * On peut déterminer à partir de la courbe courant-tension les valeurs de Icc, Voc, Iopt et Vopt : Icc= 6A Voc= 18.88 V Iopt= 5A Vopt= 11V * On constate que la courbe puissance tension présente une allure gaussienne, cette caractéristique évolue en deux phases : la première est croissante, elle commence de 10 W (correspond à V= 1.5 V) jusqu à atteindre une valeur de l ordre de 80W (correspond à V= 17 V), la deuxième décroit de 79 W jusqu à atteindre 50W, cette diminution au niveau de la puissance est due à la décroissance de l ensoleillement.
V. CONCLUSION La combinaison du module thermique avec un capteur photovoltaique améliore son rendement thermique, ceci est expliqué par la valeur de la température de sortie qui est confondue à celle du fluide et aussi par la variation importante entre la température d air à la sortie et celle à l entrée. On peut conclure que ce type de capteur récupère l énergie calorifique de façon acceptable et qui servira à chauffer l air pour des activités de séchage agricole, chauffage de l habitat, etc De plus, le module thermique sert à refroidir les cellules photovoltaiques, d où l amélioration du rendement électrique du capteur. REFERENCES [1] A. Royne, C.J. Dey, D. R. Mills, Cooling of photovoltaic cells under concentrated illumination: a critical review, Solar Energy Materials and Solar Cells, 86, 451-483, 2005. [2] D.B Tuckerman, R.F.W. Pease, High-Performance Heat Sinking for VLSI, IEEE Electron Device Letters, Vol.EDL2, N 5, 1981. [3] S.H. Chong, K.T. Ooi, T.N. Wong, Optimisation of single and double layer counter flow microchannel heat sinks, Applied Thermal Engineering, 22, 1569-1585, 2002. [4] D. Y. Lee, K.Vafai, Comparative analysis of jet impingement and microchannel cooling for high heat flux applications, International Journal of Heat Transfer, 42, 1555-1568, 1999. [5] N. Zuckerman, N.Lior, Impingement Heat Transfer : Correlations and Numerical Modeling, Journal of Heat Transfer, 127, 544-522, 2005.