Les systèmes de refroidissement et réutilisation de la chaleur fatale issue des panneaux photovoltaïques 

Silicium polycristallin

Lors du refroidissement du silicium, il y a formation de plusieurs cristaux qui seront ensuite découpés pour former des cellules photovoltaïques contenant plusieurs cristaux. C’est la cellule qui offre le meilleur rapport qualité/prix. L’efficacité électrique de ces cellules est en moyenne de 15 %. Le rendement record en laboratoire est de 19,8 %.

Silicium monocristallin

Lors de son refroidissement, le silicium forme un seul gros cristal qui sera ensuite découpé pour former des cellules photovoltaïques avec un seul gros cristal à l’intérieur. Afin d’obtenir un arrangement parfait des cristaux, un bloc de silicium précristallisé à la manière souhaitée est introduit dans le volume de silicium en fusion. Ensuite, le silicium va cristalliser autour de ce bloc en gardant le même arrangement cristallin (méthode de Czochralski). Ainsi, les atomes sont arrangés parfaitement au sein de la cellule. Ce qui lui confère une efficacité électrique un peu supérieure à celle des cellules polycristallines, elle est en moyenne de 19 % et les valeurs sont comprises entre 12 et 20 %. Le record en laboratoire est de 24,7 %. (Petibon (61))
Le prix de ces cellules est plus élevé que les polycristallines car le silicium doit être très pur et l’énergie nécessaire à leur fabrication est plus élevée.
Les cellules à base de silicium poly ou monocristallin ont une surface de 210 mm x 210 mm et une épaisseur de centaines de micromètres (en moyenne 200 micromètres).

Silicium amorphe en couche mince

Lorsque le silicium se transforme, il produit un gaz et ce gaz est projeté sur une feuille de verre et cela forme des cellules de silicium amorphe en couche mince. Les atomes sont organisés de façon aléatoire sur la surface, ce qui lui donne des propriétés semi-conductrices assez faibles. L’efficacité électrique de ces cellules est comprise entre 7 et 10 %.
L’épaisseur de ces cellules est de l’ordre du micromètre alors que l’épaisseur des cellules crystallines est de l’ordre d’une centaine de micromètres. Elles sont utilisées lorsque la puissance électrique demandée est faible, par exemple pour les montres ou les calculatrices solaires.
Les cellules en couches minces gardent une bonne efficacité électrique sous un rayonnement diffus (temps nuageux) alors que les cellules cristallines sont plus efficaces lorsqu’elles sont soumises à un rayonnement direct.
De plus, il existe d’autres types de cellules photovoltaïques à couches minces qui ne sont pas basées sur le silicium. Par exemple les cellules CIS (cuivre-indium-sélénium) sont composées de matériaux qui sont plus faciles à extraire que le silicium et l’efficacité électrique de ces cellules est légèrement supérieure : de 9 à 11 %.
Sur le schéma précédent, Eg représente l’énergie du « gap » des matériaux semi-conducteurs bleu, vert et rouge.
Une cellule multi-jonctions permet d’exploiter l’énergie d’un plus grand nombre de photons et de conserver une grande tension aux bornes de la cellule. Les photons doivent traverser en premier le matériau avec le plus grand « gap » puis des matériaux avec des « gaps » de plus en plus faibles. Ainsi, une plus grande partie du spectre solaire peut être exploitée et les rendements sont significativement supérieurs aux cellules à une seule jonction. Des rendements de plus de 40 % ont déjà été observés et une cellule à triple jonction peut atteindre des rendements de plus de 30 %.
Le frein au développement de ces cellules est pour l’instant leur coût très supérieur aux cellules à une seule jonction à base de silicium.

Les cellules non-silicium

Le tellure de cadmium et les alliages cuivre-indium / gallium-sélénium sont les matériaux semi-conducteurs les plus répandus après le silicium. Ils sont mieux adaptés que le silicium à l’application en couches minces et ils permettent d’obtenir des rendements de 19,9 % en laboratoire et de 12 % pour les modules commerciaux.
Pour conclure, les différentes cellules photovoltaïques vues précédemment ont des caractéristiques différentes et des rendements différents mais elles trouvent toutes leurs applications dans la production d’électricité. Cependant, nous pouvons relever une différence qui nous intéressera par la suite, les cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin ont une baisse de rendement de conversion de 0,45 % par augmentation de la température de 1°C (61). Alors que les cellules de silicium amorphe en couches minces ont une augmentation de 0,175 % de leur rendement par augmentation de la température de 1°C.

Propriétés d’un panneau photovoltaïque

Présentation des caractéristiques de la tuile photovoltaïque NeoSol de Smartroof

Les tuiles sont fabriquées avec du polypropylène recyclé haute performance, il y en a une épaisseur de 62,7-5,5=57,2 mm dans chaque tuile et le panneau solaire (ou module BIPV (Building Integrated Photovoltaic)) a une épaisseur de 5,5 mm. La surface exposée aux rayons du soleil est de 312mm x 265mm. Il est recouvert par une plaque en verre trempé pour le protéger des chocs et de la grêle. Le panneau est équipé de cellules monocristallines de Silicium.
TechnologieRendement de conversionInfluence températurePrix/Wcmonocristallin19 % (12 à 20 %)-0,442 % par °C3,13 €/Wcpolycristallin15%-0,416 % par °C2,95 €/Wcamorphe7 à 10 %+ 0,175 % par °C2,35 €/Wc
La puissance électrique produite par les panneaux photovoltaïques est de 125 Wc/m². Les installations comportent 9,6 tuiles/m². De plus, une tuile pèse 1,6 kg et la dimension totale de celle-ci est de 468 mm x 356 mm x 63 mm.
Ces tuiles, comme beaucoup de systèmes de production d’électricité par conversion photoélectrique, ont une durée de vie très longue. En effet, le constructeur garantit que sur 10 ans, la puissance électrique produite restera supérieure à 90 % de la puissance initiale et 80 % au bout de 20 ans.
De plus, les propriétés du panneau photovoltaïque ne sont pas altérées tant que la température extérieure reste dans une plage de température de service comprise entre -40 °C et 85 °C. La plage de températures de fonctionnement des panneaux photovoltaïques est comprise entre -20 °C et 40 °C. Le taux d’hygrométrie doit être à 90 %.

Thermofluidique des panneaux photovoltaïques

Nous avons vu dans le chapitre précédent que l’augmentation de la température des cellules PV de 1 °C entrainait une diminution du rendement photoélectrique de 0,41 à 0,45 % pour des cellules monocristallines de Silicium. Or le rendement de ces cellules est de 19 % en moyenne, ce qui est déjà peu élevé donc il est important de garder cette valeur la plus élevée possible. C’est pourquoi de nombreuses recherches ont été menées pour développer des systèmes de refroidissement des panneaux photovoltaïques et de récupération de la chaleur. Nous nous intéresserons dans cette partie aux systèmes de stockage et de transferts d’énergie thermique par chaleur sensible et thermochimique. L’étude du stockage par chaleur latente sera abordée dans une partie ultérieure.

Les principes des stockages par chaleur sensible et thermochimique

Le schéma suivant montre les différents moyens de stocker de l’énergie thermique dans un ou plusieurs matériaux qui peut être sous sa phase solide, liquide ou gazeuse.

Le stockage sous forme de chaleur sensible

Un stockage d’énergie sous forme de chaleur sensible provoque une variation de la température d’un matériau sans impliquer de changement d’état physique. La température du matériau augmente lorsque la quantité d’énergie stockée augmente. De manière générale, cela consiste à chauffer un milieu liquide ou un solide et celui-ci doit être choisi en fonction du niveau de température requis par l’application. Ainsi, un stockage sous forme de chaleur sensible peut être réalisé par un fluide caloporteur.
Ici la variation d’énergie interne du matériau (ou plus particulièrement du fluide) se fait suivant l’équation suivante.

Le stockage par réaction thermochimique

Les réactions chimiques peuvent être endothermiques, dans ce cas elles captent de la chaleur lorsqu’elles se produisent, ou exothermiques, dans ce cas elles libèrent de la chaleur. Au cours de réactions chimiques réversibles, des liaisons entre entités atomiques sont créées ou détruites, en même temps de l’énergie est emmagasinée dans les liaisons créées et relâchée lors de la rupture de liaisons.
Les systèmes de stockage de chaleur par réaction thermochimique ont souvent une grande capacité de stockage de chaleur car les quantités d’énergie emmagasinées par liaisons moléculaires sont très importantes. Cependant, la quantité de matière mise en jeu dans ces systèmes tient une part non négligeable dans la capacité de stockage d’énergie.
Une application courante du stockage par énergie thermochimique utilise le phénomène d’adsorption/désorption. Lors de l’adsorption, des molécules de gaz se fixent à la surface d’un solide, cette phase est exothermique. Lors du phénomène de désorption, les molécules de gaz sont détachées de la surface du solide, cette étape est endothermique. Il y a donc stockage puis relargage de l’énergie thermique.
Les autres types de stockage thermochimique sont basés sur des réactions réversibles. En général, elles se produisent entre un solide et un gaz, les plus courants sont à base de sels et d’eau.
En termes de densité énergétique, le stockage thermochimique permet de stocker une grande quantité d’énergie thermique par unité de volume. En effet, on peut s’attendre à stocker entre 3,6*108 et 1,8*109 J/m3. Alors que le stockage sous forme de chaleur latente permet de stocker entre 1,8*108 et 3,6*108 J/m3 et le stockage par chaleur sensible entre 5,4*107 et 2,16*108 J/m3.

Les systèmes de refroidissement et réutilisation de la chaleur fatale issue des panneaux photovoltaïques

Les systèmes de refroidissement des panneaux photovoltaïques les plus courant utilisent un stockage de chaleur sensible. La chaleur du panneau se propage à l’intérieur de celui-ci par conduction puis est transmise à un fluide caloporteur qui circule, de manière forcée ou naturelle, le long d’une ou plusieurs surfaces extérieures du panneau PV.

Les panneaux photovoltaïques-thermiques

Le premier système que l’on peut mentionner est le concept de panneau thermovoltaïque. Un panneau thermovoltaïque est un panneau photovoltaïque auquel est couplé un caisson étanche qui permet de récupérer la chaleur fatale (= chaleur produite par un système de production mais qui n’en est pas le but premier, c’est une chaleur qui dérive d’un site de production). Ainsi, un panneau thermovoltaïque produit de l’électricité et aussi de l’air chaud qui peut être utilisé dans un système de chauffage. Le panneau est composé de cellules photovoltaïques, d’un absorbeur et d’un système permettant la circulation d’un fluide caloporteur à proximité de l’absorbeur et des cellules PV, cela forme un échangeur thermique.
Le but de cet échangeur thermique est de refroidir les cellules PV afin d’augmenter le rendement électrique mais aussi de produire de l’énergie thermique utilisable. Il y a donc un compromis à trouver entre les deux sources d’énergie pour ne pas en pénaliser une par rapport à l’autre (18). Ainsi, les performances électriques et thermiques d’un panneau PV-T sont plus faibles que des panneaux PV et thermiques pris séparément.
Cependant, les panneaux photovoltaïques-thermiques (PV-T) permettent la production d’énergie électrique ainsi que la production et la collecte d’énergie thermique dans le même temps. Ainsi, la production énergétique globale et l’efficacité énergétique globale du système sont plus grandes que celles des panneaux solaires photovoltaïques seuls et des panneaux solaires thermiques seuls. De plus, la production d’énergie par unité de surface est augmentée. (Jia et al. (40))
Le principe de fonctionnement est le suivant : les cellules PV produisent de l’électricité lorsqu’elles sont frappées par les rayons solaires, dans le même temps, de l’énergie est dissipée sous forme de chaleur car les photons avec une énergie inférieure au gap et frappant le matériau ne peuvent dissiper leur énergie que sous forme de chaleur. Un système placé dans l’environnement proche des cellules photovoltaïques permet de récupérer cette chaleur, on appelle ce matériau l’absorbeur, ensuite la chaleur est transmise au fluide caloporteur et elle sera transportée jusqu’à un système de stockage ou utilisée directement pour réaliser un travail.
D’après Chow (41), l’efficacité thermique et l’efficacité électrique d’un système PV/T sont définies de la manière suivante.

« Flat-plate PV/T systems »

Comme leur nom l’indique, les « Flat-plate PV/T system » conserve la géométrie plane des panneaux PV, le système de refroidissement vient se plaquer au plus près des cellules PV et est parallèle à celles-ci. Dans ce cas, le système de stockage et de transport de la chaleur est un fluide. Il peut être gazeux ou liquide. Ils ressemblent beaucoup aux collecteurs thermiques solaires conventionnels.
Dans le cas d’un fluide gazeux, dans la majorité des dispositifs c’est l’air ambiant qui est utilisé. La circulation de l’air au contact des cellules PV peut se faire de plusieurs façons :
1) Au-dessus des celules PV, le canal est situé au-dessus de la face ensoleillée du panneau. D’après Hegazy (43), ce modèle de collecteur de chaleur est celui qui permet le plus petit gain d’efficacité chez les cellules PV.
2) Au-dessous du panneau PV, au contact des couches de polymères.
3) Une circulation d’air est imposée au-dessus et au-dessous des cellules PV avec le même débit et la même direction. Hegazy a montré que c’était ce dispositif qui nécessitait le moins d’énergie pour faire circuler l’air à l’intérieur du canal, suivi par le modèle 2 puis 4.
4) La circulation d’air s’effectue tout d’abord au-dessus des cellules PV puis au-dessous.
Sous les cellules photovoltaïques, il y a une couche de matériau appelé l’absorbeur. Il a un fort pouvoir absorbant, il s’échauffe en captant les rayons lumineux puis il transmet une partie de cette chaleur au fluide caloporteur et une autre partie est réémise sous forme de rayonnement infrarouge. De plus, la vitre qui est placée au-dessus des cellules photovoltaïques laisse passer les rayonnements visibles mais elle est opaque aux infrarouges ; donc les infrarouges sont renvoyés vers l’absorbeur, ils sont donc piégés entre l’absorbeur et la vitre, ce qui augmente la température de l’absorbeur (Charane (58)). Mais cela augmente aussi la température des cellules ou au moins limite leur refroidissement par le fluide.

Les ailettes de refroidissement

Bayrack et al. (47) ont étudié expérimentalement l’influence de plusieurs dimensions d’ailettes, leurs nombres, leurs écartements ainsi que leurs dispositions, sur la face arrière du panneau PV, sur la puissance électrique produite par le panneau, la température (notamment celle des cellules) et l’efficacité électrique de celui-ci.
Ils ont utilisé des ailettes en aluminium qu’ils ont placé selon 10 configurations différentes. La hauteur des ailettes était de 7 ou 12 cm. Leur longueur était de 60 cm ou 20 cm. Elles étaient disposées selon la verticale ou l’horizontale. L’écartement entre les ailettes étaient de 66 mm, 74,4 mm, 77 mm ou 132 mm. Toutes les ailettes ont la même épaisseur.
Le panneau PV est incliné de 40° par rapport à l’horizontale, la face arrière est laissée libre et la circulation de l’air entre les ailettes est uniquement dû à la convection naturelle.
Enfin Bayrack et al. (47) ont conclu que le dispositif apportant le meilleur gain d’efficacité électrique est le cas où les ailettes font 20 cm de long, sont disposées selon la verticale, espacées de 66 mm et ayant une longueur de 7 cm. Ce dispositif n’est pas celui avec la plus grande surface d’échange. En général, la dimension des ailettes de 7 cm x 20 cm donne les meilleurs gains d’efficacité électrique. L’efficacité électrique maximale relevée avec ailettes de refroidissement est de 11,55 % avec des ailettes en quinconces. Pour des ailettes horizontales, l’efficacité est de 9,30 %. Sans ailettes, l’efficacité électrique du système est de 8,73 %. Ainsi, les ailettes permettent un gain de 11,55-8,73 = 2,82 %.
El Mays et al. (66) ont collé une plaque en aluminium à l’arrière d’un panneau PV avec des ailettes de 4 cm de hauteur afin de comparer ses performances avec un panneau PV normal. Ils ont montré que la température de la surface du panneau PV pouvait être diminuée de 6 °C en moyenne. L’efficacité électrique du panneau seul est d’en moyenne 15,9 % alors que celle du panneau PV avec ailettes est de 17,7 % donc la présence des ailettes permet d’augmenter l’efficacité électrique de 1,77 %.
Cruey et al. (48) ont réalisé un modèle numérique permettant d’étudier le refroidissement de panneaux PV à l’aide d’ailettes avec un écoulement d’air entre celles-ci. Ils ont montré qu’induire un écoulement turbulent à l’arrière des panneaux permet d’augmenter le flux thermique entre les panneaux et l’air. L’efficacité électrique et la puissance électrique produite augmentent lorsque l’épaisseur des ailettes augmente jusqu’à 1 cm, au-delà le gain est très faible. La conductivité thermique des ailettes a peu d’influence sur l’efficacité et la puissance électrique du panneau PV tant que celle-ci reste supérieure à 150 W/(m.K).
Cruey et al. (48) ont fait varier plusieurs paramètres et ils ont tiré les conclusions suivantes :
– Ils ont fait varier l’espace entre les ailettes de 5 à 30 cm, ils ont observé que plus la distance entre ailettes était faible, plus la température des cellules diminuait et l’efficacité électrique augmentait.
– Plus la hauteur des ailettes est grande, plus l’efficacité électrique augmente et plus la température des cellules PV diminue. Ceci est valable pour des valeurs comprises entre 0 et 50 cm.
– Pour des valeurs inférieures à 9 m/s, plus la vitesse du fluide est importante, plus l’efficacité augmente.
De tous les paramètres cités précédemment, l’épaisseur des ailettes est celui qui a le moins d’influence sur la température et l’efficacité électrique des cellules PV.
Elsafi et Gandhidasan (49) ont réalisé un modèle permettant d’étudier le refroidissement et le gain d’efficacité électrique et thermique de modules PV/T-air avec un canal où l’air passe au-dessus puis en dessous des cellules PV. Ils ont observé que, pour des valeurs comprises entre 2 et 3,5 cm, plus l’épaisseur du canal de ventilation inférieur est grande, plus l’efficacité électrique diminue. Cela est dû au fait que le coefficient de transfert convectif diminue lorsque l’épaisseur augmente. Cette réduction du coefficient de transfert convectif diminue les transferts thermiques entre les cellules PV et le flux d’air.
Ils ont inclus des ailettes de refroidissement dans les canaux d’air et ont observé que l’efficacité thermique des panneaux CPC-PV/T (ce sont des panneaux sur lesquels sont rajoutés des systèmes de concentration des rayons lumineux vers les cellules PV, ce qui permet d’augmenter le flux solaire incident et d’ainsi augmenter l’efficacité thermique des panneaux PV) a augmenté de 5 % alors que celle des PV/T a augmenté de seulement 1 %. Cette différence d’accroissement s’explique par le fait que les panneaux CPC-PV/T opère à une plus grande température que les PV/T donc la différence de température entre panneau PV et air est plus grande, ce qui conduit à un flux thermique plus important du panneau vers l’air des canaux. Ainsi, l’amélioration des performances électriques des panneaux par l’ajout d’ailettes était d’autant plus importante que l’irradiation solaire était grande.

Comparaison de différents systèmes de refroidissement

Abdolzaeh et Ameri ont étudié l’influence de la pulvérisation d’eau liquide sur la surface ensoleillée des panneaux PV. Ils ont montré que l’efficacité électrique était améliorée de 3,26 %.
Teo et al. (38) ont montré que lorsque de l’air circule à l’arrière des panneaux dans des conduits parallèles entre eux, l’efficacité électrique est passée à des valeurs comprises entre 12 et 14 %. Sans refroidissement à l’arrière du panneau PV, l’efficacité électrique du panneau plafonnait à 8-9%. Afin d’accroître les transferts thermiques, des ailettes de refroidissement ont été installées à l’arrière du panneau formant ainsi plusieurs canaux de ventilations. L’air utilisé pour refroidir les panneaux était à la température ambiante, il n’était refroidi préalablement par aucun système. Il était propulsé à l’intérieur des canaux par une pompe donc c’est une convection forcée.
D’après Tripanagnostopoulos et al. (39), le choix du fluide caloporteur permettant d’extraire l’énergie à l’arrière du panneau PV doit se faire en fonction de l’environnement et plus particulièrement de l’intensité lumineuse incidente et des valeurs de températures ambiantes, ainsi :
– Pour des régions où l’ensoleillement est faible et où les valeurs de températures ambiantes sont faibles, le fluide caloporteur le plus adapté est l’air.
– Pour des régions où l’ensoleillement est élevé et où les valeurs de températures ambiantes sont élevées, le fluide caloporteur le plus adapté est un liquide.
Afin de comparer les systèmes avec eau ou air, Tripanagnostopoulos et al. (39) ont utilisé dans les deux cas des cellules pc-Si (silicium polycristallin) et ils les ont soumis aux mêmes conditions climatiques. Ils ont remarqué que l’efficacité thermique du système photovoltaïque-thermique est plus faible lorsque le fluide utilisé est de l’air et non de l’eau (si l’on prend une géométrie du canal à l’arrière identique pour l’eau et pour l’air ; des aménagements auraient pu être fait pour améliorer les transferts entre le panneau et l’air du canal), il y a une différence de 15% entre les deux courbes d’efficacité thermique en fonction de la température. Cependant, l’efficacité électrique est quasiment la même pour les deux systèmes (air et eau), elle est un peu supérieure dans le cas de l’eau, il y a moins d’1% de différence entre les deux courbes d’efficacité électrique en fonction de la température.
Cependant, la température de l’eau utilisée est inférieure à la température de l’air ambiant utilisé. Ainsi, un système à refroidissement par eau permet de diminuer la température du panneau PV de 3°C de plus par rapport à un système à air. Cependant, ils ont conclu que la diminution de température dû au refroidissement par air ou eau n’est pas une diminution significative par rapport à la température du panneau PV avec les deux faces libres. En effet, la diminution de température n’est que de 2 °C pour le refroidissement à air et 5 °C pour le refroidissement à eau.
L’efficacité électrique des systèmes avec refroidissement est supérieure à celle d’un panneau PV à faces libres de 3,2 % pour le refroidissement à eau et 1,6 % pour le refroidissement à air. Ensuite, plus la température ambiante moyenne est importante, plus le gain d’efficacité électrique entre systèmes à refroidissement et systèmes à faces libres est grand.
Enfin, Tripanagnostopoulos et al. (39) considèrent que le gain d’électricité qu’engendre les systèmes de refroidissement ne sont pas assez significatifs pour les privilégier à un système à faces libres. Ils estiment que le plus grand intérêt est la valorisation de l’énergie thermique récupérée par le fluide caloporteur.
Tonui et Tripanagnostopoulos (42) ont cherché à améliorer l’extraction de chaleur des systèmes PV/T à air en augmentant la surface d’échange par l’intermédiaire de tôles métalliques suspendues à l’arrière des panneaux PV ou en soudant des ailettes métalliques à l’arrière. Ils ont conclu que ces améliorations étaient efficaces pour de petites hauteurs de panneaux PV (inférieure à 6 mètres) et que ces solutions pouvaient être mises en place dans des systèmes PV/T intégrés aux bâtiments (BiPV/T).
En conclusion, nous avons pu voir dans ce chapitre que le refroidissement des cellules PV à base de Silicium a déjà été étudié à de nombreuses reprises. A la suite de ces études, des systèmes de refroidissement ont été développés. La plupart sont basés sur un stockage de la chaleur des panneaux PV sous forme sensible dans un fluide caloporteur. L’efficacité de ces échanges de chaleur est conditionnée par la capacité thermique massique du fluide, les conductivités thermiques des matériaux, le débit massique du fluide, … Parmi les systèmes de refroidissement développés, les panneaux hybrides photovoltaïques-thermiques permettent une production d’énergie par m² la plus élevée. Il existe aussi les canaux de ventilation placés à l’arrière du panneau PV qui ont une épaisseur comprise entre 5 et 20 cm (Gan (44)) et qui peuvent facilement être intégrés dans des modules BIPV. Les ailettes de refroidissement métallique placées sur la face arrière des panneaux PV permettent des gains de rendements électriques de 2,82 % (Bayrack et al. (47)) ou 1,77 % (El Mays et al. (66)) et c’est un dispositif peu coûteux à mettre en place. Depuis plusieurs années, des recherches ont été effectuées sur un stockage de la chaleur des panneaux PV sous forme de chaleur latente, pour cela on utilise des matériaux à changement de phase qui sont intégrés dans des LHTS (« Latent heat Thermal Energy Storage »).

Les propriétés des matériaux à changement de phase

Dans ce chapitre, nous étudierons les propriétés des matériaux à changement de phase (MCP) et la théorie du changement de phase qui permet un stockage de chaleur par unité de volume élevé. Afin d’améliorer le stockage de chaleur dans les MCP, des dispositifs ont été développés pour accroître les transferts thermiques entre l’environnement extérieur et le matériau à changement de phase, ce sont des LHTS. Les avantages de ces dispositifs et plus largement des MCP sont déjà bien connus et leurs propriétés sont utilisées dans le domaine du bâtiment, notamment pour réaliser de la climatisation passive. Leur utilisation commence à être étudiée dans le domaine du refroidissement des panneaux photovoltaïques.

La théorie du changement de phase

Si l’on étudie le changement de phase d’un corp pur idéal, on peut considérer que ce corps peut se trouver selon plusieurs états et les plus répandus sont : solide, liquide et gaz. L’état dans lequel se trouve ce corps dépend de trois grandeurs : le volume, la pression et la température. Si l’on considère que l’on peut fixer le volume de ce corps, on peut alors représenter les états de la matière et leurs frontières en fonction de la pression et de la température dans un diagramme de phases. De plus, on peut considérer que les phases du corps peuvent être réduite aux états de la matière.

Les grandes catégories de MCP

Les MCP inorganiques

Les MCP inorganiques les plus utilisés sont l’eau (température de fusion de 0°C), les solutions aqueuses de sels avec une température de fusion inférieure à 0°C, les sels hydratés (température de fusion entre 5 et 130 °C), des mélanges de sels et des mélanges de métaux (avec une température de fusion supérieure à 150°C). Les températures de fusion de ces matériaux vont de -100 °C à +1000 °C. (Reteri et Fentrouci (7))
Les avantages de ces matériaux sont qu’ils ont des conductivités thermiques et des chaleurs latentes élevées. Ils ont une plage de fusion étroite, ils sont non-inflammables et leur coût n’est pas élevé. Cependant, pendant la solidification, certains de ces matériaux présentent un phénomène de ségrégation. Ils ont un taux de nucléation faible, ce qui provoque le phénomène de surfusion (=sous-refroidissement). Pour les utiliser il faut donc leur ajouter des agents de nucléation pour qu’il ne soit pas présent à l’état liquide à une température en deçà de leur température de fusion. Ils sont parfois corrosifs ce qui limite les choix pour les récipients possibles pour ces matériaux. (Ango (67))
Par exemple, on peut citer l’eau avec une température de fusion de 0 °C et une enthalpie de fusion de 333,6 kJ/kg. Le stéarate de butyle avec une température de fusion de 19 °C et une enthalpie de fusion de 140 kJ/kg. Enfin, l’acide caprique-laurique avec une température de fusion de 21 °C et une enthalpie de fusion de 143 kJ/kg.

Les MCP eutectiques

Les MCP eutectiques sont composés d’un mélange d’au moins deux MCP différents. Les mélanges peuvent être des mélanges de MCP organique-organique, organique-inorganique ou inorganique-inorganique. La fusion et la solidification de ces mélanges sont congruentes afin d’avoir un mélange des cristaux des différents composants dans une même phase solide.
Ils ont pour avantage d’avoir une plage de fusion restreinte similaire à une substance pure et la chaleur latente massique des MCP eutectiques est supérieure à celle des composés purs. De plus, la température de fusion des mélanges eutectiques peut être changée facilement en modifiant les proportions des différents composants.
Les acides gras ont des cycles solidification/fusion reproductibles un très grand nombre de fois, ils ont des chaleurs latentes de fusion élevées comparables à celles des paraffines et ils ne présentent pas de phénomènes de surfusion lors de la solidification. Cependant, ils sont deux à deux fois et demi plus cher que les paraffines avec une température de fusion équivalente.
On peut aussi ranger dans ce groupe des esters et des alcools qui peuvent servir comme MCP.

Les paraffines

Les paraffines sont des MCP organiques composés d’alcanes de formule générale CnH2n+2. La cristallisation des chaines de carbones libère une grande quantité de chaleur.
Comme on peut le voir sur le tableau suivant, la température de fusion et la chaleur latente de fusion des paraffines augmente avec le nombre de carbones. Elles sont inertes chimiquement et stable en-dessous de 500°C ; elles ont une pression de vapeur saturante très faible dans la phase liquide.
La plupart des paraffines du commerce sont des mélanges de paraffines, elles ne sont pas pures. La fusion des paraffines est congruente, il n’y a donc pas de ségrégation de phases, et elles ont un taux de nucléation assez fort. Cependant, les paraffines sont inflammables et elles ont incompatibles avec des containers en plastique. Ces défauts peuvent être surmontés en modifiant un peu la composition de la cire ou le design du container.
PS : les groupes I, II, III sont des groupes représentant la pertinence de l’utilisation d’un matériau comme MCP ainsi le groupe I est composé de matériaux ayant des propriétés intéressantes pour devenir des MCP et le groupe III regroupe les matériaux ayant le moins de potentiel.
Les paraffines occupent un volume plus élevé lorsqu’elles sont sous forme liquide. Cela peut poser des problèmes de contact entre le MCP et la surface d’échange thermique lorsque le matériau est sous forme solide. En effet, si les échanges de chaleur s’effectuent via une paroi au-dessus du volume de paraffine et lorsque celle-ci est solide, il peut y avoir un espace entre la surface haute du volume de paraffine et la paroi où se réalise les échanges. Ainsi, les échanges thermiques sont considérablement ralentis. (voir dispositif de (50)). Ce phénomène a été mis en évidence par Huang et al. (50), ils ont réalisé un LHTS à ailettes horizontales et ont observé que pendant la phase de solidification, des espaces se formaient en dessous des ailettes horizontales. De plus, les ailettes horizontales bloquent le mouvement de remontée de bulles qui se forment pendant la phase de fusion.
Les paraffines ont des conductivités thermiques assez faible (de l’ordre de 0,2 W.m-1.K-1). Pour améliorer les transferts de chaleur au sein de celles-ci et plus généralement au sein des MCP avec une conductivité thermique faible, il existe des systèmes permettant d’accélérer les échanges thermiques avec le milieu extérieur.

« Latent Heat Thermal Energy Storage » (LHTS ou LHTES)

Certains matériaux à changement de phase ont une conductivité thermique très faible ce qui réduit les transferts thermiques pendant le processus de changement de phase. Or cette faible conductivité thermique peut s’avérer handicapant si le volume de MCP est important et que la surface d’échange avec le milieu extérieur est faible par rapport au volume. Afin de compenser ce problème, ces MCP sont utilisés dans des LHTS (Latent Heat Thermal Energy Storage) qui permettent de stocker de l’énergie en utilisant la capacité des matériaux à changer de phase et qui augmentent la vitesse des échanges thermiques. Au sein de ces systèmes, si les transferts thermiques ne sont pas assez rapides, on peut voir apparaître un saut de température au sein du matériau dû à sa faible conductivité thermique. C’est pourquoi différentes techniques ont été étudiées pour accélérer les transferts thermiques au sein des MCP et ainsi accélérer la solidification ou la fusion du matériau.

Table des matières
Remerciements 
Table des illustrations 
Liste des tableaux
Introduction 
1. Etat de l’art sur le fonctionnement des panneaux photovoltaïques et leurs efficacités
1.1. Le rayonnement solaire
1.2. La conversion photoélectrique
1.3. Les différents types de cellules photovoltaïques
1.3.1. Silicium polycristallin
1.3.2. Silicium monocristallin
1.3.3. Silicium amorphe en couche mince
1.3.4. Les cellules multi-jonctions
1.3.5. Les cellules non-silicium
1.4. Propriétés d’un panneau photovoltaïque
1.4.1. Présentation des caractéristiques de la tuile photovoltaïque NeoSol de Smartroof
1.4.2. Compositions et propriétés des panneaux photovoltaïques
1.5. L’influence de la température sur la conversion photoélectrique
2. Thermofluidique des panneaux photovoltaïques 
2.1. Les principes des stockages par chaleur sensible et thermochimique
2.1.1. Le stockage sous forme de chaleur sensible
2.1.2. Le stockage par réaction thermochimique
2.2. Les systèmes de refroidissement et réutilisation de la chaleur fatale issue des panneaux photovoltaïques
2.2.1. Les panneaux photovoltaïques-thermiques
2.2.2. « Flat-plate PV/T systems »
2.2.3. Les ailettes de refroidissement
2.2.4. Comparaison de différents systèmes de refroidissement
3. Les propriétés des matériaux à changement de phase 
3.1. La théorie du changement de phase
3.2. Le stockage de chaleur latente
3.3. Les matériaux à changement de phase
3.3.1. Définition et propriétés des matériaux à changement de phase
3.3.2. Les grandes catégories de MCP
3.4. « Latent Heat Thermal Energy Storage » (LHTS ou LHTES)
3.4.1. Les LHTS à ailettes
3.4.2. Les LHTS avec encapsulation du MCP
3.4.3. Les LHTS avec des nanoparticules
3.5. Les applications au domaine du bâtiment
3.5.1. Climatisation passive
3.5.2. Un mur trombe
3.5.3. Panneaux muraux de MCP
3.6. Les applications au domaine du photovoltaïque
4. Validation de la modélisation à l’aide de données expérimentales 
4.1. Protocoles
4.1.1. Protocole expérimental de Huang et al. (50)
4.1.2. Protocole mis en place pour la modélisation
4.2. Résultats et interprétations
4.2.1. Espacement des ailettes : 4 mm
4.2.2. Espacement des ailettes : 8 mm
4.2.3. Espacement des ailettes : 12 mm
4.2.4. Espacement des ailettes : 24 mm
4.2.5. Espacement des ailettes : 33 mm
4.2.6. Comparaison des températures des plaques ensoleillées
4.3. Conclusion
5. Modélisation du cas des tuiles photovoltaïques
5.1. Modélisation du panneau photovoltaïque seul
5.1.1. Définition des conditions limites appliquées au panneau
5.1.2. Cas avec convection à l’arrière du panneau photovoltaïque
5.1.3. Cas sans convection à l’arrière du panneau photovoltaïque
5.2. Modélisation panneau photovoltaïque et LHTS à ailettes
5.2.1. Détermination de l’écartement optimal des ailettes
5.2.2. Détermination de l’épaisseur optimale de MCP
5.3. Comparaison refroidissements MCP+convection et convection seul
5.3.1. Résultats et interprétations
5.3.2. Conclusion
Conclusion
Bibliographie
Annexe 
Annexe 1 : Propriétés paraffine RT26 
Annexe 2 : Présentation théorie de la thermique non linéaire 
Annexe 3 : Discrétisation de l’équation de la chaleur

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