Solaire hybride : le CNRS publie une thèse sur le télé suivi de 28 installations sur 4 ans

Par Dr. Laetitia Brottier, ingénieure Centrale Paris

Le solaire hybride, ou solaire « PVT », est une technologie solaire photovoltaïque (PV) et thermique (TH) dite “basse et moyenne température” ou, selon un terme plus technique « non vitrée » (WISC).
Son utilisation pour le préchauffage d’eau sanitaire, une application qui est d’habitude réalisée par des capteurs solaires “vitrés”, fait débat parmi les experts du solaire thermique.
Ainsi, par la mesure et l’instrumentation, cette étude démontre scientifiquement, l’intérêt concret du PVT (système hybride photovoltaïque thermique).

1. Retours d’expérience de 28 installations de chauffe-eaux solaires hybrides

Afin de répondre avec une approche scientifique à cette question légitime, une thèse de science sur les retours terrain d’installations solaires hybrides DualSun en lien avec le laboratoire CNRS LMT de l’Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (aussi connu sous le nom de “ENS Cachan”) a été mise en place.

Un télésuivi a été réalisé sur des installations de préchauffage d’eau sanitaire sur des maisons individuelles majoritairement en France et Suisse. Sur près de 4 ans, ce sont ainsi plus de 28 installations solaires hybrides réparties du Nord au Sud qui ont été monitorées par les chercheurs.

2. En résumé, ce que nous pouvons retenir

Nous pouvons retenir de cette étude de monitoring de préchauffage d’eau sanitaire par des panneaux solaires hybrides DualSun :

1/ Autonomie totale possible pour des puisages à 45°C de l’eau chaude sanitaire sur 4 mois de l’année (mi-mai à mi-septembre)

2/ Jusqu’à 2 fois plus d’énergie par m² quand on compare à des panneaux photovoltaïques classiques sur la même surface

3/ Faible déviation par rapport aux prédictions (~ 10%) fournies par le logiciel TRNSYS, qui est le moteur de calcul des simulations de la plateforme MyDualSun à l’échelle du panneau

4/ Pas de risque de surchauffe dans les panneaux solaires hybrides (<75°C)


Les paragraphes suivants vont détailler ces résultats qui confortent la technologie solaire hybride pour la double production ECS et PV.  

• La thèse complète peut être téléchargée ici : thèse 

3. Le chauffe-eau solaire hybride et définition des critères statistiques

Bref rappel du principe de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire hybride

Le panneau solaire hybride – également appelé système hybride photovoltaïque thermique (PVT) est constitué d’un panneau solaire PV et d’une sous-face de récupération de chaleur.  La chaleur produite/récupérée par les panneaux PV hybrides va chauffer l’eau stockée dans un ballon d’eau chaude sanitaire. La production électrique des panneaux PV hybrides va pouvoir être utilisée par les appareils électriques de la maison, en autoconsommation, ou revendue sur le réseau.

Résultat : 2 fois plus d'énergie qu'un PV classique du fait du gain de production électrique par refroidissement des cellules PV et du gain de production d'eau chaude pour les besoins de l’habitation. Ce procédé est généralement utilisé pour contribuer à la production d’eau chaude sanitaire (ECS).

Exemple de maison avec un chauffe-eau solaire hybride

La solution étudiée (sur 28 installations et pendant 4 ans) est un chauffe-eau solaire hybride qui produit à la fois de l’électricité et de l’eau chaude solaire.
Les panneaux installés sur ces installations sont des panneaux DualSun de référence « Wave » dont la fiche technique peut être téléchargée ici : Fiche Technique Wave

Principe de fonctionnement simplifié d’un chauffe-eau solaire hybride côté thermique (exactement similaire à un chauffe-eau solaire classique, avec des Delta-T ON et OFF adaptés)

On observe globalement que :

• chaque jour, la production photovoltaïque augmente jusqu’à un pic vers midi.
• en parallèle de cela, la température dans les panneaux augmente : la pompe solaire est activée dès que la température est supérieure au bas du cumulus pour transférer les calories à  l’eau sanitaire. Passé midi, la production d’électricité et de chaleur diminue, jusqu’à devenir nulle à la tombée de la nuit.

Quand on regarde les courbes de température, on voit que les panneaux DualSun chauffent l’eau à quelques degrés près jusqu’à la température maximale qu’il réussit à atteindre dans la journée.

Illustration sur une installation près de Lyon (2 jours pris sur le mois de juillet 2017) : le bas de ballon est chauffé quasiment jusqu’à la température maximale atteinte par les panneaux DualSun

Evolution de la production photovoltaïque des panneaux DualSun en même temps que la production thermique sur cette même installation près de Lyon

C’est pourquoi, pour analyser la performance thermique des installations, il a été regardé en détail les températures maximales des panneaux hybrides et en particulier la température des maxima journaliers en moyenne dans le mois (Tmoy : moyenne mensuelle des maxima journaliers).

Illustration des moyennes étudiées sur une installation près de Lyon en juillet 2017

4. Installations solaires hybrides monitorées réparties du nord au sud de la France et jusqu’en Suisse

Sur près de 4 ans, ce sont 28 installations solaires monitorées qui sont réparties du sud du Portugal jusqu’au nord de la France (Lille), de la côte Atlantique jusqu’en Suisse.

La moitié des installations étaient en intégré au bâti (IAB), l’autre moitié en surimposé (ISB).

5. Autonomie totale possible pour de l’eau chaude sanitaire sur 4 mois de l’année

La première conclusion est la confirmation de l’intérêt du solaire hybride pour le préchauffage d’eau sanitaire. On présente la moyenne sur les 28 installations (courbe bleu pleine) des Tmoy mensuelle (température moyenne atteinte). Sur 5 mois de l’année (mai à septembre), l’installation atteint en moyenne des températures supérieures à 45°C !

Moyenne des Tmoy sur les 28 installations et écart-type
^{(Tmoy : moyenne mensuelle des maxima journaliers dans les modules, installation par installation).}

Les courbes pointillées bleues donnent l’écart type, la grande majorité des mesures sont comprise entre les deux courbes pointillées. On voit que le résultat est très robuste, car il y a peu d’écart entre la moins bonne et la meilleure valeur.

De cette courbe, on peut déduire une approximation de la couverture solaire. Si on donne une température de consigne (ici 55°C), l’appoint est nécessaire pour monter la température de la température moyenne jusqu’à la consigne (en gris). En revanche, pour préchauffer la température de la température d’eau froide jusqu’à la température moyenne, la chaleur solaire thermique gratuite fournit l’énergie nécessaire (en vert) ! Au final, la couverture solaire c’est l’apport gratuit par rapport au besoin total, ici on voit que cette énergie verte couvre environ 60% des besoins.

Moyenne des Tmoy et des températures d’eau froide sur les 28 installations
Illustration de l’appoint et du gain solaire pour une température de consigne de 55°C.

6. Jusqu’à 2 fois plus d’énergie par m² quand on compare à des panneaux photovoltaïques classiques sur la même surface

La mesure de la production photovoltaïque a permis de confirmer que lorsqu’ils sont utilisés pour préchauffer de l’eau chaude sanitaire (ECS), les panneaux solaires hybrides de DualSun fournissent jusqu’à 2 fois plus d’énergie que la même surface photovoltaïque !

Energie surfacique annuelle sur 4 des installations étudiées

7. Faible déviation par rapport aux prédictions (~ 10%) fournies par TRNSYS, qui est le moteur de calcul des simulations de la plateforme MyDualSun à l’échelle du panneau

Ces mesures ont été confrontées aux estimations d’avant-projet. Dans ces estimations, on a gardé toutes les valeurs par défaut : la météo statistique, le profil de consommation de douches par défaut, … Bien sûr la météo réelle n’étant pas exactement la météo statistique, il y a des écarts avec les prédictions, mais à l’échelle du panneau, les écarts aux prédictions se sont avérés de l’ordre de 10% quel que soit le logiciel de simulation (TRNSYS, PVGis, PolySun, PVSyst) avec une moyenne proche des prévisions, ce qui est très rassurant sur la validité du logiciel utilisé par DualSun pour prédire la production d’eau chaude et d’électricité des panneaux !

En énergie photovoltaïque annuelle sur les 16 installations parmi les 28 avec données photovoltaïques

Moyenne sur les 28 installations des écarts sur les Tmoy entre les simulations TRNSYS et les analyses des mesures réelles

On peut constater sur le graphique ci-dessus que l’écart entre les mesures réelles et les simulations TRNSYS (logiciel utilisé dans MyDualSun) est de : -0,6°C ± 4,8°C (pour une température qui atteint 50°C, avec 4,8°C d’écart : cela correspond à un écart de 10%) !

8. Pas de risque de stagnation (inférieur à 75°C)

Enfin, une dernière conclusion sur ces mesures est la confirmation sur le terrain de l’absence de problématique de surchauffe grâce aux panneaux hybrides DualSun. Pendant l’été, lorsque les habitants sont en congé, le ballon d’eau sanitaire est déjà chaud en début de journée, et la pompe solaire ne s’active pas : on parle de stagnation.

En solaire thermique classique, cette stagnation peut être problématique car elle entraîne des surchauffes pouvant entraîner des dégradations irréversibles de l’installation. Ce n’est pas le cas avec le solaire hybride !

En effet, la température maximale observée dans les panneaux sur ces 28 installations pendant 4 ans a été de 74,2°C. Cette température est très en deçà d’un risque de délamination irréversible ou de vieillissement accéléré pour le photovoltaïque – qui a été certifié jusqu’à 85°C.

9. En conclusion

Ces mesures concrètes et cette thèse furent l’occasion pour DualSun d’affiner sa connaissance du fonctionnement sur le terrain de la technologie solaire hybride en particulier pour le chauffe-eau solaire hybride. Le travail du CNRS a permis d’apporter à la communauté scientifique des résultats inédits et de confirmer l’intérêt du PVT (système hybride photovoltaïque thermique) pour le préchauffage d’eau sanitaire.

Par Dr. Laetitia Brottier, Ingénieure Centrale Paris
laetitia(at)dualsun.fr  - Tél. 04 13 41 53 70

Source et lien

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