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

Paradis, Pierre-Luc (2019). Modélisation et mesures expérimentales sur un collecteur solaire hybride PV/T couplé à une pompe à chaleur au CO2. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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.

Titre traduit

Numerical model and experimental measurements on a hybrid PV/T solar collector combined with a CO2 heat pump

Résumé traduit

The environmental and socioeconomic problems caused by the widespread use of fossil fuels in the world energy mix are commonly used to justify solar energy research projects. However, Quebec relies very little on fossil fuels given that it has developed hydroelectric power, a green and renewable energy. Therefore, this project proposes a way to optimize this green energy by coupling a CO2 heat pump with hybrid photovoltaic/thermal solar collectors. This kind of system should improve efficiency in comparison to the electric baseboard heaters that are commonly used during Quebec’s long winters. Moreover, with the increasing number of summer heat waves, optimal cooling systems will be needed. CO2 has a low global warming potential (GWP) compared to other refrigerants used to replace the CFC and HCFC that were banned due to their link to ozone depletion and other environmental impacts.

For this project, an experimental setup is designed and built, involving three different solar absorber plates. The solar collectors are used as a direct expansion evaporator integrated to a transcritical CO2 heat pump. Heat is rejected in the mixed water loop of the university École de technologie supérieure, located in Montreal, and the solar collectors are installed on the university’s roof.

First, a detailed model of a solar absorber plate is proposed, detailing the thermal, optical and electrical aspects. The experimental validation showed very good agreement between the numerical and experimental results. The three different solar absorber plates are compared in real exterior weather conditions. Comparison of the experimental and numerical results indicates a maximum discrepancy of 2 [°C] for a temperature measurement taken at a specific location on the solar absorber plate and a discrepancy below 7 [%] for the electric power production over an entire day of simulation. The difference in the electrical result is largely due to one of the solar collectors being in the early morning shade of another nearby experimental set-up on the roof.

Second, a semi-transient numerical model for a stratified thermal storage tank is presented. The tank is intended to be used as a gas cooler in a transcritical CO2 heat pump system. CO2 at a supercritical state flows in a coiled heat exchanger tube immersed in the tank. Water in the tank is used to provide heat to a space-heating water loop and a second coiled heat exchanger is immersed in the tank to preheat the domestic cold water. Results include the temperature along the vertical axis of the tank, which are presented along with the evolution of the CO2 flow variables (pressure, temperature, velocity, etc.) inside the tube for different time steps. The TRNSYS Type 534 is used to validate the correct implementation of the tank’s thermal stratification. Experimental results from the literature are used to validate the CO2 flow in the tube model.

Third, the tube model flow is combined with the solar absorber plate model to study the thermal and electrical performance of the global solar evaporator. Steady-state numerical results are given for four scenarios based on the cooling of the photovoltaic module and the electrical load connected to the collector. The solar evaporator is either connected to a fixed resistive load or working at MPPT conditions. The weather conditions (ambient temperature, solar radiation, wind speed, etc.) and inlet flow parameters (mass flow, pressure and enthalpy) of the CO2 are fixed. The 2-D temperature distribution of the solar absorber plate, the CO2 flow variables (pressure, temperature, velocity, etc.) inside the tube and the electrical operating conditions are computed for each scenario. The results show a significant increase in the electrical power production, exceeding the maximum power specified under the test conditions of the IEC 60904-3 international standard. More than 1 [kW] of thermal power is recovered from the solar absorber plate leading to an average plate temperature reduction of over 25 [°C]. It also follows that the overall efficiency combining both electricity and heat production reaches a value as high as 72.3 [%] under the simulated conditions.

These three original and innovative contributions were acknowledged by the international scientific community as evidenced by the quick publications in high impact factors journal of all three papers before the defence of this thesis.

Overall, this thesis presents numerical tools to simulate the performance of a hybrid photovoltaic/thermal solar evaporator and a stratified thermal storage tank used as a gas cooler. Both components are essential to the development of a transcritical CO2 heat pump that could be used to improve residential building heating technology. At the same time, a prototype including the heat pump and the solar collectors was designed, built, equipped with sensors and commissioned.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 175-186).
Mots-clés libres:	photovoltaïque, absorbeur solaire, conduction 2-D, modèle électrique à cinq paramètres, réservoir de stockage, échangeur de chaleur à expansion directe, volumes finis
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Codirecteur:	Codirecteur Lamarche, Louis Nesreddine, Hakim
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 avr. 2019 20:20
Dernière modification:	18 avr. 2019 20:20
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2284

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