Tout comprendre du calcul des performances thermiques des capteurs PV/T

Il est souvent difficile de comparer les performances thermiques des différents capteurs PV/T car il y a de nombreuses hypothèses qui influent sur les coefficients a₀ et a₁. Nous essayons de vous décortiquer tous les détails ci-dessous, bonne lecture !

Que signifient les coefficients a₀ et a₁ (et a₂)?

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Le coefficient a₀ (aussi connu comme η_{0_hem} quand la vitesse du vent est nulle), fait référence à l’énergie crête du collecteur : c’est la quantité d’énergie solaire qui est absorbée et convertie en énergie thermique utile. Pour un capteur thermique traditionnel, a₀ est de l’ordre de 80%, mais pour un capteur PV/T, étant donné qu’une partie de l’énergie absorbée est convertie en électricité (PV), a₀ est de l’ordre de 30-50%.

Il est à noter qu’avant 2014, la plupart des industriels du PV/T réalisaient leurs tests de certification sans que la partie photovoltaïque ne produise d’électricité. Leurs performances thermiques étaient ainsi artificiellement élevées (mais fausses, car quand le PV marche normalement à son point de fonctionnement maximal – dit MPP – la valeur du a0 perd quelques %). Pour rappel, les panneaux Dualsun ont toujours été certifiés en prenant en compte la production photovoltaïque et de plus, le panneau Dualsun Wave a été le premier panneau au monde à obtenir la nouvelle certification “hybride”.

Les coefficients a1 et a2 sont les coefficients de pertes de chaleur : quand la température augmente, l’efficacité du capteur diminue d’un facteur a1 et a2. Le coefficient a2 est un coefficient de 2ème ordre, il est la plupart du temps fixé à zéro pour les capteurs PV/T. C’est pourquoi, dans le reste de l’article, on ne parlera plus de ce a2.

Paramètres pour déterminer a₀ et a₁

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Pour calculer a₀ et a₁, les quatre paramètres suivants ont un impact sur les valeurs de a₀ et a₁ (et sont souvent la cause d’inconsistance dans les comparaisons).

1. Conditions ambiantes : régime permanent versus quasi-dynamique

La première variable qui a un impact sur les coefficients a₀ et a₁ est la méthode utilisée pour imposer les conditions ambiantes :

A. Régime permanent : en régime permanent les conditions sont stables et non changeantes, le test est généralement mené en intérieur. Les coefficients utilisés pour une analyse en régime permanent sont les suivants : η₀, b_u, b₁, b₂. Ces coefficients sont alors utilisés pour déterminer a₀ et a₁.

B. Quasi-dynamique : en quasi-dynamique, on est en condition naturelle avec un ensoleillement et une température extérieure qui sont autorisés à varier faiblement, le test est en général mené en extérieur. Les coefficients utilisés pour une analyse en régime quasi-dynamique sont les suivants : η₀, K_b, K_d, b₀, c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, c₆. Ces coefficients sont alors utilisés pour déterminer a₀ et a₁.

La méthode en régime permanent était largement utilisée jusqu’à récemment, parce qu’il était plus facile de prendre les mesures en intérieur, mais le test en quasi-dynamique est de plus en plus utilisé car pour le PV/T, le logiciel de présentation des performances thermiques ScenoCalc n’est pour le moment disponible qu’avec les coefficients quasi-dynamiques. La version révisée de la norme EN ISO 9806 :2017 va donner lieu à une mise à jour de l’outil ScenoCalc, et il n’y aura alors plus de difficulté à utiliser les résultats des deux méthodes.

2. Surface du capteur : surface totale versus surface d’ouverture

Les coefficients a₀ et a₁ sont aussi déterminés en fonction de la surface du capteur, c’est un autre paramètre qui peut varier :

A. Surface totale (« gross area ») : c’est la surface totale du capteur

B. Surface d’ouverture (« aperture area ») : c’est la surface d’échange thermique (généralement plus petite que la surface totale du capteur)

La certification Solar Keymark était basée sur la surface d’ouverture jusqu’en 2016, mais elle est maintenant basée sur la surface totale. Pourquoi ? Car la définition de la surface d’ouverture pour les PV/T n’était pas claire (surface de l’échangeur thermique ? surface sans le cadre ?…), tandis que la notion de surface totale est beaucoup moins ambiguë.

3. L’ensoleillement de référence (G)

Un troisième paramètre utilisé pour déterminer a₀ et a₁ est l’ensoleillement G, mesuré en W/m² :

Irradiation globale = G = G_direct + G_diffus
Irradiation nette = G” = G + c₄*( El-σ.T_A⁴), avec c₄ pris à 0,85 s’il n’existe pas de résultats mesurés disponibles.

La référence est généralement G = 1000W/m² et El-σ.T_A⁴ = -100W/m² ainsi G” = 915W/m².

T_A = température ambiante (K)

L’analyse en régime permanent est basée sur G” et l’analyse en quasi-dynamique est basée sur G. Avec la nouvelle norme EN9806:2017, les deux méthodes – régimes permanents et quasi-dynamiques utiliseront le même ensoleillement de référence.

4. Vitesse du vent

Finalement, la dernière variable qui a un impact majeur sur les valeurs de a₀ et a₁ est la vitesse du vent. La vitesse du vent est utilisée pour déterminer a₀ et a₁.

Coefficients en régime permanent :

a₀ = η₀ * (1-b_u * vitesse vent)

a₁ = b₁ + b₂ * vitesse vent

Quand la vitesse du vent est prise à 0m/s, a0 = η0 et a1 = b1.

Coefficients en quasi-dynamique (avant mars 2018) :

a₀ = η₀ – c₆ * vitesse vent

a₁ = c₁ + c₃ * vitesse vent

Quand la vitesse du vent est prise à 0m/s, a0 = η0 et a1 = b1.

Coefficients en quasi-dynamique (depuis mars 2018) :

a0 = η0 – c6 * (vitesse vent -3)

a1 = c1 + c3 * (vitesse vent -3)

Quand la vitesse du vent est prise à 0m/s, a0 = η0+3*c6 et a1 =c1-3*c3.

Une vitesse du vent non-nulle est souvent préférée pour simuler les conditions réelles. La vitesse du vent peut être de 1m/s, 1,3m/s, 1,5m/s, 2m/s, ou 3m/s, là encore, il n’y a pas encore de vitesse de vent standard. Nous vous conseillons donc de vous faire confirmer quelle vitesse de vent a été utilisée pour les coefficients avant de comparer entre eux les différents capteurs PV/T.

Quelles conditions a utilisé Dualsun pour déterminer les coefficients a₀ et a₁ de ses panneaux ?

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Pour le panneau Dualsun Wave commercialisé en 2014, les valeurs a₀ = 51% et a₁ = 11,4 W/K/m² ont été basées sur des mesures en régime permanent (basés sur la surface d’ouverture et G”) pour être en phase avec le Solar Keymark de l’époque. Une vitesse de vent de 1,5m/s a été retenue car c’était celle qui collait le mieux avec les prédictions de performance pour notre installation pilote à Lyon, France.

Pour le panneau Dualsun Spring commercialisé en 2017, les valeurs a₀ = 47,2% et a₁ = 9,1 W/K/m² ont été basées sur des mesures en quasi-dynamique avant mars 2018 (basées sur la surface totale et G) pour être en phase avec le nouveau Solar Keymark. Une vitesse de vent de 1m/s a été retenue pour être cohérente avec les valeurs de puissance capteur données sur la 1^ère page de l’annexe du Solar Keymark.

Pour le panneau Dualsun Spring commercialisé en 2019, les valeurs a0 = 58,2% et a1 = 10,8 W/K/m2 ont été basées sur des mesures en quasi-dynamique depuis mars 2018 (basées sur la surface totale et G) pour être en phase avec le nouveau Solar Keymark. Une vitesse de vent de 1m/s a été retenue pour être cohérente avec les valeurs de puissance capteur données sur la 1ère page de l’annexe du Solar Keymark.

Attention, sur la 2^ème page de l’annexe du Solar Keymark, les valeurs a₀ et a₁ qui sont indiquées le sont pour une vitesse de vent de 3m/s (dans la section « information pour l’étiquetage énergétique »). Cette valeur de vent de 3m/s n’est pas mentionnée, il est à craindre qu’elle soit interprétée comme basée sur d’autres vitesses de vent. Ce point sera clarifié en lien avec l’implémentation de la révision de la norme EN ISO 9807:2017.

Conclusion

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En conclusion, lors de la comparaison des performances des capteurs PV/T, il est indispensable de savoir que des conditions et des paramètres différents sont potentiellement utilisés : les conditions ambiantes, la surface du capteur, l’ensoleillement de référence, la vitesse de vent. Il n’y a pas encore de consensus définitif parmi les experts du secteur sur les meilleurs critères à utiliser. Mais pas d’inquiétude à avoir ! Les résultats en quasi-dynamiques peuvent facilement être convertis en régime permanent, et vice-versa si nécessaire.

Fin 2015, le CEA-INES (Institut National de l’Energie Solaire) a fait une comparaison des performances thermiques du panneau Dualsun Wave avec trois concurrents parmi les panneaux hybrides pour avoir (enfin !) une comparaison directe des panneaux.

Les mesures ont été faites avec les conditions suivantes : Régime permanent, G = 1000W /m², température ambiante de 25°C, surface d’ouverture et un vent à 1,5m/s (les conditions du Solar Keymark à l’époque).

En 2018, le CEA-INES a réalisé les mêmes tests pour le panneau Dualsun Spring et un des concurrents à nouveau. Voici les résultats :

On observe que les puissances des panneaux Dualsun sont les plus élevées à toutes les températures !

Nous savons que le sujet est très complexe …

N’hésitez pas à nous contacter si vous souhaitez en savoir plus sur le sujet. Nous vous tiendrons au courant des évolutions des normes de ce secteur passionnant.