Modules photovoltaïques colorés pour le bâtiment optimisés pour l'esthétique et la performance

Colored photovoltaic modules for buildings optimized for aesthetic and performance

• Auteur / Autrice : Benjamin Riedel
• Direction : Christophe Ménézo, Philippe Thony
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 05/10/2023
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Anne Migan-Dubois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laure-Emmanuelle Perret-Aebi, Mohamed Amara
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Hébert, Anne Kaminski-Cachopo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes photovoltaïques

Habitations solaires

Mots clés libres

Optimisation

Esthétique

Performance

Photovoltaïque

Bâtiment

Optimisation

Aesthetic

Performance

Photovoltaic

Building

Résumé

Dans une optique de conception de bâtiments à énergie positive, une couverture totale des besoins en énergie est possible grâce à l'énergie solaire. Ces bâtiments doivent aussi permettre une gestion complète du confort intérieur et offrir une esthétique réussie conforme aux exigences des architectes. Ces trois points demandent une intégration optimale de composants multifonctionnels solaires photovoltaïques (BIPV) ou photovoltaïques /thermiques hybrides (BIPV/T). Cependant, l'intégration en façade de modules PV entraîne une baisse du rendement énergétique par rapport à un système au sol due, entre autres, à leur échauffement, au risque d'ombrages en milieu urbain et à la technique de colorisation utilisée pour obtenir une esthétique particulière. Pour répondre à cette dernière contrainte, un composant BIPV pour façade, alliant esthétique et performance selon une approche architecturale optimisée est nécessaire.Ces travaux se concentrent sur le potentiel d'une technologie en particulier : l'impression céramique sur verre. Grâce à plusieurs campagnes expérimentales et des outils d'analyse numérique, des encres céramiques sont caractérisées sous différents aspects. D'abord, optiquement, où l'étude des phénomènes de diffusion permet d'appréhender le comportement de la lumière dans ces milieux complexes. Elles sont également caractérisées énergétiquement, grâce à la fabrication de nombreux modules PV avec faces avant imprimées. Le contrôle qu'offre la technologie sur les dessins numériques permet de tester différentes techniques pour jouer sur l'œil de l'observateur, comme des synthèses colorimétriques par pixellisation et des tramages. D'autres problématiques liées aux encres sont abordées, comme la montée en température des modules colorés où encore l'impact des rayons UV sur leur vieillissement. L'analyse des résultats expérimentaux permet de déterminer des solutions globales pour optimiser l'intégration esthétique et le rendement de conversion électrique. Finalement, une méthodologie de conception de modules BIPV esthétiques optimisés est proposée, le choix final du compromis entre couleur et performance étant laissé à l'appréciation du concepteur.

With a view to designing positive-energy buildings, solar energy can be used to cover all energy needs. These structures must also be able to manage all aspects of interior comfort, and be aesthetically pleasing to the eye, in line with architects' requirements. These three points call for optimal integration of multifunctional solar photovoltaic (BIPV) or photovoltaic/thermal hybrid (BIPV/T) components. However, the integration of PV modules in facades leads to a reduction in energy yield, due among other things to their heating, the risk of shading in urban environments, and the coloring technique used to achieve a particular aesthetic. To address the latter constraint, a BIPV component for facades, combining aesthetics and performance in an optimized architectural approach, is required.This work focuses on the potential of a particular technology: ceramic printing on glass. Thanks to several experimental campaigns and numerical analysis tools, ceramic inks are being characterized from various angles. Firstly, optically, where the study of scattering phenomena enables us to understand the behavior of light in these complex media. They are also characterized energetically, thanks to the manufacture of numerous PV modules with printed front panels. The control that technology offers over digital drawings enables us to test different techniques for playing on the observer's eye, such as color synthesis by pixelization and rastering. Other ink-related issues are addressed, such as the temperature rise of colored modules or the impact of UV rays on their aging. Analysis of the experimental results enables us to determine global solutions for optimizing aesthetic integration and electrical conversion efficiency. Finally, a methodology for designing optimized aesthetic BIPV modules is proposed, with the final choice of the compromise between color and performance left to the designer's discretion.