Dimensionnement et optimisation d'un système photovoltaïque thermique avec intégration dans le bâtiment pour la production de froid

Sizing and optimization of a photovoltaic thermal system for cooling production

• Auteur / Autrice : Achraf Nedjar
• Direction : Rafik Absi, Abla Abdelmoumene, Rachid Bennacer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Cergy
• Date : Soutenance le 04/07/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Université Mentouri (Constantine, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : QUARTZ (ECS, L@RIS, LISMMA)
• Jury : Président / Présidente : Mahfoud Djezzar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rafik Absi, Abla Abdelmoumene, Rachid Bennacer, Mahfoud Djezzar, Amor Bouhdjar, Naïma Belayachi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amor Bouhdjar, Naïma Belayachi

Mots clés

Mots clés libres

Capteurs hybrides photovoltaïques thermiques (PVT)

Systèmes thermiques

Systèmes renouvelables

Adsorption solaire

Dimensionnement

Optimisation

Photovoltaic hybrid thermal collectors (PVT)

Thermal systems;

Renewable systems

Solar adsorption

Sizing

Optimization

Résumé

Cette thèse présente une étude complète sur les performances d'un système hybride photovoltaïque / thermique (PVT) dimensionné pour la production de froid par adsorption. Le logiciel de simulation dynamique TRNSYS a été utilisé pour simuler le système tenant compte des conditions météorologiques d'Alger situé au nord de l'Algérie. L'étude prend en considération la génération effective d'énergie thermique par les capteurs, ainsi que la variation réelle des performances du refroidisseur à adsorption. L'objectif principal étant de dimensionner et d'optimiser le système solaire avec un stockage calorifique afin de garantir une production de froid stabilisée durant toute l'année.Préalablement, une revue approfondie de la littérature a été dressée, examinant les systèmes hybrides PVT, les systèmes de refroidissement à sorption solaire, ainsi que les recherches existantes qui explorent la combinaison de ces deux technologies.En second lieu, une étude numérique sur la géométrie de l'échangeur du collecteur PVT a permis de déterminer que la géométrie en nappe offre les meilleurs rendements thermique et global. De plus, la gamme de température de l'eau chaude délivrée par ces capteurs, notamment les collecteurs DualSun correspond aux températures de fonctionnement des machine de froid solaire à adsorption.Ensuite, les composants du système PVT - Adsorption ont été dimensionné et un modèle mathématique a été élaboré et validé par des travaux expérimentaux publiés. L'étude des performances du système pour une production de froid entre 4°C et 8 °C a révélé que les capteurs hybrides DualSun offrent une production annuelle optimale. En outre, le système de refroidissement par adsorption permet de répondre à 36 % du besoin le long de l'année. La différence de température entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte à refroidir permet d'équilibrer l'offre et la demande de froid. Il a aussi été relevé que le rendement thermique est fortement affecté par la température ambiante alors que le rendement électrique est plus sensible au rayonnement solaire.L'analyse des pertes du dispositif de stockage a indiqué que celles-ci dépendent d'une part, de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du ballon de stockage avec des valeurs plus significatives pendant la saison estivale. D'autres part, les pertes dépendent aussi du volume du ballon qui a été optimisé en vue de limiter l'échange thermique avec l'extérieur.L'analyse économique du système PVT - Adsorption proposé a révélé sa viabilité sous certaines conditions clés, principalement liées au coût de l'électricité. La rentabilité est atteinte à condition que le coût de l'électricité dépasse le seuil de 0,08 USD/kWh.L'analyse environnementale a permis de déterminer le taux de l'atténuation des émissions de gaz à effet de serre en fonction des facteurs de conversion liés à la production d'électricité. Le système contribue à l'atténuation d'environ 30 tonnes de dioxyde de carbone par an.Les performances du système PVT - Adsorption ont été également étudiées sous diffèrent climats, méditerranéen, subtropical humide et désertique aride. Les résultats ont indiqué que le système est plus productif sous un climat désertique aride et plus efficace sous un climat méditerranéen, qui présente une meilleure régularité entre l'offre et la demande en matière de refroidissement.La combinaison des technologies PVT et adsorption solaire se révèle ainsi être efficiente pour la production de froid et peut contribuer de façon significative pour atteindre les objectifs du développement durable.

This thesis presents a comprehensive study of a hybrid photovoltaic/thermal (PVT) system performance dimensioned for cold production by adsorption. TRNSYS dynamic simulation software was used to simulate the system, considering meteorological conditions in Algiers, northern Algeria. The study takes into account the actual generation of thermal energy by the collectors, as well as the actual variation in performance of the adsorption chiller. The main objective is to dimension and optimize the solar system with thermal energy storage to guarantee stabilized cooling production throughout the year.Prior to this, an extensive literature review was carried out, examining PVT hybrid systems, solar sorption cooling systems, as well as existing research exploring the combination of these two technologies.Secondly, a numerical study of the PVT collector's exchanger geometry determined that the water table geometry offers the best thermal and overall efficiency. In addition, the temperature range of the hot water delivered by collectors with this geometry, notably DualSun manifolds, corresponds to the operating temperatures of adsorption solar chillers.Next, the PVT - Adsorption system components were dimensioned and a mathematical model was developed and validated by published experimental work. A study of the system's performance for cooling needs between 4°C and 8°C revealed that DualSun hybrid collectors offer optimum annual production. Furthermore, the adsorption cooling system is able to meet 36% of year-round demand. The temperature difference between the inside and outside of the cooling enclosure balances cooling supply and demand. It was also noted that thermal efficiency is strongly affected by ambient temperature, whereas electrical efficiency is more sensitive to solar radiation.Analysis of storage system losses showed that these depend, on the one hand, on the temperature difference between the inside and outside of the storage tank, with more significant values during the summer season. On the other hand, losses also depend on the volume of the storage tank, which has been optimized to limit heat exchange with the outside.Economic analysis of the proposed PVT - Adsorption system has revealed its viability under certain key conditions, mainly related to the cost of electricity. Profitability is achieved provided that the cost of electricity exceeds the threshold of 0.08 USD/kWh.The environmental analysis determined the rate of mitigation of greenhouse gas emissions as a function of the conversion factors associated with electricity generation. The system contributes to the mitigation of around 30 tons of carbon dioxide per year.The performance of the PVT - Adsorption system was studied under different climates: Mediterranean, humid subtropical and arid desert. The results showed that the system is more productive in an arid desert climate and more efficient in a Mediterranean climate, which offers better regularity between cooling supply and demand.In sum, the combination of PVT and solar adsorption technologies is therefore proving to be an efficient way of producing cold, and can make a significant contribution to achieving sustainable development goals.