Des scientifiques chinois inventent une fenêtre photovoltaïque avec contrôle du flux de chaleur

Un groupe de scientifiques chinois a développé un nouveau Fenêtre photovoltaïque intelligente (SPV)qui génère de l'électricité tout en étalonnant la quantité de rayonnement solaire entrant dans un bâtiment.

« Notre étude présente une fenêtre à usage spécifique et sa stratégie de contrôle de fonctionnement pour améliorer simultanément l'efficacité énergétique du bâtiment et la compatibilité avec le réseau électrique », a déclaré l'auteur correspondant Yutong Tan. « Les résultats de l'étude montrent que la fenêtre SPV avec une stratégie de contrôle du flux thermique réduit considérablement le rapport lumière du jour/lumière excessive, la charge de pointe, la différence moyenne quotidienne entre le pic et la vallée et la consommation énergétique nette annuelle par rapport aux fenêtres conventionnelles à faible émissivité (Low-E) ».

Le système combine des cellules en silicium cristallin et des films électrochromiques. Le dispositif photochromique proposé (PECD) combine une fonction photovoltaïque, qui convertit la lumière du soleil en énergie, et une fonction électrochromique (EC), qui modifie la transparence de la fenêtre et mesure le rayonnement solaire frappant le bâtiment.

La fenêtre est composée d'un verre de protection transparent, d'une couche fonctionnelle, d'un substrat en verre transparent, d'une chambre à gaz argon et d'une feuille de verre Low-E. Le film EC est pris en sandwich entre les deuxième et troisième surfaces du verre, et le revêtement Low-E est déposé sur la cinquième surface. La zone exposée à la lumière du jour a été équipée d'une bande mince de 3 mm de silicium cristallin à 11,6 % d'efficacité.

L'équipe de recherche explique : « Le film EC est pris en sandwich entre deux substrats transparents à cinq couches, dont deux électrodes transparentes, une couche de stockage d'ions, une couche de conduction d'ions et une couche électrochromique. » Lorsqu'aucune tension n'était appliquée, le film EC était dans un état blanchi avec une transmission visible maximale. Lorsque la tension est appliquée à la membrane EC, les ions lithium de la couche de stockage d'ions se précipitent vers la couche électrochromique, et le trioxyde de tungstène de la couche électrochromique commence à se colorer lorsqu'il rencontre les ions lithium. Plus la tension appliquée est élevée, plus la couleur du film électrochromique est foncée, ce qui entraîne un taux de transmission de la lumière visible plus faible.

La structure a été construite dans un programme Windows, puis exportée vers le logiciel de simulation de bâtiment EnergyPlus. Les dimensions du bâtiment sont de 50,0 mètres de long, 4,6 mètres de profondeur et 2,7 mètres de haut, avec un rapport fenêtres/murs de 77 %. Les bâtiments ont été simulés dans les villes de Fuzhou, Xiamen, Hong Kong et Haikou pendant la saison de refroidissement de mai à octobre. Les maxima horaires mensuels moyens de rayonnement solaire étaient respectivement de 482 W/m2, 444 W/m2, 468 W/m2 et 534 W/m2.

Deux stratégies de contrôle ont été créées pour la fenêtre intelligente proposée, à savoir le contrôle du rayonnement solaire (CtrlRad) et le contrôle du flux thermique (CtrlFlux). Dans CtrlRad, l'état de coloration varie en fonction du seuil de rayonnement solaire incident, tandis que dans CtrlFlux, l'état de coloration varie en fonction de la densité du flux thermique à travers la fenêtre. De plus, une fenêtre Low-E normale est simulée comme référence.

L'analyse des universitaires a montré que la fenêtre SPV avec la stratégie de contrôle CtrlFlux était capable d'obtenir des réductions du taux d'ensoleillement excessif, de la charge de pointe, de la différence moyenne quotidienne entre le pic et la vallée et de la consommation énergétique nette annuelle de respectivement 81,6 % à 93,1 %, 49,3 % à 54,5 %, 54,7 % à 65,8 % et 49,1 % à 69,2 %, par rapport au système Low-E. Dans le cas de la stratégie de contrôle CtrlRad, les réductions étaient respectivement de 92,1 % à 96,6 %, 50,9 % à 57,3 %, 44,0 % à 54,2 % et 44,0 % à 54,2 %, par rapport au système Low-E.

« En prenant en compte l’utilisation efficace de la lumière du jour, la charge de pointe, la différence entre le pic et la vallée et la consommation nette d’énergie, l’amélioration globale moyenne des performances des fenêtres SPV avec des stratégies de contrôle du flux de chaleur est de 55,5 % », a conclu l’équipe. Le Dr Chen a ajouté : « À l’avenir, nous étudierons également comment créer des environnements intérieurs de lumière naturelle et thermiques à l’aide de fenêtres photovoltaïques intelligentes. »

Le système a été publié dans l'article « Évaluation de l'efficacité énergétique et de la compatibilité avec le réseau des fenêtres photovoltaïques intelligentes combinant des cellules en silicium cristallin et des films minces électrochromiques » dans la revue Applied Energy. L'étude a été menée par des scientifiques de l'Université du Hunan en Chine et du Laboratoire clé de sécurité des bâtiments et de conservation de l'énergie du ministère de l'Éducation de Chine.