La fenêtre thermique photovoltaïque atteint une efficacité électrique de 3,6 % et fournit de l'eau chaude à 50 °C

Une équipe de chercheurs allemands et britanniques a développé un nouveau Fenêtre hybride PV-thermique intégrée au bâtiment(PVTW) qui produit à la fois de l'électricité et de l'eau chaude sanitaire (ECS).

« L’installation de panneaux et de capteurs solaires ordinaires dans un environnement bâti nécessite l’utilisation d’un espace de toit important, qui est limité. Cela a inspiré le développement de technologies efficaces intégrées au bâtiment qui peuvent maximiser l’utilisation de l’espace et l’approvisionnement en énergie. » « Dans ce travail, nous avons fabriqué et testé un PVTW hybride intégré au bâtiment, qui se compose d’une couche PV translucide et d’un absorbeur de chaleur à base de liquide à absorption sélective. »

Le composant principal du PVTW est une couche de verre avec un réseau de micro-rayures espacées de silicium amorphe (a-si). Seule une partie de la lumière solaire est absorbée par la couche PV pour la production d'électricité, tandis que le reste est transmis à une couche d'eau de 4 mm d'épaisseur située en dessous. Deux tubes en laiton servent d'entrée et de sortie d'eau, et deux cadres en polycarbonate sont utilisés pour prendre en sandwich une couche de verre standard à faible teneur en fer.

Les tests ont été réalisés sur un toit à Londres du 16 au 23 juillet 2021, lorsque la température ambiante maximale mesurée était de 34 degrés Celsius et l'irradiance solaire à midi était d'environ 1100 W m - 2. L'appareil a été testé à des inclinaisons de 30°, 60° et 90°, et ses performances ont été comparées à celles d'un module de référence pour un Fenêtre solaire thermique (STW)sans composant PV. Ce dernier est identique au PVTW sauf que la couche PV est remplacée par une couche de verre pour former deux couches.

Les résultats des tests montrent que le système PVTW a une efficacité électrique de 3,6 % et une efficacité thermique de 17,6 %.

« Avec un angle d’inclinaison de 30°, le PVTW présente un rendement électrique de 3,6 % et un rendement thermique de 10,7 %. Sa capacité à produire de l’eau chaude à environ 50°C le rend adapté aux applications domestiques, tandis que sa production d’électricité répond aux besoins énergétiques du bâtiment », a noté l’équipe. « En ajustant l’inclinaison du PVTW de 30° à 90°, on peut observer des changements dans la température de sortie et le rendement thermique, ce qui démontre l’importance de l’orientation sur les performances du système. »

Ils ont ajouté : « Avec une inclinaison de 90°, le système a une efficacité électrique de 3,3 % et une efficacité thermique de 17,6 %, avec une température maximale des effluents d’environ 42 degrés Celsius. Non seulement le système fournit de l’eau chaude à des températures plus élevées qu’une station d’épuration autonome, mais il est également 10 % plus efficace thermiquement et génère également de l’électricité. »

Les universitaires ont déclaré : « Pour comprendre l’impact potentiel du PVTW sur la satisfaction des besoins en énergie thermique d’un bâtiment, nous pouvons estimer la surface de PVTW nécessaire pour répondre aux besoins en eau chaude d’une maison mitoyenne typique de trois chambres à Londres, au Royaume-Uni, occupée par deux adultes et deux enfants. » « En utilisant un bilan énergétique, une surface PVTW entière de 1,2 mètre carré maximum à une inclinaison de 30° serait nécessaire pour répondre immédiatement à cette demande. En supposant un système plus grand avec un réservoir de stockage d’eau chaude, nous estimons qu’à la même inclinaison, environ 2,8 m2 de surface PVTW seraient nécessaires pour répondre à l’ensemble de la demande quotidienne sans avoir besoin d’une chaudière de secours. »

Le système est publié dans « Fenêtres photovoltaïques-thermiques (PV-T) hybrides intégrées au bâtiment pour la gestion synergétique de la lumière, de l'électricité et de la production de chaleur » dans la revue Advanced Science. Des chercheurs de l'Imperial College de Londres, au Royaume-Uni, et de l'Institut de technologie de Karlsruhe, en Allemagne, ont mené l'étude.