Ces panneaux solaires restent froids même sous les climats chauds.

Un panneau solaire équipé d'un système de refroidissement a été plus performant qu'un panneau non refroidi par temps chaud à Bagdad. Deyaa MN Mahmood/Elsevier

La chaleur estivale représente un problème majeur pour les panneaux solaires en silicium . Leur rendement diminue généralement de 0,5 % par degré au-dessus de 25 °C. Ce phénomène est particulièrement problématique dans les régions chaudes comme Bagdad, où la température de l'air peut dépasser 50 °C et où une exposition prolongée au soleil peut porter la température de la surface des panneaux à près de 80 °C. Dans ces conditions extrêmes, le rendement des panneaux solaires peut chuter jusqu'à 25 % .

De nouvelles recherches menées en Irak pourraient offrir une solution de refroidissement permettant d'améliorer l'efficacité des panneaux solaires par temps chaud et ensoleillé. Le système utilise un coussin imbibé d'eau placé derrière le panneau solaire pour créer un refroidissement par évaporation, et une pulvérisation d'eau intermittente sur sa face avant pour éviter la surchauffe. Cette stratégie permet d'améliorer le rendement électrique d'environ 20 %, comme l'ont indiqué les chercheurs fin septembre dans la revue Results in Engineering . Le système produit également de l'air plus frais qui pourrait être utilisé pour la ventilation des bâtiments.

Les méthodes actuelles de refroidissement des panneaux solaires, telles que le refroidissement par ventilateur et la ventilation passive, peinent à réguler correctement les températures en cas de fortes chaleurs, explique Deyaa MN Mahmood, experte en systèmes d'énergie thermique à l'Université technique du Moyen-Orient (Middle Technical University) de Bagdad et auteure principale de l'étude. L'air extrêmement sec de Bagdad offre cependant la possibilité d'une approche différente. Son faible taux d'humidité relative, de l'ordre de 15 à 20 %, « crée un environnement thermodynamique idéal pour un refroidissement par évaporation latente très efficace », précise Mahmood.

Comment fonctionne le refroidissement des panneaux solaires ?

La stratégie de Mahmood et de son équipe consiste à ajouter des buses de pulvérisation d'eau, un panneau de refroidissement par évaporation et un capteur de température à un module photovoltaïque . Le panneau d'évaporation, en cellulose, recouvre l'arrière du panneau solaire et un tube perforé répartit l'eau uniformément sur sa surface. Parallèlement, un ventilateur aspire l'air ambiant à travers le panneau, provoquant l'évaporation et le refroidissement du module.

Lorsque la surface avant du panneau atteint 42 à 45 °C, des buses pulvérisent automatiquement de l'eau pour réduire la chaleur et éliminer la poussière. Un réservoir récupère l'eau de rinçage provenant du panneau arrière et des buses avant afin de la recycler, réduisant ainsi la consommation d'eau potable.

Le dispositif expérimental comprend un panneau photovoltaïque modifié, équipé à l'arrière d'un système de refroidissement par évaporation et d'un tube flexible de distribution d'eau. Deyaa MN Mahmood/Elsevier

Dans la configuration la plus performante, avec un coussinet de 100 millimètres d'épaisseur, la température du panneau a chuté de 29,7 °C par rapport à un panneau non refroidi. Le rendement de conversion électrique s'est également amélioré d'environ 20 %. Les chercheurs ont testé le système en juillet, août et septembre, en effectuant des mesures pendant les heures les plus chaudes et les plus ensoleillées de Bagdad.

L'équipe est parvenue à cette conception après avoir construit des prototypes précédents, dont l'un utilisait un échangeur de chaleur eau souterraine-air pour pré-refroidir l'air entrant avant qu'il n'atteigne la plateforme. Cependant, cette conception présentait des limitations pratiques dues à la nécessité d'infrastructures de puits profonds et d'une importante puissance de pompage. Le dernier prototype combine un refroidissement par évaporation derrière le panneau avec une pulvérisation d'eau intermittente sur la face avant, s'activant uniquement en cas de besoin. Cela permet au système de refroidir les deux faces et d'éliminer la poussière sans recourir à des systèmes d'eau souterraine énergivores.

« L’association de ces deux méthodes permet de pallier les principales limitations des systèmes autonomes », explique Mahmood. Le refroidissement par évaporation à l’arrière uniquement peut devenir moins efficace lorsque la température ambiante dépasse 50 °C.

L'efficacité des panneaux solaires diminue dans les climats chauds.

Un panneau de refroidissement par évaporation, fixé à l'arrière du panneau, est maintenu humide grâce à un tuyau de distribution d'eau. Deyaa MN Mahmood/Elsevier

L'un des principaux défis techniques de la nouvelle conception a consisté à adapter le panneau de cellulose par évaporation à l'inclinaison de 33° du banc d'essai, l'angle d'inclinaison fixe optimal pour les panneaux solaires à la latitude de Bagdad. Ces panneaux sont généralement installés verticalement dans les refroidisseurs d'air par évaporation et les systèmes de ventilation des serres, permettant à l'eau de s'écouler uniformément vers le bas par gravité. L'installation du panneau incliné a nécessité des ajustements du débit et de la distribution de l'eau afin d'éviter les zones sèches ou la formation de canaux d'écoulement, explique Mahmood.

La réduction de la température du panneau de près de 30 °C dans des conditions extrêmes est impressionnante, affirment Qiaoqiang Gan et Sunmiao Fang , chercheurs en science des matériaux à l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah ( KAUST ), qui n'ont pas participé à cette recherche. Des essais antérieurs de refroidissement par pulvérisation d'eau ont permis d'obtenir des réductions de température de l'ordre de 10 à 22 °C et des améliorations du rendement électrique de l'ordre de 7 à 24 %, selon une étude publiée en mai dans Scientific Reports.

Toutefois, les comparaisons entre les technologies de refroidissement doivent tenir compte de nombreux facteurs. « Les performances de refroidissement observées sont encourageantes, mais la valeur finale des technologies de refroidissement photovoltaïques doit être évaluée en fonction de leurs gains énergétiques nets, de leur consommation d'eau et de leurs coûts d'exploitation à long terme, et non pas uniquement de la réduction de température », explique Gan, professeur à KAUST.

Compromis entre énergie et eau dans le refroidissement photovoltaïque

Dans le système de Mahmood, la configuration la plus performante a permis d'augmenter la production électrique moyenne d'un module photovoltaïque de 150 watts d'environ 16,7 W. Cependant, le système utilisait un ventilateur et des pompes pour la circulation et la pulvérisation de l'eau, ce qui a pu réduire ces gains. Selon Fang, chercheur postdoctoral à l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST), il est essentiel de prendre en compte la consommation électrique réelle et les cycles de fonctionnement pour évaluer les avantages électriques nets.

Mahmood reconnaît cette limitation. « Dans notre prototype à panneau unique, l'énergie parasite consommée par la pompe et le ventilateur dépassait en réalité le gain de puissance électrique immédiat généré par l'effet de refroidissement, une limitation bien connue des prototypes à petite échelle », explique-t-il. Ce problème pourrait être atténué dans les installations commerciales à grande échelle, où une infrastructure partagée de pompage et de ventilation peut être déployée sur un grand nombre de panneaux, réduisant ainsi les coûts par panneau.

Mahmood entrevoit également des économies d'énergie potentielles grâce à l'intégration du système à la ventilation du bâtiment. « Ce qui nous a le plus surpris, c'est l'exceptionnelle qualité thermique de l'air extrait à l'arrière », explique-t-il. Après avoir traversé le tampon de cellulose imbibé d'eau, l'air refroidi pourrait être dirigé vers les unités d'admission d'air frais du système de chauffage, ventilation et climatisation ( CVC ) pour prérefroidir le système.

« Si l’on tient compte de l’énergie thermique secondaire économisée grâce à l’utilisation de l’air d’échappement refroidi pour le pré-refroidissement du système CVC du bâtiment, le bilan énergétique net total du système devient très favorable », explique Mahmood.

Le refroidissement par panneaux solaires peut également refroidir les bâtiments.

L'efficacité du système pour refroidir les bâtiments reste à vérifier. Les chercheurs ont relevé une température de l'air en sortie d'environ 34 °C, ce qui nécessiterait un refroidissement supplémentaire pour assurer le confort intérieur, souligne Fang.

D'autres facteurs peuvent influencer le déploiement dans les régions arides, notamment la disponibilité en eau, l'accumulation de poussière, les dépôts minéraux, le colmatage des buses et la maintenance. Le recours à des ventilateurs et des pompes motorisés peut également compliquer les installations dans les zones où l'alimentation électrique est irrégulière.

Fang affirme que cette technologie peut convenir aux bâtiments disposant d'une alimentation en eau fiable et d'une ventilation existante, mais que les coûts d'installation, de rénovation, d'électricité et d'entretien pourraient annuler les économies réalisées dans les petits systèmes résidentiels ou hors réseau.

L'équipe de Mahmood à l'Université technique du Moyen-Orient recherche des développeurs de projets solaires et des partenaires fabricants de systèmes CVC pour un projet pilote commercial à grande échelle.

https://spectrum.ieee.org/solar-panel-cooling