Experimental Performance Characterization and Modeling of Photovoltaic-Thermal Systems for Integration in High Performance Residential Buildings

Les capteurs photovoltaïques intégrés aux bâtiments avec récupération de chaleur (BIPV-T) convertissent l'énergie solaire absorbée en énergie électrique et thermique simultanément à partir d'une seule et même superficie de toit ou de façade, tout en agissant comme une composante intégrale de l'enveloppe du bâtiment. Ainsi, les capteurs BIPV-T démontrent un grand potentiel d'intégration aux bâtiments ayant une superficie limitée de toit ou de façade avec une bonne exposition au soleil ou un objectif énergétique agressif comme par exemple, l'atteinte d'une consommation énergétique nette nulle. Bien que le caractère esthétique et la double-fonctionnalité de cette technologie présente un certain intérêt, le nombre de produits BIPV-T ou de modules photovoltaïques avec récupération de chaleur (PV-T) sur le marché demeure limité. La faible adoption par le marché de cette technologie peut être expliquée par le manque d'information sur son coût-bénéfice, son coût élevé, l'absence d'outils pour estimer la production énergétique et le manque de solutions complètes incluant non seulement le capteur, mais également des stratégies d'utilisation de l'énergie thermique produite. L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'élimination de certains obstacles freinant l'adoption des capteurs BIPV-T et PV-T utilisant l'air comme fluide pour récupérer la chaleur en améliorant les connaissances reliées à la caractérisation de la performance et à ses bénéfices réels. La caractérisation de la performance de capteurs PV-T est un défi. Étant donné que les cellules photovoltaïques agissent en tant qu'absorbeur thermique, le rendement thermique est influencé par le rendement électrique et vice-versa. Afin de capturer cette interaction lors de la caractérisation de la performance, un lien doit être établi entre les rendements thermique et électrique. Le Chapitre 4 présente les résultats d'essais expérimentaux effectués en conditions intérieures et extérieures sur deux capteurs PV-T non-vitrés pour valider une méthode qui consiste à utiliser la température équivalente des cellules pour relier la production d'électricité à la production d'énergie thermique dans un capteur PV-T. Cette température peut être estimée à partir de la tension en circuit ouverte sans avoir à mesurer la température des cellules photovoltaïques. Son utilisation évite donc les problèmes associés à la non-uniformité de la température de l'absorbeur et à l'accès à la surface arrière des cellules pour l'installation de senseurs.

Abstract

Building-integrated photovoltaics with thermal energy recovery (BIPV-T) convert the absorbed solar energy into both thermal and electrical energy simultaneously using the same roof or façade area while acting as a standard building envelope material. Thus, BIPV-T show great potential to be integrated in buildings with limited roof or façade area with good solar exposure or in buildings with aggressive energy performance targets such as net-zero. Despite the aesthetic and dual-functionality attractiveness of this technology, the number of BIPV-T products and stand-alone photovoltaic with thermal energy recovery (PV-T) collectors remains limited. The slow market uptake of PV-T technology can be explained by the absence of performance characterization standards and product certification, the lack of information on their cost-benefit, the high cost, the absence of tools to estimate their yield and the lack of whole system solution sets. This thesis aims at contributing to removing some of the barriers to the market uptake of PV-T technology by increasing the knowledge on both its performance characterization and its true benefit focusing on systems using air as the heat recovery fluid. Performance characterization is a challenge for PV-T collectors because PV cells act as the thermal absorber and as a result, the thermal performance is affected by the electrical performance and vice-versa. To capture this interaction during performance characterization, a link between the thermal and electrical yield needs to be established. Chapter 4 presents the results of indoor and outdoor experimental tests performed on two unglazed PV-T modules to validate a method that consists of using the equivalent cell temperature to estimate the PV cells' temperature in a PV-T collector and relate the thermal yield to the electrical yield. This temperature gives a good representation of the actual temperature of the solar cells and can be estimated from the open-circuit voltage without having to actually measure the solar cells' temperature. The equivalent cell temperature solves the problems associated with temperature gradient and PV cells' accessibility for sensor mounting. Under heat recovery conditions, it was found that the equivalent cell temperature could be predicted with the irradiance level and the inlet and outlet fluid temperatures. Since these variables are intrinsically part of the thermal performance characterization, the equivalent cell temperature can be used to link the collector electrical and thermal yield. This relation was further demonstrated by presenting a graphical method that encapsulates both the electrical and thermal performance of the collector.