Comment cette fenêtre solaire produit de l’électricité et de la chaleur simultanément

L’utilisation de l’énergie solaire en milieu urbain est une gageure, car le solaire a besoin de place. Une manière de s’y prendre est de concevoir des systèmes hybrides, qui remplissent le maximum de fonction pour une même surface. C’est ainsi que des chercheurs anglais ont mis au point une fenêtre capable de produire de l’électricité et de l’eau chaude sanitaire.

Cette technologie, appelée PVTW (pour Photovoltaic-thermal window, ou Fenêtre photovoltaïque-thermique) permet de gérer l’énergie solaire selon trois formes utiles pour le bâtiment : l’électricité, la chaleur et l’éclairement lui-même. Non, ce n’est pas un mouton à trois pattes, c’est une manière d’optimiser au maximum l’encombrement spatial des systèmes énergétiques en milieu urbain.

Des chercheurs de l’Imperial College de Londres ont conçu un système complet et publié les résultats de leurs tests dans la revue Advanced Science (l’article est en accès libre).

Comparaison de deux fenêtres solaires / Image : Imperial College of London.

Un sandwich pour optimiser l’utilisation du spectre solaire

Le système testé est constitué d’un sandwich qui va jouer avec les différentes portions du spectre de la lumière solaire. Sur la face extérieure, on trouve tout d’abord une couche de « verre photovoltaïque », constitué d’un réseau de capteurs solaires en silicium amorphe, séparés les uns des autres au sein d’une matrice de verre transparent. Les capteurs photovoltaïques vont capter la portion visible de la lumière solaire, et la transformer d’une part en électricité, et d’autre part en chaleur. Le verre va laisser passer la lumière visible – là où il n’y a pas de capteur – mais va absorber les ultraviolets (en dessous d’une longueur d’onde de 320 nm), qui vont ainsi le chauffer.

Vient ensuite une couche d’eau. Cette dernière est quasiment transparente dans la portion visible du spectre de la lumière solaire, mais elle très absorbante dans le domaine de l’infrarouge (au-delà de 1200 nm) – l’eau sera donc chauffée par cette dernière portion du spectre. Cette source de chaleur sera complétée par les pertes thermiques des capteurs photovoltaïques, ainsi que la chaleur du verre chauffée par les ultraviolets. La fenêtre est ensuite close par une couche de verre sur sa face intérieure.

Principe de fonctionnement de la fenêtre solaire (traduit de l’anglais par Google) / Image : Imperial College of London.

Un test en condition réelles a été mené à Londres

Le système a été testé expérimentalement à Londres, dans des conditions assez favorables pour l’énergie solaire : à midi, un angle de 30°, une température extérieure de 34° (on suppose en été), et un éclairement de 1 100 W/m². Le rendement du système était de 3,6 % en termes d’électricité, et de 10,7 % en termes de chaleur, et il a produit de l’eau chaude une température de 50 °C. L’angle de la fenêtre a une certaine influence sur ces résultats : avec un angle de 90°, le système a un rendement de 3,3 % électrique, de 17,6 % thermique et une température d’eau chaude abaissée de 7 °C.

Lors du même essai, le système a été comparé à une fenêtre solaire thermique uniquement. L’eau produite avec le système hybride est 10 °C plus chaude, et le rendement global est augmenté de 10 %. Des résultats encourageants, donc, même si l’on préfère ne pas imaginer la complexité des réseaux électriques et d’eau chaude sanitaire qu’il faudra connecter à ces fenêtres dans un bâtiment réel !