Investigation and proposal of a novel solar-powered trigeneration system for more environmentally friendly heating, cooling, and power generation

Pourquoi transformer la lumière du soleil en confort est important

Maintenir le confort dans nos maisons, bureaux et hôpitaux demande beaucoup d’énergie, la majeure partie provenant encore de combustibles fossiles qui réchauffent la planète et polluent l’air. Dans le même temps, le soleil déverse chaque jour d’énormes quantités d’énergie propre sur nos toits et nos rues. Cette étude explore une nouvelle manière de capter cette lumière solaire afin qu’un seul système puisse fournir simultanément trois services essentiels pour les bâtiments : électricité, chauffage et climatisation. En extrayant davantage d’énergie utile de chaque rayon, la conception proposée vise à réduire les pertes, diminuer les émissions et réduire notre dépendance aux centrales conventionnelles.

Une tour solaire, trois services utiles

Le cœur de l’installation proposée est une tour solaire entourée de miroirs qui suivent le soleil et réfléchissent sa lumière vers un récepteur situé au sommet. À l’intérieur de ce récepteur, les chercheurs utilisent des tubes hélicoïdaux serrés avec de petites nervures internes, remplis d’un fluide caloporteur spécial appelé Syltherm 800. Lorsque la lumière solaire concentrée atteint le récepteur, l’huile à l’intérieur de ces tubes enroulés chauffe rapidement. Plutôt que d’utiliser cette huile chaude pour une seule tâche, le système oriente la chaleur vers un agencement combiné capable de produire de l’électricité, de fournir de l’eau glacée pour la climatisation et de délivrer de l’eau chaude ou de la vapeur pour le chauffage, le tout en même temps. Autrement dit, le même rayonnement capté alimente une usine de « trigénération » dédiée aux besoins des bâtiments.

Boucles cachées qui transforment la chaleur en électricité et en froid

Pour convertir cette chaleur captée en services utiles, le système repose sur deux boucles liées. La première est une boucle de production électrique connue sous le nom de cycle de Kalina, qui utilise un mélange d’ammoniac et d’eau qui bout et condense sur une gamme de températures. Cela lui permet de mieux s’adapter à la chaleur solaire et d’extraire plus de travail à partir de températures relativement modérées que les cycles à vapeur traditionnels. L’huile chaude provenant du récepteur transfère son énergie à ce mélange, qui s’expanse ensuite à travers une turbine pour produire une puissance mécanique convertible en électricité. Ensuite, le fluide de travail partiellement refroidi conserve encore suffisamment de chaleur pour être réutilisé plutôt que gaspillé.

La deuxième boucle est un cycle de refroidissement par absorption qui utilise également un mélange ammoniac–eau, mais arrangé de sorte que ce soit la chaleur, et non l’électricité, qui entraîne le processus de refroidissement. Une partie du fluide chaud quittant la boucle de production est envoyée vers un générateur qui sépare la vapeur d’ammoniac de la solution. Lorsque cette vapeur est ensuite réabsorbée, elle prélève de la chaleur sur un autre flux, créant un effet de refroidissement adapté à la climatisation ou au stockage frigorifique. Toute chaleur résiduelle peut être dirigée à travers un échangeur/processus de chauffage pour fournir de la chaleur utile pour l’eau chaude ou des besoins industriels. Ensemble, ces boucles garantissent que la chaleur solaire à haute température accomplit d’abord la tâche la plus précieuse — produire de l’électricité — puis se dégrade en cascade pour les fonctions de refroidissement et de chauffage.

Comment des ajustements de conception améliorent les performances

Les chercheurs utilisent des simulations informatiques pour tester comment les choix de conception influencent les performances du système. Ils se concentrent sur la forme des tubes enroulés dans le récepteur, l’intensité du rayonnement solaire incident et les conditions d’exploitation à l’intérieur des boucles de production et de refroidissement. Ils constatent que l’utilisation de nervures internes plus petites dans les coils hélicoïdaux, combinée à un fort ensoleillement, augmente nettement la température de sortie de l’huile — d’environ 40 % dans un cas favorable — sans imposer d’importantes pénalités de pression. Des températures d’huile plus élevées augmentent à leur tour la puissance produite par la turbine, le chauffage délivré aux utilisateurs et la capacité de refroidissement de l’unité d’absorption. Lorsque l’intensité du rayonnement direct passe d’un niveau modéré à un niveau élevé, la production utile globale du système de trigénération passe d’environ 145 kilowatts à plus de 200 kilowatts, et tant l’efficacité énergétique que l’efficacité exergétique, plus exigeante, s’améliorent.

Identifier où l’énergie est perdue

Toute l’énergie solaire entrante ne peut pas être transformée en services utiles ; une partie est inévitablement dégradée ou perdue. Pour comprendre où se situent les pertes les plus importantes, les auteurs réalisent une analyse exergétique, qui suit non seulement la quantité d’énergie qui circule dans le système, mais aussi combien de cette énergie reste capable d’accomplir un travail. Ils découvrent que le récepteur central au sommet de la tour est la principale source de perte de qualité, suivi par le champ de miroirs et le surchauffeur qui transfert la chaleur de l’huile au fluide de travail. Ces pertes proviennent principalement des différences de température entre les flux chauds et froids et des fuites de chaleur vers l’environnement. En réduisant ces écarts de température et en affinant la conception du récepteur et du séparateur, les auteurs soutiennent que les versions futures du système pourraient extraire encore plus d’électricité utile, de chauffage et de refroidissement à partir du même ensoleillement.

Ce que cela signifie pour des bâtiments plus propres

En termes pratiques, l’étude montre qu’une tour solaire soigneusement conçue peut agir comme un hub énergétique compact, fournissant électricité, climatisation et chauffage aux bâtiments en n’utilisant que la lumière du soleil et une plomberie intelligente. Dans des conditions d’ensoleillement réalistes, les efficacités énergétique et exergétique globales du système sont comparables, et parfois légèrement supérieures, à d’autres concepts avancés de trigénération solaire rapportés dans la littérature. Bien que le travail repose sur des simulations détaillées plutôt que sur des expériences à grande échelle, il trace une voie pratique pour remplacer des chaudières, des groupes frigorifiques et l’électricité du réseau alimentés par des combustibles fossiles par une solution solaire intégrée qui utilise mieux chaque photon capturé.

Citation: Alsharif, A.M., Khaliq, A., Hussein, E. et al. Investigation and proposal of a novel solar-powered trigeneration system for more environmentally friendly heating, cooling, and power generation. Sci Rep 16, 12871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41098-x

Mots-clés: solar trigeneration, building energy systems, concentrated solar power, solar heating and cooling, Kalina cycle