Systèmes solaires photovoltaïques/thermiques à concentration et de stockage d’énergie par pompage thermique intégrés adaptés au climat froid du Canada
Aperçu du projet
Ce projet répond à l’urgence de réduire les émissions de gaz à effet de serre dans un contexte de multiplication des événements météorologiques extrêmes liés aux changements climatiques. En misant sur l’électrification à partir de sources d’énergie renouvelables, notamment l’éolien et le solaire, le projet propose une voie essentielle pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles. Bien que le potentiel de l’énergie éolienne et solaire soit considérable pour répondre à la demande énergétique du Canada, leur intermittence nécessite des solutions novatrices de stockage d’énergie.
Ce projet de recherche, mené en collaboration avec une entreprise de Calgary, vise à faire progresser les systèmes photovoltaïques/thermiques à concentration (CPV/T) adaptés aux climats froids, et à explorer leur intégration avec des systèmes de stockage d’énergie thermique par pompage (PTES). Ces efforts devraient améliorer l’efficacité et la compétitivité de la conversion et du stockage de l’énergie solaire, mettant en valeur le fort potentiel du Canada à déployer des technologies solaires thermiques à concentration pour répondre durablement à ses besoins énergétiques.
Renseignements clés
| Chercheur principal | Aggrey Mwesigye, professeur adjoint, génie mécanique et de fabrication, University of Calgary |
Cochercheurs principaux |
Abdulmajeed Mohamad, professeur, génie mécanique et de fabrication, University of Calgary; Dominic Groulx, professeur, génie mécanique, Dalhousie University; Fuzhan Nasiri, professeur agrégé, génie du bâtiment, civil et environnemental, Université Concordia |
Collaborateurs de recherche |
Wahiba Yaici, scientifique de recherche, CanmetÉNERGIE-Ottawa, Ressources naturelles Canada Apostol Radev, SolarSteam Inc. |
| Partenaires non universitaires | SolarSteam Inc., Ressources naturelles Canada |
| Mots-clés de la recherche | Stockage d’énergie thermique par pompage, solaire thermique à concentration, stockage thermique, climat froid, matériaux à changement de phase |
| Budget | En espèces : 200 000 $ En nature : 40 000 $ |
Publications:
P. Adebayo, N. Fry, R. Shor, A. Mohamad, and A. Mwesigye, “Thermal analysis of a double U-loop vertical ground heat exchanger for a solar-assisted ground source heat pump,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 64, p. 103837, Aug. 2025, doi: 10.1016/j.tsep.2025.103837.
S. Bhadra and A. Mwesigye, “Influence of control strategy on the energetic performance of an air source heat pump coupled with a solar air collector for domestic hot water in a cold climate,” Renewable Energy, vol. 244, p. 122682, May 2025, doi: 10.1016/j.renene.2025.122682.
Z. Said et al., “Sustainable Thermal Solutions: Enhancing Heat Transfer with Turbulators and Nanofluids,” Adv Energy and Sustain Res, vol. 6, no. 5, p. 2400335, May 2025, doi: 10.1002/aesr.202400335.
C. Beragama Jathunge, S. B. Dworkin, C. Wemhöner, and A. Mwesigye, “Performance investigation of a solar-assisted ground source heat pump system coupled with novel offset pipe energy piles and solar PVT collectors for cold climate applications,” Applied Thermal Engineering, vol. 265, p. 125568, Apr. 2025, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2025.125568.
S. Davani, A. Darbandi, J. Gruenes, A. Hoxie, and A. Mwesigye, “Thermal performance of a solar-assisted slinky foundation heat exchanger coupled with a heat pump in a cold climate,” Applied Thermal Engineering, vol. 261, p. 124986, Feb. 2025, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2024.124986.
P. Adebayo, R. Shor, A. Mohamad, C. Wemhöner, and A. Mwesigye, “Performance analysis of a solar-assisted ground source heat pump with a single vertical U-tube ground heat exchanger,” Applied Thermal Engineering, vol. 257, p. 124452, Dec. 2024, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2024.124452.
N. Mazaheri and A. Mwesigye, “Novel high heat flux thermal management with combined supercritical CO2 and a microjet heat sink,” Applied Thermal Engineering, vol. 256, p. 124143, Nov. 2024, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2024.124143.
P. Adebayo et al., “Development, modeling, and optimization of ground source heat pump systems for cold climates: A comprehensive review,” Energy and Buildings, vol. 320, p. 114646, Oct. 2024, doi: 10.1016/j.enbuild.2024.114646.
A. Mwesigye, “Thermodynamic Performance Investigation of Environmentally Friendly Working Fluids in a Geothermal Integrated Pumped Thermal Energy Storage System,” Journal of Solar Energy Engineering, vol. 146, no. 5, p. 051008, Oct. 2024, doi: 10.1115/1.4065554.
N. Fry, P. Adebayo, R. Tian, R. Shor, and A. Mwesigye, “A review of district energy technology with subsurface thermal storage integration,” Geotherm Energy, vol. 12, no. 1, p. 29, Aug. 2024, doi: 10.1186/s40517-024-00308-3.
T. Oketola and A. Mwesigye, “Numerical investigation of the overall thermal and thermodynamic performance of a high concentration ratio parabolic trough solar collector with a novel modified twisted tape insert using supercritical CO2 as the working fluid,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 51, p. 102592, June 2024, doi: 10.1016/j.tsep.2024.102592.
B. Abbasi, S. Li, and A. Mwesigye, “Energy, exergy, economic, and environmental (4E) analysis of SAHP water heaters in very cold climatic conditions,” Renewable Energy, vol. 226, p. 120391, May 2024, doi: 10.1016/j.renene.2024.120391.
C. Beragama Jathunge, A. Darbandi, S. B. Dworkin, and A. Mwesigye, “Numerical investigation of the long-term thermal performance of a novel thermo-active foundation pile coupled with a ground source heat pump in a cold-climate,” Energy, vol. 292, p. 130497, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.energy.2024.130497.
Aggrey Mwesigye: Finalist ASTech Awards 2025 – Energy/CleanTech Innovation Category, ASTech Awards 2025, August 8, 2025.
Abdulmajeed Mohamad: 2025 APEGA Frank Spragins Technical Award, Association of Professional Engineers and Geoscientists of Alberta (APEGA), May 5, 2025.
Dominic Groulx: Fellow of ASME, American Society of Mechanical Engineers, May 1, 2025.
Aggrey Mwesigye: Early Career Research Excellence Award, Schulich School of Engineering, University of Calgary, February 18, 2025.
Fuzhan Nasiri: Research Innovation Fellow, Concordia University, Gina Cody School of Engineering, November 29, 2024.
Dominic Groulx: Fellow of ASME, American Society of Mechanical Engineers, November 1, 2024.
But de la recherche
Développement et optimisation de systèmes solaires hybrides
Le projet vise à concevoir, modéliser, tester et optimiser de nouvelles configurations de systèmes photovoltaïques/thermiques à concentration (CPV/T) à haute température, spécialement conçus pour les climats froids. Il comprend la création de récepteurs novateurs pour des capteurs paraboliques composés (CPC) et des capteurs paraboliques cylindro-paraboliques (PTC), afin d’améliorer le rendement de la conversion de l’énergie solaire.
Évaluation complète des performances
Évaluer les performances énergétiques, exergétiques, économiques et environnementales des systèmes intégrés CPV/T et PTES dans diverses conditions climatiques canadiennes. Cette approche globale garantit la viabilité et la durabilité des solutions proposées.
Sélection et mise à l’essai de matériaux pour le stockage thermique
Sélectionner et tester des matériaux adaptés au stockage thermique à température moyenne ou élevée dans les systèmes PTES. Cette étape est essentielle pour assurer la durabilité et l’efficacité des solutions de stockage d’énergie.
Innovation dans les systèmes de stockage thermique
Développer, caractériser et optimiser un système de stockage thermique à haute densité énergétique et à haute température. Cette initiative vise à faire progresser les technologies de stockage thermique pour permettre un stockage plus efficace et de plus longue durée.
Caractérisation des performances en conditions réelles
Caractériser expérimentalement les performances des systèmes CPV/T développés dans des conditions réelles d’exploitation. Cela implique de tester leur efficacité et leur adaptabilité aux conditions environnementales réelles afin de garantir leur applicabilité pratique et leur fiabilité.
Amélioration de l’efficacité et du stockage
Le projet vise à atteindre un rendement global (optique, électrique et thermique) de 85 % pour les systèmes CPV/T et une efficacité "power-to-power" de plus de 80 % pour les systèmes PTES. Ces objectifs ambitieux représentent une avancée majeure par rapport aux technologies actuelles, démontrant l’engagement du projet à repousser les limites de l’efficacité en matière de conversion et de stockage de l’énergie solaire.
Partenaires non universitaires
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