Stockage thermique par chaleur latente dans un capteur solaire sous vide

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1 Stockage thermique par chaleur latente dans un capteur solaire sous vide Rania RAMZI, Salwa BOUADILA *, Amen Allah GUIZANI *, Ridha ABID * Laboratoire des Procédés Thermiques, Centre de Recherche et des Technologies de l Energie de Borj-Cedria, BP 95 Hammam Lif 2050, Tunisie. ( ramzirania@hotmail.com) Résumé: Augustin Mouchot a dit, en 1869 : «Si dans nos climats l industrie peut se passer de l emploi direct de la chaleur solaire, il arrivera nécessairement un jour où, faute de combustible, elle sera bien forcée de revenir au travail des agents naturels.» En effet, les nouvelles technologies ne cessent aujourd hui de mettre le point sur les problèmes environnementaux, le manque imminent de certaines énergies et leur coût exorbitant. Mais le problème le plus pertinent reste la nécessité de stocker de l énergie ; autrement elle serait gaspillée. Pour y remédier, on a adopté lors de cette étude le stockage thermique par chaleur latente au moyen d un matériau à changement de phase qui est la paraffine ; dont le changement de phase est la fusion/solidification, au sein du collecteur nouvellement conçu d un capteur à tubes sous vide à caloduc. L énergie solaire stockée dans l unité contenant le MCP pendant les heures d ensoleillement sera ensuite utilisée pendant la nuit pour produire de l eau chaude sanitaire. Mots clés : stockage, capteur solaire, matériaux à changement de phase, chaleur latente, fusion, solidification. I. Introduction Au cours de ces dernières décennies, la demande de l énergie sous ses différentes formes n'a cessé d'augmenter, vue le développement et la croissance de l activité industrielle et la demande du confort dans la vie quotidienne comme dans le transport, le chauffage et la climatisation. Les énergies fossiles dont le pétrole, le charbon et le gaz naturel fournissent actuellement la majeure partie des besoins mondiaux. Cependant elles sont des sources épuisables et responsables de l augmentation des émissions des gaz à effet de serre et du réchauffement climatique. Ainsi, des protocoles stricts pour préserver l environnement ; tel que le protocole Kyoto, ont été mis en œuvre, et des stratégies basées sur le développement durable ont été élaborées. Pour répondre à ces contraintes, deux grandes voies sont possibles. La première est orientée vers la maîtrise de l énergie, et la seconde vers l exploitation des énergies renouvelables. Ces sources d énergie présentent plusieurs avantages car elles sont propres, gratuites, abondantes, et inépuisables. Le rayonnement solaire constitue une source d énergie très abondante dans plusieurs régions du monde. Il peut être converti en énergie électrique par l intermédiaire de cellules photovoltaïque, ou stocké sous forme d énergie thermique par chaleur sensible ou latente ou bien sous forme thermochimique. Cette deuxième alternative dépend, généralement, de l ensoleillement. A ce propos, l utilisation des matériaux à changement de phase; appelés aussi les MCP, pour le stockage thermique sous forme de chaleur latente de fusion permettra la conception de nouveaux systèmes de réserves d énergie. II. Les matériaux à changement de phase On appelle matériau à changement de phase ou MCP tout matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température restreinte située entre 283 et 353 Kelvin. Dans cet intervalle 1

2 de température, le changement de phase prépondérant reste la fusion/solidification. Les matériaux à changement de phase ont pour particularité de pouvoir stocker de l énergie sous forme de chaleur latente ; la chaleur étant absorbée ou restituée lors du passage de l état solide à l état liquide et vice versa. L énergie est alors stockée sous forme d'un changement d'état du matériau de stockage et dépend de la chaleur latente et de la quantité du matériau de stockage. Les MCP reposent sur l application d un principe physique simple. Au-delà d une certaine température caractéristique de chaque matériau, ils se liquéfient en absorbant la chaleur de l atmosphère ambiante et les restituent lorsque la température baisse.cette propriété du matériau est liée à son importante énergie de fusion par unité de volume ; plus celle-ci sera grande plus les propriétés de stockage/restitution de la chaleur seront intéressantes. Dans le choix d un MCP, il faut tenir compte de plusieurs critères d ordre thermique, chimique, physique, écologique et économique. Quant aux critères thermiques, ils se définissent par: - La température de fusion d un MCP doit appartenir à la plage des températures d'utilisation. - La possession d une bonne conductivité thermique pour accélérer le changement de phase. Plus cette conductivité est élevée, plus les températures de charge et de décharge du matériau de stockage sont en baisse. - La possession d une chaleur de fusion latente élevée par unité de masse ; ce qui permet à une plus petite quantité de matériaux de stocker une certaine quantité d énergie donnée. - La possession d une chaleur spécifique élevée pour produire d additionnels effets signifiants du stockage de la chaleur sensible. Ensuite, les critères physiques se distinguent par : - Avoir une faible variation de la masse volumique durant la phase de transition entre l'état liquide et solide pour avoir le même volume dans chaque phase. - Posséder une masse volumique élevée pour un faible volume à stocker. - Posséder un faible degré de surfusion. Les critères chimiques sont, quant à eux, caractérisés par: - La possessiond une stabilité chimique, d une résistance corrosive, et non de décompositions chimiques, sur de longues périodes d utilisation et un nombre de cycles important. - La compatibilité avec les matériaux en contact comme les tuyauteries etles échangeurs. - Concernant maintenant l écologie, contenir des composants non toxiques, non inflammables et non polluants peut être un critère très suffisant. Enfin, économiquement, il est important de noter que les MCP sont disponibles en larges quantités pour de faibles coûts. La complexité du changement de phase cyclique, défini par la fusion/solidification, consiste dans le fait que les MCP perdent leurs propriétés thermophysiques après de nombreuses répétitions du cycle ; ce qui peut se manifester par une variation du point de fusion. Pour y remédier, une séparation des différents constituants peut s opérer sur certains MCP faits de plusieurs composants, comme lessels, pourempêcher une reprise adéquate du cycle. D'autres MCP exigent des additifs afin de maintenir leur qualité. Dans ce cas, l'utilisation d'une substance pure est nécessaire et le nombre de cycles qu on se propose d effectuer est limité, pour qu il n y ait pas de détérioration de ces propriétés [1]. En comparaison avec les techniques du stockage conventionnel en eau, le stockage à changement de phase présente de différents avantages : - Une température relativement constante durant la charge et la décharge. - La capacité de stockage de l énergie thermique est plus élevée que celle du stockage de l énergie sensible que si de petites différences entre les températures utilisées puissent être réalisées. - L émission du monoxyde de carbone (CO) et de l hydrocarbure (HC) est réduite. Cependant, le stockage thermique en utilisant des MCP peut présenter quelques inconvénients dont le coût d investissement qui est très élevé par rapport à celui estimé dans le stockage en eau et les risques de perdre la stabilité de la solution et la détérioration du matériau d encapsulation [2]. II.1. La compacité ou densité énergétique Il est important de noter que les quantités d'énergie mises en jeu dans le processus de 2

3 changement de phase sont bien plus importantes que celles qui interviennent lors de transferts sensibles ; dans la mesure où l'on travaille sur des intervalles restreints de températures. C'est grâce à ces transferts latents qu'il est aujourd'hui possible de réduire considérablement le volume d'un élément de stockage d énergie et donc sa compacité, ou encore d'augmenter très fortement la quantité d'énergie contenue dans un même volume de stockage et donc sa densité énergétique [3]. II.2.La Régulation thermique passive ou rôle tampon Le caractère isotherme ou quasi isotherme de la charge et de la décharge énergétique d'un MCP permet son utilisation en temps que régulateur de température. En effet, si on intègre ce dernier à l'enveloppe d'un bâtiment tels que les murs extérieurs, les planchers ou encore les plafonds, il devient possible de stocker de la chaleur lorsque celle-ci est surabondante ; en été, ou présente au mauvais moment ; dans la journée l'hiver. D ailleurs, en été, l'énergie solaire apportée au cours de la journée est stockée au fur et à mesure par les parois et ce, sans fluctuation excessive de la température à l'intérieur du bâtiment. En hiver, on peut de la même manière stocker la chaleur apportée par le soleil dans les MCP, qui incorporés aux parois, restitueront la chaleur accumulée dans la journée à la fin de la journée et pendant la nuit. Par ailleurs, tout MCP peut servir de déphaseurthermique : tout apport ou perte énergétique en provenance du milieu ambiant peut provoquer la fusion ou la cristallisation du matériau à température quasi constante. Dès lors, le milieu situé de l'autre côté du MCP ne ressent pas aussitôt l'effet de cet apport ou de cette perte, mais ne commencera à le ressentir qu'après la fusion ou la cristallisation totale du matériau [3]. III. Les principales applications du stockage de l'énergie Les systèmes de stockage de l'énergie par chaleur latente, dans lesquels on utilise des matériaux à changement de phase, font l objet de nombreux travaux. De nouvelles techniques de stockage et d'utilisation sont nécessaires pour la récupération des différentes énergies alternatives comme l énergie solaire, l énergie géothermique et l énergie éolienne. III. 1. Les capteurs solaires à eau Varol et al [4], ont déterminé expérimentalement les performances d'un capteur solaire (Fig.III.1.), utilisant le carbonate de sodium décahydraté (Na 2 CO 3 10H 2 O) comme matériau à changement de phase, dont la température de fusion est de 306K. Ils ont comparé ces résultats avec ceux d un système conventionnel sans MCP et ont prouvé que le système de capteur solaire avec MCP est plus efficace. Koca et al [5], ont réalisé une analyse énergétique et exergétique sur un capteur solaire à stockage par chaleur latente utilisant le (CaCl 2.6H 2 O) comme matériau à changement de phase. Un fluide caloporteur spécial a été employé pour transférer la chaleur à partir du collecteur au MCP. Fig.III.1. Dispositif expérimental et photo réelle du capteur solaire de Varol et al [4] III. 2. Les capteurs solaires à air Morrison, Khaliket Jurinak [6] ont évalué les performances des systèmes de chauffage solaire de l'air à changement de phase en utilisant l'unité de stockage d'énergie. Les principaux objectifs de leur travail étaient de déterminer l'effet de la chaleur latente de fusion MCP sur la performance 3

4 thermique de l'air des systèmes de chauffage solaire et d'élaborer des modèles empiriques de stockage d'énergie. Le MCP devrait être choisi sur la base du point de fusion plutôt que de sa chaleur latente. III. 3. Les ballons de stockage de l'eau chaude sanitaire Prakesh [7] a réalisé un chauffe-eau à accumulation contenant une couche de MCP. Pendant les heures d'ensoleillement, l'eau est chauffée et transfère la chaleur vers le MCP en dessous qui la recueille sous forme latente. Pendant les heures hors ensoleillement, par changement de phase de l état liquide à l état solide, le MCP libère une énergie récupérable par l'eau froide. Pour mettre en évidence l utilité des MCP, deux unités de stockage cylindriques en boucle fermée avec des capteurs solaires plans ont été étudiées séparément au cours d une journée par Bansal et Buddhi [8] pendant la période de charge et de décharge : une unité de stockage contenant 17,5kg de paraffine (T f =327K), comme matériau à changement de phase, enfermé dans un échangeur de chaleur en tubes d'aluminium et une autre unité contenant de l'eau comme matériau de stockage dans un réservoir. Il s est avéré que le stockage par chaleur latente a un rendement relativement plus élevé par rapport au système de stockage approprié. Kayguz et al. [9] ont mené une étude théorique et expérimentale pour déterminer la performance des matériaux à changement de phase de stockage de l'énergie pour les systèmes de chauffe-eau solaire CaCl 2.6H 2 O a été utilisé comme PCM. Cabeza et al. [10] ont construit une station solaire pilote pour tester le comportement PCM dans des conditions réelles, ce qui pourrait fonctionner en continu avec le système solaire, ou avec un appoint électrique. Ils ont conclu que l'inclusion d'un module de PCM dans des réservoirs d'eau pour l'approvisionnement en eau chaude domestique est une technique prometteuse. En effet, elle permettrait d'avoir de l'eau chaude pendant de longues périodes de temps, même sans apport d'énergie extérieure. III. 4. Les fours solaires Le principe d un foursolaire ou cuiseur solaire est de concentrer les rayons du soleil sur un appareil de cuisson grâce à des réflecteurs, pour chauffer son contenu. Muthusivagami [11] a classé les fours solaires en deux types : les fours solaires sans stockage (four direct et four indirect) les fours solaires avec stockage, dont les cuisinières solaires doivent contenir un matériau de stockage pour stocker la variation d'énergie interne d'un matériau sous forme de chaleur sensible ou latente ou thermochimique. IV. Etude expérimentale du stockage latent dans un capteur à tubes sous vides Le capteur solaire vitré sous vide sur lequel on a expérimenté le stockage de l énergie solaire par chaleur latente au moyen d un matériau à changement de phase pour produire de l eau chaude sanitaire. Le capteur sous vide à se présente sous la forme d un panneau où est alignée une série de tubes de verre transparent séparés et maintenus sur une plaque réfléchissante. Dans chaque tube fixé à un tuyau en cuivre et suspendu dans un espace sous vide, un absorbeur capte la chaleur solaire et un échange thermique a lieu suivant un mécanisme naturel d évaporation et de condensation du fluide. La nouvelle technique consiste dans le stockage par paraffine ; et plus exactement l hexacosane de formule moléculaire C 26 H 54 et de température de fusion de 329K, au niveau du collecteur du capteur. En effet, on a procédé, dans le laboratoire des procédés thermiques (LPT) au centre de recherche et des technologies de l énergie (CRTEn), par transformation de la conception originale du collecteur qui est Fig.IV.1. Capteur sous vide 4

5 initialement composé d un tube en cuivre dans lequel est transporté le fluide caloporteur ; l eau, recouvert d un isolant et d une enceinte en inox. Fig.IV.2. Coupe du nouveau collecteur du capteur Le dispositif expérimental est composé essentiellement des éléments suivants : Un capteur solaire; Un ballon pour le stockage de l eau; Une pompe de circulation de l eau; Une chaîne d acquisition de type HP et un ordinateur utilisés pour l acquisition des données. V. Résultats expérimentaux Par faute de temps et de matériels disponibles, on n a pas pu mener à terme cette étude expérimentale pour ensuite pouvoir analyser les performances de ce capteur et voir l'influence du stockage par la paraffine sur les différents paramètres en le comparant à un capteur sous vide à normal. Bibliographie [1] P. Uzabakilihiho, «étude expérimentale de la fusion et de la solidification de la paraffine N- octadécane», Mémoire de maîtrise en sciences appliqués en [2] Francis Agyenim, Neil Hewitt, Philip Eames, Mervyn Smyth, «A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS)», Renewable and Sustainable Energy Reviews RSER-811; Page 14. [3] [4] Y. Varol, A. Koca, Hakan F. Oztop, E. Avci, «Forecasting of thermal energy storage performance of Phase Change Material in a solar collector using soft computing techniques», Expert Systems with Applications 37 (2010) [5] K. Bouaraour, O. Kholai., S. Boudebous, «Simulation numérique de la convection mixte turbulente dans une cavité ventilée»,algerian Journal of AppliedFluidMechanics (2008) Vol 1 [ISSN ]. [6] J.J. Jurinak et S.I. AdbelKhalik, «On the performance of air-based solar heating systems utilizing phase change energy storage», Solar Energy 24 (1979), pp [7] J. Prakash, H.P. Garg et G. Datta, «A solar water heater with a built-in latent heat storage», Energy Convers Manage25 (1985), pp [8] N.K. Bansal et D. Buddhi, «An analytical study of a latent heat storage system in a cylinder», Solar Energy33 (4) (1992), pp [9] K. Kayugzet al., «Experimental and theoretical investigation of latent heat storage for water based solar heating systems», Energy Convers Manage36 (5) (1995), pp [10] L.F. Cabeza, M. Ibanez, C. Sole, J. Roca et M. Nogues, «Experimentation with a water tank including a PCM module», Solar Energy Mater Solar Cells90 (2006), pp [11]R.M. Muthusivagami R. Velraj et R. Sethumadhavan «Solar cookers with and without thermal storage», Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 14, Issue 2, February 2010, Pages