ETUDE PARAMETRIQUE ET CONCEPTION D UN PROTOTYPE DE CAPTEUR PLAN POUR CHAUFFE EAU SOLAIRE

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1 ETUDE PARAMETRIQUE ET CONCEPTION D UN PROTOTYPE DE CAPTEUR PLAN POUR CHAUFFE EAU SOLAIRE SELLAMI Rabah 1, KASBADJI MERZOUK Nachida 1 et OMARI Tariq 1 1: Unité de Développement des Equipements Solaires UDES, Route Nationale N 11 BP 386, Bou-Ismail, 42415, Wilaya Tipaza, Algerie, Résumé : Le capteur plan est l élément essentiel du chauffe eau solaire. Il capte l énergie solaire et la transforme en chaleur pour la transférer, par la suite, au ballon de stockage. Il est constitué d un caisson isolé qui porte tous les composants, d une plaque absorbante, d un radiateur (grille de circulation) et d une couverture transparente. L objectif de cette étude est d appliquer l environnement de simulation KOLEKTOR 2.2 sur un capteur solaire plan conçu au niveau de l Unité de développement des équipements solaires (UDES) pour optimiser ses performances par le choix minutieux des matériaux de fabrication et des dimensions des différents composants. L environnement utilisé nous a permit à la fois d étudier l influence des différents paramètres thermiques (la matière de la plaque d absorption, le type d isolation, l épaisseur d isolation, etc.) et optiques (absorbance, transmittance du verre, etc.) sur les performances du capteur plan et de choisir les matériaux adéquats pour la réalisation du prototype. Mots clés : Capteur plan, Chauffe eau solaire, Absorbeur, Polyuréthane, Verre solaire. 1. Introduction Un capteur solaire thermique est un échangeur thermique qui transforme aussi efficacement que possible le rayonnement solaire en chaleur. Essentiellement cela constitue un receveur qui absorbe la radiation solaire et alors transferts l'énergie thermique à un fluide caloporteur. À cause de la nature de l'énergie solaire (ses caractéristiques spectrales, sa variabilité journalière et saisonnière, etc.), aussi bien que les différents types d'applications pour lesquelles l'énergie thermique solaire peut être utilisée, l'analyse et la conception des capteurs solaires présentent des problèmes uniques et peu conventionnels liés aux 71

2 phénomènes de transfert de la chaleur, propriétés optiques des composants, et au comportement des matériaux de fabrication [1]. 2. Les éléments constituants du capteur plan La conception et réalisation de cet élément, important, ont été conduites tenant compte des principes et critères suivants (voir figure.1) : 1- Matériaux de fabrication répondants aux normes et standards (performances et durabilité) ; 2- Pièces de fabrication reproductibles, avec précision, pour garantir la fabrication en masse du chauffe eau solaire; 3- Disponibilité des techniques et moyens de fabrication au niveau de l industrie local ; 4- Disponibilité des matériaux sur le marché local ; 5- Développement de nouveaux produits, jusque la non disponibles, en travaillant en étroite collaboration avec des acteurs industriels Algérien par domaine d activité ; 6- Légèreté et coût des matériaux utilisés; 7- Taux d intégration élevé ; 8- Esthétique attractif et comparable aux produits importés. Isolant Isolant Protection 72

3 Figure.1 : Coupe transversale du prototype de capteur plan En régime stationnaire, la performance d'un capteur solaire est décrite par un bilan d'énergie qui indique la distribution de l'énergie solaire incidente en gain d'énergie utile, pertes thermiques et pertes optiques. L'énergie thermique perdue de capteur au milieu environnant par conduction, convection et rayonnement peut être représenté comme le produit de coefficient de transfert de la chaleur U L et la différence entre la température moyenne de la plaque d'absorption Tpm et la température ambiante Ta [2]. En régime stationnaire, la puissance récupérée par le fluide caloporteur est définie comme étant la différence entre l énergie solaire incidente et les pertes thermiques. Qu A c G U T T eff t L pm a (1) Il est relativement difficile de mesurer ou de calculer la température moyenne de la plaque d absorption. Cette difficulté réside dans le fait que la distribution de Tpm dépend de la géométrie de l absorbeur, des rayonnements incidents et des conditions d entrée du fluide dans le capteur [3]. Lorsque la distribution de la température dans la plaque est symétrique, il est possible d exprimer analytiquement la température moyenne de la plaque d absorption. Ceci facilite la formulation de l équation donnant l énergie utile. On utilise la température d entrée du fluide dans le capteur en introduisant un 73

4 facteur Fr caractérisant la conductance ou l évacuation de la chaleur de l isolateur [3]. 3. Rendement du capteur Le rendement instantané d un capteur plan est défini comme étant le rapport entre l énergie utile extraite par le fluide caloporteur et l énergie incidente sur le capteur. Qu i (2) AcG t Le rendement théorique instantané du capteur est donné par : En fonction de la température d entrée de fluide ( T fe ) i r U T T eff L fe a t F G (3) En fonction de la température moyenne de la plaque d absorption (T pm ) U L T T i eff pm a (4) G En fonction du débit massique. t t mcp T fs T fe i (5) AcG 4. Simulation Pour les simulations, on a implémentés les modèles dans un environnement de simulation qui s appel KOLEKTOR 2.2 avec une interface pour la modélisation thermique détaillée d un capteur solaire plan [4]. Le modèle mathématique est basé sur l établissement d un bilan énergétique interne et externe sur l absorbeur résolu en boucles d itération pour déterminer la répartition de la température et les coefficients de transfert de chaleur dans les différentes parties du capteur solaire. Le modèle mathématique a été validé avec des données expérimentales obtenues pour les différents capteurs solaires plans. Le logiciel KOLEKTOR est applicable, particulièrement, pour la conception et le prototypage 74

5 virtuel de nouveaux capteurs plans conduisant à la détermination de la courbe d efficacité, pour des analyses paramétriques afin d obtenir des informations sur l influence des différents paramètres sur les performances du capteur plan [5]. L application de cet environnement de simulation sur le prototype conçu au niveau de l Unité de développement des équipements solaires (UDES), nous a permit de dimensionner et de choisir minutieusement les constituants et les matériaux de fabrication du capteur. Dans cette partie nous allons présenter l effet des différents paramètres qui peuvent influencer le rendement du capteur La plaque absorbante : La plaque d'absorption est la partie la plus importante du capteur plan, Le rôle de la plaque absorbante est de capter le maximum d énergie pour la restituer ensuite au fluide caloporteur. Elle est réalisée généralement en métal noirci d une couche de peinture mince afin d augmenter son absorptivité. 1,0 0,8 absorber_coope absorber_alumin absorber_steel 0,6 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 (T fe -T a )/G t [m 2. K / W] Figure 2 : Influence des matériaux de fabrication de la plaque absorbante sur le rendement du capteur. 75

6 Les matériaux généralement utilisés pour la confection des absorbeurs sont : l acier, l aluminium et le cuivre. La simulation montrent que le cuivre présente une meilleur efficacité pour le capteur par rapport l aluminium et l acier a cause de ça conductivité thermique relativement élevée (K=390 W/m.K) (voir figure.2). La figure.3 illustre la variation du rendement du capteur sous l influence de la variation de l absorbance de la plaque absorbante, on peut remarquer que le rendement est amélioré dans le sens d augmentation de l absorbance. 0,8 0,6 0,4 Absorbance_0,6 Absorbance_0,65 Absorbance_0,7 Absorbance_0,75 Absorbance_0,8 Absorbance_0,85 Absorbance_0,9 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 (T fe -Ta)/Gt[m^2. K / W] Figure 3: l effet de l absorbance de la plaque d absorption sur le rendement d un capteur plan. Afin de garantir un meilleur rendement au capteur plan, la plaque absorbante doit avoir les caractéristiques suivantes : Un bon coefficient d absorption. Une bonne conductivité thermique. Une bonne résistance à la corrosion Les matériaux d isolation du caisson : 76

7 Afin de limiter les pertes thermiques par conduction à travers les faces postérieures et latérales du capteur, la plaque absorbante et le radiateur doivent êtres isolés thermiquement à l aide de matériaux à faible conductivité thermique. L isolation est généralement assurée par 2 à 5 cm de laine de verre, laine de roche ou de mousse expansée (polyuréthanne, polystyrène). 1,0 0,8 isolation_polyruthène isolation_verre isolation_roche 0,6 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 (T fe -Ta)/Gt [m^2. K / W] Figure. 4: l effet du type d isolation sur le rendement du capteur plan. Les effets du type d isolation et l épaisseur d isolation sur le rendement d un capteur plan sont présentés sur les figures 4 et 5. Les résultats montrent que le polyuréthane est le matériau le plus adéquat pour l application. Sur le plan économique et technologique, il offre des avantages supplémentaires à cause de sont faible prix de revient et sa facilité de mise en œuvre. 77

8 1,0 0,8 0,6 epais_isolation_30 epais_isolation_35 epais_isolation_40 epais_isolation_10 epais_isolation_15 epais_isolation_20 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 (T fe -Ta)/Gt [m^2. K / W] Figure 5: l effet de l épaisseur d isolation sur le rendement d un capteur plan. 4.3 La couverture transparente : Lorsque un corps est soumis à un rayonnement, il peut l absorber, le réfléchir où le laisser traverser. A cet effet, la transmission, la réflexion, et l'absorption du rayonnement solaire par les différent parties d'un capteur sont importantes dans la détermination de ses performances thermiques. L influence de la transmitivité du verre sur le rendement du capteur est présentée dans la figure.6. Les capteurs solaires performants utilisent des verres appauvri en fer possédant une transmitivité élevée. Le présent prototype a été réalisé avec un verre clair fabriqué localement par MFG-CEVITAL. 78

9 0,8 0,6 trans_0,6 trans_0,65 trans_0,7 trans_0,75 trans_0,80 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 (T fe -Ta)/Gt [m^2. K / W] Figure.6: l effet du transmitivité du verre sur le rendement du capteur plan. 5. Conclusion Ce travail nous a permet de conclure que : 1- L analyse paramétrique par renseignement sur les différents paramètres influençant le rendement du capteur solaire Nous a permit de : 1- dimensionner avec précision notre capteur solaire. 2- procéder au choix minutieux des différents constituants du capteur plan ; 3- Avoir une idée précise sur les performances de notre capteur plan. 2- Ce type de logiciel peut être exploité pour la conception de nouveaux capteurs solaires et pour la vérification de l adéquation des matériaux pour la réalisation de capteurs solaires [5]. 79

10 6. Références [1]- Abdi H., Contribution a la détermination des performances de capteurs plans a contact direct eauplaque d absorption (formes convexe et concave), Mémoire de Magister, Institut de Mécanique Université de Blida, [2]- Duffie John A. and Beckman William A., Solar Engineering of Thermal Processes, by John Wiley & sons, 2 nd edition New York, (1991). [3]- Duffie J. A. and Beckman W. A., Solar Energy Thermal Processes, Wiley-Interscience, New York, (1974). [4]- Matuska T., Zmrhal V., Software tool KOLEKTOR 2.2, available from [5]- Matuska T., Metzger J. and Zmrhal V., Design tool KOLEKTOR 2.2 for virtual prototyping of solar flat-plate collectors, available from 80

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