Etudes théorique et expérimentale des performances d un capteur solaire cylindro-parabolique

Transcription

1 Etudes théorique et expérimentale des performances d un capteur solaire cylindro-parabolique Résumé Yasmina Boukhchana 1, Ali Fellah, Ammar Ben Brahim Université de Gabès, Ecole Nationale d Ingénieurs de Gabès, Unité de Recherche Thermodynamique Appliquée (99/UR/ Gabès, Tunisie. L objectif de cette contribution est les études théorique et expérimentale d un capteur solaire cylindro-parabolique commandant une installation de réfrigération par absorption solaire à fonctionnement intermittent. L étude théorique consiste en l établissement, à travers les bilans matières et thermiques, d un modèle mathématique pour contrôler la température de sortie du uide caloporteur ainsi que les températures de l absorbeur et de la vitre. Au niveau expérimental, c est l inuence du diamètre du tube absorbeur sur les performances du système de commande qui a fait objet d investigation. Pour cela, plusieurs expériences ont été faites sur le système afin de connaitre s il est possible d atteindre des températures pouvant assurer la vaporisation de l ammoniac dans le générateur. Différentes conditions opératoires et climatiques ont été considérées. Les résultats sont présentés et discutés. Mots-clés: Énergie solaire; Expérimentation; Réfrigération par absorption, Capteur solaire. Nomenclature C, Cp Capacité calorifique (J.kg -1.K -1 Capp Conductance apparente des pertes thermiques (W.m -2.K -1 Cg Concentration géométrique moyenne - E Eclairement solaire (W.m -2 F Facteur de trouble de Linke (- h' Conductance interne (W.m -2.K -1 h'' Conductance externe (W.m -2.K -1 hs Hauteur du soleil ( H Enthalpie (J.kg -1 L Largeur l Longueur M Masse (kg M & Débit massique (kg.s -1 R Rayonnement solaire diffus (W.m -2 S Surface (m 2 G Rayonnement solaire direct (W.m -2 t Temps (s T Température (K U Coefficient d échange thermique (W.m -2.K -1 V Vitesse (m/s 1 Auteur correspondant : Yasmine_Boukhchana@yahoo.fr 1

2 Vl Volume (m 3 Lettres grecques α orptivité (% ε Emissivité (% ρ Masse volumique, Réectivité (kgm -3, (% σ Constante de Stefan (W.m -2.K -4 τ Transmissivité (% Φ Diamètre (m Indices et exposants orbeur du capteur solaire a Ambiant c Convection naturelle co Concentrateur solaire cf Convection forcée e Entrée f1 Fluide caloporteur r Rayonnement rf Référence s Sortie v Vitre I. Introduction A nos jours, une importance particulière est accordée aux énergies nouvelles et renouvelables. Cet intérêt est du d une part à la croissance accrue de la demande mondiale en énergie conventionnelle et ses problèmes d approvisionnement, et d autre part, au coût élevé de cette dernière et la pollution qu elle provoque. De ce fait, apparaît l énergie solaire comme étant l énergie de l avenir [1,2]. Elle aura un grand rôle à jouer tout en étant la seule solution pour l'établissement d'une chaine de froid décentralisée et énergétiquement autonome [3]. L un des avantages de cette énergie est son aptitude à la transformation en chaleur par l intermédiaire d un uide (eau, air, huile circulant au contact d une surface recevant le rayonnement solaire. Le capteur constitue l effecteur dans le système technique assurant cette transformation. Il constitue la partie commande et la composante majeure lorsqu il est intégré à une machine [4]. Pour la collecte de l énergie solaire on distingue deux techniques [4, 5]. La première est le capteur plan utilisé pour la conversion de l énergie solaire incidente en énergie thermique directement utilisable. Cependant, le domaine d application et d utilisation de ce type de capteurs est très restreint. Il présente en outre un certain nombre d inconvénients et les constructeurs ont été amenés à concevoir d autres modèles de configuration plus rentables utilisant le principe de concentration. Le concentrateur solaire cylindro-parabolique est l un des concentrateurs souvent utilisé avec les systèmes de réfrigération par absorption solaire vue qu il permet d obtenir des températures de plus de 100 C [6,7]. Il se présente comme un module ayant un réecteur de forme parabolique disposé cylindriquement. Cette géométrie lui permet de focaliser l énergie solaire incidente, selon une génératrice linéaire où est placé un tube circulaire «absorbeur» dans lequel circule un uide caloporteur. Ce tube est, souvent, entouré par une enveloppe transparente en verre pour réduire les pertes thermiques au sein de ce dernier. 2

3 L objectif principal de ce travail est alors de présenter les études théorique et expérimentale d un capteur solaire cylindro-parabolique d une installation de réfrigération par absorption solaire. Un modèle mathématique est établi pour contrôler la température de sortie du uide caloporteur ainsi que les températures de l absorbeur et de la vitre. Au niveau expérimental, c est l inuence du diamètre du tube absorbeur sur les performances du système de commande qui a fait objet d investigation. Afin de connaitre s il est possible d atteindre des températures pouvant assurer la vaporisation de l ammoniac dans le générateur du réfrigérateur, plusieurs expériences ont été faites sur un prototype conçu à l Unité de Recherche Thermodynamique Appliquée à l Ecole Nationale d Ingénieurs de Gabès en Tunisie. II. Etude théorique du concentrateur cylindro parabolique 1. Description du concentrateur Il est fabriqué à partir d une plaque rééchissante, de forme cylindro-parabolique, en acier inoxydable et des plaques en plexi glace (voir figure 1. Son orientation est «axe rotation terrestre», c'est-à-dire que le tube récepteur est parallèle à l'axe de rotation de la terre et le suivi solaire est Est-Ouest. Le miroir de surface 0,92 m 2 concentre les rayons du soleil sur un tube récepteur, appelé absorbeur solaire, situé le long de la ligne focale du réecteur de longueur 1.04 m. Le tube absorbeur est en cuivre recouvert d une couche sélective. Il est entouré d une enveloppe transparente en verre. Dans le tableau 1 sont notées les caractéristiques des différents éléments. 2. Modèle mathématique Figure 1 : Photo du concentrateur cylindro-parabolique. Le rayonnement solaire total reçu par l'absorbeur du concentrateur est donné par l'expression suivante: E = G + R Où G et R : Rayonnements solaires direct et diffus [8] d expressions respectives : (1 3

4 - F G = 1370 exp sin( hs 0, 9 + 9, 4 sin( hs (2 R = 54,8 sin( hs F 0,5 sin( hs (3 Tableau.1. Caractéristiques des éléments du concentrateur. Elément Concentrateur orbeur solaire Tube en verre Dimension de l élément (m l = 0,88 L =1,04 L =1,04 Φ = in Φ = ex L =1,04 Φ = in Φ = ex Surface d échange ou de captation (m 2 Propriétés physiques 0,92 ρ=0.8 S in =0.036 m 2 S ex =0.048 m 2 S in =0.08 m 2 S ex =0.093 m 2 α=0.95 ε=0.95 α=0.1 τ=0.8 ε=0.1 Compte tenu des pertes thermiques, les bilans thermiques respectivement sur l'absorbeur solaire et la vitre sont donnés par les relations suivantes : dt ( MC = ρcoτ vα E Cg S - Capp S ( T - Ta - U S ( T - T dt = ρα + ε σ + ε σ (5 v 4 4 ' 4 4 '' ( MC v SE v v S ( T - Tv hc Sv( T - Tv - v Sv( Tv - Ta - hc Sv( Tv - Ta Dans laquelle, la concentration géométrique Cg et la conductance apparente des pertes thermiques ont comme expressions respectives [8], [9] : S Cg = S 0 C = h + h = app r c h + h h + h ' ' '' '' cn r r cf Où les conductances internes et externes par rayonnement et convection naturelle sont données par les relations suivantes : h ε σ 4 4 ' v ( T - Tv r = T -Tv (4 (6 (7 (8 h h = 3.30 W/m C ' 2 c ε σ 4 4 " v ( Tv - Ta r = Tv -Ta h = * V Pour 0p V p 4 m / s " cf h = 7.3* V Pour 4p V p 40 m / s " 0.8 cf 4 (9 (10 (11

5 Le bilan matière et thermique pour le uide caloporteur au niveau du capteur solaire sont : dm = M& M& = Vl e s d ρ ( T d M H ( T T e Ts = M & e Cp dt M & s Cp dt + hcf S ( T T (13 T T 3. Résultat de la simulation rf L'éclairement solaire reçu par un capteur varie typiquement de la manière représentée sur la figure 2. Au cours d'une journée ensoleillée, il augmente dès le lever du soleil pour atteindre un maximum à midi solaire avant de décroître de nouveau jusqu'au couché du soleil. rf ( Densite de ux(w/m Temps (s x 10 4 Figure 2: Variation de la densité du ux solaire pour le 21 juin en fonction du temps. La variation de la température du uide caloporteur à l entrée et à la sortie de l absorbeur solaire est reportée sur la figure 3 qui montre que la différence de température augmente continument jusqu à s annuler à la fin de la journée Température d'entrée Température de la sortie Temperature (K Temps(s x

6 Figure 3: Variation de la température du uide caloporteur à l entrée et à la sortie de l absorbeur. La figure 4 est relative à la variation de la température de l'absorbeur solaire ainsi que le comportement de la température moyenne du uide caloporteur dans l'absorbeur solaire. Elle montre que tous les deux augmentent, typiquement, en même temps dés le début de la journée pour devenir égaux avec la fin de la commande solaire orbeur solaire Fluide caloporteur Temperature(K Temps(s x 10 4 Figure 4: Variation de la température de l'absorbeur solaire et de la température moyenne du uide caloporteur. Compte tenu du faible coefficient d'absorption de la vitre, α = 0,1, l'évolution de la température de ce dernier avec l'avancement de la journée est faible par rapport à celle de l'absorbeur solaire qui atteint des températures très élevées pouvant aller jusqu'à 205 C, vu qu'il possède une capacité d'absorption plus grande (α = 0, orbeur solaire Vitre Temperature (K Temps(s x 10 4 Figure 5: Variation de la température de l'absorbeur solaire et de la vitre. Il est évident de noter que la variation des températures dépend particulièrement de la puissance solaire incidente et des conditions climatiques environnantes. 6

7 III. Etude expérimentale du concentrateur cylindro parabolique Le but de cette partie est d étudier l inuence du diamètre du tube absorbeur sur les performances du système de commande. Pour cela, plusieurs expériences ont été faites sur le système de commande de l installation de réfrigération, afin de connaitre s il est possible d atteindre des températures pouvant assurer la vaporisation de l ammoniac dans le générateur. Les premières expériences ont été faites sur la machine de réfrigération avec absorbeur de diamètre 10 mm ; les autres essais sont faits en utilisant un absorbeur de 20 mm de diamètre. Et le tout est réalisé dans des conditions climatiques différentes Au cours de ces tests expérimentaux, nous avons mesuré les températures au niveau de l absorbeur tout au long de trois journées: la température d entrée (T e et la température de sortie (T s du uide caloporteur du tube absorbeur. 1. Essais avec absorbeur de 10 mm La figure 6 représente les résultats de l essai effectuée le 11/06/2009, cette journée est caractérisée par une température élevée et par l absence de vent, vers 08h 30min l installation est mise en marche et on note que la température ambiante est T 0 =29 C. Au début les températures sont très proches. Après un certain temps Ts augmente très rapidement et atteint 98,7 C. La présence de thermostat dans la pompe d éjection d huile a provoqué l arrêt de moteur, qui de sa part arrête le cycle de chauffage de l éthylène-glycol. En ce temps les températures s abaisse au moins de 70 C puis augmente de nouveau avec le nouveau démarrage du moteur. Le tableau 2 résume les résultats des essais réalisés. Figure 6: Variation de la température d entrée et de sortie du uide pour le 11/06/2009 avec un absorbeur de 10 mm. Tableau.2. Résultats expérimentales pour Φ =10 mm. journée Te ( C Ts ( C Maximale Finale Maximale Finale 7

8 05/06/ ,7 57,3 85, /06/ ,1 60,8 74,6 71,3 11/06/ , ,7 60,3 Suivant ces résultats en utilisant un capteur cylindro-parabolique avec un absorbeur de 10 mm de diamètre, on remarque que la température de sortie du uide peut atteindre 100 C mais elle diminue même en dessous de 70 C. 2. Essais avec absorbeur de 20 mm Pour ces essais le changement de l absorbeur de 10 mm par un autre de 20 mm de diamètre est pour augmenter la quantité d huile dans le tube de cuivre. La figure 7 représente les résultats de l essai effectuée le 16/06/2009. C est une journée très ensoleillée et la température ambiante mesuré à 08h 30min est de 27 C Figure 7: Variation de la température d entrée et de sortie du uide pour le 16/06/2009 avec un absorbeur de 20 mm. La température T s augmente très rapidement dès que l installation est mise en marche. Elle continue sa progression jusqu'à une valeur limite T s = C. Après elle subit une chute de quelques degrés et se stabilise au voisinage de 97 C durant une heure. Cette chute de température est due à l arrêt de la pompe. Le tableau 3 résume les résultats des essais réalisés. Tableau.3. Résultats expérimentales pour Φ=20 mm. journée Te ( C Ts ( C Maximale Finale Maximale Finale 16/06/ ,2 63,4 112,5 96,6 22/06/ ,7 65,4 106,9 83,2 23/06/ ,5 66,3 94,5 75,8 D après les résultats expérimentaux avec un absorbeur de 20 mm la température de sortie du uide caloporteur s élève énormément et atteint un maximum de C, puis elle diminue en se stabilisant vers 80 C. IV. Conclusion 8

9 Ce travail propose une étude théorique et une étude expérimentale d un capteur solaire avec effet de concentration de type cylindro-parabolique. L étude théorique basée sur des bilans massique et thermique nous a permis de développer un modèle mathématique pour contrôler la température de sortie du uide caloporteur ainsi que les températures de l absorbeur et de la vitre. L étude expérimentale a permis de choisir le diamètre du tube absorbeur convenable avec lequel des températures supérieure à 100 C ont été atteintes vu que le bon fonctionnement des machines à absorption nécessite un niveau de température utile souvent supérieur à 80 C. Références [1] Teyeb A., Dehmani L., Ben Ezzine A., Kerkeni C. et Kaabi «Etude des performances d un capteur stockeur cylindro-parabolique». Revue des Energies Renouvelables, Vol 9, N 3, pp , [2] Balghouthia M., Chahbani M.H., Guizani A. «Feasibility of solar absorption air conditioning in Tunisia». Building and Environment, Vol 43, pp , [3] Bougard J. «Applications de l'énergie solaire dans le froid et le conditionnement d'air». International Journal of Refrigeration, Vol 6, N 5-6, pp , [4] Kalogirou S. A. «Solar thermal collectors and applications». Progress in Energy and Combustion Science, Vol 30, pp , [5] Hamani N., Moummi A., Moummi N., Saadi A.et Mokhtari Z. «Simulation de la température de sortie de l eau dans un capteur solaire cylindroparabolique dans le site de Biskra». Revue des Energies Renouvelables, Vol 10, N 2, pp , [6] Chekirou W., Boukheit N. et Kerbache T. «Différents modes de transfert de chaleur dans un absorbeur d un concentrateur solaire cylindro - parabolique». Revue des Energies Renouvelables ICRESD-07 Tlemcen, pp , [7] Gama A., Haddadi M. et Malek A. «Etude et réalisation d un concentrateur cylindro parabolique avec poursuite solaire aveugle». Revue des Energies Renouvelables, Vol 11, N 3, pp , [8] Jannot Y. Thermique solaire [24] Desautel J. «Les capteurs héliothermiques». Edition technologie douces Paris,