Amélioration du rendement d'un capteur solaire héliothermique

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1 Amélioration du rendement d'un capteur solaire héliothermique T. ESSABBANI 1, A. MEZRHAB 1, *, C. ABID 2, M. Médale 2 1 Faculté des Sciences, Département de Physique, Laboratoire de Mécanique & Energétique, Oujda, Maroc. 2 Ecole polytechnique Universitaire de Marseille, IUSTI U.M.R. N 6595, Technopole Château Gombert, 5 Rue Enrico Fermi, Marseille cedex 13, France. * (auteur correspondant : amezrhab@yahoo.fr) Résumé Cette étude a pour objet la recherche d innovations dans le domaine des chauffe-eau solaires afin d améliorer le rapport «production de chaleur / investissement» de cette technologie. Dans ce but, la démarche du travail consiste à établir le bilan énergétique détaillé d un capteur solaire héliothermique en fonctionnement pour repérer les points faibles du système et chercher l apport d innovation notamment par l adjonction de cellules anti-pertes afin d augmenter la résistance thermique entre l absorbeur et le vitrage. Pour ce faire, l outil numérique de simulation dynamique TRNSYS a été utilisé. Les résultats sont présentés en termes du nombre de Nusselt, de la température de sortie du fluide caloporteur et du coefficient d échange superficiel global entre l absorbeur et la couverture. Mots clé - capteur solaire héliothermique, cellules anti-pertes, TRNSYS 1. Introduction L énergie solaire a été utilisée depuis longtemps pour produire de la chaleur et, bien que l expérience accumulée soit considérable, ce domaine a connu avec le développement technologique actuel, un renouvellement important sur le plan théorique et expérimental et plusieurs études ont été effectuées sur les capteurs solaires [1-2]. Depuis longtemps la modélisation intéresse les professionnels de l'énergie solaire thermique dans la mesure où elle permet de prédire les performances des installations. Les études numériques sont rapides, peu chères et complètent ou remplacent les études expérimentales souvent longues et onéreuses. La majorité des logiciels de simulation a été développée dans le but d'obtenir la productivité d un chauffe-eau solaire (la productivité d un chauffe-eau solaire est l énergie gagnée par l eau sanitaire, d origine solaire, ramenée au m 2 de capteur). L objectif de ce rapport est d étudier la validité du modèle de capteur solaire développé grâce à la modélisation, sous environnement TRNSYS [3], d un chauffe-eau Solaire Individuel (CESI) : des capteurs solaires plans vitrés alimentent en chaleur un ballon de stockage. On fournit au modèle les données météorologiques et les données de puisage par lecture de fichiers externes. Nous avons choisi d utiliser le logiciel TRNSYS car il présente l avantage de posséder une bibliothèque intéressante de modules tels que les capteurs solaires. Toutefois, les modèle de capteurs solaires (par exemple: Type 1) existant ne traite que des collecteur solaires sans nid d abeilles. Ce qui a poussé à créer un nouveau modèle de capteur solaire avec nid d abeille rectangulaire. 1

2 2. Simulation d un capteur solaire plan héliothermique Le système modélisé est constitué d un capteur solaire plan vitré fournissant de la chaleur à un ballon de stockage (Figure 1). Le modèle de CESI, connecté aux fichiers d entrée (météo + puisage) est simulé en fonction avec un pas de temps de 15min. L exploitation des sorties du projet permet de dresser le bilan énergétique du capteur solaire. 2.1 Données météos Figure 1. Schéma d un système de production d eau chaude sanitaire Un fichier météo a été choisi dans la base de données du logiciel METEONORM [4]. Les données proviennent de mesures météorologiques quotidiennes effectuées sur place (ensoleillement mesuré de 1981 à 1990, température ambiante mesurée de 1961 à 1990). Un algorithme propre à METEONORM permet d obtenir un fichier annuel au pas de temps horaire. Ce fichier est relatif à la ville de Casablanca : climat océanique et il est constitué des informations suivantes : - le numéro du jour de l année. - l heure de l année. - la température ambiante sèche ( C). - la température de rosée (pour calculer la température de la voûte céleste) ( C). - la vitesse du vent (m.s -1 ). - l éclairement solaire direct horizontal (W.m -2 ). - l éclairement solaire diffus horizontal (W.m -2 ). - la hauteur angulaire du soleil (deg). - l azimut du soleil (deg). - la nébulosité du ciel. 2.2 Variables à comparer La seule variable facilement comparable entre les simulations et les mesures est la température du fluide en sortie de capteur. Les autres variables correspondent aux entrées du modèle sont les suivantes : - la température extérieure ambiante. - la vitesse du vent. - les éclairements solaires total horizontal et diffus horizontal. - la température du fluide à l entrée du capteur. 2

3 - la température du ciel : cette variable n est pas mesurable directement. Le TYPE 69, modèle de la bibliothèque TRNSYS, permet de la calculer à partir de la température ambiante extérieure, de la température de rosée et des éclairements solaires horizontaux directs et diffus. Il faut donc déterminer la température de rosée qui n est, elle non plus, pas mesurable directement et simplement. Le TYPE 33e [3] permet de calculer toutes les caractéristiques thermodynamiques de l air humide à partir de deux d entre elles. Connaissant la température sèche de l air (température ambiante), il suffit de mesurer une autre caractéristique de l air extérieur pour pouvoir calculer la température de rosée et donc la température du ciel. 3. le modèle du capteur solaire plan simple (Type1-modèle de référence) Dans cette partie, nous avons étudié le modèle standard des capteurs solaire de TRNSYS en absence des cellules anti-pertes. Cet exemple permet de calculer la température de sortie du fluide caloporteur (Figure 2) Figure 2. Schéma bloc du modèle de capteur solaire plan simple Les variables de ce type qui se composent par des entrées, des paramètres et des sorties sont représentées dans le tableau ci-dessous: ENTRE PRAMETRES SORTIE 1. Température d'entré 2. Débit d'entrée 3. La température ambiante 4. Flux de rayonnement incident 5. Flux total de rayonnement horizontal 6. Flux diffus du rayonnement horizontal 7. Réflectivité au sol 8. Angle d'incidence 9. Pente du Collecteur 1. Numéro dans la série 2. Surface de capteur 3. Fluide thermique spécifique 4. Mode d'efficacité 5. Débit Testé 6. Efficacité d'interception 7. Efficacité de la pente 8. Courbure d'efficacité 9. Mode optique IAM 1ére ordre 11. IAM 2éme ordre 1. Température de sortie 2. Débit de sortie 3. Gain d'énergie utile 3

4 4. le modèle du capteur solaire plan à une couverture (Type201) Le modèle capteur solaire plan à une couverture a été restructuré dans le but d être un TYPE intégré à la bibliothèque de TRNSYS. Chaque composant de cette bibliothèque comporte un numéro de TYPE, des paramètres, des entrées et des sorties. Le modèle de capteur développé est appelé TYPE 201 [5] et est représenté sur la figure 3. Figure 3. Schéma bloc du modèle de capteur solaire plan à une couverture 5. le modèle du capteur solaire avec cellules anti-pertes (Type202) 5.1 Géométrie étudiée Dans cette étude, nous nous intéressons aux effets provoqués par les cellules anti-pertes qu on a intégrées entre l absorbeur et le vitrage. Le capteur solaire héliothermique, d épaisseur e, est incliné d un angle ϕ par rapport à l horizontale (Figure 4) et la distance séparant deux cellules successives est égale à d. Figure 4. Capteur solaire héliothermique avec cellules anti-pertes Le nombre de Nusselt est donné par la relation expérimentale suivante [6]: 4

5 ( ϕ ) ( ) ( 2,88 1,64sin ϕ ) 4 Nu = 1+ 0,89 cos 60 Ra 2420 e d (1) Cette relation étant valable pour des inclinaisons φ comprises entre 30 et 90, 3 e d 5, et des nombres de Rayleigh ( ) 4 Ra = gβ(t A T C )e 3 /να Ra 6000 e d. Le nombre de Rayleigh Ra est donné par la relation : A partit du nombre de Nusselt, on déduit le coefficient d échange global (convection + rayonnement) entre la couverture et l absorbeur par la relation : Nu λair hi = (2) e Le modèle de capteur muni de cellules anti-pertes qu on a développé pour l intégrer à la bibliothèque de TRNSYS est appelé TYPE 202 et est représenté sur la figure 5. Figure 5. Schéma bloc du modèle de capteur solaire plan muni de cellules anti-pertes 6. Résultats et discussions 6.1 Comparaison avec le modèle de référence (Type1) Le Type1 [3] est le modèle de référence de capteur solaire plan vitré de la bibliothèque TRNSYS. Ce type est basé sur l hypothèse du régime permanent et, par conséquent, ne prend pas en compte la dynamique du comportement thermique du composant. Il est donc intéressant de comparer la température du fluide caloporteur en sortie du capteur calculée avec le Type 1 (figure 6.a), et celle calculée avec le modèle restructuré et les valeurs mesurées (figure 6.b). L observation que l on peut faire en analysant les figures 6.a et 6.b, est qu il y a une concordance entre les deux simulations. Les résultats sont proches avec une très légère surestimation de la température simulée. On peut noter des pics d énergie présents à chaque relance du débit. Ils sont dus aux fortes montées en température des périodes précédentes, c est à dire les périodes à faible débit. Au vu des comparaisons présentées aux deux figures, on peut considérer que le modèle numérique restructuré simule correctement le comportement thermique du capteur solaire plan vitré. 5

6 Figure 6. Température de sortie du fluide caloporteur : TYPE1 ; TYPE Comparaison de la température de sortie du fluide caloporteur des TYPES ( ) Dans cette partie, on va étudier la variation de la température de sortie du fluide caloporteur pour les deux types étudiés (Types 201 et 202). Type 201 est un modèle de capteur solaire plan vitré, et le Type 202, qu on a développé, représente un capteur solaire plan vitré avec cellules anti-pertes. Figure 7. Température de sortie du fluide caloporteur du TYPE202 Les différences de températures de sortie de fluide constatées sur les figures 6.b et 7 sont importantes. Il est clair que l influence des cellules anti-pertes intégrées dans le TYPE 202 sur le comportement du capteur est considérable. Les deux figures montrent une augmentation de la température de sortie du fluide caloporteur d environ 20 C pour le TYPE 202 par rapport au TYPE

7 6.3 Effets de l épaisseur et la distance entre les partitions (type 202) Dans ce travail, les principaux résultats quantitatifs qui peuvent être importantes pour bien simuler l'effet de l'épaisseur et la distance entre les partitions sont le nombre de Nusselt et le coefficient d échange superficiel global entre l absorbeur et la couverture. Pour cela, on fixe l'épaisseur e (e = 3, 4, 5, 6) et on fait varier la distance d (d= 0,7 jusqu'au 1,9) entre deux partitions successives à condition que 3<e/d<5. Figure 8. Nombre de Nusselt et Coefficient d échange superficiel global e = 3cm et d = 0,7cm Figure 9. Nombre de Nusselt et Coefficient d échange superficiel global e = 3cm et d = 0,9cm 7

8 Figure 10. Nombre de Nusselt et Coefficient d échange superficiel global : e = 4cm et d = 0,9cm Figure 11. Nombre de Nusselt et Coefficient d échange superficiel global : e = 6cm et d = 1,3cm En analysant les résultats obtenus, on remarque que les plus faibles valeurs du coefficient d échange hi et du nombre de Nusselt sont trouvés pour e = 3cm et d = 0.7cm (figure 8, 9,10 et 11). Donc, pour une épaisseur faible de 3cm et une distance d très petite (augmentation du nombre de cellules), on réduit largement les pertes thermiques de l absorbeur vers le vitrage. 6.4 Comparaison de coefficient d échange superficiel global entre l absorbeur et la couverture des TYPES ( ) 8

9 Figure 12. Coefficient d échange superficiel global entre l absorbeur et la couverture du TYPE201 TYPE201 ; TYPE202 En analysant les figures 12.a et 12.b, on observe une différence très importante du coefficient d échange par convection. Les cellules anti-pertes qu on a intégrées entre le vitrage et l absorbeur dans le TYPE 202, ont réduit considérablement les échanges entre l absorbeur et le vitrage. 7. Conclusion Dans cette étude, on a présenté différents mécanismes pour améliorer le rendement d'un capteur solaire héliothermique par utilisation du logiciel TRNSYS Nous avons comparé les températures, du fluide caloporteur à la sortie du capteur, obtenues par le Type 1 (capteur sans partitions) et celles obtenues par le type 202 (capteur avec partitions). Ensuite, nous avons réalisé une étude paramétrique avec le nouveau type 202 pour déterminer l influence des cellules anti-pertes sur le rendement d un capteur. Nous avons conclu que les cellules anti-pertes augmentent la température du fluide caloporteur à la sortie du capteur en réduisant les échanges thermiques entre l'absorbeur et le vitrage. Référence: [1] G. Francia, Un nouveau collecteur de l'énergie rayonnant solaire-théorie et vérification expérimentales. Proc. United Nations Conf. New Sources of Energy, Rome, August 1961, 35/S/71 (1964) United Nations, New York. [2] K. G. T. Hollands, Honeycomb devices in fiat plate solar collectors. Solar Energy 9 (1965) [3] TRNSYS 16 A TRaNsient SYstem Simulation program. Solar Energy. Laboratory, University of Wisconsin-Madison, USA [4] METEONORM 4.0 Edition 2000, Global Meteorological Database for Solar Energy and Applied Climatology, société Meteotest. [5] P. CHRISTOPHE, Étude numérique et expérimentale d un prototype de chauffe-eau solaire équipé d un stockage à chaleur latente, thèse (2005). [6] A.Sfeir.-A., Guarracino G., Ingénierie des systèmes solaires (application à l habitat). 9