2ème conférence Inernaionale des énergies renouvelables IER-214 Inernaional Journal of cienific Research & Engineering Technology (IJET) Vol.3-pp.41-45, opyrigh - IPO 215 Influence de la Naure de l Absorbeur sur les Performances d un apeur olaire Plan à onac Direc Eau-Plaque d'absorpion R.Kerfah #1, B. Noura #2, A. Zaaraoui #3 # Laboraoire Fluides Indusriels, Mesures e Applicaions. Universié de Djilali Bounaâma Khemis Miliana W. Ain Defla, 44225, Algérie. 1 rkerfah@yahoo.fr 2 nourabelhadj@yahoo.fr 3 a.zaaraoui@gmail.com Résume Dans ce présen papier, nous présenons une éude héorique de l'effe du changemen de la naure de la naure de la plaque d absorpion sur les performances d un capeur solaire plan. e capeur es de ype radiaeur à conac direc eau plaque d'absorpion. Les équaions régissan le foncionnemen du sysème on éé éablies afin de modéliser les ransfers hermiques. Un code de calcul a éé élaboré afin de déerminer les différens paramères du capeur solaire à savoir débi, empéraure, empéraure de sockage, rendemen insanané du capeur solaire e le rendemen journalier du chauffe-eau. Afin d'éudier effe de la naure de l'absorbeur sur les performances du capeur solaire, plusieurs ypes de maériau on éé esé (acier, aluminium, cuivre, caouchouc, polymère). La résoluion du sysème algébrique d'équaions issu de la modélisaion a monrée que les performances de ce ype de capeur solaire plan (à conac direc eau plaque d'absorpion) déponden de la naure de l'absorbeur. Les résulas on monrés que le cuivre présene le meilleur rendemen suivi de l aluminium, l acier e en dernier lieu le caouchouc. Mos clés : Énergie solaire, apeur solaire plans, onac direc, hauffe-eau, La plaque absorbane I. INTRODUTION L énergie solaire présene des coûs de foncionnemen réduis e offre dans cerains cas une alernaive économiquemen renable par rappor aux sources d énergie convenionnelles. Le développemen de l uilisaion de l énergie solaire sera lié non seulemen à ses avanages économiques (qui grandiron au fur e à mesure que les réserves d énergie fossile diminueron) mais surou à des considéraions liées à la proecion de l environnemen : pas de rejes polluans (fumées conenan du O2 e des NOx par les cenrales hermiques), pas de danger radioacif e de déches encombrans (cenrales nucléaires). Dans le bu de changer les maériaux classiques uilisés dans la réalisaion des absorbeurs des capeurs solaires plans afin de réduire le coû de réalisaion. Pour cela une éude de l influence de ce changemen sur les performances du capeur solaire plan s impose. Le capeur choisi es du ype radiaeur à conac direc eau plaque d absorpion. Après avoir éabli une éude héorique afin de modéliser le comporemen du capeur vis-à-vis ce changemen, un code de calcul nous a permis de comparer plusieurs ypes de maériau (acier, aluminium, cuivre, caouchouc, polymère ec.) II. DERIPTION DU HAUFFE-EAU OLAIRE : Le chauffe-eau solaire es consiué d un capeur plan de,5 m2 de surface, e d une cuve de sockage ayan une capacié de 11 lires. La paricularié de ce capeur solaire es le conace direc eau- plaque d'absorpion. Le passage de l eau à ravers ces plaques se fera dans des espaces aménagés dans celles-ci par formage (embouissage), ces plaques son soudées forman ainsi l'absorbeur (Figure 1). Les caracérisiques echniques des deux capeurs conçues son données dans le ableau 1 Figure 1 : Plaque absorbane
2ème conférence Inernaionale des énergies renouvelables IER-214.Proceedings of Engineering and Technology - PET opyrigh - IPO 215 Qu TPm = Tfe + ( 1 Fr) 2 A U Fr G TABLEAU 1 : LE ARATERITIQUE TEHNIQUE DU APTEUR OLAIRE Elémens Bac ouverure Absorbeur Tubes olleceur Isolan Dimensions e caracérisiques Longueur : 935 mm Largeur : 67 mm Epaisseur : 83 mm Longueur : 929 mm Largeur : 669 mm Epaisseur : 4 mm Emissivié :,88 Indice de réfracion : 1,52 oefficien d exincion : 16 Longueur : 865 mm Largeur : 6 mm Epaisseur : 1 mm Absorpivié :,94 Emissivié :,96 onducivié hermique : : 386 W/m. : 24 W/m. : 46 W/m. aouchouc :,19 W/m. Nombre des ubes : 1 Diamère : 12 mm Diamère : 22 mm Epaisseur arrière : 35 mm Epaisseur laérale : 35 mm onducivié hermique :,41 W/m III. MODELIATION DU APTEUR OLAIRE : Pour déerminer les performances d un capeur solaire plan, on doi faire une analyse hermique de l absorbeur don la modélisaion es généralemen rès compliquée. ee difficulé résule de l insabilié des flux d énergie dans le emps e de la variaion des modes de ransfer hermique qui la régissen. En régime quasi-saionnaire, la puissance récupérée au niveau du fluide caloporeur es définie comme éan la différence enre l énergie solaire incidene e les peres hermiques [1]. Qu = Ac ( τα) eff G UG ( TPm Tamb ) 1 Pour calculer les paramères du capeur UG,Fr, Fc, Qu, la empéraure moyenne de la plaque Tpm, la empéraure moyenne du fluide dans le capeur e le débi massique son iniialisés. Le calcul es répéé par iéraions. La empéraure moyenne de la plaque es donnée par : La empéraure moyenne du fluide dans le capeur es calculée par l'équaion de Kein [2] T fm Qu Fr = Tfe + 1 A U Fr Fc G Le rendemen du capeur es défini comme éan le rappor enre l'énergie exraire par le fluide caloporeur e l'énergie incidene sur le capeur. Qu η i = 4 A G Pour le calcul de la empéraure de l'eau socké, on adope le modèle brasé. ce dernier consise à supposer que la empéraure dans la cuve de sockage es uniforme. Le régime es considéré ransioire. La variaion de l'énergie sockée dans la cuve es donc : ( Mp) = A Fr ( τα) G U ( T T ) dt d eff G amb ( ) & ( ) ( UA) T T mp T T amb Lv L'inégrale d'euler peu êre uilisée e l'équaion précédene devien alors : ( Mp) (( ) ( ) eff ) * * T = T + A Fr τα G UG T Tamb ( ) & ( ) ( UA) T Tamb m T Tamb Le rendemen du chauffe-eau es donné dans le cas sans puisage par équaion suivane : η ce = W f A * ( T T ) m G d m IV. REULTAT ET INTERPRETATION : La journée représenaive es celle du 21/6/214, cee dernière es caracérisée par un ciel clair, une viesse de ven moyenne égale à,8 m/s. e une empéraure ambiane enre 2 e 35, ces caracérisiques mous mènen à dire que c es une journée normale avec des coefficiens de roubles A=,88 e B=,26 La 3 5 6 7
2ème conférence Inernaionale des énergies renouvelables IER-214.Proceedings of Engineering and Technology - PET opyrigh - IPO 215 figure 2 représene l évoluion de l éclairemen solaire global sur une surface inclinée duran la journée du 21/6/214. L allure a la forme d une cloche. Le somme se siue à midi (TV), la valeur maximale es de 974 W/m2 La figure 3 illusre l évoluion de la empéraure de la plaque absorbane, on remarque qu elle sui une variaion similaire à celle de l éclairemen. On consae que le cuivre e l aluminium présenen des courbes similaires, endis que l acier présene une empéraure de la plaque qui es peu élevée que celles de l aluminium e le cuivre, a couse de sa conducivié hermique qui es en peu peie en la comparan avec celles de l aluminium e le cuivre. Néanmoins, le caouchouc présene une empéraure rès élevée à l égard de celles de rois aures maériaux, car sa conducivié hermique es plus peie par rappor aux aures maériaux. Eclairemmen (W/m 2 ) 1 8 6 2 2 Figure 2 : Evoluion de l éclairemen global sur une surface inclinée Tempéraure ( ) 1 1 12 11 1 9 8 7 6 5 (21/6/214) aouhchouc Figure 3 : Evoluion de la empéraure de la plaque absorbane au cours de la journée du 21/6/214 La variaion de la empéraure de sorie du fluide dans les quare cas éudiés es représenée dans la figure 4. Malgré que l allure générale des courbes es similaire à celle des courbes de la empéraure de la plaque absorbane, on consae un inversemen du classemen de ces courbes, c'es-à-dire que les maériaux qui donnen une empéraure de la plaque plus élevée, présenen une empéraure de sorie de fluide plus basse, e vis versa, ceci es expliqué par l influence de la résisance hermique des maériaux consiuan l'absorbeur. La figure 5 représene l évoluion de la empéraure moyenne de l eau dans la cuve de sockage, cee empéraure évolue suivan rois phases. Dans la première phase, on consae que les courbes son presque horizonales ce qui signifié que la quanié de chaleur absorbé n'es pas suffisane pour augmené la empéraure de sockage vue la quanié d'eau présene dans la cuve. Dans la deuxième cee phase, la empéraure augmene d une façon considérable, en fin de journée nous avons remarqué que la empéraure de sockage coninue à augmener malgré la diminuion de l inensié du rayonnemen, ceci es dû aux élémens chauds du capeur (absorbeur, ubes ) qui cèden leur chaleur à l eau enran dans la cuve e dans la dernière phase, la empéraure se sagne voir diminue d une façon rès minime, ceci semble dû à l isolaion hermique de la cuve de sockage. Aussi l'évoluion de la empéraure de sockage sui parfaiemen le même ordre de classemen que celles de la empéraure de fluide à la sorie du capeur solaire. Tempéraure ( ) 9 8 7 6 5 aouchouc Figure 4 : Evoluion de la empéraure de du fluide à la sorie du au cours de Tempéraure ( ) 44 42 38 36 34 32 28 26 24 la journée du 21/6/214 aouchouc 4 2 22 24 Figure 5 : Evoluion de la empéraure de l'eau dans la cuve de sockage au cours de la journée du 21/6/214
2ème conférence Inernaionale des énergies renouvelables IER-214.Proceedings of Engineering and Technology - PET opyrigh - IPO 215 L évoluion du débi massique es représenée par la figure 6, l allure générale des courbes de celui-ci présene une parabole similaire à celle de l éclairemen solaire, elle diminue avec le flux solaire. Aeignan son maximum au l environ de midi TV. On consae que le débi massique pour le caouchouc es rès pei par rappor aux aures maériaux à couse de sa empéraure de fluide rès basse, à la même cause l acier présene un débi massique plus pei que le cuivre e l aluminium, avec un écar aussi rès pei. L évoluion du rendemen insanané es représenée par la figure 7, ce rendemen aein son maximum dans la période de la mainée, puis il commence à diminuer à la fin de la journée. Il es à noer que le rendemen dans le cas du caouchouc es rès pei en le comparan avec ceux-ci des aures maériaux, car son débi massique, sa chaleur spécifique e sa empéraure du fluide, son plus peis que les aures maériaux. On remarque égalemen que l acier a présené un rendemen plus pei que le cuivre e l aluminium. A la fin de la journée (environ de 16h) on remarque que le rendemen du caouchouc devien plus grand que ceux-ci des aures maériaux, ce phénomène es à l origine de ses faibles peres hermiques par rappor aux aures maériaux. Rendemen insanané (%) 6 5 2 1 aouchouc Figure 7 : Evoluion du Rendemen insanané au cours de la journée du 21/6/214 Le rendemen journalier e le rendemen de chauffe-eau solaire dans les quare cas éudiés son présenés dans le ableau 2. TABLEAU 2 : RENDEMENT JOURNALIER ET RENDEMENT DU.E. Débi massique (kg/s) 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2 aouhouc Maériau de l absorbeur Rendemen journalier Rendemen du.e. 46,97 % 45,27 % 48,8 % 46,38 % aouchouc 19,2 % 18,89 % 48,21 % 46,54 %, Figure 6 : Evoluion du débi massique au cours de la journée du 21/6/214 V. ONLUION : Les performances du capeur solaire dépenden de plusieurs paramères. Parmi ces paramères, les plus imporans son les condiions exérieures, la consrucion même du capeur ainsi que les caracérisiques hermiques des maériaux e fluides uilisés. La naure de la plaque d absorpion influe aussi sur les performances du capeur. Le changemen du maériau du plaque absorbane va influe sur les performances du capeur solaire. Pour cela nous avons éabli un modèle mahémaique basé sur les bilans hermiques des différens élémens du capeur pour obenir l évoluion de ces performances (débi, empéraure, rendemen). Les résulas obenus par l éude des performances du capeur dans les cas éudiées (acier, aluminium, caouchouc, cuivre) nous on permis de irer les conclusions suivanes : Le cuivre présene le meilleur rendemen suivi par l aluminium, l acier e en dénier lieu le caouchouc.
2ème conférence Inernaionale des énergies renouvelables IER-214.Proceedings of Engineering and Technology - PET opyrigh - IPO 215 La conducivié hermique représene un paramère imporan dans le choix du maériau de la plaque d absorpion. Afin de obenir en rendemen performan, on doi uiliser un maériau qui à une conducivié hermique élevée que possible Ac : urface du capeur. m2 VI. NOMENLATURE : τα eff : Produi effecive ransmissivié-absorpivié p : haleur spécifique de l'eau.( j/kg ) Dh : Diamère hydraulique de secion de passage. (m) Fc : Efficacié d'échange de l'absorbeur Fr : Faceur d'évacuaion de chaleur (conducance) G : Rayonnemen global reçu par une surface incliné. (W/m 2 ) H : Haueur. (m) H : Force morice générée par le capeur. (m). m : Débi massique. (Kg/s) Qu : Energie uile récupérée par le fluide. (W) T: Tempéraure. W.f : apacié hermique de l eau sockée dans la cuve de sockage ρ 1 : Masse volumique de l eau à l enrée du capeur. (Kg/m 3 ) ρ 2 : Masse volumique de l eau à la sorie du capeur. (Kg/m 3 ) η ce : Rendemen du chauffe-eau solaire Indice : Amb : Ambiane : oude cc : uve-capeur cv : uve de sockage f : Fluide m : moyenne s: sockage VII. REFERENE [1] J. A. Duffe e William. A. Beckman, "olar engineering of hermal Processes", Jhon wily e ons, 2 nd ediion, New York..1991 [2] [2].A Klein., J. A. Duffe e W. A. Beckman, Transi considiraion of fla-plae solar collecors", Tran.AME, j Eenergy For power. 96 A. pp 19 [3] D. L," rien, Horiclural greenhouse engineering", ilsoe research insiue, England. [4] K.. ong, "An improved compuer for hermal performance of a solar waer heaer". J. olar Energy 18, pp 183 191. 1976