Étude d un système solaire thermique : Effet de l orientation des panneaux solaires Saoussen Khalfallaoui, Dominique Seguin, Moulay Ahmed Adelghani-Idrissi LSPC Université de Rouen IUT 8 Rue Lavoisier 76821 Mont Saint Aignan Cedex Saoussen.Khalfallaoui@univ-rouen.fr ; Dominique.Seguin@univ-rouen.fr ; Ahmed.Adelghani@univ-rouen.fr ; Sections de rattachement : 62 Secteur : secondaire RÉSUMÉ Le travail présenté dans cet article est l étude d un système solaire thermique. Ce système correspond à une installation de production d eau chaude sanitaire à partir de l énergie solaire. Cette étude est consacrée d une part à la modélisation du système solaire et d autre part à la réalisation d une motorisation de l installation. L ojectif est l optimisation de cette installation solaire thermique en régime instationnaire. La modélisation de ce système a été réalisée en prenant en compte une approche gloale pour effectuer un ilan énergétique de chaque élément du système solaire thermique. Celle ci permet de quantifier la dynamique de chaque élément de l installation. La résolution de ce modèle a été fait sous un environnement Matla en utilisant l outil Simulink. Ce modèle est validé par comparaison des résultats de simulation aux résultats expérimentaux sur le dispositif expérimental pour différentes configurations de l orientation des panneaux solaires. MOTS-CLÉS : Énergie Modélisation - Capteur solaire. 1. Introduction L énergie solaire est une source d énergie propre et aondante qui peut nous aider à comler une onne partie de nos esoins en énergie. Une onne partie de cette énergie solaire peut être donc utilisée pour produire de la chaleur. Dans ce cas, on parle de système solaire thermique. La production d eau chaude sanitaire est parmi les applications de l utilisation de cette énergie renouvelale. De nomreuses recherches ont été effectuées ces dernières années afin 1
d améliorer les performances énergétiques des installations solaires (Buzas et al, 1998) ;(Knudsen et al, 24) ; (Mokhtari et al, 26) ; (Essen et al 24) ; (Mohsen et al, 22). Les travaux présentés dans cet article correspondent également à cette démarche. L amélioration des performances énergétiques d un tel système passe tout d aord par la connaissance de son comportement dynamique (Kenjo et al, 22). Cette première phase est nécessaire avant d appliquer les outils d optimisation. La modélisation est asée sur le calcul des ilans thermiques au niveau des éléments du système. L approche systémique a été utilisée pour décrire le comportement dynamique du fonctionnement de chaque élément de l installation (Nafey, 25). Cette approche permet l utilisation de l outil de simulation Simulink sous un environnement Matla. La validation du modèle a été faite par une confrontation de nos résultats de simulations avec les résultats expérimentaux otenus sur le dispositif expérimental. La deuxième étape de notre étude est consacrée à la réalisation d une motorisation pour les panneaux solaire afin d otenir une transformation d énergie optimale. 2. Description et Modélisation 2.1. Description Le système étudié est représenté par la figure 1 indiquée ci-dessous : Cette configuration correspond à une installation de production d'eau chaude sanitaire à partir de l'énergie solaire. Cette installation est constituée d un capteur solaire plan à circulation de liquide. Ce capteur effectue la conversion de l énergie du rayonnement électromagnétique émis par le soleil en énergie calorifique. Cette dernière est récupérée par un fluide caloporteur traversant le capteur à l aide d une pompe de circulation commandée par une régulation de température. Le rôle de cette pompe est de permettre un transfert plus rapide de chaleur captée par l'asoreur vers le réservoir de stockage. 2
T scp T e,c Pyranomè tre T T ecp Q T sc Carte d acquisition Data Figure 1. Représentation du schéma de principe de l installation 2.2. Modélisation Le ilan énergétique permettra de décliner un modèle mathematique décrivant le comportement dynamique du système solaire. Ensuite, ce modèle sera traduit par une approche fonctionnelle avec imrication des différents sous ensemles afin d évaluer les régimes transitoires des différents grandeurs internes du système selon les variations des paramètres d entrée et de sortie physique (Buzas J. et al, 1998). L approche fonctionnelle permet d évaluer les différentes grandeurs en utilisant l outil Simulink sous l environnement Matla. 2.2.1. Circuit primaire Bilan au niveau du capteur solaire Le ilan énergétique est effectué au niveau du capteur solaire sur le caloporteur : ρ V C dt c dt [1] Le ilan énergétique sur le caloporteur au niveau allon aoutit à l équation suivante : ( Tecp( Tscp( ) + Sc Φ( + U lsc( Text ( Tscp ( )) scp c1 p c ( = m c C p c η t dt ecp ρ c Vc2 Cp c ( = mccp ( Tscp( Tecp( ) hs ( T( Tecp( ) dt c + [2] 3
2.2.2. Circuit secondaire Le ilan énergétique est effectué au niveau de l eau sanitaire présente instantanément dans le allon : ρ V w C p w dt ( t ) = m C dt p w.( T ( t ) T ( t )) + h S (T T ) + KS ( T ( t ) T ( t )) f scp loc loc [3] 3. Installation experimental La figure 2 suivante montre les différents éléments du système solaire thermique installé au laoratoire. Cette installation est constituée de deux panneaux solaires plan à circulation de liquide. Les panneaux solaires ont une surface totale de l ordre de 4,4 m 2. Le liquide caloporteur est constitué d eau avec adjonction de glycol, qui tourne en circuit fermé entre le capteur et l échangeur qui se trouve dans le allon de stockage. La pompe de circulation commandée par une régulation de température permet de maintenir un déit massique selon la température souhaitée. Le liquide caloporteur traverse le capteur pour récupérer de l énergie du rayonnement électromagnétique émis par le soleil transformée en énergie calorifique. Le rôle de cette pompe est de permettre également un transfert de chaleur captée par l asoreur vers le réservoir de stockage à travers un échangeur sous la forme d un serpentin. La surface d échange est de l ordre de,8 m 2. (A) (B) (C) Figure 2. Installation expérimentale (A) Panneaux solaire installés - (B) Système de stockage - (C) Système de contrôle (D) Pyranomètre (D) 4
Un Pyranomètre a été également installé pour la mesure du flux solaire. Celui-ci est placé dans le même plan que les capteurs vis à vis du rayonnement solaire. Les mesures et le contrôle se font à l aide d une carte d acquisition reliée à un système informatique. La partie mécanique de la motorisation du système solaire thermique a été installée. La partie commande de cette motorisation est en cours de finalisation. 4. Résultats et interprétations Les différentes simulations sont otenues avec les paramètres qui correspondent aux dimensions de l installation et aux points de fonctionnement. Les résultats de la simulation sont ensuite comparés aux résultats expérimentaux. 4.1. Cas des panneaux solaire orientés vers l ouest Les panneaux sont orientées manuellement vers l ouest (coté cocher de soleil) avec un angle d inclinaison des panneaux égale à 45. La figure 3 montre la variation journalière du flux solaire mesuré par le Pyranomètre placé à coté des panneaux solaires. Cette journée, a été marquée par le passage de quelques nuages perturant au long de tout la journée. Pour comparer le comportement dynamique à des situations réelles, le flux solaire réel mesuré est pris en compte dans la simulation. La figure 4 montre l évolution journalière de la température du allon de stockage. Le déit du caloporteur est de l ordre de 3 l.min -1. φ(w/m 2 ) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 flux solaire 2 4 6 8 1 12 14 Figure 3. Variation journalière du flux Solaire T ( C) 35 3 25 2 15 1 5 température du allon de stockage 2 4 6 8 1 12 14 Figure 4. Évolution de la température du système de stockage 5
T ecp( C) Cette figure montre une onne concordance entre les températures théorique et expérimentale. Dans les mêmes conditions, les figures 5 et 6 représentent l évolution des températures expérimentales et théoriques à l entrée et à la sortie du capteur solaire pour le même déit de caloporteur. En effet, les températures continuent d augmenter tant qu il y a du flux solaire malgré sa diminution en fin de journée. 4 35 3 25 2 15 1 5 température à l 'entrée du capteur solaire 2 4 6 8 1 12 14 Tscp( C) 4 35 3 25 2 15 1 5 température à la sortie du capteur solaire 2 4 6 8 1 12 14 Figure 5. Évolution de la température à l entrée du capteur solaire Figure 6. Évolution de la température à la sortie du capteur solaire 4.2. Cas des panneaux solaire orientés vers l est Ces résultas sont otenus d une manière similaire que les résultats précédents mais avec une orientation a l est (coté lever du soleil). L angle d inclinaison est toujours égal à 45. La figure 7 montres la variation journalière du flux solaire mesuré par le Pyranomètre. Durant cette journée des perturations ont été oservées en défaveur du système solaire. Les perturations climatiques se sont manifestées par la présence des nuages qui induisent de grandes variations du flux solaire. La figure 8 illustre le profil de température du système de stockage avec toujours le même déit du caloporteur. Comme les résultats précédents, la température expérimentale a la même allure que celle de la température théorique. On constate également l effet d accumulation du système de stockage. 14 12 1 flux solaire 7 6 5 température du allon de stockage (w/m2) 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 T ( C ) 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 6
Figure 7. Variation journalière du flux Solaire Figure 8. Évolution de la température du système de stockage Tecp( C) 6 5 4 3 2 température à l'entrée du capteur solaire Tscp( C) 8 7 6 5 4 3 température à la sortie du capteur solaire 1 2 1 2 4 6 8 1 12 Figure 9. Évolution de la température à l entrée du capteur solaire 2 4 6 8 1 12 Figure 1. Évolution de la température à la sortie du capteur solaire Les figures 9 et 1 représentent respectivement les profils de températures à l entrée et en sortie du capteur solaire. Nous constatons que les deux températures suit une chute liée à la aisse du flux solaire causée par la présence des nuages. Ensuite les températures continuent tout de même d augmenter mais moins rapidement. Lorsque le flux solaire augmente les températures augmente rapidement et diminue selon la aisse normale journalière du flux. Les résultats expérimentaux corroorent ceux otenus par le modèle présenté précédemment. 5. Conclusion Cette étude nous a permis d évaluer grâce à un modèle représentant le comportement dynamique d un système solaire thermique pour la production ECS. Les différentes températures dans différents éléments de ce système ont été déterminées en régime instationnaire. Une approche fonctionnelle a permis la résolution du modèle mathématique en utilisant l outil Simulink sous l environnement Matla. La comparaison entre les résultats expérimentaux et théorique nous a permis la validation du modèle proposé de ce système solaire en fonction de l orientation manuelle des panneaux solaire avec un angle d inclinaison égale à 45. Nomenclature Cp : capacité calorifique (J/kg.K.) K : coefficient d échange (W/m².K) m : déit massique (kg/s) Q : déit de caloporteur (l/m) S : T : t : U l : surface (m²) température ( C) temps (h) Coefficient d échange gloal 7
(W/m².K) V : volume (m³) Symoles Greck : Flux solaire (w/m 2 ) : Masse volumique (kg/m 3 ) : constante de temps (s) Indice : allon c : caloporteur c1 : caloporteur dans le capteur c2 : caloporteur dans le allon e : entrée du capteur ext : extérieur loc : locale p : primaire s : sortie du capteur w : eau Biliographies Bernard J., Energie Solaire Calculs et Optimisation, Edition Ellipses, 24. Brunetti L, Fucci F., La Fianza G., Liertone G., «Renewale and Integrative Sources of Energy Aspects and Technological Applications: Evaluation of the Contriution to the Energetic Needs Provided y the Passive Solar System», Energy and Buildings, Vol. 35, 23, pp. 763-774. Buzas J., Farkas I., Biro A., Németh R., «Modelling and Simulation of a Solar Thermal System», Mathematics and Computers in Simulation, Vol. 48, 1998, pp.33-46. Esen M., «Thermal Performance of a Solar Cooker Integrated Vacuum Tue Collector With Heat Pipes Containing Different Refrigerants», Solar Energy, Vol. 76, 24, pp.751-757. Hasan Hüseyin Öztürk, «Experimental determination of energy and exergy efficiency of the solar paraolic-cooker», Solar Energy, Vol. 77, 24, pp. 67-71. Huseyin G., Arif H., «Exegetic modeling and performance evaluation of solar water heating systems for uilding applications», Energy and Buildings, Vol. 39, 27, pp. 59-516. Kenjo L., Buscarlet C., Inard C., «Study of the Thermal Behaviour of A Low-Flow Solar Water Heater», FIER 22, Tétouan, Maroc (22). Knudsen S., Furo S., «Thermal stratification in vertical mantle heat-exchanger with application to solar domestic hot water systems», Applied Energy, Vol. 78, 24, pp. 257-272. Luis A., Medinelli Sanino.Ricardo A.,Rojas Reischel., «Modeling and identification of solar energy water heating system incorporating nonlinearities», Solar Energy, Vol. 81, 27, pp. 57-58. Manuel Pour La Conception, Le Dimensionnement et La Réalisation Des Installation Collectives, ADEME, Avril 22. Mokhtari F., N.Ait Messaoudène., A.Hamid et M.Belhamel., «Etude du comportement thermique d une maison munie d un système de chauffage solaire», Revue des Energies Renouvelales Vol. 9, 26, pp.363-37. Mohsen M., S., and Akash A., «On integrated solar water heating system, Int. Comm Heat Mass Transfer», Vol. 29, 22, pp.135-14. Nafey A., S., «Simulation of Solar Heating Systems-an Overview», Renewale and Sustainale Energy Reviews, Vol. 9, 25, pp. 576-591. 8