1.3. Transfert de chaleur
1.3.8. Autre formule du rendement
La puissance utile 𝑄𝑈 peut être déterminée en régime stationnaire à partir du débit volumique de l’eau ṁ et la différence de température d’entrée et de la sortie.
𝑄𝑈 = 𝐶. ṁ(𝑇𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 − 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒) (1.20) 𝐶: Chaleur spécifique de l’eau.
L’intensité lumineuse A L’emplacement du panneau solaire étant 𝑞𝑖 (W/m2) et 𝐴 la surface de l’absorbeur nous obtenons la formule du rendement suivant :
𝜂 = 𝑄𝑈
𝑞𝑖. 𝐴 (1.21) 1.4. Performance des capteurs héliothermiques
Il faut noter que plusieurs études ont été faites pour l’amélioration des performances des capteurs plans solaires thermiques. Ces études sont principalement basées sur l’optimisation du fonctionnement des composants du capteur et de ses accessoires (ballon ou réservoir d’eau chaude, débitmètre, pompe de circulation forcée, etc…). Ainsi :
Khalfallaoui S. [20] a porté un intérêt à l’effet de l’orientation des capteurs sous vide il ressort qu’un capteur sous vide aura un rendement de 20%
supérieur à un capteur plan vitré pour produire de l’eau à 120°C. Par contre, il sera moins performant qu’un capteur moquette pour réchauffer l’eau de faible ∆T entre la température moyenne du fluide et la température ambiante dans la période estivale.
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La position apparente du soleil influe sur le rendement de tout dispositif solaire, dont le capteur. Suivant les saisons et au cours de la journée, la position du soleil varie. Elle peut être déterminée par la hauteur et l’azimut (figure 1.7) [14].
Figure1.7 : La course du soleil.
L’écoulement sur un capteur sans la vitre peut être assimilé à un écoulement sur une plaque plane comme indiqué sur la figure 1.8.
Figure1.8: Convection mixte sur une plaque horizontale chauffée.
Sur la figure 1.8 nous remarquons une zone d’attaque de l’air dans son écoulement et une seconde zone turbulente qui commence par un point de rupture.
La convection naturelle ou forcée peut être vérifiée au moyen des équations 1.22 et 1.23 [10].
Si :
𝐺𝑟 ≥ 1100 𝑅𝑒
3
2 Convection naturelle 1.22
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𝐺𝑟 ≤ 11 𝑅𝑒2 Convection forcée 1.23 Ou 𝑅𝑒 représente le nombre de Reynolds
𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑙
𝜇
𝑣 : La vitesse du vent en m/s
L’irradiation solaire à une influence sur le rendement des capteurs plans [24] comme le montre le graphe de la figure 1.9.
Figure 1.9 : Influence sur la courbe de rendement d’une variation de l’intensité lumineuse [24].
Negoitescu A. et Tokar A. [21] ont entrepris la simulation d'un réservoir de stockage solaire en utilisant deux matériaux d'isolation (laine de verre et polyuréthane) à différentes épaisseurs. Les auteurs ont observé qu’une épaisseur d’isolant de 1 à 4 cm permet de réduire considérablement les pertes de chaleur (avec de meilleurs résultats dans le cas du polyuréthane). Au-delà de 4 cm, l’effet d’isolation n’est plus significatif.
Gerard F. J. et Noam L. [22] ont étudié deux systèmes de stockage, l'un étant isolé avec de la laine de verre et l'autre avec de la sciure de bois. Les auteurs ont noté que l'efficacité était quasiment du même ordre de grandeur 61.5 à 65.5% pour le premier cas et 56.8 à 64.5% pour le second type d'isolation.
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B. Hamza [19] conclut Concernant le débit d'injection dans le cas de charge du ballon que d'une part, la dernière couche chauffe d'autant plus vite que le débit d'injection est élevé et d'autre part que le temps d'homogénéisation de la température dans le ballon est d'autant plus court. Ainsi pour un débit d'injection de 0.6 kg/s, le temps que met la dernière couche à chauffer est de l'ordre de 15 mn au lieu de 240 mn pour un débit de 0.02 kg/s.
B. Lakdhar [23] a étudié théoriquement en 2008 L’intervalle du débit qui convient à la température de fonctionnement du capteur. Cet intervalle varie entre 0.05 et 0.1 Kg/sec. Dans le même ouvrage, il prouve que l’adjonction des obstacles (chicanes) dans le parcours offert au fluide caloporteur permet l’augmentation de l’échange thermique avec l’absorbeur.
Enfin il affirme que le vide entre l’absorbeur et la vitre réduit le coefficient global des pertes thermiques et permet une récupération de 70% de l’énergie perdue vers l’environnement.
Dans son manuel de conception et de dimensionnement des (CES), l’ADEME déclare que La réduction des consommations d’énergie par rapport à une installation classique, dépend du climat, du lieu d’implantation des capteurs solaires, du dimensionnement et de la conception du système, ainsi que du choix des composants et de leur maintenance.
La détermination des paramètres du capteur plan non vitré est un problème complexe comparativement au capteur plan vitré qui est un cas simple. En effet lorsque le capteur est vitré l’écoulement (l’air) entre la vitre et l’absorbeur n’est pas perturbé par la vitesse du vent ; du coup l’on ne craint pas des zones de turbulences, car la vitesse du vent entre la vitre et l’absorbeur est pratiquement nul [14].
R. Bernard, G. Menguy, M. Schwartz [4] prouvent que la lame d’épaisseur e’ située entre la vitre et l’absorbeur se comporte comme un isolant vis-à-vis de la transmission par conductibilité ; mais si e’ est trop grand une convection naturelle de l’air intervient, ce qui entraîne des pertes non négligeables par convection.
Ils ont montré aussi qu’un système de circulation forcée a un rendement supérieur à celui d’un système à circulation naturelle ; mais il faudrait
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évidemment tenir compte de l’énergie dépensée par la pompe, énergie très faible pour les débits considérés.
Enfin, Ils soutiennent également que L’emplacement des capteurs joue un rôle important et pour optimiser le fonctionnement d’un capteur, il faut éviter les ombres, les masques et/ou des obstacles empêchant le contact des rayonnements solaires avec le plan des capteurs.
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1.5. Conclusion
Au terme de ce chapitre, nous retiendrons que l’énergie thermique provenant du rayonnement solaire est une énergie propre, abondante, inépuisable et écologique.
Le bilan thermique d’un capteur plan est indispensable et fondamental pour évaluer son efficacité. Deux approches permettent de déterminer le rendement des capteurs plans : il s’agit de la méthode en régime permanent et la méthode en régime quasi-dynamique.
Par ailleurs, il ressort après les analyses et l’auscultation des quelques travaux réalisés par les chercheurs sur les capteurs plans thermiques que les performances de capteurs ont été améliorées.
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CHAPITRE 2: ANALYSE DES INFLUENCES SUR
UN CAPTEUR SOLAIRE PLAN
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2.1. Introduction
Les capteurs plans thermiques sont des systèmes énergétiques qui permettent de produire de la chaleur grâce à l’énergie rayonnée par le soleil. Afin d’étudier l’influence des phénomènes environnementaux sur les performances des capteurs plans nous avions simulé ces phénomènes sur un capteur plan didactique de marque PHYWE. Il est équipé d’un panneau et de ses accessoires et est représentatif d’un capteur plan réel. Le rayonnement solaire a été simulé par une lampe incandescente de puissance variable de 500W et 250W
Les expériences réalisées sont faites au laboratoire d’énergie renouvelable à l’Ecole Polytechnique d’Abomey-calavi. (EPAC).
Quelles est l’ossature de ce matériel didactique? Quelles sont les méthodologies utilisées pour atteindre les résultats escomptés et la théorie d’exploitation des résultats ?
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2.2. Matériels de simulation
Le montage expérimental est réalisé suivant la figure 2.1
Figure 2.1: Montage du dispositif expérimental.
2.2.1. Description du dispositif expérimental
a. Accumulateur et échangeur thermique :
L’accumulateur utilisé est un bécher en verre portant une graduation allant jusqu’à 2 dm3. Il sert de réservoir d’eau. L’échangeur de chaleur utilisé est un échangeur monotube. Il est présenté sous forme d’un serpentin avec 16 spires. Il permet d’échanger de l’énergie thermique entre le fluide caloporteur du circuit du panneau solaire et l’eau se trouvant dans l’accumulateur.
Alimentation
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(a) (b)
Figure 2. 2: (a) Accumulateur d'eau. (b) Echangeur thermique b. Alimentation stabilisée
L’alimentation utilisée est stabilisé en courant et en tension avec possibilité de varier I et U. Elle fournit au maximum 12V de tension continue et 2 Ampères de courant.
Figure 2. 3: Alimentation stabilisée.
c. Pompe et débitmètre
La pompe et le débitmètre utilisés sont montés en bloc de telle sorte que l’eau aspirée par la pompe passe par le débitmètre avant d’entrer dans l’échangeur et ensuite dans le panneau solaire. Le débitmètre porte une graduation allant jusqu’à 0.33dm3/s. La pompe, elle, peut recevoir une tension de 6V au maximum. Pour nos expériences, nous alimenterons notre pompe avec une tension de 4V.
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Figure2.4: Bloc de pompe et débitmètre.
d. Panneau solaire :
Le panneau solaire lui-même est constitué d’un absorbeur, d’un isolant, d’un coffre arrière, d’un profilé latéral et de deux supports sur lequel il repose. Notons également qu’il est muni d’un variateur d’angle pour son positionnement par rapport aux rayons incidents. Dans notre cas, le panneau solaire est disposé perpendiculairement aux rayons incidents de la lampe afin de s’assurer qu’il reçoit le maximum d’irradiation.
(b)
Figure 2.5: Panneau solaire.
e. Acquisiteurs de données et thermocouples
Comme son nom l’indique il sert à recueillir les données (températures) aux différents points de mesures du panneau solaire à l’aide des thermocouples de
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type K qui lui sont reliés. Les températures mesurées sont indiquées en annexe (Annexe 07)
Figure 2. 6: Acquisiteur de données.
2.2.2. Fonctionnement du dispositif expérimental
Pompe
Pour cette expérience, la pompe sera alimentée avec une tension de 4V. Les tuyaux de raccordement des différents composants sont comprimés afin d’évacuer l’air résiduaire du circuit ; le manque d’eau qui en résulte est complété.
Fonctionnement de la lampe
Dans cette expérience, nous utiliserons une lampe halogène de puissance variable. Nous allons considérer les puissances de 500W et 250W (le levier du zoom de la lampe est maintenu parallèle à la face vitrée du capteur solaire plan).
La lampe est placée à une distance de 70cm. A cette distance, les intensités de la lampe sont d’environ 500W/m2, 250W/m2 [1].
Débitmètre
Les différentes séries de mesures sont effectuées aux débits suivants : 0,33dm3/s et 0,0016 dm3/s.
Dispositif de simulation de brouillard
Le brouillard se crée lorsqu’un phénomène de condensation rapide apparaît.
La vapeur d’eau dans l’atmosphère est un phénomène qui s’apparente convenablement au brouillard. Pour l’obtenir, nous avons porté de l’eau distillée contenue dans une casserole hermétiquement fermée à la température d’évaporation. Un tuyau est raccordé à un orifice du couvercle de la casserole afin de conduire la vapeur d’eau entre la lampe et le panneau.
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2.3. Protocole expérimental
2.3.1. Méthodologie
Pour atteindre nos objectifs tant généraux que spécifiques, nous suivrons des étapes d’expériences bien définies. Ainsi il sera question :
- D’irradier avec une puissance de 500W et 250W le panneau solaire sans la couverture en verre aux débits de 0,2dm3/mn et 0,1 dm3/mn ; dans un premier temps sans les éléments de simulation et avec les éléments de simulations (poudre de craie, papier et brouillard) dans un second temps - D’irradier avec les intensités 500W/m2 et 250W/m2 le panneau solaire avec
la couverture en verre aux débits de 0,2dm3/mn et 0,1 dm3/mn; dans un premier temps sans les éléments de simulation et avec les éléments de simulations (poudre de craie, papier et brouillard) dans un second temps
2.3.2. Modes opératoires et expériences réalisées
Pour toutes les expériences, l’échangeur thermique est plongé dans un bécher de deux (2 litres) contenant de l’eau à la température ambiante.
Panneau solaire sans vitrage
Nous avons débarrassé le panneau solaire de la couverture en verre. Les expériences sont faites avec des débits de 0,2dm3/mn ; et 0.1 dm3/mn.
Sans les phénomènes environnementaux
Première série d’expériences
Pour un débit de 0,1dm3/mn, le panneau est soumis à des irradiations de puissances 500W et 250W. Les mesures sont faites pendant une durée d’une heure (1h) pour chaque puissance.
Deuxième série d’expériences
Avec un débit de 0,2dm3/mn, le panneau est soumis à nouveau à des irradiations de puissances 500W et 250W. Les mesures sont faites pendant une durée d’une heure (1h) pour chaque puissance.
Avec les éléments de simulation
Pour toutes les conditions d’expériences, nous utiliserons de la poudre de craie, du papier et de la vapeur pour simuler respectivement la poussière, les feuilles
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d’arbres mortes et tout autre objet et le brouillard. Notons que ces éléments sont disposés de telle sorte qu’ils recouvrent la moitié du panneau solaire.
troisième série d’expériences
Pour un débit de 0,1dm3/mn, le panneau est soumis à des irradiations de puissances 500W et 250W ; et pour chaque puissance nous simulerons la poussière, le brouillard et les feuilles. Les mesures sont faites pendant une durée d’une heure (1h) pour chaque puissance et éléments de simulation.
quatrième série d’expériences
Avec un débit de 0,2dm3/mn, le panneau est également soumis à des irradiations de puissances 500W et 250W ; et pour chaque puissance nous avons simulé la poussière, le brouillard et feuille. Les mesures sont faites pendant une durée d’une heure (1h) de temps pour chaque puissance et éléments de simulation.
Panneau solaire avec vitrage
Nous procéderons de la même manière que précédemment sauf que dans ce cas le panneau solaire est muni de la couverture en verre. Les expériences sont faites avec des débits de 0,2dm3/mn ; et 0.1dm3/mn et avec les mêmes puissances citées précédemment.
2.3.3. Conditions d’exploitations des résultats d’expériences
Un panneau solaire thermique sert à chauffer de l’eau à partir de l’énergie solaire. Pour donner des informations sur le rendement d’un panneau solaire ou d’une installation solaire, il faut connaitre non seulement sa constitution mais également les conditions atmosphériques, l’angle d’inclinaison de l’installation par rapport au soleil et les autres conditions de fonctionnement, tels que, la température de l’absorbeur.
Dans cette expérience, la lampe halogène, le brouillard, le sable et la poudre de craie simulent d’une manière reproductible les conditions atmosphériques et environnementales. Pour chaque série de mesure, le panneau solaire est disposé et réglé de façon optimale par rapport à la lampe halogène. 𝑖 = 0 Et 𝑗 = 0 (i représente l’angle d’inclinaison du capteur et j représente l’angle d’incidence du rayonnement).
MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 31 2.3.4. Données à exploiter
Le tableau 2.1 présente les débits et puissances sur lesquels les expériences ont été réalisées
Tableau 2.1 : données de fonctionnement du capteur Données de
fonctionnements
Données Débits (dm3/mn) 0.2 et 0.1 Intensités
(kW/m2)
500 et 250 Surface de
l’absorbeur (m2)
0.12
MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 32
2.4. Conclusion
Le capteur plan sur lequel les expériences sont faites peut avoir deux types de configurations : sans la plaque de couverture en verre, il est comparable au capteur plan non vitré ; avec la plaque de couverture en verre il est
comparable au capteur plan vitré.
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CHAPITRE 3 : RESULTATS ET
INTERPRETATIONS
MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 34
Un capteur solaire thermique (ou collecteur solaire ou simplement capteur solaire) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie solaire transmise par rayonnement et la communiquer à un fluide caloporteur (gaz ou liquide) sous forme de chaleur. Cette énergie calorifique peut ensuite être utilisée pour le chauffage de bâtiments, pour la production d'eau chaude sanitaire ou encore dans divers procédés industriels.
La performance d’un capteur relève de sa capacité à atteindre la température désirée par l’utilisateur. Dans ce chapitre nous étudierons la variation de la température de l’eau se trouvant dans l’accumulateur d’eau dans le temps tout en mettant en exergue l’influence des phénomènes environnementaux, ensuite nous tracerons quelques courbes de rendement afin d’évaluer l’efficacité du capteur plan face aux phénomènes environnementaux dans nos conditions d’expériences et enfin nous ferons une étude comparative de nos résultats expérimentaux avec d’autres résultats.
MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 35
phénomènes environnementaux sur le capteur plan solaire
Afin d’étudier les effets des phénomènes environnementaux et leurs corollaires sur le capteur plan solaire, nous avons généré des courbes à partir des données (mesures effectuées) recueillies. Microsoft Excel est le logiciel utilisé pour le traitement de données.
Les différents résultats de nos essais sont illustrés par les figures 3.1 à 3.13.
3.2.1. Influence de la puissance de rayonnement sur les performances du capteur plan solaire
Figure 3. 1 : Influence de l'intensité lumineuse sur la température de l'eau de l'accumulateur (C1 : 500W, avec vitrage; C2 : 250W, avec vitrage ; C3 :500W, sans
vitrage; C4 :250W, sans vitrage ; C5 : température du milieu ambiant)
26
Courbe de température avec un débit constant de 0,1dm3/mn
C5 Expon. (C1) Expon. (C2) Expon. (C3) Expon. (C4)
C5 C3 C4 C1 C2
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Figure 3. 2 : Influence de l'effet de vitrage sur la température de l'eau de l'accumulateur (rayonnement). (𝝙C1=C1-C2 : avec vitrage ; 𝝙C2=C3-C4 : sans vitrage)
La Figure 3.1 met en évidence l’effet de la variation de l’intensité lumineuse sur les performances du capteur plan. On remarque qu’avec un débit constant de 0.1dm3/mn les courbes de températures à 500W sont au-dessus de celles de 250W au bout d’une heure ; soit une variation d’environ 7°C pour le capteur plan vitré et de 3°C pour le capteur plan non vitré.
La figure 3.2 nous montre l’effet du vitrage sur les performances du capteur.
Ainsi nous observons une variation de 4°C lorsqu’on considère le critère de vitrage.
3.2.2. Influence du débit sur les performances du capteur plan solaire
Figure 3. 3: Influence du débit sur la température de l'eau de l'accumulateur (C1 : 0.1dm3/mn, avec vitrage ; C2 : 0.2dm3/mn, avec vitrage ; C3 : 0.1dm3/mn, sans vitrage
Courbe de température avec un débit constant de 0,1dm3/mn
Courbe de température avec une puisance constante de 500W
C2 C4 C5 Linéaire (C1) Linéaire (C3)C1
C4 C2 C3
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Figure 3. 4: Influence du vitrage sur la température de l'eau de l'accumulateur (débit). (𝝙C1=C1-C2 : avec vitrage ; 𝝙C2=C3-C4 : sans vitrage)
La Figure 3.3 traduit l’effet du débit sur le capteur plan. Il ressort que pour une puissance constante de 500W les courbes de températures à un débit de 0.1dm3/mn sont au-dessus de celle de 0.2dm3/mn au bout d’une heure de temps.
La variation de température au niveau du capteur plan vitré est de 6°C tandis qu’elle est de 2°C au niveau du capteur non vitré.
La Figure 3.4 fait apparaître l’influence du vitrage sur les performances du capteur. Nous observons une forte différence température au niveau du capteur vitré, soit une variation de 4°C que celle dont le capteur est non vitré.
0 1 2 3 4 5 6 7
0 10 20 30 40 50 60
Température en (°C)
temps en (mn)
Courbe de température avec une puissance constante de 500W
Linéaire (Série1)𝝙C2 Linéaire (Série2)𝝙C1
MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 38
Figure 3. 5: Influence du papier sur la température de l'eau de l'accumulateur . (C1 : sans papier, avec vitrage ; C2 : avec papier, avec vitrage ; C3 : sans papier, sans vitrage ;
C4 : avec papier, sans vitrage ; C5:température du milieu ambiante)
Figure 3. 6: Influence de l’effet de vitrage sur la température de l'eau de l'accumulateur (papier) (𝝙C1=C1-C2 : avec vitrage ; 𝝙C2=C3-C4 : sans vitrage)
La figure 3.5 quant à elle met en évidence l’influence du papier sur les performances du capteur plan. Ainsi pour un même débit et une même puissance, l’eau de l’accumulateur lorsqu’il n’y a pas de papier sur le capteur se réchauffe de 6°C pour le capteur plan vitré et de 5°C pour le capteur plan non vitré que celles
27
courbe de température avec une puissance de 500W débit de 0.1dm3/mn
C5 Linéaire (C1) Linéaire (C2) Linéaire (C3) Linéaire (C4)C4
C5 C3 C2 C1
courbe de température avec une puissance de 500W débit de 0.1dm3/mn
Linéaire (Série1)𝝙C1 Linéaire (Série2)𝝙C2
MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 39 les performances du capteur.
La Figure 3.6 traduit l’influence du vitrage sur les performances du capteur. En considérant le papier, il ressort qu’avec le capteur vitré, on obtient une variation élevée de température de l’eau de l’accumulateur soit d’un 1°C de plus.
3.2.4. Influence de la poussière sur le capteur plan
Figure 3.7: Influence de la poussière sur la température de l'eau de
l'accumulateur (C1 : sans poussière, avec vitrage ; C2 : avec poussière, avec vitrage ; C3 : sans poussière, sans vitrage ; C4 : avec poussière, sans vitrage ; C5 : température du milieu
ambiant)
Figure 3. 8: Influence du vitrage sur la température de l'eau de l'accumulateur (poussière).(𝝙C1=C1-C2 : avec vitrage ; 𝝙C2=C3-C4 : sans vitrage)
26
courbe de température avec une puissance de 500W débit de 0.1dm3/mn
courbe de température avec une puissance de 500W débit de 0.1dm3/mn