96 IV.1 Dispositif expérimental :
Les expériences ont été effectuées sur un capteur qui a été conçu dans le hall technologique du département de génie mécanique de l'Université de Biskra. Les tests effectués ont été menés durant la période du mois de janvier au mois de mai. Le banc des essais est un capteur solaire plan à air dont les dimensions sont regroupées dans le tableau IV.1. Le capteur est orienté face au sud est à inclinaison variable. Il s’agit d’un insolateur à simple passe, composé d’une vitre en plexiglas caractérisée par un coefficient de transmission
= 0.9 et d’un absorbeur en acier galvanisé α = 0.95, = 0.95. La hauteur de la veine d’air mobile est de 40 mm. Le capteur est placé sur un châssis permettant d’avoir une inclinaison variable par rapport à l’horizontale (Figures IV.1a et IV.1b).
Figure IV.1a: Banc d’essai
Entré d’air
Sortie d’air
Aspirateur d’air Rapporteur d'angles Pyranométre
Sondes de mesure de la température du fluide
Sondes de mesure de la température de la plaque de fond
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Figure IV.1b: Banc d’essai IV.2 Caractéristiques techniques :
- Les principaux composants du capteur sont :
Une couverture transparente en plexiglas d’épaisseur 3 mm,
Une plaque absorbante mince en acier galvanisé sur laquelle sont soudées des chicanes de forme demi-cylindriques,
L’isolation arrière est assurée grâce à une feuille de polystyrène de 40 mm d’épaisseur,
L’ensemble est placé dans un coffré métallique en acier.
- Eléments constituants et dimensions:
Elément de construction
Longueur (m)
Largeur (m)
Epaisseur (mm) Couverture
transparente
1.94 0.94 3
Absorbeur 1.94 0.94 0.8
Isolant 2 1 40
Boîtier 2 1 30
Chicane 1.74 0.07 0.8
Tableau VI.1 : Dimension des constituants
Thermocouples
Mesure de la température à l’entrée
Mesure de la température de sortie Mesure de la température ambiante
98 - Caractéristiques thermo physiques :
Elément de construction
Matériaux Masse volumique (kg/m3)
Tableau VI.2 : Caractéristiques thermo physiques - Caractéristiques optiques :
Elément de construction Emissivité
() Absorption (α)
Transmission ()
Couverture transparente 0.9 0.05 0.9
Absorbeur peinte en noir 0.95 0.90 -
Isolant 0.6 -
Boîtier 0.89 -
Chicane 0.89 -
Tableau VI.3 : Caractéristiques optiques des éléments de construction - Dimensions caractéristiques:
La figure ci-dessous présente une section transversale du capteur solaire:
Figure IV.2 : Dimensions des différents composants [59]
Le capteur solaire conçu est composé d'une veine d'air passive, située entre l'absorbeur et le vitrage. Son hauteur est de 2 cm. Cette valeur s'avère optimale pour ce genre de capteurs solaires. La veine d'air dynamique d'une hauteur de 40 mm est située sous l'absorbeur, dans laquelle sont placées des chicanes de formes demi-cylindriques de diamètre 6 cm, de hauteur 2cm. La disposition est caractérisée par son pas transversal entre deux axes parallèles de 5 cm .La surface totale donc (Lxl ) comporte 5 chicanes sur la largeur qui sont espacées de 5cm.
Couverture en Plexiglas Plaque d’absorbeur
Epaisseur de 0.04 m isolation en Polystyrène Plaque en acier galvanisé
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Cette disposition a été choisie dans la mesure où elle se révèle être une configuration optimale d'une part, la nature des chicanes choisies et d'autre part le choix du nombre, de la répartition et des dimensions des chicanes qui se justifie par les résultats obtenus des études menées par Ho-Ming Yeh [19] et qui prouvent l'intérêt de cette géométrie. (Voir Figure IV.4). La circulation du fluide caloporteur se fait de haut en bas. Une pompe placée à la sortie du capteur assure l’aspiration du fluide.
En dessous de l'absorbeur est placée une couche de polystyrène d'une épaisseur de 4cm.
- Forme et disposition des chicanes:
Figure IV.3 : Coupe transversale du capteur muni de chicanes
Figure IV.4 : Disposition des chicanes et géométrie de passage d'air
Figure IV.5 : Coupes transversale et longitudinale du canal d’écoulement
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Figure IV.6 : Schéma du capteur solaire et géométrie de passage (cas sans chicanes)
Figure IV.7 : Schéma du capteur solaire et géométrie de passage (cas avec chicanes) IV. 3 Situation géographique:
Les tests réalisés dans une période étalée de janvier 2012 jusqu’à février 2013. Ces tests ont été menés à l’Université de Biskra (34.8° N et 5.73° E). Cette région est caractérisée par un climat sec en été. Les tests sont effectués pour des journées claires, dépourvues de perturbations (nuages).
Les figures suivantes présentent les principales caractéristiques climatiques du site étudié [60].
1 : Couverture en plexiglass 2 : Absorbeur 3 : Plaque extérieure 4 : Isolation (polystyrène) 5 : Entrée de fluide 6 : Plaque inférieure 7 : Sortie de fluide 8 : Ecoulement de fluide 9 : Support
Chicanes longitudinal Absorbeur
Couverture en plexiglas
Plaque inférieure
Support de panneaux solaire Isolation en polystyrène
Plaque extérieure
Fluide chaud sous les chicanes et l’absorbeur Fluide chaud dans les chicanes
Sortie de l’air
L’entrée de l’air
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Figure IV.8 Evolution annuelle de la température moyenne ambiante (type)
Figure IV.9 : Profil des précipitations mensuelles (type)
Ces données enregistrées au niveau des stations montrent bien que la région se caractérise par des températures élevées avec de fortes variations saisonnières en juillet et en janvier.
L’amplitude thermique est maximale en juillet et minimale en décembre. Les précipitations sont faibles et irrégulières d’un mois à un autre et suivant les années. Les pluies sont surtout concentrées en automne et en hiver.
L’humidité relative de l’air varie sensiblement en fonction de la saison. Durant l’été, elle chute jusqu’à 25% en juillet. Par contre en hiver, elle s’élève pour atteindre un maximum en décembre.
Les vents soufflent selon la saison. Généralement, ce sont les vents du Nord-Ouest qui prédominent. Les vents du Sud sont généralement froids et secs en hiver. Ils sont chauds et très secs pendant la période estivale: le sirocco. Il provoque une augmentation de la température, une accélération de l’évaporation et une chute brutale de l’humidité atmosphérique.
102
Figure IV.10 : Humidité et point de rosé au mois de juillet VI.4 Instrumentation et appareillage utilisé
- Mesure du rayonnement solaire:
Les mesures du flux solaire incident (global et diffus) sur la surface du capteur sont effectuées à l'aide d'un pyranomètre de type "Kipp & Zonnen":
Figure IV.11: Pyranomètre utilisé CM11 - Mesures du débit:
Les mesures du débit du fluide caloporteur sont faites à la sortie de l'air grâce à un anémomètre à ailette (voir figure IV.12). Le thermo-anémomètre à hélice permet de mesurer à la fois la vitesse, la température et le débit de l'air. Le thermo-anémomètre à hélice PCE-TA 30 est utilisé également.
Figure IV.12 : Anémomètre à ailettes
103 - Mesure des températures:
Les mesures des températures dans la veine d'écoulement sont effectuées à l'aide des sondes de types 'K' et 'J'.
Les mesures des températures dans la veine d'écoulement sont effectuées à l'aide des sondes de types Nickel-Chrome/Nickel-Aluminium, de diamètre 0,05 mm et permettent une précision de 0,1°C.
Figures IV.13 : a- Thermomètre digital b-Thermomètre infrarouge
Le thermomètre infrarouge est équipé d’un système de mesure de température et de mesure de l’humidité ambiante Figure IV.10b.
L'acquisition des températures est faite grâce à un ensemble de 21 thermocouples. Dans la veine d'écoulement d'air, six thermocouples placés sur l'axe permettent de suivre l'évolution de la température du fluide caloporteur s’écoulant dans le capteur. (Figure I.14). Deux thermocouples sont installés à l’entrée et à la sortie du fluide caloporteur. La température ambiante est également enregistrée. Quatre sondes sont placées sur l'absorbeur à l'opposé de celle placées dans le canal d'écoulement. Les prises de températures sur le vitrage ainsi que celles sur la face arrière du capteur sont faites grâce au thermomètre infrarouge.
Figure IV.14 : Distribution des thermocouples et points des mesures
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Figure IV.15 : Schéma général du banc des essais et appareillage des mesures - Mesure de l’humidité relative :
Un hygromètre a été utilisé pour mesurer l'humidité. Il fournit en plus des informations sur le point de rosée. Il permet de mesurer avec une précision de 0.01 % de H.R, 0.01 °C
Figure IV.16 : Hygromètre PCE-555
Sondes de mesure de la température de l’absorbeur
Sondes de mesure de la
température de la plaque de fond
Sondes de mesure de la température de fluide Rapporteur d'angles
Pyranométre