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.Afhantd- t1lfah, fretuLier et det'rtier, qui rLouLS a fourni
{a yofayruté, f aii.die, [,it yatie',yLce et fe succ(is YyI.LT
compléter fe ,c/li"Lr:; 6e f étufe et fe ynétnoire.
Aux -1teTs:,orL7Ln5 [ss: _,gfi,u yréc,ieuses et les gthts cfr"è:i,,',!nt
qui, ytrz l"Assez ]ldLs' {ets' nrots feur f,roit et
"rLorL &Of'h
1thrasrzS feyUrs T'enLe?'c1lerl,t, TvtOTL succès est [eur sttt::cès, WtegtaPta rnère e't mon Yère. i
..A tous fes génwfrlw.K wneryn6r,z:; de {afatniffe quiw,t'onLt
s o:tnte'vLll ma&iv"i,e ftemen\.,e'.t vnor a,fevnent s cuns
'' TtîLCCr0',;WCiy', Wterci'
, ; A tous ceux qwi TLrLLS oytt ai{és à comytléter c,e'
" 'nLéTn,oiTe, en. cowyqnerLçant yar f enca,:dravtt
lt( tsO'L|B,J\,OUI. Stynin ,, qLt{ 'nous a ai{é a'vec tol,ti.t ce
qu'if y,elLt, rL'ou,Lbfïa,yts joas fe qirçfnsse'tlr' << lDJISvIt'")l D, q'wi rLolLS a ainCé fana; fa simu\atio"'rc,
-:4 tou:dffo.rp aro}nSSelt1t S qui notLs ont aidlés t(lut au fong
JF {t'.Parco"L,rs'
A to'u:; fes .yro,ches et fes awnis revnerci€rrl€rtts:
i G-"
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^:,7Werct.
Deidic(rce .'
Je déd)i<t ce modestie travait à :
tr[ron c:her père zlhmrzd Chenlf et ma mère qu'i ont été mon souti'en F)our atteindt"e ce nive,aiw et orct été pout'moi une
t!,iwmière qui ,me guide vers mon chemin,,
Mes freires et metr sæiwrs qui' rt'ont pas heisité à m'aid,er et
l'/t|rgltColtf A,gef .
Touile mafami,ll'e IIRIGI{IIN et tous l,nes atmis.
I4'on ltinôme poLtr nos cont,rsintes corntrtufi€;i d'enn'chir
'de ce ménryoire.
Totts lets enseignarn'ts et les étudisnts de wtaste:rr II de génie
tnécaniqu€ d'atption : << énergétique D.
:,
!
,iË
Aheene: BRIGIï:{Eï{.
L
SOMMAIFi.E
Inûroduction générrale
généraler..
Sommaire chopitre I : géinérahités et rec:herches bibliograp,lhiques LI Intoduction...
Types des énergie,s renouvelables...
Types des capteurs solaires thermiques
I Capteur solaire plan...
I
a. Capteiur plans sans vitnage.. -. -.
b. Capterur plans avec vitrage...
c. Capte,ur solaire à tube sous vide..
d. Capteurs hybride photovoltaîque- th,rrmique .2 Cheminé solaire.
.3 Les capteurs so,l.aires à concenûation....
a. Torn solaire
b. Capteur solaiire parabolique...
c. Réflecteur Fr,esnel...
d. Capteur Cylindro-parabolique (CCP).
Classifi cation des capteurs solaire s thermiques Concenfateurs s,olaires CCP. .
I.
I.
I.
.1 Description de ooncentrateur CCP et Principe de fonctionnement .1.1 Composants dl'un CCP.
a.
b.
c.
Réflecteur.
Tube,Absorbeur (récepteur)... ...
Fluide caloporteur
.1.2 Quelques types des fluides calloporterns ... .
SOMMAIR.E
Recherches bibliographiques sur les CCP...
Conclusion
chap,itre 2 : Etutle théorique et modélisation mathtfmntiqae lntroduction...,,
. Description du rnodèle adoPté.-.
I Etude théorique,
il. .1 Les paramèfiesr géométriques et optiques de collecteur" ' " '
a. L'angle d'ourrertuf,e (q)...
b. Facteur de concentration géornétique (C).
c. Facteur de concentration optirlue (Co)...
d. Angle d'incidlence (e)...
e. La surface efifrcace (S")...-...
f. Le facteur d'interception (y).'- II.4 Les hypothèses simplificatrices. ... .
Equations de Conservation de masse, quantité drl mouvement, et d'énergie..."'
Modèle k-epsilon..
10 Paramètres géométriques et optiques...
10.1 Pour [e tube absorbeur..
il
II
il
8 8 8 8
l2
l3
13
l3 t3 I4
14
I4
15 15
l5
16
r6 t7
I7
17
t7
17 18
I8 I8
18 18 18
l9
20
20
20
0.2 Pour le réflec1eur
It
II.
il.
IL II.
I I I
0.3 Pour le fluide caloPorteur
I Géométrique sur logiciel ( GAMBIT >. ...
1.1 Réalisation de maillage sur logiciel ( GAMBIT >...
1.2 Présentation des maillages..
2 Conclusion....
Sommnire chapitre III : Résul'tats et discutions I Infoduction....,,
zBtretde maillage
3 Effet de Reynolds ...
3. I Charnp d'écoulement
3.2 Champ therrrique.
4L'effetde flux imposé
L'effet de température d'entrer 6 Conclusion
Conclusion générale
Conclusion générale. ..
21 22 22 22 23
24 24 25 25 29 55 35 37
38
Nomenclature
Symboles
A
Ac Aau
CP
D d F
f
g
h
I
K L L
I
m
Qc
p F
Quttle
r
S
T T U
Uniré
[*t]
Im']
[*t]
tl/kg. Kl lml Im]
t-l lml lm/ s2l [wm2.t<]
tw/nfl
[\M/m. K]
lml lml lml tKg/sl lw/m2l
lPal lPal
lwl lml tvrl lkl ou ["C]
lkl ou ["C]
lml sI lrnl s]
fm/ sl lm/ sl lm/ sl u
u v û
Nomenclafirre
Signification Surface L'aire d'ouverture L'aire de I'absortreur La chaleur sPécifique
I-e diamètre
Diamètre thydraulique de l'écoulement Facteur de forrne
La distance focale L'accélératiotl
Le coeflîcient d'échange convectif L'intensité de flux incident
Lil sonductivité thermique Longueur d'ouve*ure
Ia longueur de tube absorbeur et de réflecteur l,a, longueur caractéristique
Débit massiqu,e Densité de flur
I-a pression La pression moyenne
l,a puissance utile Rayon du CCI?
La source de chaleur [,a température
Ia température moyenne
la vitesse I-a vitesse selon x lla vitesse moyernne
La vitesse selon y La vitesse moyenne selon Y
ru
I
Nomenclature
lm/sl lmI
V1
w
Nu
N,
Pe Pr Re
[a vitesse de fluide caloporteur L' ouverture de concentrateur N omb r e s adine n s ia nn elle s
Nombre deNusselt local Nombre de Nusselt moyen
Nombre de Péclet Nombre de Prandtl Nombre de Reynolds
Symbolcs grccs
Le coeffrcient d' absorption l,a diffrrsivité thermique
Emissivité
Iæ coefficient de transmission L' effrcacité thermique(le rendement)
La ma,qse yslrrmique I-e coeffrcient de réllexion [-e coefficient de réflexion de miroir [a viscosité dlmamique du fluide caloporteur
[a viscosité cinématique du fluide caloporteur
t-l
t-1 t-1
t-l
t-1
q p
p
pm
Irl
1)
indices
Ind.ice ab amb
c e
f
fe fs
t-1
t*tlsl
t-1 t-1 lo/.1
Ke/m1 t-l
t-1
lKg/m. sl
t*2lrl
a,
a
€
t
m tay
S
Signiftearion
t"e tube absorbeur L'ambiance L'ouverture de réflecteur
L'entrer Iæ fluide caloporteur
Entré de fluide Sortie de fluide
Iæ miroir rayonnement
[-a sortie
lv
Nomenclature
1
2
a J
gles et abrévi:rtions
Sigle et Abréviatlon CCP
MCRT MVF
PTC PTR p
L'intérieur de tube absorbeur L'exténieure de tube absorbeur L'enveloppe du verre (vitrage)
Signification
Un concenffateur Solaire Cylindro-Parabolique Méthode Monte Carlo Ray-Trace
Méthode des Volumes Finies Collecteur Cylindro-Paraboliqure Récepteur Cylindro-Paraboliqur:
Position.
Liste des ffgures
Liste des figures
Clitopitre I
I.1: differenft,s sources des énergies...
I.2 : Concentrateur cylindro-parabolique CCF
re 13: Le tube rrécepteur.. 7
Ch,apître II
2 5
II.1: schéma descriptif des tubes ordinaire et semi-adiabatique....
II.2: I'angle cl'ouverture
re II.3: I'angle incident et I'ouverture d'un conc;entrateur de CCP...
re II.4: coupe triansversal de I'absorbeur et modes de transfert
re II.5: schéma ltongiûudinale des caracteristiques géométriques et thenniques d'un
13
t4 t5 t6
t7
22 23 23 re II.6: présentation de maillage 1...
rcll.1z présentation de maill4ge 2...
re II.8: présentation de maillage 3...
Ch*pitre III
III.I : VecteuLrs de vitesse aux stations(Pt=111.2*, Pz =3.9m, €tP3 ==7.Sm)de absorbeur ordinerire ;(a)Re(l) ,= 2500 , (b)Re (2) = 3500 , (c)Re (3) = 4500
lll.2 z Vecteurs de vitesse au:rr stations (Pt=0.2m, Pz=3.9m, €tP3 ==7Sm)de absorbeur avec semi-adiabatique; (a)Re (1) = 2500 , (b)Re(2) =3500 ,(:)
3) = 4500 27
III.3 : Profils de vitesse à la. station (4 =0.2n) en fonction du nombre de Re(1) = 25010,Re(2)=3500, Re(3) =4500r ,potn4c =700011 lm3, et
=2VC; (a)Tube ctrdinaire,(b)Tube semi-adiabatique 28
III.4 : Profils de vitesse à la station (Pz =3.9tm)enfonction du nombre de Re(1) = 2500,Re(2) = 3500 , Re(3) = 4500r ,PowQc =7000W lm3 , et
-2fC; (a)Tube ctrdinaire, (b)Tulte semi-odiabatique... 28 re III.5 : Profils de vitesse à la station (Pt =7 'Sm)enfonction du nomlbre de
26
IV
Re(1) = 2500,Re(2) = 3500,Re(3) = 4500 ,WVQc =7000W 1m"2, et
Liste des ftgures
= 2f C ; (a)Tube,ordinaire, (b)T'ube semi-adiabatique
re lrr.6 : Profilsrdes températures sur le long de tube absorbeur ordinaire, pou
=7000W /m2 , etl: T, =2VC; p)Fte(l) = 2500 , (b)p1e(2) = 3500 ,
Re(3) = 4500
re rrr.7 : Profils des températures sur le long de tube semi-adiabatique pour
= 70A0W / m2, e,t T" =2VC ; (a)Re(l) = 2500, (b)Re(2) = 3500, (c)Re(3) = 4500
re III.8 : Evoluti,on de tempéraÉure à la sortie des tubes en fonction de nombre de
=7A00W /m2 . et
Re (l) = 25010 ,Re (2) = 35t)0 , Re (3) = 4500 ,potx çt"
=2VC ; (a)Tube ordinaire, (b) Tube semi-adiabatique
III.9 : Evolutjion de Nusselt local sur le long des tubes absorbeur en fonction de Re(1) = 2500,Re(2) =3500, Re(3) = 4500,pou e" =7000W /m2, et
-2fC; (a)Tube cn dinoire, (b) T'ube semi-adiabatique....
ilI.10 : Evolution de Nusselt moyen(Nz)en fonction de ReynoldRe (l) = 2500 ,
2) =3500, Re(3) = 4500,pour e" =7000W I m2, et T" =2trC ; T" =2VC;
'ube ordinaire, (b) Tube semi-adliabatique... ... ...
[I.11 : Evolution de température du fluide sur le long de tube à (y = 0.0175 m), ion de flux concentré (ea = 3000W lm2,e"2 =700014r lm2,
=ll0007 /m2); (a)Tube ordinaire, (b) Tube semi-adiabatique
III.12 : Evolution de tempér,ature à la sortie de tube en fonction de flux
Qcr =3000rf/ /nf ,Qc2 =1'000W I nf ,ec3 =ll00y /nf ; (a)Tube ordinqire, semi-adiabal'i,que ...
III.13 : Evoluttjion de Nusselt local sur le long des tubes absorbeur en fonction de defhar.Q"1-'.3000w /tff ,Qc?, =7000w /rff ,Q8 -ll00w /nf ,povrRe= 4000
T" =2VC; (a)Tultt,e ordinaire, (ll) Tube semi-adiabatique... 35
III.14 : Evolulion de Nusselt *oyrnlNr)en fonction de densité de flux
=3000W / nf ,e"z =7000W I #,eû *lI00W / rf , porxFte= 4000 , et T" =2ffC
Tube ordinaire, (b1) Tube semi-a,Ciabatique
28
aa JJ
il"
Irir
30
31
32
JJ
34
34
35
Liste des ffgures
m.15 : Evohrtion de température du fluide sur le long de tube à y = 0.0175 n,
ion de température do entrer (Te1 = 288K,Tq = 298K,etT% = 308K ), pour
= 4000 et gc =7ût00W lrrt ; @)Tube ordinaire, (b) Tube semi-adiobetique...
III.16 : Evoluttion de Nussellt local sur le long des tubes absorbeur en fonction
d'enter (Tq - 288K,Tq = 298K,etT% = 3081f ) pourRe = 4000 et
-7040W /nf ; (a|Tube ordinaire, (b) Tube semi-adiabatique... 36 rrr.17 : Evolufion de Nusselt moyenllrr) en fonction température d'entrer (
-288K,Te2=29i8K,etTq=308/() pourRe = 4000 atec =7000W lnf ; (a)Tube
(b) Tube senmi-adiabatique... 37
36
vl
Liste des tableaux
bleau Ll : Type dles capteurs thermiques et leur intervalle de température bleau rLL: caractéristique géornétrique et optiques de tube absorbeur..
IL2 : les crurackristiques physiques de tube absorbeur... ...
IL3: Les caractéristiques géométriques et optiques de réflecteur
IL4: les caractéristiques physiques de fluide caloporteur (eau)...
bleau il.5: nombre et distribution des nouds sur les vohunes de contrôles...
frt l: Effet de maillage sur la température de sortie et Nusselt moyen pour absorbeur ordinaire et semi adiabatique
6 2A
2l 2l 2t
22
24
Introduction générale
Introduction Générale
lntroduction Générale
La disponibllitê énergétiqtre à un grand potentiel dans le développement durable des
ivilisations humetimes, matérialisé par une forte croissance indusffielle. mais en
derrière ces éner6fvores se cache une immense facture de pollution qui y ont répercussions rr(ifastes sur l'enrvironnement, et qui propage une polémique économique et Devant cette situation critique, les efforts se multiplie et des solutions sont y comprro,mis, les concentrateurs solaires.
alternative bechnologique, est celui qui présente le plus de possibilité pour une xploitation industrielle prometteuse et adéquate, via la disponibilité et la gratuité d'énergie
ire sur de très r/,astes étendues du globe. Sa conception est quasiment simple on se basant
r un collecteur cgri concentre l'iradiation solaire sur un fube absorbeur, par l'effet de thermique l,e fluide caloporteur gagne de la chaleur.
'importance de ce travail se révèle dans la compréhension du comportement de fluide en fonction de certainis paramètres tel que ; débit, densité de flux concentré, et
d'entrer, dans une investigation comparative entre deux prototypes de tube d'un cylirrdro-parabolique, dont I'un est semi-adiabatique, et l'auffe est ordinaire.
manuscrit de mermofue est strucl.uré en trois chapitres et une conclusion générale.
Le premier chapiffe, présente des généralités sur les énergies renouvelables, types des solaires, lernrs classificati,ons, description des concentraterrs cylindro-parabolique,
un aperçu scientifique sur les travaux antécédents des CCP durant ces dernières nies.
Ensuite, le sr:cond chapitrrl décrit le modèle physique de CCP, suivie du modèle ique comprenant les équations gouvernante de Navier-Stocks pour un écoulement t de type K-e.
Dans le troisième chapitre, nous présentons les résultats obtenus pour les deux tubes urs avec les rC.iscussions.
Le mémoire esit clôturée averl une conclusion générale compromise tous les points
des chapitrr:s.
i
I
ll
ï
il
tl
I t t
t-
Généralité et recherche bibliographlque
l lntroductiorr
Certes, d'atrlrès des ressentes études, l'épuisement des ressources fossiles s'approche lus que jamais, sroit par leurs répercussions néfastes sur I'environnernent, soit par leurs isparitions, pour cela les recherches modernes tournes vers d'autres alternatives propres
<< Energie rêrùo,ilvelable >>, comme l'énergie solaire, hydraulique...etc.
s ce chapitre nous allons présenter une description gênéraLe sur ces énergies ouvelables, tels que ; gisement solaire corrme source de ces énergies, types des capteurs notammerrl les capteurs CCF, et leurs composants, clôturant ce chapitre par la tation de certains travaux scienti.fiques.
Types des énuergies renouvelables
iË6ttr6 J à41,. ; :Af)ûA .: 1É2
;2t'{,9:4érl llOl(}: 25OloO
Les énergies renouvelablesr sont des énergies propres et disponible, leurs principe de t est un aspect naturel, elles sont appelée pat << énergies vertes >> à cause de leur
g*ËFf*re , ..'..'È :
t{r{!5 25 .}o('lt ] t:
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llro9 : 236ttlt t|l:{' r tatOlo È*rtiÊ*tr*c *l
tffitFç5 i* (**lç.$a i!:".r ".
IOOB ; ?tl{i
?{}(X, ; 9l!i lrotlo': at3O
;lèfiwrK eh-*t{t {t }i:{t}
I()O.9:1flfSil r<tu1, 1,, 170 l{Ûzrc : lga55
Figure I.1 : Différentes sources des énergies. [1]
Energie hydiroélectriqae: L'énergie hydroélectrique est une fcrrme indirecte de
l'énergie sol,aire, les rayons; solaires incidents provoquent l'évaporation de I'eau de la
mer, cette d'ernière sera prisonnière dans des réservoirs utilisé pour entrainer des
turbines. [2J
(Jhapitre I Généralité et recherche bibliogaphique
Energie de ln biomasse.' rE,tle transforme le carbone existant d;ans les plantes en
carburant, {lette transfor,mation se f'ait par des méthodes spécifiques comme l'égouttager et les réactions chiimique pour obtenir de I'alcool (éthyle, méthyle. ".).
L'énergie ëolîenne.'L'utilisiation de celle-ci est connue depuis les anciens temps, elle
est utilisée dans plusieurs do,maines pour produire une énerg;ie mécanique, La production d'élsctricité erst tienne dans la première classe, elle est basé sur des installations simple composéies des hélices rreliés avec des générateurs électriques sur
la même :rxe dle rotation, cett,e technologie peut produire une énergie important (certains mérgawatts).
Energie de tla géothermie.' Eist une ênergie crée et emmagasinée dans la tere sous forme thenn.ique. Elle est paLrllois libéree Èr la surface par des volcans ou des geysers, mais elle preut ztussi être accessible à tout rnoment, comme dans les sources d'eau chaude. L'énerlgie géotherm.ique peut également être employée dans un but domestique, ou pour produire rJe l'électricité. [3]
Energie mû:tine.' c'est une énergie très peu exploitée jusqu'ici. ce type d'énergie dépend de l:a force des couriurts produite par les vagues et les rmarées, pourraient constituer let souLrce d'énergiie renouvelable de demain, même si pour l'instant, leur exploitation pour produire de l'électricité n'est pas rentable. [4]
Energie sdlnire: L'exploil.ation de cette énerrgie se fait selon deux types principaux ; une transforntation directe des reryons solaire en électricité à l'aide d'une technologie plus modeme; appelée << Pa,nneaux photovoltcrïques >>,I'autre type est la transformation
de l'énergire solaire en chaleur, qu'on peut le voir dans les ciapteurs solaires à concentrationLquipermet de générer la chaleun: et l'électricité.
I,,3 Types 6.t ça:pteurs solaires thLermiques
Les capteurs isolaircs ont l'aptitlude de convertir l'énergie portée par les rayons incidents sur leur surface en éinerg;ie thermiquo, cette dernière est absorbée et transportée par un fluide caloporteur pour di'v'ers usages.
Les types des captrrurs solaires thenmiqrLres sont l'ariés selon la géométrie, les matériaux de constructions utiliséir;, la nature rlu fluide caloporteur, et le niveau de températurc, qu'ils permettent d'atteintlre. C)n cite :
1.3. 1 C apteur s ol.aire' plam
{Jhapitre I Généralite et recherche bibliographique
Iæs capteurs plans ont des normbreux avantag,es, dont une technologie simple et un coût relativement bas, rle plus ; certar.ns ay'ant un renclement supérieur aux ,celles des capteurs tubulaires, du iait que les rayons solairers atteignent plus facilement I'absorlbeur. [ 1]
a. Capteur pt!,uns sans vitrage.'cr: type de capteur capte bien l'énerrgie solaire et son couts est rnoins, chère, I'rfiilisation de ce type des capteurs est limité puis,que son utilisation est eftflicace seuli3nûent en été. [12)
b. Capteurplduns awec vitrage:l'énergie solaire est ainsi emprisonné,e dans le capteur à cause du rt:il.rage (effet de serre), Ces capteurs sont courammenl, utilisés pour des applications aux. tempéraflrrr:s modérées (chrauffage de I'eau sanitrarire, chauflbge des locaux, et chauflàge pour trrocédés industriels). [12]
c. Capteur sa>tluire à tube sous vide.' sont bien adaptés aux applications requérant la fourniture d'énengie à des hautes et moyennes températures (eau chaude à domicile, et applicationrs de r:hauffàge :Lndustriel dans des gammes de tempéraûffes de 60 'C à 80
"c. Ltzl
d. Capteurs hytbriâie photovot!.tatïque- thermique : la combinaison d'un capteur thr:rmique
et d'un parnneau photovc'ltaïQue dans un seul capteur permet I'augmentation de I'efficacité rje la,conversionLtrol.ale de l'énergie solaire. [12]
1.3.2 Cheminé solnire
La centrale à cheminée solaire: est constituée de trois éléments essentiels, le co,llecteur solaire, la chemintlç,, et la turbiner. L,a ,cheminée convertit le flux de chaleur produit par le pollecteur en énerg;ie cinétique (courant de convection) et énergie potentiel (chute de pression dans la turbine), ajirrsi lil diffrrence de densité de I'air causée par l'élévatiion de température dans le collecteur.joue le rôle d'une, firrce d'enlraînement qui pemet I'air de touraée des
turbines situées à I'embouchure dr: la cheminée et produire l'électricité à travers des génératrices de coun:ant. [13]
1,,3.3 Les capteurs solaires à concentranfion
Ce type de c:tpteur réfléchie et focalise le rayonnement solaire reçu sur I'absorbeur de nranière à accroitre l['inl,ensité des ray'onLs solaires et d'obtenir des températures plus rilevées, supérieur à celui des caprteurs planr;. [1 1], citant :
a. Tour solnir : Itt concentration des rayons solaire sur une petite :;urface (récepteur) génère une lpanLde quantit.é de chaJeur à haute température qui peut atteinidre les 1000"C, celte centrale utilirie des héliostats qui sont constitués de mir:oirs plans [14]
b. Capteur sol^aire' parabolique.'ces capteurs utilisent des surfaces réfléchissantes
parabolique,ri pour concentrer les rayons solaires dans le foyer où se trouve le récepteur
C,hapitre I Généralité et reche::che bibliogrrrphique (absorbeurs) rtrui capte une crhaleur solaire concentrée qui peu'vent atteinrlre des températures plus élevées (usiqu'it 1500"C) sur le récepteur. [15]
Réflecteur F'resn,el.' le princip,o cle ces réflecteurs est presque le nrême d'un rClCP, les miroirs réflérlhie lles ra'yonnern,ents incident du soleil sur le tube ré:r:epteur et lo fluide caloporteur 1r'ansporte l'érrergie thermique, dans le circuit ; sauf que clans les
réflecteurs de lFresnel les miroirs sont de la fi:rme plates.
Capteur Cy'llilndro-paruboliq'ae (CCP).'oonvertit l'énergie solaire en énergie thermique par: f inLtermédiair:e dlu fluide cal,oprr:rteur qui circule danr; le champ solaire.
Les CCP sonff génLéralernent exploités jusqu'àr des températures atteints à 400 ''C avec I'huile synthétique,, alors qu'r[s peuvent atteindre 550 'C en utilisant les sels forxlus.
I-'turalyse optique et lhernnique de cesr collecteurs est très importante et perrnet aussi d.'rSvaluer les effets de la dégracliation des colltpteurs [16]. L'utilisation principale de ces capteul'si utilise I'eau comme fluide caloporteur pour la production de,vapeur et de chaleur.
I,,lJ Classification des capteurs soliilires therrniques
I1 existe pilrusieurs critères de classification des capteurs solaires, y compris tr:.nrpérature de sortie, illustré dans ll tabhau I.1
I";Si Concentrateurrs solaires CCI)
L,!i,.1 Description de ,c'oncenlrateur
'CrC.P et Principe d.e fonctionnement
L,r,: CCP est un système adopté p,run l'objective de l'exploitation de l'tSnergie solaire, il
fiietrsforme l'énergie capté du soleil à I'raide d'un nriroir réflecteur en énusrgie therruique à haLtfe température dan.si un fluide caloporteur prêt pour les différentes utilisations. Figurre (I.2).
d.
Fig;ure I.2 : Con cerrûateur cylirrdro-parabolique CCP. [ 1 I
Chapitre I Généralité et recherche bibliographique
Tableau I.1 :l Type des capteurs thermiques e[ leur intervalle de temtrrérature. [17-|
Type dres capteurs Intervall,e de température ["C].
Figure ,llom
Captleur plan
A tube sous vide
Rélllecteur paraLboliq.ue
composrl.
Ré{lecterur parabrolique.
Réflecteur
Fr,e:s;nel,
Réfle:cteur
cy,[rindrcr
parabolique ,CCP.
Chrilmps;
d'hé:liostat.
"lit:-:,". . t*,':,.
.-.,4'\
g,
27 - 8',7
300 - 4160
340 - 51.0
340
344 - 54.4
340 - 5tl0
340 - 3000 560
Il est constilrré d"un miroir cylinrlro-parabolique concentre les rayonnements solaires sur un tube récepteur placé sur le lc,ng de la ligne focale, l'énergie concentrée par le collecteur est absorbée par un flluide caloporteur situé dans d'un tube métallique placé à l'intérieur d'un autre tube en velre, géntlralement ,la temLpérature cle fluide caloporteur est atteint les 400"C.
t181.
L5. 1. 1 Composants,al' un CCP
Le concenfrateur CCP est intég5é généralement dans les centralles thermique de
production de l'élex;tricité ainsi relier avec des s./stèmes destockage de la chaleur pour
Chapitre I Généralité et recherche bibliographlque
l'utilisation dans lers périodes de manque de l'énergie thermiques ou électrique, mais notre
travail est basé stu: les CCP, pour cela nous allons citer juste les composants de noffe système:
a. Réflecteur; est un miroir qui concentre le rayonnement solaire incident sur on foyer [18], Un réflecteur de bonne qualité peut rélIécht 97% du rayonnement incidemt [17], pour être eflilLcace il doit pc,ssédai les critères suivants :
- Réfl,échir au maxirnum le rayonnement lumineux
- Absorber au minimum le rayonnement lumineux
- Etre parfaitement lisse afin d'éviter I'accumulation de la saleté.
- Résiste dans le temps aux effets de I'environnement (pluie, grêle, rayonnement Solafure,...)
- Dant; certaines applications, résiste arx variations de température.
Généralement, il est constitué des matériaux de bonne réflexion ; Aluminium, Argent, Acier inoxydable, Il y a autre types comrne verre mince, Polymère, ..-etc. [17]
b. Tabe Absorbeur (récepteur).'c'est le foyer qui reçoit les rayonnements concentrés et réfléchies p;u: le miroir, il c:onvertie cette énergie en énergie thermique. il est constitué généralement d'une enveloppe en verre meffez sous vide pour diminué les pertes thermiques par convection etau même temps augmente I'effet de serre entre le lube et I'enveloppe. (Figure I.3 ), Le tube récepteur doit avoir une bonne absorption au rayonnemelrt et limite les pertes thermiques [20]
<--- l.kre -.llssùes
Fluide caLogotceur
Figurre I.3: le tube récepteur. [19]
c. Fluide calnptoftsvT.' permet le transport de l'énergie thermique pour divers usages. Le choix de fluriirle se fait selon plusieurs critères pour assurer le bon fonctionnement de système: [2111
- Un fluride caloporteur doit être stable jusqu'au niveau de température maximale
pendlant la stagnatiotn de capteur.
Chapitre I Généralité et rechera:he bibliographique
Un fluidle caloporl.eur doit rependre aux conditions de protection antigel si l'ins;lallation fonctionme sous des con.ditions métrologiques incluant le gr:1.
Un lS.uide caloporteur doiit protéger le circuit de corrosion.
Un iflluide caloporteur doit supporter les hautes valeurs de chaleur spécilique et de r;onducti v ité thermique.
Un lluicle caloporlerut' dloit être non toxique et avoir un faible impact sur l'environnement.
Un lluicle caloporte,ur cloit avoir la plus faible viscosit.é pour faciliter la circ:ulation.
L.5.1.2 Quelques l;ypes des fluides calo,porteurs
Les huiles .: ces fluides ayant des points critiques élevés c'est-à-dire ils restent à l'état liquide dans los températures élevé enrriron de 400'C (apprelle aussi fluides monophasiques), les huikrs syn,thétiques c'est les fluides les pluLs utilisé dans les centrales a r;ollecteur CCP.
L'euu liquic,le..dans les c,enLtrales thermiques qui fonctionnent à turbine à vapeur, on peut utilisor l'eau liquide directement dans le tube absorbeur, l'inconvénient qui se
trouve danrs ,;e cas est le ril;que d'e changement de phase.
Les sels fondus.. leur propriété physique et chimique offre un bon fluide de stockage thermique, mais lorsque lla température est inférieur à la température critiqrue, çe5 matières se solidifiés et bloque la circulation dans l'installation, ainsi ces matériaux provoque l,a. con:osion.
L'air.
I.6 Recherches biblliographiiques sur les CICP
Markus El:k et al l22l ont étudiés f influr:nce de I'inclinaison du collecteur sur le
comportement thermo-hydraulique de la génération directe de vapeur dans les creux
paraboliques pris en, chirge par I'eftecftré des tests rlec un collecteur horiz:ontal et incliné Les
r.ésultats des leurs essai montrenLt clairement que le collecteur horiznntal garantit un
refroidissement su.flhsarrt pour tourtes les conditions d'exploitation étudiées. L'inclinaison des
collecteurs n'est pax; nécessaire pour le processus de génération de vapeur d'eau, ces études
montrent la possibilité d'utiliser des collecteurs hori:zontaux au lieu de ceux inclinés.
Chapitre I Généralité et recherche bibliographique
Z.D, Cheng et al t231 Ornt présente les résultats numériques de I'analyse
comparative et seirsible pour diffiSrents système de CCP dans différentes conditions de fbnctionnement, Len ré$ultâts nunrériqur:s montrent que les caractéristiques globales idtlales et les performances oprtiques des systèmes CCP sont très différentes de certa.iLns points critiques déterminés par le prhénomène de divergence du faisceau solaire non par,allèle, ce qui peut éigalement être bie:nL expliqué par l'analyse théorique.
Z.D. Cheng et ial [24] Ont présente les rés;ultats de I'analyse théorique des relations enffe les paramètrr:s grSométriques cle réflecteur di'un système collecteur: parabolique et la fbrme focale form(irl peu la défocaljisation. Ensuite, les effets de ces pararnètres conçus et le phénomène de dtlfocallisation su.r les caractéristiques complètes et les performances de I'ensemble du proce,ssuts de conversion photo-therrrLique dans le système Ï)TC ont été étudiés numériquement et optirnisés, 11 est (1g;al:ment constaté que les caractéristiques complètes et la performance sont très différentes à partir de certains points critiques déterminés par le phénomène de défcçalisation du firisceau solaire non parallèle.
Cheng et al [25] ont développent une rnéthode numérique génér:ale pour améliorer les outils de conception / simulation pour les capteurs solaires à concentration (CISC) de l'énergie solaire conLcentrée. IJne nouvelle méthode de modélisation et un code unifié maison avec le Monte-Car:.1o Rily-Trace (.MCR'[) Les résultats montrer que la m(ithode et le modèle proposés sont fiabtes pour simuler divers types de l'rinergie solaire concenû:ée.
Ze-Dong; Cheng et al [26] étudient et présentaient les résuttats théoriques et numériques d'étud,e dlétaillée des paLramètres sur les caractéristiques; complètes et la
performance de l'ensemble du prrlcressTts de conversion photo-thermique d'un système CCP, ces résultats de I'ianalyse théorique des relations entre les principaux paramètres conçus et certaines variables imprortantes du réflecteur onl. érté présentés en premier lieu, ensu'ite, les effets de ces pararrlrètres et le phénomèr:re de défocalisation sur 1es caractéristiques complètes et la performance é:taient numériquemerrt étudié et optimisé, en utilisant un modèle 3D intégré combiné la MVF eil la nnéthode MC.RT.
En même amée, Z.D. C.heng et al présentaient une étude qu''elle a présenté les
résultats numériques de I'anal5'511 cr:mparative pour certains systèmes CCP tlypiques
disponibles et éturCr:s sensibles sur les reffets des paramètres géométriquesi principaux sur les
caractéristiques et çrerfrrrmances optiques globales de ces systèmes sous différents conditions
Chapitre I Généralité et recherche bibhographique
cle fonctionnemenl.. Ce travail a ér:é elTertué par un plus détaillé modèle oprtique développé à
partir du projet uniljé précédemment proposé modèle MCRT. [27]
WANG l(un et al ont effectrué une expérience pour augmenter I'uniformitri de la température dépori,5e et ainsi arnérlior,er la fiabiliité du PTC, l'utilisatio,n d'un réflecteur secondaire conrme) run réflecteur honrogène dans k fraditionnel du PTC a été étudié par la MCRT, et simulé par le MVF, r:e qui donne que,la distribution de flur solaire peut être homogénéisée par éloigner le tub,e de l'absorbeur de la ligne focale du CCP vers le concentrateur et airruter un réflecteur homogène. Cependant, le tube absorbeur est chauffé uniformément au dérriment d'une pe:rte optique légèrement accrue. [28]
P. Wang el. al l[29] ont rrlalisaient une simulation numérique triclimensionnelle sur l'amélioration de tr:ansf'ert de la chaleur dans le ,collecteur parabolique par I'insertrion de mousses métalliques parun modèlo rls transfert de chaleur. Leur expérisnce montrait que : La .reconstruction du dramp de vitesse prédomine sur l'élévation effective dle la condu.ctivité thermique, amélionie ler transfert dr: chaleur et en vue de la limite de flux de chaleur non runiforme conduit ii une meilleul'e performance thermique.La performance thermique est roptimale avec mous,r;es rnétalliqueri insérées en haut du tube récepteur (semi isolant) Comparé
iau tube récepteur clair, clonc le Nu est augmenté.
Men Wirz et at [30] ont fait une étude numérique optique et t]rermique en trois rlimension d'un sysrl.ème CCP a ét.é développé, I'application de MCRT en combinaison avec JMVF permis pour: I'inr:orporation de la température et de la chaleur non unifornne les rlistributions des ternpératures maxirnales critiques r:t des flux de chaleur pir la comparaison avec plusieurs donrr,é,es erxpérimentales a montré un bon accord.
S. Khanna ei. al [31] ont fait une expression zrnalytique pour la distnibution du flux sur la surface extérieure d'uin tube absorlbeur coudé le long la circonférence ain.sii que la direction
ixiale, été étudiée lles effets optiqur:s et la forme cle soleil gaussienne sorrt dérivées.iils ont çonclus que le flux ne v:rie pas axialement en raison de I'angle d'incidence. Le cas d'un creux parabolique orienttl Norrd-Sud, la l'ariation axiale est plus grande pour lles latituders plus élevées où pour le r;reux parabolique: orienté Est-Cluest, cette variation est pJlus grand pendant le lever et le coucher du soleil.
10
Chapitre I Ggnéralité et recherche bibliographique
A.A. Hachicha et a13z)ont rézùisaient une simulation numérique e)t analytique sur le pTC pour I'analys,e, opttque et thermique et validé l.es résultats avec des rrirsultats analytiques elisponibles à pilrtir aux mesures expérimentales de Sandia National Laboratoires (laboratoire). Ils onLt conclus que, conc:lu que le nlodèle numérique adapté pour pré'dire la comportement optirque et thermiqtre du collecteur sous différents régimes c,onditions.
A. Mwesig;ye et al [33] ont étudies numériquement les performances thermiques et de jriction d'un PTR ar/ec ides inserts per:forés placés au centre, cette étude montre que le nombre de Nusselt et le faoteur de friction s,ont fortement dépendante de I'espacement et de la taille de I'insert ainsi comrnr: nombre de lte:ynolds d'écoulement. L'utilisation d'inserts est égzrlement montrée pour améilliorer les performanc:es thermodlynamiques du réceptellrr en minimisant(le maximum) le taux cle grénération cl'entropie inférieur:s à un débit donné.
V.K. Jelb:rsingh et aL[3i4] ont concentrent leur étude sur la criser énergétique qui a conduit à l'étude innovarte sur les énerç;ies renouvelables et ont précisent sur l'énergie solaire, cette étude montre,n.t que l'analyse <le perforrnance rstructurelle et optique siur I-e PTC montre
1a paramètres maji{rurs devrait être cptimisé pour résister à les conditions d'environnement' L'analyse thermiqure suLr le PTC rnontre qu'une amélioration consécutive peut être faite dans I'efficacité thermique en optimirsant le majeur p,aramètre affectant tel rque les matériaux absorbants.
y. Derrulgh et al [35] ont fait une étude présente la premiè:re approche de la faisabilité d'un abs;orbeur S-courbé / sinusoidal pour un collectionneur de l'énergie solaire, le caractère en trois dLimensions de la distribution de densité de flux de chzrleur sur la surface
exteme a été r,alidés avec une base des résultats appliqué potr I'absorbeur droit conventionnel. 11;a. été démontré que d'une unité dr: capteurs solaires équipée avec I'absorbeur sous vide S-courLrri devrait être c,omprarativement meilleur que pour le premier équipé de I'absorbeur à aspir:iationL droite clarss ique'.
y. Demuagh et al [37] ont présentent un nouvel type des absorbeurs à un tuyau ondulé, [,e réceprtgur droit conventionnel situé le long de la ligne focal: de la parabole est
remplacé par un onLdul,é pour lequel ta distribution de densité de flux de clhaleur sur la surface externe varie à la foisi dans les directions axiale et azimutale en ffois dlimensions et varie seulement dans laLdirer:tion azimuhle sur le premier en deux dimensions'
11.
Chapitre I Géneralite et recherche bibliographique
8.1V. Bitam et al [3tt] ont réalisant rune étude numérique pour analyser les performances de [vl]C. En remplaçant le récepteur conventionnel à tube droit par un récepteur nouvellement conçu forme incurvée longitudinalernent et validé les résultats numériques avec
les résultats expé,rriimentaux dispronibles des données sur l'écoulement de I'eau dans les canalisations sinusoidales. ceffe tltude montre qu'une I'amélioration de transfert de chaleur interne et la distribution plus homogène de la densité de flux de chaleur externe concentrée.
I.7 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons illustré des généralités sur les types des énergies renouvelables, gise,.nnent solaire, t;pes et classification des capteurs solaires, ainsi nous avons cité quelques travatx scientifiques sur le concentrateur CCP qui tait objet de notre étude.
t2
Çhapitre II Etude théorique et modéIisation mathématique
ÏI.1 Introduction
Dans ce chapiLtre, on va étutlier un prototype théorique et numérique d'un collecteur de ÇCP en fonction de ses paramètreri géométriques et optiques. Par une simulation << Fluent >>, pes bilans thermiqu,es et énergétiques, ont été prisent en considérations.
{I.2. Description du modèle adopté
On va kaiter deur modèles de tube absorbeur dans l'un est ordinaire, et l'autre semi-
$diabatique, la densité de flux prise en considération est supposé uniforme sur le long des deux tubes absorbeurs, le tube est de cuiwe ayant un diamètre interne Dr et externe.
Irlux c oncer-rt re
{F
Sortie lluitk:
ftr Ttrb*r ordinaire
Fl'ux d"irecte
lllu"x c<>t.tcerrrt re
IF J}
Figure Il[. 1: schéma descriptif des tubes ordinaire et semiadiabatique.
[.3 Etude théorique
If . 3. 7 Param ètre s g,é ométrique s et optique s de c olle cteur
{.'étude des perfor:mances d'un collecteur de CCP dépend des paramètres importants oofirme:
Tube ærni adiabatiatre
13
Etrrde théorique et modélisrrtion rr'athêmatiqu.e
a. L'angle d'otu:verture (p):c'est l'angle au soaLmet du cône dont le contour du mdrmoire pour direcfice. I-'ouverturrl de concentrateurr (W) est calculée en lbnction de I'angle d'ouverture (q) par la relation suivant [39] :
'équation générale
w : z.r.sin(ç) :4.f.tun1f; GI.l)
de calcul géométriique d'un CCP en coordonnées cartésiennes rs'écrit me suit:
Y2 = 4.f.x
en coordonnées polù'es, il est dr:vient comme ci-clessous :
(u.2)
(rr.3)
t =';;ç;1 f
t=d A.
Oulerturc du capteur
t Tube absorieur
Figure II. 2: Angle d'ou'verture. [40]
Facteur de ca,ncentration géomét?ique (C)
La définitionr la plus cornfllune du taux de concentration est basée sur la notion de surface, elle est donnée conlme étant le rapport de la surface d'ouvrarture à la surface du réceptew. [41]
(rr.4)
- Les faibles concentratiLons (:[ <C <10:à'I'1r= 150'C);
- Les mo)/ennes concenffations (10 <C <100 âT1,= 150"C);
- Les fortr:s concentrations (C > 100 âTrr> 500"C).
Facteur de ,concentration optique ( Co ) : Est égale au rapport énergétique de l'éclairement moyen sur la surface de l'absorbeur à l'éclairement de 1l'ouverture. l'411
\r' \
,'1
