L’INFLUENCE DU FLUX SOLAIRE SUR L’EFFICACITE DU CONVERTISSEUR SOLAIRE PLAN
Reçu le 07/05/2009 – Accepté le 20/06/2010
Résumé
Le solaire thermique est une énergie gratuite, nous présentons dans cette travail une application de cette énergie. Notre étude consiste à maître en présence l’influence du flux solaire Sur la température de sortie du fluide caloporteur et le la température de la plaque d'absorbeur d’un capteur solaire plan incliné. On découper le capteur en tranches fictives dans le sens de l’écoulement du fluide caloporteur et à établir les bilans des échanges qui interviennent aux niveaux des nœuds considérés : l’extérieure de la vitre, l’intérieur de la vitre, l’absorbeur, dans le fluide colporteur ainsi que l’intérieure et l’extérieur de l’isolant. Il est commode pour cela d’utiliser l’analogie qui existe entre les transferts de chaleur et les lois électrique, les profils des températures au niveau des nœuds principaux résultats commentés. Le programme élaboré a été validé par l’étude comparative des résultats théoriques et expérimentaux pris dans les mêmes conditions.
N. BELLEL A. BOURAS
Laboratoire de physique énergétique
Université Mentouri-Constantine Algérie.
Mots clés : solaire thermique ; flux solaire ; capteur solaire ; transferts de chaleur
Abstract
Solar thermal energy is free, in this work we present an application of this energy. Our study is the master in the presence of solar flux influence on the outlet temperature of the coolant and the temperature of the absorber plate of a solar collector inclined plane. We cut the sensor sliced phantom in the direction of flow of the coolant and to establish the balance of trade occurring at the nodes considered: the exterior of the glass, the inside of the glass, the absorber, peddler in the fluid and the interior and exterior of the insulation. It is convenient for it to use the analogy between heat transfer and electrical laws, the profiles of temperature at nodes main results discussed. The program developed was validated by the comparative study of theoretical and experimental results taken under the same conditions.
Key words : solar thermal, solar flux, solar, heat transfer
ntroduction
La conversion de l’énergie solaire, qui est sous forme d’un rayonnement électromagnétique, peut s’envisager suivant des principes physiques différents. On distingue essentiellement les conversions photoélectrique et photochimique, ainsi que la conversion photo thermique, qui est La transformation de l’énergie solaire en chaleur. Dans le domaine de la conversion photo thermique, de nombreuses applications sont été mises en évidence, le travail présenté ici s’inscrit dans la contribution de la conception et simulation des convertisseurs thermiques.
De part une relative simplicité de mise en œuvre et vu l’importance des besoins énergétique sous forme de chaleur, la conversion photothermique est encore actuellement la plus usuelle. Concernant la production de chaleur à basse température, on peut de nos jours considérer qu’au moyen de dispositifs de captation dite actifs, les problèmes ne sont plus que d’ordre économique. Le chauffage des piscines par capteur plan est par exemple devenu classique. Dans ce travail nous présentons L’effet du flux solaire sur un convertisseur solaire plan incliné fonctionnant en circulation forcée avec une seule vitre.
ﺔﻗﺎﻄﻟا
I
ﺔﻳراﺮﺤﻟا ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا
، ةﺮﺣ ﻲه ﻞﻤﻌﻟا اﺬه ﻲﻓ
مﺪﻘﻧ ﺎﺒﻠﻃ ﺔﻗﺎﻄﻟا ﻩﺬه ﻦﻣ .
ﺎﻨﺘﺳارد ﺪﻴﺳ ﻮه دﻮﺟو ﻲﻓ
ﺮﻴﺛﺄﺗ ﻰﻠﻋ ﻖﻓﺪﺗ ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا و
ةراﺮﺤﻟا جﺮﺨﻣ
دﺮﺒﻤﻟا ةراﺮﺤﻟا ﺔﺟردو ، ﺔﺣﻮﻟ ﻦﻣ
صﺎﺼﺘﻣا ةﺮﺋﺎﻃ
ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا ﻊﻴﻤﺠﺗ ﻼﻴﻣ
. ﻊﻄﻘﻧ ﺢﺒﺷ رﺎﻌﺸﺘﺳا
ﺢﺋاﺮﺷ ﻩﺎﺠﺗا ﻲﻓ ﻖﻓﺪﺗ ﺪﻳﺮﺒﺘﻟا ﻞﺋﺎﺳ ﺔﻣﺎﻗإو
ناﺰﻴﻤﻟا
يرﺎﺠﺘﻟا ثﺪﺤﺗ ﻲﺘﻟا ﻲﻓ
ﺪﻘﻌﻟا ﺎﻬﻴﻓ ﺮﻈﻨﻟا :
ءﺰﺠﻟا
ﻦﻣ ﻲﺟرﺎﺨﻟا جﺎﺟﺰﻟا
جﺎﺟﺰﻟاو ، ﻞﺧاﺪﻟا ﻦﻣ
،
،صﺎﺼﺘﻣاو لﻮﺠﺘﻣ ﻊﺋﺎﺑ
ﻞﺋﺎﺴﻟا ﻲﻓ و
ﺔﻴﻠﺧاﺪﻟا
ﺔﻴﺟرﺎﺨﻟاو لﺰﻌﻟا ﻦﻣ
. ل ﺔﺤﻳﺮﻣ ﺎﻬﻧأ ماﺪﺨﺘﺳﻻ
اﺬه
ﻪﻴﺒﺸﺘﻟا ﻞﻘﻧ ﻦﻴﺑ ةراﺮﺤﻟا ﻦﻴﻧاﻮﻘﻟاو
، ﺔﻴﺋﺎﺑﺮﻬﻜﻟا تﺎﺤﻤﻟ
ﻦﻣ ﻲﻓ ةراﺮﺤﻟا ﺔﺟرد ﺪﻘﻌﻟا
ﺞﺋﺎﺘﻨﻟا ﺖﻤﺗ ﻲﺘﻟا ﺔﻴﺴﻴﺋﺮﻟا
ﺎﻬﺘﺸﻗﺎﻨﻣ . ﺔﻗدﺎﺼﻤﻟا ﺖﻤﺗ ﻰﻠﻋ
ﺞﻣﺎﻧﺮﺒﻟا ﻪﺘﻌﺿو يﺬﻟا ﺔﺳارد
ﺔﻧرﺎﻘﻣ ﺞﺋﺎﺘﻨﻟا ﺔﻳﺮﻈﻨﻟا ﺔﻴﺒﻳﺮﺠﺘﻟاو تﺬﺨﺗا ﻲﺘﻟا
ﻞﻇ ﻲﻓ
فوﺮﻈﻟا ﺲﻔﻧ ﻲﺤﺎﺘﻔﻤﻟﺍ ﺕﺎﻤﻠﻜﻟﺍ. ﺓ
ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا و ، ﺔﻳراﺮﺤﻟا
ﻖﻓﺪﺗ ﺔﻗﺎﻄﻟا
ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﻞﻘﻧو ،ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟاو ، ةراﺮﺤﻟا
ﺺﺨﻠﻣ
l’étude théorique consiste à mettre en équation les échanges énergétiques intervenant au niveau du capteur qu’on tranche en mailles, avant la résolution de ce système par un approche numérique basé sur la méthode itérative de Gauss Seidel nous avons placé des nœuds au sein de la maille. Nous terminerons par un étude comparative des résultats théoriques et expérimentales est fait pour mettre en évidence la validité de notre programme de calcule.
Nomenclature
H0 : irradiation Journalière (w/m2)
H : Rayonnement solaire moyen, mensuel mesuré sur un surface horizontale au niveau du sol (w/m2).
H : Rayonnement solaire moyen, mensuel mesuré sur un surface horizontale (w/m2).
H
0 : Rayonnement solaire moyen, mensuel hors de l’atmosphère (w/m2).KT : L’indice de clarté
H
b: Rayonnement moyen, mensuel direct sur un surface horizontale (w/m2).
H
d : Rayonnement moyen, mensuel diffus sur un surface horizontale (w/m2).I : Rayonnement global horaire sur une surface horizontale (w/m2).
I
d : Rayonnement diffus horaire sur une surface horizontale (w/m2).I
b : Rayonnement direct horaire sur une surface horizontale (w/m2).I
bi : Rayonnement direct sur une surface inclinée (w/m2).I
di : Rayonnement diffus sur une surface inclinée (w/m2).: Rayonnement solaire global horaire sur une surface inclinée ( ).
I
i/m2
w
K : la conductance thermique PT : la puissance reçue par le capteur.
: La puissance absorbée à la surface de l’absorbeur Pp
Ft: Facteur de transfert thermique Tfe: température d’entrée du fluide (°K) Ta: température ambiante (°K)
ρ
: est l'albédo du solII. rayonnement global extraterrestre H0 : rayonnement global extraterrestre sur un plan horizontal, est calculé par l’équation suivant :
( cos cos sin sin sin ) ...( 1 ) 365 cos 360 033 . 0 1367 1 . 86400
0
δ δ
π
Φ +
Φ
⎟⎟ ⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝ + ⎛
=
s
s
w
w
n H
Où Φ : latitude de lieu,
δ
Déclinaison solaire, n numéro du jour dans l’année
)) 81 365(
sin(360 45 . 23
)) 284 365( sin(320 45 . 23
−
≈ +
=
n
δ
n………. (02)
L’indice de clarté
H0
KT = H ………….………(03)
H flux solaire moyen, mensuel mesuré sur un surface horizontalew/m2.
H
0 flux solaire moyen, mensuel hors de l’atmosphèrew/m2.) 4 ..(
...
...
137 . 2
189 . 4 560 . 3 391 . 1
3
2
T
T T
d
K
K H K
H
−
+
−
=
d
b
H H
H = −
… (05)
H
b flux moyen,mensuel direct sur un surface horizontalew/m2.
H
d flux moyen,mensuel diffus sur un surface horizontale( ) ( )
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ −
+ −
=
=
∗s s s
s t
t
w w w
w w w
b a r
H r I
180 cos sin
cos cos cos
24 π
π
⎟ ⎟
⎟ ⎟
⎠
⎞
⎜ ⎜
⎜ ⎜
⎝
⎛
−
= −
=
∗s s s
s d
d d d
w w w
w r w
H r I
180 cos sin
cos cos
24 π
π
I
b= I − I
dI
bi= R
bI
b( ) ( )
w w
I I
b bi
cos cos cos sin
sin
sin sin
cos cos cos
φ δ δ
δ β φ δ
β φ
+ Φ
− +
= −
Le flux global parvenant au sol sur une surface horizontale est la somme du flux direct et du flux diffus
( ) ... ... .( 6 ) 2
cos 1
2 cos 1
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝ + ⎛ −
⎟ +
⎠
⎜ ⎞
⎝ + ⎛ +
= ρ β
β
d b
d b b i
I I
I R I I
fig :01 le schéma de principe d’un capteur solaire plan
III.1. Simulation du capteur
La densité de flux de chaleur échangée entre un point de température T1 et un autre point de température T2 peut s’écrire sous la forme :
Q
21= h
21. S ( T
2− T
1)
Cette expression est semblable à la loi d’Ohm
On peut appliquer les lois d’Ohm et de Kirchhoff considérons une section spatiale
Quelconque du système à l’instante t, soit (i) l’un des milieux représentés dans cette section (mi) Sa masse (Kg),
Cpi sa chaleur spécifique
⎟
⎠ ⎞
⎜ ⎝
⎛ J Kg .
oK
et Ti sa température (ok) .Le bilan thermique ou noeud i
donne :
∑ ( )
=
+
−
∂ =
∂ n
j
i i j ij i
i
i T T P
R t
Cp T m
1
1
n : ensemble de j pour les quelles Tj est un potentiel connecte à Ti
Pi : terme source au puits
III.2. Discrétisation des équations
( ) ( )
( )
( ( ) ) ( ( ) )
( ) ( )
(
1 1)
...(7) 1 11 1
.
+
− +
+ +
− +
+
− +
=
+
−
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
j T j T K
j T T h j T T h P
j T j t T Surf
Cp m
t t ve t
t vi v
t t ve om om v t
t ve c rvc v
t ve t
t ve v
v v
( ) ( )
( ) ( ) ( ) )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( 1 1 1 1 ) ... ... ... ... ... ( 8 )
1
+
− + +
+
− + +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
j T j T K
j T j T h
t j Surf
m
t t vi t
t ve v
t t vi t
t n vvn
t t vi v
v
Cp T
+∆j + 1 − T j + 1 = h
.( T
t+∆tj + 1 − T
n nv r t
vi t
t vi v
( ) ( ( ) ( ) )
( ) ( )
( ) ( ( ) ( ) )
( ) ( )
( 1 1 1 1 ) ... ... ... ... ... 1 ...( 9 )
1 1
+
− +
+ +
− +
+
− +
+ +
− + +
=
∆ −
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
j T j T h
j T j T h j T j T h
j T j T h P T t T
Surf Cp m
t t n t
t ii rni
t t n t t F van t
t n t
t vi vvn
t t n t
t vi rnv n t n t t n n
n n
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( 1 1 ) ... ... ... ...( 10 )
1
j T j
T h
j T j
T h
j T j
T Cp m
t t F t
t ii vac
t t F t
t n van
t t F t
t F F F
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆
• +
− +
+
− +
=
− +
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( 1 1 ) ... ... ... ...( 11 ) 1
1
1 1 1
+
− + +
+
− +
+ +
−
= +
−
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
j T j T h
j T j T K
j T j T h
j T j t T Surf
Cp m
t t ii t
t n rni
t t ii t
t ie ii
t t ii t t F voi
t ii t
t ii i
i i
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
(
11)
...........(12)1 1
1 1
+
−
+ +
−
+ +
− +
= +
− +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
∆ +
j T T h
j T T h
j T j
T K
j T j
T Cp m
t t ie om vs
t t ie sol ris
t t ie t
t ii ci
t ie t
T ie i i
Pour calcul le flux absorbe par l'absorbeur et la vitre
( 1 ) 1 ( 1 ) ...( 13 )
1
d PP d di
P d
P bi
n
I I
P ρ α
α τ α
ρ τα
− + −
−
= −
) 14
d
..(
di V bi
V
I I
P = α + α
Avec : flux absorbe par l'absorbeur, flux absorbe par la vitre
P
nP
v
τ
: facteur de transmission du vitrage,τ
d: facteurÉchange dans l intérieur de la vitre :
Échange dans l'absorbeur
Échange dans fluide caloporteur
Échange dans la surface de l'isolant
Collecteur d'entrée Collecteur de sortie Sorite fluide
Entrée fluide
Échange paroi extérieure de l'isolant sol :
Échange dans l extérieur de la vitre:
de transmission hémisphérique
ρ
d: coefficient de réflexion hémisphérique ,α
d : coefficient d'absorption hémisphérique
α
P: coefficient d'absorption de l'absorbeur pour les longueurs d'ondeλ
On obtient un système d'équation de six inconnus Avec j=1………6, i=1………6
c i
ij
T F
B • =
pour la résolution de ce système nous appliquons la méthode itérative de Gauss Seidel.
IV. Résultats et discutions
Dans le cadre de cette étude nous avons adapté les hypothèses suivantes
* l’inclinaison du capteur est égale à 25° par rapport à l’horizontale
* les températures ambiantes ont été données par la formule :
Ta (t) = [(Ta max – Ta min)/2].sin[(t-8).Л/12] + (Ta max +Ta min)/2
* la température d’entrée d’eau caloporteur est égale à 35°
* avec une zone de la condition normale pour un albédo ρ =0.2
*on choisir le 21 juin IV. 1 ) flux direct
.
0 100 200 300 400 500 600 700 800
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 heure local (h)
flux direct (W/m2)
fig 02- variations du rayonnement solaire direct qui concerne la journée du 21 juin
IV. 2) flux diffus
.
0 50 100 150 200 250 300
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 heure local (h)
flux diffus (W/m2)
fig 03 - variations du rayonnement solaire diffus qui concerne la journée du 21 juin
IV. 3) flux global
0 200 400 600 800 1000 1200
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 heure local (h)
flux globale (W/m2)
fig 04 - variations du rayonnement solaire global qui concerne la journée Du 21 juin
Les figures (02), (03), (04) représentent les variations du rayonnement solaire direct, diffus et global qui concerne la journée du 21 juin, d’après les figures nous observons : le flux atteint son maximum est à midi solaire et la valeur maximale du flux global est égale à 1008 w/m2 et celle du flux diffus est égale à 270w/m2 et une symétrie par rapport à midi.
D´aprés la courbe de flux solaire global, on remarque que
les valeurs du flux les plus considérables se situent dans l’intervalle de temps 9h-16h.
les figures (05), (06), représentent l'évolution temporelle de la température du sortie et la température du plaque en fonction du temps. D’après cette figure, on remarque que les températures de l’eau augmentent au début en fonction du temps local, passent par un maximum et diminuent vers la fin de la journée.
Ceci est du à l’évolution du température de la plaque en fonction du temps qui a la même allure à peu prés que celles
des températures des sorties, Le
capteur nous permet d’atteindre une température maximale de 66°C. dans ces conditions.
0 10 20 30 40 50 60 70
9 10 11 12 13 14 15 16 17
température (°c)
heure locale (h)
Tc
Tc
fig 05 variation temporelle de la température du sortie (Théorique)
0 10 20 30 40 50 60 70 80
9 10 11 12 13 14 15 16 17
température de la plaque (°c)
heure locale (h)
Tpc
Tpc
fig 06 variation temporelle de la température du
plaque(Théorique )
* Pour valider les résultats numériques obtenus dans le cadre de ce travail, nous avons entrepris quelques essais.
V.6) Comparaison des résultats numériques et expérimentaux
0 200 400 600 800 1000 1200
9 10 11 12 13 14 15 16 17 flux global (w/m2)
heure locale (h) Gc Gm
fig 07 La comparaison entre les flux Solaires globaux calculées et mesurées
La figure 07 montre que la concordance entre le flux global mesuré et calculé est
Acceptable.
0 10 20 30 40 50 60 70
9 10 11 12 13 14 15 16 17
température (°c)
heure locale (h) Tc Tm
fig. 08 - variation temporelle de la température du sortie(Théorique et expérimentale)
0 10 20 30 40 50 60 70 80
9 10 11 12 13 14 15 16 17
température de la plaque (°c)
heure locale (h) Tpc Tpm
fig09- variation temporelle de la température du plaque(Théorique et expérimentale) les figures 08et 09
représentent l’évolution des températures expérimentales et théoriques du plaque et
à la sortie du capteur solaire pour le même débit de caloporteur. En effet, les
températures continuent d’augmenter tant qu’il y a du flux solaire malgré sa
diminution en fin de journée.
Cette figure montre une bonne concordance entre les températures
théorique et expérimentale.
CONCLUSION
L’application de la méthode nodale sur un convertisseur solaire plan incliné a été effectuée par l’obtenir l’influence de paramètre externe (flux solaire) sur la température du plaque et la température de sortie du capteur solaire incliné pour la production d'eau chaude sanitaire .
D’après les résultats obtenus sur ce dispositif, on remarque que le flux solaire qui reste le paramètre le plus impotente sur les caractéristiques d'un capteur solaire plan , on remarque que chaque fois la température de la plaque augmente chaque fois la température du fluide caloporteur augmente.
Cette étude nous a permis d’évaluer grâce à un modèle représentant le comportement dynamique d’un capteur solaire
Les différentes températures dans différents éléments de ce capteur ont été
déterminées en régime instationnaire.
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 25°.
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