INFLUENCE DES PHENOMENES ENVIRONNEMENTAUX SUR LES PERFORMANCES DES CAPTEURS PLANS HELIOTHERMIQUES A EAU

(1)

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE D’ABOMEY – CALAVI (UAC)

ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY – CALAVI (EPAC) DÉPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE ET ENERGETIQUE

FILIERE : GENIE MECANIQUE ET ENERGETIQUE OPTION : ENERGETIQUE

THEME :

INFLUENCE DES PHENOMENES

ENVIRONNEMENTAUX SUR LES PERFORMANCES DES CAPTEURS PLANS HELIOTHERMIQUES A EAU

Réalisé par :

Abdel-Farid MAMAOU IDRISSOU

Année académique 2015-2016 9

^ème

Promotion

Présenté et soutenu publiquement devant le jury composé de :

Président : Prof. Malahimi ANJORIN, Enseignant à l’EPAC

Membres : 1. Prof. Clément AHOUANNOU, Encadrant, Enseignant à l’EPAC

2. Dr. Vincent PRODJINONTO, Enseignant à l’EPAC 3. Dr. Arthur SANYA, Enseignant à l’EPAC

Prof. Emile SANYA

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC i

SOMMAIRE

DEDICACES ... IV

REMERCIEMENTS ... V

RESUME ...1

NOMENCLATURE ...3

LISTE DES TABLEAUX ...6

LISTE DES FIGURES ...7

INTRODUCTION GENERALE ...9

PROBLEMATIQUE ... 11

CAHIER DE CHARGE ... 13

CHAPITRE 1 : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE : LE SOLAIRE THERMIQUE ...1

1.1. Introduction ...2

1.2. Les capteurs plans ...3

1.2.1. Dispositif d’un système de conversion d’énergie thermique ...3

1.2.2. Les différentes technologies de capteur solaire thermique ...3

1.3. Transfert de chaleur ...7

1.3.1. Transfert de chaleur par conduction ...7

1.3.2. Transfert de chaleur par convection...8

1.3.3. Transfert de chaleur par rayonnement ...10

1.3.4. Corps noir-corps gris ...11

1.3.5. Choix des capteurs...11

1.3.6. Paramètres influents le fonctionnement d’un capteur solaire plan ...12

1.3.6.1 Paramètres externes ...13

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC ii

1.3.7. Bilan thermique et rendement d’un capteur solaire ...13

1.3.8. Autre formule du rendement ...17

1.4. Performance des capteurs héliothermiques ...17

1.5. Conclusion ...22

CHAPITRE 2: ANALYSE DES INFLUENCES SUR UN CAPTEUR SOLAIRE PLAN ... 23

2.1. Introduction ...24

2.2. Matériels de simulation ...25

2.2.1. Description du dispositif expérimental ...25

2.2.2. Fonctionnement du dispositif expérimental ...28

2.3. Protocole expérimental ...29

2.3.1. Méthodologie ...29

2.3.2. Modes opératoires et expériences réalisées...29

2.3.3. Conditions d’exploitations des résultats d’expériences ...30

2.3.4. Données à exploiter ...31

CHAPITRE 3 : RESULTATS ET INTERPRETATIONS ... 33

3.1. Introduction ...34

3.2. Influences du débit, de la puissance de rayonnement et des phénomènes environnementaux sur le capteur plan solaire ...35

3.2.1. Influence de la puissance de rayonnement sur les performances du capteur plan solaire ...35

3.2.2. Influence du débit sur les performances du capteur plan solaire ...36

3.2.3. Influence du papier sur les performances du capteur plan ...38

3.2.4. Influence de la poussière sur le capteur plan ...39

3.2.5. Influence du brouillard sur les performances du capteur ...40

3.3. Etude comparative des rendements des capteurs plans thermiques ...41

3.3.1. Comparaison des rendements du capteur plan sans vitrage et avec vitrage. ...41

3.4. Etude de rendement en fonction de la différence de température réduite...43

3.4.1. Détermination des paramètres du capteur héliothermique avec vitrage ...44

3.4.2. Détermination des paramètres du capteur héliothermique sans vitrage ...45

3.4.3. Rendement en fonction de la différence de température réduit ...47

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC iii

la ville de Cotonou). ...49

3.5. Analyse des résultats ...50

3.5.1. Cas du capteur solaire plan avec la plaque de couverture en verre (avec vitrage) ...50

3.5.2. Cas du capteur solaire plan sans la plaque de couverture en verre (sans vitrage) ...50

3.6. Application des résultats expérimentaux ...51

3.7. Conclusion ...52

CONCLUSION GENERALE ... 53

PERSPECTIVES ... 55

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 56

ANNEXES ... 59

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC iv

Dédicaces A ma chère mère

Tendre et adorable mère, je te remercie pour tes nombreuses marques d’affections te rends incommensurablement hommage à travers ce mémoire.

A mon cher père

Très sincèrement, je te remercie pour ton rôle de père auquel tu n’as pas failli. Reçois mes compliments

A mes frères et sœurs

Je vous salue vous mes frères et sœurs pour votre attention et assistance; je demeure frénétique quand je suis près de vous. A vous, je dédicace ce mémoire.

A tous mes amis

Merci chers amis pour votre rescousse et pour toutes les fois que vous aviez apporté les siens pour mon épanouissement. A vous, je dédicace ce mémoire.

Et enfin je dédie ce mémoire à tous ceux qui me sont

chers…

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC v

Remerciements

Mes chaleureux et sincères remerciements vont à l’endroit des personnes qui de près ou de loin m’ont apporté leur soutien de quelques manières que ce soit, dans ma vie scolaire et professionnelle.

Gédéon CHAFFA, chef de département de Génie Mécanique et Energétique (GME), comme un père vous m’aviez toujours encadré et donné de sages conseils. Merci !

Alphonse QUENUM, chef d’option de Machinisme Agricole (MA), outre la casquette de papa, de responsable et de professeur que vous portez, vous aviez eu toujours une cordialité envers moi ; merci pour votre considération et votre attention. Merci !

Clément AHOUANNOU, Maître de Conférences des universités, Enseignant à l’EPAC, mon Directeur de mémoire, dont le mérite est grand dans cet aboutissement heureux , car malgré ses multiples occupations , a accepté d’encadrer ces travaux de recherche. Monsieur le directeur adjoint de l’EPAC, je vous exprime ma reconnaissance pour votre confiance en personne, pour votre patience et pour vos nombreux conseils que vous m’aviez prodigué.

Anjorin MALAHIMI, Maitre de Conférences des Universités, enseignant à l’EPAC, vous m’aviez appris à aimer la mécanique lorsque j’étais en classe préparatoire, grâce à vos conseils et votre dynamisme je me suis retrouvé dans le département de Génie Mécanique et Energétique ; Merci

Berléo APOVO, ingénieur en énergétique et moniteur au CCNPE/ EPAC ; vous n’aviez jamais cessé de me donner de conseil tout au long de la rédaction de mon mémoire, à travers vous j’ai pris goût à la recherche, vous m’aviez dit courage ! vas-y ! ne baisse pas les bras, Merci très sincèrement!

Alphonse DOFONSSOU, professeur certifié de Mathématique au secondaire, vous m’aviez gardé en classe de 6^ème et vous m’aviez donné goût aux sciences Mathématiques, grâce à vous je fais carrière dans une filière scientifique ; Merci à vous ! je remercie très sincèrement tous les professeurs qui m’ont encadré.

ET UN GRAND MERCI A TOUTES LES PERSONNES QUI ME SONT CHERES ET QUI ONT PARTICIPEA MON

EPANOUISSEMENT…

(7)

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC vi

« Je suis reconnaissant envers ceux qui m’ont répondu

« NON » ; grâce à eux, Je l’ai fait moi-même ».

Albert. E

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 1

Résume

Le présent travail auquel nous nous sommes intéressés porte sur l’étude des performances des capteurs héliothermiques vitrés et non vitrés. Il s’agit d’une étude, théorique et expérimentale au laboratoire, de l’influence des phénomènes environnementaux sur les performances des capteurs plans à circulation forcée à eau et une application sur la ville de Cotonou. Pour réaliser cette étude, nous avions disposé d’un banc d’essai didactique et de ses accessoires équipés d’un débitmètre et d’une pompe pour la circulation d’eau (fluide caloporteur).

Les expériences réalisées nous ont permis de recueillir instantanément les températures sur les différents composants du capteur plan. Avec les différentes données collectées nous sommes parvenus à la conclusion selon laquelle les performances des capteurs plans thermiques (vitrés ou non vitrés) sont influencées par les aléas climatiques et leurs corollaires (vent, poussière, brouillard et toute autre matière pouvant influencer le capteur pendant son fonctionnement). Une étude comparative montre que parmi les phénomènes environnementaux simulés, la poussière se révèle plus influente.

Par ailleurs cette étude atteste également que le rendement des capteurs plans non vitrés est meilleur pour une température de fonctionnement proche de la température ambiante, par contre les capteurs héliothermiques avec vitrage sont plus efficaces pour atteindre des températures de l’ordre de 50°C à 70°C.

MOTS CLES : Capteurs à eau, vitré, capteur non vitré, phénomènes environnementaux, étude théorique expérimentale.

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The present work in which we have studied concerns the study of the performance of solar thermal and non-glazed sensors. It is a study, theoretical and experimental in the laboratory, of the influence of environmental phenomena on the performance of forced water circulation sensors and an application on the city of Cotonou. To carry out this study, we had a didactic test bench and its accessories equipped with a flowmeter and a pump for the circulation of water (heat transfer fluid).

The experiments carried out allowed us to instantly collect the temperatures on the various components of the plane sensor. With the different data collected, we have come to the conclusion that the thermal planes (glazed or non-glazed) are influenced by climatic hazards and their corollaries (wind, dust, fog and other materials that can influence the sensor during its operation). A comparative study shows that among the simulated environmental phenomena, dust is more influential.

Moreover, this study also shows that the efficiency of non-glazed planar collectors is better for an operating temperature close to ambient temperature. On the other hand, solar thermal collectors with glazing are more efficient to reach temperatures in the range of 50 ° C. to 70 ° C.

KEYWORDS: water sensors, glazed, unglazed sensor, environmental phenomena

(10)

Nomenclature

Symboles Désignations

𝛗 Flux d’une source (W)

𝑺 Surface d’une source de rayonnement (m²) 𝒓 Rayon (m)

𝑴_𝑻 Emittance énergétique totale à la température T (W/m²) 𝑰_𝑿 Intensité énergétique suivant une direction (W/Stéradian) 𝑰 Intensité énergétique totale (W/m²)

𝛗_𝑿 Flux suivant l’axe (OX)

𝑳 Luminance énergétique en (W/m².Stéradian) 𝜶_𝝀 Coefficient d’absorption monochromatique 𝝆_𝝀 Coefficient de réflexion monochromatique 𝝉_𝝀 Coefficient de transmission monochromatique

𝜶_𝝀𝑻 Coefficient d’absorption monochromatique à la température T 𝝆_𝝀𝑻 Coefficient de réflexion monochromatique à la température T 𝝉_𝝀𝑻 Coefficient de transmission monochromatique à la température T 𝒎_𝒆 Masse d’un électron (kg)

E Energie de rayonnement (J) C La vitesse de la lumière (m/s) 𝝀_𝟎 Longueur d’onde (m)

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 4 F Efficacité d’une ailette

K Coefficient d’échange global (W/m².K)

Tm Température moyenne du fluide de circulation (°C)

Ta Température ambiante dans l’environnement du capteur (°C) A Surface d’échange global (m²)

𝜼 Rendement d’un capteur

𝑸_𝑰 Puissance de rayonnement arrivant sur l’absorbeur dans (W) 𝐪_𝐢 Irradiation solaire incidente sur le plan du capteur (W/m²) 𝐐_𝐔 Puissance utile récupérée par le fluide caloporteur (W)

𝑸_𝑷 Puissance perdue par convection et conduction à l’arrière du Capteur et par conduction, convection et rayonnement à la face avant (W)

𝑸_𝑺 Puissance stockée sous forme de chaleur vive dans les différents éléments du capteur lorsque le régime thermique est variable (W)

β Facteur optique du capteur 𝑻_𝒂𝒃 Température de l’absorbeur (°C)

𝒍 Dimension linéaire caractéristique de la surface d’échange (m) 𝝆 Masse volumique du fluide (kg/m³)

𝜷_𝒅 Coefficient de dilatation du fluide (°C)^-1 𝝁 Viscosité dynamique du fluide (Pa.S) 𝒈 Force de gravité (m/s²)

∆𝑻_𝒑𝒇 Ecart de température paroi/fluide (°C)

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 5 𝒋 Angle d’incidence du rayonnement (rad) 𝜴 Angle solide (Stéradian)

𝑵_𝒖 Nusselt

R_a Nombre de Rayleigh 𝑃_𝑟 Nombre de Prandtl 𝐺_𝑟 Nombre de Grashof

∁_𝑡^𝑈 Nombre de Prandlt des gaz en écoulement sur une plaque plane

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Liste Des Tableaux

Tableau 2.1 : Données de fonctionnement des capteurs………9 Tableau 3.1 : Tableau récapitulatif des valeurs des paramètres du capteur héliothermique……….………47 Tableau 3.2 : Récapitulatif des proportions de pertes thermiques observées au niveau de l’accumulateur d’eau sous l’influence des phénomènes environnementaux et de quelques paramètres (puissance et débit) du capteur (60minutes)………..51

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Liste Des Figures

N° Désignations pages

1.1 Schéma de principe d’un capteur plan ⁴

1.2 Capteur plan vitré ⁵

1.3 Absorbeur sous forme d’ailette et de serpentin ⁶

1.4 Schéma montrant le transfert de chaleur par conduction ⁸

1.5 Schéma montrant le transfert de chaleur par rayonnement ¹⁰

1.6 Courbe caractéristique des rendements d’un capteur ¹²

1.7 Course du soleil ¹⁸

1.8 Convection mixte sur une plaque horizontale chauffée ¹⁸

1.9 Influence sur la courbe de rendement d’une variation de l’intensité lumineuse

19

2.1 Montage du dispositif expérimental ²⁵

2.2 a.) accumulateur d’eau ; b.) échangeur thermique ²⁶

2.3 Alimentation stabilisée ²⁶

2.4 Bloc de pompe et débitmètre ²⁷

2.5 Panneau solaire. ²⁷

2.6 Acquisiteur de données. ²⁸

3.1 Influence de l'intensité lumineuse sur la température de l'eau de

l'accumulateur. ³⁵

3.2 Influence de l'effet de vitrage sur la température de l'eau de

l'accumulateur (rayonnement). ³⁶

3.3 Influence du débit sur la température de l'eau de

l’accumulateur ³⁶

3.4 Influence du vitrage sur la température de l'eau de

l'accumulateur (débit) ³⁷

3.5 Influence du papier sur la température de l'eau de

l'accumulateur. ³⁸

3.6 Influence de l’effet de vitrage sur la température de l'eau de

l'accumulateur (papier) ³⁸

3.7 Influence de la poussière sur la température de l'eau de

l'accumulateur ³⁹

l'accumulateur (poussière) ³⁹

(15)

l'accumulateur. ⁴⁰

l'accumulateur (brouillard). ⁴¹

3.11 Comparaison entre le rendement du capteur plan avec la couverture en verre et celui sans la couverture en verre (500W).

42

3.12 Comparaison entre le rendement du capteur plan sans la couverture de verre et celui avec la couverture de verre (250W).

48

3.13 Rendement du capteur en fonction de (𝑇_𝑎𝑏 − 𝑇_𝑎) 𝑞⁄ _𝑖) ⁴⁸

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Introduction Générale

L’énergie joue un rôle important que ne peut jouer aucune matière première dans la vie des hommes [1]. Elle intervient à chaque stade des processus de production, à chaque moment de notre vie quotidienne. On peut affirmer que sans énergie il ne saurait avoir ni mouvement, ni production, ni vie. Il existe plusieurs formes d’énergie : l’énergie fossile (dû à la combustion des produits pétroliers), l’énergie hydraulique (qui provient du mouvement de l’eau se trouvant à une hauteur H), l’énergie nucléaire (dû à la fusion ou fission nucléaire), l’énergie solaire (dû aux rayonnements du soleil) ; l’homme s’en servira pour subvenir à ses principaux besoins vitaux.

La demande grandissante d’énergie, notamment dans le domaine du bâtiment, fait que les ressources d’énergies fossiles (laisse la virgule) seront pratiquement épuisées à long terme. De plus, la forte utilisation mondiale de combustibles fossiles est la cause de graves dommages environnementaux et d’un réchauffement climatique par les rejets des gaz à effet de serre au niveau mondial. Pour venir à bout de cette situation désastreuse pour l’homme, la substitution de l’énergie fossile par des énergies renouvelables est plus qu’une alternative et reste d’ailleurs une solution incontournable, car elles sont abondantes, renouvelables, non polluantes, disponibles et gratuites.

L’énergie solaire en tant qu’énergie renouvelable disponible et à profusion est parmi tant d’autres l’idéale pour lutter contre l’effet de serre. Elle peut être exploitée sous deux formes: la première pour la production de l’électricité avec les capteurs photovoltaïques (PV) et la deuxième avec des capteurs solaires thermiques équipés d’absorbeur pour fournir la chaleur à un fluide caloporteur.

Cette dernière technologie est celle sur laquelle nous avons fait notre étude. Elle permet d’élever la température d’un fluide caloporteur pour une utilisation ménagère (séchages, eaux chaudes sanitaires…), hospitalière, etc… De meilleurs rendements sont obtenus lorsque ces capteurs sont utilisés à bon escient et dans de meilleures conditions. L’obtention de meilleures conditions dans leur utilisation est souvent difficile, voire impossible. C’est à juste titre que cette présente étude s’intéresse aux impacts des différents phénomènes qui diminueraient le rendement des capteurs solaires héliothermiques à eau.

Notre travail se subdivise en trois (3) chapitres :

(17)

aux capteurs plans solaires et aux différents modèles physiques élaborés qui traduisent leur fonctionnement.

 Le deuxième chapitre est consacré à la simulation des phénomènes environnementaux avec un capteur solaire plan.

 Enfin, le troisième et dernier chapitre présente les résultats et leurs interprétations.

(18)

Problématique

Parmi les énergies renouvelables, l’énergie solaire occupe une place importante dans la recherche scientifique actuelle pour les pays du sud comme le Bénin.

L’irradiation moyenne au Bénin est de 3.9 kWh/m².j au sud et 6.2kWh/m².j au nord [26]. Cette source d’énergie peut, si elle est convenablement domestiquée, contribuer à la satisfaction des besoins énergétiques de la population.

La production de l’eau chaude par les capteurs plans et son utilisation dans notre pays par le biais de l’énergie solaire a certainement à l’heure actuelle, les meilleures chances de développement et de rentabilité.

De nombreuses recherches tant théoriques que pratiques faites dans le but d’avoir une plus grande performance des capteurs solaires thermiques ont conduit à des résultats concluants. Nous pouvons énumérer quelques résultats qui indiquent les conditions et dispositions à prendre pour l’amélioration du rendement [1].

- Indépendamment des caractéristiques physiques du capteur, l’énergie solaire reçue par la surface de captation (absorbeur) dépend de :

- Conditions climatiques.

- Position géographique (Lieu d’emplacement).

- L’inclinaison du capteur (Généralement très proche de la latitude) car elle varie suivant la déclinaison, la latitude et la longitude [18].

 L’intervalle du débit qui convient à la température de fonctionnement du capteur (modèle théorique) varie entre 0.05 et 0.1 kg/sec [23].

 Une amélioration remarquable du rendement à cause de l’effet de serre généré par la vitre ; par exemple à 70°C le rendement radiatif augmente d’environ 20%. L’élévation du nombre des vitres (effet de serre multiple) augmente aussi ce gain. Mais si on prend en considération l’aspect économique du capteur on se limite à deux vitres, car le gain apporté au rendement par la 3^èmevitre par rapport à la 2^èmeest de l’ordre de 0.033 ≈ 3.3% [22].

(19)

absorbeur et couverture représente un bon choix technique et économique pour les paramètres du capteur [9].

 L’accroissement relatif du rendement apporté par la sélectivité par rapport à un absorbeur corps noir est de l’ordre de 2.86%. Ce gain avec l’aspect économique du capteur, nous permet de dire que la sélectivité à cet intervalle de température (20 à 100°C) semble moins importante surtout pour un climat chaud [9].

 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 [9].

Des travaux expérimentaux ont également apporté une contribution à l’étude de l’optimisation des capteurs solaires plans à air qui constituent le deuxième volet des convertisseurs de l’énergie solaire à côté des capteurs solaires à eau [16].

 L’adjonction des obstacles (chicanes) dans le parcours offert au fluide caloporteur permet l’augmentation de l’échange thermique avec l’absorbeur.

 Il a été établi que la géométrie de passage dans la section droite perpendiculaire à l’écoulement joue un rôle important.

Par ailleurs les capteurs plans dans leur fonctionnement atteignent un rendement théorique de l’ordre de 0.7% à 0.80% [15] au maximum. Comme il a été énuméré précédemment, les études menées pour améliorer le rendement énergétique des capteurs plans se sont axées sur les modifications des paramètres énergétiques de fonctionnement.

Le pourcentage de rendement (20%) restant est dû à quel facteur ? a-t-il une part imputable aux phénomènes environnementaux tels que la poussière, le brouillard et autres matières pouvant se positionner sur la surface des capteurs ?

Telles sont les différentes interrogations qui ont suscité la présente étude.

Cela nous a conduits à réaliser une étude expérimentale au laboratoire afin de comprendre mieux le comportement des capteurs thermiques (point de vue thermique) face aux phénomènes environnementaux. L’aboutissement de cette étude nous édifiera sur les réponses à donner à ces différentes questions.

(20)

Cahier de charge

De manière générale, la présente étude a pour objectif de rechercher les effets ou les répercussions des phénomènes environnementaux sur les performances des capteurs solaires thermiques par une étude théorique expérimentale qui sera réalisée au laboratoire afin de déterminer des proportions de pertes thermiques face à chaque phénomène étudié.

Pour y arriver nous aurons à passer par des objectifs spécifiques qui sont de:

- Simuler les phénomènes environnementaux.

- Relever des températures.

- Réaliser une étude théorique à travers des courbes de rendements et de température en fonction du temps de chaque phénomène simulé.

- Faire une étude comparative des rendements des capteurs plans solaires avec vitrage et des capteurs plans solaire sans vitrage.

- Faire une analogie des résultats expérimentaux dans le cas de la ville de Cotonou

Une fois les objectifs spécifiques atteints nous conclurons sur le comportement des capteurs solaires thermiques face aux phénomènes environnementaux.

(21)

CHAPITRE 1 : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE :

LE SOLAIRE THERMIQUE

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1.1. Introduction

L’exploitation de l’énergie solaire au moyen de capteurs relève de deux technologies bien distinctes : l’une produit des calories (chaleur), c’est l’énergie solaire thermique, et l’autre produit de l’électricité c’est l’énergie photovoltaïque. Pour la production de l’énergie solaire thermique, on utilise un système de captation du rayonnement solaire à travers un dispositif appelé capteur thermique.

L’exploitation de ce dispositif nécessite une certaine connaissance notamment dans le domaine du solaire, c’est à juste titre que nous allons définir dans ce premier chapitre quelques notions sur le gisement solaire et nous parlerons des caractéristiques des capteurs plans.

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 3 1.2. Les capteurs plans

1.2.1. Dispositif d’un système de conversion d’énergie thermique

Tout système de conversion de l’énergie solaire doit comprendre les éléments suivants :

- Une surface de captation du rayonnement solaire.

- Un circuit caloporteur qui assure le transfert de l’énergie extraite du capteur à l’élément d’accumulation (stockage des calories), les fluides utilisés généralement comme fluide caloporteur sont : l’eau et l’air.

- Un stockage thermique.

- Un réseau de distribution.

1.2.2. Les différentes technologies de capteur solaire thermique 1.2.2.1. Définition et principes de fonctionnement

Le capteur solaire plan est tout système exposé au rayonnement solaire afin de le capter et de le transformer en énergie thermique. Les capteurs solaires thermiques constituent le cœur des installations destinées à transformer l’énergie transmise par le soleil en chaleur. Le rayonnement solaire émis par le soleil est absorbé par une surface noire appelée absorbeur, parcourue par un fluide caloporteur qui extrait l’énergie thermique par convection et la transfère vers son lieu d’utilisation ou de stockage. Une isolation thermique est disposée à l’arrière et sur la périphérie du capteur pour limiter les déperditions par conduction.

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Figure 1.1: Schéma de principe d'un capteur plan [15].

Il existe toute une gamme de capteurs solaires qui permettent de répondre aux différents besoins. Il faut choisir le type de capteur qui correspond le mieux au niveau de température auquel on désire « travailler ». Bien entendu, plus le niveau de température est élevé, plus les technologies mises en œuvre sont évoluées et plus le coût de production est élevé.

1.2.2.2. Capteurs moquettes

Très bon rendement pour des températures proches de la température de l’air ambiant, les capteurs moquettes ne permettent pas de produire de l’eau chaude sanitaire.

1.2.2.3. Capteurs sous vide

Les capteurs sous vide permettent d’atteindre des températures de 150°

avec un excellent rendement. Le vide créé à l’intérieur des tubes permet de réduire de manière importante les déperditions lors de la montée en température. Leur principe est simple, mais la fabrication est difficile à cause des liaisons verre- métal nécessaires.

Ainsi ils sont utilisés pour la climatisation par absorption où des températures de plus de 80°C sont nécessaires, ou pour la production d’eau chaude haute température. Leur coût reste important. Le choix du capteur sous vide est donc intéressant pour des plages de températures où les capteurs plans vitrés ont un faible rendement.

(25)

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 5 1.2.2.4. Capteurs sans vitrage

Egalement appelé « capteur moquette », il est constitué de réseau de tubes noires, généralement en matière plastique souple de type élastomère, l’EPDM (éthylène propylène diène monomère) Il est utilisé pour des eaux ne nécessitant pas une température supérieure à 30 °C (l’eau de piscine par exemple). Ce type de capteur est facile à intégrer, on peut le poser sur le sol (à proximité de la piscine) ou sur la toiture.

1.2.2.5. Capteurs plans vitrés

Ce sont des capteurs munis d’une couverture transparente, ils sont les plus utilisés. Les principaux éléments constituants un capteur plan sont :

 Le coffre (ou boîtier)

 L’absorbeur

 Un circuit de fluide caloporteur

 Un isolant thermique sur la face arrière

 La couverture transparente (généralement vitrage)

Figure 1. 2: Capteur plan vitré [15].

a. Coffre ou boîtier

Il assure la protection à l’arrière du capteur et participe à sa rigidité. Les matériaux les plus utilisés, pour constituer le fond du coffre, sont le métal (tôle d’acier pré laquée ou aluminium) et les matériaux plastiques [ABS poly (Acrylonitrile-Butadiène-Styrène), polyester). Ils doivent présenter les caractéristiques suivantes : bonne tenue à la corrosion, faible prix de revient, transformation facile.

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 6 b. Absorbeur

C’est le composant qui permet de transformer le rayonnement solaire en chaleur et de transférer l’énergie thermique ainsi produite à un fluide caloporteur. Le matériau le plus utilisé est le cuivre, car il possède une bonne tenue à la corrosion et sa conductivité thermique est élevée. L’absorbeur peut être considéré comme une juxtaposition d’ailettes.

Figure 1. 3: Absorbeur sous forme d’ailette et de serpentin

Lorsque l’absorbeur fonctionne à des températures moyennes (vers 70°C), les pertes par rayonnement deviennent importantes ; afin de les limiter, on recouvre l’absorbeur généralement par un revêtement (sélectif) de dépôts électrolytiques à base de « chrome noir », de « nickel noir » ou de titane. On arrive à accroître le coefficient d’absorption 𝛼 (qui avoisine) et à affaiblir le coefficient d’émission 𝜀 (qui avoisine 0,2). Plus rarement, on utilise l’acier inoxydable, où l’absorbeur est constitué de deux feuilles planes qui après déformation, sont soudées en leur périphérique et par points dans la partie centrale. Le fluide circule entre ces deux parois et évacue l’énergie thermique. On désigne parfois ces absorbeurs par « les absorbeurs à lame d’eau ».

c. Circuit de fluide caloporteur

La chaleur absorbée est véhiculée par le biais de fluide caloporteur, qui est généralement de l’eau (eau glycolée pour éviter le gel) ou de l’air. Ce fluide circule soit dans une canalisation, canaux ou nappes.

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MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 7 d. Isolation thermique

Elle est nécessaire afin d’éviter les déperditions par conduction (à l’arrière et sur les parties latérales de l’enveloppe du capteur). La mousse de polyuréthane est fréquemment utilisée, combinée parfois avec une couche de laine minérale en contact avec l’absorbeur. Pour des températures élevées on utilise que les mousses phénoliques, peu courantes et chères, et les laines minérales (laine de verre et surtout laine de roche qui présente l’avantage de ne pas absorber l’humidité).

e. La couverture transparente (généralement en verre)

Elle a la double fonction de passer le maximum de rayonnement solaire et d’éviter le refroidissement de l’absorbeur, en réduisant les phénomènes de convection de l’air et en bloquant le rayonnement infrarouge (effet de serre).

Les matériaux les plus utilisés sont le verre trempé (pour réduire les risques d’accident en cas de bris). On notera également l’utilisation de vitrage à basse teneur en oxyde de fer, ces vitrages présentent des caractéristiques optiques légèrement supérieures aux vitrages standards. L’espace entre la couverture transparente et l’absorbeur se situe dans une fourchette de 25 à 40mm. Un espace plus important favoriserait les pertes thermiques par effet de convection.

BOURAGBI [23] montre dans une étude en 2008 qu’on obtient une amélioration remarquable du rendement à cause de l’effet de serre généré par la vitre ; par exemple à 70°C le rendement radiatif augmente d’environ 20%.

L’élévation du nombre des vitres (effet de serre multiple) augmente aussi ce gain.

Mais si on prend en considération l’aspect économique du capteur on se limite à 2 vitres, car le gain apporté au rendement par la 3^èmevitre par rapport à la 2^èmeest de l’ordre de 0.033 ≈ 3.3%.

1.3. Transfert de chaleur

1.3.1. Transfert de chaleur par conduction

C’est l’échange de chaleur entre deux points d'un solide (ou d'un liquide) immobile et opaque. En régime stationnaire, la théorie de la conduction repose selon Fourier sur l’hypothèse, que la densité de flux est

proportionnelle au gradient de température 𝜑 = −𝜆𝑔𝑟𝑎𝑑 (𝑇) (1.1)

Avec

(28)

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 8 𝜆 : Conductivité thermique du milieu opaque

𝜑 : Flux de chaleur transmise à travers le milieu opaque

Ou sous forme algébrique en monodimensionelle suivant l’axe x : 𝜑 = −𝜆𝑆^𝜕𝑇

𝜕𝑥 (1.2)

Figure 1.4: Schéma montrant le transfert de chaleur par conduction.

1.3.2. Transfert de chaleur par convection On distingue deux types de convection :

 La convection libre ou naturelle dans laquelle le changement de température d'un fluide implique une différence de masse volumique au sein du fluide qui crée un mouvement du fluide.

 La convection forcée où le mouvement de fluide est provoqué par des forces extérieures (pompe, turbine).

1.3.1.1. Expression du flux de chaleur en convection forcée

Quelques soit le type de convection (libre ou forcée) et quelques soit le régime d’écoulement du fluide (laminaire ou turbulent), le flux de chaleur est donné par la relation dite, loi de Newton :

𝜑 = ℎ𝑆∆𝑇 (1.3) Avec h coefficient d’échange global

(29)

Le problème majeur à résoudre avant le calcul du flux de chaleur, consiste à déterminer le coefficient h qui dépend de plusieurs paramètres.

L’échange de chaleur est d’autant plus actif (h plus grand) que la vitesse d'écoulement du fluide, sa masse volumique, sa chaleur spécifique, sa conductivité thermique sont plus importantes et sa viscosité cinématique plus faible. Il peut également dépendre des dimensions de la paroi, de sa nature et de sa forme.

1.3.2.2. Calcul de h en convection forcée

La méthode de l’analyse dimensionnelle pour la résolution des équations aux dimensions fait apparaître des nombres sans dimension très utiles dans l'étude de la mécanique des fluides et en particulier dans les phénomènes convectifs [18].

𝑁_𝑢 = 𝑓(𝑅_𝑒, 𝑃_𝑟) (1.4)

Le nombre de Nusselt, exprime le rapport entre le flux de chaleur par convection dans le fluide et le flux par conduction :

𝑁_𝑢 =^ℎ𝑙

𝜆 (1.5) Le nombre de Reynolds, mesure l'importance relative des forces inertielles liées à la vitesse et des forces de frottement liées à la viscosité.

𝑅_𝑒 =^𝜌𝑈𝑙

𝜇 (1.6)

Le nombre de Prandtl, représente le rapport de la diffusivité mécanique à la diffusivité thermique.

𝑃_𝑟 = ^𝐶^𝑃^𝜇

𝜆 (1.7) Pour calculer le coefficient d’échange convectif on procède comme suit : 1. Calcul des nombres adimensionnels de Reynolds et de Prandtl.

2. Suivant la valeur de 𝑅_𝑒 et la configuration, une corrélation est choisie.

3. Calcul de Nu par application de cette corrélation.

4. Calcul de ℎ = ^𝑁^𝑢^𝜆

𝑙

(30)

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 10 1.3.2.3. Calcul de h en convection naturelle

Dans le cas de la convection naturelle, le nombre de Nusselt est exprimé en fonction des nombres de Grashof et de Prandtl [18]:

𝑁_𝑢 = 𝑓(𝐺_𝑟, 𝑃_𝑟) (1.8)

Le nombre de Grashof, exprime le rapport entre les forces de gravite multipliées par les forces d’inertie et le carré des forces de viscosité [12].

𝐺_𝑟 =^𝑙³^∗𝜌²^{∗𝑔∗𝛽}^𝑑^∗∆𝑇^𝑝𝑓

𝜇² (1.9)

Pour calculer le flux de chaleur transmis par convection naturelle on procède de manière similaire que pour la convection forcée, sauf que le nombre de Grashof est calculé dans ce cas et remplace le nombre de Reynolds dans le cas de la convection naturelle.

1.3.3. Transfert de chaleur par rayonnement

Ce mode de transfert d’énergie thermique contrairement à la conduction et à la convection, ne nécessite pas la présence d’un support matériel ou fluide. En effet, on réunit sous l’appellation de rayonnement l’ensemble des échanges d’énergie à distance entre les corps, par ondes électromagnétiques. Ces échanges peuvent avoir lieu lorsque les corps sont séparés par le vide ou n’importe quel milieu intermédiaire suffisamment transparent aux ondes électromagnétiques. Le transfert d’énergie électromagnétique entre deux surfaces (même dans le vide) est donné par la relation :

𝜑 = 𝜎_𝜆𝜀_𝑝𝑠(𝑇_𝑝⁴ − 𝑇_𝑎⁴) (1.10)

Figure1. 5: Schéma montrant le transfert par rayonnement.

(31)

𝜎_𝜆 : Constante de Stephan Boltzman (5.67*10^-8 W.m^-2.K^-4) 𝜀_𝑝 : Facteur d’émission de la surface

𝑠 : Aire de la surface

𝑇_𝑝 : Température de la surface

𝑇_𝑎 : Température du milieu Ambiant 1.3.4. Corps noir-corps gris

 Corps noir

C’est un corps qui absorbe toutes les radiations qu’il reçoit indépendamment de son épaisseur, de sa température, de l’angle d’incidence et de la longueur d’onde du rayonnement incident, il est défini par : 𝛼_𝜆𝑇 = 1. Une surface enduite de noir de fumée est approximativement un corps noir. Propriétés du corps noir :

- Tous les corps noirs rayonnent de la même manière.

- Le corps noir rayonne plus que le corps non noir à la même température.

 Corps gris

Un corps gris est un corps dont le pouvoir absorbant 𝛼_𝜆𝑇 est indépendant de la longueur d’onde 𝜆₀ du rayonnement qu’il reçoit. Il est défini par : αλT = αT.

En général, on considère les corps solides comme des corps gris par intervalle et on utilise un pouvoir absorbant moyen vis-à-vis du rayonnement émis pour 𝜆₀ <3 µm (rayonnement émis par des corps à haute température comme le soleil) et un pouvoir absorbant moyen vis-à-vis du rayonnement émis pour 𝜆₀ > 3 µm (rayonnement émis par les corps à faible température : atmosphère, absorbeur solaire,...).

1.3.5. Choix des capteurs

On a vue précédemment que chaque type de capteur correspond à des domaines d’utilisation particulière. Pour caractériser les performances d’un capteur, des essais normalisés (norme : NF EN 12975-2) ont été faits, pour

(32)

établir la représentation graphique de la figure 1.6, en utilisant l’équation (ci- dessous) simplifiée du rendement d’un capteur [19].

𝜂 = B − a1^𝑻^𝒎^−𝑻^𝒂

𝒒_𝒊𝑨 − a2^(𝑻^𝒎^−𝑻^𝒂⁾^𝟐

𝒒_𝒊𝑨 (1.11) Tm : Température moyenne de l’absorbeur [°C]

Ta : Température ambiante dans l’environnement du capteur [°C]

A : Surface d’échange global en m²

qi : Irradiation solaire mesurée dans le plan du Capteur [W/m²]

Dans la pratique, le coefficient a2 étant très faible, il est souvent négligé et un capteur solaire est caractérisé par les coefficients :

B : l’ordonnée à l’origine

a1 : la pente de la droite caractérisant le capteur

Ce sont ces deux coefficients qui sont utilisés pour calculer les installations utilisant des capteurs solaires.

Figure 1.6: courbe caractéristique des rendements d’un capteur [19].

1.3.6. Paramètres influents le fonctionnement d’un capteur solaire plan L’efficacité thermique du capteur solaire dépend fortement du matériel, de la forme, des dimensions, de la disposition du capteur et des conditions

(33)

environnantes. Tous ces facteurs peuvent être classés en deux catégories principales :

1.3.6.1 Paramètres externes

Les paramètres externes qui influent sur le fonctionnement des capteurs plans sont :

 Paramètres d’ensoleillement : éclairement, position du soleil, durée d’insolation.

 Température extérieure sèche

 Vitesse du vent sur le capteur

1.3.6.2. Paramètres internes : On distingue :

a. Paramètres géométriques :

 paramètres de position : inclinaison, orientation du capteur.

 La surface du capteur

b. Paramètres de fonctionnement :

 température d’entrée du fluide caloporteur

 le débit du fluide caloporteur

 la température des différentes parties du capteur

1.3.7. Bilan thermique et rendement d’un capteur solaire 1.3.7.1. Bilan thermique

La puissance utile 𝑄_𝑈 que l’on peut récupérer d’un capteur solaire est égale à la partie de l’énergie incidente traversant le vitrage moins les déperditions thermiques (proportionnel à l’écart de température) et à la puissance stockée sous forme de chaleur vive dans les différents éléments du capteur.

M.Schwardz et al [14] ont étudié le comportement thermique des capteurs plan. Ils mentionnent qu’ils existent deux approches pour faire le bilan thermique

(34)

d’un capteur plan : le bilan thermique en régime permanent et le bilan thermique en régime dynamique.

 En régime permanent, le flux incident 𝐺_𝑛 est pris constant sur des intervalles de temps donnés (une heure par exemple, ^𝜕𝑞^𝑖

𝜕𝑡 = 0).

 En régime dynamique, le flux incident 𝐺_𝑛varie dans le temps ce qui implique 𝐺_𝑛 = 𝐺_𝑛(𝑡) et nécessite une durée importante d’irradiation du capteur.

L’équation bilan thermique d’un capteur s’écrit de la manière suivante : 𝑄_𝐼 = 𝑄_𝑃+ 𝑄_𝑆 + 𝑄_𝑈 (1.12)

𝑄_𝐼 : puissance de rayonnement arrivant sur le capteur. (W) 𝑄_𝑈 : puissance utile récupérée par le fluide caloporteur

𝑄_𝑃 : puissance perdue par convection et conduction à l’arrière du capteur et par conduction, convection et rayonnement à la face avant.

𝑄_𝑆 : puissance stockée sous forme de chaleur vive dans les différents éléments du capteur lorsque le régime thermique est variable.

Pour un capteur à inertie thermique négligeable (faible masse des composants, faible chaleur spécifique) on a : QS = 0

𝑄_𝐼 = 𝑄_𝑃 + 𝑄_𝑈

⇒ 𝜏𝛼𝑞_𝑖 ∗ 𝐴 = 𝑘𝐴(𝑇_𝑚 − 𝑇_𝑎) + ṁ𝐶_𝑃(𝑇_{𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒} − 𝑇_{𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒}) (1.13) Avec

A : la surface de l’absorbeur (m²)

𝑞_𝑖 : l’irradiation incidente sur le plan du capteur (W/ m²)

𝑇_𝑚 : la température moyenne de l’eau (approximée à la moyenne entre les températures d’entrée et de sortir du capteur) (en °C)

𝑇_𝑎 : la température ambiante en (°C)

(35)

β : le facteur optique du capteur, qui est le rapport entre l’ensoleillement absorbé par l’absorbeur et l’ensoleillement incident sur le vitrage. Ce facteur optique est le produit du facteur de transmission du vitrage par le coefficient d’absorption de l’absorbeur (𝛽 = 𝜏𝛼)

𝑘: Le coefficient de déperdition thermique (W/m².K) 1.3.7.2. Intensité du rayonnement dans l’absorbeur

La couverture en verre du panneau solaire n’absorbe ou ne réfléchit que faiblement l’énergie incidente du rayonnement. La part transmise de cette énergie frappe l’absorbeur et elle est alors absorbée dans sa plus grande partie. La relation permettant de quantifier l’énergie de rayonnement transformée en chaleur est :

𝑞_𝑎 = 𝜏. 𝛼. 𝑞_𝑖 (1.14)

Avec

𝑞_𝑎 : Intensité de rayonnement transformée en chaleur dans l’absorbeur par unité de surface et de temps (W/m²)

𝛼 : Facteur d’absorption de l’absorbeur

𝜏 : Facteur de transmission de la couverture en verre

𝑞_𝑖 : Intensité lumineuse à irradié sur le panneau solaire (W/m²) 1.3.7.3. Energie utile

L’énergie de rayonnement transformée en chaleur n’est pas disponible en tant qu’énergie utile dans sa totalité. Une partie est perdue en rayonnement thermique, en conduction thermique et en circulation thermique. Une autre partie peut amener une élévation de température de l’absorbeur, c’est-à-dire que cette énergie est accumulée dans le panneau solaire. On obtient donc une énergie utile 𝑞_𝑛 par unité de surface et de temps

𝑞_𝑛 = 𝑞_𝑎 − 𝑞_𝑣 − 𝑞_𝑠 (1.15) Avec

𝑞_𝑣 : L’intensité perdue (J/s.m²) 𝑞_𝑠 : L’intensité stockée (J/s.m²)

(36)

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 16 1.3.7.4. Pertes thermiques

Les pertes thermiques de l’absorbeur sont d’autant plus grandes que sa température est élevée. L’isolation arrière détermine les pertes thermiques par conduction. Par contre, sur la face avant de l’absorbeur, on est en présence de pertes par rayonnement et par convection. Toutes les pertes peuvent être résumées par la formule suivante :

𝑞_𝑣 = 𝑘. (𝑇_𝑎𝑏 − 𝑇_𝑎) (1.16)

Avec

𝑘 : Coefficient de déperdition thermique 𝑇_𝑎𝑏 : Température de l’absorbeur

𝑇_𝑎 : Température ambiante

1.3.7.5. Rendement d’un capteur solaire

Le rendement d’un panneau solaire est donné par le quotient de l’intensité utile et de l’intensité de rayonnement reçue

𝜂 = 𝑞_𝑛

𝑞_𝑖 = 𝛼. 𝜏 −𝑘. (𝑇_𝑎𝑏 − 𝑇_𝑎)

𝑞_𝑖 (1.17)

La température de l’absorbeur n’est pas connue, on mesure uniquement les températures d’entrée et de sortie 𝑇_{𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒} et 𝑇_{𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒} de l’eau. L’équation (1.16) ne tient en outre, pas compte du coefficient de transfert thermique entre la paroi de l’absorbeur et l’eau. Pour cette raison, on introduit un facteur de rendement 𝑓 de l’absorbeur :

𝜂 = 𝑞_𝑛

𝑞_𝑖 = 𝑓(𝛼. 𝜏 −𝑘. (𝑇_𝑚− 𝑇_𝑎)

𝑞_𝑖 ) (1.18)

𝑓 = 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡é 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑟é𝑒𝑙𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑖𝑡𝑒

𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡é 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑖𝑡𝑒 𝑠𝑖 𝑙^′𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑒𝑢𝑟 é𝑡𝑎𝑖𝑡 à 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝é𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑒 𝑑𝑢 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒𝑢𝑟

Avec

𝑇_𝑚: La température moyenne de l’eau. Elle est définie par

(37)

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 17 𝑇_𝑚 = 𝑇_{𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒+}𝑇_{𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒}

2 (1.19)

1.3.8. Autre formule du rendement

La puissance utile 𝑄_𝑈 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.

𝑄_𝑈 = 𝐶. ṁ(𝑇_{𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒} − 𝑇_{𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒}) (1.20) 𝐶: Chaleur spécifique de l’eau.

L’intensité lumineuse A L’emplacement du panneau solaire étant 𝑞_𝑖 (W/m²) et 𝐴 la surface de l’absorbeur nous obtenons la formule du rendement suivant :

𝜂 = 𝑄_𝑈

𝑞_𝑖. 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 panneaux solaires d’un système solaire thermique. Les résultats montrent des zones d’efficacité différentes en fonction de l’orientation et de l’inclinaison des capteurs. Il observe que pour une orientation autour de l’azimut sud, avec une inclinaison de 45°, l'efficacité est supérieure à 85%.

G. Lazhar [22] a fait une étude comparative des capteurs plans et 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.

(38)

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 :

𝐺_𝑟 ≥ 1100 𝑅_𝑒

3

2 Convection naturelle 1.22

(39)

𝐺_𝑟 ≤ 11 𝑅_𝑒² Convection forcée 1.23 Ou 𝑅_𝑒 représente le nombre de Reynolds

𝑅_𝑒 =^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.

(40)

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

(41)

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.

(42)

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.

(43)

CHAPITRE 2: ANALYSE DES INFLUENCES SUR

UN CAPTEUR SOLAIRE PLAN

(44)

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 ?

(45)

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 stabilisée

Bloc de pompe et débitmètre

Echangeur thermique Panneau Acquisiteur

de données

Ecran

Unité centrale de l’ordinateur Clavier de l’ordinateur

Souris de

l’ordinateur Lampe

halogène