Bilan Thermiq d1 Capt Sol

8/10/2019 Bilan Thermiq d1 Capt Sol

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International Renewable Energy CongressNovember 5-7, 2010Sousse, Tunisia

ID155/ IREC2010 80

Outil de planification de la production thermique des capteurs solaires

Najoua ZARAI1, Maher CHAABANE1and Slimane GABSI2

1Unit de Commande de Machines et Rseaux de Puissance CMERP-ENIS, Tunisia

e-mail: [email protected] , [email protected] de Recherche Environnement Catalyse et Analyse des Procds, ENIG, Tunisia

e-mail: [email protected]

RsumLa conversion la plus russie de lnergie

solaire reste celle en nergie thermique vue sa

simplicit dinstallation et son large domaine

dutilisation. Dans lobjectif de dimensionner etplanifier la production dune installation solaire

thermique, nous proposons un code de calcul de

lintervalle de production de diffrents capteurssolaires en respectant la courbe de charge.

Lalgorithme se base sur des modles de

convertisseurs solaires. Ces modles font appel une

estimation de lvolution du flux solaire global et de

la temprature ambiante au cours dune journe.

Tous les rsultats sont visualiss grce a une

interface graphique conue laide de Matlab 7.1.

Les rsultats offrent les courbes de charge des

diffrents capteurs solaires, la droite de charge de la

consommation et les temps damorage et darrt delexploitation.

Mots cls : Capteurs solaires, flux solaire,modlisation, gestion dnergie.

1. Introduction

Lutilisation de lnergie solaire commence

par sa conversion. On distingue deux catgories de

systme de conversion de lnergie solaire:

conversion thermique o lnergie solaire reue par

le plan du collecteurest entirement transforme en

nergie calorifique, et conversion lectrique dit

aussi systme photovoltaque, o lnergie solaire

collecte sur le plan du rcepteur est transforme en

lectricit. La conversion la plus russie reste celle en

nergie thermique vue sa simplicit dinstallation et

son large domaine dutilisation. Il sagitparticulirement de la production de la chaleur

ncessaire pour le dessalement de leau de mer, pour

lvaporation des solvants dans le domaine de gnie

chimique, etc.

Ainsi, il est devenu ncessaire de modliser les

convertisseurs solaires dans lobjectif de

dimensionner les installations et de bien exploiterleur production travers une gestion ou une

planification. Ces modles font appel lvolution du

flux solaire global Get la temprature ambiante T

au cours dune journe[2,6].

Dans ce cadre, se prsentent diffrents travaux

permettant de dvelopper des interfaces graphiquespour simuler le profil du flux solaire [7] et la

temprature de sortie dun capteur solaire cylindro-

parabolique [8]. Notre travail consiste dvelopper

un outil de calcul qui facilite la planification de

lutilisation de lnergie solaire.

2. Stratgie de planification

Le principe de loutil de planification de

lutilisation de lnergie solaire, comme le montre la

figure 1, consiste produire les deux instants t0,

instant de dbut de lutilisation et linstant t1, instant

de fin de lutilisationde lnergie solaire.

Figure 1. Schma de principe de loutil degestion de lnergie solaire

La conception de cet outil ncessite la modlisation

du flux solaire, de la temprature ambiante et des

tempratures de sortie des diffrents capteurs solaires

thermiques (capteur plan, capteur sous vide, capteur

cylindro-prabolique).

La procdure du modle de distribution des

paramtres climatiques utilise les donnes

gomtriques du site et une base des donnes

contenant les moyennes journalires mensuelles desparamtres climatiques qui sont calcules sur 20 ans

par lInstitut National de Mtorologie (INM) dans la


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priode 1968-1987 [6]. Cette procdure fournitlestimation de lvolution de lensoleillement globalet de la temprature ambiante pour un jour j et un

mois m en fonction du temps.

3. Modlisation du potentiel solaire

Ltude du rayonnement solaire est le point dedpart de tout investissement dans le domaine de

lnergie solaire. Lnergie globale incidente sur unplan inclin dpend de la latitude du lieu, du numro

du jour de lanne et de langle dinclinaison du plan

capteur. Ils existent plusieurs modles

mathmatiques se basant sur les diffrents paramtres

climatiques.

3.1. Le flux solaire

L'clairement nergtique moyen sur une

surface normale au rayonnement solaire est estim

1350 W/m2. Lors de la traverse de l'atmosphre ilsubit un certain nombre de rfractions, d'missions et

d'absorptions. Le flux solaire global incident est

constitu d'une composante directe et d'unecomposante diffuse dont le pourcentage est variable.

Les tudes de Caillat [9], faisant l'objet de l'influence

du rayonnement direct et diffus sur les performances

des capteurs plans, ont montr que la sous estimation

des rayonnements diffus est inacceptable quand leurpourcentage est au de l de 15%, ceci s'explique par

le fait qu'un fort pourcentage de diffus correspond

un faible clairement nergtique et par la suite le

peu d'nergie disponible est reue par un capteur de

rendement faible. Dans la pratique on admet unevariation sinusodale de l'clairement. Plusieurs

spcialistes ont proposs des modles pour

caractriser le rayonnement solaire. Dans cette tude

on a considr trois modles qui savrent proches de

la ralit [2]. Ces trois modles sont les suivants :

- Modle dEufrat.

- Modle de Perrin de Brichambaut.- Modle de Hottel, Liu et Jordan.

a) Modle dEufrat

Ce modle fait appel au trouble atmosphrique

travers le facteur de trouble de Linke . Apres avoir

calcul tous les paramtres climatiques, on passe au

calcul des diffrents types de rayonnements :

-Rayonnement direct en incidence normale :

9.4AM0.9

AM-expII 0n

(1)

-Rayonnement global horizontal:

33

36

h sin(h))56-(1270G

(2)

-Rayonnement diffus horizontal :

Dh = GhIn x sin(h)

(3)

Pour le calcul sur plan inclin, le rayonnement diffus

du ciel est suppos form de deux composantes :

-une composante isotrope rpartie uniformment surlensemble de la vote cleste : I0.

-une composante circulaire proximit immdiate du

soleil. Cette composante est assimile ensuite dans

les calculs au rayonnement direct : In.

Ces composantes sont dtermines laide des

formules proposes par Hay tel que :

2 1 n

a

IF

I

(4)

- Facteur de conversion isotrope :

p

1 cosiC

2

(5)

-Rayonnement diffus sur un plan inclin:

sip

i Chsin

alors ]

sinh

)1([ 22

i

phi

FCFDD

(6)

si pi Chsin

alors phi CDD

(7)

- Rayonnement global sur un plan inclin :

2

)cos1(2.0cos

iGDIG hiini

(8)

b) Modle de Perrin de Brichambaut

- Rayonnement direct: Pour un plan de rception

quelconque , , la puissance du rayonnementdirect incident est exprim par :

sinh89,0

4,99,0

expcos

z

TigneS

(9)Langle d'incidence sur un plan inclin est donn parla relation :

LLi sinsincoscoscoscos

(10)


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Sachant que sur un plan horizontal on a :

sinhicos , par consquent la relation (9) devient :

sinh89,0

4,99,0

exp.sinh

z

h

TgneS

(11)

Avec gne dsigne le rayonnement hors atmosphre

exprim par la relation :

13532365

360cos0334,01

Ngne

(12)- Rayonnement diffus : Le rayonnement diffus est

compos de trois parties :

321 dddd

(13)

Avec d1le rayonnement diffus de la part du ciel:

cossin1

cos2

1

hd iid

(14)

d2le rayonnement diffus de la part du sol:

2

sin12

ad

(15)

et d3le rayonnement diffus rtrodiffuse:

2

sin13

Rd

(16)

-Rayonnement global : Le rayonnement global

incident un instant donn, sur un plan quelconque

dfinit par , , est par consquent dsign par lasomme de deux termes :

dSG

(17)

b) Modle de Liu Jordan

Lclairementglobal sur plan inclin est estim par la

relation de LIU JORDAN [6, 7].

bhi RSS

(18)

Rb est le facteur dinclinaison du rayonnement

direct :

sinsincoscoscos

sinsincoscoscos

LL

LLRb

(19)

L'irradiation diffuse sur un plan inclin est :

2

cos1 hi dd

(20)

D'autre part l'irradiation rflchie sur un plan inclin

est estime par l'expression :

2

cos1hhri dSd

(21)

Les deux composantes du rayonnement solaire globalsur un plan horizontal, sont estimes comme suit :

Rayonnement direct :

2sin

1expsinh

hCASh

(22)

Rayonnement diffus :

4,0sinhBdh

(23)

O A, B et C sont donnes d'aprs le tableau suivant :

Nature du ciel A B C

Ciel trs clair 1300 87 6

Ciel moyen 1230 125 4

Ciel pollu 1200 187 5

Tableau 1.Valeurs des coefficients A, B et C

3.2. La temprature ambiante

Lvolution thorique de la temprature

lentre de

linsolateur, qui est la temprature ambiante de lair,

est donne par :

)12

1sin(

2

)(

2

)()(),( minmaxminmax

tTmTmTmTtjT

(24)

Les valeurs des moyennes journalires mensuelles

des tempratures minimales et maximales sur 24

heures sont obtenues de lInstitut National deMtorologie (I.N.M). Elles sont enregistres partir

de mesures collectes sur 20 ans. Tmin(m) etTmax(m) sont les moyennes journalires mensuelles

de la temprature minimale et maximale, t est le


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temps compt depuis le lever du soleil pour le jour j

[6].

4. Modlisation des convertisseurs thermiques

Nous proposons une analyse thermique et une

modlisation numrique dun capteur solaire plan, un

capteur sous vide et un capteur concentration detype cylindro-parabolique. Cette modlisation permet

de prvoir la variation de la temprature de sortiedun fluide caloporteur (eau) en fonction de

lclairement solaire.

4.1- Modlisation dun capteur plan

Un capteur solaire plan est compos de :

- une plaque absorbante et conductrice laquelle est

li un systme (changeur) pour transfrer lnergie

capte un fluide caloporteur.

- Une couverture transparente permettant la lumiresolaire de passer vers l'absorbeur et de crer un effet

de serre. La couverture transparente permet aussi delimiter les pertes par convection de labsorbeur qui

sont dues leffet vent. La couverture transparente

peut tre compose par une ou plusieurs vitres ou

plaques ou films en plastique transparent.

- Un caisson assurant la protection de lensemble de

ces lments.

- Un isolant thermique permettant de limiter les

pertes par conduction travers les parois arrire et

latrales.

Les capteurs solaires plans sont dans la plupart

des cas monts dans une position fixe qui leur permetde capter le maximum dnergie sur toute lanne.

Ainsi, linclinaison du capteur est fixe et

aucun dispositif de suivi du soleil ou d'orientation

n'est ncessaire.

Figure 2. Schma de principe dun capteursolaire thermique

a)-Calcul du coefficient de dperdition

Le coefficient de pertes de chaleur est :

Ul = Ut+ Ub+ Ue (2

5)

2 2

0.33

( ) ( )1

2 11

1 0.05 (1 )( )

p a p a

tg g

gp a p g p g

P g w

T T T T U

N N fN

T TC N

T N f h

(26)

5.7 3.8wh V

(27)2(1 0.04 0.0005 ) (1 0.091 )w w gf h h N

(28)

2365.9 (1 0.00883 0.0001298 )C (29)

b)- Calcul du coefficient de la temprature de la

plaque absorbante

a

L

p TU

GT

)(

(29)

d

)1(1)(

(30)

c)- Calcul du facteur defficacit du collecteur

Soit le facteur defficacit du capteur, son expression

est la suivante:

)11

))((

1(

1

'

hfdiCbFdlaidULlai

ULF

(31)

Il convient de dfinir un facteur de conductance du

capteur qui scrit sous la forme suivante:

( )

( )

p fo fi

R

L fi q

G C T T F

S U T T

(32)

d)-Calcul de la temprature de sortie du collecteur

( )( )

fi a

fo fi R l

p

T TT T F S U

G C

(33)


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4.2- Modlisation dun capteur cylindro-

parabolique

f

Surface rflchissante

Tube absorbeur

Ouverture du capteur

/2

Figure 3. Schma de principe dun capteur

solaire cylindro-parabolique

Llment le plus important dans les systmesconcentrateurs est le tube absorbeur, lintrieur

duquel circule le fluide caloporteur. Le tube

absorbeur est souvent en cuivre recouvert dune

couche slective, est entour dune enveloppe

transparente en verre. Il est plac le long de la ligne

focale du concentrateur cylindre- parabolique.

Lnergie solaire incidente absorbe, nest pas

entirement transmise au fluide caloporteur, une

partie est dissipe sous forme de pertes thermiques

entre labsorbeur et la vitre. En prenant enconsidration les diffrentes parts dnergies, celle

recueillie par le fluide et perdue vers lambiance [8].

a)-Bilan thermique du fluide caloporteur

Le bilan nergtique pour le fluide caloporteur qui

circule dans le tube absorbeur est exprim par la

relation suivante:

ztzq

z

tzTV

t

tzTA utile

FFF

FerneAFF cc

,,

..,

.int,

(34)

b)-Bilan thermique du fluide caloporteur

Le bilan nergtique pour labsorbeur est donn par

la relation suivante:

tzqtzqtq

t

tzTA

utileerneabsorb

AAAA c ..

..

int

(

35)

c)-Bilan thermique du vitre

tzqtzq

t

tzTA externeerne

VVVV c ..

.int

(3

6)

4.3- Modlisation dun capteur sous vide

Ce systme est constitu de :

- Un tube en cuivre ayant une forme plate jouant le

rle dun absorbeur afin de convertir lnergie

rayonnante dorigine solaire en nergiecalorifique et

de la transmettre au fluide caloporteur.

- Un tube en verre enveloppant les tubes en cuivre etpermettant la cration du vide en limitant les pertes

par convection assurant leffet de serre et rduisant

les pertes par rayonnement entre labsorbeur et les

corps environnants.

ATube sous vide, BAbsorbeur, CSocle de mtal , D

Tmoin de vide , ERessort de support, FTube de cuivre

Figure 4. Schma dun capteur solaire sousvide

a)- Bilan thermique

Le modle dvelopp est driv de celui propos par

Kamminga, (Kamminga, 1984).Plusieurs hypothses

ont t effectues dans le cadre de la modlisation

tels que ; les proprits des composants indpendant

de la temprature, le gradient de temprature le long

de labsorbeur est nglig etc. Lensemble de ceshypothses ont t nonces par Duffie, (Duffie,

1991).Le modle mathmatique est un modle trois

noeuds, prsent la figure (5). Les trois nuds

reprsentent le fluide caloporteur, labsorbeur et le

vitrage.

Figure 5. Schma simplifi du principe dun

capteur solaire sous vide

Ainsi, en effectuant un bilan thermique chaque

noeud, on obtient un systme de trois quations

dcrivant le comportement du capteur sous vide :


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4 4 4 4( ) ( ) . ( )sky g aTg

Cg g T Tg h Ta Tg g Tp Tg t

(37)

4 4( ) ( )

f

p g g p f p f p

TC G T T h T T

t

(38)

( ) ( )f f

f f p p f

T TC u h T T

t x

(39)

Avec

wrvarvsag hhhh (40)

rpvpf hh

(41)

5. Rsultats et discussions

La figure (6) reprsente lvolution durayonnement global journalier sur un plan dune

inclinaison gale la latitude du lieu considr. Les

rsultats obtenus partir des modles tudis sont

simuls du lever jusqu'au coucher du soleil .Cette

interface graphique permet de simuler les trois

modles densoleillement ainsi que le profil de la

temprature ambiante du site est reprsent par la

figure (7).

La figure (8) montre la variation de latemprature du fluide la sortie du concentrateur en

fonction du temps.

La variation de la temprature de sortie de leau dans

un concentrateur cylindro-parabolique est fonction dudbit du fluide caloporteur et de la longueur du tube.

La figure (9) reprsente le rsultat final de notre

application qui consiste la planification de

lutilisation de lnergie solaire thermique. Ainsi

cette figure permet dafficher les deux instants T1,

temps de dbut de lutilisation et T2, le temps de fin

de lutilisation de lnergie pour une tempraturedutilisation fixe par lutilisateur.

Figure 6. Interface graphique reprsentant le

flux solaire


profil de la temprature ambiante


profil de temprature dun capteur cylindro-

parabolique


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Figure 9. Interface graphique reprsentant la

temprature dutilisation

6. Conclusion

Notre travail consiste dvelopper un code decalcul permettant de dterminer la temprature de

sortie de diffrents types de capteurs solaires

thermiques (capteur plan, capteur sous vide,

concentrateur cylindro-parabolique) en fonction de la

temprature dentre, des paramtres climatiques et

des caractristiques du capteur considr. Dans une

deuxime tape, nous utilisons loutil de calcul pour

planifier lnergie produite par un capteur au coursdune journe une fois il alimente une installation

considre : systme de dessalement, derfrigration, dchange thermique, etc. Au dbut

nous tablissons des modles mathmatiques du flux

solaire et de la temprature ambiante en se basant surdiffrents paramtres climatiques et gographiques

de la rgion concerne. Puis, nous dveloppons des

modles pour les tempratures de sortie des diffrentscapteurs solaires thermiques. Ces derniers font appels

aux modles des paramtres climatiques pour former

le code de calcul dsir. La simulation permet

dobserver lvolution des diffrents paramtres

climatiques et linfluence de ces paramtres sur

lvolution des tempratures de sortie des capteurs.La validation des simulations se base sur des releves

de lensoleillement et de la temprature ambiante

pour douze journes types de site du Centre de

Recherche en Technologie de lEnergie (CRTEn).

7. Bibliographie

[1] A.Moummi, N.Moummi, N.Chouchane, M.T.Bouziane,

Optimisation des performances thermiques des capteurssolaires plans air par introduction de plusieurs rangesd'ailettes dans la veine d'air mobile , Journes d'tudesnationales de mcanique, JENM 05, Ouargla du 15 au 16

Mars 2005.

[2] A.Moummi, N.Hamani, N.Moummi & Z.Mokhtari, Estimation du rayonnement solaire par deux approchessemi-empiriques dans le site de Biskra, 8ime sminaire

international sur la physique nergtique, SIPE8 Bchar11-12 Novembre 2006, Algrie.[3] M. Capderou, Atlas solaire de lAlgrie, OPU Alger

1988.

[4] B.BOURGES, Climatic data handbook for

Europe, Edition Kluwer Dordrecht, Paris1992.

[5] A.MOUMMI, N.HAMANI, N.MOUMMI,Z.MOKHTARI, Estimation du rayonnement solaire pardeux approches semi empiriques dans le site de Biskra,

Centre Universitaire de BecharAlgrie, 11 et 12

Novembre 2006.

[6] W. SAADAOUI, Modle dynamique de

prdiction des paramtres climatiques, mastre Spcialis

en Instrumentation et Communication 2006, Facult dessciences de Sfax.

[7] N.MOUMMI, A.MOUMMI, S.BENLAHMIDI,

Contribution la ralisation dun logiciel de simulation desperformances des systmes , Universit de Biskra, ICRE2007.

[8] N.HAMANI, N.MOUMMI, A.MOUMMI,Simulation de la tempraure de sortie de leau dans uncapteur solaire cylindro-parabolique de le site de biskra

,Revue des Energies Renouvelables Vol. 10 N2 (2007)215224, Universit de Biskra.

[9] A.MOUMMI, N.MOUMMI, N.CHOUCHANE,

M.T.BOUZIANE, Optimisation des performances thermiquesdes capteurs solaires plans air par introduction de plusieurs

ranges d'ailettes dans la veine d'air mobile, Journes d'tudes

nationales de mcanique, JENM 05, Ouargla du 15 au 16 Mars

2005.

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