Soutenance mémoire
Généralité sur le rayonnement solaire et les capteurs solaires plans
L’augmentation brutale du prix du pétrole survenue en 1973 a conduit une première fois l’homme à s’intéresser à des sources d’énergie renouvelables au premier rang desquelles l’énergie solaire. Les principales caractéristiques de l’énergie solaire ayant suscité l’intérêt qu’on lui a porté à l’époque étaient sa gratuité (nous y reviendrons), sa disponibilité sur une grande partie du globe terrestre et l’absence de risque d’épuisement connu par les sources d’énergie fossile [1]. On s’est vite aperçu que l’énergie solaire, contrairement à une idée répandue, n’est pas tout à fait gratuite : son utilisation nécessite un investissement de départ souvent plus lourd que pour les sources d’énergie conventionnelles et nombre d’installations solaires sont aujourd’hui à l’arrêt faute d’avoir prévu un budget pour la maintenance des équipements. Toutefois, sans être totalement gratuite, l’énergie solaire présente des coûts de fonctionnement réduits et offre dans certains cas une alternative économiquement rentable par rapport aux sources d’énergie conventionnelles. Le développement de l’utilisation de l’énergie solaire sera lié non seulement à ses avantages économiques (qui grandiront au fur et à mesure que les réserves d’énergie fossile diminueront) mais surtout à des considérations liées à la protection de l’environnement : pas de rejets polluants (fumées contenant du CO2 et des NOx par les centrales thermiques), pas de danger radioactif et de déchets encombrants (centrales nucléaires), possibilité de limitation de l’emploi des CFC (production de froid solaire par adsorption).
Influence de la Configuration de l’Absorbeur sur les Performances Thermiques d’un Capteur Solaire à Air Dans l’utilisation de l’énergie solaire, la faible densité de l’énergie et la fourniture instable de cette dernière est due aux variations des conditions atmosphériques. La plus grande part de recherche est consacrée au développement du chauffe- eau solaire du point de vue rendement thermique en général, mais rare sont les études sur les capteurs solaires utilisant l’air comme fluide caloporteur, car ce dernier a un coefficient de transfert de chaleur par entre l’absorber et le fluide beaucoup plus faible que celui de l’eau. conduction-convection. On a peu d’informations concernant le comportement des capteurs solaires à air en convection naturelle plus précisément l’évolution du débit d’air et l’évolution de la température de sortie du fluide caloporteur, F. Mokhtari et D. Semmar [36] présent les résultats d’une étude expérimentale sur trois configurations de capteurs solaires fonctionnant suivant deux modes de circulation de l’air (circulation naturelle et circulation forcée) les paramètres caractérisant les performances du système sont évalués instantanément durant la période d’ensoleillement, ils nous permettrons d’appuyer l’analyse théorique et de valoriser chacune des trois conceptions des capteurs solaires à air. Trois configurations de capteurs sont représentées.
La configuration (6.a) est la plus simple des configurations, elle a un passage d’air sous l’absorbeur qui est en tôle peinte en noir (α = 0.95), la couverture est un vitrage de 0.03 m, le boîtier est en tôle d’acier galvanisé rembourré d’une couche d’isolant (Polyuréthanne) de e = 0.04 m. La configuration (7.b): Ce capteur est constitué des mêmes éléments que la configuration (1.a), seulement le passage d’air se trouve au- dessus de la plaque absorbante (entre le vitrage et la plaque absorbante). La configuration (8.c): Les mêmes éléments constituants que la config. (6.a) constitue la config (8.c), seulement la plaque absorbante est placée sur la diagonale du capteur entre la couverture et l’isolant, l’entrée de l’air se trouve au dessus de l’absorbeur tandis que la sortie est située sous l’absorbeur. Elle est munie d’un orifice de section rectangulaire de (150 x 600 mm2) pour permettre l’évacuation de l’air chaud . Les trois capteurs sont de dimensions (1,92 x 0,94 m), l’entrée de chaque capteur est munie d’un ventilateur. Une compagne de mesures a été effectuée au site de Bouzaréah (C.D.E.R) durant six jours pour les deux modes de circulation de l’air dans le capteur [36] : (forcée, naturelle). Afin de pouvoir estimer l’efficacité des trois configurations, on a programmé le déroulement des tests durant une période de six (6) jours. Lors de chaque journée, les tests sont pris entre 8 h 00 jusqu’à 16 h 00 avec un pas de quinze (15) minutes.
Présentation de la méthode des volumes finis
La méthode des volumes finis a été utilisée depuis de nombreuses années (1970) par les ingénieurs (tel que SPALDING, SMITH et PATANKAR) [48], pour résoudre numériquement avec des maillages structurés, les problèmes de la mécanique des fluides formalisés pour les équations de la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie. La méthode de résolution utilise les composantes de la vitesse, de la pression, de la température, etc. comme variables dépendantes. La méthode des volumes finis consiste à discrétiser le domaine de l’écoulement en une multitude de volumes de contrôle (cellules) puis d’effectuer des bilans (de masse, d’énergie, de quantité de mouvement,…) sur ces petits volumes. Pour cette raison, la formulation fait apparaître des intégrations de volume. L’avantage de cette méthode est que tout ce qui sort d’un volume, rentre dans un autre, cette méthode est donc conservative. Plusieurs méthodes de discrétisation des équations différentielles aux dérivées partielles sont utilisées actuellement telles que : la méthode des volumes finis, des différences finies et des éléments finis. La méthode utilisée par « Fluent » est celle des volumes finis.
Les profils de température
Les profils de températures sont donnés par les figures (V.38 et V.39) (amont de la première chicane et première chicane).Ces profils montrent que le comportement thermique est semblable pour les quatre cas étudié à l’exception des positions comprises entre (-0.073 m) et (-0.01 m) pour la figure (IV.38) et entre (-0.073 m) et (-0.04 m) pour la figure (IV.39). Pour la position X=0.299 entre les deux chicanes figure (IV.40) les profiles de température ne sont pas similaire mais on remarque qu’il y a une augmentation considérablement des températures dans les aspérités c’est à dire entre (-0.073 m) et (-0.053 m) pour les cas de rugosité rectangulaire, rugosité triangulaire et rugosité circulaire d’une part par rapport au cas sans rugosité. La figure (V.41) donne les profils de température en deuxième chicane (X=0.375). On constate que les profils des températures sont semblables pour les quatre cas étudié sauf aux positions entre (0.007 m) et (0.033 m).
Ces graphes montrent aussi qu’il y a une augmentation considérable des températures pour les cas de rugosité rectangulaire, rugosité triangulaire et rugosité circulaire d’une part par rapport au cas sans rugosité cette augmentation comprise entre (0.007 m) et (0.037 m) et cette température arrive jusqu’à 3500k pour la rugosité rectangulaire. Pour la position X=0.467m en aval de la deuxième chicane (figure V.42) on remarque que les profils des température sont similaire a la partie positif de l’axe (y) pour les quatre cas étudié mais on remarque qu’il y a une augmentation considérablement des températures a la partie négatif de l’axe (y) pour les cas de rugosité rectangulaire, rugosité triangulaire et rugosité circulaire d’une part par rapport au cas sans rugosité cette température arrive jusqu’à 3580k pour la rugosité rectangulaire.
|
Table des matières
Introduction générale.
Chapitre I : généralité sur le rayonnement solaire et les capteurs solaires plans
I -1 Introduction
I -2 Aperçu sur la ressource de l’énergie solaire
I-3 Généralités sur le soleil
I-3-1Présentation
I -3-2 carte d’identité du soleil
I -3-3 Constitution du soleil
I -4 Rayonnement solaire
I -4-1 Composante du rayonnement solaire
I -4-2 Le rayonnement solaire au sol
I –5 Description des capteurs solaires plans à air
I –5-1 Introduction
I –5-2 Caractéristiques techniques des capteurs solaires plans
I –5-2-1 Principe
I –5-3 Caractéristiques techniques des différents composants
I –5-3-1 L’absorbeur
I–5-3-2 La couverture transparente
I–5-3-3 L‘isolant
I–5-3-4 Le fluide caloporteur
I–5-4 Différents types des capteurs solaires plans à air
I–5-4-1 Capteurs à absorbeur plan
I–5-4-2 Capteurs à absorbeur perméable
I–5-4-3 Capteurs à absorbeur à géométrie variable
I–5-5 Les avantages et inconvénients des capteurs plans vitrés et non vitrés
I–5-5-1 Les capteurs plans vitrés
I–5-5-2 Les capteurs plans non vitré
I–5-6 Performance est exposition
I–5-7 Applications des capteurs solaires plans à air
I–5-7-1 Chauffages et climatisation des habitations
I–5-7- Le séchage
Chapitre II : Analyse Bibliographie
Introduction
II.2 Amélioration des Performances des Capteurs Solaires Plans à Air
II.3 Minimisation des pertes thermiques
II.4 L’Influence de la Configuration de l’Absorbeur sur les Performances Thermiques d’un Capteur Solaire à Air
II.5 Amélioration des performances du capteur
II.5-1 capteur doté de chicanes
II.5-2 capteur à rugosité artificielle
II.5-3 capteur solaire à doubles passes sans et avec un milieu poreux
II.5-4 Capteur utilisant un lit sous forme de treillis métallique
Conclusion
Chapitre III : Bilans thermiques pour les capteurs solaires plans
III-1 bilan thermique d’un capteur solaire plan
III-1.1 Principe
III-1.2 Bilan thermique global de la paroi absorbante
III-1.3 Expression du coefficient global de pertes
III-1.4 Bilan thermique de la couverture transparente
III-1.5 Calcul du rendement d’un capteur
III-1.5.1 Profil transversal de température
III-1.5.2 Profil de température dans le sens de l’écoulement du fluide
III-1.5.3 Calcul du rendement global
III-1.5.4 Température moyenne de l’absorbeur
III-2 Quelle que travaux sur les capteurs solaire plan à air
III-2-1 Modélisation des Pertes Thermiques dans un Capteur Solaire à Air à deux Passes
III-2-1-1 analyse thermique d’un capteur solaire a deux passes
Chapitre IV : présentation de la méthode des volumes finis
IV.1 présentation de la méthode des volumes finis
IV.1.1introduction
IV.1.2principe
IV.1.3 Avantages de la méthode des volumes finis
IV.1.4 Notion de maillage
IV.1.5 Noeuds et éléments
IV.1.6 Géométrie et topologie
IV.1.7 Connectivité
IV.2 Discrétisation de l’équation de la quantité de mouvement
IV.3 Discrétisation de l’équation d’énergie
IV.4 Principe de SIMPLE
IV.5 Couplage vitesse –pression
IV.6 L’algorithme SIMPLE
IV .7 Présentation du logiciel FLUENT
IV .7 .1 Introduction
IV .8 Présentation de Gambit
IV .8.1 Démarrage de Gambit
IV .8.2 Construction de la géométrie
IV .8.3 Maillage
IV .8.3.1 Maillage structuré (quadra/hexa
IV .8.3.2 Maillage non structuré (tri/tétra
IV .8.3.3 Maillage hybride
IV .8.4 Définition des frontières
IV .8.5 Exportation du maillage
IV .9 Présentation de Fluent
IV .9.1 Importation de la géométrie
IV .9.2 Vérification du maillage importé
IV .9.3 Vérification de l’échelle
IV .9.4 Choix du solveur
IV .9.5 L’équation de l’énergie
IV .9.6 Choix du modèle de turbulence
IV .9.7 Définition des caractéristiques du fluide
IV .9.8 Operating conditions
IV .9.9 Conditions aux limites
IV .9.10 Choix d’ordre des équations et l’algorithme
IV .9.11 Initialization
IV .9.12 Choix des critères de convergence
IV .9.13 Lancement du calcul
Chapitre V: Résultats et Interprétations
V.1 problématique
V.2 Description de la géométrie
V.3 Le système d’équation
V.3.1 Conservation de la masse
V.3.2 Conservation de la quantité de mouvement
V.3.2.1 Conservation de la quantité de mouvement suivant la direction axiale
V.3.2.2 Conservation de la quantité de mouvement suivant la direction radiale
V.3.3 Conservation d’énergie
V.3.3.1 Conservation d’énergie dans le fluide
V.3.3.2 Conservation d’énergie dans la paroi
V.3.4 Energie cinétique turbulence k
V.3.5 Energie de dissipation ε
V.4 Les conditions aux limites
V.5 Validation des résultats
V.6. Discussions et interprétations
V.6.1 les lignes de courant V.6.2 le vecteur de vitesse V
V.6.3 la Composante de la vitesse longitudinale u
V.6.4 la Composante de la vitesse transversale v
V.6.5 Champs des températures
V.6.6 Energie cinétique turbulente k
V.6.7 Taux de dissipation ε
V.6.8 Les profils de la vitesse
V.6.9 Les profils de température
Conclusion générale
Télécharger le rapport complet
