Systèmes solaires de production de froid

Systèmes solaires de production de froid

Réfrigération solaire

Un système de refroidissement solaire, est une combinaison de trois sous-systèmes : un sous-système solaire comprenant principalement un capteur solaire et un réservoir de stockage de chaleur, un sous-système consistant en un processus de refroidissement thermiquement entrainé et un sous-système constituant la charge qui utilise le froid produit. Selon le type du capteur solaire, la nature du processus de refroidissement et la destinée du froid produit, différents projets de refroidissement solaire peuvent être montés. Dans le contexte de l’utilisation de la chaleur solaire à des fins de production de froid, le sous-système indubitable n’est autre que le sous-système solaire. Ce système se compose principalement d’un capteur solaire et d’un ballon de stockage de chaleur pour accueillir le surplus de production . Et du moment que le cycle thermodynamique a besoin continuellement  de chaleur pour fonctionner, le sous-système solaire doit être pourvu d’un chauffage auxiliaire électrique ou à gaz pour assurer le ravitaillement en chaleur en cas d’incapacité du capteur solaire à fournir la chaleur nécessaire.

Capteurs solaires thermiques

Un capteur solaire thermique est composé principalement d’une surface qui absorbe le rayonnement solaire et le convertit en chaleur. Cette chaleur est, en partie, impartie à un fluide calorifique (fluide de transfert de chaleur, HTF). Les capteurs solaires thermiques destinés au froid solaire sont munis généralement de protections transparentes pour minimiser les pertes et permettre par conséquent une meilleure transmission de chaleur au fluide caloporteur. Dans les technologies dépourvues de surfaces de concentration, les capteurs sont munis d’une couche isolante pour limiter les pertes thermiques. Les différentes technologies de réfrigération utilisées en froid solaire nécessitent des plages de température comprises entre 50°C et 250 °C .

Capteurs à air

Ne présentant ni problèmes de gel en hiver ni problèmes de surchauffe en été, ni de problèmes de fuite comme les capteurs à base de liquide, les coûts d’investissement des collecteurs d’air sont moins élevés que ceux de ces derniers. Leur utilisation est recommandée dans toutes les applications nécessitant de l’air chaud comme les processus industriels nécessitant de grands flux d’air chaud et le chauffage des bâtiments. Dans les applications de froid solaire, les collecteurs d’air
à tubes sous vide peuvent réaliser des températures d’air de l’ordre de 100 °C avec des efficacités satisfaisantes servent à produire de l’air chaud pour la dessiccation de l’air dans les installations frigorifiques à dessiccation.
Néanmoins, les ventilateurs utilisés conjointement avec les capteurs à air consomment beaucoup d’énergie en plus de l’incompatibilité avec les systèmes de stockage. Les efficacités des capteurs à air sont inférieures à celles des capteurs à liquide à cause de la faiblesse du coefficient de transfert de chaleur. Par contre, l’utilisation de surfaces absorbantes nervurées ou poreuses et des circuits multipasses augmente le contact avec l’air et par conséquent augmente le coefficient de transfert de chaleur. La figure I.4 illustre une géométrie simple d’un collecteur d’air.

Réfrigération solaire électrique

Un système de refroidissement solaire est composé principalement de panneaux photovoltaïques et d’un dispositif de refroidissement électrique. Une cellule photovoltaïque (PV) ou solaire dont l’efficacité et le coût dépendent du matériau et la méthode de fabrication est essentiellement un dispositif semi-conducteur à semi-conducteurs qui convertit l’énergie lumineuse en énergie électrique. Depuis sa découverte, la technologie photovoltaïque s’est rapidement améliorée en prix et en performance. En 2010, les cellules de silicium cristallin à base de plaques ont dominé près de 90% du marché PV avec une efficacité de pointe typique de 13% . Le système de refroidissement solaire le plus simple est une combinaison d’un climatiseur conventionnel à vapeur avec un panneau solaire . L’efficacité du système entier est également une combinaison de l’efficacité du panneau solaire avec le coefficient de performance (COP) de la machine à compression de vapeur. Par exemple, la combinaison d’un climatiseur à compression avec un COP de 3.0 et d’un panneau solaire avec une efficacité de 10% donne un système solaire électrique d’efficacité globale de (3,0 x 0,10 = 30%) . Rares sur le marché, les climatiseurs à vapeur solaire emballés dans des paquets autonomes sont équipés de compresseurs à vitesse variable et de batteries ou de générateurs en tant que systèmes auxiliaires .

Systèmes de réfrigération à absorption à simple effet

Le cycle à absorption à simple effet est l’arrangement le plus simple de la technologie à absorption solaire. Il se compose du même système qui est combinée avec un collecteur solaire et un réservoir de stockage. La chaleur de travail fournie par le réchauffeur conventionnel est partiellement remplacée par la chaleur solaire.
Lorsqu’il y a un excès de production de chaleur, le supplément est stocké dans un réservoir de stockage. Un réchauffeur auxiliaire de secours est actionné si le soleil  fait défaut. La majorité des systèmes de froid solaire disponibles sur le marché sont basés sur les systèmes à absorption à simple effet au couple LiBr-H2O alimentés par des capteurs plans ou à tubes sous vide . Le COP d’une machine à absorption à simple effet varie de 0.6 à 0.8. Les températures de fonctionnement se situent entre 80°C et 100 °C pour un système refroidi à eau. Celles des systèmes refroidis à air doivent être 30 K plus environ.

Système de réfrigération à absorption à double effet

Outre les machines à absorption à simple effet, les machines à double effet sont utilisées dans quelques projets de réfrigération solaire. Le système à double effet peut être réalisé en superposant un cycle supplémentaire au cycle simple.
deux générateurs à des températures différentes fonctionnent en série, de sorte que la chaleur dégagée du condenseur haute pression est utilisée pour chauffer le générateur basse pression . L’énergie solaire ainsi que la vapeur d’eau générée dans le générateur haute pression fournit de l’énergie au générateur basse pression. La température de l’eau chaude fournie au générateur basse pression est proche de 90 ° C . Le cycle à double effet a une double valeur COP en comparaison avec celle des systèmes à simple effet, compris entre 1.1 et 1.2. Cependant, des températures de fonctionnement comprises entre 140 et 180 °C sont généralement requises pour entrainer le cycle. Pour fournir de telles températures élevées, des systèmes de captation solaire à concentration sont  nécessaires. Ce type de systèmes n’est disponible que dans la gamme de grandes capacités d’environ 100 kW et plus .
La comparaison faite par Grossman entre les systèmes de climatisation solaire à simple effet, à double effet et à triple effet a montré que le prix de ces systèmes est dominé par le coût de la partie solaire. Les COP élevés atteints par les systèmes multi-effets sont pénalisés par le coût prohibitif des capteurs nécessaires.

Système de réfrigération à absorption à demi effet

Ayant l’avantage d’être entraîné à une température relativement basse, le cycle à demi-effet prend son nom du COP qui est à peu près la moitié de celui d’un cycle à simple effet. On l’appelle également le cycle à deux phases.  Kim et Machielsen ont conclu, à travers une étude comparative en termes de coût de fabrication et de performance de différents systèmes à absorption, qu’un cycle LiBr-H2O à demi-effet serait la meilleure alternative pour la climatisation solaire à absorption grâce à la faible température de fonctionnement du cycle à demi-effet et aux bonnes propriétés thermodynamiques du couple de travail.
Cependant, de tels systèmes nécessiteraient environ 40% de surface d’échange de chaleur et 10 à 60% de plus de surface de capteur par rapport au système à simple effet d’une même capacité de refroidissement. Arivazhagan et al. ont  expérimenté un système à absorption à demi-effet utilisant le couple organique DMAC-R134a. Une température d’évaporation de -7 ° C et un COP d’environ 0.36 ont été atteints avec une température de génération variant dans la plage de 55 à 75 ° C. Bien que le COP soit 33% relativement bas par rapport à celui obtenu avec le couple H2O-NH3, l’utilisation de ce couple toxique et inflammable nécessite une rectification.

 

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Table des matières

Chapitre I:  Systèmes solaires de production de froid
I.1 Introduction
I.2 Revues du froid solaire
I.3 Réfrigération solaire
II.3.1 Capteurs solaires thermiques
I.3.1.1 Capteurs plans
I.3.1.2 Capteurs à air
I.3.1.3 Capteurs sous vide
I.3.1.4 Capteurs stationnaires à concentration
I.3.1.5 Capteurs traqueurs à concentration
II.3.2 Etat de l’art des technologies de la réfrigération solaire
I.3.2.1 Réfrigération solaire électrique
I.3.2.2 Réfrigération solaire thermique
II.3.3 Pertinence des capteurs solaires vis-à-vis du froid solaire
I.4 Systèmes de réfrigération solaire à absorption
I.4.1 Systèmes de réfrigération à absorption à simple effet
I.4.2 Système de réfrigération à absorption à double effet
I.4.3 Système de réfrigération à absorption à demi effet
I.5 Conclusions
I.6 Références
Chapitre II: Revue illustrée des investigations expérimentales des systèmes de réfrigération solaire à absorption
II.1 Introduction
II.2 Etudes expérimentales des systèmes solaires de réfrigération à absorption
II.3 Analyses et discussion
II.4 Conclusions
Chapitre III : Modélisation des composants d’un système de réfrigération solaire à absorption
III.1 Introduction
III.2 Modélisation d’un capteur cylindro-parabolique
1. Etat de l’art des capteurs cylindro-paraboliques
2. Modèle mathématique
3. Hypothèses
4. Résolution des équations
III.3 Modélisation thermodynamique d’une installation à absorption à simple effet
II.3.1 Bilan massique et énergétique
II.3.2 Etude paramétrique du cycle
II.3.3 Influence de l’apport de chaleur
II.3.4 Influence du rejet de chaleur sur les performances du cycle
III.4 Conclusions
Conclusion générale

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