Capteurs solaires plans et capteurs solaires à tubes sous vide

Capteurs solaires plans et capteurs solaires à tubes sous vide

Selon Duffie et Beckman (2006), un capteur solaire thermique est un type spécial d’échangeur de chaleur qui transforme l’énergie solaire en énergie thermique. Le capteur solaire thermique est le composant le plus important de tout système solaire. Il absorbe le rayonnement solaire incident, le convertit en chaleur qui sera transférée à un fluide circulant dans le collecteur (eau, air ou mélange eau/antigel). Les deux types importants de collecteurs solaires utilisés pour chauffer l’eau sont les capteurs plans (vitrés) et les capteurs à tubes sous vide (les capteurs plans non vitrés sont utilisés pour des applications à faible différences de température comme le chauffage de l’eau des piscines et ne font pas l’objet de notre travail).

Collecteurs solaires plans vitrés

Un capteur solaire plan est généralement composé d’une plaque absorbante couverte par un revêtement sélectif et placée au-dessous d’un vitrage (ou même d’un double vitrage) qui emprisonne le rayonnement solaire reçu. Le tout est placé dans un boitier isolé en arrière pour minimiser les pertes par conduction vers l’environnement.

Le vitrage a une grande transmissivité pour permettre à un maximum de rayonnement solaire de passer vers l’absorbeur. La transmissivité est généralement supérieure à 0.85. L’absorbeur est de forte absorptivité afin de convertir un maximum d’énergie en chaleur. Cet absorbeur est généralement adjoint à un substrat de grande conductivité pour maximiser le transfert de chaleur au fluide caloporteur qui s’écoule à travers les canalisations.

Zambolin et Del Col (2010) ont montré que le collecteur solaire à tubes sous vide (doté d’un réflecteur parabolique en bas des tubes) fournit plus d’énergie utile (c’est l’énergie fournie au fluide caloporteur qui circule à un débit massique connu, pour augmenter sa température à la sortie), et par la suite plus efficace qu’un capteur solaire plan dans des niveaux de température élevés (plus de pertes thermiques dans le capteur plan).

Collecteurs solaires à tubes sous vide

Un collecteur à tubes sous vide est composé de deux tubes concentriques en verre qui contiennent du vide entre eux. Un absorbeur est soudé sur la paroi externe du tube en verre interne. L’absorbeur est généralement recouvert d’une couche sélective pour améliorer la quantité d’énergie solaire absorbée. Donc, il se chauffe et transfère sa chaleur par conduction à travers une ailette (généralement en cuivre) soudée sur l’absorbeur, ou directement au fluide qui circule à l’intérieur. La couche sélective se caractérise par le fait qu’elle possède des propriétés différentes pour les faibles (rayonnement solaire) et longues (rayonnement infrarouge) longueurs d’onde (forte absorptivité pour les faibles longueurs d’onde et faible émissivité pour les longues longueurs d’onde) .

L’intérêt de ces collecteurs est que le vide réduit énormément les pertes de chaleur à l’environnement par convection, surtout lorsque les conditions météorologiques sont extrêmes.

Études faites sur les capteurs solaires à tubes sous vide

Le comportement des tubes sous vide est un sujet intéressant à étudier : leur rendement, leurs performances thermiques, et la manière pour chauffer le fluide caloporteur. En effet, le chauffage du fluide qui s’écoule à l’intérieur d’un tube sous vide se différencie d’un type à l’autre. Il y a des distinctions entre les tubes en U, les tubes sous vide à caloducs (« heat pipe »), les tubes sous vide à circulation directe ouverts d’un seul côté et les tubes sous vide ouverts des deux côtés.

Tubes en U

Ce type de collecteur est composé de deux tubes concentriques en verre qui contiennent du vide entre eux. Un absorbeur capte l’énergie solaire reçue et la transfère à une ailette en cuivre qui elle-même cède sa chaleur au tube en U et par la suite au fluide qui circule à l’intérieur.Ma et al. (2010) ont étudié analytiquement les performances thermiques d’un collecteur solaire avec des tubes sous vide à tubes en U. Ils ont montré que le rendement du collecteur, qui est le rapport de la quantité d’énergie reçue par le capteur sur celle fournie au fluide, augmente avec la radiation solaire provenant du soleil (rayonnement incident) jusqu’à devenir quasiment constant. La température du tube absorbeur croit avec l’augmentation de la température d’entrée du fluide. Ceci engendre plus de pertes thermiques vers l’environnement, donc une chute de rendement. Enfin, ils ont trouvé que la résistance thermique de l’air contenu entre le tube absorbeur et l’ailette en cuivre fait diminuer le rendement du collecteur de 10%.

Diaz (2008) a présenté une autre solution pour améliorer le rendement de ce type de collecteur. Il s’agit de remplacer le tube en U par un « mini-channel » attaché au tube absorbeur. Les résultats ont montré que le rendement s’est amélioré de 5% par rapport au modèle ordinaire. Kim et Seo (2007) ont comparé les performances thermiques de quatre modèles de tubes sous vide : tube à ailettes (modèle 1), tube en U soudé à une ailette circulaire (modèle 2), tube en U soudé à une plaque en cuivre (modèle 3) et un tube en U soudé à l’intérieur d’une conduite rectangulaire (modèle 4). Ils ont montré que lorsque seul le rayonnement direct est considéré et que l’étude s’effectue sur un seul tube, le modèle 2 est le meilleur en termes d’énergie récupérée. Par contre, en prenant en compte le rayonnement diffus, qui représente 33% de l’irradiation totale, et l’ombrage des tubes, le modèle 3 récupère une quantité d’énergie plus importante par rapport aux autres modèles.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Capteurs solaires plans et capteurs solaires à tubes sous vide
1.1.1 Collecteurs solaires plans vitrés
1.1.2 Collecteurs solaires à tubes sous vide
1.2 Études faites sur les capteurs solaires à tubes sous vide
1.2.1 Tubes en U
1.2.2 Tubes sous vide à caloduc (« heat pipe »)
1.2.3 Tubes sous vide à circulation directe (ouverts d’un seul côté)
1.2.4 Tubes sous vide ouverts des deux côtés
1.2.5 Résumé des types des tubes sous vide
1.3 Modèles CFD utilisés sur les collecteurs solaires à tubes sous vide
CHAPITRE 2 ÉQUATIONS GOUVERNANT LA CFD
2.1 Introduction à la CFD
2.2 Équations gouvernant la CFD
2.2.1 Équation de continuité
2.2.2 Équation de conservation de la quantité de mouvement
2.2.3 Équation de conservation de l’énergie
2.3 Techniques de discrétisation
2.4 Modélisation de la turbulence
2.5 Utilisation de la CFD
2.5.1 Pré-processeur
2.5.2 Solveur
2.5.3 Post-processeur
CHAPITRE 3 VALIDATION
3.1 Description du système
3.2 Modèle hydrodynamique
3.3 Modélisation Fluent
3.3.1 Conception géométrique
3.3.2 Maillage
3.3.3 Conditions aux frontières
3.4 Comparaison des résultats
3.4.1 Configuration en Z
3.4.2 Configuration en U
3.5 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 SIMULATIONS NUMÉRIQUES DE L’ÉCOULEMENT D’EAU DANS UN COLLECTEUR SOLAIRE À TUBES SOUS VIDE OUVERTS DES DEUX COTÉS
4.1 Présentation de la géométrie
4.2 Réalisation du maillage
4.3 Configuration Fluent
4.4 Résultats et discussion
4.4.1 Configuration en Z
4.4.1.1 Variation du débit massique
4.4.1.2 Variation de la longueur des tubes
4.4.1.3 Variation de l’espacement entre les tubes
4.4.1.4 Variation du rapport des diamètres
4.4.1.5 Variation de la température d’entrée de l’eau
4.4.2 Configuration en U
4.5 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 5 OPTIMISATION DE LA GÉOMÉTRIE DU COLLECTEUR
5.1 Rétrécissement linéaire des plénums
5.1.1 Rétrécissement linéaire du plénum bas seulement
5.1.2 Variation du débit massique à l’entrée
5.1.3 Autre manière pour le rétrécissement linéaire du plénum froid
5.2 Rétrécissement linéaire des deux plénums
5.3 Conclusion du chapitre
CONCLUSION