Modélisation des transferts thermiques couplés dans un capteur solaire thermique avec cellules anti-pertes

par Samir Amraqui

Thèse de doctorat en Physique. Mécanique et Energétique. Transfert thermique

Sous la direction de Chérifa Abid-David.


  • Résumé

    Suite au constat des importants changements climatiques au niveau mondial, des actions sont menées en vue du développement des énergies renouvelables et en particulier de l’énergie solaire. Divers solutions technologiques ont été par là, introduites telles que les capteurs solaires thermiques munis de cellules anti-pertes dont le principe est de permettre l’amélioration du ratio « production de chaleur / investissement » par récupération de l’énergie thermique qu’ils dissipent à l’aide d’un fluide caloporteur. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce travail de thèse qui s’appuie sur la modélisation numérique de la convection naturelle couplée au rayonnement thermique dans un capteur solaire équipé de partitions attachées à son vitrage. Trois cas des positions du capteur solaire ont été étudiés à savoir le cas où (a) le capteur est placé dans un champ de pesanteur dont la direction est perpendiculaire au gradient de température, (b) le capteur est placé perpendiculairement au champ de pesanteur, et (c) le capteur solaire est incliné de 45° par rapport à l’horizontal. Le fluide caloporteur considéré est de l’air sec (Pr = 0. 71) et ses propriétés physiques, à part sa densité, sont supposées constantes à la température moyenne T0. En plus, l'écoulement est considéré incompressible, laminaire, bidimensionnel et les surfaces radiatives sont supposées grises et isotropes en émission / réflexion. La méthodologie numérique utilisée pour la résolution des équations différentielles gouvernant le transfert de chaleur et l’écoulement dans les systèmes étudiés est de type volumes finis. Le couplage pression - vitesse est traité par l'algorithme SIMPLER et les systèmes algébriques obtenus sont résolus par la méthode des gradients conjugués. Au cours de cette thèse, l’écoulement convectif est régi par différents paramètres de contrôle, à savoir le nombre de Rayleigh Ra, longueur de partition LP, épaisseur de la partition tP, nombre de partitions NP, le rapport de forme du capteur solaire A et l’angle d’inclinaison par rapport à l’horizontal j. Concernant la validation du code de calcul, l’accord obtenu entre nos résultats et ceux disponibles dans la littérature s’est avéré excellent. L’influence des paramètres physiques et géométriques est examinée. Les résultats sont présentés en termes d’isothermes, de lignes de courant, de nombre de Nusselt moyen et de flux de chaleur adimensionnel convectif et radiatif.

  • Titre traduit

    Modellmodelling of coupled heat transfer in a thermal solar collector equipped with honeycomb cells


  • Résumé

    Following the report of the important climate changes worldwide, many actions are carried out for renewable energies development and in particular of solar energy. Various technological solutions have thus been introduced such as the solar collector equipped with cells decreasing losses whose principle is to allow the improvement of the ratio « production of heat / investment » by recuperation of the thermal energy that they dissipate using coolant. It is in this context that this thesis is carried out. This framework is based on the numerical simulation of the natural convection combined to the radiation heat transfer in a solar collector equipped with partitions attached to its glazing. Three different solar collector configurations were considered: case (A) the solar collector is placed in a gravity acceleration whose direction is perpendicular to the temperature gradient, (b) the solar collector is placed perpendicular to the gravity acceleration and (c) the solar collector is tilted of 45° from horizontal. The considered coolant is the dry air (Pr = 0. 71) and its physical properties are supposed constant at the average temperature T0, except its density. Moreover, it is assumed to be incompressible, laminar, two dimensional and radiative surfaces are supposed to be gray and isotropic in emission / reflection. The numerical methodology used for the resolution of the differential equations controlling the heat transfer and the flow in the studied systems is using the finite volume method. The coupling pressure - velocity problem is treated by the SIMPLER algorithm and the algebraic systems obtained are solved by a conjugate gradient method. In this thesis, the convective flow is governed by various control parameters, namely the Rayleigh number Ra, partition length LP, partition thickness tP, partitions number NP, aspect ratio A and the inclination angle compared to horizontal j. Concerning the computer code validation, the agreement obtained between our results and those available in the literature proved to be excellent. The effect of the physical and geometrical parameters is examined. The results are presented in terms of isotherms, streamlines, average Nusselt number and dimensionless convective and radiative heat flow.

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  • Détails : 1 vol. (148 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.134-148

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