Etude expérimentale du comportement dynamique thermique et fluide des flux dans les canaux ouverts : Application à la création de systèmes photovoltaïques intégrés au bâti (BIPV)

Experimental investigation of thermal and fluid dynamical behavior of flows in open-ended channels : Application to Building Integrated Photovoltaic (BiPV) Systems

• Auteur / Autrice : Estibaliz Sanvicente
• Direction : Shihe Xin, Christophe Ménézo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique
• Date : Soutenance le 03/07/2013
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Lassue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Shihe Xin, Christophe Ménézo, Stéphane Lassue, Stéphane Fohanno, Marco Fossa, Stéphanie Giroux-Julien, Victoria Timchenko, John Reizes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Fohanno, Marco Fossa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Immeubles à usages multiples

Conversion photovoltaïque

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Energétique

Transfert de chaleur

Thermique des bâtiments

Convection naturelle

Bâtiment

Photovoltaique

Photovoltaique intégrée au bâtiment

Mesures thermiques

Bipv

Heat Flow

Bipv

Building Integrated Photovoltaics

Natural convection

PIV measurements

Résumé

Face à la problématique énergétique, les solutions envisagées dans le domaine du bâtiment s’orientent sur un mix énergétique favorisant la production locale ainsi que l’autoconsommation. Concernant l’électricité, les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BiPV) représentent l’une des rares technologies capables de produire de l’électricité localement et sans émettre de gaz à effet de serre. Cependant, le niveau de température auquel fonctionnent ces composants, influence sensiblement leur efficacité ainsi que leur durée de vie. Ces deux constats mettent en lumière l’importance du refroidissement passif par convection naturelle de ces modules. La configuration privilégiée est une configuration d’intégration au sein d’une enveloppe ventilée qualifiée de double-peau photovoltaïque. La présente étude expérimentale porte sur les transferts de chaleur et les caractéristiques de l’écoulement en convection naturelle dans des canaux chauffés verticaux ou inclinés. Deux bancs d’essais existants ont été complétés afin d’obtenir des données. Ils sont composés de deux plaques planes parallèles séparées par une lame d’air. Les parois sont soumises à des conditions aux limites de type densité de flux imposée. Les températures moyennes à la paroi ont été mesurées par thermocouples. Un système de vélocimétrie par image de particules a permis d’obtenir des profils de vitesse moyenne ainsi que les distributions d’intensité turbulente dans l’écoulement. Les champs de vitesse instantanée ont également été examinés. Trois configurations ont été étudiées avec un nombre de Rayleigh variant entre 3,86 x 105 et 6,22 x 106. La première est un canal vertical avec une des deux parois chauffée uniformément. La seconde est un canal vertical dans lequel les deux parois sont chauffées de façon non-uniforme et alternée. La troisième est de type canal incliné chauffé uniformément sur la paroi supérieure. Le rapport de forme du canal (largeur/hauteur) est de 1/15 pour le deux premières configurations et de 1/16 pour la troisième. Une attention particulière a été portée sur l’identification de la zone de transition laminaire-turbulent. L’étude a permis de mettre en évidence la sensibilité de l’écoulement aux perturbations extérieures. Pour un chauffage uniforme et asymétrique, à partir d’un nombre de Rayleigh Ra* de 3.5 x 106 et pour θ = 60° et 90°, il a été constaté que la propagation de structures cohérentes dans le canal a lieu à partir de la mi-hauteur de ce canal. Ces instabilités favorisent alors les transferts thermiques. Dans le cas d’un chauffage non-uniforme sur les deux parois du canal, l’écoulement est fortement perturbé ce qui conduit à l’augmentation du brassage et de la contrainte de Reynolds sur la majorité de la largeur du canal. Enfin, pour chacune des configurations, des corrélations permettant de quantifier les transferts de chaleur à la paroi et au sein de la lame d’air (nombre de Nusselt moyen en fonction du nombre de Rayleigh) ont été établies.

Among technologies capable to produce electricity locally without contributing to GHG releases, building integrated PV systems (BIPV) could be major contributor. However, when exposed to intense solar radiation, the temperature of PV modules increase significantly, leading to a reduction in efficiency so that only about 14% of the incident radiation is converted into electrical energy. The high temperature also decrease the life of the modules, thereby making passive cooling of the PV components through natural convection a desirable and cost-effective means of overcoming both difficulties. An experimental investigation of heat transfer and fluid flow characteristics of natural convection of air in vertical and inclined open-ended heated channels is therefore undertaken so as provide reliable information for the design of BIPV. Two experimental set ups were developed and used during the present investigations; one located at the CETHIL laboratory in Lyon, the F-device and the other located at the University of New South Wales in Sydney, the R-device. Both channels consisted of two wide parallel plates each of which could be subjected to controlled uniform or non-uniform heat fluxes. The investigation has been conducted by analyzing the mean wall temperatures, measured by thermocouples and mean velocity profiles and turbulent quantity distributions of the flow, measured with a PIV system. Flow patterns close to the heated faces were also investigated. The study is particularly focused on the transition region from laminar to turbulent flow. Three different heating geometric arrangements are examined in the modified Rayleigh number range from 3.86 x 105 to 6.22 x 106. The first is a vertical channel with one wall uniformly heated while the other was unheated, the second was a vertical channel in which both walls were non-uniformly heated and the third is an inclined channel uniformly heated from above. In the vertical configurations the width-to-height channel aspect ratio was fixed at 1:15 and in the inclined ones at 1:16. It is shown that the flow is very sensitivity to disturbances emanating from the ambient conditions. Moreover, the propagation of vortical structures and unsteadiness in the flow channel which are necessary to enhance heat transfer, occurred downstream of the mid-channel section at Ra* = 3.5 x 106 for uniformly and asymmetrically heated channels inclined between 60° and 90° to the horizontal. Indeed, these unsteady flow phenomena appears upstream the location of the inflexion point observed in the temperature excess distribution of the heated wall. In the case of non-uniform heating on both sides of the channel, a stronger ‘disruption mechanism’ exists, which leads to enhanced mixing and increased Reynolds stresses over most of the width of the channel. Empirical correlations of average Nusselt number as a function of modified Rayleigh number were obtained for each configuration.