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

Abstract

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’acide 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 inclinée de 45° par rapporte à l’horizon. Le fluide caloporteur considéré est de l’air sec (Pr = 0.71) et ses propriétés physiques, à part sa densité, sont supposées constante 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 régie 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 φ. 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.