M E A SLIMANI - Manifestations Univ Ouargla

1er Colloque International sur les hydrocarbures, les Energies et l’Environnement HCEE 2014
Université des Sciences et de la Technologie Houari BOUMEDIENE «U. S. T. H. B »
Laboratoire de Mécanique des Fluides Théorique et Appliquée « LMFTA »
Étude caractéristique d’un capteur hybride de type
photovoltaïque-thermique.
M. E-A. SLIMANI, M. AMIRAT, S. BAHRIA
Introduction
Un capteur hybride PV/T est un système combiné, associant le solaire photovoltaïque et le solaire thermique dans un seul cadre. Il permet
de réaliser une production simultanée d’électricité et de chaleur; une cogénération d’énergie qui permet d’améliorer le rendement global du système.
Une étude spécifique a été consacrée à un tel système pour en réaliser une modélisation. Dans le cadre de cette étude un programme de simulation a été élaboré et
validé à travers des résultats expérimentaux relevés de diverses études.
La présente communication est consacrée à l’exposé de l’étude réalisée dans le but d’examiner les performances et les caractéristiques énergétiques électriques et
thermiques d’un capteur hybride PV/T.
Modélisation du problème
Fig. 1. Représentation schématique d’un capteur hybride à air
Description du système
Le capteur hybride retenu dans le cadre de cette étude est basé sur l’utilisation d’un module photovoltaïque
monocristallin de type UDTS50. Il est composé essentiellement d’un module PV constitué de cellules
photovoltaïques surmontées d’une couche protectrice en verre et immergées dans une couche de polymère EVA
(Ethyléne-Vynil-Acétate), d’une couche protectrice en Tedlar en dessous des cellules PV, d’une conduite ou
lame d’air pour permettre au fluide caloporteur de véhiculer l’énergie thermique produite et d’un isolant pour
éviter les pertes thermiques latérales et arrière du capteur solaire hybride.
Rendement énergétique global
Equations gouvernantes
Les transferts thermiques dans le capteur solaire sont régis par le système d’équations suivant :
Le capteur PV/T étant un système hybride, deux rendements
énergétiques sont pris en compte:
Le rendement électrique
Le rendement thermique
Le rendement globale
Données climatiques
Résultats
Données clématiques
900
800
24
500
400
22
300
200
20
60
Ta
55
Tv
12
TC
50
Tt
45
Tfs
40
Ti
35
30
10
6:00
7:00
8:00
9:00
10
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
18
20
20:00
Temps (h)
Fig. 2: Evolution de l’éclairement et de la température ambiante
au cours du temps.
15
5:00
2
4.0
55
Températue (°C)
4,5
60
2,5
2.0
1,5
6:00
7:00
8:00
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00
Temps (h)
Tcellules
50
45
40
35
30
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00
Temps (h)
Fig. 3: Evolution de la vitesse du vent au cours du temps.
Données météorologiques d’Alger pour la journée de
12 juin 2013 (données expérimentales de la station
météorologique du CDER-Bouzerriah).
Discussion
20
15
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00
Temps (h)
Fig. 5: Evolution des températures des cellules PV et de l’air en
sortie du capteur hybride au cours du temps.
La figure 4 donne une évolution comparée entre les différentes
températures évaluées. Elle montre une conformité et une logique dans la distribution des
températures des éléments du capteur hybride. En effet, les températures de cellules et de
tedlar sont les plus élevées dans le capteur hybride et atteignent leur maximum 59 °C vers
11h, tandis que la température de l’air en sortie du capteur atteint son maximum à une valeur
de 32 °C (fig. 5) pour une vitesse d’air de 1 m/s, cette température dépend de plusieurs
paramètres tels que la vitesse du fluide caloporteur et l’épaisseur de la lame d’air. Les
évolutions au cours du temps des rendements électrique et thermique calculés montrent que
le rendement électrique se stabilise à environ 10,2 %, tandis que le rendement thermique
varie rapidement avec un maximum d’environ 13,7 % situé vers midi. Il s’annule aux
extrémités du jour. Le rendement énergétique global du système varie selon la relation
mentionnée ci-dessus. Il atteint des valeurs très importantes avec les vitesse les plus élevés
(70 % pour une vitesse de 5 m/s, fig. 7).
Conclusion
7:00 8:00
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00
Temps (h)
Fig. 6: Evolution de rendement thermique et de rendement
électrique du capteur hybride au cours du temps .
Tair
25
1.0
5:00
0
5:00 6:00
Fig. 4: Evolution des températures des composants du capteur
hybride au cours du temps.
65
3.0
6
25
5.0
3,5
8
4
Rendement (%)
0
5
5:00
Elec
Ther
14
20
100
Vitesse (m/s)
Température (°C)
Eclairement (W/m²)
600
Temperature (°C)
26
700
16
65
28
Rendement (%)
1000
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
5:00
0,1 m/s
01 m/s
05 m/s
6:00
7:00
8:00
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00
Temps (h)
Fig. 7: Evolution de rendement globale du capteur hybride au
cours du temps, pour différentes valeurs de vitesse d’air.
Dans le cadre de cette communication nous avons exposé une
étude de modélisation d’un capteur hybride PV/T. Le modèle numérique développé à
partir de cette étude permet d’accéder à l’évaluation des différentes performances
électriques et thermiques du dispositif étudié (distributions de températures,
puissances et rendements électrique et thermique, effet de variation de vitesse de l’air,
etc.). Les résultats obtenus après exploitation du modèle réalisé et présentés dans cette
étude révèlent également l’importance de l’effet de certains paramètres et des
conditions de fonctionnement adoptées (température de ciel, température d'entrée du
fluide, températures des cellules PV, débit d’air, flux de rayonnement solaire incident)
sur les performances des capteurs hybrides. Le rendement globale de ce type de
capteur peut atteindre plus de 70% ce qui montre son efficacité élevée et sa valeur
importante comme un véritable système de cogénération.