Étude d`un système solaire thermique : Effet de l`orientation des

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Étude d’un système solaire thermique :
Effet de l’orientation des panneaux solaires
Saoussen Khalfallaoui, Dominique Seguin,
Moulay Ahmed Abdelghani-Idrissi
LSPC
Université de Rouen – IUT–
8 Rue Lavoisier – 76821 Mont Saint Aignan Cedex
[e-mail] ;
[e-mail] ; Ahmed.Abdelghan[email protected] ;
Sections de rattachement : 62
Secteur : secondaire
RÉSUMÉ
Le travail présenté dans cet article est l’étude d’un système solaire thermique. Ce système
correspond à une installation de production d’eau chaude sanitaire à partir de l‘énergie
solaire. Cette étude est consacrée d’une part à la modélisation du système solaire et d’autre
part à la réalisation d’une motorisation de l’installation. L‘objectif est l‘optimisation de
cette installation solaire thermique en régime instationnaire. La modélisation de ce système
a été réalisée en prenant en compte une approche globale pour effectuer un bilan
énergétique de chaque élément du système solaire thermique. Celle ci permet de quantifier
la dynamique de chaque élément de l’installation. La résolution de ce modèle a été fait sous
un environnement Matlab® en utilisant l’outil Simulink®. Ce modèle est validé par
comparaison des résultats de simulation aux résultats expérimentaux sur le dispositif
expérimental pour différentes configurations de l’orientation des panneaux solaires.
MOTS-CLÉS : Énergie – Modélisation - Capteur solaire.
1. Introduction
L’énergie solaire est une source d’énergie propre et abondante qui peut
nous aider à combler une bonne partie de nos besoins en énergie. Une bonne
partie de cette énergie solaire peut être donc utilisée pour produire de la chaleur.
Dans ce cas, on parle de système solaire thermique. La production d’eau chaude
sanitaire est parmi les applications de l’utilisation de cette énergie renouvelable.
De nombreuses recherches ont été effectuées ces dernières années afin

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d’améliorer les performances énergétiques des installations solaires (Buzas et al,
1998) ;(Knudsen et al, 2004) ; (Mokhtari et al, 2006) ; (Essen et al 2004) ;
(Mohsen et al, 2002). Les travaux présentés dans cet article correspondent
également à cette démarche. L’amélioration des performances énergétiques d’un
tel système passe tout d’abord par la connaissance de son comportement
dynamique (Kenjo et al, 2002). Cette première phase est nécessaire avant
d’appliquer les outils d’optimisation. La modélisation est basée sur le calcul des
bilans thermiques au niveau des éléments du système. L’approche systémique a
été utilisée pour décrire le comportement dynamique du fonctionnement de
chaque élément de l’installation (Nafey, 2005). Cette approche permet
l’utilisation de l’outil de simulation Simulink® sous un environnement Matlab®.
La validation du modèle a été faite par une confrontation de nos résultats de
simulations avec les résultats expérimentaux obtenus sur le dispositif
expérimental.
La deuxième étape de notre étude est consacrée à la réalisation d’une
motorisation pour les panneaux solaire afin d’obtenir une transformation
d’énergie optimale.
2. Description et Modélisation
2.1. Description
Le système étudié est représenté par la figure 1 indiquée ci-dessous :
Cette configuration correspond à une installation de production d'eau chaude
sanitaire à partir de l'énergie solaire. Cette installation est constituée d’un capteur
solaire plan à circulation de liquide. Ce capteur effectue la conversion de l’énergie
du rayonnement électromagnétique émis par le soleil en énergie calorifique. Cette
dernière est récupérée par un fluide caloporteur traversant le capteur à l’aide d’une
pompe de circulation commandée par une régulation de température. Le rôle de
cette pompe est de permettre un transfert plus rapide de chaleur captée par
l'absorbeur vers le réservoir de stockage.

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Figure 1. Représentation du schéma de principe de l’installation
2.2. Modélisation
Le bilan énergétique permettra de décliner un modèle mathematique
décrivant le comportement dynamique du système solaire. Ensuite, ce modèle sera
traduit par une approche fonctionnelle avec imbrication des différents sous
ensembles afin d’évaluer les régimes transitoires des différents grandeurs internes
du système selon les variations des paramètres d’entrée et de sortie physique
(Buzas J. et al, 1998). L’approche fonctionnelle permet d’évaluer les différentes
grandeurs en utilisant l’outil Simulink® sous l’environnement Matlab®.
2.2.1. Circuit primaire
Bilan au niveau du capteur solaire
Le bilan énergétique est effectué au niveau du capteur solaire sur le caloporteur :
( )
(
)
)()()()()( )( 0 1tTtTSUtStTtTCmt
dt
dT
CV scp extclcscpecp
c
p
c
scp
c
pcc −+Φ+−=
⋅
ηρ
[1]
Le bilan énergétique sur le caloporteur au niveau ballon aboutit à l’équation
suivante :
( ) ( )
)()( )()( )( 2tTtTShtTtTCmt
dt
dT
CV ecpbbbecpscp
c
p
c
ecp
c
pcc −+−
⋅
= ρ [2]
Tscp
Pyranomè
tre
Carte
d’acquisition
Data
T
e
,
cb
T
ecp
T
b
Q
Tscb

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2.2.2. Circuit secondaire
Le bilan énergétique est effectué au niveau de l’eau sanitaire présente
instantanément dans le ballon :
( ) ( )
)t(T)t(TKS)TT(Sh)t(T)t(T.Cm)t(
dt
dT
CV blocblocbscpbbbf
w
pb
b
w
pbw −+−+−
⋅
= ρ
[3]
3. Installation experimental
La figure 2 suivante montre les différents éléments du système solaire
thermique installé au laboratoire. Cette installation est constituée de deux
panneaux solaires plan à circulation de liquide. Les panneaux solaires ont une
surface totale de l’ordre de 4,4 m2. Le liquide caloporteur est constitué d’eau avec
adjonction de glycol, qui tourne en circuit fermé entre le capteur et l’échangeur qui
se trouve dans le ballon de stockage. La pompe de circulation commandée par une
régulation de température permet de maintenir un débit massique selon la
température souhaitée. Le liquide caloporteur traverse le capteur pour récupérer de
l’énergie du rayonnement électromagnétique émis par le soleil transformée en
énergie calorifique. Le rôle de cette pompe est de permettre également un transfert
de chaleur captée par l’absorbeur vers le réservoir de stockage à travers un
échangeur sous la forme d’un serpentin. La surface d’échange est de l’ordre de 0,8
m2.
(A)
(B) (C)
(D)
Figure 2.
Installation expérimentale
(A) Panneaux solaire installés - (B) Système de stockage - (C)
Système de contrôle – (D) Pyranomètre

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Un Pyranomètre a été également installé pour la mesure du flux solaire.
Celui-ci est placé dans le même plan que les capteurs vis à vis du rayonnement
solaire. Les mesures et le contrôle se font à l’aide d’une carte d’acquisition reliée à
un système informatique.
La partie mécanique de la motorisation du système solaire thermique a été
installée. La partie commande de cette motorisation est en cours de finalisation.
4. Résultats et interprétations
Les différentes simulations sont obtenues avec les paramètres qui
correspondent aux dimensions de l’installation et aux points de fonctionnement.
Les résultats de la simulation sont ensuite comparés aux résultats expérimentaux.
4.1. Cas des panneaux solaire orientés vers l’ouest
Les panneaux sont orientées manuellement vers l’ouest (coté cocher de soleil)
avec un angle d’inclinaison des panneaux égale à 45°. La figure 3 montre la
variation journalière du flux solaire mesuré par le Pyranomètre placé à coté des
panneaux solaires. Cette journée, a été marquée par le passage de quelques nuages
perturbant au long de tout la journée. Pour comparer le comportement dynamique
à des situations réelles, le flux solaire réel mesuré est pris en compte dans la
simulation. La figure 4 montre l’évolution journalière de la température du ballon
de stockage. Le débit du caloporteur est de l’ordre de 3 l.min-1.
flux solaire
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 2 4 6 8 10 12 14
t(h)
φ(w/m
2
)
température du ballon de stockage
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10 12 14
t(h)
T
b
(°C)
Théorique
Expérimentale
Figure 3. Variation journalière du flux
Solaire Figure 4. Évolution de la température du système de stockage