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Modélisation, conception et simulation des performances d'un collecteur solaire aéraulique à tubes sous vide en milieu nordique

Paradis, Pierre-Luc (2014). Modélisation, conception et simulation des performances d'un collecteur solaire aéraulique à tubes sous vide en milieu nordique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La consommation d’énergie mondiale ne cesse de croître d’année en année. Elle repose principalement sur l’utilisation des combustibles fossiles ce qui entraîne diverses problématiques notamment au niveau environnemental et socio-économique. Au Canada, c’est 80% de l’énergie du secteur résidentiel qui est utilisée sous forme de chaleur que ce soit pour le chauffage des maisons ou de l’eau domestique. Cette chaleur pourrait être adéquatement fournie par des collecteurs solaires thermiques qui convertissent le rayonnement solaire en chaleur. Malgré les nombreux collecteurs solaires disponibles sur le marché, différents défis restent à relever en lien avec les rigueurs du climat canadien.

L’objectif principal de ce projet vise à développer un collecteur solaire à tubes sous vide chauffant de l’air adapté aux conditions climatiques nordiques du Canada. De façon générale, les besoins et les spécifications auxquels le prototype doit répondre ont été établis. Par la suite, trois concepts de collecteur ont été développés. Le premier utilise les tubes sous vide standard en forme d’éprouvette. Le second se base sur une nouvelle technologie de tubes sous vide ouvert aux deux extrémités. Finalement, le dernier utilise la technologie des tubes caloducs. Sur la base de critères définis par les besoins et spécifications, les concepts ont été évalués et c’est le collecteur à tubes sous vide ouvert aux deux extrémités qui a été retenu.

Un modèle permettant de prédire les performances du collecteur était alors nécessaire afin de fixer différents paramètres de conception. Un modèle de l’échange thermique dans un tube sous vide a alors été développé en 4 temps. Un premier modèle développé pour le régime permanent permet de prédire la température de stagnation du tube pour un rayonnement solaire, une température extérieure et une vitesse de vent donné. Le modèle a ensuite été généralisé au cas transitoire afin de le valider pour des conditions réelles d’utilisation. Un banc d’essai et des essais expérimentaux ont permis de comparer les températures de stagnation mesurées et simulées. Une erreur quadratique moyenne au niveau de la température de stagnation de 2 % a alors été constatée. Par la suite, un modèle en régime permanent permettant de prédire la température de sortie du fluide caloporteur circulant dans le tube a été proposé. La généralisation au cas transitoire a encore une fois permis d’effectuer une validation expérimentale du modèle. Une erreur moyenne quadratique sur la température de sortie du débit d’air de 0,2 % a alors été constatée.

De plus, un prototype préindustriel de collecteur solaire à tubes sous vide utilisant l’air comme fluide caloporteur et opérant en boucle ouverte est proposé en conclusion de ce mémoire. Des problèmes de robustesse des tubes sous vide ouverts aux deux extrémités qui ne résistent pas à la surchauffe ont toutefois empêché la réalisation physique d’un prototype. Finalement, différentes pistes de travaux futurs ont été proposées telles que l’étude de l’écoulement à l’intérieur du collecteur par étude numérique CFD et l’analyse par plan d’expérience de différents paramètres inclus dans le modèle développé à l’intérieur de ce projet.

Titre traduit

Modeling, design and simulation of the performances of a solar air collector using vaccum tubes for cold climate

Résumé traduit

The global energy consumption is still increasing year after year even if different initiatives are set up to decrease fossil fuel dependency. In Canada 80% of the energy is used for space heating and domestic hot water heating in residential sector. This heat could be provided by solar thermal technologies despite few difficulties originating from the cold climate.

The aim of this project is to design a solar evacuated tube thermal collector using air as the working fluid. Firstly, needs and specifications of the product are established in a clear way. Then, three concepts of collector are presented. The first one relies on the standard evacuated tube. The second one uses a new technology of tubes; both sides are open. The third one uses heat pipe to extract the heat from the tubes. Based on the needs and specification as criteria, the concept involving tubes with both sides open has been selected as the best idea. In order to simulate the performances of the collector, a model of the heat exchanges in an evacuated tube was developed in 4 steps. The first step is a model in steady state intended to calculate the stagnation temperature of the tube for a fixed solar radiation, outside temperature and wind speed. As a second step, the model is generalised to transient condition in order to validate it with an experimental setup. A root mean square error of 2% is then calculated. The two remainder steps are intended to calculate the temperature of airflow leaving the tube. In the same way, a first model in steady state is developed and then generalised to the transient mode. Then, the validation with an experimental setup gave a difference of 0.2% for the root mean square error.

Finally, a preindustrial prototype intended to work in open loop for preheating of fresh air is presented. During the project, explosion of the both sides open evacuated tube in overheating condition blocked the construction of a real prototype for the test. Different path for further work are also identified. One of these is in relation with CFD simulation of the uniformity of the airflow inside of the collector. Another one is the analysis of the design with a design of experiment plan.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 137-141.
Mots-clés libres: Capteurs solaires Modèles mathématiques. Capteurs solaires Conception et construction. Aéraulique. Tubes à vide. Chauffage solaire Régions froides. collecteur solaire thermique, tube sous vide, air, conception, transfert de chaleur
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Rousse, Daniel R.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Hallé, Stéphane
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 30 oct. 2014 15:45
Dernière modification: 30 oct. 2014 15:45
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1369

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