Modélisation unidimensionnelle d'un collecteur solaire aéraulique

Genevès, Christophe (2013). Modélisation unidimensionnelle d'un collecteur solaire aéraulique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les collecteurs solaires aérauliques perforés permettent de préchauffer de l’air. L’air en question est aspiré à travers une plaque perforée et chauffée par le rayonnement solaire. Lorsque la plaque perforée est semi-transparente, le mur derrière celle-ci peut être vu et elle confère ainsi un avantage esthétique par rapport aux collecteurs opaques. Ceci faciliterait l’acceptation de ce type de collecteur et par conséquent réduirait la consommation énergétique des bâtiments sur lesquels ils seraient installés.

Au meilleur de notre connaissance, cette étude présente la première description des phénomènes physiques existant dans les collecteurs solaires aérauliques perforés transparents (ci-après TTC, selon l’acronyme anglais) ainsi qu’une formulation de ceux-ci par des bilans thermiques. Aux phénomènes déjà connus par l’étude des collecteurs solaires aérauliques perforés opaques (ci-après UTC, selon l’acronyme anglais), la transmissivité de la plaque, l’absorptivité, l’émissivité et la réflectivité du mur ont été ajoutées ainsi que l’échange thermique par convection au niveau du mur. Pour la modélisation, un certain nombre de simplifications ont été faites quand à l’écoulement et aux échanges thermiques par rayonnement.

Le collecteur est subdivisé en volumes de contrôle unidimensionnels linéairement alignés et les bilans thermiques et de masse sont effectués sur chacun d’eux. La formulation des bilans est linéarisée de manière à produire un système matriciel que l’on peut résoudre par inversion et de manière itérative.

Afin de comprendre les spécificités des TTC par rapport aux UTC, la transmissivité de la plaque, l’absorptivité du mur, la vitesse de succion ainsi que le rayonnement solaire incident sont rendus variables. Les résultats montrent que ce dernier avait très peu d’incidence sur le rendement du collecteur. Il n’influence que la quantité d’énergie disponible. Les paramètres optiques influent cependant sur la capacité d’absorber cette énergie. L’absorptivité globale du collecteur est définie pour rendre compte de la capacité du collecteur à absorber le rayonnement solaire. Ainsi, plus la transmissivité de la plaque augmente, plus l’absorptivité globale du collecteur diminue. Cette diminution est d’autant plus prononcée que l’absorptivité du mur est faible en raison de ce que le rayonnement solaire réfléchi sur le mur retraverse la plaque avec la même transmissivité puisque le rayonnement solaire réfléchi ne change pas de longueur d’onde. Enfin, la vitesse de succion détermine la capacité de l’air à récupérer la chaleur captée par le mur et la plaque. Plus cette vitesse est élevée, meilleures sont les performances.

Les premiers résultats sur les paramètres optiques et la revue de ces simplifications permettent d’établir une série de recommandations et avenues de recherche qui complèteraient le modèle et valideraient ces résultats numériques.

Résumé traduit

Transpired solar collectors allow air preheating. This air is drawn through a perforated plate while this plate is heated by solar radiation. When the perforated plate is semi-transparent, the wall behind it can be seen and thus the collector has an aesthetic advantage over opaque collectors. This would facilitate this type of collector acceptance and therefore reduce building energy consumption for heating.

This study presents the first description of physical phenomena existing in the transpirent transpired collectors (TTC) and a formulation thereof by heat balances. To phenomena already known by the study of unglazed transpired collectors (UTC) were added transparency of the plate, absorptivity and reflectivity of the wall and the convective heat exchange at the wall. The collector is divided into sub-domains and the balances are performed on each of them, the output of one becomes the input of the other. The balances formulation is linearized so as to produce a matrix system that can be solved by inversion and iteratively.

To understand the specifics of TTC with respect to UTC, we vary the plate transparency, the wall absorptivity, the suction velocity and the incident solar radiation. The results showed that the later had very little impact on the collector performance. Its influence refers to the amount of energy available. Optical parameters affect the ability to absorb this energy. Consequently, the more the plate transparency increases, the more the collector total absorptivity decreases. This decrease is even more pronounced when the wall absorptivity is low. Finally, the suction velocity determines the air ability to recover the heat absorbed by the wall and the plate. The higher this speed, the better the performance.

For the modeling purpose, we conducted a number of simplifications. The first results on the optical parameters and review of these simplifications allow to establish a series of recommendations and research avenues that would complement the model and validate these numerical results.

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 en génie, concentration énergies renouvelables et efficacité énergétique." Bibliographie : pages 131-140.
Mots-clés libres:	Capteurs solaires. Aéraulique. Opacité (Optique) Émissivité. Bilan thermique (Thermique) Chaleur Convection. Chaleur Transmission. écoulement, modélisation, transmissivité, TTC, unidimensionnel, UTC, Unglazed Transpired Collecteor (UTC), Transparent Transpired Collector (TTC), collecteur solaire, rayonnement, échange thermique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Codirecteur:	Codirecteur Hallé, Stéphane
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	18 déc. 2013 16:19
Dernière modification:	10 mars 2017 01:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1245

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