Étude thermofluide de l'amélioration du rendement des collecteurs photovoltaïques par techniques de refroidissement passives

Mangenot, Laetitia (2025). Étude thermofluide de l'amélioration du rendement des collecteurs photovoltaïques par techniques de refroidissement passives. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire propose d’analyser la capacité d’un système d’ailettes de refroidissement passif à améliorer l’efficacité d’un collecteur photovoltaïque (PV) selon les conditions météorologiques sous lesquelles il opère. Dans un premier temps, une revue de littérature détaille l’intérêt de prendre en compte les conditions météorologiques, présente les systèmes de refroidissement utilisés dans le monde, caractérise les échanges thermiques et énergétiques à la surface des collecteurs PV et analyse les corrélations préexistantes décrivant les variations du coefficient de transfert thermique convectif en fonction de divers paramètres. Dans un deuxième temps, une nouvelle corrélation liant le coefficient de transfert thermique convectif à la vitesse du vent, la longueur sur laquelle il s’écoule et l’indice de turbulence est proposée après analyse des corrélations existantes. Le troisième chapitre conçoit un système de refroidissement à base d’ailettes, à partir d’une étude de résistance mécanique, d’une étude thermofluide caractérisant la taille de la couche limite sur les ailettes, et d’un bilan thermique. Pour finir, le dernier chapitre analyse les performances d’un tel système de refroidissement, en les comparant aux besoins et aux potentiels des sites géographiques étudiés.

Ce mémoire propose une nouvelle corrélation, adaptée à la détermination du coefficient de transfert thermique convectif des collecteurs PV, plus précise que la méthode « classique » utilisant le nombre de Nusselt et plus facilement applicable à différentes conditions expérimentales que les corrélations linéaires. Par la suite, ce mémoire conçoit un système de refroidissement passif, constitué de 24 rangées de 3 ailettes en aluminium mesurant chacune 30 cm de longueur, 4 cm de hauteur et 2,3 mm d’épaisseur, permettant de multiplier le transfert convectif de la face arrière par 2,5 au minimum, quelles que soient les conditions de vent. Finalement, l’étude se porte sur le refroidissement des collecteurs PV selon les conditions météorologiques dans le monde. La conclusion est que les pays chauds ont, à la fois, de plus grands besoins et de plus grands potentiels en refroidissement que les pays froids. Le système de refroidissement permet aussi de meilleurs gains énergétiques dans les pays chauds. Cependant, l’intérêt économique du système de refroidissement n’est pas garanti dans toutes les conditions. En effet, il est recommandé dans ce mémoire de ne l’utiliser que dans des situations où le vent s’écoule lentement (moins de 0,5 m/s en moyenne sur une année), par exemple lorsque le collecteur est placé au sol dans un environnement vallonné ou avec de nombreux coupe-vent.

Titre traduit

Thermofluid study of the efficiency improvement of photovoltaic collectors using passive cooling techniques

Résumé traduit

This thesis examines the effectiveness of a passive cooling fin system in enhancing the efficiency of a photovoltaic (PV) collector under varying meteorological conditions. First, a literature review highlights the importance of accounting for meteorological factors, presents the cooling systems used worldwide, characterizes thermal and energy exchanges at the surface of PV collectors, and analyzes existing correlations that describe variations in the convective heat transfer coefficient based on different parameters. Next, a new correlation is proposed, linking the convective heat transfer coefficient to wind speed, the length over which it flows, and the turbulence index, following a detailed analysis of existing correlations. The third chapter focuses on designing a fin-based cooling system, incorporating a mechanical resistance study, a thermofluid analysis of the boundary layer on the fins, and a thermal balance assessment. Finally, the last chapter evaluates the performance of this cooling system by comparing it to the needs and potential of the studied geographical locations.

This thesis introduces a new correlation for determining the convective heat transfer coefficient of PV collectors, offering greater accuracy than the conventional method based on the Nusselt number and improved applicability across diverse experimental conditions compared to linear correlations. It then presents the design of a passive cooling system consisting of 24 rows of three aluminum fins, each measuring 30 cm in length, 4 cm in height, and 2.3 mm in thickness. This system enhances convective heat transfer from the rear surface by a factor of at least 2.5, regardless of wind conditions.
Lastly, the study explores PV collector cooling in different climatic regions worldwide. The findings indicate that hot countries not only have greater cooling demands but also higher cooling potential than colder regions. The cooling system also delivers more significant energy savings in warmer climates. However, its economic viability is not guaranteed in all scenarios. Therefore, this thesis recommends implementing the system primarily in environments where wind speeds are low, such as when the collector is installed on the ground in hilly areas or locations with multiple windbreaks.

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 maitrise avec mémoire en génie, énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 199-208).
Mots-clés libres:	coefficient de transfert thermique convectif, refroidissement, collecteur photovoltaïque, efficacité, conditions météorologiques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	30 juin 2025 15:54
Dernière modification:	30 juin 2025 15:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3658

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