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12èmes Journées Internationales de Thermique
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ETUDE D’UN CONCEPT DE CAPTEUR SOLAIRE HYBRIDE
PHOTOVOLTAIQUE/THERMIQUE SUR SUPPORT METALLIQUE
Ya Brigitte ASSOA 1 , Christophe MENEZO 1 , René YEZOU 1 , Jean BRAU 1 , Gilles FRAISSE 2
1 CETHIL, UMR 5008/UCB Lyon 1/INSA de Diverses Lyon, 69100, études Villeurbanne, théoriques France et expérimentales ont été
brigitte.assoa@insa-lyon.fr effectuées sur les capteurs PV hybrides à air et les
2 LOCIE Université de Savoie capteurs – Le Bourget solaires du à Lac, air. France
INTRODUCTION
Ce travail fait l’objet d’un projet de recherche soutenu
par l’Ademe et réalisé en collaboration avec Arcelor,
Total Energie, le CSTB et Sunland 21.
Il s’inscrit dans le contexte énergétique énoncé par le
Plan Climat 2004 français. Ce plan vise, à l’horizon 2050,
une division par quatre des émissions de gaz à effet de
serre pour le secteur du bâtiment. Pour atteindre de tels
objectifs, une rupture technologique doit être réalisée tant
sur l’habitat existant (division par quatre des
consommations) que sur les bâtiments neufs (concept de
bâtiments produisant autant d’énergie qu’ils n’en
consomment). Le travail présenté porte sur l’élaboration
d’un concept de composant d’enveloppe de bâtiment
multifonctionnel. Outre les fonctions classiques de
protection vis-à-vis des conditions extérieures, plusieurs
fonctions de production d’énergie peuvent lui être
associées : production d’électricité, préchauffage d’air,
chauffage d’eau.
Ce composant modulaire entre par conséquent dans la
catégorie des capteurs solaires hybrides
photovoltaïques/thermiques qui font actuellement l’objet
de nombreuses études.
L’avantage de ce type de système est double car il
permet de maintenir le rendement électrique des cellules
photosensibles au niveau qu’elles auraient sans être
intégrées au bâti (naturellement refroidies par convection
naturelle sur leurs deux faces) et de récupérer une partie,
habituellement perdue, de la puissance radiative incidente
sur la surface de captation.
Dans l’article, nous présentons tout d’abord le
composant de base composé d’une structure métallique
intégrant des modules photovoltaïques (PV) et ventilé en
face arrière. Seule la composante solaire thermique est
modélisée dans un premier temps. Les résultats de ce
modèle sont comparés à une étude expérimentale en
conditions contrôlées, réalisé au RDCS (Arcelor) par
Sunland21. Une étude paramétrique permettra d’évaluer
l’influence de la ventilation et d’autres facteurs sur les
performances thermiques du système.
Enfin en perspective de ce travail, est présentée le
démonstrateur in situ où est intégré le composants de base
pour monitoring. L’évolution ultérieure du produit
(production d’eau chaude sanitaire), en cours de
conception est ensuite brièvement décrite.
La plupart des modèles thermiques proposés sont
basés sur une approche nodale.
En 2003, Li Mei [2], dans l’étude d’un capteur PV à
air ventilé, détermine le nombre de Nusselt correspondant
au coefficient de transfert en convection forcée en tenant
compte de la combinaison de l’écoulement laminaire et de
l’écoulement turbulent du fluide. Guiavarch Alain [3]
propose une modélisation de différentes configurations
d’intégration de capteurs hybrides PV à air.
En 1999, J.C. Hollick [4] présente l’étude
expérimentale d’un capteur solaire PV à air composé
d’une tôle métallique nervurée et perforée à laquelle est
intégré un panneau solaire.
Belusko [5], en 2004 modélise un capteur à air à
plaque métallique ondulée employé pour le séchage des
récoltes, en l’assimilant à un capteur sans vitrage.
H.D. Ammari [6], en 2003 a quant à lui analysé un
capteur à air comportant des lamelles métalliques. Ces
lamelles représentées par un nœud de température
moyenne, sont modélisées comme des ailettes. La lame
d’air ventilée est schématisée par un nœud unique.
ANALYSE DU COMPOSANT DE BASE
Le capteur à air étudié est schématisé en figure 1 en
phase d’intégration.
Il se compose d’une tôle d’acier nervurée sur laquelle
sont collées des cellules photovoltaïques par
l’intermédiaire d’une couche adhésive de Tedlar et à
l’arrière de laquelle se trouve une lame d’air. Une couche
d’isolant en polystyrène permet de séparer le capteur de
l’intérieur du bâtiment.
La mise au point du prototype a été réalisée en
complémentarité du développement d’un modèle
numérique. Ces développements ont d’abord consistés à
développer un modèle simplifié du capteur photovoltaïque
à air non ventilé confronté ensuite, de manière
satisfaisante, aux essais. Dans un second temps, la
ventilation de la lame d’air a été considérée.
Les modèles basés sur une approche par analogie
électrique selon un certain nombre d’hypothèses :
- La partie oblique de la nervure est considérée comme
une ailette baignant dans deux fluides différents à
températures constantes.
- Le rayonnement direct G (en W/m²) est supposé
ETAT DE L’ART
perpendiculaire à la surface du capteur.
- Le modèle réalisé est bi-dimensionnel.
- Par symétrie, seule la moitié de la nervure et de la
plage plane sont considérées.
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Mais, la partie oblique de la nervure est modélisée par un
Bardage métallique
nœud unique T o considéré comme la température
moyenne de la paroi.
Le rayonnement absorbé en ce nœud est :
Modules PV
Q o = G*α o *((b 1 -b o )/2)*L (1)
Où : b o : largeur de la base de la nervure.
b 1 : largeur d’ouverture de la nervure.
L est la longueur totale du capteur.
Soit T(z) la température de l’ailette en fonction de la
hauteur z de la lame d’air (°C).
Ainsi, le bilan thermique au niveau de l’ailette s’écrit :
k p * S o-p *(d²T(z)/dz²)*dz*dt = (h ce * S e-o *(T e -T(z))
Modèle thermique du capteur à air ventilé
L’ensemble des équations constituant le bilan
thermique du capteur PV/T à air ventilé ou non ventilé
étudié a été présenté de manière détaillée [7].
Cependant, nous nous attarderons sur la prise en
compte de la ventilation de la lame d’air et sur le calcul
d’ailette réalisé au niveau de la nervure qui méritent une
attention particulière (voir figure 2 ).
x z
Modules
PV
T e
0 β
z
T ecell T cell T icell T ip T p T ep
G
y
72
4
0,8
Bardage
métallique
axe de symétrie
ailette
Ventilation
(naturelle ou forcée)
Figure 1 : Schéma du prototype de capteur PV à air
Tedlar
T f
T o
Isolant
0,75
T rad
h=40mm
T n
T is
T s2
T en T in
T s1
Lame
d’air
T es2
T iconv
T es
22
T irad
+ h conv * S o-conv *(T conv -T(z))+ h rad * S o-rad *(T rad -T(z))
+Q o ) *dz *dt (2)
avec : S e-o = ((e+L)*dz)/cos(β) (3)
S o-conv = (L*dz) / cos(β) = S o-rad (4)
S o-p = e*L (5)
La résolution de cette équation différentielle donne :
T(z)=(T p -A/B)*cos((√B)*z)+(T p -A/B)*
(sin((√B)*h)/cos((√B)*h))*sin((√B)*z)+A/B (6)
Où: A= (h ce *S e-o *T e +h f * S o-conv *T f
+h rad *S o-conv *T rad +Q o )/ (k p * S o-p ) (7)
B=( h ce * S e-o + h f * S o-conv
+ h rad * S o-conv )/(k p * S o-p ) (8)
Avec: S i-j est la surface d’échange entre les nœuds i et
j (m²), h i-j le coefficient d’échange thermique entre i et j
(W/m².K), k p est la conductivité thermique de l’acier
(W/m².K). h est la hauteur de la lame d’air (m) et t est le
temps (s). T e est la température ambiante, T rad la
température radiante moyenne de la lame
Ce calcul d’ailette nous permet d’obtenir la
température le long de l’ailette et donc au nœud T o situé à
z = h/2.
Un bilan thermique comportant deux parties est réalisé
ensuite en chacun des nœuds en tenant compte des
phénomènes de transferts de chaleur couplés.
Modélisation de la lame fluide : nœud Tf
Dans le cas de la lame d’air ventilée, l’air est
représenté par un nœud de température T f .
q m *C p *(T f - T fin ) + M f *C f *(dT f /dt) = K f-is *(T f -T is )
+ K ep-f *(T ep - T f ) + K o-f *(T o -T f ) (9)
avec q m : débit massique de la ventilation (kg/s), .
Le nombre de Nusselt Nu traduisant les transferts
thermiques par convection forcée dans la lame ventilée est
donnée par Petukhov [8] pour un écoulement turbulent
dans une conduite ou dans un tube.
Figure 2 : Section transversale du capteur PV à
air, position des nœuds de température et
Nu=[(f/8)*Re*Pr]/[1,07+12,7
composante normale rayonnement reçu G
La partie oblique de la nervure est considérée comme *√((f/8)*(Pr 2/3 -1))] *(µ/µ w ) 0,11 (10)
une ailette [6]. Les divers éléments constituant le système
sont représentés par deux ou trois nœuds de température.
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Où :Re est le nombre de Nusselt, Pr le nombre de
Prandtl. f est le facteur de friction.
f = (0,79*ln (Re) - 1,64) –2 (11)
CONFRONTATION EXPERIMENTALE
Une étude expérimentale du prototype réalisée sur un
banc d’essais monté par la société Arcelor et exploité par
la société Sunland21 a permis d’obtenir des valeurs
expérimentales des températures en différents points
prédéfinis du capteur à air. Les tests ont été réalisés en
régime permanent et en conditions d’ensoleillement
contrôlées.
Description du dispositif expérimental
La tôle d’acier a été placée dans un caisson de dimensions
2,7m x 0,6ml x 0,45m (voir photo 1). L’inclinaison du
caisson est réglable de 0° à 15°. Les parois internes du
caisson sont couvertes de 5mm de polystyrène.
L’irradiation est assurée par trois lampes à décharge
orientables offrant une puissance maximale de 1500W/m².
L’intensité de l’éclairage a été mesurée à l’aide d’un
fluxmètre. La vitesse d’air à l’entrée est réglable par
ventilateur de 0 à 5m/s. Pour la mesure des vitesses d’air
des sondes de vitesse ont été utilisées.
Tcalculée(°C) Texp gauche(C) Texp droite (°C)
Tecell 70,0 69,2 72,8
Ticell 69,8
Tip 67,7
Tep 67,7 67,7 69,2
Tf 45,5 46 48
T(h/2)=To 67,8 66,7 63,7
Ten 67,9 66,7
Après comparaison, les valeurs obtenues lors de la
simulation sont très proches des valeurs expérimentales.
Les différences peuvent s’expliquer notamment par le fait
que lors des calculs, le rayonnement a été supposé
uniformément réparti sur toute la surface du capteur, ce
qui n’était pas vérifié lors des essais effectués par la
société Sunland 21.
ETUDE PARAMETRIQUE THEORIQUE
Une étude paramétrique a été menée sur le capteur
pour deux types de configurations afin d’évaluer
l’influence de paramètres tels que le rayonnement G, la
longueur de la lame fluide L et la vitesse de ventilation V
sur ses performances thermiques.
Influence du rayonnement G
Une étude a été réalisée afin de déterminer l’influence
du rayonnement G sur la température de l’air à la sortie de
la lame, sur la température de la surface supérieure des
modules photosensibles et sur celle de l’absorbeur pour
les deux simulations réalisées en ventilation naturelle
(T conv , T ecell et T ip ) et en ventilation forcée (T f , T ecellv et
T ipv ). La valeur de rayonnement varie de 350W/m² à
1500W/m² en maintenant les autres valeurs constantes. La
vitesse de l’air dans le capteur ventilé est maintenue à
3,7m/s.
Photo 1 : Banc d’essais monté au centre de
Analyse des résultats recherche de la d’ simulation Arcelor
Les essais réalisés sur le capteur à air ventilé ont
fourni les résultats suivants pour un rayonnement G= 625
W/m² et une vitesse moyenne de ventilation de V=3,7m/s.
(cf. tableau 1)
La température d’entrée de l’air est de 29,4°C.
La comparaison des courbes obtenues montre que
l’accroissement des températures des cellules PV et de
l’absorbeur en acier semble moins important dans le cas
de la ventilation forcée lorsque le rayonnement croît. Les
courbes T ecell et T ip sont pratiquement confondues ainsi, la
température des cellules PV dépend de celle de la tôle en
acier. Un bon refroidissement de l’absorbeur semble
assurer un refroidissement satisfaisant des modules PV
pour les deux types de ventilation. L’accroissement du
rayonnement semble avoir plus d’influence sur la
température du fluide en ventilation naturelle qu’en
ventilation forcée.
Tableau 1: Comparaison des résultats de la simulation et
des résultats expérimentaux
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Température (°C)
180
160
140
120
100
80
60
40
20
Tecell Tip Tconv
Tecellv Tipv Tf
350 500 625,4 800 900 1500
Rayonnement (W/m²)
Figure 3 : Variation de températures en
fonction du rayonnement G dans le cas du
capteur à air ventilé (v) et du capteur à air
non ventilé
Influence de la longueur du capteur sur la
température du fluide
Une étude paramétrique a été réalisée sur la
température du fluide à la sortie de la lame d’air en faisant
varier la longueur du capteur à air ventilé.
La température du fluide à la sortie de la lame d’air est
multipliée par deux environ lorsque la longueur du
capteur passe de 1 à 20 m.
Température (°C)
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
1 2,7 4 8 10 20
Longueur du capteur (m)
Figure 4 : Température de l'air en fonction
de la longueur du capteur: Tfin= 29,4
Tf
Température (°C)
65
60
55
50
45
40
0,5 1 2 3,7
Vitesse de ventilation (m/s)
Figure 5 : Influence de la vitesse de
ventilation sur la température de l'air
L’analyse de la courbe montre que la température du
fluide diminue à la sortie de la lame en fonction de la
vitesse de ventilation. Il serait intéressant d’augmenter la
longueur de la lame afin d’accroître le rendement du
capteur. Mais, du point de vue pratique, une diminution
du débit de ventilation semble la solution la plus adaptée
puisqu’elle ne nécessite pas de modifier les dimensions de
la lame.
PERSPECTIVES
Confrontation expérimentale in situ
Une campagne de mesures in situ a été lancée sur le site
de la société Total Energie dans le cadre de l’intégration
du prototype présenté à une unité d’habitation.
La maquette étudiée (voir. photo 2) est une
construction métallique comportant une toiture à un
versant et dont les parois sont constituées de deux
bardages en acier séparés par une couche d’isolant.
La toiture sur laquelle est monté le capteur solaire, est de
type double peau, comportant entre des bacs en acier prélaqué
et un support d’étanchéité intérieure, une lame d’air
d’épaisseur 80mm.
Des panneaux photovoltaïques sont collés sur les tôles
métalliques.
L’instrumentation du système a été effectuée en vue
d’une confrontation expérimentale de ses performances
électrique et thermique avec les résultats de la simulation
en régime dynamique.
Tf
Influence de la vitesse de ventilation sur la
température du fluide
Une étude a été menée sur la température de l’air en
sortie de la lame en faisant varier la vitesse de ventilation.
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ventilation, de la longueur du capteur et du rayonnement
reçu. Nous constatons que la ventilation forcée peut n’être
que meilleure (en particulier en été) pour le rendement
thermique du capteur. Il serait, de plus intéressant de
regarder si la ventilation naturelle peut être suffisamment
entretenue en conditions réelles de manière à favoriser
une production d’électricité optimale. Nous allons donc
compléter le modèle en intégrant une composante
électrique.
Actuellement, nous instrumentons ce capteur en phase
d’intégration au bâti (cf. figure 2) dans le cadre d’un
programme ADEME-PUCA nommé « Bâtiment à
Horizon 2000 » réalisé en partenariat avec Sunland21,
Aarcelor, Total-Energie (Tenesol) et le CSTB.
Photo 2 : Maquette montée in situ à la société
Un modèle de conversion électrique du capteur PV est
TOTAL Energie
en cours de couplage au modèle thermique ainsi que la
fonction de production d’eau chaude.
Le matériel utilisé comprend une station
météorologique installée sur la toiture et regroupant un
capteur d’humidité relative et de température, une
girouette potentiométrique, un anémomètre et deux
pyranomètres pour la mesure du flux diffus et du flux
direct.
Pour la mesure des températures, des thermocouples
de type K ont été employés. Enfin, des transducteurs de
vitesse permettent la mesure de la vitesse du vent.
Tous ces capteurs sont reliés à une centrale
d’acquisition de marque Agilent HP 34970A dont les
données sont converties en grandeurs physiques à l’aide
de programmes réalisés sous le logiciel LABVIEW
National Instrument. Le monitoring a débuté au début du
moi de juin de cette année et les premières analyses sont
en cours.
Kit production d’eau chaude
Parallèlement au monitoring du capteur de première
génération, les perspectives d’évolution du composant
sont à l’étude notamment concernant l’ajout d’une
fonction de production d’eau chaude.
Afin de rendre cette option facultative, ce capteur à
eau devrait être présenté à la vente sous forme de kit
indépendant et aisément intégrable au capteur PV/T
hybride à air de base.
Ce système sera thermiquement découplé du capteur
PV pour ne pas détériorer sont rendement électrique. La
gamme visée de températures d’eau chaude produite par
ce kit est comprise entre 70-90°C.
CONCLUSION
Un modèle numérique du capteur PV à air présenté a
été proposé selon que la lame d’air est ventilée ou non
ventilée. Ensuite, une étude expérimentale a permis de
valider les valeurs obtenues lors de la simulation. Une
étude paramétrique a été effectuée afin d’évaluer
l’influence de certains facteurs sur les températures des
couches constituant le système.
Nous avons bien retrouvé les tendances escomptées au
niveau de la température des modules PV et du fluide à la
sortie de la lame d’air en fonction de la vitesse de
REMERCIEMENTS
Nous remercions l’ADEME et le PUCA pour le
soutien financier apporté au projet ainsi que les
entreprises et organisme partenaire : Sunland21, Arcelor,
Total Energie et le CSTB.
RÉFÉRENCES
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Energy, Mersin, Turquie, vol.60, pp.71-76, (1997).
[2] MEI, L.,Thermal modeling of a building with an integrated
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