1. TX n°5145
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Simulation numérique du couplage
aéraulique-thermique
Simone CONIGLIO GSM04
Charlotte GUSSE GSM05
Lundi 15 juin 2015
TX – Simulation numérique du couplage
aéraulique-thermique
2. TX n°5145 Sommaire
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TX – Simulation numérique du couplage
aéraulique-thermique
1) Présentation du problème
2) Prise en compte des ventilateurs dans le problème
3) Modèle 1D
3.1) Modèle 1D stationnaire
3.2) Modèle 1D transitoire
4) Modèle 2D
5) Modèle 3D
6) Comparaison des modèles
7) Conclusion
3. TX n°5145 1) Présentation du système
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aéraulique-thermique
Problème considéré: les panneaux
photovoltaïques perdent en efficacité
lorsqu’ils chauffent (et donc lorsqu’ils sont
exposés au soleil).
Objectif: diminuer la température du
panneau à l’aide d’un échangeur à air
Moyen: à l’aide de la simulation numérique, on cherche à déterminer la température
du panneau, ainsi que l’influence qu’auraient des ventilateurs placés à l’arrière du
panneau sur la répartition thermique de l’air au sein d’un panneau photovoltaïque
pour déterminer leur pertinence
4. TX n°5145 1) Présentation du problème
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aéraulique-thermique
Courbe expérimentale de l’efficacité d’un panneau photovoltaïque
de 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝑾/𝒎 𝟐
pour différentes températures dudit panneau
5. TX n°5145 2) Prise en compte des ventilateurs
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aéraulique-thermique
6. TX n°5145 2) Prise en compte des ventilateurs
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aéraulique-thermique
Courbe à considérer: XBL/XBT
Unités:
• Abscisses: cfm («cubic foot per minute»)
• Ordonnées: inch-𝐻2 𝑂
Courbes caractéristiques du ventilateur fournies par le constructeur
7. TX n°5145 2) Prise en compte des ventilateurs
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aéraulique-thermique
Puissance consommée par les ventilateurs:
∆𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟𝑠= −2 × 21𝑊 = −42𝑊
8. TX n°5145 3) Modèle 1D
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Prise en compte de :
• Échange convectif (modèle de Newton-Cooling),
• Échange radiatif (modèle de Boltzmann),
• Echange transmissif (modèle de Fourier).
Modèle de Newton-Cooling: 𝑞 𝑐 = ℎ 𝑇 𝑤 − 𝑇∞
Modèle de Boltzmann (ou modèle de paroi grise): 𝑞 𝑟 = 𝜎 𝜀 𝑇 𝑤
4
− 𝑇∞
4
Modèle de Fourier: 𝑞𝑡 =
𝑘
𝑠
𝑇 𝑤 − 𝑇∞
12. TX n°5145 3) Modèle 1D
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Modèle stationnaire
Obtention de h pour le modèle convectif pour 3 cas de convection différents:
• Convection naturelle, couche limite stable
• Dépend de la différente de température ambiante et de celle de la paroi, ainsi que de
l’inclinaison de la paroi par rapport à la verticale
• Convection naturelle, couche limite instable
• Dépend de la différente de température ambiante et de celle de la paroi, ainsi que de
l’inclinaison de la paroi par rapport à la verticale
• Convection forcée
• Dépend de la température ambiante et de la vitesse du fluide
Modèle transitoire
Concentration de la capacité aux parois
14. TX n°5145 3.1) Modèle 1D stationnaire
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Température du panneau en fonction de son inclinaison
Système ventilé
Panneau simple
16. TX n°5145 3.2) Modèle 1D transitoire
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Temps de refroidissement
du panneau:
environ 30 min
Etude transitoire
18. TX n°5145 4) Modèle 2D
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Vitesse équivalente en entrée par rapport au
modèle 3D (une étude 3D préliminaire a été
réalisée pour déterminer le flux d’air en entrée)
21. TX n°5145 5) Modèle 3D
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aéraulique-thermique
22. TX n°5145 5) Modèle 3D
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aéraulique-thermique
23. TX n°5145 5) Modèle 3D
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24. TX n°5145 5) Modèle 3D
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25. TX n°5145 5) Modèle 3D
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26. TX n°5145 6) Comparaison des modèles
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Modèle Flux apporté
Température moyenne
du panneau
1D 442W 67°C
2D 426W 67°C
3D 402W 64°C
Comparaison des modèles pour 𝟖𝟓𝟎 𝑾/𝒎 𝟐
et 𝜽 = 𝟎°
Différences de flux apporté entre les modèles dues aux conditions aux limites
légèrement différentes
Différence de température entre les modèles 1D et 2D avec le modèle 3D due
aux effets de bord
Températures plus élevées que dans la réalité à cause des hypothèses faites sur
les couches du panneau et de fait que l’on ne considère pas la transformation
de l’énergie solaire en électricité
27. TX n°5145 7) Conclusion
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Courbe expérimentale de l’efficacité d’un panneau photovoltaïque
de 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝑾/𝒎 𝟐
pour différentes températures dudit panneau
∆𝑇~ − 10°𝐶 → ∆𝑃𝑒𝑓𝑓~ + 30𝑊
28. TX n°5145 7) Conclusion
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En résumé:
• Le temps de refroidissement du panneau est de l’ordre de la demi-heure
• Le système de refroidissement permet de diminuer la température du
panneau d’une dizaine de degrés
• Perte de puissance due aux ventilateurs: 21 W par ventilateur (soit 42 W
au total)
• Gain de puissance dû au système de refroidissement: 30W
Conclusion:
• Le système de refroidissement ne permet pas de gain de puissance (perte de 12 W)
29. Merci de votre attention
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