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  1. 1. TX n°5145 1 Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique Simone CONIGLIO GSM04 Charlotte GUSSE GSM05 Lundi 15 juin 2015 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  2. 2. TX n°5145 Sommaire 2 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. 3. TX n°5145 1) Présentation du système 3 TX – Simulation numérique du couplage 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. 4. TX n°5145 1) Présentation du problème 4 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique Courbe expérimentale de l’efficacité d’un panneau photovoltaïque de 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝑾/𝒎 𝟐 pour différentes températures dudit panneau
  5. 5. TX n°5145 2) Prise en compte des ventilateurs 5 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  6. 6. TX n°5145 2) Prise en compte des ventilateurs 6 TX – Simulation numérique du couplage 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. 7. TX n°5145 2) Prise en compte des ventilateurs 7 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique Puissance consommée par les ventilateurs: ∆𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟𝑠= −2 × 21𝑊 = −42𝑊
  8. 8. TX n°5145 3) Modèle 1D 8 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique 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∞
  9. 9. TX n°5145 3) Modèle 1D 9 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  10. 10. TX n°5145 3) Modèle 1D 10 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique  Analogie électrique pour l’étude 1D • Température (K)  Potentiel électrique (V) • Flux unitaire de chaleur (W/m²)  Intensité du courant (I) • Production surfacique de chaleur  Générateur de courant 𝑅 𝑐 = 1 ℎ 𝑅 𝑟 = 𝜎 𝛿 𝑤 + 𝛿∞ 𝛿 𝑤 2 + 𝛿∞ 2 −1 𝛿4 = 𝜀𝑇4 𝑅 𝑝 = 𝑖 𝑠𝑖 𝑘𝑖 Utilisation loi des mailles et loi des nœuds  8 équations à 8 inconnues 𝐶 = 𝜌 𝐶 𝑝 𝑠
  11. 11. TX n°5145 3) Modèle 1D 11 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  12. 12. TX n°5145 3) Modèle 1D 12 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique 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
  13. 13. TX n°5145 3.1) Modèle 1D stationnaire 13 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique 𝑁𝑢 𝐿 = f(Ra, Pr) 𝑁𝑢 𝐿 = f(Re, Pr)
  14. 14. TX n°5145 3.1) Modèle 1D stationnaire 14 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique Température du panneau en fonction de son inclinaison Système ventilé Panneau simple
  15. 15. TX n°5145 3.2) Modèle 1D transitoire 15 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  16. 16. TX n°5145 3.2) Modèle 1D transitoire 16 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique Temps de refroidissement du panneau:  environ 30 min Etude transitoire
  17. 17. TX n°5145 4) Modèle 2D 17 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  18. 18. TX n°5145 4) Modèle 2D 18 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique  Vitesse équivalente en entrée par rapport au modèle 3D (une étude 3D préliminaire a été réalisée pour déterminer le flux d’air en entrée)
  19. 19. TX n°5145 4) Modèle 2D 19 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  20. 20. TX n°5145 4) Modèle 2D 20 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  21. 21. TX n°5145 5) Modèle 3D 21 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  22. 22. TX n°5145 5) Modèle 3D 22 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  23. 23. TX n°5145 5) Modèle 3D 23 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  24. 24. TX n°5145 5) Modèle 3D 24 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  25. 25. TX n°5145 5) Modèle 3D 25 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique
  26. 26. TX n°5145 6) Comparaison des modèles 26 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique 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. 27. TX n°5145 7) Conclusion 27 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique 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. 28. TX n°5145 7) Conclusion 28 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique 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. 29. Merci de votre attention  29 Questions ?TX n°5145 TX – Simulation numérique du couplage aéraulique-thermique

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