Modelisation, conception et simulation des performances d'un collecteur solaire aeraulique a tubes sous vide en milieu nordique

La consommation d’énergie mondiale ne cesse de croître d’année en année. Elle repose principalement sur l’utilisation des combustibles fossiles ce qui entraîne diverses problématiques notamment au niveau environnemental et socio-économique. Au Canada, c’est 80% de l’énergie du secteur résidentiel qui est utilisée sous forme de chaleur que ce soit pour le chauffage des maisons ou de l’eau domestique. Cette chaleur pourrait être adéquatement fournie par des collecteurs solaires thermiques qui convertissent le rayonnement solaire en chaleur. Malgré les nombreux collecteurs solaires disponibles sur le marché, différents défis restent à relever en lien avec les rigueurs du climat canadien. L’objectif principal de ce projet vise à développer un collecteur solaire à tubes sous vide chauffant de l’air adapté aux conditions climatiques nordiques du Canada. De façon générale, les besoins et les spécifications auxquels le prototype doit répondre ont été établis. Par la suite, trois concepts de collecteur ont été développés. Le premier utilise les tubes sous vide standard en forme d’éprouvette. Le second se base sur une nouvelle technologie de tubes sous vide ouvert aux deux extrémités. Finalement, le dernier utilise la technologie des tubes caloducs. Sur la base de critères définis par les besoins et spécifications, les concepts ont été évalués et c’est le collecteur à tubes sous vide ouvert aux deux extrémités qui a été retenu. Un modèle permettant de prédire les performances du collecteur était alors nécessaire afin de fixer différents paramètres de conception. Un modèle de l’échange thermique dans un tube sous vide a alors été développé en 4 temps. Un premier modèle développé pour le régime permanent permet de prédire la température de stagnation du tube pour un rayonnement solaire, une température extérieure et une vitesse de vent donné. Le modèle a ensuite été généralisé au cas transitoire afin de le valider pour des conditions réelles d’utilisation. Un banc d’essai et des essais expérimentaux ont permis de comparer les températures de stagnation mesurées et simulées. Une erreur quadratique moyenne au niveau de la température de stagnation de 2 % a alors été constatée. Par la suite, un modèle en régime permanent permettant de prédire la température de sortie du fluide caloporteur circulant dans le tube a été proposé. La généralisation au cas transitoire a encore une fois permis d’effectuer une validation expérimentale du modèle. Une erreur moyenne quadratique sur la température de sortie du débit d’air de 0,2 % a alors été constatée. De plus, un prototype préindustriel de collecteur solaire à tubes sous vide utilisant l’air comme fluide caloporteur et opérant en boucle ouverte est proposé en conclusion de ce mémoire. Des problèmes de robustesse des tubes sous vide ouverts aux deux extrémités qui ne résistent pas à la surchauffe ont toutefois empêché la réalisation physique d’un prototype. Finalement, différentes pistes de travaux futurs ont été proposées telles que l’étude de l’écoulement à l’intérieur du collecteur par étude numérique CFD et l’analyse par plan d’expérience de différents paramètres inclus dans le modèle développé à l’intérieur de ce projet.

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