Etude expérimentale et numérique d'une installation d'eau chaude solaire individuelle gérée au fil du soleil

Experimental and numerical study of a solar domestic hot water system with the application of direct-coupled photovoltaic pumping system

• Auteur / Autrice : Yu Bai
• Direction : Lingai Luo, Gilles Fraisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations. Génie civil et sciences de l'habitat
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Chambéry
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expériences

Chauffe-eau solaires

Mots clés libres

Cesi

Contrôle-commande

Modélisation multi-physique

Optimisation

Résumé

Les Chauffe-eau Solaires Individuels (CESI) constituent une application judicieuse du solaire thermique dans la mesure où les besoins en eau chaude sont constants tout au long de I'année. Actuellement, la conception de ces installations est bien maîtrisée et elles sont a priori performantes. Les CESI sont généralement gérés avec une régulation mettant en circulation un fluide caloporteur en fonction de I'écart de température entre Ie capteur et Ie stockage. Ce mode de gestion induit des coûts supplémentaires liés aux consommations des auxiliaires (régulateur et circulateur) et des risques de dysfonctionnement liés notamment aux sondes de température et au paramétrage du régulateur. L' alimentation photovoltaïque directe du circulateur (gestion au « fil du soleil ») semble judicieuse puisqu'elle permet de s' affranchir du régulateur et des sondes. Néanmoins, même si quelques industriels proposent des circulateurs spécifiques à ce mode de fonctionnement, aucun résultat expérimental ne permet de déterminer Ie niveau de performance d'une installation gérée au fil du soleil par rapport à un système classique. De plus, sur le plan numérique, aucun modèle de circulateur ne permet d'étudier finement le comportement au démarrage (à faible ensoleillement) de ce type d'installation. Notre travail porte donc sur l'étude numérique et expérimentale du comportement d'un CESI géré au fil du soleil (CESI-PV). Différents dispositifs électroniques permettant d'anticiper l'heure de démarrage du circulateur sont considérés. Un modèle fin du circulateur basique à courant continu a tout d'abord été développé dans l'environnement TRNSYS. Différents dispositifs électroniques (booster à courant linéaire, Maximum Power Point Tracker) ont ensuite été intégrés pour comparer les différentes variantes de «solar pumps » proposées par les industriels. Le modèle de circulateur intègre les comportements électriques du moteur sans balais (brushless) et hydraulique de la pompe centrifuge afin d'étudier l'influence du type de circulateur sur le démarrage du CESI à faible ensoleillement. Le modèle du moteur prend en compte trois étapes successives importantes. Dans un premier temps, les dispositifs électroniques font varier la tension et l'intensité pour mettre en route la circulation du fluide lorsque I'ensoleillement est faible. Puis, lorsque l'intensité de démarrage a été dépassée, le débit du fluide varie en fonction des tensions et intensités appliquées au moteur selon le niveau d'éclairement solaire. Grâce à ce modèle de circulateur intégrant les différents dispositifs électroniques, il est possible d'étudier plus précisément le comportement hydraulique, électrique, mécanique et thermique du CESI, notamment lorsque l'ensoleillement est faible. Il est ainsi possible de comparer les performances énergétiques en fonction du dispositif sachant que le démarrage de l'installation est un paramètre très influant. Nous avons realisé un banc d'essai de CESI-PV à l'Institut National de l'Energie Solaire (INES) au Bourget du Lac (Savoie). Cette installation comporte un capteur solaire de 6 m2 , un module photovoltaïque (20 W), un ballon de 400 litres avec échangeur interne et un système d'acquisition NAPAC assurant également la commande du CESI. Il est possible d'étudier les différentes configurations de CESI-PV en changement Ie type de circulateur. Quatre configurations de CESI-PV ont été étudiées en utilisant deux types de circulateur C. C : - circulateur C. C standard (couplage direct) - circulateur solaire (couplage direct) proposé par un industriel (intégrant un dispositif électronique anticipant la relance du fluide et un MPPT) - circulateur C. C standard avec un booster à courant linéaire (BCL) - circulateur C. C standard avec un condensateur de grande capacité. Le banc d'essais nous a permis dans un premier temps de valider les modèles numériques du circulateur C. C et des dispositifs électroniques. Les résultats de simulation présentent une bonne concordance avec les données expérimentales. Nous avons ensuite exploité les modèles de circulateur et les dispositifs électroniques afin de comparer leurs performances en terme d'éclairement seuil de démarrage, de niveau de débit en fonction de l'ensoleillement et de performances énergétiques. Enfin, une optimisation globale des systèmes CESI et CESI-PV a été réalisée en considérant les performances énergétiques, économiques et environnementales, grâce au couplage des logiciels TRNSYS et GenOpt.

The use of solar energy to heat water is very judicious because of its constant demand throughout the year. Currently, the design of the solar domestic hot water (SDHW) system is well controlled and the installations are priori powerful. The current SDHWs make the flow circulate according to the temperature difference between the outlet of the collector and bottom of the storage tank. This control mode leads to additional costs associated with the consumption of auxiliary energy (controller and pump) and risk of dysfunction related to the temperature probes. The directly coupled PV -pumping system seems judicious as it permits to eliminate the controller and temperatures probes. Nevertheless, although some manufacturers have proposed this PV -SDHW configuration, no experimental results do determine their performance compared to a classic system. Moreover, concerning the simulation work, no detailed model of pump is available for analyzing the start-up behaviour in such installation. Our work thus focuses on the numerical and experimental studies of a PV-SDHW system specially the start-up behavior. The application of different electronic devices permitting to anticipate the start-up time is considered in this paper. Firstly, a detailed model of DC pump has been developed according to a basic type in TRNSYS program. Different electronic devices (Linear current booster, capacitor, maximum point tracker, special start-up control device) are then integrated in order to compare these different variants of 'solar pump' proposed by manufacturers. The model of pump integrates the 'DC brushless motor' and hydraulic centrifugal pump which is allowed to study the start-up behaviour at low solar irradiance. By using this detailed model of pump integrated with different electronic devices, it is possible to investigate the pump start-up characteristics on aspects of thermal, hydraulic, electric and mechanic. It is also possible to compare the energetic performance according to the different devices since the start-up behaviour is a very influential parameter to the global system. An experimental set-up has been installed in the French Institute of solar energy (INES). It is possible to study an 'on-off' SDHW system or a PV-SDHW system by changing the type of pump (supplied by AC or DC). This experimental set-up firstly permitted us to study the various pumps and electronic devices in PV-SDHW systems. The simulated data showed a good agreement with the experimental results. Then we used the models of pump and electronic devices to analyze the effects of the irradiance level for pump start-up and the profile of pump flow rate as a function of the solar irradiance (Q=F(G)) on their energetic performance (annual saving ratio and the heat loss at low solar radiation when the collector outlet temperature is lower then that of the bottom of storage tank. Finally, global optimization of SDHW and PV-SDHW systems has been realized on considering their performances energetic, economic, CO2 emissions by coupling with the software GenOpt.