Transferts convectifs appliqués et Energies Solaires

M. Pons, V. Bourdin, M.-C. Duluc, M. Jarrahi, G. Defresne, M. Firdaouss, E. Tapachès, M. Pavlov, S. Wullens.

 Les sous-thèmes abordés par le groupe sont :

 

 

 

Étude expérimentale, numérique et théorique de la réponse en fréquence d'une source linéique soumise à un écoulement de convection naturelle laminaire.

Un écoulement de convection naturelle laminaire est réalisé à partir d'un fil fin, immergé dans un grand volume d'eau liquide et chauffé par effet Joule. Une perturbation sinusoïdale du flux de chaleur, de faible amplitude, est ensuite appliquée. La réponse du système fil-fluide est étudiée dans une large plage de fréquences. Trois approches complémentaires sont développées : expériences, simulations numériques et approximation théorique. Les résultats mettent en évidence le rôle du solide et des couches limites dynamique et thermique dans la réponse du système.

Étude d'écoulements de convection naturelle instationnaires induits par une source linéique (fil fin). 
On étudie expérimentalement et numériquement les modifications de l'écoulement engendrées par une modulation du chauffage autour d'un état stationnaire. L'étude expérimentale est réalisée à partir d'un mince fil de platine, immergé dans un large volume d'eau liquide et chauffé par effet Joule. Les parois du récipient n'ont pas d'impact notable sur l'écoulement. Un échelon de flux \( q_0 \) est tout d'abord appliqué  afin de générer un écoulement de convection naturelle, stationnaire à proximité du fil. Un flux sinusoïdal, de faible amplitude est ensuite superposé à cet état stationnaire \(q(t)=q_0(t)[1+A sin(\omega t)] \). La réalisation de cette expérience, a nécessité la mise en œuvre pour le chauffage instationnaire par effet Joule, d'un amplificateur de courant développé spécifiquement et piloté par un programme de commande (LabVIEW). Une large variété de signaux est a priori accessible. La métrologie a été validée dans une premier temps à l'aide de résultats connus en régime stationnaire. Dans une deuxième étape, la réponse du système fil-fluide à une perturbation sinusoïdale du chauffage imposé au fil, a été mise en évidence. Les résultats peuvent être représentés à l'aide d'un classique diagramme de Bode (gain et déphasage de la température du fil) pour une plage de fréquence comprise entre 0 et 200~Hz. Un modèle théorique simplifié a été développé et la comparaison avec les résultats expérimentaux a montré la pertinence de cette approche analytique mais également ses limites.

Illustration 1 : Température maximum du fil (quantité adimensionnée) vs fréquence

 
L'étude du transfert de chaleur dans le fluide est conduite à l'aide de simulations numériques, réalisées avec un code développé  au laboratoire par Yann Fraigneau, ingénieur de recherche du Pôle Ingénierie Informatique du LIMSI. Elles  consistent en la résolution des équations de Navier-Stokes, couplées à l'équation de l'énergie sous l'hypothèse de Boussinesq.  Une première comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus sur le fil montre que des simulations numériques 2D sont pertinentes sur la majeure partie du fil car les effets de  bord dont l'impact a été quantifié restent limités aux extrémités. L'analyse des transferts dans le fluide, permet d'expliquer les courbes de gain et de déphasage préalablement obtenues sur le fil. L'adimensionnement des équations de conservation met en évidence les  valeurs du nombre de Strouhal caractérisant les effets instationnaires. 

 

 

 

Amélioration du mélange par manipulation de vortex

Les travaux de recherche de Mojtaba Jarrahi portent actuellement sur les thèmes suivants :

  • Étude des transferts (de matière et de chaleur) dans les échangeurs/réacteurs multifonctionnels en vue de l’augmentation de leurs efficacités et de la réduction de leurs tailles à l’aide de l’advection chaotique et du mécanisme SAR (la séparation et la recombinaison de l’écoulement)
Illustration 2 : Évolution du champ de température au sein d’un échangeur SAR
  • Compréhension de l’hydrodynamique des micro-organismes en vue de proposer des solutions innovantes applicables à la conception de bioréacteurs.

 Collaborations : Univ. Paris-Diderot (LIED), Univ. Nantes (LTN)

 

 

 

Augmentation de l’éclairement de panneaux photovoltaïques par des miroirs plans fixes - Expérimentation, simulations et analyse.

L’idée d’augmenter l’éclairement solaire d’absorbeurs ou de panneaux photovoltaïques par des miroirs plans fixes n’est pas nouvelle (Tabor H. Stationary mirror systems for solar collectors, Solar Energy 2, 27-33 (1958)). Dans le cadre du projet ALEPh mené en collaboration étroite avec le GeePs (ex-LGEP, Orsay) et le LMD, nous expérimentons et simulons un système PV-miroirs en géométrie fixe optimisée. Le GeePs est expert en physique des semi-conducteurs et spécialiste de la caractérisation des cellules PV; le LMD est expert en météorologie théorique et instrumentale, et travaille sur la prévision de la ressource solaire. Ce travail est basé sur une experience menée en milieu extérieur sur le site de l’observatoire météorologique du SIRTA à Palaiseau (91) (photo ci-dessous) permettant de mesurer en continu les performances de panneaux solaires soumis ou pas à un éclairement renforcé par miroirs, et deux modèles développés par M. Pavlov dans le cadre de son travail de thèse. Notre expérience démontre que la production électrique journalière peut être accrue de 5 à 32%, comme le montre la figure 4.

Illustration 3: La station photovoltaïque au SIRTA Palaiseau zone 1. A gauche l’expérience ALEPh, à droite l’expérience PV1.
Illustration 4 : Puissance PV (croix) and temperature (cercles) de panneaux PV silicium amorphe avec (rouge) et sans (noir) réflecteur pour une journée claire de printemps (May 17-2014). De simples miroirs augmentent la production journalière de 20%. La puissance PV calculée par le modèle IRM (lignes) dévie à peine des mesures (+)

Les flux lumineux sont calculés soit par le modèle « Infinite Row Model – IRM », basé sur les solutions analytiques de l’optique cartésienne dans l’hypothèse de rangées infinies de panneaux dans la direction est-ouest, soit sur le « Ray Tracing Model – RTM », développé dans l’environnement de simulation Monte-Carlo par tirs de rayons EDStar (RAPSODEE-ENSTIMAC).

Les phénomènes physiques les plus importants mis en œuvre lors de la conversion photovoltaïque, les phénomènes électriques et thermiques, sont non-linéaire et couplés. L’objectif du projet ALEPh est de bâtir un modèle global permettant d’optimiser la géométrie et la technologie photovoltaïque pour produire de l’énergie électrique dans un lieu et un climat donnés. Au-delà des coefficients de réflexion, d’absorption et de transmission du rayonnement visible et proche-infrarouge, du calcul de l’éclairement et de la dépendance en température du rendement des cellules PV, nous étudions quantitativement l’effet des hétérogénéïtés d’éclairement et des désadaptations de photocourant résultantes sur la production annuelle et sur conditions auxquelles sont soumises les cellules en fonctionnement. Nous étudions en particulier actuellement 1) la composition spectrale du rayonnement solaire direct et diffuse, 2) la distribution angulaire et spectrale des propriétés optiques des réflecteurs et panneaux (qui dépendent de leur propreté) et leur influence sur le « productible » électrique. Par ailleurs, l’étude de l’influence des transferts radiatifs et convectifs sur la température des panneaux, initiée lors du stage de D. Chigara, se poursuit. Une bonne correspondance est observée entre les mesures de température au dos des panneaux et la température calculée à partir des corrélations de convections et des flux infrarouge moyens calculés et mesurés. Ces résultats nous ouvrent la voie vers une simulation complète et précise du comportement des panneaux en environnement réel.  

 

 

 

Dynamic simulation of linear Fresnel solar receptors.

Like other solar technologies, Fresnel receptors for concentrated solar power are mainly tested in deserts. However, a significant part of mankind lives in tropical climates, where cloud coverage is frequent and chaotic, like in La Réunion island. Models based on pseudo-stationary states, which are almost the only ones reported in the literature, are no longer valid. This is why our approach, developed in close collaboration with PIMENT (St-Pierre-de-la-Réunion) in the co-supervised PhD thesis of E. Tapachés, integrates the dynamic behavior of the linear receptor. In addition, our model accounts for various non-linear effects, such as temperature-dependent thermophysical properties and heat-transfer-coefficient. As a consequence, oppositely to pseudo-stationary models, our model can simulate the behavior of the Fresnel receptor during and after cloudy events. Indeed, for the sake of material protection special procedures are required in order to maintain the fluid film-temperature under its safety maximum, even in severe situations. We have tested strategies based on feedback control with forward extrapolation and moderated by a time constant related to the current fluid velocity. Although they surely can be improved, some results are yet satisfactory, see Illustration 5. We can thus evaluate the efficiency losses due to control procedures when clouds occur and vanish. As the numerical procedure is efficient enough, operation over two years can be simulated within some hours only. As a result, such solar technology can indeed be of economic interest in isolated places like La Réunion.

Illustration 5: Example of film temperature in the linear Fresnel receptor exactly limited to its maximal value thanks to the relevant control procedure.

Beside the PhD manuscript, some articles are in progress. Lastly, an ANR pre-project was submitted by PIMENT, LIMSI, plus RAPSODEE-ENSTIMAC, PROMES and LSS.

 

 

 

Use of hydrate slurries with CO2 in secondary refrigeration loops.

This new theme is developing. In order to reduce emissions of refrigerant gases, the global warming potential of which is high, more and more secondary refrigeration loops (filled with a fluid neutral with respect to the environment) replace large scale direct-cooling units e.g. in supermarkets or in hospitals (the smaller the cooling unit itself, the less it leaks). Ice slurries have been used for long a secondary refrigerant in industrial environment because they offer the advantage of large fusion enthalpy over reduced temperature glide. Currently, new types of slurries are under study, clathrate-hydrates, which are ice-like crystalline compounds, mainly made of water molecules that form cages around host molecule(s) thanks to their hydrogen-bonds. Fusion temperature of hydrate slurries lies over zero Celsius (e.g. 7 or 10°C); in addition it can be adjusted to the designed application. In 2013, LIMSI and IRSTEA obtained the PEPS project Formhydable from CNRS-INSIS-Energie. We thus constructed together a first-generation model of a very simple loop, inserted between the evaporator of the cooling unit and just one heat-exchanger where cold is finally used. Our model basically represents all the energy transport and conversion processes from the final use (in the present case, air conditioning) up the heat release to the atmosphere, i.e. including the cooling unit and its consumption of electrical power. This approach is original in the literature. Flow constraints are taken into account in order to avoid both crystal deposition (if the flow is laminar) and too high pressure drops in the loop. As a result, the loop design is adapted to the considered slurry, thus making each simulation self-consistent. Illustration 6 shows comparison of performance of various slurries ranging from glycol-water mixture to clathrate-hydrate of CO2+TBPB; it evidences the energetic advantage of hydrate slurries. In the next future (ANR project Crysalhyd, 42 months, IRSTEA, ENSTA, LIMSI, and two industrial companies), the model will be extended to more realistic configurations, with dynamic behavior and with storage.

Illustration 6 : Effects of slurry type on the temperature level and total electricity consumption of the cooling unit with secondary refrigerant

 

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