Chemine Hayel Fluent Plant Azizi
Chemine Hayel Fluent Plant Azizi
Chemine Hayel Fluent Plant Azizi
N° d’ordre :
N° de série :
MASTER
Domaine : Sciences et Technologie
Filière : Energies renouvelables
Spécialité : Energies renouvelables en électrotechnique
Par : Douirem Freiha, Haimoud Marwa
Thème
Etude numérique d’une cheminée solaire
Devant le jury :
Tout d’abord, Nous remercions Allah le tout puissant de nous avoir inspiré la force
et la volonté d’aller au bout de ce modeste projet, et aussi de nous avoir donné
l’amour du savoir.
Nous remercions également les membres du jury qui ont pris le soin d’évaluer notre
travail
Nous tenons à présenter tout notre respect à tous les enseignants qui ont contribué à
notre formation du primaire jusqu’au cycle universitaire.
Nous tenons à exprimer nos immenses gratitudes à nos parents, nos frères, nos
sœurs et l’ensemble de nos proches, pour leur soutien permanent et leur
encouragement tout au long de ces années, sans lesquels nous n’aurons jamais
mené à bien ce travail
A tous mes camarades de promotion pour leur soutien et la bonne ambiance qu’ils
ont créée tout au long des années de formation
DEDICACE
Conclusion……………………………….………………………………...……………16
Chapitre II : Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
II.1. Introduction…………………………………………………………...……………17
II.2. Le principe d’une centrale cheminée solaire ………………………..…………….18
II.3. Historique des cheminées solaires pour la production d’électricité...…………… 18
II.4. Description de la centrale cheminée solaire ……………………………..………..20
II.5. La composition de la structure ……………………….…………………...……….20
II.5.1. Le Collecteur …………………………………………………………..………..20
II.5.2. La Cheminée ……………………….…………………………………...……….21
II.5.3. La Turbine……………………………………………..………………..……….21
II.12.2. Inconvénients………………………....................…………………...…………41
Conclusion………………………………….........................………………...…………41
III.1. Introduction…………………………........................………………..…...………42
III.2.Définition du problème………………........................……………..……….…….42
Figure I.14 : Illustration des différents modes d’utilisation d’une unité de stockage
thermique dans une centrale solaire …....………………………………………….. 12
Figure II.13 : Schéma de la CCS avec les différents paramètres étudiés …..…........27
Figure II.23 : Principe du stockage de chaleur le jour sous la serre utilisant des tubes
noirs remplis d’eau ………...……………………………………………………….. 39
Figure II.24: Principe de stockage de chaleur le jour sous la serre utilisant des galets
…..…………………………………...……………………………………...………..40
Figure IV.9 : Profils de température dans une section dans le collecteur pour
différentes valeurs du rayon du collecteur……………………………………...........72
Figure VI.10 : Profils de vitesse dans une section dans le collecteur pour différentes
valeurs du rayon du collecteur…………………………………………………..……73
Figure IV.15 : Profils de vitesse à x=6 dans la tour-cheminée pour différents valeurs
du rayon ………………………………………………………………………...……79
Figure IV.20 : Profil de vitesse dans une section transversale dans la tour pour
différentes valeurs de la hauteur de la tour-cheminée Ht…………………………….83
Tableau (IV.3) : Les types de conditions aux limites utilisées sur GAMBIT……....62
T Température (K)
هذا العمل خمصص للدراسة العددية لتدفق اهلاوا املضطرب حتت تأثري احلمل احلراري الطبيعي يف املدخنة الشمسية
يتم تنفيذ هذه الدراسة عن طريق احملاكاة العددية باستخدام برنامج 'فليانت' الذي هاو مبين.لتاوليد الطاقة الكهربائية
حيث قمنا بدراسة تأثري بعض اخلصائص اهلندسية على التدفق الكتلي للهاوا الذي هاو مسؤول,بطريقة احلجاوم املنتهية
نصف قطر: بالدرجة االوىل على تاوليد الطاقة الكهربائية من خالل تأثريه على سرعة اهلاوا و من بني هذه املعامالت
من خالل هذه الدراسة وجدنا أنه كلما كانت الزيادة يف تغيري احد املعامالت. ارتفاع الربج, نصف قطر الربج,اجملمع
.كانت الزيادة يف حجم التدفق و بالتايل زيادة يف الطاقة احملصل عليها
Résumé
Ce travail est consacré à l’étude numérique de l’écoulement turbulent d’air sous l’influence de
la convection naturelle dans la cheminée solaire pour la production d’électricité. La simulation
numérique est réalisée à l’aide du programme Fluent, basé sur la méthode des volumes finis. Nous
avons étudié l’effet de certains paramètres géométriques sur le débit massique d’air, qui est
principalement responsable de la génération d’énergie électrique par son effet sur la vitesse de l’air.
Parmi ces paramètres : le rayon du collecteur, le rayon de la tour, la hauteur de la tour. Nous avons
trouvé que plus le changement des paramètres est importante, plus le débit est important, et par
conséquent une énergie résultante importante.
Abstract
This work is dedicated to the numerical study of air turbulent flow under the influence of
natural convection in the solar chimney for electric power generation. This study is carried out by
numerical simulation using the Fluent program, which is based on the finite volume method. We
have studied the effect of some geometrical parameters on the air mass flow. It is primarily
responsible for the generation of electric power through its effect on the air velocity. Among these
parameters: the collector radius, the tower radius and the tower height. We have found that
increasing parameters conducted to an increase of air flow and therefore the resulting power is
important.
1
cinétique de l’air circulant dans le système. Ce mécanisme est connu par la convection
naturelle qui est particulièrement important pour les échanges de l'énergie et de la masse,
entre l'air circulant dans la cheminée et l'extérieur.
La cheminée solaire permet de transformer le gain utile du collecteur solaire en
énergie cinétique d’écoulement qui est ensuite transformée en énergie électrique au moyen
d’une turbine placée à l’intérieur de la cheminée. L’étude de l’influence de la géométrie des
différentes parties de la cheminée solaire sur les performances de la turbine s’avère donc très
intéressante car elle permet de comprendre les mécanismes qui régissent les phénomènes
naturels et d’améliorer les performances de la cheminée solaires [3].
Dans ce travail, nous étudions numériquement la cheminée solaire à géométrie simple
en utilisant le logiciel Fluent qui est un outil de simulation numérique basé sur la méthode des
volumes finis. Nous examinons en particulier l’effet de plusieurs paramètres géométriques sur
le transfert de chaleur
Ce travail se divise en quatre chapitres :
Le premier chapitre parle sur l’énergie thermique et de ses différents modes d’utilisation les
plus importantes avec les transferts de chaleur et leurs modèles.
Le deuxième chapitre traite les différents types des cheminées solaires: historique, différentes
parties, principe de fonctionnement, les méthodes de stockage d'énergie, comparaisons avec
d’autres types de centrales et de quelques grands projets actuels de tours solaires.
Dans le troisième chapitre, nous avons généré le maillage de la configuration étudiée avec le
logiciel Gambit, et on résous numériquement les équations différentielles aux dérivées
partielles qui gouvernent l’écoulement d’air à l’intérieur de la cheminée en utilisant le logiciel
Fluent avec leurs conditions aux limites associées.
Le quatrième chapitre, est consacré à l’exposition et à la discussion des résultats numériques
obtenus. On a fait varier plusieurs paramètres pour avoir leurs influences sur la structure de
l’écoulement à l’intérieur de la cheminée.
Nous terminons ce travail par une conclusion qui synthétise les principaux résultats.
2
Chapitre I
Energie solaire
thermique et ses
applications
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
I.1.Introduction
L'énergie solaire est l'énergie diffusée par le rayonnement du soleil. Des ondes radio aux
rayons gamma en passant par la lumière visible, tous ces rayonnements sont constitués de photons,
les composants fondamentaux de la lumière et les vecteurs de l’énergie solaire.
L'énergie solaire est à l'origine de toutes les formes de production énergétique aujourd’hui
utilisées sur Terre. L’homme utilise l'énergie solaire pour la transformer en d'autres formes
d'énergie : énergie chimique (les aliments que notre corps consomme), énergie cinétique, énergie
thermique, énergie électrique ou biomasse.
Par extension, l'expression « énergie solaire » est souvent employée pour désigner l'électricité ou
l'énergie thermique obtenue à partir de la source énergétique primaire qu’est le rayonnement solaire.
Actuellement, il existe deux voies principales d’exploitation de l’énergie solaire :
Le solaire photovoltaïque qui transforme directement le rayonnement en électricité.
Le solaire thermique qui transforme directement le rayonnement en chaleur.
Le solaire dit « thermodynamique » est une variante du solaire thermique. Cette technique se
différencie en cela qu’elle utilise l’énergie thermique du soleil afin de la transformer dans un
second temps en électricité [5].
Dans ce chapitre nous allons présenter brièvement l’énergie solaire thermique et ses utilisations
aussi bien que le concept de transfert thermique et ses modes de transport à savoir:
la conduction, la convection et le rayonnement.
3
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
4
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
- Le cuiseur boîte : est composé d’un ou plusieurs panneaux solaires qui concentrent l’énergie sur
une boite vitrée.
5
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
6
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
7
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
correspondent à un ensoleillement annuel maximal. La construction doit être fermée vers le nord,
ouverte au sud ; la collecte de l'énergie se fait par les murs, des panneaux solaires, et éventuellement
par une serre ; un système de chauffage d'appoint doit être prévu.
Les difficultés proviennent de l'irrégularité du rayonnement, suivant la latitude du lieu, la
saison, l'heure de la journée, et l'état de l'atmosphère ; de plus, le soleil manque essentiellement
quand on en a le plus besoin, de l'automne au printemps. Un stockage de la chaleur est donc
primordial, et de préférence sur une longue période, afin d'utiliser en hiver la chaleur captée et
stockée pendant l’été [12]
8
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
9
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
Figure I.13 : Illustration des configurations étudiées pour la convection naturelle entre
deux plans chauffés [21]
10
In-Out, Out-Out
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
o Les principaux modes d’utilisation d’un procédé de stockage d’énergie thermique sont
répertoriés ci-dessous et représentés sur la Figure 1.
o Le « lissage des transitoires de la puissance thermique issue du champ solaire dus
aux variations de l’ensoleillement (passage de nuage d’au moins 1 h) » (Figure I.14
(a)). Ce fonctionnement permet de maintenir une efficacité élevée de la machine de
conversion électrique en évitant les fonctionnements à charge partielle. Un stockage de
petite taille (typiquement 1 h maximum à pleine charge) est nécessaire.
o Le « déplacement de la période de production électrique » (Figure I.14 (b)).
L’énergie thermique collectée dans le champ solaire durant la journée est envoyée au
stockage. La production électrique est décalée dans le temps pour correspondre aux
périodes de fortes demandes et de tarifs élevés. Les tailles typiques de stockage associées
sont de l’ordre de 3 à 6 h à pleines charges.
o L’ « extension de la période de production électrique » (Figure I.14 (c)). Ce type de
fonctionnement suppose un stockage de grande taille (typiquement de 3 à 12 h à pleine
charge) et une petite turbine.
o La « concentration de la production électrique aux heures de pointe » (Figure
I.14 (d)). La production électrique est exclusivement limitée aux périodes de forte
demande et de tarifs élevés.
o Ce type de fonctionnement suppose un très grand stockage et une grosse turbine. Il
permet d’obtenir les meilleures conditions de rachat de l’électricité [22].
11
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
Figure I.14 : Illustration des différents modes d’utilisation d’une unité de stockage thermique dans
une centrale solaire [22]
I.5.Transfert thermiques
De tous les temps, les problèmes de transmission d'énergie, et en particulier de la chaleur, ont
eu une importance déterminante pour l'étude et le fonctionnement d'appareils tels que les
générateurs de vapeur, les fours, les échangeurs, les évaporateurs, les condenseurs, etc…, mais aussi
pour des opérations de transformations chimiques. En effet, dans certains systèmes réactionnels,
c'est la vitesse des échanges de chaleur et non la vitesse des réactions chimiques qui détermine le
coût de l'opération (cas de réactions fortement endothermique ou exothermique). En outre, de nos
jours, par suite de l'accroissement relatif du prix de revient de l'énergie, on recherche dans tous les
cas à obtenir le rendement maximal d'une installation pour une dépense d'énergie minimale.
Les problèmes de transfert de chaleur sont nombreux, et on peut essayer de les différencier par les
buts poursuivis dont les principaux sont:
- L'augmentation de l'énergie transmise ou absorbée par une surface.
- L'obtention du meilleur rendement d'une source de chaleur.
- La réduction ou l'augmentation du passage d'un débit de chaleur d'un milieu à un autre.
Le potentiel qui provoque le transport et le transfert de l'énergie thermique est la température.
Si deux points matériels placés dans un milieu thermiquement isolé sont à la même température, on
peut affirmer qu'il n'existe aucun échange thermique global entre ces deux points dits en équilibre
12
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
thermique (il s'agit bien d'un équilibre thermique car chacun des points matériels émet une énergie
thermique nette de même module, mais de signe opposé). Le transfert de chaleur au sein d'une
phase où, plus généralement, entre deux phases, se fait suivant 3 modes [23]: par conduction, par
rayonnement ou par convection.
Cette loi traduit le fait que l'énergie thermique se propage des points les plus chauds vers les plus
froids, et que le flux est d'autant plus intense que l'écart de température par unité de longueur est
grand.
Le coefficient de proportionnalité k est la conductivité thermique du corps considéré, et s'exprime
en W/(m.°C). Elle peut varier d'un point à l'autre du corps. La connaissance de la conductivité
thermique des matériaux reste un problème majeur.
Cette grandeur dépend d'un certain nombre de paramètres :
Nature chimique du matériau.
Nature de la phase considérée (solide, liquide, gazeuse).
Température.
En d'autres termes, la loi de Fourier est non linéaire, en appliquant le premier principe de la
thermodynamique à un élément de volume indéformable et au repos (la variation d'énergie interne
du système est égale à l'énergie thermique entrant dans le volume au travers de la surface limite,
ajoutée de la chaleur dégagée par les sources internes).
On obtient finalement l'équation :
dT
ρ. cp . = div[k. grad(T)] + q…………………. (I.2)
dt
13
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
Avec:
ρ: masse volumique du corps
cp : chaleur massique du corps
q: densité volumique des sources internes
ρ.cp dT q
. = ∇2 T + ………………………...(I.3)
K dt K
I.5.1.2.Convection
Dans le mode d'échange par convection, le transfert de la chaleur se fait dans les fluides, (les
liquides ou les gaz) en mouvement. Ce cas se rencontre souvent dans l'échange entre une paroi et un
fluide. Dans ce cas le phénomène thermique est compliqué par des déplacements de matière et au
transfert de chaleur se superpose le transfert de masse. Le transfert de chaleur par convection se
produit entre deux phases dont l'une est généralement au repos et l'autre en mouvement en présence
d'un gradient de température. Par suite de l'existence du transfert de chaleur d'une phase à l'autre, il
existe dans la phase mobile des fractions du fluide (ou agrégats) ayant des températures différentes.
Le mouvement du fluide peut résulter de la différence de masse volumique due aux différences de
températures (on parle alors de convection libre ou naturelle) ou à des moyens purement
mécaniques (on parle alors de convection forcée). Lorsqu'un fluide est en écoulement, une partie du
transfert de chaleur dans le fluide se fait également par conduction et, dans le cas d'un fluide
transparent, un transfert de chaleur par rayonnement peut accompagner les deux transferts
précédents [24].
Ce mécanisme de transfert est régi par la loi de Newton [25] :
φ = h S (Tp − T∞ )……………………(I.4)
14
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
Avec :
I.5.1.3.Rayonnement
C’est un transfert d’énergie électromagnétique entre deux surfaces (même dans le vide). Dans les
problèmes de conduction, on prend en compte le rayonnement entre un solide et le milieu
environnant et dans ce cas nous avons la relation [25] :
15
Chapitre I Energie solaire thermique et ses applications
Avec :
𝜑 : Flux de chaleur transmis par rayonnement
Conclusion
L’énergie solaire thermique est de plus en plus utilisée dans les maisons pour obtenir de l’eau
chaude ou pour compléter le système de chauffage. Cependant, cette technologie offre aussi un
énorme potentiel d’utilisation dans le secteur industriel où elle a été peu employée jusqu’à présent.
L’énergie solaire thermique peut fournir, d'une façon naturelle et économique, une grande part de
l’énergie calorifique dont l’industrie a besoin.
Un transfert thermique, appelé plus communément chaleur, est l'un des modes d'échange d'énergie
entre deux systèmes. C'est une notion fondamentale de la thermodynamique. Contrairement au
travail, la chaleur est un transfert d'énergie microscopique désordonné.
16
Chapitre II
Etat de l’art sur les
centrales cheminées
solaires
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
II.1.Introduction
Depuis le début du dix-neuvième siècle, soit le début de l’exploitation du charbon et de la
révolution industrielle, la demande énergétique mondiale n’a pas cessé d’augmenter depuis. Après
la seconde guerre mondiale, une hausse spectaculaire de cette demande est constaté, avec
l’évolution des modes de vie des pays « développés » (Europe de l’Ouest, Amérique du Nord)
accompagné par l’apparition de nouveaux besoins (modes de déplacement, de production de
consommation de biens et de service, etc). C’est une conséquence directe de l’utilisation de
nouvelles sources d’énergie plus « performantes » et « concentrées » : le pétrole puis le gaz et
l’uranium.
Avec l’apparition des nouvelles puissances à forte croissance économique et démographique
(le Brésil, l’Afrique du Sud, l’Inde, la Chine et les pays du Moyent-Orient), l’Agence Internationale
de l’Énergie (AIE) prévoit que les besoins mondiaux d’énergie continueront d’augmenter au cours
des 25 prochaines années malgré les contextes de crises économiques des pays« riches » alors
même que les intérêts économiques et énergétiques sont bien souvent opposés. On constate
également une accélération du réchauffement climatique de la planète avec comme conséquence de
plus en plus visible une augmentation de la fréquence des phénomènes météorologiques extrêmes et
des fontes record des calottes glaciaires.
Pour remédier à ce phénomène, la production d’énergie à partir de ressources renouvelables
semble pouvoir apporter une partie de la solution à ce problème mondial. La réduction de la
consommation d’énergie et l’utilisation plus efficace de cette énergie étant une autre partie de la
réponse que l’humanité doit s’apporter dans les plus brefs délais. Parmi les énergies renouvelables
(éolienne, hydraulique, géothermique), le recours à l’énergie solaire thermique devrait permettre de
combler une partie non négligeable des besoins en électricité [26].
Les centrales cheminées solaires, dites CCS, sont parmi les installations les plus prometteuses pour
la production d’électricité par voie thermique. Elles consistent à transformer l’énergie thermique de
l’air chauffé en énergie cinétique due à la différence de densité. Cette filière a l’avantage de pouvoir
produire et stocker de l’électricité de façon quasi-continue. Les techniques cheminées solaires
peuvent être utilisées à une échelle réduite pour la ventilation des locaux pour avoir un meilleur
confort thermique.
Dans ce chapitre, nous allons citer les différents types des techniques cheminées solaires et
leurs utilisations que ce soit dans la ventilation des locaux ou dans la production de l'électricité
solaire. Cependant notre attention a été principalement portée sur les cheminées solaires destinées à
la production de l’électricité.
17
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
18
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
appelée cheminée à vortex. C'est en 1956 qu'il déposa son premier brevet à Alger.
Ce brevet fut redéposé à Paris le 3 août 1964. Il s'agissait de générer artificiellement une ascendance
atmosphérique tourbillonnaire dans une sorte de cheminée à vortex en forme de
tuyère de Laval et d'en récupérer une partie de cette énergie cinétique moyennant des turbines.
Figure II.2: Le moteur solaire conçu par Figure II.3 :La cheminée solaire présentée par
Cabanyes [30] Bernard Dubos [30]
En 1975 l'ingénieur canadien Louis M. Michaud publia son projet Vortex Power
Station dans le bulletin de la société américaine de météorologie. Il s'agissait également de
générer une ascendance atmosphérique tourbillonnaire, mais dans une cheminée de forme
cylindrique.
Cependant, c'est uniquement dans les années 80 qu'un grand intérêt scientifique a été
réellement consacré à la technologie CCS, à la suite de la construction et de l'exploitation d'un
prototype d'une CCS de 200m de hauteur dans la province de Manzanares en Espagne. Ce prototype
est le fruit des études de l’ingénieur allemande Jorg Schlaich et ses associés.
Le 8 octobre 1985, le russe George Mamulashvili déposa son brevet pour un projet
comparable à la cheminée à vortex de Nazare appelé centrale électrique aéro-thermale verticale.
Le 14 mai 2009, Neven Ninic et Sandro Nizetic déposent leur brevet de cheminée solaire avec
diffuseur appelé solar power plant with short diffuser. Ce diffuseur aurait pour but de former une
colonne gravitationnelle tourbillonnaire [31].
19
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
Le plus efficace semble être le collecteur en verre, puisque son rendement de conversion
de l’énergie solaire en chaleur peut aller jusqu’à 70%. La moyenne annuelle typique est de
l’ordre de 50%. En outre, avec un entretien et une maintenance appropriée, sa durée de vie
peut facilement être de 60 ans ou plus [31].
II.5.2.La Cheminée
La cheminée elle-même est le moteur réel de l’équipement. Pour créer un écoulement d’air ou
tout simplement un vent industriel, il faut crier une différence de pression. Plus haute est la
cheminée, plus importante est la quantité d'énergie produite par la tour solaire puisque le différence
de pression statique est proportionnelle à la hauteur entre da base de la tour et son sommet qui
représente la sortie de l'air. Donc la pression de l’air à la sortie de la cheminée est inférieure à celle
d’entrée, ce qui augmente la vitesse d’élévation verticale de l’air chaud dans la cheminée [32].
Il existe de nombreuses façons de construire une tour cheminée mais on distingue
principalement deux types à savoir : celles autoportées (construites en dur i.e : béton armé ou acier)
et les cheminées haubanées (structures plus légères constituées de tubes). il est à noter que la durée
de vie des cheminées en béton est bien supérieure à celle des cheminées en membranes, une
centaine d’années contre quelques années à peine.
21
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
II.5.3.La Turbine
22
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
d’évaluer l’influence des paramètres géométriques (Figure II.8) et les matériaux utilisés sur les
performances d’une CCS. Cette étude a été référée au prototype construit et expérimenté.
En montrant que le débit massique croit avec l’augmentation de la hauteur et le diamètre de
la tour, ils ont montré que ces deux grandeurs représentent les paramètres physiques les plus
importants dans la conception d’une CCS. Les résultats numériques ont été validés par comparaison
avec les données expérimentales.
23
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
Les résultats montrent que la température ambiante est un facteur important affectant la
performance du système de cheminée solaire. La vitesse de l’air dans l’environnement n’a pas eu
d’effet sur la cheminée solaire. Ils ont trouvé aussi que la répartition de la température dans la partie
sud de la cheminée est un peu plus que la partie nord.
En 2015, une étude à la fois numérique et expérimentale est menée par Shaherza et Imani
[36]. Dans cette étude, un nouveau modèle à petite échelle a été étudié. Le débit d’air, le flux de
transfert de chaleur et les caractéristiques de l’écoulement ont été calculés numériquement et
comparés avec les résultats expérimentaux. Dans cette étude, deux miroirs réflecteurs ont été
utilisés pour concentrer le rayonnement émis par le soleil autour de la cheminée solaire dans le cas
expérimental. Le modèle de RNGK-ε a été choisi pour simuler la turbulence et l'algorithme connu
(SIMPLE) a été utilisé pour résoudre les problèmes associées au couplage vitesse-pression. Les
résultats ont montré que l’utilisation de miroirs-réflecteurs entraînait une augmentation de la vitesse
dans la cheminée et qu’il produisait donc plus d’énergie. La vitesse maximale de 5,12 m/s a été
atteinte, une valeur assez importante vue la petite taille de cette CCS.
24
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
FigureII.10 : Le prototype étudié[36] (1) miroir plat, (2) assemblage mécanique, (3) moteur à
courant continu, (4) capteurs internes et externes, (5) support de miroir.
En 2016, (AESL), Guo et al. [37] ont réalisé et expérimenté un prototype à petite échelle
d'une cheminée solaire. Le diamètre du collecteur et la hauteur de la cheminée de ce prototype sont,
respectivement, de 1,22 m et 1 m. La température de l'air en écoulement et la vitesse du courant
ascendant ont été mesurées pour des intensités de rayonnement et des hauteurs de cheminée
variables. Les données mesurées ont été utilisées pour valider un modèle analytique pour le
collecteur.
Les limites supérieures du rayon du collecteur et de la hauteur de la cheminée ont été
discutées sur la base des résultats expérimentaux. Les travaux expérimentaux sur les performances
de base de l'installation d'une cheminée solaire ont permis de comprendre les caractéristiques
thermodynamiques de la centrale cheminée solaire, servant ainsi de base à la conception des CCS
commerciales à grande échelle.
En 2017, pour améliorer le transfert de chaleur dans une installation CCS, les performances
électro hydrodynamique d'une cheminée solaire avec le système pour les dispositions parallèles,
radiales et symétriques, Ghalamachi et al. [38] ont implémenté un système Electrodynamique
(EHD) dans le collecteur de 3m de diamètre d'une installation pilote comprenant une cheminée de 3
m de hauteur. Les résultats montrent que la disposition en parallèle avec six électrodes et un
espacement de 3 cm entre les électrodes offre les meilleures performances. En outre, différentes
heures de la journée sont étudiées et le meilleur moment pour allumer le système
Electro hydrodynamique été le 13h00.
Le système électro hydrodynamique augmente la vitesse du fluide de 1,7 à 2,3 m/s, ce qui
améliore les performances d'environ 28%.
25
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
En 2017, une étude expérimentale est menée par Siyang Hu et al. [39] dont l'objectif
principal été d'examiner l'impact de la géométrie de la paroi de guidage (PG) sur la puissance de
sortie d'une centrale à cheminée solaire. Une réduction du débit massique après l'ajout d'un PG dans
le système a été observée dans un prototype expérimental à petite échelle. Des simulations
numériques sur une centrale à cheminée solaire à grande échelle ont en outre révélé que le débit
massique était linéairement et inversement proportionnel à l'augmentation de la hauteur en PG. La
force motrice, cependant, a augmenté de façon non linéaire avec l’augmentation de la hauteur en
PG. Par la suite, la puissance de sortie maximale potentielle, qui était principalement régie par la
force motrice, augmentait avec l’augmentation de la hauteur en PG. De plus, un système à cheminée
divergente pouvant améliorer les performances des centrales à cheminée solaire a eu des réactions
différentes avec la géométrie des PG par rapport à un système à cheminée cylindrique.
Figure II.12 :Le petit prototype (à gauche). La transition collecteur-cheminée avec un sous-
ensemble de paroi de guidage solide blanc (à droite) [39]
26
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
En 2014, Sandeep et al. [40] ont étudié numériquement les caractéristiques de flux à
l'intérieur de la centrale a cheminée solaire en utilisant un logiciel de dynamique des fluides
numériques ANSYS-CFX. La hauteur totale de la cheminée et le diamètre du collecteur ont été
maintenus constants à 10 et 8 m respectivement. L’ouverture du collecteur variait de 0,05 m à 0,2
m. Le diamètre de sortie du collecteur variait également de 0,6 m à 1 m. Ces collecteurs modifiés
ont été testés avec des cheminées d'angles de divergence différents (0 ° à 3 °) et avec différents
orifices d'entrée de cheminée de 0,6 m à 1 m. Le diamètre de la cheminée variait également de 0,25
m à 0,3 m.
La meilleure configuration a été obtenue avec une cheminée avec un angle de divergence de
2° et un diamètre de cheminée de 0,25 m ainsi que l’ouverture du collecteur de 0,05 m et un
diamètre de sortie du collecteur de 1 m. La température à l'intérieur du capteur est plus élevée pour
l'ouverture inférieure, ce qui entraîne un débit et une puissance plus élevés.
Figure II.13 :Schéma de la CCS avec les différents paramètres étudiés [40]
Lebbi et al. [41] en 2014, ont étudié quantitativement le comportement de l'écoulement d'air
à travers une CCS. Les équations de transport qui décrivent l'écoulement avec transfert de chaleur,
pour différents paramètres géométriques, ont été présentées et résolues numériquement à l'aide de la
méthode des volumes finis. Cette méthodologie nous permet d'avoir une image détaillée des effets
de certains paramètres d'ingénierie tels que la hauteur et le rayon de la tour. Il a été démontré dans
ce travail que les dimensions de la tour jouent un rôle important dans la conception de tels systèmes
27
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
28
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
Le choix efficace de la géométrie optimale est basé sur le calcul de la valeur maximale de la
vitesse de l’air dans la centrale CCS. Les résultats indiquent qu'un toit du collecteur incliné
négativement augmente positivement la vitesse de l'air. les données obtenues pouvant fournir les
caractéristiques thermiques de l'écoulement de l'air aux concepteurs et aux ingénieurs pour
améliorer l'efficacité globale de l'installation solaire.
29
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
Jae Choi et al. [48] en 2016,ont présenté et développé un modèle analytique à l'aide de
données expérimentales provenant d'une usine prototype située à Manzanares, en Espagne .Pour
estimer la puissance délivrée et la configuration de la température du collecteur. Un système de
stockage d'eau a été mis en place sous le collecteur pour conserver l'énergie thermique pendant la
nuit. La puissance d'une cheminée solaire à grande échelle a été évaluée en fonction de paramètres
tels que la hauteur de la cheminée, le rayon du collecteur, le diamètre de la cheminée et l'irradiation
solaire, entre autres. La puissance de la cheminée solaire à grande échelle avec et sans le système de
stockage d'eau a été évaluée. La variation de puissance sur une période de 24 h a été analysée en
fonction de la profondeur du système de stockage d'eau.
30
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
Le premier prototype expérimental d'une centrale à cheminée solaire a été conçu par le
bureau d'études Schlaich Bergermann et Partner de Stuttgart [49]. Le distributeur d'électricité
espagnol « Union Electrica Fenosa » a proposé le site de Manzanares (ville espagnole située à 180
kilomètres au sud de Madrid) et le ministère allemand de recherche (BMFT)a financé le projet. La
construction du prototype a été terminée en 1982 et a fonctionné pendant plus de 7 ans. Sur la
Figure II.17 on montre des photos du prototype expérimental de Mansanares [50]
31
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
Le projet le plus ambitieux aujourd’hui est celui de Borunga, en Australie. Il est développé par la
société EnviroMission en collaboration avec le bureau d’ingénierie civile allemand SBP (Schlaich
Bergemann and Partner). La centrale aura une tour de 1000 m de hauteur en béton armé et un
diamètre du collecteur de 7000 m. Elle devrait fournir 200 MW de puissance électrique.
Les coûts d’investissements sont estimés à 400 millions d’euros, ce qui correspond à environ
2 euros par Watt installé. Comme l’électricité produite par la tour solaire est estimé quatre fois plus
chère que celle d’une centrale thermique au charbon, les développeurs d’EnviroMission comptent
sur les revenus du tourisme, attiré par la plus haute structure du monde, pour rendre l’énergie
produite compétitive [52].
32
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
33
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
34
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
ℎ = 9.92𝑐𝑚………………………………....(2)
A cette distance, on peut considérer une température homogène à l’intérieur de la
cheminée. On note que la hauteur de la cheminée est plus grande (300cm) que "h", par conséquent,
on suppose que la hauteur de la cheminée et la hauteur du l'effet de pile sont pratiquement les
mêmes [49].
35
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
II.8.2. Type 2
Ce type de cheminée a été installé à l’école Tanga de Falkenberg en Suède. Il est conçu
pour les climats froids (latitudes plus élevées), comme le type 1, cette cheminée modifie la partie
inférieure du mur sud pour un vitrage , c’est pourquoi juste une partie de la façade sud est un verre
pour minimiser le creux de perte de chaleur la cheminée, car cette cheminée utilise également l'effet
de pile du bâtiment pour améliorer la ventilation naturelle.
Le rayonnement traverse la fenêtre et est absorbé par le capteur solaire, mais dans ce cas,
c’est le mur avant, qui est peint en noir pour améliorer l’absorption du rayonnement.
Dans ce cas, la hauteur de la cheminée et la hauteur de la pile n'y est pas la même; à titre
approximatif, le début de la hauteur de l’effet de pile peut être calculé comme le point où la couche
limite thermique touche le mur sud [49].
36
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
II.8.3. Type 3
Ce type de cheminée solaire est le plus utilisé et donc le plus étudié. Il est principalement,
développé pour les climats chauds et tropicaux.
Le design de ce type de cheminée est très simple. Le mur sud est en verre permettant ainsi
au rayonnement de pénétrer à l'absorbeur, qui est tout simplement le mur opposé, également peint
37
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
en noir. Comme pour le type 2, la hauteur de l’effet de pile diffère de la hauteur de la cheminée; et
qui peut être calculé avec les mêmes conditions [49].
-L'effet de serre: Le collecteur de la cheminée solaire est en verre ou plastique qui est
transparent au rayonnement de courte longueur d'ondes, mais opaque au rayonnement
I.R (de grande longueur d'ondes), permettant de réaliser un effet de serre.
-L'effet de convection naturelle: Quand l'air est chaud, il s'élève et la pression
diminue : il y a une dépression. Au contraire, l'air froid descend, la pression augmente : il y a
un anticyclone. Entre deux cellules d'air de pression différentes, un vent se crée et va de
l'anticyclone vers la dépression. Les particules chaudes sont plus légères que les particules
froides, et cherchent à les atteindre : ces particules se dilatent sous l'effet de la chaleur, et sont
ainsi moins denses (donc plus légères).
-L'effet d'ovalisation: a été contré dans la tour solaire grâce à des structures circulaires
disposées à intervalles réguliers dans la tour, sinon elle se replierait sur elle-même.
Le tour de force de cette installation est qu’une porte à air a été ajoutée afin d’intégrer
l'énergie éolienne dans le réseau électrique, ce qui permet au système de fonctionner en
hiver même quand il y a un minimum de soleil. De cette façon, le système peut fonctionner
24h autour de l'horloge, 365 jours d'une année [59].
II.10.1.2.Parchauffage d'eau
Comme les collecteurs produisent de l’air chaud par effet de serre, pour produire de
l’électricité durant la nuit, des réservoirs noirs tubulaires emplis d’eau sont placés sous la
serre comme montré dans la Figure. [59].
Figure II.23 : Principe du stockage de chaleur le jour sous la serre utilisant des tubes noirs remplis
d’eau [59]
• Ces tubes sont remplis une seule fois pour toutes, il ne faut plus d’eau ensuite puisque les tubes
sont hermétiquement clos après le remplissage.
• Le volume d’eau dans les tubes est calculé pour correspondre à une hauteur d’eau
de 5 à 20 cm en fonction de la puissance désirée de production nocturne, l’énergie stockée pour la
nuit diminuant la production de la journée.
• Un ajustement de la production peut être effectué aux heures de pointe où l’électricité se vend 3 à
10 fois plus cher qu’aux heures creuses, améliorant ainsi la rentabilité [59].
39
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
Figure II.24: Principe de stockage de chaleur le jour sous la serre utilisant des galets [12]
En effet durant la journée, ces galets sont exposés constamment aux rayons du soleil et donc
emmagasinent cette chaleur afin de la restituer durant la nuit [31]
40
Chapitre II Etat de l’art sur les centrales cheminées solaires
II.12.2. Inconvénients
- Faible rendement : un panneau solaire convertit 15% de l’énergie reçue par m2, la tour solaire 10
fois moins (environ 1.5%)
- Coût important : 750 M$. Selon les sources, le coût du kWh produit devient plus intéressant que
celui du thermique ou nucléaire après 12 à 20 ans.
- Incertitudes sur la solidité de l’édifice et la probabilité d’effondrement pendant la durée de vie
prévue.
-Le collecteur occupe une immense surface.
-La production n’est pas constante pendant le jour durant toute l’année [60].
Conclusion
En conclusion, la cheminée solaire est tout d'abord un moyen intéressant de production de
l'énergie électrique renouvelable : les différentes réactions physiques qui s'y produisent sont
connues et maîtrisées par l'homme depuis quelques dizaines d'années (Effet Venturi, convection,
effet de serre et aussi ovalisation). Les matériaux nécessaires à sa construction (béton, verre acier)
sont disponibles en grandes quantités, et d'un point de vue financier, la cheminée solaire est moins
onéreuse qu'une centrale nucléaire. De plus, la production perdure jour et nuit. Ainsi, une seule tour
produirait suffisamment d'énergie électrique pour près de 200 000 foyers, mais ces avantages ne
cachent pas les contraintes majeures qui inhibent le développement du projet de cheminée solaire à
l'échelle mondiale.
En effet, malgré le caractère écologique de la tour, elle requiert une surface vaste de
plusieurs dizaines de km², qui doit être suffisamment chauffée et ensoleillée pour assurer un
meilleur rendement. Il y a donc impossibilité pour certains pays, notamment pour les pays du Nord,
d'exploiter ce concept.
Les endroits les plus favorables se trouvent en Afrique du Nord et principalement au Sahara,
dans le centre de l'Australie et aux Etats-Unis. Le désert algérien est donc parmi les endroits les plus
remarquables au monde où l’ensoleillement global annuel est maximal et où les surfaces inoccupées
ne manquent pas.
41
Chapitre III
Etude numérique
Chapitre III Etude numérique
III.1. Introduction
Les méthodes analytiques semblent être incapables à résoudre les équations différentielles aux
dérivées partielles. Alors, l’utilisation des méthodes numériques tel que la méthode de différences
finies, des volumes finis et des éléments finis s’avère indispensable. La méthode des volumes finis
(M.V.F) est la plus couramment utilisée pour la résolution des équations de la conservation. Elle
consiste à transformer les équations aux drivées partielles en équations algébriques faciles à
résoudre. Pour cela quatre étapes sont requises:
1- Effectuer un maillage du domaine d’étude: un maillage est une succession de volume du contrôle
lié entre eux avec des nœuds placés au centre de chaque volume.
2- Intégrer les équations aux dérivées partielles sur chaque volume de contrôle.
3- Choix du schéma utilisé: choisir le profil de variation entre deux nœuds adjacents pour son
évaluation à l’interface.
4- Etablir «n» équations algébriques à résoudre pour « n » nœuds.
5- Utiliser une des méthodes de résolution des équations algébriques nominalement linéaires
(exemple: T.D.M.A, Gauss-Seidel) pour résoudre le système d’équation.
On s’intéresse dans ce chapitre à la modélisation de l’écoulement dans une cheminée solaire
à l’aide d’un logiciel de la mécanique des fluides industriels appelé Fluent. En premier lieu, on
présentera les différentes étapes de modélisation de la cheminée solaire, à savoir les dimensions de
la structure a étudier et son maillage sur GAMBIT, les hypothèses, les conditions aux limites
considérées et on termine par exposer le problème majeur que nous avons rencontré sur Fluent et sa
résolution.
42
Chapitre III Etude numérique
a. Equation de continuité
Collecteur
1 𝜕(ρ𝑢𝑟)
=0 (III. 1.1)
𝑟 𝜕𝑟
Cheminée
𝜕(ρv)
=0 (III. 1.2)
𝜕𝑧
b. Equation de conservation de la quantité de mouvement
Collecteur
𝜕(ρ𝑢) 𝜕𝑢 𝜕𝑝 𝜕 1 𝜕
𝑢 + ρ𝑢 =− +µ[ ( 𝑟𝑢)] (III. 2.1)
𝜕𝑡 𝜕𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝑟 𝑟 𝜕𝑟
Cheminée
𝜕(ρv) 𝜕v 𝜕𝑝 𝜕2𝑣
+ ρv =− + µ [ 2 ] − (ρ0 − ρ)𝑔𝑧 (III. 2.2)
𝜕𝑡 𝜕𝑧 𝜕𝑧 𝜕 𝑧
43
Chapitre III Etude numérique
Collecteur
𝜕(ρ𝑐𝑝 𝑇) 𝜕(ρu𝑐𝑝 𝑇) 1 𝜕 𝜕𝑇
+ = [(𝜆𝑟) ] − ∇. 𝑞𝑟 ( III. 3.1)
𝜕𝑡 𝜕𝑟 𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝑟
Ou : ∇. 𝑞𝑟 𝐿𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒 𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒.
Cheminée
𝜕(ρ𝑐𝑝 𝑇) 𝜕(ρv𝑐𝑝 𝑇) 𝜕 𝜕𝑇
+ = [𝜆 ] ( III. 3.2)
𝜕𝑡 𝜕𝑧 𝜕𝑧 𝜕𝑧
Pour les calculs, le modèle κ-ε standard [63] avec des fonctions de paroi a été retenu. Dans ce
modèle, la viscosité turbulente est évaluée à partir de l'énergie cinétique turbulente κ et de sa
dissipation ε.
k2
νt = cμ fμ (II. 4)
ε
Des équations de transport pour les variables turbulentes supplémentaires sont donc nécessaires
pour fermer les équations de l’écoulement moyen et pour permettre le calcul de la viscosité
turbulente
∂κ ∂κ ∂ νt ∂κ ∂ νt ∂κ
u +υ = [(ν + ) ] + [(ν + ) ] + Pκ + Gκ − ρε (II. 5)
∂x ∂y ∂x σk ∂x ∂y σk ∂y
b. Equation de dissipation de l’énergie cinétique turbulente ε
∂ε ∂ε ∂ ν ∂ε ∂ ν ∂ε ε
u ∂x + υ ∂y = ∂x [(ν + σt ) ∂x] + ∂y [(ν + σt ) ∂y] + (cε1 f1 (Pκ + cε3 Gκ ) − ρcε2 f2 ε) κ (II. 6)
ε ε
avec
σε: le nombre de Prandtl pour ε.
∂u 2 ∂v 2 ∂u ∂υ 2
Pκ = νt (2 ( ) + 2 ( ) + ( + ) ) (II. 6a)
∂x ∂y ∂x ∂y
Gκ : représente la production d'énergie cinétique turbulente causée par les effets de la poussée
d'Archimède, donnée par
νt ∂T
Gκ = − gβ (II. 6b)
σt ∂y
On donne ci-dessous les constantes empiriques utilisées dans le modèle κ-ε standard avec la
fonction de paroi [63].
La résolution par le logiciel de simulation numérique des écoulements Fluent nécessite d’abord
la présentation du logiciel GAMBIT ou un autre meilleur (ANSYS, AUTOCAD ….).
46
Chapitre III Etude numérique
Fluent
Solveur
Importation et adaptation du
maillage
Condition aux limites
Modèles physiques
Propriétés matérielles
Calcul
Post processeur
Visualisation et analyse des
résultats
Figure III.2 : Elément du Logiciel [31]
47
Chapitre III Etude numérique
48
Chapitre III Etude numérique
→ → →
→ → →
49
Chapitre III Etude numérique
→ → →
→ → →
50
Chapitre III Etude numérique
→ →
→ → →
51
Chapitre III Etude numérique
Donner un nom au fichier et sélectionner le maillage “2-D”, puis sauvegarder le fichier Gambit :
File → Save As
52
Chapitre III Etude numérique
Grid → Check
53
Chapitre III Etude numérique
54
Chapitre III Etude numérique
Cette étape va nous permettre de choisir le type du modèle de turbulence, pour résoudre le problème
considéré, avec un affichage des différents constants.
55
Chapitre III Etude numérique
56
Chapitre III Etude numérique
57
Chapitre III Etude numérique
Dans cette étape, on fixe les erreurs absolues pour chaque variable et on mentionne le nombre des
itérations, avec la possibilité d’affichage simultané de l’évolution des erreurs ou de l’imprimer à la
fin des itérations.
58
Chapitre III Etude numérique
Où : ap et anb représentent les contributions convectives et diffusives, l’indice nb est lié aux centre
de cellules adjacentes. b représente la contribution de partie constante du terme source 𝛷 Ø.
Le résidu normalisé a alors pour expression :
∑𝐷𝑜𝑚𝑎𝑖𝑛𝑒|∑𝑛𝑏 𝑎𝑛𝑏 .∅𝑛𝑏 + 𝑏−𝑎𝑝 .∅𝑝 |
𝑅∅ = ∑𝐷𝑜𝑚𝑎𝑖𝑛𝑒|𝑎𝑝 .∅𝑝 |
…………….…(III.8)
Ces expressions des résidus sont valables pour toutes les grandeurs sauf la pression, dans le cas de
cette grandeur, le résidu est déterminé à partir de l’équation de continuité :
𝑅 𝑐 = ∑𝐷𝑜𝑚𝑎𝑖𝑛𝑒|𝑡𝑎𝑢𝑥 𝑑𝑒 𝑐𝑟é𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑖è𝑟𝑒 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑙𝑒 𝑑𝑜𝑚𝑎𝑖𝑛𝑒 |………. (III.9)
59
Chapitre III Etude numérique
Solve → Iterate
On cliquant sur iterate , on commence les itérations, toute en respectant la séquence d’affichage .
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons parlé de la modélisation de l'écoulement turbulent dans une
cheminée solaire en utilisant le code de calcul Fluent. Les équations régissant le phénomène
physique sont les équations de Navier-stokes moyennées avec le modèle de turbulence k-. Avant
de passer à la résolution itérative des systèmes des équations, il faut générer la configuration à
étudier et son maillage par le logiciel Gambit. Pour valider notre modèle, les dimensions du
prototype de Maia [34] ont été adoptées. Pour que les résultats soit comparables, il faut que les
conditions aux limites soit les mêmes.
60
Chapitre IV
Résultats et Discussion
Chapitre IV Résultats et Discussion
IV .1. Introduction
Nous présentons dans ce chapitre les résultats des simulations numériques établies par le
code de calcul Fluent pour résoudre des équations différentielles aux dérivées partielles non
linéaires avec les conditions aux limites associées qui ne peuvent pas être résolues analytiquement.
L’effet de la variation du rayon du collecteur et du rayon de la cheminée sur le comportement du
fluide à l’intérieur de la cheminée est aussi étudié.
La géométrie considérée dans cette étude est constituée d’une tour-cheminée ayant un
hauteur Ht=12.3 m et un rayon Rt variable (entre 0.2 m à 0.6 m), aussi un collecteur qui a une
hauteur de toit Hc=0.5 m et un rayon Rc variable (entre 17.5 m à 20 m). Le tableau (IV.1) récapitule
les dimensions des différentes géométries considérées dans cette étude.
61
Chapitre IV Résultats et Discussion
Entrée de collecteur 𝑦 = 𝑅𝑐 ,0 ≤ 𝑥 ≤ 𝐻𝑐 ,𝑢 = 𝑢 ,𝑣 = 0 ,𝑇 = 𝑇0
Sortie de la tour 𝑑𝑢 𝑑𝑣 𝑑𝑇
𝑥 = 𝐻𝑡 , 0 ≤ 𝑦 ≤ 𝑅𝑡 ,𝑑𝑥 = 𝑑𝑥 = 0 , 𝑑𝑥 = 0
Toit de collecteur 𝑥 = 𝐻𝑐 , 𝑅𝑐 − 𝑟 ≤ 𝑥 ≤ 𝑅𝑐 , 𝑢 = 𝑣 = 0
, 𝑇 = 𝑇𝑐𝑜𝑙𝑙
Paroi du sol 𝑥 = 0 , 𝑅𝑐 − 𝑟 ≤ 𝑦 ≤ 𝑅𝑐 , 𝑢 = 𝑣 = 0 , 𝑇 = 𝑇𝑠𝑜𝑙
Sur GAMBIT, ces conditions aux limites se présentent comme indiquer dans le tableau
(IV.3) ci-dessous
Tableau (IV.3) : Les types de conditions aux limites utilisées sur GAMBIT
Axe Axis
Tour Wall
Jonction Wall
collecteur Wall
Sol Wall
Entrée Pressure-inlet
Sortie Pressure-outlet
62
Chapitre IV Résultats et Discussion
𝐾𝑔 1.17663
Densité (Boussinesq) 𝜌(𝑚3 )
Tableau (IV.5) : Erreur relative du débit massique à l’entrée du collecteur avec le nombre
des nœuds
63
Chapitre IV Résultats et Discussion
Le choix du maillage optimal est un compromis entre l’erreur la plus petite et une solution
stable. Dans notre étude, nous avons opté pour une grille de 80 x 1000, vu que l’erreur relative du
débit massique atteint un niveau que nous jugeons suffisant.
De la figure (IV.2), il parait clairement que le la variation du débit massique devient faible à
partir d’un maillage de 80x1000, ce qui permet de constater que le maillage optimal correspond à
cette valeur.
64
Chapitre IV Résultats et Discussion
Pour valider nos résultats numériques, nous avons réalisé une simulation numérique sur
une géométrie semblable à celle de Maia et al [34]. Cette géométrie est constituée d’un tour de
hauteur Ht = 12.3 m et de rayon Rt = 0.5 m, d’un collecteur de rayon Rc = 12.5 m et d’une hauteur
Hc = 0.5 m et He = 0.05 m à l’entrée. On présente sur la figure (IV.4) le profil de vitesse dans une
section de la tour à x=11.7 m pour pouvoir comparer nos résultat avec ceux de Maia et Al [34]
65
Chapitre IV Résultats et Discussion
0.9
0.8
0.7
N o s r é s u lt a t s n u m é r i q u e s
0.6
Rés ul t at s ex peri m ent aux de M ai a
V/Vmax
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Y / Rt
Figure IV.4 : Comparaison du profil de la vitesse dans une section transversale de la tour
rayon du collecteur fait augmenter la quantité d’air soumise au gradient de température et par
conséquent une augmentation des forces de flottabilité.
1.1
1.08
1.06
1.04
d é b i t m a s s i q u e Kg/s
1.02
0.98
0.96
0.94
6 8 10 12 14 16 18 20
r a y o n du c o l l e c t e u r m
67
Chapitre IV Résultats et Discussion
68
Chapitre IV Résultats et Discussion
69
Chapitre IV Résultats et Discussion
Figure IV.7: Distribution de la vitesse pour différentes valeurs du rapport du rayon du collecteur
70
Chapitre IV Résultats et Discussion
71
Chapitre IV Résultats et Discussion
305
304.5
R c = 7 . 5 m
R c = 1 2 . 5 m
304
R c = 2 0 m
303.5
303
T (K)
302.5
302
301.5
301
300.5
300
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
X/ R c (m)
Figure IV.9 : Profils de température dans une section dans le collecteur pour
différentes valeurs du rayon du collecteur
72
Chapitre IV Résultats et Discussion
0.12
0.1
0.08
R c = 7.5 m
V (m/s)
0.06 R c = 12.5 m
R c = 20 m
0.04
0.02
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
X / R c (m)
Figure VI.10 : Profils de vitesse dans une section dans le collecteur pour différentes
valeurs du rayon du collecteur
73
Chapitre IV Résultats et Discussion
1.6
1.4
1.2
1
d é b i t m a s s i q u e (Kg/s
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
R t (m)
74
Chapitre IV Résultats et Discussion
75
Chapitre IV Résultats et Discussion
atteignent leur maximum dans la tour en raison des particules d’air chaud qui monte par l’effet de la
force d’Archimède.
76
Chapitre IV Résultats et Discussion
77
Chapitre IV Résultats et Discussion
Figure IV.14 : Evolution des isothermes pour différentes valeurs du rayon de la tour
78
Chapitre IV Résultats et Discussion
1.4
1.2
0.8
Rt = 0.2 m
V (m/s)
Rt = 0.4 m
0.6
Rt = 0.6 m
0.4
0.2
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
X / Rt (m)
Figure VI.15 : Profils de vitesse à x=6 dans la tour-cheminée pour différents valeurs du rayon
1.35
1.3
1.25
1.2
D é b i t m a s s i q u e (K g / s)
1.15
1.1
1.05
0.95
0.9
0.85
6 8 10 12 14 16 18 20
H t (m)
79
Chapitre IV Résultats et Discussion
Figure IV.17 : Evolution de la fonction du courant pour les différentes valeurs de la hauteur de la
tour-cheminée H
80
Chapitre IV Résultats et Discussion
81
Chapitre IV Résultats et Discussion
82
Chapitre IV Résultats et Discussion
L’évolution de la vitesse dans la hateur de la tour a été presenté dans la figure (IV.20) à
r=0.3m pour différentes valeurs de la hauteur de la tour-cheminée. on remarque que la vitesse
augmente avec l’augmentation de la hauteur de la tour-cheminée. Cet accroissement est le résultat
de l’accroissement du débit massique de l’air.
1.6
1.4
1.2
1
V (m/s)
0.8
H t = 7.5 m
H t = 14.5 m
0.6
H t = 20 m
0.4
0.2
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
X / H t (m)
Figure IV.20 : Profil de vitesse dans une section transversale dans la tour pour différentes valeurs
de la hauteur de la tour-cheminée Ht
83
Chapitre IV Résultats et Discussion
2.4
2.2
2
D é b i t m a s s i q u e (K g / s)
1.8
1.6
1.4
1.2
1
5 10 15 20
D T (K)
1 2
PCin = ṁ ∙ Vmoy,tour
2
ṁ = ρ ∙ ATour Vmoy,tour
ṁ
Vmoy,tour =
ρ ∙ ATour
2
1 ṁ ṁ3
PCin = ṁ ∙ ( ) =
2 ρ ∙ ATour 2(ρ ∙ ATour )2
1
PElect = ηAerog ∙ PCin
3
1 3
PElect = η ∙ ρ ∙ ATour ∙ Vmoy
3 Gen
84
Chapitre IV Résultats et Discussion
3
1 ṁ
PElect = ηGen ∙ ρ ∙ ATour ∙ ( )
3 ρ ∙ ATour
1 ṁ3
PElect = ηGen ∙
3 (ρ ∙ ATour )2
1 ηGen
PElect = ∙ . ṁ3
3 (ρ ∙ ATour )2
Conclusion
Une simulation numérique sur Fluent a été développée afin d’étudier l’effet du rayon de la
collecteur et le rayon de la tour-cheminée sur l’écoulement dans une cheminée solaire. Le modèle a
d’abord été validé par confrontation aux résultats expérimentaux de la littérature. L’analyse des
résultats a permis de conclure :
- L’augmentation du rayon du collecteur permet une augmentation de la vitesse et de la température
ainsi que le débit massique, par contre cette élévation permet une diminution de la température le
long de la cheminée.
- L’augmentation du rayon de la tour-cheminée permet une augmentation de la vitesse ainsi que le
débit massique par contre cette élévation permet une diminution de la température le long de la
cheminée.
- L’augmentation de la hauteur de la tour-cheminée permet une augmentation de la vitesse et le
débit massique.
- On peut conclure que le rayon du collecteur et la hauteur de la tour de la cheminée sont des
paramétrés géométriques importants dans le contrôle thermo-hydrodynamique de l’écoulement.
85
Conclusion
Générale
Conclusion générale
L'énergie renouvelable est la tendance actuelle du monde en tant qu'alternative aux
combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel et uranium) et en tant que solution aux
problèmes environnementaux.
La cheminée solaire est tout d'abord un moyen intéressant de produire de l'énergie électrique
renouvelable : qui utilise la radiation solaire pour augmenter l’énergie interne de l’air circulant dans
le système, ce qui permet de transformer le gain utile du capteur solaire en énergie cinétique
d’écoulement qui peut être transformée en énergie électrique au moyen d’une turbine appropriée.
Les différentes réactions physiques qui s'y produisent sont connues et maîtrisées par
l'homme depuis quelques dizaines d'années (Effet Venturi, convection, effet de serre), les matériaux
nécessaires à sa construction (béton, verre, acier) sont disponibles en grandes quantités, et d'un
point de vue financier, la tour solaire est moins onéreuse qu'une centrale nucléaire. De plus, la
production perdure jour et nuit
Pour obtenir les meilleures performances, une cheminée solaire doit être construite dans une
zone très ensoleillée et dans de grandes zones inhabitées, les zones les plus favorables étant situées
en Afrique du Nord et dans le désert, principalement en Australie centrale et aux États-Unis. Ainsi,
le désert algérien est l’un des endroits les plus en vue du monde où l’ensoleillement global annuel
est le plus élevé et où il ne faut pas manquer les surfaces inoccupées.
Le désert algérien a de très bonnes conditions climatiques, ce qui permet certainement de
réaliser de bons rendements dans une cheminée solaire.
L’objectif principal de notre travail est de réaliser une simulation numérique sous Fluent de
l’écoulement dans la cheminée solaire pour étudier l’effet de la variation de certains paramètres
géométrique comme le rayon de la tour-cheminée, la hauteur de la cheminée et le rayon du
collecteur afin de recueillir la conception de la cheminée solaire.
Les résultats numériques ont été validés pour la première fois en le comparant aux résultats
expérimentaux de la littérature.
Une étude numérique a été présentée à travers laquelle on comprend le comportement
dynamique et thermique de l’écoulement qui s'écoule à travers les cheminées solaires, en particulier
lorsque on fait varier certains paramètres géométriques.
L’analyse des résultats obtenus a permis de conclure :
L'importance de choisir le bon maillage pour augmenter le flux avec le moins de
temps pour calculer
86
Le rayon du collecteur, la hauteur et le rayon de la tour de la cheminée sont des
paramètres géométriques importants dans le contrôle thermo-hydrodynamique de
l’écoulement.
Les variations du rayon du collecteur influent directement sur le champ thermique
par l’augmentation du gain de chaleur utile (augmentation de la surface chauffée).
L’augmentation de rayon du collecteur, le rayon et la hauteur de la tour-cheminée
permet une augmentation du débit massique d’air.
L’augmentation de la hauteur de la tour cheminée a tendance à augmenter la vitesse
maximale dans la tour, et à diminuer la température dans le collecteur.
L’augmentation de la différence de la température entre le sol et le collecteur a
augmenté le débit massique.
L’augmentation de débit massique est très importante pour augmenter l’énergie
électrique.
Les dimensions géométriques de la cheminée solaire notamment la hauteur de la
cheminée et le rayon du collecteur solaire sont des paramètres importants pour
l’optimisation de ce système solaire.
Cette étude offre plusieurs perspectives qui restent à étudier, comme le cas d’un régime
instationnaire ou la simulation 3D. Cette dernière permettra une meilleure approche du
comportement des CCS, cependant avec un temps de calcul énorme.
87
Références
Bibliographiques
[1] Benzaghou, Hana. "Etude ab initio des propriétés structurales, électroniques des semi-
conducteurs chalcopyrites CuGaX2 (X= S, Se)." (2012).
[2] https://e-rse.net/definitions/energies-renouvelables-definition
[3] Bahache Hadjer, Simulation numérique de la convection naturelle dans une cheminée
solaire, mémoire master, université Mohamed Boudiaf - M’sila, 2016/2017
[4] https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:9288:ed-1:v1:fr
[5] https://www.connaissancedesenergies.org
[8] https://lenergeek.com
[9] www.uraer.cder.dz
[10] www.claude.bonello.free.fr
[11] www.ecosource.info
[13] www.serresdelaperrine.com
[14] www.2es.fr/fr/nos-comptences/le-solaire-thermique.
[15] David Martin, Etude d’un cycle de brayton-joule solaire à l’aide de la thermodynamique
a vitesse finie , mémoire master ,université de Lorraine ,2013
[16] www.mode/transport.fr/energie-solaire-maison-prix-entretien-chaudiere-16/85/
[20] Toufik Chergui, Modélisation des écoulements dans les cheminées solaires, mémoire de
Magister , Ecole Nationale Polytechnique, 2007.
[21] A, Dugué, Caractérisation et valorisation de protections solaires pour la conception de
bâtiments: analyse expérimentale et propositions de modélisations (Doctoral dissertation,
Université Sciences et Technologies-Bordeaux I) ,2013.
[22] Pardo, Pierre. Développement d’un procédé de stockage d’énergie thermique haute
température par voie thermochimique. Diss. 2013.
[24] Benhissen Nacer Eddine, modélisation des coulages électrothermiques dans les
composants électroniques, mémoire, université du Québec , 1998.
[25] Jannot, Yves. "Transferts thermiques." Cours transferts thermiques 2ème année, Ecole
des Mines Nancy (2012).
[26] Olivier Farges, conception optimale de centrales solaires a concentration :application aux
centrales à tour et aux installations (deam down ), thèse de doctorat ,université de
Toulouse,2014
[29] Cottam, Patrick John. Innovation in solar thermal chimney power plants. Diss. UCL
(University College London), 2018
[30] I.cabanyes, "Proyecto de motor solar ,La energia Eléctrica revista general de
electricidady sus aplicaciones 8,61-65,1903
[32] Schlaich, Jörg, Wolfgang Schiel, "solar chimney encyclopedia of physical science and
technology third edition ,2000,consulting engineers,stullgrt
[33] http://www.energythic.com
[34] C.B. Maia, A.G. Ferreira, R.M. Valle, M.F.B. Cortez, «Theoretical evaluation of the
influence of geometric parameters and materials on the behaviour of the air flow in a solar
chimney»,Comput Fluids, vol. 38, pp. 625-636, 2009
[39] Siyang Hu, Y.C. Leung, Z.Q. Chen , C.Y. Chan ,Effect of guide wall on the potential
of a solar chimney power plant , Renewable Energy,vol.96,pp.209-219,2017.
[40] Sandeep K. Patel, Deepak Prasad, M. Rafiuddin Ahmed ,Computational studies on the
effect of geometric parameters on the performance of a solar chimney power plant , Energy
Conversion and Management 77, 424–431(2014).
[45] E. Bilgen, J. Rheault, Solar chimney power plants for high latitudes ,Solar Energy 79,
pp, 449–458,2005.
[46] Von Backström, Theodor W., and Thomas P. Fluri , Maximum fluid power condition in
solar chimney power plants–an analytical approach , Solar Energy 80.11 , 1417-1423,2006.
[48] Y. Jae Choi, HoonKam, Won Park, HoonJeong , Development of analytical model
for solar chimney power plant with and without water storage system , energy, vol.112,
pp.200-207 ,2016.
[49] Paez Ortega, Elias. Analyzes of solar chimney design. MS thesis. Institutt for energi-og
prosessteknikk, 2011.
[50] Schlaich, Jorg, Rudolf Bergermann, Wolfgang Schiel, and Gerhard Weinrebe , Design of
commercial solar updraft tower systems -utilization of solar induced convective flows for
power generation , Journal of Solar Energy Engineering 127, no. 1, 117-124,2005.
[51] Schlaich, Joerg, and Rudolf Bergermann ,The solar updraft tower: das aufwindkraftwerk
motivation and Concept-Text .
[52] Pablo González Gascón y Marín, Guillermo Gómez Fontecha, Ole Geisen ,Les tours
solaires :Deux approches pour utiliser l’énergie du soleil ,Energie Renouvelables, ENSTA
Paris Tech,2011
[53] Amel Dhahri, Ahmed Omri, A review of solar chimney power generation
technology, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT)
ISSN: 2249 – 8958, Volume-2, Issue-3, February 2013
[54] http://www.enerzine.com/1/12410+arizona-une-tour-solaire-de-800-metres-de-haut/13486-
2011-07.
[55] http://www.actionnovation.com/innovation-environnement/energie-tour-solaire-800metre-
2716.htm
[56] http://www.enerzine.com/1/12410+arizona-une-tour-solaire-de-800-metres-de-haut/13486-
2011-07.
[57] http://www.actionnovation.com/innovation-environnement/energie-tour-solaire-800metre-
2716.htm
[60] http://www.nice-fictions.fr/wp-content/uploads/2014/11/presentation-tour-solaire-2
[61] Semai Hakim, recherche d’une configuration optimale d’une centrale solaire a cheminée,
Thése , Universite Abou-Bekr belkaid – Tlemcen, 2017.
[62] Ferziger, J.H, Perić, M, Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer, 2002
[63] Launder, B. E. and Spalding, D.B, The Numerical Computation of Turbulent Flows.
Comput Methods Appl Mech, Vol. 3, pp. 269–289, 1974.
[64] Toufik Chergui, Etude des écoulements avec transfert de chaleur dans les centrales à
cheminées solaires, Thèse de Doctorat, Ecole Nationale Polytechnique, Algérie, 2013
[68] Schlaich J, 1995. The solar chimney: electricity from the sun. In: Maurer C, editor.
Germany: Geislingen; 1995