Etude, conception et modélisation d'un nouveau chauffe-eau solaire auto-stockeur de forme sphérique

Abstract

La présente thèse de doctorat concerne une étude, et une modélisation d’un chauffe-eau solaire auto-stockeur de forme sphérique. Ce chauffe-eau, de conception unique, intègre un verre extérieur de protection entourant un réservoir de stockage de l’énergie thermique ‘sensible’. Trois géométries de réservoir sont considérées: conique, cylindrique et sphérique, respectivement, tous équipés d'une sortie supérieure pour l’eau chaude et d'une entrée inférieure pour l’eau froide. Une simulation numérique CFD en régime transitoire en mode dit de ‘charge’ a été utilisée pour déterminer la distribution de la température de huit couches de fluide à l’intérieur de la cuve et les lignes de courant, cela, afin d’évaluer la quantité et la qualité du stockage thermique en se basant sur les nombres adimensionnels de Richardson (Ri) et de stratification (Str). Des analyses énergétique et éxergétique sont menées et les rendements énergétique () et éxergétique (ε) ont été déterminés. Les résultats indiquent que parmi les trois réservoirs, c'est le réservoir cylindrique qui maintient le stockage à son niveau maximal le plus longtemps possible, tandis que dans le réservoir sphérique, les lignes de courant sont plus complexes et présentent des tourbillons ce qui présage d’un phénomène de mélange du fluide à l’intérieur de ce réservoir et la destruction assez rapide de ‘la thermocline’. En outre, l’étude met en évidence l'importance de la forme des réservoirs et des conditions climatiques locales sur l'efficacité du stockage thermique. En analysant les performances des réservoirs dans trois sites aux caractéristiques climatiques distinctes (Batna, Adrar et Alger), il ressort que les réservoirs sphériques sont les moins efficaces pour maintenir une stabilité thermique dans tous les sites considérés. Les réservoirs cylindriques, quant à eux, sont plus adaptés aux climats tempérés comme ceux de Batna et Alger, où ils permettent de maintenir des stratifications des températures importantes, et que les réservoirs coniques présentent les meilleures performances que ce soit du point de vue quantitatif ou qualitatif et cela quelque soit le site considéré.