Investigation numérique et expérimentale du phénomène de transfert thermique dans une cheminée solaire

Abstract

الملخص (بالعربية) :

الملخص

المدخنة الشمسية لتوليد الطاقة الشمسية عبارة عن جهاز شمسي مصمم لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حركية ، والتي بدورها تتحول إلى طاقة ميكانيكية ثم كهربائية. تعتمد العملية على تسخين الدفيئة للحصول على حجم من الهواء، ويخلق الهواء الساخن ذو الكثافة حركة تصاعدية تخلق رياحًا عند قاعدة الموقد. سيتم استخدام الطاقة الحركية لتشغيل توربينات الرياح. تم بالفعل إنشاء المدخنة الشمسية وقد أظهرت نتائج مقبولة في تطوير واستغلال الطاقات المتجددة. تعتمد العديد من الدول على هذه التكنولوجيا من أجل تقليل إنتاجها من غازات المسببة في الاحتباس الحراري. يمكن أيضًا دمج تقنية المدخنة الشمسية هذه في المبنى لإنشاء تهوية طبيعية. يتعلق العمل الحالي بالدراسة العددية والتجريبية للخصائص الهندسية للمدخنة الشمسية على السلوك الديناميكي الهوائي والحراري لتدفق الهواء. تم اقتراح العديد من الحلول بهدف تحسين التركيب الهندسي الأكثر كفاءة. يتم حل معادلات الحفظ للكتلة والاستمرارية والطاقة بطريقة الحجم المحدود. تم صنع نموذج أولي لمدخنة شمسية في مختبرنا من أجل إجراء الاختبارات التجريبية. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها أن الوصلة المستديرة (مدخنة المجمع) وكذلك الزيادة في نصف قطر المجمع وزاوية ميل سقف المجمع تساهم بشكل إيجابي في سرعة التدفق للوصول إلى الحد الأقصى لسرعة عند أسفل البرج. لوحظ اتفاق جيد بين التجربة ونتائج المحاكاة.

الكلمات مفتاحية: مدخنة شمسية , ارتفاع ، ميل ، أردوينو

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Résumé (Français et/ou Anglais) :

Résumé : La cheminée solaire est un dispositif solaire conçu pour transformer l’énergie des rayons solaires en énergie cinétique qui à son tour est transformée en énergie mécanique puis électrique. Le fonctionnement est basé sur l’échauffement par effet de serre d’un volume d’air, l’air chaud à masse volumique moins dense soumis à la poussée d’Archimède engendre un mouvement d’ascension créant un vent à la base de la cheminée. L’énergie cinétique du fluide sera exploitée pour faire tourner une turbine à vent. La cheminée solaire est déjà mise en application et a montré des résultats acceptables dans le domaine du développement et d’exploitation des énergies renouvelables. Cependant, l’investissement de départ est très important. De nombreux pays comptent sur l’apport énergétique de cette technologie pour diminuer leur production de gaz effet de serre. On peut aussi intégrer cette technologie de cheminée solaire dans le bâtiment pour créer une aération naturelle grâce à la convection naturelle. Le présent travail porte sur l’étude numérique et expérimentale des paramètres géométriques de la cheminée solaire sur le comportement aérodynamique et thermique de l’écoulement de l’air. Plusieurs configurations on était proposés dans le but optimisé la configuration géométrique la plus performante. Les équations de conservation de la masse, continuité et de l’énergie sont résolues par la méthode des volumes Finis. Un prototype de cheminée solaire est réalisé dans notre laboratoire afin d’effectué les tests expérimentaux. Les résultats obtenus montrent que la jonction arrondie (cheminée collecteur) ainsi que l’augmentation du rayon du collecteur et l’angle d’inclinaison du toit du collecteur contribue favorablement sur la vitesse d’écoulement pour atteindre sont maximale au pied de la tour. Ce pendent la hauteur et l’ouverture de la cheminée améliore le tirage à l’intérieur de la tour, d’où des vitesses importantes sont enregistré. Un bon accord entre l’expérimentation et les résultats de la simulation est observé.

Mots clés : Cheminée solaire, hauteur, inclinaison, Arduino, volume finis. ---------------------------------------------- Abstract The solar chimney is a solar device designed to transform the energy of the sun's rays into kinetic one, which in “turn” will be transformed into mechanical and then electrical energy. The operation is based on the heating by greenhouse effect of a volume of air. The hot air with less dense density generates an ascending movement, and creates a wind at the base of the fireplace. The kinetic energy of the fluid will be used to turn a wind turbine. The solar chimney has already been implemented and has shown acceptable results in the field of development and the usage of renewable energies. Therefore, many countries rely on this technology and invest in order to reduce their production of greenhouse gases. This solar chimney technology can also be integrate into the building to create natural ventilation. The present work concerns the numerical and experimental study of the geometric parameters of the solar chimney on the aerodynamic and thermal behavior of the airflow. Several configurations were propose with the aim of optimizing the most efficient geometric configuration. The conservation equations for mass, continuity and energy are solve by the finite volume method. A prototype solar chimney is made in our laboratory in order to perform the experimental tests. The results obtained show that the rounded junction (collector chimney), as well as the increase in the radius of the collector and the angle of inclination of the collector roof, favorably contributes to the flow speed to reach the maximum at the bottom of the tower. This hanging from the height and the opening of the chimney improves draft in the tower, where high speeds are recorded. A good agreement between the experiment and the results of the simulation are observed.

Keywords : Solar chimney, height, inclination, Arduino, finite volume method.