Convection naturelle en cavités scalène différentiellement chauffée : application au refroidissement des panneaux solaires photovoltaïques.

Le dispositif expérimental ALEPH (Amélioration de l’Efficacité Photovoltaïque) implanté au SIRTA (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique) sur le campus de l’École Polytechnique à Palaiseau, est composé de rangées de modules solaires photovoltaïques équipés de miroirs plans en interrangées. Ces réflecteurs renvoient sur les modules photovoltaïque une partie du flux solaire permettant un renforcement de l’éclairement et par la suite un gain annuel sur l’énergie électrique produite d’environ 20 %. Néanmoins, le rendement des modules photovoltaïque décroît avec l’échauffement des panneaux à raison de -0,5 %/∘C pour les panneaux de silicium polycristallin et d’environ la moitié pour le silicium amorphe. La maîtrise de la température et de son homogénéité sur la surface du panneau sont des éléments essentiels pour l’optimisation de la performance et pour prédire au mieux la production électrique. La modélisation nous permettra d’optimiser la géométrie afin d’améliorer le refroidissement estival des modules et, si possible, d’exploiter la production hybride photovoltaïque-thermique.

Dans ce travail, nous avons étudié numériquement l’écoulement de convection naturelle 2-D généré à l’intérieur de cavités symétriques ou scalènes. La simulation 2-D des écoulements est une première approximation des écoulements réels permettant de réduire les temps de calcul. Les simulations numériques utilisent la méthode des éléments finis (COMSOL Multiphysics) et permettent de déterminer quantitativement les coefficients d’échange pour différentes géométries et conditions aux limites. Le fluide de travail est l’air (Pr = 0,7).

Tout d’abord, nous présenterons brièvement la validation de l’outil numérique en considérant des écoulements en convection naturelle dans des cavités isocèles telles qu’étudiées par Hoffman et al. Trois rapports d’aspect (définis comme la hauteur de la cavité divisée par la base) A1=0.5 ; A2=1 ; A3=2.25, et un nombre de Rayleigh compris entre 10e0 et 10e10 ont été considérés.

L’étude principale porte sur des écoulements d’air en cavité non symétrique (scalène) définie par deux rapports d’aspect. Des conditions aux limites de type Neumann sur le panneau sont considérées permettant pour s’approcher de la réalité. Le nombre de Nusselt moyen sur les différentes parois, les moyennes de l’énergie cinétique et la température dans la cavité sont évalués en fonction du nombre de Rayleigh. Les lignes de courant et les isothermes obtenues en fonction du nombre de Rayleigh sont également présentées.

Des simulations numériques en cavité scalène considérant un flux de chaleur non-uniforme imposé sur le panneau photovoltaïque seront également présentées. Elles visent à représenter le cas fréquent d’un éclairement non uniforme sur le panneau PV. Les résultats seront comparés à des mesures issues des capteurs de températures implémentés sur le dispositif ALEPH.

Work In Progress