Bai Yu a soutenu sa thèse le 21 septembre 2009 après midi au Bourget du Lac, salle 244 du bâtiment Chartreuse.
le titre est : « L’étude expérimentale et numérique d’une installation d’eau chaude solaire individuelle gérée au fil du soleil »

Résumé

Les Chauffe-eau Solaires Individuels (CESI) constituent une application judicieuse du solaire thermique dans la mesure où les besoins en eau chaude sont constants tout au long de l’année. Actuellement, la conception de ces installations est bien maîtrisée et elles sont a priori performantes. Les CESI sont généralement gérés avec une régulation mettant en circulation un fluide caloporteur en fonction de l’écart de température entre le capteur et le stockage. Ce mode de gestion induit des coûts supplémentaires liés aux consommations des auxiliaires (régulateur et circulateur) et des risques de dysfonctionnement liés notamment aux sondes de température et au paramétrage du régulateur. L’alimentation photovoltaïque directe du circulateur (gestion au « fil du soleil ») semble judicieuse puisqu’elle permet de s’affranchir du régulateur et des sondes. Néanmoins, même si quelques industriels proposent des circulateurs spécifiques à ce mode de fonctionnement, aucun résultat expérimental ne permet de déterminer le niveau de performance d’une installation gérée au fil du soleil par rapport à un système classique. De plus, sur le plan numérique, aucun modèle de circulateur ne permet d’étudier finement le comportement au démarrage (à faible ensoleillement) de ce type d’installation.

Notre travail porte donc sur l’étude numérique et expérimentale du comportement d’un CESI géré au fil du soleil (CESI-PV). Différents dispositifs électroniques permettant d’anticiper l’heure de démarrage du circulateur sont considérés.

Un modèle fin du circulateur basique à courant continu a tout d’abord été développé dans l’environnement TRNSYS. Différents dispositifs électroniques (booster à courant linéaire, Maximum Power Point Tracker) ont ensuite été intégrés pour comparer les différentes variantes de « solar pumps » proposées par les industriels. Le modèle de circulateur intègre les comportements électriques du moteur sans balais (brushless) et hydraulique de la pompe centrifuge afin d’étudier l’influence du type de circulateur sur le démarrage du CESI à faible ensoleillement. Le modèle du moteur prend en compte trois étapes successives importantes. Dans un premier temps, les dispositifs électroniques font varier la tension et l’intensité pour mettre en route la circulation du fluide lorsque l’ensoleillement est faible. Puis, lorsque l’intensité de démarrage a été dépassée, le débit du fluide varie en fonction des tensions et intensités appliquées au moteur selon le niveau d’éclairement solaire. Grâce à ce modèle de circulateur intégrant les différents dispositifs électroniques, il est possible d’étudier plus précisément le comportement hydraulique, électrique, mécanique et thermique du CESI, notamment lorsque l’ensoleillement est faible. Il est ainsi possible de comparer les performances énergétiques en fonction du dispositif sachant que le démarrage de l’installation est un paramètre très influant.

Nous avons réalisé un banc d’essai de CESI-PV à l’Institut National de l’Energie Solaire (INES) au Bourget du Lac (Savoie). Cette installation comporte un capteur solaire de 6 m², un module photovoltaïque (20W), un ballon de 400 litres avec échangeur interne et un système d’acquisition NAPAC assurant également la commande du CESI. Il est possible d’étudier les différentes configurations de CESI-PV en changement le type de circulateur. Quatre configurations de CESI-PV ont été étudiées en utilisant deux types de circulateur CC :

–    circulateur C.C standard (couplage direct)
–    circulateur solaire (couplage direct) proposé par un industriel (intégrant un dispositif électronique anticipant la relance du fluide et un MPPT)
–    circulateur C.C standard avec un booster à courant linéaire (BCL)
–    circulateur C.C standard avec un condensateur de grande capacité

Le banc d’essais nous a permis dans un premier temps de valider les modèles numériques du circulateur C.C et des dispositifs électroniques. Les résultats de simulation présentent une bonne concordance avec les données expérimentales. Nous avons ensuite exploité les modèles de circulateur et les dispositifs électroniques afin de comparer leurs performances en terme d’éclairement seuil de démarrage, de niveau de débit en fonction de l’ensoleillement et de performances énergétiques.

Enfin, une optimisation globale des systèmes CESI et CESI-PV a été réalisée en considérant les performances énergétiques, économiques et environnementales, grâce au couplage des logiciels TRNSYS et GenOpt  .

Mots clés : CESI, contrôle-commande, modélisation multi-physique, optimisation, expérimentation