Solaire Thermique 2 : Modélisation et indicateurs de performance

But du cours

Ce cours a pour objectif d'approfondir les concepts fondamentaux du solaire thermique abordés au Semestre 7 (L3) en passant d'une approche statique/globale à une démarche de modélisation fine et dynamique. L'étudiant apprendra à dimensionner, simuler et évaluer les performances énergétiques et environnementales de systèmes solaires thermiques complexes (eau chaude sanitaire, soutien au chauffage, froid solaire) adaptés notamment aux climats tropicaux et insulaires.

Acquis d'apprentissage visés

À l'issue de cet enseignement, l'élève-ingénieur sera capable de :

1. Calculer et optimiser le rendement instantané et annuel d'un champ de capteurs à l'aide des équations de bilan thermique détaillé (modèle de Hottel-Whillier-Bliss).
2. Dimensionner le stockage thermique (hydro-accumulation, changement de phase) et intégrer les pertes thermiques spatiales et temporelles.
3. Formuler et calculer les indicateurs de performance clés d'une installation (Solar Fraction / Taux de couverture, COP solaire, F-Chart, productivité surfacique $\text{kWh/m}^2$).
4. Modéliser le comportement dynamique d'un système thermique sous contraintes climatiques réelles (fort gisement tropical, ombrages, intermittence).
5. Critiquer les résultats de simulation pour proposer des améliorations architecturales ou d'exploitation d'une centrale solaire thermique.

Prérequis

• Solaire thermique 1 : technologie et dimensionnement(S6) : technologie (capteurs plans et sous vide, sans vitrage), systèmes de production d’ECS solaire individuels et collectifs, aspects environnementaux et réglemnataires.
• Transfert de masse et de chaleur (S6) : Conduction, convection, rayonnement (facteurs de forme, bilans radiatifs).
• Maniement d'outils numériques : Principes de base d'outils de calcul/simulation (Python et/ou Excel).

Programme

Module 1 : Modélisation fine des capteurs solaires

• Bilan d'énergie détaillé d'un capteur solaire.
• Modèle analytique de Hottel-Whillier-Bliss (coefficients $F'$, $F_R$, pertes globales $U_L$).
• Influence des propriétés optiques (absorption, transmittance) et des angles d'incidence (coefficients IAM).

Module 2 : Stockage et réseaux hydrauliques

• Stratification thermique dans les ballons de stockage : modèles à $N$ nœuds.
• Pertes au stockage et dimensionnement des échangeurs de chaleur intégrés ou externes.
• Pertes de charge, équilibrage des champs de capteurs et stratégies de régulation (débit variable vs fixe).

Module 3 : Indicateurs de performance et méthodes de dimensionnement

• Définition des indicateurs clés : Taux de couverture ($f$), Taux d'économie d'énergie primaire, Productivité spécifique ($\text{kWh/m}^2/\text{an}$).
• Méthode semi-empirique des courbes $f$-Chart pour le dimensionnement annuel.
• Analyse des défaillances et surchauffes : indicateurs de stagnation et dégradation.

Module 4 : Simulation dynamique & Études de cas sous climat tropical

• Pratique sur outil numérique
• Modélisation d'une boucle solaire thermique sous climat tropical insulaire (ex: La Réunion).
• Analyse de sensibilité (inclinaison, volume de stockage, débit d'étirage).
• Évaluation comparative des performances selon les profils de tirage (résidentiel, tertiaire, industriel).

Modalités d'évaluation

Contrôles continus

Bibliographie

• Duffie, J. A., & Beckman, W. A. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes (4th ed.). John Wiley & Sons.
• Chériette, A., & Peureux, J. L. (2018). Solaire thermique : Conception et dimensionnement des installations. Éditions Dunod.
• ADEME. Guide technique : Les installations de production d'eau chaude sanitaire solaire en collectif et tertiaire.
• Norme ISO 9806 : Énergie solaire — Capteurs solaires — Méthodes d'essai.

Supports

Fascicules de cours et de travaux dirigés