Th. doct.-ing.--Énerg. phys.--Grenoble--I.N.P., 1982. N°: DI 285.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 273-281.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 159-169.

Th.--Génie des procédés--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 93.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 159-166.

Th. doct.-ing.--Prod. et trait. des matières vég.--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 283.

Th. doct.-ing.--Génie chimique--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 289.

Cette étude traite de l'optimisation de deux types de collecteurs solaires, soit du collecteur solaire plan et du collecteur solaire vertical poreux. Essentiellement, le collecteur solaire plan est disposé sur une surface plane horizontale ou inclinée, et permet de capter la radiation solaire pour la transférer sous forme de chaleur à un fluide circulant par convection forcée dans un ou des tuyaux sous la plaque absorbante. La problématique consiste à déterminer la distribution optimale en termes de géométrie, de matériaux et de régime d'opération dans le but d'une part de maximiser l'efficacité énergétique du système et d'autre part de minimiser le coût total annualisé du système. Cette étude est effectuée sur une période annuelle en considérant les conditions climatiques mensuelles moyennes de la région de Québec. Un modèle mathématique permettant de résoudre analytiquement ce problème est élaboré dans le but de réaliser numériquement l'optimisation énergétique alors que les algorithmes génétiques (AG) sont utilisés pour réaliser l'optimisation économique du collecteur solaire plan. Pour ce qui est du collecteur vertical poreux, il est constitué de deux plaques verticales dont l'une reçoit de la radiation solaire. L'écoulement entre les plaques peut être généré naturellement par le réchauffement du fluide ou encore peut être amplifié par l'ajout d'un système de pompage externe. Les champs de vitesse et de température sont déterminés par la résolution numérique des équations de NavierStokes adaptées pour un écoulement en milieu poreux et l'équation de la conservation de l'énergie, utilisant la technique des volumes finis. L'optimisation de paramètres géométriques ainsi que d'un paramètre d'opération est finalement réalisée en considération de différents écoulements dans le but de maximiser le transfert d'énergie au fluide. / Solar energy is currently regarded as a way to reduce the impact on global Earth warming of the increasing energetic needs. Solar heating is investigated in this paper with the study of two kinds of solar heat collectors. The optimal configuration of a solar flat plate collector that allows maximum heat transfer from solar radiation to the fluid circulating within the System is investigated with consideration of pumping power needed to operate in an optimal regime. The study is done for a collector working over an entire year in Québec City. Shape factor and number of elementary collectors are optimized under mass, absorbing surface area and pipes volume constraints. An economic analysis of the flat plate collector is next considered, for which dimensioning the system becomes possible. Economic performance is maximized with a numeric code, using a genetic algorithm (GA). A thermal limit is added for this case and mass, absorbing surface area, pipes volume, material, number of glass covers, form factor and the number of elementary collectors are optimized with the objective of minimizing the total annual cost of the flat plate collector. Next, the thermal performance of a porous solar wall is investigated. The system studied is a porous media between two vertical plates in which a fluid circulates. The fluid is driven by natural convection resulting from the heating of one vertical plate. The thermal performance is evaluated with a CFD code based on the finite volume approach. Shape factor is optimized and the possibility of adding a pumping system is studied to increase thermal performance.

L´intérêt grandissant pour les bâtiments à haute efficacité énergétique nécessite le développement de nouveaux types d´enveloppe active et multifonctionnelle pouvant couvrir une partie des besoins énergétiques du bâtiment. Les travaux présentés dans cette thèse concernent le développement de capteurs hybrides solaires photovoltaïques thermique pour la production simultanée d´eau chaude sanitaire et d´électricité au sein d´un unique capteur. L’objectif de cette thèse a été dans un premier temps d´analyser la faisabilité et la complexité du concept de capteur hybrides PV-T. Puis, à partir d’un modèle numérique développé spécifiquement pour appuyer la phase de conception du capteur PV-T les raisons expliquant la limitation des performances de tels capteurs ont été analysées, pour enfin proposer différentes solutions innovantes, tant au niveau des cellules solaires que des matériaux du modules PV et du design du capteur final afin d´en augmenter les performances. L´approche développée est par conséquent multi-échelle allant de la prise en compte des phénomènes physiques pris isolément, des propriétés locales des matériaux jusqu’à la mise en œuvre d’un composant et à l´analyse énergétique et exergétique de ses performances dans un environnement numérique dédié au bâtiment. / In the context of greenhouse gas emissions and fossil and fissile resources depletion, solar energy is one of the most promising sources of power. The building sector is one of the biggest energy consumers after the transport and industrial sectors. Therefore, making use of a building’s envelope (façades and roofs) as solar collecting surfaces is a big challenge facing local building needs, specifically in regard to heat, electricity and cooling. However, available surfaces of a building with suitable orientation are always limited, and in many cases a conflict occurs between their use for either heat or electricity production. This is one of the reasons why the concept of a hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) collector seems promising. PV-T collectors are multi-energy components that convert solar energy into both electricity and heat. In fact, PV-T collectors make possible the use of the large amount of solar radiation wasted in PV modules as usable heat in a conventional thermal system. Therefore, PV-T collectors represent in principle one of the most efficient ways to use solar energy (co-generation effect). However, such a concept still faces various barriers due to the multidisciplinary knowledge requirements (material, semi-conductors, thermal) and to the complexity of the multiple physical phenomena implied in such concepts.The objective of this PhD work is to carry out a study based on a multi-scale approach that combines both numerical and experimental investigations regarding the feasibility of the concept of hybrid solar collector. The performance of such components is estimated through an appropriate design analysis, and innovative solutions to design an efficient PV-T collector are presented. Based on improved processing methods and improved material properties, an efficient covered PV-T collector has been designed and tested. This collector was made of PV cells connected to the surface of an optimized flat heat exchanger by an improved lamination process and covered on the front side by a static air layer and AR-coated glass pane and on the back side by thermal insulation material. The results showed a significant improvement of both thermal and electrical efficiency in comparison to all previous works on PV-T concepts found in the literature. System simulations were carried out for a hot water system with the software TRNSYS in order to get a clearer statement on the performance of PV-T collectors. The results show that the integration of PV-T collectors can be more advantageous than standard solar components in regard to thermodynamic considerations (energy and exergy) and environmental considerations (CO2 and primary energy saving).

La demande d'énergie consommée par les habitants a connu une croissance significative au cours des 30 dernières années. Par conséquent, des actions sont menées en vue de développement des énergies renouvelables et en particulier de l'énergie solaire. De nombreuses solutions technologiques ont ensuite été proposées, telles que les capteurs solaires PV/T dont l'objectif est d'améliorer la performance des panneaux PV en récupérant l’énergie thermique qu’ils dissipent à l’aide d’un fluide caloporteur. Les recherches en vue de l'amélioration des productivités thermiques et électriques de ces composants ont conduit à l'intégration progressive à l’enveloppe des bâtiments afin d'améliorer leur surface de captation d’énergie solaire. Face à la problématique énergétique, les solutions envisagées dans le domaine du bâtiment s’orientent sur un mix énergétique favorisant la production locale ainsi que l’autoconsommation. Concernant l’électricité, les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV) représentent l’une des rares technologies capables de produire de l’électricité localement et sans émettre de gaz à effet de serre. Cependant, le niveau de température auquel fonctionnent ces composants et en particulier les composants cristallins, influence sensiblement leur efficacité ainsi que leur durée de vie. Ceci est donc d’autant plus vrai en configuration d’intégration. Ces deux constats mettent en lumière l’importance du refroidissement passif par convection naturelle de ces modules. Ce travail porte sur la simulation numérique d'une façade PV partiellement transparente et ventilée, conçu pour le rafraichissement en été (par convection naturelle) et pour la récupération de chaleur en hiver (par ventilation mécanique). Pour les deux configurations, l'air dans la cavité est chauffé par la transmission du rayonnement solaire à travers des surfaces vitrées, et par les échanges convectif et radiatif. Le système est simulé à l'aide d'un modèle multi-physique réduit adapté à une grande échelle dans des conditions réelles d'exploitation et développé pour l'environnement logiciel TRNSYS. La validation du modèle est ensuite présentée en utilisant des données expérimentales du projet RESSOURCES (ANR-PREBAT 2007). Cette étape a conduit, dans le troisième chapitre du calcul des besoins de chauffage et de refroidissement d'un bâtiment et l'évaluation de l'impact des variations climatiques sur les performances du système. Les résultats ont permis enfin d'effectuer une analyse énergétique et exergo-économique. / The demand of energy consumed by human kind has been growing significantly over the past 30 years. Therefore, various actions are taken for the development of renewable energy and in particular solar energy. Many technological solutions have then been proposed, such as solar PV/T collectors whose objective is to improve the PV panels performance by recovering the heat lost with a heat removal fluid. The research for the improvement of the thermal and electrical productivities of these components has led to the gradual integration of the solar components into building in order to improve their absorbing area. Among technologies capable to produce electricity locally without con-tributing to greenhouse gas (GHG) releases is building integrated PV systems (BIPV). However, when exposed to intense solar radiation, the temperature of PV modules increases significantly, leading to a reduction in efficiency so that only about 14% of the incident radiation is converted into electrical energy. The high temperature also decreases the life of the modules, thereby making passive cooling of the PV components through natural convection a desirable and cost-effective means of overcoming both difficulties. A numerical model of heat transfer and fluid flow characteristics of natural convection of air is therefore undertaken so as to provide reliable information for the design of BIPV. A simplified numerical model is used to model the PVT collector so as to gain an understanding of the complex processes involved in cooling of integrated photovoltaic arrays in double-skin building surfaces. This work addresses the numerical simulation of a semi-transparent, ventilated PV façade designed for cooling in summer (by natural convection) and for heat recovery in winter (by mechanical ventilation). For both configurations, air in the cavity between the two building skins (photovoltaic façade and the primary building wall) is heated by transmission through transparent glazed sections, and by convective and radiative exchange. The system is simulated with the aid of a reduced-order multi-physics model adapted to a full scale arrangement operating under real conditions and developed for the TRNSYS software environment. Validation of the model and the subsequent simulation of a building-coupled system are then presented, which were undertaken using experimental data from the RESSOURCES project (ANR-PREBAT 2007). This step led, in the third chapter to the calculation of the heating and cooling needs of a simulated building and the investigation of impact of climatic variations on the system performance. The results have permitted finally to perform the exergy and exergoeconomic analysis.