Cours - CST1 [PDF]

Zitiervorschau

Composants solaires thermiques

Code : TSEE-04 Durée : 90 heures

Année de formation : 2022/2023

Filière : Système d’énergie solaire

M. MAZROUI Ayoub

Présentation du module:

• Ce module de compétence spécifique met le point sur les différents composants du système solaire thermique.

PLAN 1

Décrire la production de chaleurs solaire thermique

Identifier le positionnement et l’hydraulique d’un capteur et un champ de capteurs et sa productivité

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2

5 6

3

Définir les concepts de stockage de chaleur

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Décrire les éléments de sécurité d’un système solaire thermique

Décrire les principes de régulation d’un système solaire thermique

Distinguer les possibilités de transfert d’énergie et la propulsion de fluide M. MAZROUI Ayoub

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➢ Caractéristiques du rayonnement solaire:

A la surface de la terre, le rayonnement solaire comprend : ▪ 6,4% dans les rayonnements d’ultra-violet (UV) de longueurs d’ondes  comprises entre 0,1 et 0,38µm ; ▪ 48% de la lumière visible : 0,38 µm <  < 0,78 µm ; ▪ 45,6% dans les rayonnements d’infra-rouge (IR) :  >0,78 µm.

➢ Différents types de rayonnement solaire: Rayonnement solaire au niveau du sol.

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But d’une installation solaire thermique

Une installation solaire thermique permet de répondre à plusieurs besoins : • La production d'Eau Chaude Sanitaire • Le chauffage du bâtiment

• La production d'électricité (centrales solaires) • Production de chaleur pour les process industriels

• La production de froid (technologie froid solaire)

Types des Installations LE CHAUFFE-EAU THERMOSIPHON MONOBLOC

✓ La circulation est assurée par le principe même du thermosiphon : chauffé par les capteurs, et donc moins dense, l’eau monte naturellement vers l’échangeur du ballon de stockage placé au-dessus des capteurs.

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Types des Installations LE CHAUFFE-EAU THERMOSIPHON MONOBLOC

Avantages :

- Système monobloc (capteurs et ballon intégrés sur un même châssis rigide). - Pose facile, coût réduit. - Fiabilité.

Types des Installations LE CHAUFFE-EAU THERMOSIPHON MONOBLOC

Inconvénients - Inesthétique. -

N’est

pas

adapté

aux

régions

froides

(fonctionnement en eau). -

Stockage

extérieures.

soumis

directement

aux

actions

Types des Installations LE CHAUFFE-EAU THERMOSIPHON A ELEMENTS SEPARES Principe Ce chauffe-eau exploite aussi le principe du thermosiphon, mais les capteurs et le ballon (placé à l’intérieur du bâtiment) sont séparés.

Types des Installations LE CHAUFFE-EAU THERMOSIPHON A ELEMENTS SEPARES Avantages - Système sans régulation.

- Risques de pannes pratiquement exclus.

Inconvénients - Mise en œuvre délicate : les préconisations des fabricants doivent être parfaitement respectées (diamètres des tubes minimums, pentes minimales).

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Types des Installations LE CHAUFFE-EAU A CIRCULATION FORCEE Principe Le liquide caloporteur circulant entre les capteurs et le ballon de stockage est mis en mouvement par un circulateur piloté par une régulation. La circulation dans le circuit primaire a lieu dès lors que l’écart de température entre les capteurs et le bas du ballon de stockage est supérieur à un seuil ΔT (différentiel de démarrage d’environ 6 K).

Types des Installations LE CHAUFFE-EAU A CIRCULATION FORCEE (SOUS PRESSION) Avantages - Système adapté à toutes les configurations d’habitat. - Risques de pannes faibles. - Système performant. - Inconvénients

- Nécessité d’une régulation différentielle pilotant un circulateur. - Besoin d’une alimentation électrique.

- Nécessité d’un liquide caloporteur antigel , sauf pour les climats chauds.

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Types des Installations LE CHAUFFE-EAU AUTOVIDANGEABLE Principe Les capteurs et leurs canalisations se vident

automatiquement à l'arrêt de la pompe dans une bouteille de récupération. Les équipements (sauf le capteur) sont situés dans une zone hors-gel.

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Avantages - sécurité du système en cas de stagnation ou de gel. - Système pouvant fonctionner sans antigel - Circuit hydraulique simplifié Inconvénients

- Régulation différentielle pilotant une pompe. - Besoin d’une alimentation électrique. - Mise en œuvre délicate.

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Les types de capteurs solaires thermiques : Il existe différents types de capteurs solaires thermiques. On peut les distinguer en fonction de leur type d'utilisation, de la nature de l'élément caloporteur utilisé et de la température atteinte. On distingue trois types de capteurs solaires thermiques : ▪ Les capteurs non-vitrés (moquettes)

▪ Les capteurs plans vitrés ▪ Les capteurs à tubes sous vide

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Le capteur moquette (capteur non-vitré) Ce capteur consiste en un réseau de tubes noirs en matière plastique, accolés les uns aux autres. Pour

chauffer l’eau d’une piscine, les capteurs peuvent être insérés dans le circuit de filtration. Ils sont ainsi directement parcourus par l’eau retournant au bassin

Eau réchauffée

Réseau de tubes noirs

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Le capteur moquette (capteur non-vitré) ➢ Tubes noirs accolés en plastique dans lesquels circule l'eau du circuit de filtration ➢ Très bon rendement à température ambiante ➢ Température en sortie peu élevée (≈ 40°C) ➢ Appliqués au chauffage des piscines ▪ Note : l'usage d'une simple bâche à bulles permet déjà d'économiser la moitié de la puissance de chauffage

Autres applications : ➢ Douche solaire ➢ ECS dans les pays chauds

➢ Couplage possible avec une pompe à chaleur pour ECS collective M. MAZROUI Ayoub

Le capteur vitré (capteur plan) Pour réduire les pertes par la face arrière du capteur, l’absorbeur est placé à l’intérieur d’un

coffre dont les parois internes sont recouvertes d’un isolant thermique (laine de verre ou mousse synthétique, par exemple). L’isolation thermique de la face avant est réalisée en interposant entre l’absorbeur et l’air, un matériau opaque au rayonnement thermique, mais transparent au rayonnement solaire. Les verres et certains matériaux synthétiques sont transparents pour le rayonnement solaire, et opaques pour le rayonnement infrarouge lointain. Ils sont donc utilisés en tant que couvertures transparentes des capteurs solaires. M. MAZROUI Ayoub

Le capteur vitré Il se compose de : un corps noir qui absorbe le rayonnement solaire un fluide caloporteur (principalement de l’eau

mélangée à un antigel) un isolant thermique une couverture transparente qui assure l’effet de serre (vitre)

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Le capteur vitré Intérêt du vitrage : création d'un effet de serre La vitre transmet le rayonnement solaire mais pas celui émit par l'absorbeur. Les pertes thermiques par rayonnement et par convection du capteur sont réduites.

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Le capteur à tube sous vide Le vide créé à l’intérieur des tubes permet de réduire les

déperditions en chaleur. Ce capteur atteint ainsi des températures plus élevées.

Applications : Chauffage solaire, eau chaude sanitaire, industrie

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Le capteur à tube sous vide Le capteur à tube sous vide de type Caloduc Le fluide caloporteur ne circule pas directement dans les

tubes, mais un autre fluide s'évapore dans un tube de cuivre situé à l'intérieur du tube sous vide. La chaleur est transmise au caloduc par l'absorbeur, ce qui produit

l'évaporation du fluide. La vapeur monte dans le condenseur. L'échangeur de chaleur avec le collecteur en cuivre qui abrite le

condenseur permet de transmettre la chaleur au fluide caloporteur et de condenser le fluide. Les condensats s'écoulent vers la partie basse du caloduc,

permettant au processus de se répéter.

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Le capteur à tube sous vide Pour assurer un bouclage du fluide dans l'échangeur de chaleur.

L’inclinaison minimale du tube absorbeur (Caloduc) doit être de (20 -30 °)

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Le capteur à tube sous vide Le tube sous vide à flux direct fait passer le fluide caloporteur directement par l'absorbeur dans les tubes sous vide

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Le capteur à tube sous vide • Meilleur rendement que les précédents : Température plus élevées en sortie • Tubes de 5 à 15 cm de diamètre • Pression < 10^-2 Pa • Nombreuses innovations ➢ Plusieurs systèmes différents peuvent se combiner

❑ Pour la collection du rayonnement

❑ Pour l'évacuation de la chaleur

✓ Tube sous vide simple, absorbeur de type ailette

✓ Tube sous vide simple, absorbeur de type ailette

✓ Double tube sous vide à effet thermos

✓ Echangeur à eau simple (Serpentin)

✓ Face arrière réfléchissante ou réflecteur externe

✓ Echangeur à tubes concentriques ✓ Caloduc (caloporteur diphasique)

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Le capteur à tube sous vide Les tubes sous vide de type Sydney (CPC) se caractérise par un tube de verre à double paroi pour éviter une perte du vide. La surface absorbant est située sur le tube de verre intérieur. L'arrondi du tube nécessite l'utilisation d'un réflecteur pour utiliser toute la surface de l'absorbeur, d'où son appellation de tube CPC (Concentrateur parabolique composé).

Dans ce cas, le vide est fait entre les deux couches de verre (principe du thermo) qui composent le tube en verre. L’intérieur de la bouteille est donc soumis à la pression atmosphérique. À l’intérieur, l’absorbeur et les tuyauteries évacuent la chaleur du creux atmosphérique central. M. MAZROUI Ayoub

Le capteur à tube sous vide Les tubes sous vide de type Sydney (CPC) se caractérise par un tube de verre à double paroi pour éviter une perte du vide. La surface absorbant est située sur le tube de verre intérieur. L'arrondi du tube nécessite l'utilisation d'un réflecteur pour utiliser toute la surface de l'absorbeur, d'où son appellation de tube CPC (Concentrateur parabolique composé).

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Le capteur à tube sous vide

» Le capteur sous vide Sydney

Bouteille de verre à double paroi

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Comparaison des températures de sortie pour les trois types de capteurs à eau ▪ Capteurs sans vitrage ➢ Polymère

➢ Métallique ▪ Capteurs plans vitrés ➢ Simple ou double vitrage ▪ Capteurs à tubes sous vides ➢ A circulation directe ➢ A caloduc

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Principe de la conversion énergie solaire en énergie thermique

Chaleur solaire • Les photons excitent des atomes en leur transmettant une part de leur énergie. •Face à ce gain d’énergie, les atomes s’agitent et s’échauffent.

PHOTONS

Agitation d’Atome

Chaleur

Bilan Energétique du capteur

• L'énergie thermique ou chaleur est l'énergie que possède un corps à cause de l'agitation désordonnée

de ses molécules. • Selon les situations, les transferts de chaleur s'effectuent de diverses manières appelés modes de transfert, Chaque mode de transfert fait intervenir des propriétés données de la matière. • Il existe trois mécanismes (ou modes) de transfert de la chaleur :

1- La conduction C’est le transfert de chaleur au sein d’un milieu sans déplacement de la matière , sous l’influence d’une différence de température. La propagation de la chaleur par conduction à l’intérieur d’un corps s’effectue

selon deux mécanismes distincts: une transmission par les vibration des atomes ou molécules et une transmission par les électrons libres.

Avec : •S : surface de passage du flux de chaleur (m²) • : conductivité thermique du milieu (w/m.C°)

•e : épaisseur du surface de passage du flux du chaleur (m)

2- La convection C’est le transfert de chaleur entre un fluide et un solide. En plus de transfert de chaleur par conduction toujours présent dans la matière, il y a dans les fluides un transfert de chaleur provoqué par l’écoulement du fluide, c’est-à-dire par le mouvement d’ensemble des particules qui le composent . Ce phénomène est appelé advection: une masse de fluide qui se déplace transporte avec elle son énergie interne. On peut donc définir la convection comme la réunion des deux mode de transfert de chaleur : la conduction, qui s’effectue à l’échelle microscopique et l’advection, qui est de nature macroscopique

3- Le rayonnement L’énergie est transportée par des ondes électromagnétiques. Tous les corps, solides , liquides ou gazeux

émettent un rayonnement thermique lorsque leur température est supérieure à 0K. Ces ondes n’ont besoin d’aucun support matériel pour se propager. Elles se déplacent dans le vide à la vitesse de la lumière(c= 3. 108 m/s).

Exemples : • Appareil de chauffage d'air constitué d'une résistance électrique et un ventilateur. L'air véhiculé par le ventilateur chauffé au passage de la

résistance électrique, ce qui lui permet, à son tour, de chauffer l'ambiance

Conduction Convection

• Lorsqu’on souffle sur une cuillerée de soupe brûlante, elle refroidit plus vite (les molécules du fluide chaud sont remplacées par de nouvelles

molécules à plus basse température). •

Une personne pieds nus et un carrelage très chaud (le transfert de chaleur va se faire du carrelage aux pieds).

•

Le meilleur exemple regroupant ces trois modes de transfert thermique est celui de la casserole pleine d’eau qui chauffe, comme le montre le schéma:

Rayonnement

Bilan Energétique du capteur • Absorption, Transmission, Réflexion Quand un rayon incident d’énergie frappe un corps à la température T, une partie de l’énergie incidente est réfléchi par la surface S, une autre partie est absorbée par le corps qui s’échauffe et le reste est transmis et continue son chemin. Avec: Et:

• Emission : Le rayonnement thermique émis par un corps porté à une certaine température résulte d'une conversion de l'énergie interne du corps en rayonnement

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Bilan Energétique du capteur • Absorption – Emission de différents revêtements

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Bilan Energétique du capteur

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Bilan Energétique du capteur • Bilan thermique global de la paroi absorbante

Pour obtenir le bilan thermique on choisi un volume qui entour tous le capteur et on définie les entrées/sorties au travers les frontières limités par ce volume voir schéma suivant.

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Bilan Energétique du capteur Flux solaire absorbé • Il représente l’énergie reçu par mètre carré de l’absorbeur

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Bilan Energétique du capteur • Flux utile C’est l’énergie absorbé par convection et conduction sous forme de chaleur par le fluide caloporteur.

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Bilan Energétique du capteur • Flux perdu Les déperditions thermiques du capteur vers l’ambiant par :

• Conduction/convection entre capteur et air du milieu extérieur exprimé par:

• Avec:

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Bilan Energétique du capteur Le flux stocké ou l’accroissement d’énergie dans le capteur s’écrit:

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Les pertes optiques :

En premier lieu, les capteurs sont caractérisés par leur rendement optique. Le rendement optique du capteur représente le pourcentage de la puissance radiative du soleil qui sera réellement absorbée par le capteur. Q1: Quel est le rendement optique B du capteur ci-dessous?

Le capteur transforme 1000 [W/m²] de rayonnement solaire en 800 [W/m²] de chaleur pour le fluide caloporteur. Son rendement optique B est donc de: (800 / 1000) x 100 = 80%

Les pertes thermiques : Lorsque le fluide caloporteur qui circule dans le capteur s’échauffe, une partie de la chaleur reçue est perdue par convection et par rayonnement vers l’extérieur. Ces pertes sont caractérisées par un coefficient k (ou a1) exprimé en [W/m².°C]. Le coefficient k indique ces pertes thermiques en watts pour 1 [m²] de capteur et pour un [°C] d’écart de température entre le fluide caloporteur et l’air extérieur. • Les capteurs plans bien isolés ont un coefficient k de l’ordre de 3 [W/m².°C] • Les capteurs sous vide ont un coefficient k de l’ordre de 1 [W/m².°C] ils perdent environ 4 fois moins de

puissance par convection et conduction pour un même écart de température entre le fluide et l’air extérieur que les capteurs plans.

Q2: Calculez la puissance réellement récupérée sur le capteur ci-dessous, sachant que son rendement optique est de 85% et son coefficient k de 3 [W/m²°C].

Q3: Quel est le rendement global du capteur solaire étudié dans l'exercice précédent?

Q4: En utilisant la formule de calcul du rendement, pour un rayonnement solaire de 1000 [W/m²], un rendement optique de 85% et un coefficient k de 3 [W/m²°C], calculez le rendement global du capteur défini dans le 1er exercice ci-dessus.

Résumé Rendement généralisé d’un capteur solaire: Selon les principes retenus par la normalisation internationale (ISO) et européenne(CEN), le rendement d’un capteur plan peut être caractérisé par trois coefficients indépendants de la température :

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