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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/327269717 Formation Energie Solaire thermique Presentation · August 2012 CITATIONS 0 READS 1,898 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: AHEAD advanced heat exchangers View project ASTECH View project Bernard Thonon CEA 71 PUBLICATIONS 796 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Bernard Thonon on 28 August 2018. The user has requested enhancement of the downloaded file. 1 QUESTIONS DE PHYSIQUE AUTOUR DE L’ÉNERGIE SOLAIRE 6 JUIN 2012 Journée de formation | Bernard Thonon et Philippe Malbranche | PAGE 1 CEA | 10 AVRIL 2012 Séminaire « Questions de Sciences » © P.Avavian/CEA © C.Dupont/CEA PLAN Introduction : Définition de l’énergie solaire I / Solaire Thermique II / Solaire Thermodynamique 28 AOÛT 2018 | PAGE 2 2 CONTEXTE : LA CONSOMMATION ÉNERGÉTIQUE Les formes d’énergies et leur consommation par secteur en France (moyenne) L’énergie est consommée sous différentes formes : électricité, mais aussi chaleur ou combustibles (carburant, gaz…). Il ne faut pas confondre « énergie » et « électricité » : la moitié de l’énergie consommée est de la chaleur. | PAGE 3 Graphique : Répartition de la consommation d’énergie par secteur et type d’usage en France (© CEA) Transport Secteur tertiaire / services (hors chauffage) Bâtiment (hors chauffage) Industrie (hors chauffage) Chauffage pour procédés industriels Chauffage de bâtiment Chauffage dans le secteur tertiaire / service INTRODUCTION : L’ÉNERGIE SOLAIRE 28 AOÛT 2018 | PAGE 4 CEA | 10 AVRIL 2012 3 DÉFINITION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Les technologies actuelles permettent de convertir l’énergie solaire sous deux formes : en chaleur (énergie thermique) ou en électricité. 28 AOÛT 2018 | PAGE 5 Énergie solaire électricité chaleur DÉFINITION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Selon les besoins énergétiques et les conditions présentes, trois filières d’exploitation de l’énergie solaire sont disponibles. 28 AOÛT 2018 | PAGE 6 Énergie solaire électricité thermique thermodynamique photovoltaïque chaleur 4 DÉFINITION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Principes physiques : la lumière Le soleil émet des rayonnements principalement dans la partie « visible » du spectre (lumière, entre 400 et 700 nm). Plus la longueur d’onde du rayonnement est courte, plus la quantité d’énergie portée par les photons est grande. Cette énergie peut se transmettre sous forme de chaleur : l’énergie va exciter les atomes composant la matière, qui vont s’agiter et s’échauffer. Exposés aux rayons du soleil, les capteurs vont convertir l’énergie des photons, soit en énergie thermique, soit en énergie électrique. 400 nm 700 nm λ 0,001 nm 0,01 nm 0,1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 000 nm 10 000 nm 0,1 mm 1 mm 1cm 10cm 1 m 10 m 100 m Petite longueur d’onde Haute fréquence Photons de haute énergie Grande longueur d’onde Petite fréquence Photons de faible énergie violet bleu vert jaune orange rouge Rayons gamma Rayons X Ultraviolet Visible Infrarouge Ondes submillimétriques Micro-ondes Ondes radio Schéma : Composition du rayonnement solaire (© CEA) DÉFINITION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Le rayonnement sur Terre Le rayonnement solaire qui parvient sur Terre en un an représente plus de 5 000 fois la consommation mondiale d’énergie, toutes formes et usages confondus. La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d’années, ce qui en fait une énergie durable. | PAGE 8 Près de 60% de l’énergie lumineuse arrivant vers la Terre atteint la surface du globe, qui en réfléchit une partie. Environ la moitié est absorbée par les continents et les océans. En moyenne, on peut estimer recevoir 1 000 Watts/h/m², à midi dans le sud de la France (équivalent de l’énergie nécessaire pour le fonctionnement d’une cafetière). Schéma : Le rayonnement solaire atteignant la Terre (© Yuvanoe/ CEA) 5 DÉFINITION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Le « gisement solaire » 28 AOÛT 2018 Le rayonnement solaire n’est pas uniformément réparti sur la surface de la Terre. Le soleil est disponible partout, certaines régions étant plus propices à l’exploitation de son énergie, notamment selon la latitude à laquelle on se situe. En moyenne, n’importe quelle région de la Terre reçoit 6 mois d’ensoleillement, quelque soit la latitude. En Europe, l’ensoleillement peut varier d’un facteur 2, c’est-à-dire que la région la plus ensoleillée l’est 2 fois plus que la région la moins ensoleillée. Carte : L’ensoleillement annuel moyen en Europe. (PVGIS © European Communities, 2001 – 2008) Ensoleillement global en kW/h/m² <600 1000 1400 1800 2200> DÉFINITION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Le « gisement solaire » : variations dans le temps 28 AOÛT 2018 En plus d’une variabilité géographique, l’énergie solaire disponible varie dans le temps. Variation saisonnière : l’ensoleillement varie tout au long de l’année, au fil des saisons. Variation journalière : l’ensoleillement varie dans la journée, en fonction de l’heure (matin, midi, soir) et du climat (passage nuageux etc.). zénith nord sud ouest est solstice d’été solstice d’hiver équinoxe Schéma : Variation saisonnière de l’ensoleillement (© CEA) Schéma : Variation de l’ensoleillement au cours du temps (© CEA) Notion d’adéquation entre le besoin énergétique et la disponibilité de la ressource | PAGE 10 6 I / SOLAIRE THERMIQUE : PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT 28 AOÛT 2018 | PAGE 11 CEA | 10 AVRIL 2012 L’ÉNERGIE SOLAIRE THERMIQUE : PRINCIPES Rayons solaires = flux de photons Photons = particules énergétiques de la lumière Chaleur = énergie thermique liée à l’agitation des particules constitutives de la matière (atomes) 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. 28 AOÛT 2018 | PAGE 12 Rappels agitation d’atomes chaleur photons 7 L’ÉNERGIE SOLAIRE THERMIQUE : PRINCIPES Cette chaleur va servir à augmenter la température d’un fluide caloporteur qui pourra être utilisé pour : le chauffage d’un bâtiment, la production d’eau chaude. Principe de la chaîne de conversion / utilisation de l’énergie solaire : la technologie du solaire thermique | PAGE 13 Utiliser l’énergie solaire pour produire de la chaleur Schéma : Principe des technologies solaires thermiques (© CEA) plancher solaire capteur solaire ballon d’eau chaude L’ÉNERGIE SOLAIRE THERMIQUE : PRINCIPES Plusieurs types de capteurs existent (plans, sans vitrage, à tubes sous vide). Leur utilisation dépendra de la quantité de chaleur qu’on souhaite produire, le type d’installation qu’ils doivent intégrer (centrales, maisons…), et la région dans laquelle on se trouve. 28 AOÛT 2018 | PAGE 14 Éléments constituant la chaîne de conversion : les capteurs Rôles : Capter l’énergie solaire au travers d’une surface absorbante Transférer l’énergie dans un fluide Limiter les pertes thermiques Rendement moyen des technologies actuelles de capteurs : environ 60-70% de l’énergie reçue est transformée en chaleur. Schéma : Principe des capteurs thermiques (© CEA) (5-10%) (5-10%) 8 L’ÉNERGIE SOLAIRE THERMIQUE : PRINCIPES 28 AOÛT 2018 | PAGE 15 Les différentes technologies de capteurs existantes Capteurs solaires sans vitrage : les plus simples, qui atteignent les niveaux de températures les moins élevés, utilisés principalement pour le chauffage des piscines. Le chauffage des piscines est l’une des premières utilisations faites du solaire thermique dans certains pays. Capteurs solaires plans : ils sont composés d’un vitrage qui laisse traverser le rayonnement solaire, d’un absorbeur en cuivre ou aluminium, d’un collecteur constitué de tubes en cuivre dans lequel circule le fluide. Le tout est isolé thermiquement en face arrière. Ils sont principalement destinés à la production d’eau chaude sanitaire et au chauffage. Capteurs solaires à tubes sous vide : composés d’un ou plusieurs tubes en verre dans lesquels un vide est créé afin de limiter les pertes thermiques. Photo : Panneau solaire pour le chauffage de piscine (© Giordano) Photo : Capteurs solaires à tubes sous vide (© Viessmann) L’ÉNERGIE SOLAIRE THERMIQUE : PRINCIPES 28 AOÛT 2018 Éléments constituant la chaîne de conversion : Le fluide caloporteur Ce fluide va circuler dans les capteurs et récupérer l’énergie thermique collectée. Généralement, l’eau ou un fluide antigel sont utilisés. Dans certaines applications, l’air peut également être employé en tant que fluide caloporteur. Le fluide circule ensuite dans un réseau, acheminant la chaleur pour pouvoir l’utiliser ou la stocker. 16 Schéma : Circuit du fluide caloporteur dans un système thermique (© CEA) Rappel : fluide = matière déformable (gaz, liquide…) ; ici, il s’agit généralement de liquide. 9 I / SOLAIRE THERMIQUE : LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES 28 AOÛT 2018 | PAGE 17 CEA | 10 AVRIL 2012 L’ÉNERGIE SOLAIRE THERMIQUE : TECHNOLOGIES 28 AOÛT 2018 20° C 30° C 40° C 50° C 60° C 70° C 80° C 90° C 100° C La chaleur solaire a été captée, acheminée, et peut désormais être utilisée. Il existe 3 utilisations générales de l’énergie thermique, chaque utilisation nécessitant une gamme de température à atteindre : Utilisation 1 : Chauffage de l’eau sanitaire Utilisation 2 : Chauffage de bâtiment Utilisation 3 : Climatisation intérieure, ou « froid solaire » Différentes utilisations de la chaleur solaire Piscine Chauffage de l’eau domestique Chauffage de locaux Climatisation (ou froid solaire) Chauffage pour procédés industriels Chauffage pour réseaux urbains Schéma : Utilisations possibles de la chaleur solaire (© CEA) PAGE 18 10 L’ÉNERGIE uploads/Geographie/ formation-energie-solaire-thermique.pdf