Chapitre V : L’énergie solaire thermique (M. BOUAICHA) 1 Chapitre V : L’énergie

Chapitre V : L’énergie solaire thermique (M. BOUAICHA) 1 Chapitre V : L’énergie solaire thermique I. Introduction L’énergie solaire peut être exploitée par le biais de la conversion PV (chapitres 1, 2 et 3) ou par l’extraction de la chaleur produite par les photons énergétiques du rayonnement solaire. Cette dernière peut servir à de multiples applications comme le chauffage de l’eau, la cuisson, la climatisation, la production de l’électricité, etc. Ces différentes applications sont classifiées en deux catégories ; le solaire thermique basse température (BT) et le solaire thermique haute température (HT). Dans le domaine solaire thermique, on utilise toutes les données climatiques vues dans la partie PV. II. Le domaine du solaire thermique basse température 1. Définition Dans le domaine du solaire thermique basse température on utilise des capteurs thermiques assez spécifiques qui piègent la lumière incidente pour chauffer un fluide caloporteur. Ce dernier transporte la chaleur vers un réservoir d’eau sanitaire pour le chauffer. 2. Le fluide caloporteur a. Définition Un fluide caloporteur est un fluide transporteur de calories. Selon le type d’application, on distingue différents types : les fluides de réfrigération utilisés dans les réfrigérateurs, les fluides de refroidissement des moteurs de voiture par exemple, de chauffage comme le chauffage central, etc. b. Les caloporteurs Les caloporteurs sont des fluides qui peuvent être des gaz, des liquides ou des métaux liquides. Ils sont classés généralement en fonction de leurs puissances thermiques extraites W. Les meilleurs caloporteurs ont des valeurs de W les plus élevées. • Les gaz : L’hélium, l’hydrogène et le néon sont les meilleurs gaz caloporteurs avec des valeurs de W les plus importantes par rapport aux autres gaz comme l’oxygène, le CO2, l’azote, etc. Certains gaz doivent être Chapitre V : L’énergie solaire thermique (M. BOUAICHA) 2 utilisés sous formes pressurisées à cause de leur force ou puissance de soufflage importante comme l’hélium. • Les liquides : On cite l’eau et le toluène où l’eau est meilleure. • Les métaux liquides : Généralement, ce sont des métaux portés à des températures de liquéfaction, donc assez élevée, sauf pour le mercure qui est liquide aux températures ambiantes. Pour ces caloporteurs, le potassium suivi du sodium ont les meilleures valeurs de W. c. Propriétés qu’un caloporteur doit avoir Pour le bon fonctionnement de l’installation thermique, le fluide caloporteur doit avoir les propriétés suivantes : • Non corrosif, ou à la limite très peu corrosif. • Résistant aux hautes et basses températures. • Avoir une viscosité faible pour faciliter la circulation. • Assurer des pertes thermiques minimales, donc avoir une capacité calorifique importante. Dans le marché, on peut utiliser de l’eau pure ou un fluide caloporteur formé par un mélange de Monopropylène (antigel) et de l’eau avec des proportions fixées par le fabricant de l’anti gel. 3. Architecture d’une installation solaire thermique basse température Selon la spécificité de l’utilisation de l’énergie solaire thermique pour le chauffage de l’eau sanitaire, pour une piscine, pour le conditionnement climatique des serres agricoles, etc., une installation solaire thermique utilise nécessairement un capteur thermique, un ballon de stockage, un appoint, une tuyauterie et des petits équipements électroniques. Dans la figure 1 on donne le schéma synoptique d’une installation solaire thermique (ST) pour la production de l’eau chaude sanitaire. Figure 1 : Schéma synoptique d’une installation solaire thermique (ST) pour la production de l’eau chaude sanitaire. Chapitre V : L’énergie solaire thermique (M. BOUAICHA) 3 III. Les différents types de capteurs thermiques 1. Introduction On distingue deux familles de capteur thermiques ; les capteurs vitrés et les capteurs non vitrés. Les capteurs vitrés sont eux-mêmes formés par des capteurs vitrés sous vide ou non. 2. Les capteurs solaires non vitrés Les capteurs solaires non vitrés peuvent avoir différentes formes. Elles peuvent aller d’une simple tuyauterie serpentée à une structure ordonnée en forme de nappe. Généralement, ils sont utilisés pour le conditionnement climatique des locaux, pour le séchage des aliments, pour le chauffage des piscines, etc. Ci-après, on donne à la figure 2 quelques applications. Dans certains cas, on est obligé d’utiliser une pompe à eau pour faire circuler l’eau froide du site où on veut créer le chauffage vers la nappe ou la tuyauterie. Figure 2 : Photographie de quelques capteurs thermiques non vitrés. Chapitre V : L’énergie solaire thermique (M. BOUAICHA) 4 Les capteurs non vitrés ne permettent pas d’atteindre des températures élevées. Ils sont assez efficaces à très prix faibles pour des applications nécessitant une température pas très loin de la température ambiante la plus chaude. 3. Les capteurs solaires plans vitrés a. Introduction Les capteurs solaires vitrés permettent d’atteindre des températures élevées, soit 150°C. Les rendements de ces capteurs sont satisfaisants. Ces capteurs peuvent être à pression atmosphérique ou sous vide. Le vide crée dans ces derniers permet de réduire d’une manière importante les déperditions de chaleur lorsque la température augmente. Les capteurs plans vitrés sont les plus utilisés. b. Structure Un capteur plan vitré (Figure 3) est formé par : • Un absorbeur : recouvert par un revêtement sélectif en contact avec des tubes en cuivre dans lesquels circule le caloporteur pour véhiculer la chaleur vers l’extérieur du capteur. • Un vitrage pour créer l’effet de serre et minimiser les pertes par conviction. • Un isolant thermique pour minimiser au maximum les pertes. • Un joint en matière plastique pour assurer l’étanchéité de la structure contre la rosée, la pluie, le sable, etc. Figure 3 : Vues de profil et en coupe de la structure d’un capteur plan vitré. c. Principe de fonctionnement Le fonctionnement d’un capteur plan vitré est le suivant : • La lumière incidente traverse le vitrage qui doit avoir une courbe de transmission avec des valeurs importantes de la transmission dans toute la gamme spectrale solaire. Cette lumière atteint l’absorbeur qui s’échauffe et émet un rayonnement en grande partie infrarouge et fait Chapitre V : L’énergie solaire thermique chauffer à son tour le fluide caloporteur qui circule dans les tubes de cuivre. • Le film placé sur l’isolant permet de réfléc mais aussi le rayonnement émit par l’absorbeur quand il chauffe. • Le film isolant limite les pertes thermiques La figure 4 illustre une situation expérimentalement réalisable donnant les différents pourcentages lors de chaque p formant le capteur. Figure 4 : Schéma illustrant le fonctionnement des différents constituants d. Bilan thermique d’un capteur Comme dans le domaine PV, le capteur thermique parle souvent de bilan thermique d’un capteur solaire. thermique est donné à la for Où : • β est le facteur optique du capteur qui est le rapport entre l’ensoleille absorbé par l’absorbeur et l’ensoleillement incident. • K est le coefficient de déperdition thermique (en W.°C • E est la puissance incidente arrivant sur le capteur (en W.m • Tm (°C) est la température moyenne du capteur (Approximée généralement à la moyenne entre les températures d’entrée et de sortie). • Text est la température extérieure (°C). Lorsqu’on trace la variation du rendement en fonction du rapport droite de pente négative comme le montre la figure 5. L’énergie solaire thermique (M. BOUAICHA) chauffer à son tour le fluide caloporteur qui circule dans les tubes de Le film placé sur l’isolant permet de réfléchir le rayonnement incident, mais aussi le rayonnement émit par l’absorbeur quand il chauffe. Le film isolant limite les pertes thermiques La figure 4 illustre une situation expérimentalement réalisable donnant les différents pourcentages lors de chaque passage d’un faisceau lumineux à travers un des dioptres plans : Schéma illustrant le fonctionnement des différents constituants Bilan thermique d’un capteur Comme dans le domaine PV, le capteur thermique possède un rendement. On parle souvent de bilan thermique d’un capteur solaire. Le rendement mule suivante :   β  KT  T E facteur optique du capteur qui est le rapport entre l’ensoleille absorbé par l’absorbeur et l’ensoleillement incident. K est le coefficient de déperdition thermique (en W.°C-1). E est la puissance incidente arrivant sur le capteur (en W.m est la température moyenne du capteur (Approximée généralement à a moyenne entre les températures d’entrée et de sortie). est la température extérieure (°C). Lorsqu’on trace la variation du rendement en fonction du rapport   droite de pente négative comme le montre la figure 5. 5 chauffer à son tour le fluide caloporteur qui circule dans les tubes de hir le rayonnement incident, mais aussi le rayonnement émit par l’absorbeur quand il chauffe. La figure 4 illustre une situation expérimentalement réalisable donnant les différents assage d’un faisceau lumineux à travers un des dioptres plans : Schéma illustrant le fonctionnement des différents constituants d’un capteur plan. possède un rendement. On Le rendement η d’un capteur facteur optique du capteur qui est le rapport entre l’ensoleillement E est la puissance incidente arrivant sur le capteur (en W.m2). est la température moyenne du capteur (Approximée généralement à , on trouve une Chapitre V : L’énergie solaire thermique Figure 5 : Variation du rendement en fonction du rapport On note que : • L’écart du rendement à la valeur 100% est dû aux pertes optiques, telles que les réflexions sur uploads/Ingenierie_Lourd/ l-x27-energie-solaire-thermique.pdf

Tags
Ingénierie capteur thermique solaire figure capteurs
Documents similaires
  • 22
  • 0
  • 0
Afficher les détails des licences
Licence et utilisation
Gratuit pour un usage personnel Attribution requise
Partager