Energies renouvelables et efficacité énergétique

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Etude et dimensionnement d’une installation solairethermique pour eau chaude sanitaire d’une collectivité. Réaliser par : Encadré par : Energies renouvelables et efficacité énergétique -BOUALAM Zaineb - Mme. EL HOUCIMI Rajae : encadrant industriel - Mr. BOUMHAOUT Mustapha : encadrant universitaire Soutenu le 2/06/2021 devant la commission dexamen : Mr. MARKAZI RACHID Enseignant-Chercheur, EST Guelmim Examinateur Mr. KRIRIM Enseignant-Chercheur, EST Guelmim Examinateur Période de stage du 5 Avril 2021 au 31 Mai 2021

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Etude et dimensionnement d’une installation

solaire thermique pour eau chaude sanitaire d’une

collectivité.

Réaliser par : Encadré par :

Energies renouvelables et efficacité énergétique

-BOUALAM Zaineb - Mme. EL HOUCIMI Rajae : encadrant industriel

- Mr. BOUMHAOUT Mustapha : encadrant universitaire

Soutenu le 2/06/2021 devant la commission d’examen :

Mr. MARKAZI RACHID Enseignant-Chercheur, EST Guelmim Examinateur

Mr. KRIRIM Enseignant-Chercheur, EST Guelmim Examinateur

Période de stage du 5 Avril 2021 au 31 Mai 2021

Page 2: Energies renouvelables et efficacité énergétique

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Remerciement

EN PRÉAMBULE à CE TRAVAIL, JE TIENS à ADRESSER MES SINCèRES

REMERCIEMENTS à MLLE .EL HOUCIMI RAJAE POUR SON ACCUEIL ET LA CONFIANCE

S’IL M’ACCORDÉE DÉS MON ARRIVÉE DANS L’AGENCE, ET POUR L’ÉQUIPE DE LA

SOCIÉTÉ ENERGYTECH POUR M’AVOIR INTÉGRÉ RAPIDEMENT AU SEIN DE

L’ENTREPRISE ET M’AVOIR ACCORDÉ TOUTE LEURS CONFIANCES, POUR LE TEMPS

QU’ILS M’ONT CONSACRÉ TOUT AU LONG DE CETTE PÉRIODE, SACHANT RÉPONDRE à

TOUTES MES INTERROGATIONS.

MES PREMIERS REMERCIEMENTS à ALLAH LE TOUT PUISSANT, QUI A GUIDÉ MES PAS

DEPUIS L’AUBE DE MA VIE.

JE REMERCIE AUSSI LES MEMBRES DE JURY, MR MARKAZI RACHID ET MR.KRIRIM

PROFESSEURS à L’ÉCOLE SUPÉRIEURE DE TECHNOLOGIE DE GUELMIM D’AVOIR

ACCEPTÉ D’ÉLABORER ET JUGER CE TRAVAIL.

J’EXPRIME MA PROFONDE GRATITUDE ÉGALEMENT à TOUS MES PROFESSEURS D’ESTG,

POUR LEURS EFFORTS FOURNIS ET LA QUALITÉ D’ENSEIGNEMEN

Page 3: Energies renouvelables et efficacité énergétique

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Introduction

Dans le cadre de notre formation à l’Ecole Supérieur de Technologie, j’ai effectué un stage durant

deux mois ( ../04/2021 au ../05/2021)au sein de La société ENERGYTECH situé à Agadir .

Dans ce rapport je vais parler de Etude et dimensionnement d’une installation solaire thermique

pour eau chaude sanitaire d’une collectivité .

Le premier chapitre est consacré à une présentation générale sur la société ENERGYTECH de ses

activités et ses produits.

Le deuxième chapitre est consacré à une étudesur géneralités sur les systéme photovoltaïque et

chauffe-eau solaire .

Dans le troisième chapitre, je présenterai Dimensionnement d’une installation solaire thermique

pour eau chaude sanitaire d’une collectivité.

Ce rapport permettra donc de découvrir d’une façon globale de la société ENERGYTECH .

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Sommaire :

REMERCIEMENT

Liste des figures ........................................................................... 7

Liste des tableaux .......................................................................... 9

Introoduction.................................................................................... 10

Chapitre 1 : presentation de la société Energytech .......................... 12

I. Présentation de la société Energytech ............................ 13

II. Service études ................................................................... 13

III. Fich technique de la société Energytech .......................... 14

Chapitre 2:géneralités sur les systéme photovoltaïque et chauffe-eau solaire ..... 16

I. Le systeme photovoltaïque .................................................. 17

Introduction ....................................................................... 17

1. La cellule photovoltaïque .............................................. 17

2. Conversion photovoltaïque ........................................... 18

A) Semi-conducteur .........................................................18

B) Le dopage de semi-conducteur.................................... 19

i. Dopage de type N..................................................... 19

ii. Dopage de type P .................................................... 19

C) La Jonction PN .......................................................... 20

D) Effet photovoltaïque ................................................. 20

E) Principe de fonctionnement ..................................... 21

F) Les types des cellules photovoltaïques.................... 22

i. Cellule en silicium monocristallin ........................... 22

ii. Cellule en poly-cristallin .......................................... 23

iii. Cellule amorphe ..................................................... 23

Page 5: Energies renouvelables et efficacité énergétique

4

G) Module photovoltaïque ............................................ 24

H) Système a énergie photovoltaïque ......................... 26

i. Système photovoltaïque d’alimentation électrique ... 26

ii. Système P.V raccordé au réseau ................................ 27

II. Le chauffe-eau solaire ............................................................. 27

Introduction ............................................................................. 27

1. Les Capteurs solaires .........................................28

A) Les Capteurs plans .................................... 28

B) Les capteurs sous vide ou tubulaires ................................... 28

2. Chauffe-eau solire individuel ................................................ 30

A ) Chauffe-eau solaire à élément séparés .......................... 31

i . à convection naturelle ( en thermosiphon ) ............... 31

ii . à convection forcée .................................................... 32

3. Chauffes eau Solaire Collectifs ................................................. 33

A) Les acteurs principaux pour les installations solaires collectives…33

B ) les etapes de dimensionnement de chauffe-eau solaire collectif. 35

III. Fonctionnement général d’une installation .............................. 35

1 . Le captage ........................................................... 36

2 . Le transfert de l’énergie et le stockage ............. 40

A ) Le stockage ................................................................... 40

B ) Les échangeurs de chaleur ................................................. 41

3 . Fonctionnement d’un appoint .............................. 41

4 . Schéma bilan d’une installation en général ........... 42

Chapitre 3 : dimensionnement d’une installation solaire thermique pour eau chaude sanitaire d’une

collectivité… ............................................................................................. 43

I. dimensionnement d’une centrale solaire photovoltaïque ............. 44

Page 6: Energies renouvelables et efficacité énergétique

5

1. Estimation de l’énergie à produire ....................................................... 44

2 . l’emplacement et la situation géographique ................................ 44

3 . Estimation de la puissance crête du générateur photovoltaïque ............ 46

4 . Estimation de nombre des panneaux ....................................................... 46

5. dimensiennement et choix de l’onduleur.................................................. 46

6. Simulation de la production mensuelle de l’installation à l’aide du logiciel PVgis… ..... 47

7. Estimation budgétaire de la centrale ....................................................................... 47

II. dimensionnement d’une installation de chauffe-eau collectif ............................... 48

1) Estimer la superficie des plaques solaires nécessaires pour chauffer de l’eau ........... 48

2) Dimensionnement de l’échangeur de chaleur ...................................................... 50

3) Dimensionnement de la pompe de circulation et la vase d’expansion .................... 50

4) Estimation budgétaire de l’installation ..................................................................... 51

Conclusion ...................................................................................................................... 53

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Liste des figures

Figure 1: Organigramme de la société ENERGYTECH

Figure 2: Domaine d'intervention de la société ENERGYTECH

Figure 3 : structure basique d’une cellule solaire.

Figure 4 : le semi-conducteur (silicium).

Figure 5 : dopage de semi-conducteur de type n.

Figure 6 : dopage de semi-conducteur de type p

Figure 7 : La jonction p-n

Figure 8 : l`effet photovoltaïque.

Figure 9 : le principe de fonctionnement d`une cellule PV

Figure 10: Cellule photovoltaïque monocristalline.

Figure 11 : Cellule photovoltaïque poly-cristallin.

Figure12 : Cellule photovoltaïque amorphe.

Figure 13 : Module photovoltaïque.

Figure 14 : Câblage des cellules dans un module.

Figure 15 : Panneau photovoltaïque.

Figure 16 : Système photovoltaïque autonome.

Figure 17 : Système hybride solaire / éolien.

Figure 18: Système photovoltaïque raccordé au réseau.

Figure 19 : catégories des CES .

Figure 20 :les composants de capteur solaire.

Figure 21 : capteur sous vide .

Figure 22 : les positions des capteurs.

Figure 23 : types des capteurs .

Page 8: Energies renouvelables et efficacité énergétique

7

Figure 24 : chauffe-eau solaire individuel .

Figure 25 : chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés à convection naturelle.

Figure 26 : chauffe-eau solaire à éléments séparés à convection forcée.

Figure 27 : Production centralisée et distribution directe.

Figure 28 : Production centralisée et distribution par boucle de circulation.

Figure 29 : Appoint décentralisé avec distribution par boucle .

Figure 30 : les etapes de dimensionnement

Figure 31 : l’installation de production d’eau chaude sanitaire .

Figure 32 : coupe d’un captur solaire plan .

Figure 33 : les variations du rendement instantané en fonction de la température réduite pour

plusieurs types de capteurs.

Figure 34: rendement global d’un capteur solaire .

Figure 35 : schéma bilan d’installation en général .

Figure 36 : location de dakhla dans map RETScreen .

Figure 37 : météo menuselle PVSyst .

Figure 38 : données climatique RETScreen .

Figure 39 : orientation PVSyst .

Figure 40 : données climatique RETScreen .

Figure 41 : principe de fonctionnement d’onduleur

Figure 42 : production énergitique mensuelle .

Figure 43 :relation de efficacité solaire

Figure 44 : relation de couverture solaire .

Figure 45 : pressure loss en fonction de volume flow .

Page 9: Energies renouvelables et efficacité énergétique

8

Liste des tableaux

Tableau 1: Fiche technique de la société ENERGYTECH .

Tableau 2 : budgé de installation de centrale photovoltaïques.

Tableau 3 : budgé de installation chauffe –eau solaire collectif .

Page 10: Energies renouvelables et efficacité énergétique

9

Introduction :

La production d’énergie est un défi de grande importance pour les années à venir

effet, les besoins énergétique des sociétés industrialisées ne cessent d’augmenter. Par ailleurs,

les pays en voie de développement auront besoin plus en plus d’énergie pour mener à bien

leur développement, un grande partie de la production mondiale d’énergie est assuré à partir

de source fossile.

La consommation mondiale d’électricité observée durant ces dernières décennies est

fortement liée au développement de l’industrie, du transport et des moyens de

communications. De nos jours, une grande partie de la production électrique est produite à

partir de ressources non renouvelables comme le charbon, le gaz naturel, le pétrole et

l’uranium. Leur vitesse de régénération est extrêmement lente à l’échelle humaine. Ce qui

entrainera à plus ou moins courte échéance un risque non nul d’épuisement de ces ressources.

D’autant plus que la demande ne cesse de croître et dès à présent à être supérieure à

l’offre, se traduisant par exemple par une forte fluctuation du prix mondial du pétrole.

On distingue plusieurs types de sources d’énergies renouvelables: l’énergie

hydroélectrique, l’énergie géothermique, l’énergie éolienne, l’énergie de la biomasse et

l’énergie photovoltaïque, Aujourd’hui, les énergies renouvelables deviennent progressivement

des énergies à part entière, rivalisant avec des énergies fossiles du point de vue coût et

performance de production. Cependant, leur système de conversion de l’énergie en électricité

souffre souvent d’un manque d’optimisation qui en fait encore des systèmes trop chers, et

présentant des déficiences importantes en rendement et en fiabilité. Pour cela, bien qu’il existe

de plus en plus de travaux de recherches prouvant la viabilité de sources comme, par exemple,

l’énergie photovoltaïque (PV) ou l’énergie éolienne, beaucoup de réticentes existent encore

Page 11: Energies renouvelables et efficacité énergétique

10

pour installer ces systèmes à grande échelle, autant en production de masse que chez des

particuliers.

Bien que l’énergie photovoltaïque soit connue depuis de nombreuses années comme

source pouvant produire de l’énergie électrique allant de quelques milliwatts au mégawatt, il

est solution attrayante comme remplacement ou complément des sources conventionnelles

d'approvisionnement en électricité en raison de ses nombreux avantages :

- la production de cette électricité renouvelable n'émet pas de gaz à effet de serre, il faut

cependant réduire l’impact environnemental de la fabrication du système.

- la lumière du soleil étant disponible partout et quasi-inépuisable, l'énergie photovoltaïque

est exploitable aussi bien en montagne, dans un village isolé que dans le centre d'une grande

ville, et aussi bien au sud que dans le nord.

- l'électricité photovoltaïque peut être produite au plus près de son lieu de consommation, de

manière décentralisée, directement chez l'utilisateur, ce qui la rend accessible à une grande

partie de la population mondiale

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11

Page 13: Energies renouvelables et efficacité énergétique

12

I . Présentation de la société ENERGYTECH

La société ENERGYTECH a été fondée le 19/05/2014, résultat de l’union entre trois

associés dans des différents domaines liés au bâtiment et d’une véritable passion pour la

fourniture, l’étude, la conception et la réalisation des installations des systèmes énergétiques.

Leurs savoir-faire et leurs compétences reposent sur les compétences de ses équipes que ça soit

dans d’études, ou sur terrain. Des personnels expérimentés, sérieux et motivés sont la clé de

réussite de chaque société.

Leur philosophie est de Réaliser des prestations de qualité dans une recherche constante de la

satisfaction du client.

La figure ci-dessous représente l‘organigramme de la société ENERGYTECH

Figure 1: Organigramme de la société ENERGYTECH

II. Service études :

La société ENERGYTECH dispose d’un bureau d’études interne ou j’ai passé ma

période de stage. Il prend en charge la réalisation des études techniques aux différents stades

d’avancement des projets, des devis estimatif et quantitatif, la reprographie des documents

Page 14: Energies renouvelables et efficacité énergétique

13

ventilation et

traitment d'air

chauffage pompage et

énergies renouvlables

électricité et automartisme

techniques, la veille technologique. Ce bureau d’étude apporte une assistance technique aux

conducteurs des travaux, et à la maîtrise d’œuvre désignée par le client.

Le Bureau d’Études a aussi la responsabilité de proposer des solutions (figure 2) efficace

dans tous les domaines d’intervention.

Figure 2: Domaine d'intervention de la société ENERGYTECH

La société ENERGYTECH collabore avec les marques de fabrication et distribution des

matériels, pour répondre aux besoins de leurs clients que ça soit au niveau de climatisation, froid,

chauffage et ventilation ou au niveau d’électricité et plomberie

III. Fiche technique de la société ENERGYTECH :

Le tableau Ci-dessous représente la fiche technique de la société ENERGYTECH :

solutions energytech

froid et climatisation

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Nom de la sté Sté ENERGYTECH

Activité Fourniture, Etude, Conception, et Réalisation de climatisation, Ventilation, Froid, Electricité et Solaire

Directeur générale EL BOURKI HICHAM

Date de création 19/05/2014

Adresse N°01 Block C Assaka-AGADIR

Capitale 100.000 DHs

TeL 0528262222

GSM +212661381531

E-mail [email protected]

Forme juridique S.A.R.L

Effectif de 5 à 10 salariés

N°RC 27545

ICE 000076761000052

IF 76148153

Patente

48757548

Taille

PME

DATE de création 2014

Logo

Tableau 1: Fiche technique de la société ENERGYTECH .

Page 16: Energies renouvelables et efficacité énergétique

15

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16

I. Le systeme photovoltaïque :

Introduction :

L’effet photovoltaïque a été découvert par le physicien français A. Becquerel en 1839. Le mot «

photovoltaïque » vient du mot « photo » (du grec « phos » qui signifie « lumière ») et du mot «

Volt » (patronyme du physicien Alessandro Volta qui a contribué de manière très importante à la

recherche en électricité).

Le développement des cellules solaires a suivi les progrès de l’industrie des semiconducteurs, en

particulier ceux de l’industrie du silicium qui constitue le principal matériau à partir duquel sont

fabriquées les cellules. Les premières cellules ont été conçues pour permettre une alimentation

électrique fonctionnant plusieurs années sur les satellites. De grandes sociétés de l’électronique

se sont au début intéressées à cette technologie pour alimenter des sites isolés (mesures,

télécommunications, balises…) avant que les successifs chocs pétroliers relancent leur intérêt

dans les années soixante-dix. A partir de cette période, des sociétés spécialisées dans ce domaine

se sont créées, tout d’abord aux USA, ensuite au Japon et en Europe.

La technologie des cellules au silicium est maintenant bien maîtrisée et les nouveaux

développements se concentrent sur l’amélioration du rendement et l’abaissement des coûts de

fabrication. En parallèle avec ces produits existants, de nouvelles cellules, utilisant des

phénomènes proches de la photosynthèse, pourraient apparaître sur le marché dans la prochaine

décennie si les développements prometteurs obtenus en laboratoire se concrétisent par des

produits industriels

1. La cellule photovoltaïque :

La cellule photovoltaïque ou encore photopile est le plus petit élément d’une installation

photovoltaïque. Elle est composée de matériaux semi-conducteurs et transforme directement

l’énergie lumineuse en énergie électrique.

Les cellules photovoltaïques sont constituées :

✓ D’une fine couche semi-conductrice (matériau possédant une bande interdite, qui joue le

rôle de barrière d’énergie que les électrons ne peuvent pas franchir sans excitation extérieure,

et dont il est possible de faire varier les propriétés électriques) tel que le silicium, qui est un

matériau présentant une conductivité relativement bonne.

✓ D’une couche antireflet permettant une pénétration maximale des rayons solaires.

✓ D’une grille conductrice sur le dessus ou cathode et d’un métal conducteur sur le dessous ou

anode.

Les plus récentes possèdent même une nouvelle combinaison de multicouches réfléchissantes

juste en dessous de semi-conducteur, permettant à la lumière de rebondir plus longtemps dans

Page 18: Energies renouvelables et efficacité énergétique

17

celui-ci pour améliorer le rendement.

Figure 3 : structure basique d’une cellule solaire.

Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui

consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la

lumière. La tension générée peut varier entre 0.3V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de

sa disposition ainsi que de la température et du vieillissement de la cellule.

2. Conversion photovoltaïque :

A) Semi-conducteur :

Les matériaux semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité électrique est intermédiaire

entre celle des conducteurs et celle des isolants. Les quatre électrons de valence du silicium

permettent de former quatre liaisons covalentes avec un atome voisin. Dans ce cas, tous les

électrons sont utilisés et aucun n’est disponible pour créer un courant électrique.

Figure 4 : le semi-conducteur (silicium).

Page 19: Energies renouvelables et efficacité énergétique

18

B) Le dopage de semi-conducteur :

Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce

procédé est appelé dopage.

i. Dopage de type N :

On remplace un atome de silicium par un atone pentavalent (phosphore p). Quatre

d’entre eux assurent les liaisons avec les atomes voisins de silicium et le cinquième reste

disponible, il sera excité vers la bande de conduction très facilement par l’agitation thermique.

D’où le nombre d’électron libre qui va fortement augmenter : dans ce cas le nombre de trou

est très inférieur au nombre d’électron libre. On obtient ainsi un cristal dopé N (négatif).

Figure 5 : dopage de semi-conducteur de type n.

ii. Dopage de type P :

De la même façon on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont assurer les

liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce trou se

déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant.

Ici le nombre de trous est très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal intrinsèque,

on obtient donc un cristal dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore B.

Page 20: Energies renouvelables et efficacité énergétique

19

Figure 6 : dopage de semi-conducteur de type p.

C) La Jonction PN :

Une jonction PN est l’accolement d’une région dopé P et d’une région dopée N. Lors de

cet assemblage les porteurs de charges libres s’attirent et se recombinent dans la zone de

jonction où les porteurs libres disparaissent : c’est la zone de transition. Il ne reste donc plus

que les ions dans cette zone qui vont créer un champ électrique interne au niveau de la

jonction et qui empêche les charges libres restantes dans chaque zone de traverser la jonction

pour se recombiner.

Figure 7 : La jonction p-n.

D) Effet photovoltaïque :

Page 21: Energies renouvelables et efficacité énergétique

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La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique repose sur l’effet photovoltaïque, c’est-à-

dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charges (électrons et trous) dans un

matériau. Lorsqu’un semi-conducteur est illuminé avec un rayonnement de longueur d’onde

appropriée (l’énergie des photons doit être au moins égale à celle du gap énergétique du

matériau), l’énergie des photons absorbée permet des transitions électroniques depuis la bande

de valence vers la bande de conduction du semiconducteur, générant ainsi des paires électrons-

trous, qui peuvent contribuer au transport du courant (photoconductivité) par le matériau

lorsqu’on le polarise.

Si on illumine maintenant une jonction PN représenté sur la figure, les paires électrons-trous qui

sont créés dans la zone de charge d’espace de la jonction sont immédiatement séparées par le

champ électrique qui règne dans cette région, et entraînées dans les zones neutres de chaque

côté de la jonction. Si le dispositif est isolé, il apparaît une différence de potentiel aux bornes de la

jonction (photo tension), s’il est connecté à une charge électrique extérieure, on observe le

passage d’un courant alors qu’on n’applique aucune tension au dispositif. C’est le principe de base

d’une cellule photovoltaïque.

Figure 8 : l`effet photovoltaïque.

E) Principe de fonctionnement :

Pour créer un courant électrique dans un semi-conducteur, il faut lui fournir une énergie qui

permet d’extraire des électrons de la bande de valence pour les transférer dans la bande de

conduction, soit une énergie supérieure au gap de la bande interdite. La lumière dont les photons

transportent une énergie : E = hυ permet d’atteindre cet effet : c’est l’effet photovoltaïque.

La lumière pénétrant dans un semi-conducteur permet donc, si son énergie est supérieure au gap

de faire passer le semi-conducteur de l’état isolant à l’état conducteur, ce phénomène augmente

lorsque la température du semi-conducteur s’élève. Lorsqu’un électron est extrait de la bande de

valence pour passer dans la bande de conduction, il laisse derrière lui une vacance ou un trou à sa

place, alors un autre électron proche de la bande de valence peut combler ce trou et laisser

derrière lui à son tour un trou, on aura ainsi établi un courant de trous. Les deux types de courant

ne seront pas différenciés, on parlera simplement de courant, qu’il s’agisse d’électrons ou de

trous.

Page 22: Energies renouvelables et efficacité énergétique

21

De même on dit que l’absorption de l’énergie des photons par le semi-conducteur crée des paires

de porteurs électron-trou. L’effet photoélectrique modifie simplement la conductivité électrique

de certains semi-conducteurs, ceci est utilisé pour fabriquer des résistances dépendant de la

lumière, composants largement utilisés dans les appareils photographiques et partout où la

lumière doit être mesurée. Pour transformer le semiconducteur photosensible de composant

passif en composant actif, il faut pouvoir générer un courant de porteurs, donc apporter une force

qui obligera les électrons et les trous à s’écouler dans deux directions opposées. Cette force sera

réalisée par un champ électrique interne provenant du dopage du semi-conducteur.

Figure 9 : le principe de fonctionnement d`une cellule PV.

F) Les types des cellules photovoltaïques :

Les différentes techniques utilisées de nos jours, ont permis de mettre au point divers types de

cellules au silicium : monocristallin, poly-cristallin, amorphe. Il existe aussi d'autres types de

cellules qui utilisent d'autres types de matériaux.

i. Cellule en silicium monocristallin :

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grandes

dimensions. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules

sont en général d'un bleu uniforme. Les cellules monocristallines sont les plus commercialisés

offrant un bon rendement électrique compris entre 10% et 17%, mais font appel à une méthode

de production plus complexe et donc coûteuse.

En effet, l’obtention d’un cristal pur nécessite une grande quantité d’énergie.

Page 23: Energies renouvelables et efficacité énergétique

22

Figure 10: Cellule photovoltaïque monocristalline.

ii. Cellule en poly-cristallin :

Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux.

La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés

par les différents cristaux. Les cellules poly-cristallines ont un rendement électrique compris

entre 11% et 15%. Leur procédé de fabrication consomme moins d’énergie. Elles ont ainsi un coût

de

production plus faible mais un rendement légèrement inférieur à celui des cellules

monocristallines.

Figure 11 : Cellule photovoltaïque poly-cristallin.

iii. Cellule amorphe :

Page 24: Energies renouvelables et efficacité énergétique

23

Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La

cellule est marronne. C’est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires »,leurs coûts

de fabrication sont les plus intéressants, mais elles ont un rendement compris entre 5 et 7%.

Figure12 : Cellule photovoltaïque amorphe.

G) Module photovoltaïque :

La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance

vis-à-vis des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule

élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés, délivre au maximum, quelques watts

sous une tension inférieure au volt (tension de jonction PN). Pour produire plus de puissance,

plusieurs cellules doivent être assemblées afin de créer un module ou un panneau

photovoltaïque. En effet, les modules PV sont composés d’un ensemble de cellules mises en

série, réalisant la conversion proprement dite de la lumière du soleil en électricité.

Ils sont eux-mêmes associés en série et parallèle pour former un champ photovoltaïque

d’une puissance crête définie selon des conditions spécifiques d’éclairement, de température

et de spectre solaire. La plupart des modules commercialisés sont constitués de deux à quatre

réseaux de cellules en silicium cristallins connectés en série

Page 25: Energies renouvelables et efficacité énergétique

24

.

Figure 13 : Module photovoltaïque.

Figure 14 : Câblage des cellules dans un module.

Les modules photovoltaïques assurent les fonctions suivantes :

• Protection des cellules contre les agents atmosphériques.

• Protection mécanique et support.

• Connexion électrique entre cellules et avec l’extérieur.

Les principales caractéristiques d’un module :

Puissance crête :

La puissance électrique produite par un module varie en fonction de l’ensoleillement.

La puissance crête d’un module est la puissance délivrée sous un éclairement de

1000W/m² et

pour une température de jonction de la cellule de 25°C. En France l’éclairement

maximum

reçu, la puissance crête correspond donc à une puissance maximum que le module peut

fournir.

Rendement:

Le rendement dépend des conditions de fonctionnement électrique (intensité,

tension) des cellules. Il passe par un maximum à ce que l'on appelle le point de puissance

maximale.

Panneau photovoltaïque :

Le panneau solaire ou (champ solaire) se compose de modules photovoltaïques

interconnectés en série et/ou en parallèle afin de produire la puissance requise. Ces

modules sont montés sur une armature métallique qui perm et de supporter le champ

solaire avec un angle d’inclinaison spécifique.

Page 26: Energies renouvelables et efficacité énergétique

25

Figure 15 : Panneau photovoltaïque.

Pour chaque panneau on peut avoir autant de sorties que de modules, ce qui fait qu’on

aura besoin de boite de dérivation qui les regroupe, Alors cette boite de dérivation fixée sur

une structure du montage a comme rôle d’effectuer les connections entre les modules pour

obtenir une puissance optimale en sortie.

H) Système a énergie photovoltaïque :

i. Système photovoltaïque d’alimentation électrique :

Un système photovoltaïque peut fonctionner hors du réseau d’électricité

conventionnelle C’est un système autonome qui exige l’utilisation de batteries pour le

stockage d’énergie.

Figure 16 : Système photovoltaïque autonome.

Diverses sources peuvent être combinées et complémentaires dans un tel système

(système autonome hybride).

Page 27: Energies renouvelables et efficacité énergétique

26

Figure 17 : Système hybride solaire / éolien.

ii. Système P.V raccordé au réseau :

Le courant généré peut être utilisé localement et les surproductions sont injectées

au réseau. La centrale de distribution électrique se charge également d’équilibrer l’offre et la

demande.

Figure 18: Système photovoltaïque raccordé au réseau.

I. Le chauffe-eau solaire :

Introduction : Les systèmes utilisés pour la production d'ECS dans l'habitat individuel sont appelés Chauffe-

Eau Solaire Individuel ou CESI.

Les systèmes utilisés pour la production d'ECS, de chauffage de l'habitat

sont appelés Systèmes Solaires Combinés ou SSC.

En solaire thermique (récupération de chaleur) les technologies actuelles permettent

de récupérer de 80 à 90 % de la puissance solaire reçue.

Page 28: Energies renouvelables et efficacité énergétique

27

Figure 19 : catégories des CES .

1. Les Capteurs solaires :

Les capteurs doivent :

➢ Permettre la meilleure récupération possible .

➢ Etre le moins encombrants possible .

➢ Ne pas être trop lourds .

➢ Etre résistants et faciles à entretenir .

➢ Etre d’un prix raisonnable.

A) Les Capteurs plans :

Les capteurs plans sont composés :

- D'un boîtier ou coffre en profilé d'aluminium avec joint d'étanchéité

- D'un couvercle transparent en verre trempé sur la face avant

- D'un isolant thermique sur la face arrière

- D'une plaque absorbante ou absorbeur en cuivre recouvert d'un revêtement sélectif

- De tubes de cuivre soudés sur l'absorbeur à l'intérieur desquels circule le fluide caloporteur

Figure 20 :les composants de capteur solaire.

B) Les capteurs sous vide ou tubulaires :

Page 29: Energies renouvelables et efficacité énergétique

28

Les capteurs sous vide sont constitués de deux tubes de cuivre concentrique soudés sur une

ailette plane ou un "absorbeur". L'ensemble est scellé dans un tube de verre tiré au vide

partiel ou total. A l'intérieur des tubes de cuivre circule le fluide caloporteur.

Les tubes sont couplés au collecteur sur chantier.

Par [m²], ces capteurs présentent moins de pertes thermiques que les capteurs

plans, mais sont actuellement nettement plus onéreux.

Figure 21 : capteur sous vide .

Il existe différentes versions de tube sous vide :

- Tubes sans ailette mais avec le fond du tube de verre recouvert d'argent pur.

- Capteurs à caloduc : dans ces capteurs circule un fluide frigorigène dont

l’évaporation/condensation aide à la récupération Positionnement des capteurs :

On distingue :

✓ Les capteurs superposés à la toiture (rénovation) .

✓ Les capteurs intégrés à la toiture (installations neuves) .

✓ Les capteurs installés sur châssis (sur terrasses).

Page 30: Energies renouvelables et efficacité énergétique

29

Figure 22 : les positions des capteurs.

Figure 23 : types des capteurs .

2 . chauffe-eau solire individuel : Un chauffe-eau solaire est un dispositif de captage de l'énergie solaire destiné à fournir

partiellement ou totalement de l'eau chaude sanitaire. Quand il est destiné à une maison

individuelle ou à l'usage d'un seul foyer, on parle de CESI, pour « chauffe-eau solaire

individuel».

Page 31: Energies renouvelables et efficacité énergétique

30

Installation permettant de chauffer l'eau d'une habitation grâce à l'énergie solaire.

Dans le cas d'un CESI (Chauffe-eau solaire individuel), le fluide caloporteur du panneau

solaire transmet sa chaleur à l'eau sanitaire en passant dans un échangeur thermique . Alors

qu'il a cédé sa chaleur, il repart vers les capteurs où il sera de nouveau réchauffé. L'eau

chaude sanitaire est stockée dans un ballon auquel on peut adjoindre un dispositif

complémentaire (résistance électrique ou deuxième échangeur thermique relié à une

chaudière traditionnelle au gaz, au fioul ou au bois) permettant de pallier à un défaut

d'ensoleillement.

Il se compose principelment des éléments suivants :

▪ Capture solaire constitué de :

➢ Un corps noir

➢ Un fluide caloprteur ( eau+antigel)

➢ Un isolant thermique

➢ Tuyautrie

➢ Accessoires : pompe (circulateur) ; regulation thermique…

Principe de fonctionnement :

Le principe de fonctionnement repose sur les étapes suivantes :

➢ La captions des rayons solaires

➢ La transmission de la chaleur de ces capteurs à un fluide caloporteur par

l’intermédiaire d’un circuit primaire.

➢ La transmission de cette chaleur à l’eau stockée dans un ballon solaire .

La circulation du fluide peut étre naturelle ou forcée .

Figure 24 : chauffe-eau solaire individuel .

A ) Chauffe-eau solaire à élément séparés :

i . à convection naturelle ( en thermosiphon ) :

Page 32: Energies renouvelables et efficacité énergétique

31

Figure 25 : chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés à convection

naturelle.

• Le ballon est palcé plus haut que les capteurs.

• Le fluide caloporteur dans les capteurs est plus chaud que celui dans le

ballon d’où le mouvment du fluide est naturelle (sans ni pompe ni régulation )

dù à la diffirence des densités des deux fluides.

ii . à convection forcée :

Figure 26 : chauffe-eau solaire à éléments séparés à convection forcée.

• Système acctif : le fluide est mis en circulation par une pompe ou circulateur.

• Régulation nécessaire pour déclencher le mouvement du liquide caloporteur par l’action

d’une pompe ( ou circulateur) quand la tempérarue du fluidedans les capteurs est

supérieure à celle contenue dans le ballon .

Page 33: Energies renouvelables et efficacité énergétique

32

3. Chauffes eau Solaire Collectifs :

Les installations Solaires Thermiques Collectives destinées au préchauffage de l'Eau Chaude

Sanitaire– poste de consommation d'énergie prépondérant sur la facture énergétique d'un

bâtiment performant - en font partie. A ce jour, elles sont souvent prescrites par les bureaux

d'études, en neuf ou rénovation.

Leur principal intérêt est de faire gagner une part non négligeable d'énergie ; elles devraient

connaître un essor encore plus important à l'avenir.

Le soleil est la source d'énergie des capteurs solaires thermiques. Cette ressource est difficilement

maîtrisable et très variable. Par ailleurs, la quantité d'énergie

récupérée peut ne pas correspondre aux besoins d'eau chaude sanitaire, eux aussi fluctuants et

dépendants de l'occupation du bâtiment.

Tout ceci se traduit par des sous ou surproductions d'énergie qui sont à prendre en compte dès

les phases de dimensionnement et de conception si on veut éviter lecontre références en solaire.

A ) Les acteurs principaux pour les installations solaires collectives :

✓ Maîtres d’ouvrages /exploitants :

Toute collectivité publique, entité privée ou bailleur social ayant un projet d’installation solaire.

✓ Bureau d’étude/ingénieur-conseil :

Toute installation collective si elle veut bénéficier d’une subvention de l’état doit faire l’objet

d’une étude réalisée par un professionnel qualifié et indépendant type bureau d’étude, ingénieur-

conseil. C’est à eux que revient la définition des éléments constitutifs de l’installation et des

schémas de réalisation.

En cas de Garantie des Résultats Solaires (GRS), c’est à l’ingénieur de la formaliser.

✓ Garantie des Résultats Solaires (GRS) :

Défini à la fin des années 80, ce concept recouvre un engagement sur la fourniture durable d’une

certaine quantité prédéterminée d’énergie solaire en sortie ballon de stockage solaire qui équipe

l’installation.

La quantité de kWh solaires garantis est assurée durablement (5 années) par le groupement

d’entreprises solidaires qui est chargé de la conception et de la réalisation de l’installation

projetée et éventuellement de son exploitation/maintenance ultérieure.

Page 34: Energies renouvelables et efficacité énergétique

33

Figure 27 : Production centralisée et distribution directe.

Figure 28 : Production centralisée et distribution par boucle de circulation.

Figure 29 : Appoint décentralisé avec distribution par boucle .

Page 35: Energies renouvelables et efficacité énergétique

34

B ) les etapes de dimensionnement de chauffe-eau solaire collectif :

Figure 30 : les etapes de dimensionnement

II. Fonctionnement général d’une installation : Une installation de production d’eau chaude sanitaire par l’énergie solaire comporte en général 5

sous-ensembles caractérisant: le captage, le transfert, le stockage, l’appoint et la distribution.

La réduction des consommations d’énergie par rapport à une installation classique dépend du

climat, du lieu d’implantation des capteur solaires, du dimensionnement et de la conception

du système, ainsi que du choix des composants et de leur maintenance. Il est donc nécessaire,

lors de l’étude d’un projet,

de chercher le meilleur ajustement économique de la taille des équipements solair aux

besoins à satisfaire, ainsi qu’une conception optimale des sous-systèmes, de manière à :

- optimiser le captage et le stockage de l’énergie solaire ;

- dissocier l’énergie solaire et l’énergie d’appoint ;

- consommer en priorité l’énergie solaire ;

- conserver à l’énergie d’appoint un caractère de stricte complémentarité.

Page 36: Energies renouvelables et efficacité énergétique

35

1 . Le captage :

Une installation de production d’eau chaude sanitaire par l’énergie solaire est généralement

constituée de capteurs solaires plans à circulation de liquide qui effectuent la conversion du

rayonnement électromagnétique émis par le soleil, en chaleur et permettent le transfert de cette

énergie calorifique en la cédant à un fluide caloporteur.

▪ Principes de fonctionnement

Un capteur solaire plan est essentiellement constitué d’une surface absorbante exposée au

rayonnement solaire, qui échange avec un fluide caloporteur, les calories produites par

absorption du rayonnement incident, et émet en s’échauffant un rayonnement thermique de

plus grande longueur d’onde (Loi de Stefan-Boltzman). Si cet absorbeur est en contact direct avec

l’air environnant, en plus des pertes par rayonnement, les pertes par convection peuvent être

importantes. Il s’établit alors un équilibre thermique entre l’absorbeur et le milieu ambiant. On

capte ainsi peu d’énergie. 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

opaque pour le rayonnement infrarouge lointain. Ils sont donc utilisés en tant que couvertures

transparentes des capteurs solaires.

Dans un capteur équipé d’une couverture transparente, le rayonnement thermique émis par

l’absorbeur est absorbé par la couverture transparente qui s’échauffe et rayonne à son tour par

les deux faces. En première approximation, on peut considérer qu’une moitié du rayonnement

se disperse dans le milieu extérieur et que l’autre moitié, ré-émise vers l’absorbeur est à

l’origine de l’effet de serre. Les couvertures ont également pour rôle de limiter les pertes par

convection, étant donné que les échanges thermiques entre deux plaques séparées par une

lame d’air immobile, se font essentiellement par conduction et qu’il est connu que l’air

immobile est un bon isolant thermique. Cet effet d’isolation croît avec l’épaisseur de la lame

d’air séparant les deux surfaces, tant que le phénomène de transfert reste conductif (2 à 3 cm

d’épaisseur). Au-delà, les effets de la convection naturelle viennent contrarier l’effet recherché.

Figure 31 : l’installation de production d’eau chaude sanitaire .

Page 37: Energies renouvelables et efficacité énergétique

36

Une autre méthode pour réduire les pertes du capteur est la réalisation, sur la surface de

l’absorbeur, d’un revêtement sélectif, présentant un coefficient d’absorption le plus élevé

possible pour les longueurs d’onde du spectre solaire (inférieures à 2,5 µm) tout en ayant une

émissivité la plus faible possible dans le domaine de l’infrarouge correspondant au rayonnement

de l’absorbeur (longueurs d’onde supérieures à 2,5 µm). De tels revêtements sélectifs sont

réalisés par dépôt chimique ou par traitement électrochimique de la surface absorbante. Enfin

les capteurs sous vide permettent de réduire les pertes par convection en plaçant l’absorbeur à

l’intérieur d’une enceinte en verre dans laquelle un vide d’air à été fait (dans ce cas, les tubes

dans lesquels circule le liquide sont en cuivre).

Figure 32 : coupe d’un captur solaire plan .

▪ Bilan énergétique global :

En régime permanent de fonctionnement, on obtient l’équation caractéristique d’un capteur

solaire plan en écrivant son bilan énergétique global : Qu = Qa - Qp

Expression dans laquelle :

- Qu est la puissance cédée au fluide caloporteur ;

- Qa est la puissance solaire absorbée ;

- Qp est la puissance correspondant aux pertes thermiques.

Pour évaluer l’énergie absorbée par le capteur, il faut théoriquement distinguer dans l’énergie

incidente, les parts du rayonnement direct et du rayonnement diffus, en les affectant de

coefficients de transmission et d’absorption appropriés. Toutefois, dans la pratique, on

considère la composante normale au plan du capteur, du rayonnement solaire global incident.

Dans ces conditions, lpuissance absorbée, en Watts, est donnée par l’expression :

Qa = A . τs . αs . G

Dans laquelle :

Page 38: Energies renouvelables et efficacité énergétique

37

- A est la surface d’entrée du capteur en m2 ;

- τs et αs sont les valeurs moyennes des coefficients de transmission de la couverture

transparente et d’absorption de l’absorbeur sur l’ensemble du spectre solaire ;

- G est l’éclairement énergétique global en W/m2(de surface d’entrée), mesuré dans le plan du

capteur. Compte tenu de l’épaisseur relativement faible d’un capteur plan, on peut, en

première approximation, négliger les pertes par les parois latérales et ne considérer que les

pertes par les faces avant et arrière. La puissance correspondante est alors :

Qp = QAV + QAR

Ramenées à l’unité de surface de l’absorbeur, toutes les pertes, qui sont des flux thermiques du

capteur vers l’extérieur, peuvent être exprimées en fonction de la différence de température qui

les provoque,

par :

QAV / A = UAV (Tm-Ta) et QAR / A = UAR (Tm-Ta)

Soit : QA / A = U (Tm-Ta)

Avec :

U = UAV + UAR

UAV : coefficient de déperditions thermiques par la face avant (W/m2. K) ;

UAR : coefficient de déperditions thermiques par la face arrière (W/m2. K) ;

Tm : température moyenne de l’absorbeur ;

Ta : température ambiante moyenne.

L’équilibre thermique à un instant donné, entre le flux énergétique solaire reçu par le capteur, le

flux d’énergie utile que l’on peut en extraire et ses pertes thermiques propres, permet d’écrire

l’expression suivante du rendement instantané : η = η0 – U(Tm-Ta) / G .

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 :

η = η0 – a1T* - a2 G(T*)2

Avec :

- η0 : coefficient de conversion optique (%) ;

Page 39: Energies renouvelables et efficacité énergétique

38

- a1 : coefficient de déperditions thermiques par conduction (W/m2.K) ;

- a2 : coefficient de déperditions thermiques par convection (W/m2.K2).

Figure 33 : les variations du rendement instantané en fonction de la température réduite pour

plusieurs types de capteurs.

Pour des valeurs de T* inférieures à 0,07, on peut raisonnablement représenter ces variations par

des relations linéaires. Le rendement s’écrit alors :

η = η’ – a’T*

Dans la norme française NF P50-501, les coefficients η’ et a’ sont nommés respectivement :

facteur optique du capteur et conductance thermique totale des pertes

Page 40: Energies renouvelables et efficacité énergétique

39

Figure 34: rendement global d’un capteur solaire .

2 . Le transfert de l’énergie et le stockage :

A ) Le stockage :

Le stockage de l’énergie captée permet de pallier le caractère discontinu de l’énergie solaire.

L’accumulation de l’énergie dans le stockage se traduit par une élévation de sa température.

Pour apprécier l’efficacité d’un système de stockage, il faut rappeler que le rendement d’un

capteur dépend essentiellement de la température moyenne du fluide qui le traverse, donc de

la température du fluide au retour du stockage. L’une de caractéristiques essentielles de

l’aptitude à l’emploi du stockage sera de fournir, à l’entrée des capteurs, un fluide dont la

température sera la plus basse possible. Le transfert de chaleur des capteurs vers le ballon

s’effectue de deux façons différentes : soit par circulation forcée avec une pompe commandée

par un dispositif de régulation soit par circulation naturelle ou thermosiphon.

Les systèmes fonctionnant par thermosiphon présentent l’avantage par rapport aux systèmes

habituels avec circulateurs de ne nécessiter aucun dispositif de régulation des apports solaires,

ni pompes de mise en circulation du fluide caloporteur. Ce pendant, dans les faits, les

installations en thermosiphon ne concernent généralement que certaines fabrications de

chauffe-eau individuels et restent l’exception pour les installations collectives. En raison des

problèmes hydrauliques posés par les champs de capteurs de grandes dimensions, et des

contraintes architecturales posées par la disposition des capteurs sous le stockage, la circulation

du fluide caloporteur par thermosiphon est, sauf cas particulier, mal adaptée aux installations

collectives.

Page 41: Energies renouvelables et efficacité énergétique

40

B ) Les échangeurs de chaleur :

Sur l’ensemble du territoire métropolitain, il est nécessaire de protéger les équipements solaires

contre les risques de gel. Dans la plupart des cas, les capteurs sont protégés par un fluide non

gélif,ce qui implique la présence d’un échangeur. On distingue deux catégories d’échangeurs :

les échangeurs intégrés au stockage et les échangeurs extérieurs au stockage.

Dans le cas où l’échangeur est situé à l’extérieur du stockage, l’échange se fait de part et d’autre

par convection forcée. Les surfaces d’échange sont en général réduites par rapport à un

échangeur intégré. Dans tous les cas, l’efficacité d’un échangeur ne dépend pas de la

température des fluides mais des caractéristiques géométriques de l’échangeur et des débits

calorifiques. Dans la pratique, l’efficacité des échangeurs est de l’ordre de 0,6 à 0,8. Notons que

si l’efficacité d’un échangeur est médiocre, non seulement le transfert de chaleur sera faible,

mais la température de retour du fluide dans le capteur sera élevée et le rendement du capteur

sera diminué.

Lorsque l’échangeur est incorporé au stockage, il est disposé en partie basse du ballon. Cette

disposition permet, à condition que la surface d’échange soit suffisante, de réchauffer de

manière homogène le volume d’eau baignant l’échangeur, tant que la température de celui-ci

n’aura pas atteint à 3 ou 4 degrés près, la température de la partie supérieure du ballon. À

chaque introduction d’eau froide dans le stockage au moment des soutirages, on évite ainsi

d’envoyer dans la partie haute du ballon, de l’eau insuffisamment réchauffée (Stratification des

températures). Cette disposition permet de plus, d’alimenter les capteurs solaires avec un

fluide dont la température en sortie de l’échangeur est la plus faible possible compte tenu des

conditions de soutirage et de la stratification des températures. En outre, elle permet de limiter

les risques de pertes thermiques par circulation inverse dans les capteurs en cas de mauvais

fonctionnement du clapet anti-retour.

Il y a également un aspect dont nous ne parlerons presque pas dans ce dossier, il s’agit de la

régulation du circuit primaire. Son rôle est de commander le transfert de l’énergie captée,

seulement si la température du fluide caloporteur dans les capteurs est supérieure à celle de

l’eau du ballon. La régulation s’effectue à l’aide de sondes et de capteurs.

3 . Fonctionnement d’un appoint :

Suivant la nature des besoins et la configuration des bâtiments, on considère trois types de

systèmes d’appoint :

- les installations avec appoint centralisé et distribution par boucle de circulation, sous réserve

que la longueur totale de canalisation entre la boucle et chaque point de puisage ne dépasse pas

6 m en moyenne ;

Page 42: Energies renouvelables et efficacité énergétique

41

- les installations de production décentralisée avec distribution directe ou par boucle. La

distribution est réalisée soit directement (distance ballons-points de puisages inférieure à 8 m)

soit par des boucles de distribution desservant des points de puisages groupés (la longueur

totale de canalisation entre la boucle et chaque point de puisage doit être inférieure à 6 m) ;

- les installations avec appoint individualisée et distribution directe, lorsque les points de puisage

ne sont pas éloignés de plus de 8 m des ballons de stockage, afin d’éviter les pertes thermiques

et des puisages d’eau froide. Dans le cas contraire, les dispositifs d’appoint individuels sont

alimentés par une boucle de circulation maintenue en température.

Dans les installations avec appoint centralisé, la boucle de recirculation de l’eau chaude

sanitaire, lorsqu’elle existe, doit être conçue de telle sorte que le réchauffage de la boucle pour

compenser les pertes thermiques soit assuré par l’appoint. Lorsque les appoints sont

individualisés, la boucle d’eau sanitaire doit être maintenue en température par un

réchauffeur .

4 . Schéma bilan d’une installation en général :

Figure 35 : schéma bilan d’installation en général .

Page 43: Energies renouvelables et efficacité énergétique

42

Page 44: Energies renouvelables et efficacité énergétique

43

I. dimensionnement d’une centrale solaire photovoltaïque :

on va utilise trois résistance électrique de 40 Kw chacune pour chauffer 15t de l’eau qui sera

stocker dans des ballons de stockage de 5t. Notre 1er solution est basée sur la technologie des

panneaux solaires photovoltaïques raccordées au réseau pour produire de l’énergie électrique .

Actuellement nous allons utilise le réseau one pour alimenter les trois résistances de 40 kw et

donc

L’énergie consommée :

Ec= 40x3 = 120 x 5 = 600 Kwh

1. Estimation de l’énergie à produire : Ona

Ep = 𝑬𝒄/𝒌 avec K= 0.8

Donc Ep = 750 kw

2 . l’emplacement et la situation géographique :

Avant d’entamer les travaux nous étions obligés de faire une étude précise sur les

caractéristiques du site. Ces données sont trouvée a partir du logeciel RETScreen etlogeciel

PVSyst ,Les données sont les paramètres météorologiques , l’emplacement et la situation

géographique .

Figure 36 : location de dakhla dans map RETScreen .

Page 45: Energies renouvelables et efficacité énergétique

44

Figure 37 : météo menuselle PVSyst .

Figure 38 : données climatique RETScreen .

Page 46: Energies renouvelables et efficacité énergétique

45

Figure 39 : orientation PVSyst .

Figure 40 : données climatique RETScreen .

3 . Estimation de la puissance crête du générateur photovoltaïque : Pc = 𝑬𝒑 /𝑰𝒓𝒓

avec Irr à la ville de AD DAKHLA est de 5.76 kwh/m2/j

Donc Pc= 130 KWc

4 . Estimation de nombre des panneaux : N= 𝑷𝒄/𝑷

avec P est la puissance crête de chaque panneau

Pour cette installation nous avons choisi des panneaux de 425 Wc

Donc le nombre des panneaux est : 306 panneaux

5. dimensiennement et choix de l’onduleur :

Page 47: Energies renouvelables et efficacité énergétique

46

Figure 41 : principe de fonctionnement d’onduleur .

➢ Pour convertir le courant continu en courant alternatif nous allons utiliser deux

onduleurs de 70 kw dans cette installation .

➢ Le câble de liaison entre les panneaux et l’onduleur sera de type câble souple

1*35 , 1*16 et 1*25 .

6. Simulation de la production mensuelle de l’installation à l’aide du logiciel

PVgis :

Figure 42 : production énergitique mensuelle .

7. Estimation budgétaire de la centrale :

Page 48: Energies renouvelables et efficacité énergétique

47

Tableau 2 : budgé de installation de centrale photovoltaïques.

II. dimensionnement d’une installation de chauffe-eau collectif : les plaques solaire thermique pour la production de l’eau chaude pour le stocké dans trois

ballons de 5000 l chacun . les ballons de stockage existés .

1) Estimer la superficie des plaques solaires nécessaires pour chauffer de

l’eau :

➢ L'énergie consommée en kWh/jours :

Page 49: Energies renouvelables et efficacité énergétique

48

où:

Qdemande = énergie nécessaire pour ECS en kWh/jours

Vdemande = volume d'ECS nécessaire en m3

ρ = densité de l'eau, 1000kg/m3

C = capacité calorifique spécifique de l'eau, 0.00116kWh/kgK

ΔT = différence de température (Tchaud - Tfroid ), en Kelvin

Q= Vx Ꝭ x c x ΔT

Donc Q = 12x 1.16x (60 –16) = 765.6 kwh/jour

➢ La relation de calcul de la surface des capteurs est :

A= 𝑸 𝒙 𝑪𝒔/𝑰𝒓𝒓 𝒙 դ

Efficacité Solaire :

Figure 43 :relation de efficacité solaire

Couverture Solaire :

CS (taux de couverture solaire –entre 60-90%)

Page 50: Energies renouvelables et efficacité énergétique

49

Figure 44 : relation de couverture solaire .

Donc La surface = 187.5 m2

En utilisant des capteurs de 2m² donc le nombre des capteurs est N = 93.75 capPlusieurs

configurations sont possible, mais les exigences en termes de débit et chute de pression nous

sommes obligés 35 plaques solaire pour chaque ballon de 5t donc 90 plaque en total La

configuration des plaques est la suivante

7 plaques en série et 5 rangées 6x5 = 30 plaques

2) Dimensionnement de l’échangeur de chaleur :

Capacité de l'échangeur de chaleur (kW) ≥ capacité maximale du capteur La capacité d'échangeur

de chaleur un champ de capteur de 192m2 avec un pic de capture d'énergie de 750W/m2 est de

144 Kw

DONC NOUS SOMME BESOIN DE TROIS ECHANGEURS DE 50 KW

3) Dimensionnement de la pompe de circulation et la vase d’expansion :

-Le débit total :

Qt = q x N x A = 20 x 30 x 2 = 1200 l/h

Le débit par rangées est = 240 l/h

-Les pertes de pression

Page 51: Energies renouvelables et efficacité énergétique

50

Pour les connexions en série, les pertes de pression totale est la somme de perte de

chaque collecteur

Pour Q= 280

Figure 45 : pressure loss en fonction de volume flow .

Les pertes de pression par collecteur est : 40 mBar/cpteur

Pour rangées de 7 = x 40 = 280 mBar

Pour 5 rangées en parallèle les pertes total = 280 mbar

-Les pertes de charge dans la tuyauterie

Pratiquement les pertes de charge dans la tuyauterie est estimé à 1mbar/m malheureusement on

ne

connaît pas la longueur, mais on va l’estimer à 100m

Donc les perte de charge dans la tuyauterie et les autre composant (courbe, soupape, raccord..) est

:

Ptyu = 100 + 0.3*100 = 130 mbar

Les pertes de charge dans l’échangeur est égale à 100 mbar

Finalement les pertes total sont estimé à : 100 + 130 + 280 = 510 mbar

-Choix de la pompe :

On a HMT = 5.10 m

D’après la courbe la puissance de la pompe et pour 0.4 l/s est : 120 W

La vase d’expansion = 100 l / ballon

4) Estimation budgétaire de l’installation :

Page 52: Energies renouvelables et efficacité énergétique

51

Tableau 3 : budgé de installation chauffe –eau solaire collectif .

Page 53: Energies renouvelables et efficacité énergétique

52

Conclusion

La production d’eau chaude sanitaire génère des consommations d’énergie considérables étant

donné la multitude des secteurs utilisateurs, à savoir :

Le collectif (hôtellerie, cités universitaires, hôpitaux, immeubles, cliniques privées…) ;

Le résidentiel (logements individuels).

Aujourd’hui, les techniques adoptées pour la production d’eau chaude sanitaire sont : le

bois, les chauffe-eau électriques, les chauffe-eau à gaz et les chaudières à fuel ou à gaz. Ces

techniques, par rapport au solaire, présentent plusieurs inconvénients dont la

consommation accrue d’énergies fossiles, des risques et impacts environnementaux, des

durées de vie limitées, des coûts élevés au litre d’eau chaude produite…

Par contre, les atouts liés à l’énergie solaire thermique sont nombreux dont en particulier

: L’utilisation d’une énergie propre ; L’existence d’un potentiel considérable dans

plusieurs pays avec des durées d’insolation élevées ; La compétitivité par rapport aux

autres sources d’énergie. L’utilisation du solaire thermique (source énergétique

disponible) engendrera des économies d’énergie dont les retombées apparaîtront

directement sur les factures énergétiques, notamment celles des pays importateurs

d’énergie, surtout dans le contexte international actuel marqué par un maintien de la

tendance haussière des cours des produits énergétiques. Cette présente étude a pour but

de permettre aux consommateurs d’avoir une idée sur le chauffe-eau solaire et surtout à

l’habitat. L’étude que nous avons présentée consiste à calculer et dimensionner une

installation de production d’eau chaude sanitaire .

Ce rapport représente le résultat d’étude de deux solutions proposées :

➢ La première solution consiste à dimensionner une centrale photovoltaïque pour

produire de l’énergie électrique nécessaire pour trois résistances électriques existantes.

➢ La deuxième solution sera basé sur les plaques solaire thermique pour la production

de l’eau chaude pour le stocké dans trois ballons de 5000 l chacun qui sont déjà

existé.