ETUDE EXPERIMENTALE D’UN CAPTEUR SOLAIRE A EAU

1) GENERALITES

Un capteur solaire à liquide utilise le rayonnement solaire comme source d’énergie et se compose de 3 éléments principaux :

Un capteur proprement dit, élément extérieur « visible » ;Un dispositif de caloportage, permettant le déplacement d’un fluide réchauffé ;Un circuit de distribution après un éventuel stockage :

Contrairement à certaines idées reçues, l’utilisation d’un capteur solaire pour une production d’eau chaude peut parfaitement être rentable, avec une installation bien conçue, et dans certains cas d’application qui dépendent bien évidemment du climat du lieu d’installation.La particularité essentielle de l’énergie solaire est sa gratuité.Le prix de revient d’une installation est donc essentiellement un amortissement de l’investissement réalisé.On peut affirmer grosso modo qu’un captage de l’énergie solaire peut être intéressant dans la moitié sud de notre pays, pour des applications simples comme la production d’eau chaude sanitaire domestique en individuel, ou en collectif avec demande concentrée en été (lieux de vacances), et pour le chauffage des piscines.Cette affirmation est à moduler en fonction des alternatives énergétiques possibles en un lieu donné. L’amortissement est plus facile depuis quelques années, grâce à des subventions de l’état et des régions pour les propriétaires, publics ou privés, même particuliers, pouvant atteindre la moitié du prix de revient d’une installation.

2) FONCTIONNEMENT DU CAPTEUR PLAN UTILISANT LE PRINCIPE DE L’EFFET DE SERRE

CONSTITUTION : Un capteur plan à effet de serre est en général constitué des 5 éléments suivants :

1 : un absorbeur ou échangeur

Il s’agit d’étudier le fonctionnement d’un capteur à eau du type destiné à la production d’eau chaude sanitaire, avec un ensoleillement artificiel variable. On se propose d’analyser l’influence de certains paramètres comme l’ensoleillement, le débit d’eau sur le rendement de l’appareil, et d’en tirer les conséquences sur l’optimisation de son fonctionnement selon le type d’utilisation.Un système de Mesures Assistées par Ordinateur facilite les observations.

2 : une isolation latérale et arrière3 : un vitrage ou couverture transparente4 : une lame d’air5 : un boitier

figure 1ROLE DE CES ELEMENTS :

L’absorbeur 1 a 2 fonctions, il doit :- capter le rayonnement solaire ;- transmettre les calories récupérées au fluide caloporteur.- La première fonction impose de se rapprocher le plus possible du

corps noir, ou absorbeur idéal, son coefficient d’absorption doit donc être le plus proche possible de 1.

- La deuxième fonction impose de bien transmettre au fluide caloporteur l’énergie ainsi absorbée : il doit donc être constitué d’un matériau bon conducteur de la chaleur, cuivre ou aluminium en général.

L’isolation latérale et arrière 2 : Son but est de réduire les pertes thermiques par l’arrière et les flancs du capteur. Pour satisfaire cette condition, elle est constituée d’un matériau isolant : polystyrène, laine de verre ou plus résistante, mousse de polyuréthanne injectée.

La couverture transparente 3 a 2 rôles : engendrer l’effet de serre, elle est donc transparente au rayonnement solaire mais bloque le rayonnement de grande longueur d’onde de l’absorbeur, et protéger la face avant de l’absorbeur des intempéries, des courants de convection (mouvements d’air dus au vent), des dégradations. Elle est en général en verre, parfois en matériau de synthèse (polycarbonate), simple ou double.La lame d’air 4 : elle contribue à l’isolation thermique de la face avant, son épaisseur est donc un paramètre important.Le boîtier 5 : il assure la cohérence mécanique de l’ensemble, et peut être réalisé en tôle d’acier, en aluminium, en fibre de verre. Des problèmes d’étanchéité et de dilatation peuvent se poser, il est soumis à de sévères contraintes climatiques puisque placé à l’extérieur.

3) MONTAGE ET MATERIEL UTILISE :

On dispose de 2 capteurs solaires différents.Lire attentivement la notice du constructeur, très complète, qui donne toutes les caractéristiques nécessaires.Le simulateur de rayonnement est équipé de 48 lampes type Mazda Sol extensive à réflecteur intégré de puissance électrique 300 watts. Le positionnement de ces lampes a été étudié de manière à satisfaire un éclairement ou ensoleillement constant à 10 % près sur le plan du vitrage avant du capteur.Le solarimètre est une cellule photoélectrique particulière, qui permet de mesurer l’ensoleillement ou flux par unité de surface. Il délivre des tensions électriques proportionnelles à ces ensoleillements, sa constante est donnée sur la table de manipulation.On peut régler le débit d’eau circulant dans l’absorbeur à l’aide d’un robinet simple (et pas très précis) et le mesurer en litres/heure (attention aux unités) par lecture sur le débimètre (base du cône de lecture située en haut de ce cône).Les thermocouples Nickel Chrome - Nickel allié délivrent des tensions électriques proportionnelles aux différences de températures mesurées dans la gamme des mesures. Leur constante est de 40 microvolts /°C.Ils sont placés en montage différentiel par rapport à une référence commune avec compensation automatique pour la mesure des températures d’air et d'eau.

figure 2

1 : capteur solaire2 : simulateur de rayonnement3 : débimètre4 : solarimètre5 : réservoir

Mesures Assistées par Ordinateur :Le système se compose d'une carte analogique / numérique multivoies sur laquelle sont branchées les soudures chaudes des thermocouples, la soudure froide est commune à toutes les voies température. Une telle carte accepte en fait nimporte quel générateur de tension, une configuration logicielle permet de choisir la relation tension - grandeur mesurée, qui peut être une loi linéaire ou un étalonnage.

Le logiciel "Testpoint" de "Keithley" est un logiciel de développement d'applications. Il réalise l'interface utilisateur par une programmation-objet. On n'a pas à intervenir dans la programmation dans le cadre des mesures, l'application doit être considérée comme prête à l'emploi. Son utilisation est extrèmement facile, l'écran de l'ordinateur est un terminal d'affichage de valeurs et de courbes, avec des boutons virtuels permettant des choix et des actions simples. Un mode d'emploi spécifique de l'application est à disposition sur la table de manipulation.Son utilisation facilite grandement l'observation des mises en régime : chaque changement de valeur de débit ou d'ensoleillement engendre des variations de certaines des températures, qui se stabilisent lentement. Les valeurs à utiliser pour faire les calculs sont celles des régimes permanents, dont on constate la stabilisation. On décide alors de mettre en mémoire les résultats pour en faire l'exploitation.

4) QUESTIONS THEORIQUES :IMPORTANT : pour comprendre le principe de l’effet de serre, se reporter au cours et aux travaux dirigés de physique 1ère année, au cours desquels les bases théoriques indispensables ont été étudiées.A) Equation caractéristique du capteur :

figure 3

Soit la puissance issue du simulateur atteignant la surface totale S du capteur, et En l’ensoleillement résultant sur cette face avant du capteur.Une partie a de cette puissance est absorbée par l’absorbeur.Le fluide caloporteur en extrait une partie u.Soit p la puissance totale des pertes vers l’avant et l’arrière du capteur = p arr + p avLe rendement est : = u /

Le rendement théorique s’exprime en écrivant : a = u + pEt le rendement expérimental en exprimant u = énergie gagnée par l’eau en traversant le capteur par unité de temps

figure 4B) En admettant que :

a = α c τ vΦ

1−ρ v(1−α c ) et sachant que pour le rayonnement du simulateur on peut prendre les valeurs des coefficients :

pour le verre : v = 0,76 et v = 0,1pour l’absorbeur : c = 0,95

calculer la quantité B = a/ appelée « facteur optique ».

C) Donner l’expression des pertes vers l’arrière en fonction de :Uarr: coefficient global de transmission vers l’arrière ;Tmc : température moyenne de l'eau : Tmc =moyenne (Te, Ts) ;Tar : température de l’air ambiant à l’arrière du capteur, S surface du capteur

Calculer Uarr en considérant une isolation constituée de 5 cm de mousse de polyuréthanne (= 0,03 watt/M°K) et un échange superficiel hi = 9,1 watt/M² °K.

Donner l’expression des pertes vers l’avant en fonction de Uav, Tmc, et Tav.On admet Uav = 5,5 watts / M² °K , mais peut varier selon les mouvements d’air.

D) Montrer que l’on peut exprimer le rendement théorique du capteur sous la forme :

Rth = B ( UE n)×(T mc−T a )

en réalisant les approximations :U = Uav + Uar et Tav = Tar = Ta, soit Ta = (Tav + Tar) /2

Expliquez pourquoi il s’agit là d’approximations.Comment varie ce rendement lorsque la température de l’eau augmente ?

5) MANIPULATION :Mettre le capteur en eau en ouvrant le robinet d’entrée.Relever toutes les valeurs des températures et ensoleillement avant la mise en route des lampes du simulateur.Ajuster le débit d’eau à la première valeur demandée en agissant sur le robinet.Vérifier assez souvent le réglage en cours de manipulation et le reprendre si nécessaire en tournant très lentement le robinet (un robinet ordinaire n’est pas un instrument de précision).Mettre les lampes en marche en basculant les deux disjoncteurs qui commandent chacun la moitié des lampes, ce qui permet éventuellement d’effectuer des mesures avec un ensoleillement d’environ moitié (au prix d’une moins bonne uniformité de l’ensoleillement).Observer la mise en régime permanent : quelles températures dépendent du débit, certaines sont-elles instables et pourquoi ? Ces relevés ne servent qu’à obtenir la certitude de la parfaite stabilité du régime (à condition que tous les paramètres soient stables), condition indispensable pour obtenir des résultats de calculs corrects.Noter toutes les valeurs à la stabilisation : ce sont celles-ci qui serviront pour le traitement des résultats. Evaluer les incertitudes.En redémarrant de ce régime stabilisé, recommencer les opérations successivement pour les autres débits dont les valeurs sont données sur la table de manipulation.Un minimum de 5 débits différents est nécessaire pour pouvoir tracer des courbes significatives : si cela est possible, un sixième cas peut permettre d’éliminer une mesure douteuse. En effet dans la pratique, les conditions de mouvements d’air dans l’environnement du hall sont assez variables et peuvent engendrer des variations de température et sur les échanges superficiels.Une ou deux mesures peuvent être effectuées avec la moitié des lampes allumées, ce qui permet d’élargir la gamme des valeurs de (Tmc - Ta) étudiée.

6) RESULTATS :

Présenter les résultats sous forme d’un tableau comportant aussi les valeurs des températures Tmc et Ts, température de l’eau à la sortie du capteur.Définir le rendement expérimental noté Rexp en effectuant un bilan énergétique global au niveau du capteur, et donner son expression en fonction du débit d’eau Q, de Ts - Te, de En et de S (voir questions théoriques).Donner dans un même tableau les valeurs des rendements théorique et expérimental pour chaque essai réalisé.Tracer sur un même graphe les courbes Rth et Rex = fonction de (Tmc - Ta) / En (si En = constante, on peut tracer en fonction de Tmc – Ta)

Les comparer et conclure en tenant compte des approximations réalisées.

Quelles sont les conséquences pratiques d’une telle loi de variation du rendement ?Penser aux variations de l’ensoleillement, au cours d’une journée, au cours d’une année, ne pas oublier la gratuité de cet ensoleillement pour raisonner sur la notion de rendement.

7) CONCLUSION :On distingue 2 modes de caloportage :- le circuit ouvert, analogue à celui utilisé sur la manipulation, dans la pratique ces conditions sont à peu près celles réalisées dans le cas du chauffage d’une piscine ;- le circuit fermé avec échangeur, stockage et appoint calorifique au niveau du stockage : c’est le schéma type d’une production d’eau chaude sanitaire.

Dans les 2 cas l'utilisation peut être annuelle ou seulement saisonnière en été ( piscines, lieux de vacances ).Analyser les différences fondamentales des critères d'utilisation, température et quantité d'eau chaude entre les 2 types d’installations ? Les choix optimaux des paramètres d'installation : débit, surface de capteur, inclinaison seront donc différents selon le type d'installation et la période d'utilisation.Consulter pour cette analyse les annexes pages suivantes :- schéma type d’une installation de production d’eau chaude sanitaire ;- courbes de variation dans l’année de l’ensoleillement journalier en fonction de l’inclinaison du capteur ;

La Météorologie Nationale a établi des cartes d’ensoleillement basées sur des statistiques sur 15 ans, donnant le nombre d’heures d’ensoleillement annuel :

DURÉE D’INSOLATION EN HEURES : moyennes de 15 ans (total annuel)

Ener

gie

jour

naliè

re

moy

enne

en

Kwh/

m2

Janvier Juin Décembre

90°

70°

50°

10° d'angle entre chaque courbe

Variation de l'énergie incidente en fonction de l'inclinaison du capteur par rapport à l'horizontale et de la période de l'année ( latitude 43°) :

PRODUCTION D’EAU CHAUDE SANITAIRE UTILISANT UN CAPTEUR SOLAIRE (INSTALLATION DOMESTIQUE TOUTES SAISONS)

Dans la pratique certaines installations sont plus complexes et utilisent des échangeurs doubles, des vannes 3 voies, des automatismes, et notamment une programmation horaire pour ne faire fonctionner l'appoint qu'en cas de besoin, et en fin de journée seulement.

Le tableau suivant donne les apports énergétiques quotidiens moyens reçus sur 1 m2 de capteur orienté au sud et incliné à 45° par rapport à l’horizontale en kWh/m2/jour.

Insolation en heures

MOIS 1750 1875 2000 2250 2500 2750JANVIER 1,41 1,6 2,01 2,40 2,82 3,10FEVRIER 2,1 2,5 2,72 3,5 3,0 4,00MARS 3,5 4,00 4,22 4,6 4,80 5,21AVRIL 4,52 4,57 4,71 4,92 5,10 5,42MAI 4,43 4,64 5,10 5,5 5,90 6,21JUIN 4,51 4,72 5,31 6,14 6,40 6,90JUILLET 4,60 4;92 5,62 6,32 6,62 7,01

é

chan

geur

pompe

Eau chaude (utilisation)

Eau froide réseau

Energie d'appoint :- électrique- 2ème échangeur (eau chaude chauffage)

Ballon de stockage avec échangeur

Capteur(s)

Commande pompe( T>2°C )

AOUT 4,42 4,66 5,10 5,60 6,00 6,71SEPTEMBRE 3,90 4,42 4,84 5,20 5,94 5,96OCTOBRE 3,03 3,52 3,86 4,13 4,60 4,90NOVEMBRE 1,70 2,20 2,42 3,80 3,10 3,42DECEMBRE 1,21 1,52 1,40 2,02 2,60 3,10

Ce tableau donne des valeurs brutes, il faut donc tenir compte du rendement des capteurs et des installations pour le calcul des surfaces de captage.

CHAUFFE-EAU SOLAIREIl s’agit d'une utilisation simple de l’énergie solaire surtout lors de l’équipement d’une construction neuve qui doit, de toute façon, être équipée d’une production d’eau chaude sanitaire.CHAUFFAGE DE LOCAUXOn utilise en général des surfaces de capteurs de 30 à 50 m2 pour une surface habitable de 120 m2 avec des grosses citernes de stockage.La distribution de chaleur se fait à la température la plus basse possible, surtout avec des planchers chauffants. Une énergie d’appoint est nécessaire.Les maisons à chauffage solaire doivent être conçues « en solaire » dès leur construction, de façon à intégrer les capteurs dans l’architecture. L'inertie thermique doit être très forte. La rentabilité n'est pas évidente, l'investissement est très lourd. Les réalisations sont plutôt rares.CHAUFFAGE DES PISCINESC’est une application très répandue et très intéressante de l’énergie solaire puisqu’elle intervient en général surtout en été et que les capteurs fonctionnent à basse température.